綜合物探方法在采空區(qū)預(yù)測中的應(yīng)用

周金全 蔡向陽

摘要：采空區(qū)塌陷是一種地質(zhì)災(zāi)害，如何有效地通過勘查手段達(dá)到防災(zāi)目的。谷里銅礦開采區(qū)地面經(jīng)歷多次塌陷，進(jìn)行了多次回填與整平，但還存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，需對該區(qū)域進(jìn)行評估與驗(yàn)證。對于塌陷區(qū)采用瞬變電磁法（TEM）、微動探測等有效的綜合地面物探方法，查明采空區(qū)范圍、走向和傾向。結(jié)合以往資料，利用微動和瞬變電磁成果，綜合研究兩種方法的有效性。

關(guān)鍵詞：微動勘測；瞬變電磁；采空區(qū)；綜合物探

1.引言

南京谷里銅礦開采區(qū)地面歷經(jīng)多次塌陷，后期進(jìn)行了回填與整平，但還存在地質(zhì)災(zāi)害隱患，需對該區(qū)域進(jìn)行評估與驗(yàn)證。對于塌陷區(qū)采用瞬變電磁法（TEM）、微動探測等有效的綜合地面物探方法，查明區(qū)內(nèi)潛在塌陷區(qū)等不良地質(zhì)情況。利用這兩種綜合物探方法，有效地對谷里街道市民休閑廣場地質(zhì)情況進(jìn)行了勘查，經(jīng)過各種方法探測，對結(jié)果對比、分析，基本查明了區(qū)內(nèi)采空區(qū)的范圍、走向和傾向；并結(jié)合以往塌陷區(qū)域特征，對區(qū)內(nèi)易塌區(qū)進(jìn)行了分析。達(dá)到了本次勘查預(yù)期目的，為谷里街道市民休閑廣場災(zāi)害評估提供了可靠的地球物理依據(jù)。

2.原理與方法技術(shù)

2.1微動探測

2.1.1方法原理

微動探測技術(shù)（The Microtremor Survey Method，簡稱MSM）就是從微動信號中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探測地質(zhì)構(gòu)造的物探方法。通過S波速度在不同深度層次的高低變化，進(jìn)行介質(zhì)分層及構(gòu)造識別。

本次微動測量點(diǎn)距25m，臺陣布置為十字形兩重圓臺陣（圖1）。

2.1.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理使用我單位自主研發(fā)的MicroSWP微動處理軟件，采用F-K法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。F-K法是在頻率域進(jìn)行面波提取的一種方法，首先對野外所采集的數(shù)據(jù)，通過付氏變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波，以便去除各種干擾信號，再通過最大似然法等方法求取各個頻率成分功率譜的分布圖，此功率譜只是與空間坐標(biāo)的單值函數(shù)，所以可以比較方便地求出相速度—頻散曲線。

將面波頻散曲線通過經(jīng)驗(yàn)公式或者反演計(jì)算得到測點(diǎn)地下橫波速度結(jié)構(gòu)，再通過插值光滑計(jì)算，最終獲得視S波速度—深度剖面圖，以此進(jìn)行地下介質(zhì)分層以及構(gòu)造識別。

2.2瞬變電磁測深

2.2.1方法原理

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Methods，TEM）是利用不同接地回線向地下發(fā)送脈沖式一次電磁場，在一次電磁場發(fā)射間歇期間，用線圈接收由該脈沖電磁場感應(yīng)的地下渦流產(chǎn)生的二次電磁場，通過觀測二次場空間和時間的分布規(guī)律，解決有關(guān)地質(zhì)問題的時間域電磁法。

瞬變電磁測量點(diǎn)距12.5m，選取重疊回線方式進(jìn)行測量。回線邊長采用4匝3×3m（等效邊長6m×6m）線圈，供電電流選用100A，供電脈寬選擇20ms，采樣率選擇16ms，疊加次數(shù)15次。

2.2.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用儀器配套的CUGTEM處理軟件。對瞬變電磁數(shù)據(jù)的處理主要包括原始數(shù)據(jù)濾波、建立反演文件及定性反演三大步驟，最后繪制相應(yīng)的視電阻率剖面圖。

瞬變電磁數(shù)據(jù)的濾波主要是為了消除畸變點(diǎn)，并對斜階躍效應(yīng)進(jìn)行改正；建立反演文件的過程即是測量裝置參數(shù)（即測量所用的裝置的發(fā)射面積、接收面積、供電脈寬和采樣率等）的錄入過程；定性反演主要是選擇反演算法及輸出反演結(jié)果。

CUGTEM瞬變電磁處理軟件提供了多種反演方法，輸出的結(jié)果也有多種參數(shù)，縱向坐標(biāo)可為采樣時間或視深度。

3.分析推斷與綜合解釋

根據(jù)塌陷區(qū)的大概范圍，本次勘測布置了三條測線如圖2。

微動3條剖面總體呈現(xiàn)特征為北西段（小號段）視速度較低，南東向（大號段）視速度較高。波速界面為北西向。

微動L1剖面在水平方向上以點(diǎn)號70為界（圖3-a），北西側(cè)（小號段）視速度較低，南東側(cè)（大號段）視速度較高。在低速區(qū)點(diǎn)40～70號之間存在以低速異常。在高速區(qū)點(diǎn)號90埋深40m處也存在一低速較小的凹形異常。

