瞬变电磁法在福建某铅锌矿井下勘查中的应用

钟 华，钟乳石，刘和花，陈振宁，刘沈衡

（1．江苏省有色金属华东地质勘查局，南京212000；2．中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，南京211135）

瞬变电磁法在福建某铅锌矿井下勘查中的应用

钟 华1，钟乳石2，刘和花1，陈振宁1，刘沈衡1

（1．江苏省有色金属华东地质勘查局，南京212000；2．中国建筑材料工业地质勘查中心江苏总队，南京211135）

老矿山深部、外围找矿是当前“以矿找矿”为重要方式。文章以福建某铅锌矿为例，通过坑道内开展小线框、大电流的瞬变电磁法获取电阻率异常，利用坑内钻进行验证，取得了良好的找矿效果，为老矿山勘探提供了新的有效的物探方法。

瞬变电磁法；老矿山；矿井；勘查；福建省

0 引言

老矿山深部、外围找矿是当前“以矿找矿”的重要方式。随着矿山、矿城建设的开展，许多开采矿山周边的土地都被各类建筑、设施覆盖，地面物探工作受到的干扰因素也越来越多，因此，必须拓展地下物探新方法以满足矿山深部找矿的需求。目前，进行矿产勘查的地面物探（重磁电震）方法以及所使用的仪器众多，尤其是电法（方法多，仪器多）［12］，如电阻率法、激发极化法、瞬变电磁法、可控源音频大地电磁法以及CR法等。但用于井下坑道物探方法及仪器较少，主要由于仪器体积大、质量重、测量装置（布线）复杂，以及如何解决测量方向与半空间问题等。本文通过YCS200矿用瞬变电磁仪在福建某铅锌矿坑道内施工的实例，介绍小线框、大电流的瞬变电磁法在开采程度较高的老矿山坑道中的应用效果，为突破井下物探勘查瓶颈提供新的技术方法。

1 矿井瞬变电磁法的工作原理

矿井瞬变电磁法与地面瞬变电磁法的基本原理相同［3］。与地面测量的区别在于，矿井瞬变电磁法是在井下巷道内进行，瞬变电磁场呈全空间分布（图1）。在电流断开之前，发射电流在回线周围空间中建立起一个稳定的磁场，在时间t＝0时，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化通过巷道内空气和周围导电介质传至回线周围的岩层中，并在岩层中激发出感应电流以维持发射电流断开之前存在的磁场，使空间的磁场不会即刻消失。由于介质的热消耗，直到将磁场能量消耗完毕为止［4］。

由于电磁场在空气中传播的速度比在导电介质中传播的速度快得多，当一次电流断开时，一次磁场的剧烈变化首先传播到发射回线周围巷道顶、底板和侧帮，因此最初激发的感应电流局限于巷道附近岩层中。巷道附近各处感应电流的分布也是不均匀的，在紧靠发射回线一次磁场最强的巷道顶、底板处感应电流最强。随着时间的推移，巷道周围的感应电流便逐渐向外扩散，其强度逐渐减弱，分布趋于均匀。任一时刻巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流在巷道内产生的磁场可以等效为一个水平环状线电流的磁场。在发射电流刚关断时，该环状线电流紧挨发射回线，与发射回线具有相同的形状。随着时间的推移，该电流环向外扩散，并逐渐变形为圆电流环。等效电流环像从发射回线中“吹”出来的一系列“烟圈”，因此将巷道顶、底板导电岩层中涡旋电流向外扩散的过程形象地称为“烟圈”效应［4］。

图1 瞬变电磁法工作原理示意图Fig．1 A sketch illustrating the working principle of TEM

坑道内空气、非金属矿的地层和岩石一般情况下为高阻介质，电磁波易于通过，它们对TEM来说就没有像对直流电场那样的屏蔽性，故接收线圈接收到的信号是来自发射线圈周围全空间岩石电性的综合反映。因而在判定异常体空间位置时，需根据线圈平面的法线方向并结合地质资料加以综合分析确定［5］。

2 矿井瞬变电磁法工作方法

目前，矿井瞬变电磁法主要使用重叠回线装置，该装置地质异常响应强、施工方便。

2．1 装置参数的设计原则

根据不同的地质任务，选择回线边长与匝数是不同的。在一定的范围内，回线线框越小，其体积效应越小，横向、纵向分辨率愈高。由于矿井巷道宽度只有几米，回线边长不能太大，否则不便于施工，也会降低工作效率。通过实验证明，边长一般1～3 m比较合适。

