可控源音频大地电磁法在金矿采空区充填评价中的应用

王秋领，田朋飞

(1.山东正元地球物理信息技术有限公司， 山东 济南 250101；2.河南万里交通科技集团股份有限公司， 河南 许昌市 461000)

烟台市牟金矿业某矿区矿床是由多条矿体组成的矿脉群，受北北东向压扭性断裂控制，金矿热液在断裂由缓变陡处沉淀富集形成矿体。该矿区共圈出5条矿脉，共12个金矿体，其中I和Ⅱ矿体规模大，是主要矿体。经过多年的开采，矿区大部分矿体已被采完，采空区治理采用充填方式，上部充填方式为削壁填充，下部充填方式为尾砂填充[1-3]。填充效果是采空区充填治理评价的重要指标，采用可控源音频大地法对采空区充填效果进行评价。可控源音频大地电磁法作为一种人工场源电磁法，信号强度大，野外采集数据质量高、重复性好，随机干扰、场源和地形影响小，可在强干扰区开展工作；解释与处理方法简单、解释剖面横向分辨率高，具有不受高阻层屏蔽等优点，被广泛应用于采空区的探测，矿产及地热资源的勘查以及水文地质的调查等，可获得良好的勘查效果[4-9]。

1 技术方法

可控源音频大地电磁法（以下简称CSAMT法）是一种人工源频率域电磁法，其原理与常规大地电磁测深（MT）类似，针对天然电磁场信号弱的特点，采用可控制的人工发射源，利用发射电偶极AB（一般为500～2000 m）向地下发送不同频率的交变电流，形成交变电磁场，在距离场源足够远的地方通过测量相互垂直的电场信号Ex和磁场信号Hy，根据 Cagniard公式求得地下介质的反演电阻率和阻抗相位：

式中，ρs为视电阻率，Ω·m；f为发射频率，Hz；Ex为x方向的电场强度，V/m；Hy为y方向的磁场强度，A/m；φ为阻抗相位，rad；φE为电场相位，rad；φH为磁场相位，rad。

本次探测使用加拿大凤凰地球物理有限公司生产的可控源电磁多功能仪（V8），设置发射极距为1.6 km，收发距最近为7.6 km，发射频率范围为1～9600 Hz，共布设46个频点，探测点距为20 m，探测极距为20 m，结合矿区走向，共布置6条测线。测区分布有较多的供电电线、地下管道和高压电箱，特别是50 Hz高压交流电干扰，数据采集过程中通过采用大功率发射机提高信噪比，加大采集时间压制随机干扰，采用50 Hz陷波器压制工业电流影响，以保证数据质量。

2 矿区概况

2.1 矿区地质资料

区内出露地层简单，除新生界第四系沉积物沿沟谷、河流两侧分布外，仅见零星出露的下元古界荆山群变质岩，岩性为黑云片岩、变粒岩、透辉大理岩等。区内断裂构造十分发育，尤以北北东向断裂最为发育，属金牛山断裂西侧的近乎平行的同期次级断裂，该组断裂走向为10°～20°，倾向北西，倾角为50°～80°，断裂长为数百米到数千米，宽一般为几厘米至十余米。主断裂面两侧分布为绢英岩化二长花质碎裂岩，局部见蚀变煌斑岩脉，中部多为黄铁矿石英脉充填。该断裂属压扭性，为本区的控矿断裂。

区内侵入岩发育，大面积出露中生代燕山早期玲珑序列云山单元弱片麻状细粒含石榴二长花岗岩，是金矿体的围岩。脉岩主要为煌斑岩、闪长岩、闪长玢岩、石英脉等，沿矿脉或穿切矿脉分布。

2.2 矿区矿体特征

矿床是由多条矿脉组成的矿脉群，受北北东向压扭性断裂控制。该组断裂与金牛山断裂的关系为同期低序次，经历了多次活动，早期为左行压扭性，成矿期为局部引张。金矿热液在断裂由缓变陡处沉淀富集形成矿体。共圈出5条矿脉，12个金矿体，受与金牛山断裂近乎平行展布的同期次级断裂控制，其中I和Ⅱ矿体规模大，是主要矿体。

2.3 矿区开采及充填情况

I号矿脉-105 m 中段以上充填方式为削壁充填，-105 m中段～-385 m中段充填方式为尾砂充填（见图1）。Ⅱ号矿脉-200 m以上充填方式为削壁充填；-200 m以下充填方式主要为尾砂充填（见图2）。

图1 Ⅰ号矿体充填情况

图2 Ⅱ号矿体充填情况

2.4 测区岩石物性特征

矿区主要围岩为花岗岩，花岗岩类为高阻体，脉岩主要有煌斑岩和石英脉岩，矿石类型主要为含金黄铁矿化石英脉，根据以往物性标本可得测区岩石物性参数（见表1）。随着矿石不断被开采，会形成采空区，当采空区内被低阻介质充填后，导电颗粒增加，在电性特征上与围岩相比表现为相对低阻；若采空区未被充填，其内充满空气，导电颗粒缺失，在电性特征上与围岩相比表现为相对高阻。这为可控源音频大地电磁法的适用性奠定了物理基础，同时，与含水的尾砂填充相比，含水的削壁填充因其具有较大的空隙和高阻的围岩表现为相对高阻。

