李 松，張 菊，李虎杰，蔡長(zhǎng)發(fā)

(1.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621000；2.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心廣東總隊(duì)，廣東 廣州 510000)

0 引言

高密度電法是一種以巖石和礦石之間存在電阻率差異為前提，對(duì)空間中與差異性相關(guān)的電場(chǎng)分布特征和變化規(guī)律進(jìn)行分析的方法[1]；該法可有效查明地下不均勻電性體，被廣泛應(yīng)用于淺層基巖埋深、地下巖溶洞穴以及地下破碎帶的調(diào)查[2-6]。王磊等[7]利用高密度電法查明了某滑坡區(qū)的地層結(jié)構(gòu)、基巖埋深、富水地段以及空間展布等特征，并利用在關(guān)鍵點(diǎn)的鉆探成功驗(yàn)證了高密度電法反演的準(zhǔn)確性。大地電磁法利用電磁感應(yīng)的趨膚效應(yīng)，在場(chǎng)源和接收點(diǎn)間距不變的條件下，改變電磁場(chǎng)的頻率以達(dá)到測(cè)深的目的[8]。喻翔等[9]利用二連盆地騰格爾坳陷南緣2條典型大地電磁法電磁測(cè)量剖面進(jìn)行了二維視電阻率反演并結(jié)合已知地質(zhì)資料，推斷解譯了中生界沉積地層的埋深、產(chǎn)狀和空間分布等。高密度電法觀測(cè)精度高，清晰直觀，但探測(cè)深度小，測(cè)線布設(shè)受場(chǎng)地和地形影響較大。大地電磁法施工方便，探測(cè)深度大，但抗干擾能力差，分辨率較低[4]。對(duì)于重要地段，一般先采用高密度電法進(jìn)行探測(cè)，并在特殊點(diǎn)用大地電磁法反演進(jìn)行檢驗(yàn)。本文綜合高密度電法和大地電磁法反演結(jié)果，將其用于查明大垌礦區(qū)的巖溶、破碎帶發(fā)育情況，并對(duì)巖溶洞穴的位置、大小和埋深進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)物探，最后結(jié)合部分鉆探資料，對(duì)推測(cè)結(jié)果的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。該成果為后期礦區(qū)內(nèi)水文孔位置的確定和安全開采提供了物探依據(jù)。

1 電法工作原理

1.1 高密度電法工作原理

高密度電法是由日本地質(zhì)計(jì)測(cè)株式會(huì)社提出并發(fā)展起來的新型電阻率測(cè)試方法，其工作原理與常規(guī)電阻率法相同，即基于巖石電阻率差異，研究外加電場(chǎng)作用下地下傳導(dǎo)電流的變化及分布規(guī)律，據(jù)此推斷地下具有電性差異的地質(zhì)體或構(gòu)造的空間位置[5]。其工作步驟為：首先在預(yù)先選定的測(cè)線、測(cè)點(diǎn)上依次布置數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)電極，然后用多芯電纜將其連接至多電極轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換開關(guān)將其組合成所選定的電極裝置和電極距，進(jìn)而快速完成指定電極裝置下的多極距組合的斷面測(cè)量[10]。高密度電法工作原理如圖1所示。

圖1 高密度電法工作原理示意圖[11]

1.2 大地電磁法工作原理

受電磁場(chǎng)的趨膚效應(yīng)干擾，在地表測(cè)量由高頻至低頻的地球電磁響應(yīng)序列時(shí)，高頻部分在地表被削弱，低頻則往深部傳播，使得地面觀察值包含了地下介質(zhì)電阻率信息；通過觀察地面采集的不同頻率的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信息，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)處理分析后獲得大地由淺至深的電性結(jié)構(gòu)。大地電磁測(cè)深方法以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)[12-13]，以卡尼亞大地電磁理論為依據(jù)，該理論的基本模型為：假定場(chǎng)源位于高空，地面電磁場(chǎng)為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的；定義電磁波在地下介質(zhì)傳播中，振幅衰減到地面振幅1/e的深度為趨膚深度或穿透深度；通過采用不同頻率的阻抗來計(jì)算視電阻率，高頻率下視電阻率反映淺部的電性特征，低頻率下視電阻率反映深部的電性特征[14-15]。

在實(shí)際工作中，需要根據(jù)不同的勘探要求、被探測(cè)體的性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)工作條件選擇適宜的測(cè)量裝置；也可以同時(shí)選擇多個(gè)裝置，后期再進(jìn)行對(duì)比分析，以保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 區(qū)域概況

