胥克俊 王智強(qiáng) 楊 猛 張宏強(qiáng)3

（1.國家電投集團(tuán)鋁電投資有限公司；2.國家電投集團(tuán)山西鋁業(yè)有限公司）

山西省興縣鋁土礦生產(chǎn)基地由于歷史原因，周邊存在民采破壞的情況［1］，遺留下大量不明采坑。這些遺留采坑幾乎沒有巷道采掘圖，給鋁土礦基地工業(yè)廣場的建設(shè)及后續(xù)生產(chǎn)造成安全隱患，急需采用一種經(jīng)濟(jì)可靠的技術(shù)手段予以探明。

對(duì)研究區(qū)內(nèi)地球物理特征、實(shí)際地形及施工條件等因素進(jìn)行分析后，采用瞬變電磁法為主、高密度電阻率法為輔的綜合電法技術(shù)進(jìn)行探查，并通過鉆探工作，對(duì)探查結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)在興縣縣城西北方向，位于魏家灘鎮(zhèn)東磁窯溝村—楊家山一帶，北起廟子井村，南到楊家山村，西起王家里村，東到郝家溝村。

根據(jù)礦體分布情況，本次采空區(qū)勘探工作分為5個(gè)鋁土礦礦體（編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ）進(jìn)行勘測，研究區(qū)面積約3.28 km2，全區(qū)鋁土礦埋深為0~203 m，詳情見表1。

2 地球物理特征及綜合電法的布設(shè)思路

電阻率是描述物質(zhì)導(dǎo)電性能的一個(gè)電性參數(shù)。巖、礦石的電阻率值越大，其導(dǎo)電性就越差；反之，則導(dǎo)電性越好。瞬變電磁法是在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極，輸入階躍電流，當(dāng)回線中電流突然斷開時(shí)，在下半空間就要激起感應(yīng)渦流，以維持?jǐn)嚅_電流前已存在的磁場，并且此渦流場隨時(shí)間以等效渦流環(huán)的形式向下傳播、向外擴(kuò)展，利用不接地線圈、接地電極或地面中心探頭觀測此二次渦流磁場或電場的變化情況，用以研究淺層至中深層的地電結(jié)構(gòu)；高密度電法測量的實(shí)質(zhì)是直流電阻率探測地層剖面，將所有電極沿測線方向等間距布置好，由主機(jī)控制多路電極轉(zhuǎn)換器，按編程實(shí)施自動(dòng)轉(zhuǎn)換供電和測量，并將測量數(shù)據(jù)記錄到電子硬盤上。工作時(shí)，隨著供電電極距的加大，電流場作用的范圍加深、變廣，因此，所測得相應(yīng)視電阻率值的變化就反映了該點(diǎn)下方沿垂直方向上的電性變化情況。不同的地質(zhì)體其電流場分布不同，在一定條件下，視電阻率的變化能反映地層巖性和結(jié)構(gòu)的變化。

不同的巖石對(duì)應(yīng)著不同的密度、導(dǎo)電性、彈性、放射性等物理性質(zhì)，是地球物理探查工作的理論基礎(chǔ)和前提。該區(qū)鋁土礦被開采后形成采空區(qū)，破壞了原有的地殼應(yīng)力平衡狀態(tài)，使得采空區(qū)與圍巖的電阻率值發(fā)生變化［2］。當(dāng)鋁土礦層存在采空破壞區(qū)，且采空破壞區(qū)內(nèi)不含水時(shí)，電阻率呈現(xiàn)高阻特征。分析對(duì)比電性參數(shù)，區(qū)分物性差異，尋找異常區(qū)來劃分采空區(qū)范圍，是本次電法勘探的理論依據(jù)［3］。

一般情況下，巖性隨深度發(fā)生變化，相應(yīng)電阻率縱向（沿深度）上變化較大；但橫向（沿測線方向）上變化較小，它的變化主要反映出采空破壞區(qū)規(guī)模的大小變化。所以，應(yīng)用瞬變電磁法解釋采空破壞區(qū)，主要是依據(jù)平面上的電阻率變化特征［4］。完整地層的電阻率在沿測線方向（橫向上）是連續(xù)不突變的；縱向上（埋深方向）逐層增大，主要表現(xiàn)為低電阻率值的覆蓋層、中電阻率值的含礦地層、高電阻率值的奧灰底板（圖1）。采空破壞區(qū)的視電阻率在沿測線方向含礦深度位置發(fā)生突變，呈現(xiàn)高阻閉合圈，且視電阻率值高于正常地層（圖2）。

