微動探測法和高密度電法在廣東某礦山地下空洞探測中的應用研究

彭海洋，李建平，趙俐紅，邵 奎

PENG Hai-yang1,2, LI Jian-ping 1,3, ZHAO Li-hong1, SHAO Kui 4

1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590；2.青島地質工程勘察院（青島地質勘查開發局），山東 青島 266000；3.山東省物化探勘查院，山東 濟南 221116；4.廣東省地球物理探礦大隊，廣東 廣州 510800

1.Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2.Qingdao Geo-Engineering Survering Institute(Qingdao Geological Exploration Development Bureau), Qingdao 266000, China; 3.Shandong Institute of Geophysical & Geochemical Exploration, Jinan 221116, China; 4.Geophysical Prospecting Brigade of Guangdong Province, Guangzhou 510800, China

1 引言

隨著礦產資源的不斷開采，礦區地下產生了眾多的空洞，空洞的存在使上部地層失去支撐和發生變形，引起地面沉降和塌陷，如放任不管，會對周邊人們的交通出行、工程建設帶來嚴重的安全隱患，必須加以治理，而治理的前提首先要確定地下空洞的范圍和埋深[1,2]。

本文以廣東某礦山地下空洞探測為例，介紹了微動法和高密度電法在該區域的應用情況，通過對微動法和高密度電法的資料對比解釋，準確探測出了研究區基巖面的深度，進而利用溶蝕和巖溶空洞的低阻特征，進一步確定了基巖面附近的溶蝕和基巖中的空洞。

2 方法技術簡介

2.1 微動探測法

微動是地表的一種微弱震動，它來源于自然界和人類的各種活動，微動沒有特定的震源, 振動波來自觀測點的四面八方, 攜帶有豐富的地球內部信息，而微動探測就是以微動信號作為場源的一種勘探方法，該方法受場地限制較小，無需人工震源，對環境無破壞，已廣泛的應用于各種工程勘查中[3,4]。

微動數據常見的處理方法有空間自相關法、頻率—波數法和H/V普比法等[5,6]，本文中采用的就是H/V普比法。

2.2 高密度電法

高密度電法的基本原理與直流電法相同，都是以地殼中巖礦石的電阻率差異為基礎，通過觀測和研究人工電場的分布規律，從而解決地質問題的一種勘探方法[7-10]。高密度電法的優點是將數十至數百個電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉換器的控制，實現常規電阻率法中不同裝置、不同極距的自動組合，一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下的多種視電阻率參數，它集電剖面和電測深于一體，與常規直流電法相比，顯著的提高了工作效率。

3 工程實例

3.1 工區概況

工區位于廣東梅州某礦業公司所屬礦區，該礦區內曾出現地面塌陷等地質災害，為對塌陷進行治理，需查清區內基巖面大致埋深30 m以內的空洞發育情況。

工區被第四系覆蓋，下伏基巖為灰巖。土層與灰巖具有明顯的波阻抗與波速差異，且電阻率差異明顯，灰巖為中高阻，溶洞、裂隙充填砂、粘土及水等低阻物質，因此灰巖中巖溶強烈發育地段，導電率顯著降低，成為低阻地段，而低阻又位于基巖淺部，巖溶發育地段可低于100 Ω·m；對于基巖面上方的土洞，在視電阻率剖面上也呈低阻特征。結合工區的實際情況和探測目標的物性差異，決定采用微動法與高密度電法進行綜合探測。

3.2 現場數據采集概況

微動探測采用DTCC公司開發的IGU-16HR 3C型無纜三分量地震儀，該設備所用的smartsolo傳感器在提供全面且高質量的地震勘探數據的同時，結構簡單且操作方便。高密度電法使用深圳賽盈地脈技術有限公司生產的GD-10高密度電法儀，該儀器是目前國內較先進的高密度電法儀，采用分布式電纜，可對采集的數據進行實時監控。根據任務要求和場地條件，在測區內布置了5條微動測線和4條高密度電法測線，微動測線長120 m，道間距2 m，高密度電法測線長160 m，采用斯倫貝謝裝置，電極距2 m。微動測線和高密度測線的位置基本一致，高密度測線略長。

3.3 數據處理方法簡介

微動法采集的數據采用H/V譜比法進行處理，步驟如下：

導出各測點的X、Y、Z三分量數據。

將水平分量與垂直分量的頻譜進行比值計算，獲取單點H/V曲線，并拾取峰值頻率F0。

（4）根據各單點計算出來的H/V剖面，經橫向擬合光滑計算，獲得二維H/V剖面。

高密度電法數據導出后，首先剔除了地表電性不均勻性造成的畸變點，再利用RES2DINV軟件通過最小二乘法進行了快速反演，反演達到預期后輸出數據并用專業軟件繪圖。

3.4 資料的推斷與解釋

本次探測利用微動H/V譜比法進行基巖面的劃分，結果如圖1所示，從測線L1-L5的H/V譜比峰值標高等值線來看，測區基巖面埋深較淺，位于標高77～80 m之間，且起伏不大，局部峰值不連續或峰值紊亂地段可能存在溶蝕等現象。

圖1 微動法L1-L5線HV譜比峰值標高等值線斷面圖Fig.1 Contour section of HV spectral ratio of line L1-L5

高密度電法數據的反演結果如圖2和圖3所示，從圖中可知，在標高78 m附近存在明顯的電阻率分界線，推斷為基巖面，且與微動法的探測結果一致，進一步表明了探測結果的準確性。此外，G1線25-35、60-80、105-115號點，G2線20-40、125-155號點，G3線30-40、50-70、110-120、130-160號點，G4線20-30、105-120、130-160號點均在基巖面附近出現了相對低阻異常，推斷為溶蝕現象引起。在G1線80、90、120號點附近標高60～65 m之間，G2線145號點附近標高60～62 m之間，G3-G4線136-150號點附近標高50～65 m之間存在一些小范圍的低阻異常，推斷為小型溶洞引起；在G1線136-150號點、標高60～74 m之間，存在范圍較大的低阻異常，推斷為規模較大的巖溶引起，經148號點附近鉆孔ZK10-1驗證，該推斷是正確的。

圖2 高密度電法G1-G2線二維電阻率反演等值線斷面圖Fig.2 2D resistivity inversion contour section of line G1-G2

圖3 高密度電法G3-G4線二維電阻率反演等值線斷面圖Fig.3 2D resistivity inversion contour section of line G3-G4

4 結論

本次探測的工區地表被第四系土層覆蓋，下伏基巖為灰巖。土層與灰巖具有明顯的波阻抗、波速和電阻率差異，因此工區具備了微動探測法和高密度電法的物性前提。

實測結果經鉆孔驗證表明，該區域的基巖面大致位于標高78 m左右，對應于微動斷面圖中的峰值連線和高密度電法斷面圖中的電阻率分界線，說明兩種方法均能較準確的劃分基巖面。針對基巖中的溶洞，由于灰巖為中高阻，溶洞中的填充物為低阻，二者電阻率差異較大，故高密度電法較好的探測出了基巖中的空洞。

綜上所述，微動探測法和高密度電法在該區域地下空洞探測中取得了較好的效果，為后續同類勘探提供了參考實例。