等值反磁通瞬变电磁法在矿山地质探测中的应用

陈 宇

（广东省有色地质勘查院，广东 广州 510080）

为了解决东源县对矿产资源需求，东源县自然资源局在原奇峰石场和原宝峰石场闭坑场地进行整合设立矿区，地下隐伏地质病害会对矿区造成严重安全隐患，进行二石矿区物探勘查工作时，大致查明研究区地质形态、变化规律。

等值反磁通瞬变电磁法属于无损探测，不受接地等场地条件的限制，由于其特殊的装置

克服了传统瞬变电磁法存在探测盲区的技术瓶颈，实现了0～100m浅层勘探，且操作简单、工作效率高、抗噪、抗干扰能力强，是一种新型的可用于特殊地质探测的技术，为地质工程验证提供地球物理依据，最后通过钻孔验证，取得了良好的效果。

1 矿区地质与地球物理特征

1.1 地质特征

据野外现场调查，结合区域地质资料，初步查明矿区范围内出露地层简单，主要有石炭系中上统壶天群(C2+3h)。石炭系中上统壶天群(C2+3h)是矿区范围内出露的主要地层，主要岩性为浅灰色、灰色厚层状粉晶灰岩、白云质灰岩，部分地区见有肉红色、粉白色白云岩。矿区褶皱构造不发育，矿区内主要为单斜构造，地层走向70°～100°，倾向北，倾角为67°～85°，矿区岩浆岩不发育，未见岩浆岩出露。

1.2 地球物理特征

据矿区附近工程钻探揭露，场地地层为第四系素填土层（Qml）、第四系坡积层（Qdl）、第四系残积层（Qel）、二叠系上统龙潭阶细砂岩（P2l）及石炭系中上统壶天群灰岩（C2+3h）组成，结合我院历年在省内该地层的物性参数测定结果如表1所示。

表1 矿区地层的物性参数测定结果

区内砂砾岩低阻特征；粉砂岩、砂砾岩为中等电阻率特征；灰岩、白云岩为高电阻率特征，第四系黏性土为极低电阻率特征。根据钻探结果，断裂构造带发育区基本为水和二叠系细砂岩、第四系黏土层充填，与石炭系壶天群灰岩等围岩具有明显的电阻率差异。

该区由于断裂构造带发育，灰岩、白云岩电阻率值相对物性参数偏低，同时需要强调由等值反磁通瞬变电磁理论反演得到的电阻率为相对电阻率，与岩土层的真实电阻率存在一定差异，但电阻率明显的差异仍然存在，因此该区具备开展等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM）探测含水断裂构造的电性条件。

2 瞬变反磁通方法原理与数据处理

2.1 方法原理

等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM）是测量等值反磁通瞬态电磁场衰减扩散的一种新的瞬变电磁法。具体的技术思路与方案是：以相同两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电磁场时空分布规律，采用上下平行共轴的两组相同线圈为发射源，且在该双线圈源合成的一次场零磁通平面上，测量对地中心耦合的纯二次场，装置示意见图1。双线圈在地面发射瞬态脉冲电磁场信号，其中一组线圈置于近地表面，在瞬态脉冲断电瞬间，近地表叠加磁场最大，因此，在相同的变化时间下，感应涡流的极大值面集中在近地表，感应涡流产生的磁场最强，随着关断间歇的延时，地表感应涡流逐渐衰减又产生新的涡流极大值面，并逐渐向远离发射线圈的深部、边部方向扩散，即为M.N.Nabighian形象描述的瞬变电磁法的“烟圈效应”图2）。涡流极大值面的扩散速度和感应涡流场值的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关：大地电导率越大，扩散速度越小，衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率信息，这就是等值反磁通瞬变电磁法的物理原理。

图1 等值反磁通瞬变电磁装置示意图

图2 瞬态涡流极大值扩散示意图

最大值扩散深度与介质的电导率和有效测量时间有关，具体扩散深度的计算公式如公式1，而有效探测深度的计算公式2；扩散速度与介质电导率、磁导率以及观测时间成平方反比关系，计算公式如（3）式。这就是瞬变电磁测深的理论基础。

利用中心耦合装置测量水平涡流产生的磁场（二次场）的衰减变化。OCTEM纵横向分辨率高，信噪比高，仪器轻便，几乎不受场地条件的限制，是矿山采空区、活动断层探测的有效手段。

2.2 工作装置

本次施工中瞬变电磁法采用的仪器是湖南五维地质科技有限公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统。

该系统是针对瞬变电磁浅层地质勘探存在“盲区”，及抗电磁干扰能力弱的问题，由湖南五维地质科技有限公司与中南大学历经8年共同研发研制而成。该系统创新地运用等值反磁通技术（OCTEM）消除收发线圈之间的感应耦合；利用对偶中心耦合原理提高横向分辨率；采用统一标准的微线圈对偶磁源、高灵敏度磁感应传感器、高速24位数据采集卡以及高密度测量技术实现了浅层高精度瞬变电磁勘探。HPTEM-18等值反磁通瞬变电磁系统包括HPTEM天线（线框）、仪器主机、连接缆和操作PC组成。

