超低頻地質遙感法在鐵礦采空區探測中的應用研究

車志強，朱登杰，劉小飛，朱立杰

(河南省地質測繪總院，河南 鄭州 450006)

鐵礦是我國國民經濟建設最重要的礦產資源之一。由于開采技術和地質環境治理措施不到位，以往的采空區大多未進行有效治理。有的采空區出現了大面積的地面沉陷，產生了地表裂縫，成為地質災害之一，給礦區的安全生產、地面工程建設和人民生命財產造成嚴重威脅。因此，探明采空區的地理位置、埋深、現狀，是采空區治理的關鍵因素。如何根據磁鐵礦開采前后地球物理場的變化規律，選擇合適的地球物理方法組合，是鐵礦采空區探測的首要問題。利用超低頻地質遙感法結合天然電場選頻法，對林州市某鐵礦采空區成功地進行了探測，經驗證效果較好。

1 工程概況

濮陽市林州鋼鐵有限責任公司某鐵礦，位于林州市北約18km，礦區占地面積約1.962km2。鐵礦分布于閃長巖與大理巖接觸帶上，為矽卡巖型鐵礦。部分采空區出現地面沉陷、裂縫等災害現象，附近村民房屋出現不同程度的裂縫，庭院地面出現下沉，礦民矛盾一觸即發。根據要求，用綜合物探法查明采空區的位置、埋深、大小及是否有漏采礦體，為綜合治理提供依據。

2 物探方法的選擇

鐵礦采空區的存在，破壞了地下巖層原有的結構和物理性質。當地下鐵礦體存在時，磁測AZ值表現為高值異常，具有異常規則、規律性強等特征。在鐵礦體開采后，因磁鐵礦的不復存在而使磁異常消失，如有殘留礦體則是磁異常降低，且異常不規則、規律性差。同時，在大地電磁層析法電分量值測量時，由于鐵礦體的導電性較強，在鐵礦體存在時，電分量為低值。而地下鐵礦體開采后形成的空洞不導電，因此在電分量測量時，為電分量高值異常。這種鐵礦開采前后地球物理場的變化，具備了采用超低頻地質遙感法、天然電場選頻法探測的地球物理前提。

2.1 超低頻地質遙感法

超低頻地質遙感探測儀是以大地電磁場為工作場源，利用不同介質電磁學性質的差異，測量地下巖性分界面對天然電磁場的反射信息，來解釋不同深度的地質構造，達到解決地質問題的一種被動遙感電磁勘探方法，也可視為被動源大地電磁測量的一種新方法。

經典大地電磁波理論，最初假設場源為垂直反射地面的平面電磁波，大地介質為均勻水平狀分布，故大地電磁波的變化規律服從麥克斯韋方程組、歐姆定律和阿契定律。其中，電阻率是描述介質電學性質的主要物理量。但受介質的結構、孔隙度、壓力和密度的影響較大。超低頻地質遙感探測儀，實際上是通過地面電磁波測量的遙感曲線的幅值變化的形態，來研究深部隱伏地質體的物性特征。所獲取的遙感曲線，并不是介質的真正電阻率，而是介質電阻率、密度、孔隙度和壓力的綜合反應。可以簡單地理解為視電阻率和視密度的乘積(Ω·m×g/cm3)。由平面電磁波在均勻大地介質的傳播，可知隨時間改變的電磁場在均勻各向同性大地介質中傳播時，沿傳播方向是諧變的，并且按指數規律衰減。介質的電阻率越低，信號頻率越高，衰減的越快，這時場源將只集中在介質的淺部，即趨膚效應，因而穿透深度也稱為趨膚深度。不同頻率的電磁波穿透深度也不同，當頻率很高時，電磁波可能只集中在第一層介質中，電磁場不受下伏巖層的影響。隨著頻率的減小，穿透深度增大，電磁場值將受到深部介質分布的影響。通過探測到的電磁波的頻率信息，建立深度反演模式，通過綜合分析曲線特征，就可解譯深部地質體的巖性組合特征、重要地質界面、破碎程度、含水狀況、斷裂構造、礦產資源、瓦斯、采空區等地下信息。因此，超低頻地質遙感探測是探測采空區的有效的物探方法。

2.2 天然電場選頻法

2.2.1 工作方法

該勘探區村莊密集地形復雜，高壓電線多，采用MN測量電極沿測線移動法。野外工作時，測量電極距采用10m。操作員將儀器穩掛胸前，手拿測量電極M，另一跑極員拿N極在前，再一人記錄作曲線或由跑極員兼任。測得MN之間各頻率對應的△U值，然后蛙跳式移動MN極再測△U值。按極距作圖，以△U為縱座標，以測線為橫坐標，依據探測目的層深度，作出四條電位差曲線。

2.2.2 工作原理

天然電場選頻法，利用大地電磁場作為工作場源，測量大地斷面的電分量的變化，是一種交變電流勘探方法。由于大地電磁場的場源頻率范圍較寬，可通過選擇頻率提高抗干擾能力；探測不同的深度，增加解釋的可靠性。

