瞬变电磁法确定隐伏岩溶在贵州正安旦坪铝土矿勘探定孔中的应用

蒙应华，张西君，刘 俊，王永泰

(1.贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081；2.贵州省地质物探工程技术研究中心，贵州 贵阳 550081)

1 引言

岩溶是矿产勘查中重点关注对象之一，由于岩溶发育具有隐蔽性的特点，给矿产勘查带来诸多施工和安全难题。如：钻探施工钻遇岩溶导致脱钻、卡钻、漏浆等事故，造成钻孔报废，严重影响施工进度，增加了勘查成本。

贵州正安旦坪铝土矿勘查项目位于黔北典型岩溶区，岩溶较为发育且物探工作程度较低，为了查明地下隐伏岩溶特征及分布规律，解决以上难题，确保本次大精查铝土矿勘查项目高质量推进，利用地球物理方法查明地下隐伏岩溶就显得尤为重要。瞬变电磁测深方法作为近年来发展活跃的勘探技术，是一种轻便高效、抗干扰能力强且受地形影响较小的地球物理勘探方法，其勘探方式灵活多变，具有能克服浅表高阻层屏蔽，对低阻介质响应灵敏，横向分辨能力较强，特别是受地形影响和场地工作条件限制均较小等优点(蒋邦远，1998；方文藻 等，1993；李貅，2002)，目前在油气勘探、矿产勘查、工程物探、水文物探、地质灾害调查等领域得到了广泛的应用(王亮 等，2010；蒙应华 等，2015；张西君 等，2013；严良俊 等，2004；胡立强 等，2009；熊远鹏 等，2019)。本文正是利用了瞬变电磁法这些优点，在贵州省正安县旦坪铝土矿大精查项目中开展隐伏岩溶物探专项调查。

2 研究区地质与地球物理特征

2.1 地质概况

2.1.1 地层

研究区内主要出露地层由老至新依次有二叠系下统大竹园组(P1d)、二叠系中统梁山组(P2l)、栖霞组(P2q)、茅口组(P2m)及第四系(Q)。其中，大竹园组为本研究区内铝土矿赋存层位，习称铝土矿含矿岩系(徐彬 等，2017；贵州省地质调查院，2020)。各地层岩性分别如下：

大竹园组(P1d)：下部为灰绿、黄绿泥石粘土岩、泥石岩、粘土岩；中上部为灰白色、浅灰色至黑灰色铝土矿或铝土岩；顶部为灰白、浅灰色、灰色粘土岩。

梁山组(P2l)：为一套黑色炭质页岩、炭质粘土岩，含少量黄铁矿。与下伏大竹园组呈假整合接触。

栖霞组(P2q)：为一套碳酸盐岩沉积，岩溶管道发育。底部为细晶灰岩与含泥质灰岩互层；下部为中厚层含燧石结核细晶灰岩；中部为中厚至厚层细晶灰岩；上部为厚层细晶灰岩。与下伏地层梁山组呈整合接触或与下伏地层大竹园组呈假整合接触。

茅口组(P2m)：系区内沉积厚度较大的浅海相碳酸盐岩，岩溶管道发育。由深灰色中厚层灰岩、厚层细晶灰岩夹燧石团块和条带灰岩、生物碎屑灰岩组成。

第四系(Q)：一类是粘土、亚粘土、砂、岩块等残、坡积堆积物。分布在矿区缓坡及地形低洼地带；另一类是中二叠统灰岩在悬崖陡坡边缘崩塌堆积而成的坠积堆积物，岩块大小不等，杂乱分布于悬崖及陡坡之下。

假如vmax>v0,设P5是P1P2减速运动区间的起始点.设P1P2加速短、匀速区间段和减速区间段内的运动时间为T11、T12、T13,可得:

2.1.2 构造

区域构造以宽缓背斜与紧闭向斜组合构成的隔槽式褶皱为主，具典型的侏罗山式褶皱组合特点。向斜变形强烈，常有逆断层发育；背斜变形相对较弱，属于典型的薄皮构造，是地壳浅层复杂滑脱作用的产物，其主要滑脱层是二叠系含煤细碎屑岩和三叠系下部的泥质岩。

褶皱形态背斜部位较为宽缓，向斜部位较为紧闭，显示隔槽式褶皱组合特征。单个褶皱轴在北东向断层发育部位发生S型弯曲，同时，在开阔平缓背斜部位，发育雁行排列的次级褶皱，显示出近东西向挤压和左旋扭动的应力特点。

矿区主体构造是新模向斜，为一大致呈北北东-北东向展布、向西倾伏、向南侧伏、东缓西陡的不对称向斜，断裂构造主要为重力滑移断裂(图1)。

2.2 地球物理特征

对工作区主要岩性单元及矿化露头，进行了小四极视电阻率参数实地测定(见表1)。

表1 工区岩(矿)石电性参数统计表

由表1可知，勘查区主要出露地层岩(矿)石平均视电阻率由灰岩→铝土矿→页岩(粘土岩)→第四系浮土→水依次降低。其中，二叠系中统栖霞-茅口组灰岩视电阻率平均值为3 376.8 Ω·m，最高可达5 304.26 Ω·m，表现为明显高阻反映；大竹园组铝土矿、梁山组页岩(粘土岩)及第四系覆土均表现为低阻，平均值分别为348.56、269.5、90.83 Ω·m；水视电阻率最低，仅为20 Ω·m，与灰岩相比具有明显电性差异。

