瞬變電磁法在鐵礦采空區勘查中的應用

李海波

摘? 要：鐵礦采空區的存在給人民的生命財產安全造成了巨大隱患，選擇合適的物探方法探測采空區具有極其重要的現實意義。瞬變電磁法觀測純二次場，具有對低阻反應靈敏、橫向分辨力高、體積效應小、異常響應強、受旁側地質體影響小等特點[3]。文章介紹了瞬變電磁法的基本原理、特點，根據實例對瞬變電磁法在鐵礦采空區的探測效果進行了分析、探討，總結了鐵礦采空區的地電響應特征，為下一步鐵礦采空區探測提供了理論依據。

關鍵詞：鐵礦采空區;瞬變電磁法;應用

中圖分類號：TD325? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0165-03

Abstract： The existence of iron ore goaf has caused great hidden danger to the safety of people's life and property， so it is of great practical significance to select appropriate geophysical methods to detect the goaf. The observation of pure secondary field by transient electromagnetic method （TEM） has the advantages of sensitive response to low resistance， high lateral resolution， small volume effect， strong abnormal response and little influence by side geological bodies. In this paper， the basic principle and characteristics of transient electromagnetic method are introduced， the detection effect of transient electromagnetic method in iron ore goaf is analyzed and discussed according to an example， and the geoelectric response characteristics of iron ore goaf are summarized. it provides a theoretical basis for further detection of iron ore goaf.

Keywords： iron ore goaf; transient electromagnetic method （TEM）; exploration

前言

近年來，由于鐵礦采空區坍塌引發的一系列地質災害問題日益嚴重，安全事故頻發，給人民生命財產造成了巨大損失。鐵礦采空區治理刻不容緩。本文通過對瞬變電磁法的電性特征的分析，推斷了鐵礦采空區的空間分布，經鉆探驗證取得了較好的地質成果。

1 地質概況

1.1 地層

區域上地層由西向東分布，層位由老變新，主要出露地層為奧陶系中統下馬家溝組（O21）、奧陶系中統上馬家溝組（O22）、第四系（Q）。局部受構造及巖漿巖影響，地層產狀有所變化，現將各地層特征分述如下：

（1）奧陶系中統下馬家溝組（O21）

上部為中厚層致密花斑灰巖、白云質灰巖，下部為灰色角礫狀灰巖，該組地層分布于礦區中西部。

（2）奧陶系中統上馬家溝組（O22）

上部為灰褐色中層致密灰巖和褐灰色薄層致密白云質灰巖互層，中部為灰色致密花斑灰巖夾中層致密花斑狀白云質灰巖，含豐富的生物化石，下部為灰色中厚層角礫狀灰巖，主要分布于礦區中東部。

（3）第四系（Q）

主要由黃土、粘土、亞粘土、砂質及礫石層組成，大面積廣泛分布。

1.2 構造及巖漿巖

探測區構造以接觸帶構造為主，奧陶系中統灰巖與燕山期閃長巖呈接觸帶構造存在，礦床主要產于接觸帶上。

探測區巖漿巖為燕山期晚期雜巖體，巖性主要為閃長巖、其次為閃長玢巖及正長閃長巖等，巖漿巖侵入奧陶系中統灰巖中，在巖體與灰巖接觸帶上常形成矽卡巖型磁鐵礦體。

探測區圍巖石變主要表現為碳酸鹽化、大理巖化、綠泥石化、矽卡巖化，隨各地段的構造不同而形成差異。

2 地球物理特征

正常情況下，視電阻率值在橫向上基本變化不大，在縱向上由低到高的變化趨勢。淺部為第四系黃土、粘土、砂質及礫石層等，視電阻率值高低不均，黃土、粘土富集的地方視電阻率較低，礫石富集的地方視電阻率相對較高。當鐵礦石被采出形成采空區后，橫向上地層不連續，致使采空區與圍巖產生明顯的電性差異。如果采空區充水時，采空區相對圍巖呈現相對低電阻率特征，當采空區沒有被破壞，采空區干燥，相對圍巖來說視電阻率值為無窮大，這些電性特征為瞬變電磁法探測采空區的理論依據。

