孫 平,王 謙,王重陽,劉俊伯,陳 峰,張 建

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院,江蘇 南京 210049)

采礦活動對環(huán)境具有很大影響,不合規(guī)的露天采礦會造成巖石裸露,形成浮石、危巖,存在著嚴(yán)重的崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害隱患。越界開采、超深度開采是常見的違法采礦行為。在違法采礦結(jié)束后,有的礦企會用雜土、亂石回填礦坑以掩飾違法行為?；谡l破壞誰治理的原則,礦山地質(zhì)環(huán)境治理中需要查明違法礦企的實(shí)際開采范圍和超采量。

鉆探工程是直觀、可靠的工作手段,可準(zhǔn)確揭露基巖界面,計(jì)算超采礦石量。但若在回填后的礦山漫無目標(biāo)地布置鉆探工作,則耗時(shí)長、成本高。物探方法具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn),采用物探先行,鉆探跟進(jìn)的方式,不僅可顯著提高勘探工作效率,而且能大大降低成本。高密度電阻率法是工程物探的基本方法,廣泛應(yīng)用于巖溶勘察[1-2]、采空區(qū)勘察[3-4]、滑坡災(zāi)害勘察[5-6]、斷裂帶探測[7-8]、地下水探測[9-10]、水庫滲漏檢測[11-12]、場地污染調(diào)查[13-14]等方面,在地層精細(xì)劃分中也有一定研究應(yīng)用[15-16]。地質(zhì)雷達(dá)法主要用于淺表層目標(biāo)探測,相比高密度電阻率法,其在淺層探測精度更高,在道路病害檢測[17]、隧道襯砌檢測[18-19]、工程質(zhì)量評價(jià)[20-21]、地下管線探測[22]、裂縫裂隙探測[23-24]、堤壩隱患排查[25]等方面應(yīng)用較多。

本文中采用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法探測石灰?guī)r采礦坑回填土石與底部基巖界面、淺覆蓋區(qū)巖土界面(采礦坑邊界)效果良好,表明物探方法在礦山超采勘探中有一定應(yīng)用潛力。

1 地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

1.1 地質(zhì)條件

工區(qū)所在區(qū)域地層發(fā)育較齊全,基巖主要出露志留紀(jì)—侏羅紀(jì)地層;北部出露燕山期石英二長斑巖(圖1)。工區(qū)內(nèi)地層除第四系殘坡積層外,主要有二疊紀(jì)棲霞組和石炭紀(jì)船山組、黃龍組。

1.第四系全新統(tǒng);2.第四系下蜀組;3.侏羅系大王山組;4.三疊系上青龍組; 5.三疊系下青龍組;6.二疊系龍?zhí)督M;7.二疊系棲霞組;8.石炭系船山組;9.中—上石炭統(tǒng);10.石炭系黃龍組;11.下石炭統(tǒng);12.石炭系;13.泥盆系五通組;14.泥盆系茅山群;15.泥盆系;16.志留系墳頭組;17.燕山晚期石英二長斑巖;18.斷層;19.工區(qū)位置圖1 工區(qū)地質(zhì)簡圖Fig. 1 Geological sketch of the survey area

棲霞組(P1q)分布于工區(qū)南部,是Ⅱ號礦體的賦存層位,厚度14.44～71.50 m,地層走向SE119 °左右,傾向SW,傾角30 °左右;巖性為深灰-灰黑色厚層-塊層狀粉-泥晶灰?guī)r,夾灰黑色燧石巖、硅質(zhì)頁巖,以及少量薄層含生物碎屑粉、微晶灰?guī)r;與下伏船山組呈平行不整合接觸。船山組(C3c)是Ⅰ號礦體的賦存層位,厚36～41 m,走向SE118 °左右,傾向SW,傾角30 °左右;巖性較單一,主要為灰白-深灰色厚層-塊層狀粉質(zhì)泥晶灰?guī)r。該組與下伏黃龍組呈平行不整合接觸。黃龍組(C2h),是工區(qū)主要礦體的賦存層位,其巖性單一,為粗-巨晶灰?guī)r、灰-深灰色及灰白帶紅色厚層-塊層狀粉晶、微晶、泥晶灰?guī)r,以泥晶灰?guī)r為主。第四系(Q)廣泛覆蓋于上述各地層之上,大部分為全新統(tǒng)山麓斜坡堆積之殘坡積物,結(jié)構(gòu)松散,巖性及厚度差異較大;其中局部為人工堆土,堆土厚度達(dá)20余米。

