瞬变电磁法在铝土矿勘查寻找隐伏岩溶中的应用研究

曹 伟

（贵州省地质矿产勘查开发局一0六地质大队，贵州 遵义 563000）

岩溶是铝土矿勘查的重点关注对象，由于岩溶发育隐蔽性强，容易给矿产勘查带来诸多施工和安全难题，可能导致漏浆、脱钻等事故，影响施工进度，提高勘察成本，甚至造成巨大的安全威胁和财产损失。脉冲瞬变电磁法（TEM）法是利用介质在一次电流脉冲场激励下会产生涡流，在脉冲间断期间涡流不会立刻消失，其周围空间会形成随时间衰减的二次场。二次磁场随时间衰减规律主要取决于目标体的导电性、体积规模、埋深，以及发射电流的形态和频率，因此可以通过接收线圈测量的二次场空间分布形态来了解地下介质的空间分布。

1 铝土矿区地质及地球物理特征

1.1 铝土矿区地质

贵州黔北某地区铝土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正断层(F1、F2、F3)及逆断层F4、F5、F6。矿区内出露地层由老至新依次有志留系下统韩家店组，石炭系上统黄龙组，二叠系下统大竹园组、二叠系中统梁山组、栖霞组、茅口组，二叠系上统长兴组、吴家坪组，三叠系下统夜郎组、嘉陵江组及第四系。其间缺失志留系中、上统，泥盆系和石炭系大部[1]。

1.2 岩溶发育特征

通过收集普查—初勘阶段和本次施工的钻探资料，统计钻遇溶洞情况如下：勘查区以往勘查施工钻孔10个，其中6个孔见溶洞，主要集中在地表100m以浅范围，在P2m3～T1y2地层、640m～1100m标高范围均有溶洞发育，溶洞最大为8.41m，最小为1.14m；本次勘探施工2个钻孔，有1个钻孔遇16m大溶洞。

根据以上钻探资料，结合地表调查的落水洞、溶洞、洼地等岩溶个体形态，综合分析矿区岩溶发育特征、空间展布特征：

（1）地表岩溶发育特征。矿区地表岩溶主要集中在上坝场、岩口塘等地。封闭洼地内主要发育落水洞和竖井，众多的封闭岩溶洼地大小不一，岩溶发育程度不一。上坝场岩溶发育在海拔1350m～1400m之间，主要集中发育在茅口、栖霞组（P2m+q）地层中。

（2）地下岩溶发育特征。地下隐伏岩溶主要密集分布在Ⅴ号和Ⅵ号矿段，从施工钻孔溶洞的起止深度和充填情况，发现由上至下溶洞从密至稀，规模由大至小，由空洞逐渐变为半充填溶洞[2]。地下岩溶发育呈网脉及树枝状，钻孔遇溶洞、裂隙分布在海拔高程551.03m～1598.54m范围；其中Ⅵ号矿段钻孔编号尾号为4和6为岩溶集中发育带。

1.3 地球物理特征

利用DZD-8型多功能全波形直流电法仪进行小四极法现场露头实测。工作区主要出露为二叠系吴家坪组、栖霞-茅口组、大竹园组及石炭系黄龙组灰岩、志留系韩家店组页岩、粘土岩(铝土岩或铝土矿)以及第四系浮土，各出露地层岩（矿）石电性参数统计如表1所示。

表1 工作区地层物性参数表

出露地层岩（矿）石平均电阻率由灰岩→燧石结核灰岩→铝土矿化→页岩→第四系浮土依次降低。其中，栖霞-茅口组灰岩电阻率平均值为3376.8Ω·m，最高达5304.26Ω·m，呈高阻反映；其次为黄龙组灰岩，平均值为2546.20Ω·m，同样表现为高阻特征；铝土矿、第四系浮土、页岩电阻率均较低，与灰岩相比具有明显电性差异。