表1 测区 岩石物性参数

3 数据处理及异常分析

可控源音频大地电磁法的数据处理主要有资料预处理，静态校正和数据反演3个步骤。资料预处理使用CMT Pro软件进行曲线的圆滑、校正及突出有用信息；静态校正处理采用五点中值滤波进行校正；数据反演采用二维圆滑模型，考虑探测深度要求，采用15～9600 Hz范围参与反演。

经过数据处理及软件反演，采用surfer成图，如图3所示，图中左上角到右下角依次为测线1至测线7反演视电阻率断面。

图3 各条测线反演视电阻率断面

为了能更准确地分析可控源音频大地电磁法对采空区充填效果评价的适用性，根据测线布置图和矿脉充填情况图，选取3条测线进行分析，见图4，测线上均有已知的充填区，包括充填区的平面位置，充填方式和充填深度等具体信息。

图4 测线1，测线4和测线5反演视电阻率断面

3.1 测线1

结合相关地质资料及矿区调查信息，该区域主要为粗粒花岗岩，在电阻率断面图上表现为高阻，随深度增加逐渐增大。测线1断面图上存在2处明显异常，一处异常位于测线桩号约1110～1190、标高约0～-320 m，表现为相对低阻异常，结合相关地质调查资料，推测为挤压破碎带；另一处异常位于测线桩号约1370～1450、标高约55～-200 m，表现为相对低阻异常，结合图2中Ⅱ号矿脉充填情况可知，测线1桩号约1370～1430与图2中探槽位置TC98-1至TC102-4相交，图2显示探槽位置TC98-1至TC102-4之间在55～-180 m为削壁填充，此位置与测线桩号 1370～1450、标高约 55～-200 m的异常位置吻合，推测此异常为采空充填区引起，且没有出现高阻区，填充效果较好。

3.2 测线4

结合相关地质资料及矿区调查信息，该区域主要为粗粒花岗岩，在电阻率断面图上主要表现为高阻，随深度增加逐渐增大。测线4断面图存在一处异常位于测线桩号约1150～1190、标高约0～-380 m，表现为相对低阻异常，结合图2中的Ⅱ号矿脉填充情况可知，测线4桩号约1130～1170与图2中TC38-1至TC42-1之间相交，图2显示TC38-1至TC42-1之间在0～-400 m深度范围内为采空充填区，其中0～-180 m深度范围内为削壁填充，-180～-400 m深度范围内为尾砂填充，此位置与测线桩号约1150～1190、标高约0～-380 m异常位置吻合，推测异常为采空充填区引起，且表现为上部削壁填充区电阻率值大于下部尾砂填充区电阻率值，未发现高阻区，填充效果较好。

3.3 测线5

结合相关地质资料及矿区调查信息，该区域主要为粗粒花岗岩，在电阻率断面图上主要表现为高阻，随深度增加逐渐增大。测线5存在2处异常，一处异常位于测线桩号约1130～1190、标高约50～-380 m，表现为相对低阻异常，结合图2中的Ⅱ号矿脉填充情况可知，测线5桩号约1130～1170与图2中探槽位置TC14-1至TC18-1之间相交，图2显示TC14-1至TC18-1之间在100～-350 m深度范围内为采空充填区，其中100～-200 m为削壁填充，-200～-350 m为尾砂填充，此位置与测线5桩号约1130～1190、标高约50～-380 m异常位置吻合，推测异常为采空充填区引起，且表现为上部削壁填充区电阻率值大于下部尾砂填充区电阻率值，未发现高阻区，填充效果较好；另一处异常位于测线桩号约1420～1470、标高约40～-260 m，表现为相对低阻异常，结合图1中I号矿脉填充情况可知，测线5桩号约1430～1470与图1中探槽位置TC14-3至TC18-3之间相交，图1显示：TC14-3与TC18-3之间在100～-350 m深度范围内为采空充填区，其中100～-100 m为削壁填充，-100～-350 m为尾砂填充，此位置与测线5桩号约1130～1190、标高约50～-380 m的异常位置吻合，推测异常为采空充填区引起，且表现为上部削壁填充区电阻率值比下部尾砂填充区电阻率值高，未发现高阻区，填充效果较好。

通过以上3条探测线与已知测线下方的填充区进行验证，结果显示探测的填充区位置和规模与已知填充区对应较好。为了保证探测结果的有效性，在测线2和测线3所揭示的采空充填区进行打钻验证，验证结果均显示为填充区，且填充实际效果与探测成果相差较小。

4 结论

在烟台牟金某金矿区实施可控源音频大地电磁法探测，经过处理和反演共得到7条测线剖面，通过选取穿越已知采空充填区的3条测线剖面（即测线1，测线4和测线5）与测线上的已知采空充填区进行对比分析，发现测线剖面圈定的推测采空充填区范围与已知采空充填区情况吻合较好，同时为了保证探测结果的有效性，在测线2和测线3所圈定的采空充填区进行打钻验证，均揭示出采空充填区。由此可以得出结论：可控源音频大地电磁法可以作为一种采空区充填治理评价的手段，但是其具有的体积效应不能清楚地划分填充层位，需要进一步研究；此外，可控源音频大地电磁法对采空区充填评价只能定性解释，即只能勾画出采空充填区的范围，不能定量分析，即无法量化采空区充填率达到多少百分比，需要结合钻探等其他方法综合判断。