工區(qū)為一單斜構(gòu)造,構(gòu)造線總體呈SE118 °走向,傾向SW,傾角30 °左右,相對較穩(wěn)定且平緩。

1.2 地球物理?xiàng)l件

地質(zhì)體的物性差異(如磁性、電性、密度、波阻抗等物理性質(zhì)不同)是地球物理勘探的前提條件。本次勘探涉及的主要地質(zhì)體為回填土石、石灰?guī)r基巖,其中回填土石以黏土為主,含破碎巖石,深層含水量較高;石灰?guī)r基巖為中厚層塊狀,較完整。物性測試表明,工區(qū)黏土電阻率一般<200 Ω·m,石灰?guī)r電阻率一般>600 Ω·m,回填土石與基巖存在明顯電阻率差異;黏土的相對介電常數(shù)為2～40,隨含水量增加相對介電常數(shù)增大,石灰?guī)r相對介電常數(shù)為9～15,回填土石與基巖存在較明顯的介電性差異(表1)。因此,工區(qū)具備高密度電阻率法和地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用的物性條件。

表1 工區(qū)介質(zhì)電阻率和相對介電常數(shù)[26-28]Table 1 Resistivity and relative dielectric constant of objects[26-28]

2 方法技術(shù)簡介

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法通過供電電極向地下供電,測得電極間電位差,從而求得測量點(diǎn)的視電阻率值。若排列電極的電極距不變,而記錄點(diǎn)位置移動時(shí),即為電剖面法,測地電橫向變化;若排列電極的電極距變化,而記錄點(diǎn)位置不變時(shí),即為電測深法,測地電垂向變化。高密度電阻率法是電剖面法與電測深法兩種技術(shù)結(jié)合,一次布設(shè)幾十至上百道電極完成二維視電阻率剖面測量[29]。

本次高密度電阻率法勘探工作采用DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)。施工中根據(jù)設(shè)計(jì)測線長度布設(shè)電極排列,其中探測礦坑底部基巖面的測線布置60～120道電極,電極距3 m,采用溫納-施倫貝爾裝置,溫施系數(shù)3,最小隔離系數(shù)1,最大隔離系數(shù)30;探測礦坑?xùn)|部邊界的測線布置40～60道電極,電極距1 m,采用溫納-施倫貝爾裝置,溫施系數(shù)3,最小隔離系數(shù)1,最大隔離系數(shù)20。數(shù)據(jù)處理采用RES2DINV軟件,對測量視電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除、地形校正、反演迭代等處理,獲得擬斷面圖,進(jìn)而推斷地下介質(zhì)的分界面。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是依據(jù)目標(biāo)體內(nèi)的不同介質(zhì)具有不同的電性差異進(jìn)行探測。它利用發(fā)射天線將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式送入被探測體內(nèi)部,該電磁波在被探測的介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)會發(fā)生不同程度的衰減,遇到不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面時(shí),就會發(fā)生反射,反射波被接收天線所接收。通過處理分析所采集的反射波的頻率、幅度和相位等信息,可得到不同介電常數(shù)的介質(zhì)分界面的深度及反射界面的分布范圍等參數(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)采集使用SIR-20地質(zhì)雷達(dá)測量系統(tǒng),采用100 MHz屏蔽天線,觀測方式為沿測線連續(xù)點(diǎn)測量。數(shù)據(jù)處理采用RADAN軟件,對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間零點(diǎn)校正、濾波、頻譜分析、增益等處理。

2.3 測線布置

采礦坑西側(cè)、南側(cè)為高陡邊坡,高差多>30 m,難以穿越;采礦坑?xùn)|部邊界被回填土石覆蓋。探測采礦坑內(nèi)回填土石與底部基巖界面的高密度電阻率法測線以NE向?yàn)橹?編號依次為L1、……、L8,電極距3 m。探測礦坑?xùn)|部邊界的高密度電阻率法短測線編號S1、……、S5,電極距 1 m;地質(zhì)雷達(dá)布置短測線11條,依次編號D1、……、D11。測線位置示意見圖2。

