瞬变电磁法在铁矿采空区探测中的应用研究

王 猛，刘媛媛，李海明，张 雪，董根旺，林曼曼，田 亮，田 华

（1.中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051；2.华北地质勘查局五一九大队，河北 保定 071051）

矿业活动引发的塌陷地质灾害给人民生命财产带来了巨大损失，并且先存的采空区使深部矿产资源的开采难度增加，不得不面临越来越大的安全隐患，因而做好矿山采空区的勘查和治理工作显得尤为重要。目前，瞬变电磁法已在矿产资源勘查、工程勘查、地下水调查、地质灾害调查等领域有广泛应用，其中在地质灾害调查领域已有很多应用于煤矿采空区探测中的成功案例，但就目前的研究程度而言较少涉及铁矿采空区的探测。本文基于瞬变电磁法对不同介质的电性差异分辨率高、探测深度大、工作效率高的特点，研究将该方法用于铁矿采空区的探测工作中，结合工程实例，探讨了瞬变电磁法对铁矿采空区的探测效果。

1 瞬变电磁法方法原理

瞬变电磁法（Transient ElectromagneticMethod，简称“TEM”）是一种时间域人工源电磁探测方法，它主要遵循电磁感应原理，是导电介质在阶跃变化的电磁场激发下而产生的涡流场效应，即利用一个不接地的回线Tx或磁偶极子，也可以用接地线源电偶极子向地下发射脉冲电磁波作为一次场，根据法拉第电磁感应定律，当发射线圈中的一次场断电后在其中心以及周围一定区域内存在的磁场会急剧衰减，处于该变化磁场中的良导地质体内部由于磁场的变化引发磁通量的变化进而产生感应电动势，感应电动势在良导地质体中产生二次涡流，该涡流场并不能立即消失将会有一个衰减过程，二次涡流的衰减又会产生一个衰减的二次磁场向地表传播，再由地面的接收线圈Rx来接收二次磁场（见图1）。

图1 瞬变电磁法工作原理示意图

产生二次电磁场的涡流以等效电流环向下并向外扩散，形如“烟圈”。随着时间的推移，“烟圈”的传播与分布将受到地下介质的影响，这样从“烟圈”效应的观点看，可得早期瞬变电磁场是近地表感应电流产生的，反映浅部电性分布；晚期瞬变电磁场主要是由深部的感应电流产生的，反映深部的电性分布。瞬变电磁法观测的二次场包含有地下地质体丰富的地电信息，因此通过对这些相应信息的提取和分析，可研究瞬变电场随时间的变化规律，即可探测地下地质体的分布情况[1-3]。

2 铁矿采空区的电性特征

物性差异是开展地球物理工作的前提，对铁矿采空区所处的地质背景而言，覆盖层与基岩之间、铁矿体与围岩之间均存在着明显的电性差异，呈现出覆盖层相对低阻、基岩相对高阻，以及铁矿体相对低阻、矿体围岩相对高阻的特点。地层或岩体的含水率也是影响电性差异的主要因素之一，干燥的覆盖层或基岩通常呈现相对高阻，而处于潜水面以下的岩石往往电阻率值急剧下降。

由铁矿开采形成空洞后，地层或岩体原有的应力平衡状态被破坏，若开采矿体的体积较小时，其顶板岩石受影响不大，保存相对完整，采空区以不充水或充水的空洞存在；若采矿体积较大，受重力和地层应力的作用，顶板变形严重，甚至塌落下来，空洞顶部自下而上形成冒落带、裂隙带和弯曲带（简称“采空区三带”，见图2），不论充水或不充水，采空区及其上部的“三带”相对完整的覆盖层或基岩均有明显的电性变化[4，5]。

图2 采空区及上部“三带”分布示意图（据文献[5]修改）

若采空区为不充水的空洞，与完整基岩相比，空洞范围通常表现为高阻异常，其上的“三带”随变形的发生也呈现为相对完整基岩的高阻异常，根据电阻率值的高低变化可以有效区分基岩、“三带”及采空区的分布范围；当采空区处于地下水位以下时，往往呈现充水特征，采空区内充水、坍塌，且充填物松散、潮湿，使得电阻率值变得很低，与矿体围岩电性差异较大，其上的“三带”含水率较高，也将呈现相对低阻的特征，易于识别和圈定。