本次工作目的任务为查找碳酸盐岩（灰岩）地层隐伏岩溶，工作区出露地层主要为二叠系茅口组、吴家坪组、长兴-夜郎组地层。现结合以往类似隐伏岩溶勘查经验分析：

（1）地下水电阻率比较低（一般ρ=n×10Ω·m），岩石因构造活动破碎且不同程度含水相对围岩表现为低电阻率特征；岩体因溶蚀形成溶洞，破坏了岩体完整性，当岩溶规模较大且为空洞含空气时，岩溶相对围岩表现为极高电阻率特征；若溶洞含水相对围岩表现为低电阻率特征，当溶洞受淤泥填充时电阻率将进一步降低。

（2）岩溶发育带在视电阻率拟断面图上表现为低电阻率等值线密集带或低值封闭圈，在平面图上一般表现为明显的低阻异常带。

（3）从本次钻探钻遇溶洞情况来看，隐伏岩溶主要在茅口组灰岩地层，规模一般在3m～20m不等。

综上所述，地质体与围岩间存在明显电性差异，即在本区具备运用物探电法寻找地下隐伏岩溶空洞分布情况的地球物理前提。

2 瞬变电磁法的应用要点

系统收集矿区以往地质矿产勘查、地球物理勘查资料，在初步了解工作区概况及岩（矿）地球物理特征的基础上，对重点工作区开展物探瞬变电磁法及高密度电法测量。根据本次物探勘查目的任务，在矿区Ⅱ号矿段布设物探瞬变电磁法测量，以查找深部隐伏岩溶，为钻探施工及矿区工程地质提供地球物理依据。

（1）测地方法及技术。测地工作采用仪器为久测公司代理的思拓力S3型RTK测量仪2台，仪器技术参数指标均达标，满足测量工作要求。根据设计方案，在布设剖面上进行物探工作，按剖面计算各测点位理论坐标。测地工作采用网络RTK放样确定点位，并将测点系红色布条作为标记。

工作开始前在勘查区附近找两个以上已知GPS控制点对RTK测量仪进行坐标系参数转换校正。在室内计算测点理论坐标值，导入RTK测量仪中[3]。在放样模式下，用RTK接收机导航至测点点位，读取并记录该点三维坐标值。将RTK测量仪中测得的数据传输到计算机上进行编辑、整理并做好数据存储保存。

（2）瞬变电磁方法技术。瞬变电磁法（TEM）采用仪器为西安强源物探研究所研制的EMRS—2B型电磁矿产勘探仪。根据勘查区地球物理条件、勘探目的任务及实地测定点位，沿剖面正向（或反向）做顺序观测，调整供电电流、观测叠加次数等参数，多次测量数据，根据衰变曲线形态特征，选择数据最优时存储，当异常出现时进行重复观测检查，并存储检查数据。地形条件差时采取人工抬平测量线框装置以消除地形影响，当点位落在固定障碍物或地形危险地段时，就近移动点位储存移点后的三维坐标，保存对应观测数据。

工作装置及相关参数：本次测量采用重叠回线装置，供电脉冲宽为4ms、供电电流在1100A左右；采样率为80μs，采集400道数据，滤波合成22道：80μs～19.4ms；供电叠加选择4～8次，在有干扰处适当增加到16次；接收回线边长为3m×3m×6匝。

（3）测网布设。根据以往在碳酸盐岩地区开展的瞬变电磁法勘查结果（见图1），设计钻孔ZK118009位置处视电阻率表现为中高阻、高阻显示，处于岩溶发育风险区边缘。利用扫面成果在该位置布设钻孔，钻探施工过程中在295.52～305.80m钻遇溶洞,溶洞深11.28m。导致钻孔报废。为进一步查明隐伏岩溶，指导钻孔位置，以该钻孔为中心加密布设点线距为10m×10m的测网进行补测（见图2）。

