可控源音频大地电磁法在探测地下采空区上的应用探讨

摘 要:可控源音频大地电磁法是近年来发展的新技术、新方法,在探测地下采空区方面受到了广大地质工作者的高度重视,在山东使用本方法进行了多个采空区的探测,取得了较好的地质效果。本文仅通过对山东省淄博市xx矿区地质灾害调查与评估项目中探测铁矿采空区的应用实例和效果,说明可控源音频大地电磁法在探测采空区方面是有效可行的,并具有广阔的应用前景。

关键词:可控源音频大地电磁法视电阻率拟断面图铁矿采空区山东省

中图分类号:P631文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(a)-0059-02

随着地下矿产资源的不断开采,在地下不同深度形成了形状各异的采空区。一方面采空区充水给矿产的开采、施工及安全造成了极大的危害;另一方面采空区未充填或处理不当,给地面建筑物造成了损害,直接危害着人们的生命和财产安全。因此,查明地下采空区的具体位置与空间形态十分重要。目前,勘测较浅的采空区可选用的物探方法较多,但由于受施工条件限制,普通电法无法开展工作时,对于探测埋深大于200m深度的采空区,最有效的方法之一是可控源音频大地电磁法(CSAMT),也是近年来发展的新技术、新方法。近年来在山东使用本方法进行了多个采空区的探测,取得了较好的地质效果。现以山东省淄博市xx矿区地质灾害调查与评估项目的工作实例,探索研究采用CSAMT法确定地下埋深数百米铁矿采空区上的应用效果。淄博市xx矿区是一大型富矿区,有数层铁矿石,其单层厚度可达数十米,现已查明铁矿石埋深130-700m,现已开采130-400m深度的矿石层。因此,铁矿石采矿区空间较大,用CSAMT法探测取得了较好的地质效果。

1 地质及地球物理特征

1.1 地层与构造

工作区及周边地层根据揭露情况由老到新有奥陶系马家沟组、新近系与第四系。奥陶系马家沟组主要岩性为石灰岩,在矿区内夹有不同厚度的铁矿石层;

新近系主要岩性为粘土岩、砂页岩;第四系主要岩性为粘土、粘质砂土、砂质粘土。

根据以往资料,工作区内未发现有断裂构造存在。

1.2 地球物理特征

根据测井及电法资料统计,工作区主要岩层电阻率参数见表1。

由表中数据可以看出,含铁矿石层与石灰岩间存在较大的电性差异,铁矿石层的围岩石灰岩电阻率最高,但夹有铁矿石层时其电阻率明显变低。当有采空现象时即铁矿石层被挖出后地层的原有结构发生了变化,其电性特征也随之发生变化,由此形成了采空区与围岩之间的电性差异。在各种工程勘探中,寻找地下采空区或空洞时,会有两种情况,一是采空区充水时呈现低阻特征,二是采空区未充水或空洞,呈现高阻特征。不同的采空区或空洞因其形状、大小、围岩电性特征不同,其电阻率具体数值也不尽相同,受到多种因素影响。

由以上可知,地下采空区、空洞与围岩之间存在较大的电性差异,具备开展地球物理勘探工作的前提条件。

2 野外工作方法与技术

根据工作区地质条件及目的任务,本次工作选用了适宜工作区特点的物探新方法新技术即可控源音频大地电磁法简称CSAMT法。

2.1 工作原理

可控源音频大地电磁法是利用接地水平电偶源为信号源的一种频率域电磁测深法,该方法是为了克服天然场源的随机性和信号弱的缺点而在20世纪80年代末才兴起的一种电磁测深新技术[1-4],它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程导出了水平电偶极源在地面上的电场及磁场公式:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中,I供电电流强度;dAB供电偶极长度;R为场源到接收点之间的距离,即收发距;m0为自由空间磁导率。

将(1)式沿x方向的电场(Ex)与(5)式沿y方向的磁场(Hy)相比,并经过一些简单的运算,就可以得到地下的视电阻率()的公式:

(7)

式中f为频率,为电阻率,又称为卡尼亚电阻,是由法国物理学家卡尼亚推导提出的。

又根据电磁波的传播理论,导出了有效传播深度公式d≈356。式中,d代表有效探测深度;代表电阻率;f为频率。可见,当地表电阻率固定时,电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比,高频时探测深度浅,低频时探测深度深。我们可以通过调整供电频率的高低,得到不同深度的地电信息,从而达到垂向频率测深的目的,根据所测视电阻率变化规律,了解地下地质体的空间分布特征、分析推断断裂构造产状及性质等。近几年,CSAMT方法理论和仪器设备都得到了很大的发展,广泛应用在勘探石油、天然气、地热、金属矿产、水文、环境及地质灾害调查等方面,从而成为地质学家高度重视的一种地球物理勘探新方法。

