高密度电法－氡气测量在矿区隐伏断层勘查中的应用*

张 赓 庹先国 汪楷洋 李 彬

(1.地球探测与信息技术教育部重点实验室;2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室;3.西南科技大学国防科技学院)

矿区隐伏断层的发育在很大程度上影响矿山工程建设的开展，由于断层的隐伏性，也加大了地表地质调查的难度。当工程建设无法避免穿越断层发育区域的时候，断层的准确定位、产状、破碎带宽度等特征成为工程勘查的重点。科学、合理的勘查成果又将直接为工程设计提供依据，进而实现优化设计和安全施工。

近年来，大量科研人员根据断层的不同地球物理特征，采用各种地球物理方法对断层进行探测，取得了良好的应用效果［1-6］。工程实践表明，物探方法对于隐伏断层的勘查相比地质调查而言更具有针对性和准确性;相比钻探而言具有成本低、效率高的特点。本研究针对攀枝花白马铁矿Ⅰ#排土场及废石胶带输送工程拟建场址区内的隐伏断层采用高密度电法联合氡气测量进行了详细勘查。

1 地质概况

拟建白马铁矿Ⅰ#排土场及废石胶带输送工程场地地处攀枝花市米易县，工区位于及及坪—田家村露天采场西侧环山山腰地带。地貌上属于高中山区，地表剥蚀较强烈，冲沟发育，属斜坡堆积与山区冲沟侵蚀堆积的复合地貌。地形起伏变化大，场地整体自北西向南东倾斜，地面自然坡度较陡，一般坡度为23°～48°。区内冲沟较发育，冲沟大致为北西向南东、南西向北东走向，与山坡倾向基本一致。工区主要岩土层分布有第四系全新统坡积粉质黏土(Qdl)、第四系全新世冲积漂石、卵石(Qal)、残积砂质黏土(Qel)、晚古生代华力西期(ν34)全风化、强风化及中风化辉长岩。

拟建胶带输送工程沿线场地附近断裂构造发育，可分为多个构造层，岩石为多期岩浆侵入体。受场地附近断裂构造影响，场地内褶皱发育，地层产状较紊乱。根据《区域地质调查报告(挂榜幅1∶50 000)》，万年沟断层隐伏段穿过拟建场址，并疑似穿过场址内的2a胶带隧道，是本次工程建设中最值得关注的断层。该断层发育于安宁河断裂南段西侧，东距安宁河西支断裂约5 km，西距磨盘山断裂南端约4 km，全长约8 km，总体走向为NNE(近南北两段为NNE走向，中段呈NNW走向)，倾向时东时西，规模较大，具压扭性，含水丰富，对整体场址建设(特别是2a胶带隧道工程)有重大影响。由于该断层的隐伏性、压扭性以及小比例尺填图的精度原因，其通过2a胶带隧道的具体部位及产状、破碎带宽度等信息不详，急需通过地球物理工作进一步查明。

2 地球物理特征调查及方法选取

在现场踏勘的基础上，结合对工区前期地质资料的研究表明:①工区探测主体为山体，地形起伏较大，施工条件受一定程度的限制;②工区为铁矿区，矿体极易引起磁异常;③近地表的第四系覆盖层的电阻率为10～100Ω·m，基岩电阻率为103～105Ω·m，断层(破碎带)含水丰富，可与围岩形成较明显的电性差异;④工区绝大部分地段覆盖物较柔软，土层类型基本相同，气候干燥、湿度变化不大，且无重大工业污染。因此，综合考虑施工条件、物性差异、探测效率以及物探方法的多解性，选取了高密度电法联合氡气测量进行综合探测。

高密度电阻率法是以岩、矿石的电阻率差异为基础，通过观测和研究人工电场在地下分布的规律和特点来解决各类地质问题的一种勘探方法。测量时在探测剖面上同时布置多道电极，由人工源向地下发送电流，使地下形成稳定的电流场，通过自动控制转换装置对所布设的剖面进行自动观测和记录［7］。由于断层及破碎带含水较丰富，与围岩相比具有更好的导电性，从而可形成低阻异常。

地气(主要为氡气，Rn)是一种在地下存在的特殊自然气体，是岩石中所含镭的衰变产生的。它能以游离原子的形式通过晶体缺陷或晶粒边界、沿着岩石空隙或裂隙系统迁移，而构造破碎带及裂隙发育地带是氡气迁移的良好通道，有利于氡气的聚集。当地下存在断层时，地表土壤中的氡浓度会出现局部增高，形成地表可探测的放射性氡异常区域［8］。

3 地球物理勘查

3.1 测线布置

为查明万年沟断层是否穿过2a胶带隧道以及其穿越的具体部位，本次布线原则为测线分布于隧道两侧并尽可能平行隧道。但由于受地形限制及施工影响，实际布设了3条高密度测线(A－1、A－2、A－3)，并在初步探测成果的基础上对A－2、A－3、A－4测线采用氡气测量法进行进一步验证和追踪。

3.2 资料处理与解释

本次采用瑞典RES2DINV软件对电阻率原始数据进行处理，依次进行格式转换、坏点剔除、平滑滤波、地形校正、反演参数设置、反演成图，采用专业软件对测氡数据进行标准化、仪器校正、平滑处理、数据统计和分析、异常下限计算和等值线图的绘制。