調(diào)查區(qū)位于粵桂加里東褶皺隆起帶的東南緣，吳川-四會(huì)大斷裂西側(cè)，上古生代中垌-廉江復(fù)式向斜東南翼，巖層呈單斜構(gòu)造，傾向?yàn)?25°～130°，傾角為45°～65°。該區(qū)域主要出露泥盆系中統(tǒng)東崗嶺組(D2d)石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖。鉆探及地質(zhì)調(diào)查資料顯示，該區(qū)內(nèi)各巖土層的電阻率存在一定的差異，即存在電阻率差異界面。第四系砂土的電阻率低，一般小于50 Ω·m；基巖、微風(fēng)化層的電阻率較高，利用完整的地層發(fā)育發(fā)現(xiàn)其反映的電阻率為100～500 Ω·m。地層中發(fā)育的洞穴由于被其他物質(zhì)所充填，其電阻率一般較周圍地層低。電阻率差異的存在，為以電阻率差異為勘探前提的高密度電法和大地電磁法提供了有利的地球物理?xiàng)l件[16-17]。

3 工作方法和測(cè)線布置

本次高密度電法勘查采用DUK-2A高密度電法測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)勘探深度要求，設(shè)置電極距a=10 m，間隔系數(shù)n=1～20，供電時(shí)間t=0.5 s，每排電極布設(shè)120根。大地電磁法勘查采用GMS-07e綜合大地電磁儀。

根據(jù)調(diào)查區(qū)巖層產(chǎn)狀和地形特征，以大致垂直巖層走向?yàn)樵瓌t，高密度電法勘查按北西-南東向布置12條平行測(cè)線，按北東-南西向布置3條平行測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距10 m。大地電磁法測(cè)點(diǎn)間距10 m，測(cè)線方位將在高密度電法之后進(jìn)行布置。測(cè)線布置如圖2所示。

圖2 測(cè)線布置圖

4 成果解釋

運(yùn)用GEOGIGA、RES2DINV等對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行壞點(diǎn)刪除、地形校正、格式轉(zhuǎn)換及反演計(jì)算，繪制高密度電法電阻率等值線切片圖(見圖3)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)資料對(duì)圖3進(jìn)行分析，推斷基巖面埋深及巖溶分布和發(fā)育情況，并在關(guān)鍵點(diǎn)布設(shè)大地電磁法加以驗(yàn)證(見圖4)。

圖3 高密度電法電阻率等值線切片圖

圖4 大地電磁法反演圖

4.1 巖土分層解釋

由圖3可知，存在一個(gè)較明顯的電阻率界面，該界面之上主要表現(xiàn)為低阻特征，局部位置表現(xiàn)為高阻特征。反演視電阻率主要在20～150 Ω·m，A1、A5、A7、A8、A12線局部電阻率超過3 000 Ω·m。根據(jù)該地區(qū)地層電阻率特征值推測(cè)，上部覆蓋層由第四系沖洪積土、基巖全風(fēng)化層組成，而局部高阻特征為干燥土層或塊體所致。圖3中由低電阻率過渡到高電阻率的截面，可推斷為覆蓋層與基巖的接觸面，覆蓋層厚4～40 m。圖4中同樣出現(xiàn)了明顯的電阻率過渡界面，上部界面深4～40 m。電阻率過渡界面以下反演視電阻率在200～40 000 Ω·m。鉆探資料表明，下部基巖為灰?guī)r，覆蓋層厚2～40 m。

4.2 高密度電法低電阻異常解釋

在該反演成果中，覆蓋層與基巖的接觸面出現(xiàn)多處低阻異常，主要以單個(gè)低阻異常點(diǎn)和串珠狀異常點(diǎn)形式存在，推測(cè)該現(xiàn)象主要由溶洞引起。A6線與A9線SE側(cè)出現(xiàn)條帶狀低阻異常，但該處低阻異常周圍電阻率同樣較低，且該處為采礦形成的低洼地形，有積水，無法直接推斷為巖溶引起或者由采坑干擾所致，需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

高密度電法測(cè)線NW側(cè)出現(xiàn)大量面積較大的低阻異常帶，這些異常位于視電阻率反演斷面圖邊界，推測(cè)這些異常可能為邊界干擾引起，也可能為巖溶或裂隙發(fā)育引起。在該邊界上布設(shè)1條大地電磁法L6線加以驗(yàn)證，L6線的大地電磁法反演結(jié)果顯示電阻率較深，僅在局部出現(xiàn)低阻異常點(diǎn)，因此推測(cè)此異常由邊界干擾引起。

在覆蓋層與基巖接觸面之下的巖體內(nèi)部同樣出現(xiàn)了多處低阻異常，對(duì)這些低阻異常的分析如下：

a.A1線。NW側(cè)地下89.1 m位置出現(xiàn)1處較大的低阻異常區(qū)域，寬26 m，但該異常區(qū)域底部未封閉，推斷由巖溶或裂隙發(fā)育引起；異常區(qū)域周圍電阻率較低，亦不排除此異常由炭質(zhì)地層引起。

b.A2、A3線。A2線SE側(cè)地下79.2 m位置出現(xiàn)1處較大的低阻異常區(qū)域，寬38 m；A3線NW側(cè)地下84.6 m位置出現(xiàn)1處較大的低阻異常區(qū)域，寬34 m；這兩處異常區(qū)域底部雖然未封閉，但周圍電阻率值較高，推測(cè)為巖溶洞穴發(fā)育。