其他参数在井下实际测量前通过试验即可确定。回线大小一定，一般回线匝数愈多，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，接受回线感应信号也愈强。有效面积增大，发射磁矩愈大，发射功率也愈大，探测深度增大，接受回线感应信号也愈强，但会增加装置移动的难度。实际测量中，由于井下巷道空间的限制，为了增大回线的有效面积，可采用矩形回线组合进行测量［6］。

2．2 测点布置及施工方法

发射和接收线框采用多匝1．5 m×1．5 m矩形回线。测点点距1～5 m，每个测点向3个不同的方向（即3条测线）进行探测（图2），根据多匝小线框发射电磁场的方向性，可认为线框平面法线方向为瞬变探测方向。为了更加精确地探测巷道迎头前方各个方位的地质异常情况，在迎头处进行测点加密测量，每条测线布设11个测点，依据坑道具体情况，亦可在1号及11号点外侧，位于侧帮位置加设1～3个测点（图3）。

3 应用实例及其效果分析

3．1 矿区地质简况

福建某铅锌矿区地层岩性主要为震旦系的大理岩、绿片岩、石英云母片岩、绢云母片岩、石英砂岩及千枚岩；侏罗系的千枚状粉砂岩、页岩、安山质火山岩 碎屑沉积岩；第四系的砂质土层［7］（图4）。

图2 瞬变电磁法探测方向示意图Fig．2 A sketch illustrating the detecting direction of TEM

图3 瞬变电磁法测点布置示意图Fig．3 A sketch illustrating survey point lay-out of TEM

3．2 矿床分布特征

该矿床赋存层位为中新元古界龙北溪组上段（Pt2-3l3）绿片岩地层，矿体产状与含矿地层产状基本一致，矿床空间分布与含矿岩性段的总体延伸保持一致。矿床（体）产状平缓，倾角0～20°；受含矿岩性段控制的矿体（层）可划分为3个主要的矿体层位，相互垂向间距10～20 m，在每个矿体层位内的矿体不连续，往往呈层位上大体一致但空间上相互间隔的矿体群或矿体带。

图4 矿区地质简图Fig．4 Geological sketch of the mining district

工业类型矿石有铅锌矿石（Pb-Zn型）、锌矿石（单Zn型）、铅锌硫矿石（Pb-Zn-S型）。矿石中金属矿物主要有闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿，次为黄铜矿、赤铁矿等。

矿体的围岩及夹石有浅色片岩（矿体底板，界线清晰，蚀变很弱）、绿色片岩（常为顶、底板围岩及夹石，蚀变矿化明显，与矿体界线不很清晰）、大理岩类（矿体的顶、底板围岩及夹石，蚀变弱，与矿体界线清晰）、闪长岩脉（矿体内的脉体，界线清晰）及火山岩（不整合面以上矿体的直接围岩）［7］。

3．3 岩矿石物性

矿石与围岩（夹石）具有明显的物性差异，以方铅矿、闪锌矿为主的多金属矿呈低阻（平均值21Ω ·m）、高极化特征，并具有较强磁性；花岗岩呈高阻（平均值6 674Ω·m）、高极化特征；矿体围岩中的大理岩、绿片岩（平均值3 926Ω·m）、石英片岩（平均值4 125Ω·m）以及火山碎屑岩（平均值998Ω· m）等，呈中等阻值、低极化特征［8］。

3．4 矿山开采及坑道情况

该矿山经过多年的开采，已知矿体基本采空，坑道宽度及高度在2．5 m左右，坑内多有积水，坑壁潮湿（常见水膜），这给坑内物探施工带来很大难度，而坑底积水、坑壁潮湿的低阻屏蔽作用，致使一些地面物探方法不能在坑道测量中获得较好的深部异常信息。鉴于YCS200矿用瞬变电磁仪具有在狭小空间施工的优势，同时具有穿透低阻层的能力，故而被选为坑内勘探的物探勘查手段。

3．5 坑道超前探实例

图5为坑道侧帮3条TEM剖面（每条剖面上15个测点，点距2 m）上的TEM多道图曲线及反演电阻率异常断面图。由于坑壁含水量较充沛，3条剖面在0～25 m内都有低阻异常（33～120Ω·m）存在。