這種電磁場在距場源較遠的地方，可視為平面電磁波場，它垂直于地面，變化規律服從麥克斯韋方程組，儀器探測深度的理論公式為：

式中：ρ為巖層視電阻率(Ω·m)；f為頻率(Hz)；h為探測深度(m)。

根據公式可知，用高頻反映淺部物性，低頻率反映深部的物性。這樣通過選頻，每個測點可得六種不同深度的電性參數(表1)。

表1 天然電場選頻儀選用頻率表

用電分量中電位差與電阻的關系，可以定性說明測得的異常是高阻還是低阻異常，這就是本方法異常曲線定性解釋的基本原理。

為什么會出現電阻異常呢？因地下水與介質接觸，溶解了其中的Ca2+、Mg2+、K+、HCO3-、SO42-及Cl-等離子，使地下水成為導體。相反，干燥地層導電性差，電阻大。由于電阻與電位呈正相關，所以只要測得地下電位異常，也就可推知電阻的異常情況。

3 資料分析與探測效果

超低頻探測曲線資料和天然電場選頻法解譯與推斷，遵循以地質為基礎，從已知到未知的原則。在分析收集本區已知資料并結合工區地面地質調查的基礎上，依據各測線測量結果，對各剖面進行定性分析，確定其對應地質層位，并利用超低頻電磁波曲線和大地電磁場曲線變化特征，大致確定礦區內的空洞(采空區)等不良地質體在地面的投影位置、大小和形狀。

具體方法是從本區巖石、采空區等的地球物理特征入手，與對應超低頻探測曲線圖和天然電場選頻曲線進行對比分析解釋。正常的超低頻探測曲線圖上，曲線幅值基本呈高低震蕩波動分布：當有采空區存在時，曲線幅值將發生畸變，采空區頂部以上和底部以下曲線幅值較高，幅值變化幅度大；而采空區曲線幅值低，幅值變化幅度小，呈現曲線幅值低值段，探測曲線特征為低平。正常的某一頻率的天然電場選頻曲線圖上，電磁場的頻率曲線為一平直線，當有異常體存在時，探測曲線有明顯幅值降低特征。研究物探曲線在縱向和橫向上的變化特征，以確定采空區的性質，便是本次分析的理論依據。

3.1 超低頻地質遙感法探測曲線分析

A-A′超低頻探測剖面位于栗家溝村以南約150m，探測剖面為西北向。2、3、4號測點有采空區顯示，曲線幅值低平。各測點顯示采空區位置及特征詳見表2。

表2 超低頻探測曲線顯采空區特征一覽表

3.2 天然電場選頻法探測曲線分析

天然電場選頻法地球物理勘探剖面和測點的布置，與超低頻地質遙感法重合。

超低頻探測曲線與天然電場選頻探測曲線分析表明，1、2、3、4、7、8、9號測點位于礦山開采區(據井上井下對照圖，但不在房屋開裂區)，探測曲線具有采空區特征。根據曲線特征顯示的采空區高度分析，推斷為巷道或采空區。位于礦區附近村莊房屋開裂區內的4、7號測點的超低頻和天然電場選頻探測曲線，均有采空區顯示。根據曲線特征顯示的采空區高度分析，可能為巷道。根據房屋開裂調查， 4、7號測點的村民王啟昌的房屋開裂較為嚴重，達到Ⅱ～III級。探測結果與房屋開裂情況吻合度較高。

綜上所述，根據各測點的超低頻和天然電場選頻探測曲線采空區顯示，說明礦山巷道已延伸至栗家溝村內，礦區附近村莊房屋開裂與礦山開采的關系較明顯。兩種物探方法有較高的吻合度，將其結合用于鐵礦采空區調查是適宜的。

4 探測精度分析

本次物探采用超低頻遙感地質探測法和天然電場選頻法法兩種方法，嚴格按照規范和要求，順利完成了野外數據采集，取得了較豐富的野外第一手資料。共完成測線7條，測點102個，野外工作方法選擇正確，工作程序合理，測線布置控制嚴密，原始資料準確真實。野外資料經過室內傳輸轉換，反演成圖，其成果達到了預期目的，其結論可做為本次勘查的輔助性依據。

5 結 論

結合實例分析，可以得出以下幾點認識：

(1)通過綜合物探手段，可以查明采空區的空間分布狀態、現狀等。根據探測結果，對采空區的治理更有針對性，目標更明確。

(2)應根據地球物理條件、地形、采空區大小埋深合理選擇物探方法，充分利用原有資料，靈活運用物探方法，才能準確地探測出采空區。

(3)只要具備條件，超低頻地質遙感法能發揮它的優勢，可做定量計算，是目前探測精度較高的一種物探方法。選擇兩種及以上物探方法組合，在采空區探測中更有針對性，可相互補充。

(4)應選擇合適的物探參數，盡量避免不同參數之間的轉換，減少誤差。

[1] 中華人民共和國建設部.城市工程地球物理探測規范(CJJ7—2007)[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 郭建強.地質災害勘查地球物理技術手冊[M].北京：地質出版社，2003.