本次探查工作依據(jù)鋁土礦采空區(qū)在視電阻率順層切片圖上的特征，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行圈定和組合，大致圈定異常區(qū)范圍；然后，再與擬視電阻率斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步優(yōu)化鋁土礦采空區(qū)分布范圍，并結(jié)合地質(zhì)、鉆孔等資料作對(duì)應(yīng)的綜合地球物理與地質(zhì)勘探分析，得出采空區(qū)的分布規(guī)律；最后，通過對(duì)全區(qū)地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，劃定鋁土礦層采空異常區(qū)，繪制出目的層采空破壞區(qū)分布圖。

勘探區(qū)內(nèi)不同區(qū)塊礦層上覆覆蓋層厚度差異較大，引起自上而下的視電阻率差異較大，加之原小窯破壞等客觀因素的影響，導(dǎo)致各區(qū)塊電性異常反映不盡相同。從各測線擬視電阻率等值線斷面圖中可看出，在礦層底板界面附近出現(xiàn)多處小范圍高阻異常電性特征［4］。不同區(qū)塊采空區(qū)范圍的分析、圈定，主要依據(jù)擬視電阻率等值線的扭曲、密集、變形的形態(tài)，大體上以某一閾值進(jìn)行劃分。

3 鋁土礦采空區(qū)探查的實(shí)例研究

3.1 二維擬視電阻率斷面圖特征分析

研究區(qū)內(nèi)地形起伏變化較大，存在地形對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響，故依據(jù)測點(diǎn)標(biāo)高對(duì)探測深度進(jìn)行地形校正，所有斷面圖件均采用視電阻率—高程數(shù)據(jù)繪制。在擬視電阻率斷面圖上，正常情況下的地層是指不受采空破壞、富水區(qū)、含導(dǎo)水構(gòu)造等的影響，體現(xiàn)在地層的電性變化會(huì)呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，從而反映在擬視電阻率斷面圖上的值分布穩(wěn)定，擬視電阻率等值線圖呈似層狀分布；相反，當(dāng)存在采空區(qū)域及導(dǎo)水構(gòu)造等情況下，擬視電阻率等值線圖則發(fā)生扭曲、變形或呈密集條帶狀分布［5］。

本次工作選擇了2條具有代表性的多測道電壓剖面圖及擬視電阻率斷面圖進(jìn)行詳細(xì)研究。

3.2 等值線斷面分析圖

圖3為TEM-4線多測道電壓剖面圖及擬視電阻率等值線斷面圖，圖3（a）中橫坐標(biāo)均為測點(diǎn)，縱坐標(biāo)為二次電壓值。從曲線形態(tài)的變化可看出二次電壓值衰減的快慢程度，從而反映出不同地層擬視電阻率的相對(duì)高低變化特征。圖3（b）中橫坐標(biāo)均為測點(diǎn)，縱坐標(biāo)均為標(biāo)高。填充漸變色代表了擬視電阻率低—中—較高—高的漸變過程。圖中黑色粗虛線分別表示的是奧陶系灰?guī)r為底板的界面。

從縱向上看，圖中從淺到深其擬視電阻率整體基本呈現(xiàn)低—中—高阻的電性特征。

從橫向上看，圖中當(dāng)?shù)V體采空時(shí)，在擬視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為“高視電阻率異?！?，擬視電阻率參數(shù)曲線的相應(yīng)段均有局部高，且呈不均勻體反映，在擬視電阻率斷面圖上，擬視電阻率等值線向上凸起，發(fā)生扭曲變化，呈條帶狀或圈閉的高阻區(qū)。

圖3地形線上用紅色線圈定的820~840 m范圍為調(diào)查的地面開裂塌陷區(qū)。相對(duì)于整個(gè)勘探區(qū)來說，TEM-4線整體礦體埋深相對(duì)較淺，礦體被采空破壞后容易引起地表變形。