1.等高線(等高距0.5 m);2.陡坎;3.簡易道路;4.高密度電阻率法測線;5.地質(zhì)雷達(dá)測線;6.推斷采礦坑?xùn)|側(cè)邊界;7.鉆孔及編號圖2 工區(qū)測線布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of survey line layout

3 工作成果

根據(jù)對各測線成果圖件綜合分析,回填土石與基巖電阻率差異明顯,分界面視電阻率為150 Ω·m左右;強(qiáng)降雨后高程較低處(如L8線中段)基巖面視電阻率可降低至70 Ω·m?；靥钔潦c基巖的雷達(dá)反射波強(qiáng)度、波形也區(qū)別明顯?，F(xiàn)選取典型剖面加以說明。

3.1 礦坑底部基巖面探測

高密度電阻率法L4測線,為NE向,方位角25 °,點(diǎn)距3 m,剖面長357 m。由圖3(a)剖面視電阻率等值線特征可見,里程6～255 m層狀分布明顯,淺層為低阻,深部為中高阻特征;剖面255～357 m為中高阻夾一低阻特征。推斷剖面深部中高阻區(qū)為礦坑底部基巖反映,剖面6～255 m低阻區(qū)為回填土石反映,其中6～165 m段平均厚度約20 m,165～255 m段平均厚度約28 m;剖面255～297 m中高阻區(qū)為基巖反映;297～357 m淺層高阻異常為碎石堆反映,297～357 m深層低阻區(qū)為回填土石反映。綜合電性異常和等值線特征,以視電阻率150 Ω·m等值線劃定回填土石、底部基巖分界線,與鉆孔ZK1、ZK2結(jié)果相符(圖3(b))。

圖3 測線L4高密度電阻率法成果圖Fig. 3 Results of high density resistivity method for line L4

高密度電阻率法L8測線與L4測線垂直,測線方向?yàn)镾E113 °,點(diǎn)距3 m,剖面長246 m。由圖4(a)剖面視電阻率等值線特征可見,里程3～69 m表現(xiàn)為中高阻,69～240m表現(xiàn)為淺層低阻,深部中高阻的層狀分布特征。推斷剖面深部中高阻區(qū)為礦坑底部基巖反映;剖面3～69 m大多基巖、碎石出露,部分區(qū)段為回填土石覆蓋;剖面69～240 m淺層低阻區(qū)為回填土石反映,中部區(qū)段平均厚度約20 m。綜合電性異常和等值線特征劃定回填土石、底部基巖分界線(圖4(b))。

圖4 測線L8高密度電阻率法成果圖Fig. 4 Results of high density resistivity method for Line L8

工區(qū)為地形封閉采礦坑,破碎構(gòu)造不發(fā)育,排水條件差,強(qiáng)降雨雨水多賦存于基巖面以上的土層中,導(dǎo)致基巖面附近電阻率降低。測線L8為強(qiáng)降雨后施工測線,從其與L4測線相交位置視電阻率剖面可見,基巖面附近電阻率值下降明顯。根據(jù)測線L4成果和鉆孔ZK2,測線L8底部基巖面以視電阻率70 Ω·m等值線劃分。據(jù)鉆孔ZK3結(jié)果,該處基巖面劃分仍適用視電阻率150 Ω·m等值線,可見降雨對劃分基巖面電阻率數(shù)值影響程度與基巖面高程直接相關(guān)。

3.2 礦坑邊緣基巖面探測

地質(zhì)雷達(dá)D1測線方向?yàn)镾E112 °,剖面長30 m。由圖5(a) 剖面地質(zhì)雷達(dá)影像圖可見,里程0～11 m、20～23 m電磁波強(qiáng)烈吸收,信號快速衰減,反射波不明顯;里程11～20 m、23～30 m有較強(qiáng)反射波。與石灰?guī)r相比,潮濕回填土石具有更高的介電性,即更強(qiáng)的電磁波吸收能力,推斷里程11 m位置為回填土石與基巖分界面,即采礦坑邊界。

高密度電阻率法S1測線方向?yàn)镾E136 °,點(diǎn)距1 m,剖面長59 m。由圖5(b) 剖面視電阻率等值線特征可見,里程1～35.5 m表現(xiàn)為低阻,35.5～570 m表現(xiàn)為高阻。推斷低阻區(qū)為回填土石反映,高阻區(qū)為基巖反映,里程40～48 m淺表層低阻為整平道路用碎石土反映。以視電阻率150 Ω·m等值線劃分回填土石與基巖分界線,推斷里程35.5m處為礦坑邊界。