3 工程实例

本文以河北邯邢地区某铁矿采空区为例说明。

工作区大地构造位置属于中朝准地台山西断隆武安向斜，西依山西陆台、东以太行山前邢台—安阳深大断裂为界，与华北平原沉降区的临清台陷毗邻，为山西断隆或太行山隆起的一部分。本区古老基底为太古宙赞皇群，与上覆地层为角度不整合关系，岩性主要为片麻岩及部分片岩、斜长角闪岩、大理岩等。盖层自下而上为长城系海相碎屑岩、寒武系—奥陶系滨浅海相碳酸盐岩和石炭系—二叠系海陆交互相含煤碎屑岩。中奥陶马家沟组、磁县组和峰峰组为一套海相碳酸盐岩，主要为白云质灰岩、灰岩，每个组下部均发育伴生石膏等盐类的角砾岩层，为该区主要铁矿床的控矿地层。区内燕山期中性岩浆岩体广泛分布，是本区铁矿的成矿母岩。

野外工作使用仪器为加拿大GEONICS公司生产的PROTEM67型瞬变电磁仪。工作装置采用大定源回线装置，回线内观测，发射框为300m×300m，频率选择为25Hz，供电电流为15A，接收线圈面积为200m2。

3.1 视电阻率垂向变化特征

由全区不同深度电阻率等值线平面图（图3）可知，全区视电阻率在垂直方向上变化较大，在几十欧姆米到上千欧姆米之间变化，总体表现为浅部低阻、中部高阻、深部高低阻相间的特征。

全区浅部大部分地区均被第四系覆盖，电阻率值较低，其与下方的基岩风化层连在一起，形成大范围的低阻区，电阻率值一般均小于200欧姆米，其深度范围一般小于50m；在低阻层以下，迅速进入高阻的完整基岩层，该高阻层厚度约100m，其下地层表现为高低阻相间的特征，表明深部岩石矿化蚀变较发育，矿体范围变大。

图3 全区不同深度视电阻率分布图

3.2 采空区的推断解释

由工作区水文地质调查成果可知，地下水位的高程一般在+150m左右，而本区已开采的矿体的高程一般在+200m以上，高于地下水位，因此本区的采空区含水性差；但由于矿体尚未完全开采，因此本区采空区应呈现低阻中的相对高阻异常的特征，即采空区的电阻率值略有升高，一般表现为在同一低阻层位上，出现不连续、孤立的小块状相对偏高阻异常。

采空区范围电阻率值一般在150欧姆米～250欧姆米之间，相对围岩呈现低阻特征，相对矿体呈现高阻特征，该采空区在海拔200m、225m深度视电阻率等值线平面图上反映明显，同一低阻层位上，出现不连续、孤立的相对偏高阻异常，而在推断采空区的上方及下方的视电阻率等值线平面图上，低阻区则较为连续，场值变化平缓（见图4、图5）。综上可推断，采空区主体位于海拔+225m～海拔+200m之间，最小顶板深度在+250m以下，最大底板深度在海拔+175m以上。

图4 不同深度视电阻率等值线及推断采空区范围平面图图中红线为推断采空区范围；a-海拔225m高程；b-海拔200m高程

图5 不同深度视电阻率等值线平面图a-海拔250m高程；b-海拔175m高程

4 结论

（1）当工区地形复杂、各类干扰因素较多时，会对瞬变电磁数据的采集产生影响，应采取措施尽量降低干扰，数据整理与圆滑时应注意消除假异常，高质量的原始资料是后期处理和解释的必要条件；瞬变电磁法是基于地质体的电性差异进行异常解释的，引起地质体电性差异的因素很多，因而瞬变电磁法与其它物探方法一样具有多解性，应与当地的地质资料充分结合进行解释。

（2）利用瞬变电磁法等电法勘探方法进行铁矿采空区探测工作时，由于采空区存在充水、不充水的区别，且采空区顶部不变形或变形后形成“三带”也是重要的影响因素，视电阻率图呈现复杂多变的情况，不能单纯的依靠低值或高值进行判断。在实际应用TEM资料时，对采空区的推断应结合采矿、钻探成果、地表塌陷范围等及时进行修正，提高推断解释的质量，力争为地质灾害治理工作提供精确、详实、全面的物探基础资料。