系统参数与性能指标：

（1）体积：590mm（Φ）×3 80mm（H）；

（2）重量：19Kg；

（3）工作温度：-20℃～80℃；

（4）发送天线等效面积：200m×200m；

（5）接收天线有效面积：大于200m2；

（6）谐振频率：大于200kHz；

（7）噪声水平：1nV√Hz。

主机参数与性能指标：

（1）体积：400mm（L）×300mm（W）×200mm（H）；

（2）重量：7.4Kg；

（3）工作温度：-20℃～80℃；

（4）电源电压：11.5V～12.5V；

（5）发送电流：9.5A～10.5A；

（6）发送频率：0～250Hz；

（7）接收机动态范围：10bit+24bit；

（8）噪声水平：10nV√Hz。

2.3 数据处理

OCTEM的数据处理是将原始数据通过数据预处理、定性分析、定量解释和综合解释等步骤，最后结合已知地质资料得到电学地质断面图。

3 瞬变反磁通实例分析

测区北面布设了L1、L2两条平行测线，长度为530m。目的是探测北面区域的深部地层发育和断裂带延伸情况。根据物探视电阻率异常，在L1线的20号测点、140号测点、280号测点和440号测点推测了F4，F5，F6和F7共4条断裂构造带。其中F4和F6断裂带向东陡倾，F5和F7断裂向西陡倾。结合地表沟系延伸及区域地质资料的认识，在300号测点设计验证钻孔WT1，孔深80m。在L2线

20号测点、180号测点、240号测点和400号测点同样推测出了F4，F5，F6和F7共4条断裂构造带，且两条测线推测的同一编号断裂带倾向相同，表明该断裂带在空间具有延续性，为同一断裂构造带。结合地表沟系延伸及区域地质资料的认识，在140号测点设计验证钻孔WT2，孔深80m。两个钻孔的目的均为验证根据测线剖面视电阻率异常特征推测的该测点深部土石分界面、溶蚀带的发育和断裂带延伸情况。现根据WT1和WT2钻孔验证情况，对L1线和L2线位置所对应的视电阻率值范围做了校正。WT1钻孔的验证情况为0～36m为残坡积层，36m～46.3m为强风化灰岩，主要成分为黏土。46.3m～49.3m发育6个串珠状溶洞，为主要含水层。46.3m为岩土分界面。WT2钻孔的验证情况为0～21m为残坡积层，粉质黏土。21m～85m为冲洪积层，粉质黏土，结构松散、多孔，继续在未取芯情况下，在91.3m见基岩面。两个验证孔直线距离162m，分布在两条平行测线，对于矿区地下地质情况的验证具有一定的普遍意义，由于WT2验证孔岩土分界面较深，无砂层，推测为区域近东西向断裂及次级断裂F5共同作用形成的深度较大的溶槽。WT1验证孔同样揭示在岩面以上无砂层，岩土分界面在46.3m。我们以此分界面的深度来推测北面大概的岩面深度，对应视电阻率曲线，推测岩面分界面约240欧姆.米,地层发育及断裂构造带约270欧姆.米～300欧姆.米，这与东面L5线和L6线发育地带及断裂构造带的电阻率相似。

从L1、L2线的反磁通瞬变电磁剖面解释图（图3、图4）可以看出，北面区域的第四系覆盖层厚度约20m～50m之间，呈现西厚东薄的趋势。推测微风化灰岩埋深在标高170m附近，呈现西低东高趋势。在1线0-40、140-180、280-320、420-460和500-520号测点之间，2线0-20、220-250、360-420和480-520号测点之间，位于灰岩面以下附近，在电阻率等值线断面图上表现为等值线下凹，低值封闭，或等值线变宽等畸变异常，向下延伸25m～40m不等。根据等值反磁通瞬变电磁法剖面视电阻率异常，以低阻异常特征来圈定，结合地质资料及现场调查，推断低阻异常为地质蚀变带中填充软塑状粘土所引起。在标高20m～110m深度之间，电阻率等值线断面图上分布着串珠状的、高阻电阻率曲线包裹着封闭的低阻电阻率曲线的异常形态，视电阻率值在180欧姆.米～330欧姆.米之间，低阻体宽度20m～30m，厚度20m～40m之间，埋深较大。

图3 L1线反磁通瞬变电磁法综合解释图

图4 L2线反磁通瞬变电磁法综合解释图

在两条测线大概0、140、280和400号测点附近推测的4条倾向相近的断裂构造带，其中F5断裂构造带电性差异明显，低阻形态较大，深部松散程度高，形成深部溶槽。1线为设计验证靶位，不排除1线同样位置出现溶槽的可能。F7断裂构造带在平面上的延伸，与东面推测的F9断裂构造带交汇，深部较发育。

4 结论

本次等值反磁通瞬变电磁法测深工作利用所测电阻率成果在剖面上推断了矿山断裂构造带的纵深分布。经过与验证钻孔资料对比，证明此次物探方法对矿山地质发育的探测效果显著，推断剖面图及不良地质体平面分布解释基本反映了矿山断裂构造和发育范围。

致谢：广东省地质局总工及全国危机矿项目办监审专家陈易玖，在数据处理和地质解释上给予了多处指点，广东省有色地质勘查院总工李勇、物探院高工钟文胜、何俊飞对物探异常的地质解释提出过建设性意见，在此表示衷心的感谢。