本次勘探區(qū)南部ZKA4-16鉆孔揭露為采空破壞區(qū)，結(jié)合視電阻率等值線斷面圖可看出，在礦層底板界面附近740~840 m段擬視電阻率ρτ≥130Ω·m，相對(duì)偏高，擬視電阻率等值線向上凸起，發(fā)生扭曲變化，且有明顯的分界線，推斷740~840 m段為采空破壞區(qū)。

3.3 高密度電阻率斷面圖分析

圖4為GMD-1線反演電阻率斷面圖，從圖中可看出，此段地形起伏變化較大。從橫向上看電阻率呈相對(duì)不均勻狀態(tài)，地層未呈現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的層狀均勻特征反映，分析認(rèn)為局部存在采空破壞區(qū)。從縱向上看，自上而下電阻率大體呈低阻—中阻—高阻的變化特征，與瞬變電磁法探測的地電特征基本一致。

結(jié)合瞬變電磁法的斷面特征進(jìn)行綜合分析，720~820點(diǎn)深部呈相對(duì)的高阻電性特征反映，推斷為采空破壞區(qū)，解釋范圍與瞬變電磁法基本對(duì)應(yīng)。

3.4 二維擬視電阻率順層切片圖特征分析

繪制各測線擬視電阻率等值線斷面圖以及礦層擬視電阻率順層切片圖，在各測線斷面圖上可以看到沿測線斷面方向上的視電阻率分布特性及電性異常，在切片圖上可以看到目標(biāo)層對(duì)應(yīng)深度上的擬視電阻率分布特性及電性異常［6-7］。為簡便起見，選擇了Ⅴ號(hào)礦體擬視電阻率順層切片圖進(jìn)行詳細(xì)敘述。

按照礦體的分布范圍及施工網(wǎng)度進(jìn)行劃分分區(qū)?？碧絽^(qū)Ⅴ號(hào)礦體南部及中部劃定為一分區(qū)；北部劃定為二分區(qū)；重點(diǎn)勘探區(qū)劃定為三分區(qū)（加密區(qū)）。各分區(qū)的大體分布位置及范圍詳見圖5。

圖6為一分區(qū)擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ為80~175Ω·m，整體值較高。在覆蓋層較薄的區(qū)塊，結(jié)合斷面圖中等值線的變化形態(tài)，大體以擬視電阻率ρτ≥130Ω·m的等值線呈高阻圈閉狀，劃定為鋁土礦采空破壞區(qū)；在覆蓋層較厚的區(qū)塊，大體以擬視電阻率ρτ≥150Ω·m的等值線呈高阻圈閉狀，劃定為鋁土礦采空破壞區(qū)。

圖7為二分區(qū)擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ值介于110~158Ω·m，整體值相對(duì)較高，結(jié)合各測線擬視電阻率等值線斷面，圖中等值線呈似層狀分布，變化平緩，解釋為未發(fā)現(xiàn)采空破壞區(qū)。

圖8為三分區(qū)擬視電阻率順層切片圖，從圖中可看出擬視電阻率ρτ值介于98~170Ω·m，整體值較高，結(jié)合各測線斷面圖中等值線的變化形態(tài)，采空破壞區(qū)的劃定原則同一分區(qū)基本一致。

3.5 鉆探驗(yàn)證

物探工作完成之后，圈定了采空異常區(qū)，通過鉆探驗(yàn)證工作，施工鉆孔2個(gè)（YZK5-1位于V礦體CK-3處、YZK5-2位于V礦體CK-6處），其中YZK5-1鉆孔在30.80~33.20 m揭示出采空區(qū)，YZK5-2鉆孔在50.64~51.48 m揭示出采空區(qū)，推測為鋁土礦民采巷道，說明本區(qū)物探工作比較可靠。

4 結(jié) 語

本次工作在數(shù)據(jù)采集中結(jié)合多種數(shù)據(jù)處理的方法，獲得了客觀反映實(shí)際的電法多參數(shù)綜合解釋資料，提高了本次地質(zhì)解釋成果精度。物探工作完成之后，圈定了采空異常區(qū)，對(duì)礦區(qū)進(jìn)行了采空區(qū)鉆探驗(yàn)證，初步圈定勘測區(qū)范圍內(nèi)鋁土礦的采空區(qū)位置及分布范圍，為下一步礦產(chǎn)開發(fā)提供了可靠的資料。