c.A4、A5、A8、A9、A10線。基巖面之下未見明顯的低阻異常。

d.A6、A7線相比A5、A8線，總體電阻顯示較低；而A6、A7線布置在采礦形成的采坑之中，由于受積水影響，導(dǎo)致這兩條測(cè)線總體呈低電阻特征。在A6、A7線SE側(cè)底部約30 m位置，同時(shí)出現(xiàn)低電阻異常，推測(cè)此部位有1個(gè)較大的巖溶洞穴發(fā)育。

e.A11線。SE側(cè)地下88.7 m位置出現(xiàn)1處較大的低阻異常區(qū)域，寬34 m，但該異常區(qū)域底部未封閉，推斷由巖溶或裂隙發(fā)育引起；異常區(qū)域周圍電阻率較低，亦不排除此異常由炭質(zhì)地層引起。

f.A12線。SE側(cè)地下85.2 m位置出現(xiàn)1處較大的低阻異常區(qū)域，寬42 m，但該異常區(qū)域底部未封閉，推斷由巖溶或裂隙發(fā)育引起；異常區(qū)域周圍電阻率較低，亦不排除此異常由炭質(zhì)地層引起。

4.3 大地電磁法低電阻異常解釋

大地電磁法共布置6條測(cè)線，低電阻異常解釋如下：

a.L1測(cè)線。地表下約3 m處出現(xiàn)了一系列小的低阻異常點(diǎn)，且該測(cè)線左側(cè)為水坑；結(jié)合鉆孔揭露的基巖面埋深，推測(cè)由水坑影響所致；在L1線8號(hào)-10號(hào)點(diǎn)之下可見1處明顯的低阻異常區(qū)域，其頂板埋深約10 m，底板埋深約45 m，周圍電阻率較高，推斷由溶洞引起。

b.L2測(cè)線。地表下約15 m處出現(xiàn)低阻異常帶，推測(cè)為基巖表面出現(xiàn)的溶溝、溶槽、溶洞、落水洞等巖溶現(xiàn)象。

c.L3測(cè)線。地表下約4 m處出現(xiàn)一系列連續(xù)的低阻異常帶，推測(cè)由土層含水導(dǎo)致。在10號(hào)-11號(hào)點(diǎn)有1處低阻異常區(qū)域，其頂板埋深約3 m，底板埋深約24 m，推斷由溶洞引起。

d.L4測(cè)線。地表下約10 m處出現(xiàn)一系列連續(xù)的低阻異常帶，推測(cè)由土層含水所致。在4號(hào)-5號(hào)點(diǎn)有1處低阻異常區(qū)域，其頂板埋深約3 m，底板埋深約20 m，推斷由溶洞引起。在9號(hào)-11號(hào)點(diǎn)有1處低阻異常區(qū)域，其頂板埋深約3 m，底板埋深約60 m，推斷由溶洞引起。

e.L5測(cè)線。在地表附近20 m范圍內(nèi)，出現(xiàn)明顯的呈條帶狀的低阻異常，結(jié)合鉆孔揭露的基巖面埋深，推測(cè)條帶狀低阻異常由土層含水所致。而位于該測(cè)線6號(hào)-8號(hào)點(diǎn)的低阻異常區(qū)域頂板埋深約8 m，底板埋深約44 m，周圍電阻率較高，推斷由溶洞引起。但該處地表下約100 m范圍內(nèi)，皆出現(xiàn)次低阻異常，推測(cè)該區(qū)有裂隙發(fā)育，且充水。

f.L6測(cè)線。該測(cè)線內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的低阻異常。

4.4 鉆孔驗(yàn)證

后期利用多個(gè)鉆孔進(jìn)行檢驗(yàn)，ZK1鉆孔位于L5測(cè)線附近(鉆孔位置見圖2)，取芯照片如圖5所示。ZK1鉆孔完鉆深度為100 m，取芯結(jié)果顯示：上覆土層厚約8 m；在10～20 m范圍內(nèi)，巖芯破碎且取芯率明顯較低，推測(cè)為溶洞發(fā)育區(qū)域；地下80～100 m范圍內(nèi)，取芯破碎，但取芯率較高，推測(cè)該區(qū)裂隙發(fā)育，且充水。由此可知，鉆探所獲取的地下資料與利用高密度電法和大地電磁法勘查的結(jié)果基本一致。

圖5 ZK1取芯照片

5 結(jié)論

高密度電法與大地電磁法屬于定性至半定量的物探方法，所做推斷主要是基于電阻率的變化與圈定得來；但地球物理勘探本身存在多解性問題，為了獲得更準(zhǔn)確、更有效的解釋結(jié)果，一般采用多種物探方法相互配合，發(fā)揮每一種方法的長(zhǎng)處，從而提高物探的準(zhǔn)確度。這就需要數(shù)據(jù)處理人員認(rèn)真查閱野外記錄，了解每個(gè)測(cè)點(diǎn)的干擾情況，排除可能由于外界因素而導(dǎo)致的錯(cuò)誤反演，從而為后期正確判斷調(diào)查區(qū)的地質(zhì)情況打下基礎(chǔ)。