综上所述，岩溶与完整岩体间存在明显电性差异，即本研究区具备利用物探瞬变电磁法探测地下隐伏岩溶的地球物理前提。

图1 工作区区域地质图

3 物探工作原理及方法

3.1 工作原理

TEM法又称瞬变电磁法，属于时间域电磁感应类探测方法，利用一个不接地回线向地下发射脉冲电磁波作为激发场源，脉冲电磁波结束后，导电介质在阶跃变化的电磁场下产生涡流场效应，利用接收回线观测由地下地质体产生的感应二次场随时间的变化。由于二次场来源于地下地质体内的感应电流，因此它包含着与地质体有关的地质信息，所以通过观测二次场随时间的变化，并对所观测的数据进行分析和处理，从而达到研究浅层或中深层地电结构(蒋邦远，1998；方文藻 等，1993)。TEM法原理示意图见图2。

3.2 工作方法技术

瞬变电磁法勘探中，其重叠回线装置的勘探深度与供电电流大小和线框边长有如下关系：

图2 TEM法工作原理图(蒋邦远，1998)Fig.2 TEM method works Figure

3.3 测网布设

为提高物探探测精度，降低钻遇岩溶风险，克服物探因多解性造成的解译误差，最大限度查明钻孔位置岩溶发育情况，更好配合钻探施工、水文调查等研究矿区工程地质条件提供地球物理支撑。据规范要求，测网的选择以能发现有意义的最小异常，能在平面图上清楚地反映探测对象的位置和形态为原则，并保证所得异常完整性及周围有一定范围的背景场。

根据以往务川铝土矿和兴仁泥堡金矿勘查项目的工作经验：点线距为15 m或20 m的试验测网中，均存在异常分辨率不高、漏失大小为10 m左右溶洞的情况。故本次结合研究区钻遇溶洞规模大小情况及钻探施工对小型溶洞的处理技术等，拟布设点线距均为10 m，网度为7×9的测网开展物探测量工作，即以拟布钻孔位置为中心，平行地质勘探线方向布设7条剖面，每条剖面9个测点，工作布设示意图见图3。

图3 ZK14604瞬变电磁测网布设图Fig.3 ZK14604 Transient Electromagnetic Measuring Network Layout Drawingt

3.4 数据处理及成图

首先对野外实测数据进行复核验算，对因人文干扰导致衰减曲线某些频点出现非正常跳动或突变的数据。利用随机配置软件将原始数据进行滤波和剔除畸变处理，并消除仪器噪声、天然电磁噪声等引起的异常畸变。然后通过烟圈理论的反演公式计算空间视电阻率数据(张西君 等，2015)。即：

其中：ρt-延时t时刻视电阻率(Ω·m)；b-回线边长(m)； ɛ-感应电动势(μV)；I-供电电流(A)；t-采样时间(ms)；ht-延时t时刻视深度(m)。

并运用SURFER软件对计算结果数据绘制相应图件，具体处理流程如图4所示。

图4 TEM数据处理流程图Fig.4 TEM data processing flowchart

4 应用效果分析

图5 ZK14604钻孔TEM视电阻率断面图

4.1 断面异常岩溶分布(点)特征分析

4.2 平面异常岩溶分布(区)特征分析

图6 ZK14604钻孔TEM视电阻率平面切图

综上分析，为了降低钻探风险，使钻孔有效避开岩溶，故物探建议定孔位置为视电阻率较高且相对稳定的5号剖面3号点。经钻探验证，物探定孔有效规避了岩溶达到铝土矿勘查目的层位。

5 结论

通过贵州省正安县旦坪铝土矿大精查物探专项调查，由试验孔逐步开展对研究区共计30个拟布钻孔的瞬变电磁测量，除12个钻孔因矿产勘查设计变更未施工外，其余物探成果定孔中16个已施工完成钻孔均有效避开岩溶空洞，取得了良好的效果。

(1)利用物探瞬变电磁成果定孔，需充分对比研究断面和平面异常特征，在规范及设计要求的前提下，尽可能选择高阻异常较完整的部位进行定孔。

(2)在岩溶区矿产勘查中利用瞬变电磁法查找隐伏岩溶，异常特征明显，物探确定隐伏溶洞得到了钻探工程的有效验证，可在类似岩溶区矿产勘查中推广应用。

(3)瞬变电磁大电流、小线框的中心重叠回线装置灵活轻便，在山区复杂地形较为实用，能快速高效解决岩溶区钻探是否钻遇隐伏溶洞定孔的施工和安全难题。