图1 物探瞬变电磁法40×20m视电阻率平面异常图

图2 物探瞬变电磁法10×10m补测工作布置图

通过补测发现（见图3和图4），钻孔ZK118009深部隐伏岩溶较为发育，在5号测线5号测点位置深部存在明显低阻异常，与钻遇溶洞位置吻合度较高，建议钻孔移至2号测线2号测点，最终顺利终孔。由此可知，10×10m相比40×20m测网探测网度为10m×10m的网度效果较好，可靠性较高，如网度放稀，其探测成果可靠性较低，不能有效探测溶洞空间展布。

图3 物探瞬变电磁法10×10m视电阻率断面异常图

图4 物探瞬变电磁法10×10m视电阻率平面异常图

本次工作区地形切割较大，坡度相对较陡，对探测精度难免造成一定影响，为降低钻遇岩溶风险，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、水文查明矿区工程地质条件提供地球物理支撑，本次结合以往工作经验，拟布设点线距为10m,网度为7×9的测网开展物探测量工作，即在钻孔位置布设7条剖面，每条剖面9个测点。物探剖面方向与地质勘查剖面方向一致，点线号按至西向东、由南向北的原则编排。

（4）数据处理。首先对野外数据进行100%的复核验算，对工作中有高压线及通讯电缆穿过，测点受高压线及民用电线等人文干扰，衰减曲线上某些频点数据出现非正常跳动或突变。利用随机配置软件对受干扰的原始数据进行滤波和剔除畸变数据，消除仪器噪声、天然电磁噪声和人文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。并运用SUFER软件对计算结果数据绘制相应图件，具体处理流程如图5所示。

图5 TEM数据处理流程图

（5）图件绘制。数据经上述处理，得到各断面视电阻率数据、白化数据；同时根据需要切取部分标高带平面坐标（Y,X）的视电阻率数据，再利用surfer、Mapgis等绘图软件绘制视电阻率拟断面图和视电阻率平面等值线图。

实测数据经计算处理，绘制了相应的视电阻率断面推测解译图及平面切图（见图6和图7），其中：断面推测解译图横坐标为剖面长度，纵坐标为海拔标高，蓝～绿～黄～红色填充区域分别代表低～中～高电阻率异常区，红色实线为拟设钻孔位置，蓝色虚线为物探建议孔位，黑色虚线封闭圈为电阻率低阻异常；各钻孔分别以20m海拔标高间距切取了16个不同海拔标高平面等值线图，图中横坐标为平面Y坐标，纵坐标为平面X坐标（直角坐标系/2000坐标系），蓝～绿～黄～红色填充区域代表低～中～高电阻率异常区。

图6 ZK4526钻孔物探(TEM)视电阻率断面图

图7 ZK4526钻孔物探(TEM)视电阻率平面切图

3 应用效果

（1）异常分析。从该矿区拟布钻孔物探(TEM)视电阻率断面成果图来看，ZK4924低阻异常相对较强，且规模较大，ZK4526、ZK4930异常较弱，规模较小，即表明隐伏岩溶主要集中发育在ZK4924一带，发育深度一般在200m～400m范围，岩溶规模大小不一，相互连通充水的可能性较大。根据设计钻孔深度，岩溶发育最深部位距离矿层较薄，当矿山开发利用时需注意岩溶管道水或突泥的影响，做好有效措施，避免安全事故发生。

（2）钻探验证。已施工完成的17个物探指导钻探定孔均未钻遇较大溶洞，有效规避了岩溶导致脱钻、卡钻的风险，降低了钻探成本。根据物探异常特征结合各钻孔柱状图及野外地质记录簿对钻孔进行验证对比，见表2。

表2 物探专项调查钻孔验证情况表

4 结论

通过前期钻探钻遇溶洞情况及本次物探专项调查解译成果，对各矿段岩溶发育及分布特征作了进一步分析，综合推测了岩溶发育规律，为勘查区工程地质及水文地质调查提供了地球物理信息。该工作区利用物探瞬变电磁法勘查能有效规避了岩溶空洞对钻探的影响，降低了施工风险，从而降低了钻探成本，提高了工作效率，表明物探瞬变电磁法可在岩溶区矿产勘查中具有推广价值。