3 方法原理及施工參數

瞬變電磁法（TEM）屬于時間域電磁感應法，其基本原理就是電磁感應定律。其基本工作方法是：利用在地面設置的發射一定波形的發射線圈產生的一次電磁場，在地下導體中產生的感應電流，斷電后，感應電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小，而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征[1]。

時間域方法比較突出的優點有以下方面：

（1）利用線圈觀測二次渦流場，能夠有效地消除噪聲干擾[4]。

（2）時域方法對于地質體的分辨能力優于頻域方法，施工過程中由于一次性布設不接地導線，施工方便、快捷。

（3）低阻覆蓋層對其的屏蔽小，勘探深度大。

（4）橫向分辨能力強。受旁側影響小。

在勘查區進行了物性對比試驗。選出了合理的施工參數：大定源裝置，發射線框280m×280m、發射頻率25Hz、電流14A。

4 資料處理與解釋流程

利用白登海教授的BETEM軟件進行處理，將獲得的原始數據，轉換為反映含有地電信息的語言，在確保高信噪比的前提下，盡量保留原始資料的有效信息，最大限度提高縱、橫向分辨率，盡量改善異常的顯示效果，以期獲得豐富的地質信息，確定以下的處理解釋流程如圖1：

結合勘查區的實際情況，在資料處理中重點進行了以下工作：

（1）干擾處理

外界電磁場干擾是影響單點質量的主要因素，結合原始記錄班報，分析是否存在隨機干擾或較穩定干擾并加以處理。

（2）地形校正

當存在山谷地形時，總的二次場由地質異常和地形異常疊加而成（場在空間上的疊加性），總的疊加場會“放大”遠離地表的地下地質異常。如果異常在儀器的勘探深度范圍之內，這對于分辨深部的異常更為有利。如果異常僅是接收器處存在，地形的影響都是局部的，因此單點處理未作地形校正。

（3）淺部低阻影響處理

個別測點受到近地表低阻體的IP效應影響，出現“反號”現象。嚴重的測點在處理時予以剔除，其余的根據拉依達準則進行了擬合處理。

（4）反演處理

結合已知的地層資料，建立正演模型，通過計算機對各個實測數據進行自動反演，使觀測資料與反演模型響應相擬合。

5 典型斷面分析

5.1 瞬變電磁法1080線（視）電阻率斷面圖分析

從圖2可以看出，在淺部視電阻率值相對較高，推斷為地表碎石引起，縱向上視電阻率呈現低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、奧陶系地層的電性特征。樁號1200～1240m段，視電阻率值相對較高，視電阻率等值線呈現高阻閉合圈異常特征[2]，說明巖層原始形態發生變化，推斷為鐵礦采空區引起的電性反映。在樁號1220m位置經鉆孔驗證：在標高230m處出現掉鉆，為采空區，與物探解釋成果相符。

5.2 瞬變電磁法1140線（視）電阻率斷面圖分析

從圖3可以看出，在淺部視電阻率值相對較高，推斷為地表碎石引起，縱向上視電阻率呈現低-高的變化特征，電性分層明顯，反映了第四系、奧陶系地層的電性特征[2]。樁號1150～1200m段，視電阻率值相對較低，視電阻率等值線呈現向下彎曲異常，說明巖層原始形態發生變化，推斷為鐵礦采空區引起的電性反映。在樁號1180m位置經鉆孔驗證：在標高235m處出現掉鉆現象，為采空區，與物探解釋成果相符。

6 結論

（1）結合探測區已知地質資料，查明了探測區鐵礦采空區的分布，取得了良好的地質成果。

（2）瞬變電磁檢測主要是接收地下傳回的二次場的電磁信號，易受低阻層礦化帶的屏蔽及周圍空間不穩定電磁干擾影響。在應用時應予以注意。

參考文獻：

[1]張開元，韓自豪，周韜.瞬變電磁法在探測煤礦采空區中的應用[J].工程地球物理學報，2007（4）：341-344.

[2]王士黨，梅西華，謝興友.綜合物探在壽陽煤礦水害探測中的應用[J].山東國土資源，2016，32（4）：60-63.

[3]李金花.地震和瞬變電磁勘探法在煤礦采空區的應用[J].山西建筑，2006，32（9）：82-83.

[4]陳貴生.瞬變電磁法在金屬礦產勘查上的應用效果及存在問題探討[J].礦產與地質，2006，20（4-5）：543-547.