2.2 使用仪器

工作中使用的仪器为加拿大凤凰地球物理有限公司研制开发的最新一代V8-6R多功能电法系统,是目前国内外使用的最先进的电磁勘探设备之一。

2.3 工作布置与技术参数选择

2.3.1 测线与测点布设

在调查区内共布置7条CSAMT剖面线即1、2、3、4、5、6、7线,其中1、2、3、4线近东西方向,其剖面长度均为720 m、物理点36个,线距150～200m;5、6、7线近南北方向,其剖面长度均为900m、物理点45个,线距250～300m。点距均为20m,各剖面线及测点均用手持GPS布设,误差要求按有关规范执行。

2.3.2 技术参数选择

在CSAMT野外工作中,采用赤道偶极测量装置,一般观测区域布置在以发射偶极AB形成的60°角的一个梯形面积内,本次野外工作采取把测线布置在以AB为边的矩形面积内,以保证测量区域有足够大的信号强度。发射电偶极距AB=1500m,接受电偶极距MN=20m,收发距R=7000m,点距20m,测量频率范围为1～9600HZ。施工过程中保持12个不极化电极的接地电阻均小于5kΩ,低频发射电流控制在18A,这样既抑制了工业电流和地表人为设施的干扰,又保证了采集数据的准确可靠。

3资料的分析与解释

3.1 采空区的一般异常特征

把野外采集的数据输入电脑经专用软件圆滑处理、预处理后,选用BUICK反演数据绘制了各剖面的视电阻率等值线拟断面图。由地球物理特征和视电阻率等值线拟断面图特征并结合矿区已知地质资料推断了采空区位置。

工作区的正常地层结构为奥陶系石灰岩中分布有一层或数层铁矿石,属少有的富矿区,铁矿石单层厚度可达几十米,本区铁矿开采多层,综合开采厚度达数百米。当铁矿石被挖出后成为了空洞(未充水),其电阻率变大,当空洞具有一定规模时就在CSAMT视电阻率等值线拟断面图的一定深度上形成高阻闭合圈。当采空区被充填时,因充填物为高阻物体,在CSAMT视电阻率拟断面图上同样形成高阻闭合圈异常。由于围岩即奥陶系石灰岩在铁矿区内含铁量较大,因而其视电阻率比正常值低。本工作区采空区已被充填,由于采空区的深度及厚度不同,其反演ρa值也不尽相同,一般80～260Ω·m。石灰岩中含铁矿石层或含铁量大时,反演ρa值一般20～60Ω·m。

3.2 剖面实例分析与解释

以5、6剖面为例,具体分析、解释如下:

5剖面(图1):在地面85310～85523m位置、垂向深度220～270m、以反演ρa=80Ω·m等值线圈出了一高阻半闭合圈,因现场不能施工南端异常未闭合,该异常具有一定的规律性和独立性,结合地质情况推测此高阻半闭合圈为采空区位置。与已知矿区资料对比,此地段为采空区且已充填。

6剖面(图2):在地面85423～85633m位置、垂向深度200～358m、反演ρa=120Ω·m等值线形成了一高阻闭合圈,闭合圈反演ρa最大值220Ω·m。该异常高阻特征明显,结合地质情况推测为采空区位置。由已知矿区资料可知,此地段原为富矿区,厚度大且具多层矿体,现已采空且充填。

4 结语

通过本次CSAMT工作成果,得出以下几点认识与体会:

(1)寻找地下采空区,首先要大致了解采空区目前的状态即是充水的还是空洞,当采空区被充填时,要了解其充填的方法以及充填的成分。

(2)采空区未充水时,在二维反演ρa等值线拟断面图上形成高阻、密集的闭合圈异常;采空区充水时,在等值线拟断面图上形成低阻闭合圈或低阻异常;采空区被高阻体充填时,在等值线拟断面图上形成高阻、密集的闭合圈异常。

(3)根据工作地区的地形、地质及影响因素等情况,可选择合适的物探方法组合,有条件的地区最好选用2-3种的综合方法开展工作。根据经验,较深的采空区可选用CSAMT和TEM(瞬变电磁)或CSAMT、TEM与电阻率测深的组合,以便能较准确地推断采空区的空间形态,为地质灾害的防治与处理提供可靠的依据。

(4)本区采用CSAMT新方法、新技术推断铁矿采空区取得了较好的地质效果,后与矿区开采图对比证实符合实际,也证明了该法在寻找及确定地下采空区方面是行之有效的物探手段,但要取得良好的地质效果,在实际工作中,一定要注重参数的选择,特别是在采空区的顶、底部边界位置要保证有足够的频点,以使成果图能较好的反映出采空区的空间形态。

参考文献

[1]石昆法.可控源音频大地电磁法理论与应用[M].北京:科学出版社,1999.

[2]汤井田等.可控源音频大地电磁法及其应用[M].湖南:中南大学出版社,2005.

[3]黄力军,陆贵福,刘瑞德.可控源音频大地电磁法应用实例[J].物探化探计算技术,2006,28(4):337.

[4]雷达,孟小红,王书民,等.复杂地形条件下的可控源音频大地电磁测深数据二维反演技术及应用效果[J].物探与化探,2004,28(4):323.