微動L2剖面在水平方向上也以點(diǎn)號70為界（圖3-b），北西側(cè)（小號段）視速度較低，南東側(cè)（大號段）視速度較高。在低速區(qū)點(diǎn)40～70號段，視速度呈以低速條帶狀異常。在高速區(qū)域點(diǎn)號90埋深50m處也存在一低速異常。

微動L3剖面在水平方向上也以點(diǎn)號70為界（圖3-c），北西側(cè)（小號段）視速度較低，南東側(cè)（大號段）視速度較高。在低速區(qū)點(diǎn)30～50號段，視速度呈以低速條帶狀異常；在點(diǎn)號60埋深50m處也存在一低速異常。

3.2瞬變電磁測深

瞬變電磁剖面整體在20m以淺分辨能力弱。3條瞬變電磁電性特征基本相似，主要表現(xiàn)為兩端電阻率較高，中間存在一北東向低阻條帶狀異常。

瞬變電磁測深L1剖面上，在水平方向上，30號點(diǎn)至65號點(diǎn)在埋深40m～225m處存在明顯的北西向低阻條帶狀異常，在異常兩側(cè)電阻率較高（圖4-a）。在點(diǎn)號90～100之間存在一中阻異常。

瞬變電磁測深L2剖面上，在水平方向上，40號點(diǎn)至70號點(diǎn)在埋深50m～185m處存在明顯的北西向低阻條帶狀異常，在異常兩側(cè)電阻率較高，底部較L1線也高（圖4-b）。在點(diǎn)號90埋深50m也存在一中阻較小異常。

瞬變電磁測深L3剖面上，在水平方向上，25號點(diǎn)至70號點(diǎn)在埋深50m～200m處存在明顯的北西向低阻條帶狀異常，在異常兩側(cè)電阻率較高（圖4-c）。由于L3電阻率異常段恰好穿過市民休閑廣場，廣場下電線等設(shè)備對瞬變電磁測深有一定干擾因素。

3.3綜合解釋

3.3.1采空區(qū)圈定

從地球物理場特征來講，完整的圍巖與采空區(qū)所表現(xiàn)的地球物理參數(shù)有明顯的差異。對于完整的圍巖，波速反映為高速、電阻率反映為高阻，值的大小主要取決于巖性成分、結(jié)構(gòu)等因素。對于采空區(qū)，其填充程度、充填物的性質(zhì)等因素都會對波速和電阻率值有重要影響。

對于本區(qū)，不同的富集銅礦層經(jīng)過開采后，銅礦內(nèi)部逐漸形成很大規(guī)模的由空氣介質(zhì)填充的空間，當(dāng)這些空間被填充后，與圍巖形成明顯的波速和電性界面。當(dāng)S波遇到巖層采空區(qū)或破碎帶時，波速明顯減小；采空填充區(qū)處于水位以下，較其他圍巖有較低的電阻率值，這是我們這次解釋推斷采空區(qū)的地球物理特征依據(jù)。

綜合微動探測剖面和瞬變電磁測深剖面分析，采空區(qū)主要在微動探測剖面低速帶和瞬變電磁斷面低阻區(qū)。在區(qū)內(nèi)主要特征為北東向，寬度范圍100m左右，自南東向北西逐漸變深，其范圍見圖5。

3.2.2易塌區(qū)分析

收集以往塌陷資料，在L2剖面點(diǎn)號70～90區(qū)域發(fā)生過陷落。在L2剖面點(diǎn)號70～90段，在綜合物探剖面表現(xiàn)為埋深50m為一高速高阻，下方呈中速中阻。在三條綜合物探剖面中，L1剖面點(diǎn)號80～90段呈類似特征，但此區(qū)域在采空區(qū)范圍外，結(jié)合以往地形圖，可能是回填土引起（圖6）。

4.結(jié)論與建議

4.1通過對谷里銅礦采空區(qū)微動和瞬變電磁勘探成果的綜合分析，查明采空區(qū)走向?yàn)楸睎|向，寬度范圍100m左右，自南東向北西逐漸變深的特征。

4.2通過對以往陷落區(qū)的地球物理特征總結(jié)，對3條剖面類似特征進(jìn)行了對比、分析，圈定出一處異常點(diǎn)，但此異常段在采空區(qū)范圍外。

瞬變電磁對采空區(qū)低阻區(qū)有很好地反映，微動對于滲水、裂隙以及填充邊界都有一個相對明確的顯示，兩種物探方法得到了很好的印證，且優(yōu)勢互補(bǔ)，可以作為塌陷區(qū)探測的有效手段。

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