(1)A－1测线靠近隧道峒室入口处，基本与隧道走向重合，点距5 m，总长295 m。该剖面视电阻率变化范围主要为100～2 500Ω·m，见图1。电性界面较连续，分层性较好，由此推测该段基岩较完整。表层的低阻反映了近地表为第四系覆盖层，中、深部高阻为基岩的反映，未发现明显断层迹象，推测万年沟断层并未从该段穿过。

图1 A－1测线电阻率剖面

(2)A－2测线位于施工便道上方，斜穿2a胶带隧道，点距5 m，总长300 m，采用高密度电法以及氡气测量进行综合探测。该剖面视电阻率变化范围主要为20～1 000Ω·m，氡浓度变化范围为2 000～12 000 Bq/m3。在测线190～240 m段，视电阻率呈现低阻异常，截断两侧同一电性界面，并有向下延伸的趋势，氡浓度曲线在该段也出现异常高值，推测为万年沟断层，见图2。

图2 A－2测线综合物探反演结果

(3)A－3测线位于施工便道下方，点距5 m，总长365 m，采用高密度电法以及氡气测量进行综合探测。该剖面视电阻率变化范围主要为50～1 200 Ω·m，氡浓度变化范围为2 000～6 000 Bq/m3。在测线190～230 m段，视电阻率出现低阻异常，异常呈条带状分布，并有向下延伸的趋势，对应地段出现氡气浓度高值，综合推测为万年沟断层，见图3。

(4)A－4测线总长415 m，由于受地形影响，该测线不具备高密度电法探测的条件。该测线氡浓度异常值为2 000～7 000 Bq/m3，见图4。氡气浓度从测线100 m处开始增大，在测线250 m处开始降低，并趋于正常背景值。其中氡气浓度最大值出现在测线215 m附近地段，经过现场核实，该异常区段并无重大工业污染，氡气浓度异常偏高疑为万年沟断层(破碎带)引起的氡气纵向迁移所致。

4 断层解译与钻孔验证

通过连接各测线异常以及对异常特征的分析，综合推测万年沟断层在2a胶带隧道的570～610 m地段穿过，走向为 N35°E，产状为 125°∠68°～75°。由于万年沟断层具有压扭性，呈“S”型，倾角较大，近南北两段为NNE走向，中断呈NNW走向，走向转折点则出现断层倾向突变。因此，本次物探成果与区域地质调查认识并不冲突。

图3 A－3测线综合物探反演结果

图4 A－4测线氡浓度异常曲线

为进一步验证断层及倾向，设计布置了2个钻孔，见图5。ZK－81布设在推测断层范围内，ZK－82钻孔布设在推测断层范围北则。从钻孔岩芯来看，ZK－81浅部为粉质黏土，12.2 m以下为强风化辉长岩，岩体呈极破碎、破碎状，节理裂隙极发育，从而确定了断层通过该处;而ZK－82钻孔岩芯10 m以下较为完整，说明断层并未向北西倾，很大可能为向南东倾。

5 结论

(1)采用高密度电法进行前期探测，在此基础上采用氡气测量对异常进行进一步验证和追踪，这种组合方式在本次工作中充分体现出综合地球物理方法的高效、准确、优势互补、相互验证的技术优势。

(2)通过钻探验证，表明高密度电法联合氡气测量的综合物探方法能对隐伏断层进行有效探测。通过连接多条物探测线的异常带，能勾划出隐伏断层的走向;利用异常特征能大致确定断层的倾向及倾角。

图5 万年沟断层解译

(3)需要讨论的是，A－2测线的综合反演表明在视电阻率异常形态无法推测断层倾向时，可结合氡浓度异常曲线进行综合推断。氡气异常相比视电阻率深部低阻异常偏向测线末端，则表明断层可能倾向测线始端。因为氡气应富集在近地表的断层(破碎带)附近处，从而可利用氡气异常确定断层的浅部位置，再利用视电阻率深部异常确定断层的深部位置，进而得出断层倾向。

［1］ 张 赓，庹先国，李 彬，等.综合地球物理方法在隐伏断层探测中的技术优势［J］.金属矿山，2013(1):110-112.

［2］ 谭 明，吴传勇，等.高密度电法在乌鲁木齐市活断层项目中的应用实例［J］.内陆地震，2008，22(2):135-142.

［3］ 王爱国，杨 斌，周俊喜.安远盆地边缘断层高密度电法探测及活动特征［J］.地震研究，2008，31(3):262-267.

［4］ 陈希泉，陈 颉，罗先熔，等.地气(氡气)测量方法寻找隐伏含矿断裂试验［J］.物探与化探，2011，35(6):817-820.

［5］ 刘春来，庹先国，黄连美，等.地下氡气测量推断隐伏断层走向［J］.物探与化探，2011，35(2):226-229.

［6］ 王爱国，马 巍，张向红，等.隐伏断层电性特征及浅层电法探测［J］.西北地震学报，2006，28(3):242-247.

［7］ 祝 杰，杜 毅，亢会明，等.高密度电法在水域工程勘察中的应用［J］.工程勘查，2011(10):80-83.

［8］ 王诗东，庹先国，李怀良，等.氡气测量法－高密度电法在断层定位中的应用［J］.地学前缘，2011，18(2):315-320.