从图5a可以看出，向上45°方向测量剖面上，深度40～60 m，水平位置由左而右，其异常特征表现为“

低-高 低 高”低高阻异常交替出现。

图5 垂直坑道方向剖面TEM多道图及电阻率平面图Fig．5 Multi-channel profile and resistivity plan of TEM

在1—4号测点位置（水平宽度6 m）的低阻异常最小值为113．9Ω ·m，异常位置为已知矿点；在4—9号测点位置（水平宽度10 m）的高阻异常最大值为309．6Ω·m；在9—12号测点位置（水平宽度6 m）的低阻异常最小值为145．7Ω·m，此处为未知异常区；在12—15号测点位置（水平宽度6 m）的高阻异常最大值为347．2Ω·m。

图5b为垂直坑壁方向剖面，其异常形态及分布规律与图5近似，只是低值异常的范围及极值略小。

图5c为向下45°方向剖面，其异常形态及分布规律与图5a和图5b近似，只是低阻异常变得不明显，但相对异常差还是存在，说明矿在这个方向的存量变少。

钻孔验证情况：针对电阻率异常，结合坑内地质及开采情况，认为9—12号点的水平位置向上45°方向存在金属矿的可能性较大，在10号点实施了1个坑内钻，钻探深度44 m。从钻孔柱状图（图8）可见，共发现4层闪锌矿体，总厚度13．8 m，层间为云母石英绿帘片岩，其中包括呈低阻特征的致密团块状（浸染状）磁黄铁矿（φ＝10%～30%）。尤其是第四层（自上而下）闪锌矿体的埋深及厚度与反演出的低阻异常位置及深度基本一致。

4 结语

采用小线框、大电流的TEM方法，在老矿山坑道中的勘查取得良好效果，认为该方法对于探查矿山深部、外围的隐伏矿体是有效方法。该方法投资小，仪器轻便、功率大，施工简单，资料处理解释方便快捷，工作效率高，信息量大，多解性少；同时对低阻地质体反映灵敏（分辩率高），能清晰、直观地显示探测目标埋藏的相对位置，横纵分辩率高，不受高阻层屏蔽的影响，能克服低阻覆盖层的制约，对低阻也有较强的穿透能力。该方法是老矿山勘探中发展前景良好的物探手段之一。

［1］ 李金铭．地电场与电法勘探［M］．北京：地质出版社，2005．

［2］ 张胜业，潘玉玲．应用地球物理学原理［M］．武汉：中国地质大学出版社，2004．

［3］ 牛之琏．时间域电磁法原理［M］．长沙：中南大学出版社，2007．

［4］ 王华军，梁庆九．瞬变电磁数据采集、解释软件系统研制［J］．工程地球物理学报，2005，2（6）：425-430．

［5］ 杜木民，李玉宝．井下瞬变电磁探水技术初探［J］．河北煤炭，2006（3）：1-3．

［6］ 阴建康，闫述，陈明生．瞬变电磁法小发射回线探测装置及其应用［J］．煤田地质与勘探，2007，35（3）：66-68．

［7］ 王亚飞，陈振清，汪小祥，等．福建省尤溪县丁家山矿区3-29线铅锌矿2012年资源储量核实报告［R］．尤溪：福建金东矿业股份有限公司．2012．

［8］ 伍开留，梁昌阔，杨志成，等．福建省尤溪县梅仙矿区复电阻率（CR）法勘探成果报告［R］．合肥：安徽省勘查技术院电法技术研究所．2008．

Application of transient electromagnetic method to underground ore prospecting in a Pb Zn mine in Fujian province

ZHONG Hua1，ZHONG Rushi2，LIU Hehua1，CHEN Zhenning1，LIU Shenheng1
（1．East China Non-ferrous-metal Exploration and Development Bureau，Nanjing 210000，China；2．Jiangsu brigade of geological prospecting center of China building materials industry，Nanjing 211135，China）

The periphery and to depth of the old mines are the key points for ore prospecting breakthrough at present and in the future．A Pb-Zn mine in Fujian province is an example where TEM（Transient Electromagnetic Method）with small coils and big current is carried out in the tunnels to achieve resistivity anomaly．The anomly is checked by tunnel drilling with good results thus TEM is an effective method for ore prospecting in the old mines．

TEM（Transient Electromagnetic Method）；old mine；prospecting；Fuijian province

P631．3；P618．4

： A

10．6053／j．issn．1001-1412．2014．01．017

2013-07-19； 责任编辑： 赵庆

钟华（1963 ），男，高级工程师，主要从事地球物理探矿工作。通信地址：江苏省南京市石门坎102号华鑫大厦102号501室；邮政编码：212000；E-mail：407938774＠qq．com