由圖5可見,高密度電阻率法低阻區(qū)與地質(zhì)雷達(dá)信號快速衰減區(qū)一致,探測結(jié)果較吻合。兩種工作方法從不同物性參數(shù)推斷劃分礦坑邊界,從而提升了工作成果可靠性。

需要注意,電磁波在濕土中的快速衰減會影響地質(zhì)雷達(dá)探測深度。高密度電阻率法L6測線與S4測線穿過碎石土鋪筑的道路,相應(yīng)區(qū)段5 m以淺視電阻率<100 Ω·m,低阻反映明顯;而在相同區(qū)段地質(zhì)雷達(dá)探測效果不明顯,推斷對視電阻率<100 Ω·m的土石層,地質(zhì)雷達(dá)100 MHz天線探測深度<5 m。

3.3 鉆探驗(yàn)證與超采量計(jì)算

電阻率法測量的電性異常為地質(zhì)體的綜合反映,體積效應(yīng)影響推斷結(jié)果的準(zhǔn)確度,通常需要鉆孔資料對推斷層位進(jìn)行校正。表2為部分高密度電阻率法初始推斷基巖面深度與鉆孔揭露深度對比,從中可見兩者誤差比例為3.2 %～7.0 %,結(jié)果較準(zhǔn)確。

高密度電阻率法剖面成果在用鉆孔資料校正后可準(zhǔn)確劃分基巖界面,其對基巖面起伏形態(tài)變化信息表現(xiàn)更加豐富。如圖3中測線L4基巖面起伏形態(tài)準(zhǔn)確劃分,給定許可采礦高程,在CAD中可輕易圈算超采斷面面積。通常,通過多條剖面超采斷面面積、測線線距,即可采用斷面法[30]計(jì)算超采量。

3.4 綜合成果

對物探工作結(jié)果進(jìn)行三維顯示,可以更直觀地展現(xiàn)回填土石、基巖的空間分布及回填土石相對厚度(圖6)。其中,采礦坑西部的L1、L2測線中段為高阻,與地表基巖裸露情況相符,該區(qū)段南北兩端有少部分回填土石覆蓋基巖;采礦坑中部、東部的L3至L6區(qū)段則大多被厚度不等的土石回填,部分區(qū)段基巖面埋深超過30 m;采礦坑外,測線L4、L5北端地表堆石反映明顯。根據(jù)小極距高密度電阻率法S1至S5測線、地質(zhì)雷達(dá)D1至D11測線成果,可較好推斷采礦坑?xùn)|側(cè)邊界。(采礦坑邊界外L6測線北段、L7測線東段低阻區(qū)為相鄰礦權(quán)區(qū)回填土石反映。)

1.基巖(堆石);2.回填土石;3.采礦坑?xùn)|側(cè)邊界;4.測線位置圖6 工區(qū)物探推斷成果圖Fig. 6 Results of geophysical prospecting inference in the survey area

4 結(jié)論

(1)采用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法對已用雜土、亂石回填的石灰?guī)r采礦坑進(jìn)行勘探,推斷開采范圍、深度。鉆探結(jié)果表明,高密度電阻率法可較準(zhǔn)確推斷地層結(jié)構(gòu),劃分采礦坑回填土石與基巖界線;地質(zhì)雷達(dá)法對采礦坑邊緣回填土石與基巖分界反映良好。

(2)物探推斷結(jié)果為鉆探設(shè)計(jì)提供依據(jù),鉆探結(jié)果再反饋修正物探推斷結(jié)果,兩者相互配合,克服單一勘探手段效率低和準(zhǔn)確度有限的問題,從而獲得可靠的、信息豐富的綜合地質(zhì)斷面,用于計(jì)算實(shí)際開采量。

(3)石灰?guī)r礦為重要的非金屬礦,開采技術(shù)門檻較低,是超采違法行為較多的礦種。對于存在用回填土石遮掩超采情況的石灰?guī)r礦或其他種類礦場,可參考本次物探、鉆探相結(jié)合的方式查明超采量。