高密度电法在矿区土层调查中的应用

龙思帆　陈志东

［关键词］高密度电法；土层范围；钻孔；三维呈现

目前，淮北市内共发现矿产56种，查明储量的矿产有16种，其中水泥用灰岩矿储量位于全省第6位。矿山数量增速迅猛，但是由于管理不到位，导致其无序开采，从而产生了很多地质环境问题和潜在隐患[1]。为了已停水泥用灰岩矿露天采矿区的治理，提前调查该治理区地质环境情况，查明土层范围、深度等成为进行各项环境治理修复的先决条件。目前，第四系地层的勘查以钻探等为主，该勘查模式成本大、效率低下、成果相对粗糙。物探技术具有快速、高效、剖面连续的特点，物探勘查技术为主，辅助以钻探验证并提供修正参数从而获取地层参数的勘查模式取得了较好的应用效果[2、3]。

通过国内外土层厚度调查案例分析，大部分地球物理方法存在探测精度不够、分层效果不明显等问题，其中高密度电阻率法与地质雷达法探测效果较好[4、5]。本次选择高密度电阻率法进行密网详查（地质雷达施工不便），辅以钻孔控制，取芯验证的方式开展作业。高密度电法反演划分出不同电性层，土层和基岩层的电性差异明显与钻孔揭露情况吻合较好，确定了该方法圈定土层的可行性。最后通过纵横交织的高密度电法测线，以3D的直观显示方式大致圈定了土层的范围及深度，为该查区下一步工程设计施工提供科学依据，也可为其他类似的矿山环境治理提供参考。

1. 勘查区概况

1.1 地质概况

区内位于相山背斜东翼，西与寒武系中、上统组成的丘陵山地相连，东与闸河平原相接。根据地质及钻孔等资料揭示，勘查区出露地层有寒武系张夏组；寒武系上统崮山组、第四系全新统（图1）。现由老至新简述如下：

1、寒武系中统徐庄组（?2x）：上中部灰岩，中厚层状；底部为细砂及粉砂岩。主要分布于勘查区西部。

2、寒武系中统张夏组（?2Z）：灰岩，出露于山上厚度180.05m。主要分布于勘查区中北部。

3、寒武系上统崮山组（?3g）：灰岩，出露于山东坡上，与下伏张夏组界限清楚，厚度约为48m。主要分布于勘查区东部。

4、第四系全新统（Q4）：上部为亚粘土，中部為砾石土，砾石含量约60%，土含量约40%。全新统属山麓坡积-洪积层。分布于矿床南北两侧谷地中和山坡边缘。厚度0～25.81m，与基岩呈不整合接触。主要分布于勘查区南部。

1.2 地球物理条件

根据区域物性资料，参考工程地质、水文地质条件等，地球物理方法在该工作区的应用分析如下：

1、第四系上层，主要为亚粘土、中细砂组成，质软可塑，具含水性；表现为低电阻（8～28 Ω·m）。

2、第四系中下层，主要为含砾粉砂质黏土、砾石土，具含水性；表现为中低电阻（22～56 Ω·m）。

3、寒武系灰岩等基岩层，表现为高电阻（＞1000 Ω·m）。灰岩与第四系的不整合接触部分表现为中高电阻（150～1000 Ω·m）。同时矿区附近无地表水体和地下泉水、无流散电流干扰，因此该工作区第四系的含土层与寒武系基岩层有明显的电阻率差异，可通过电法分层。

2. 高密度电法工作

2.1 探测原理

高密度电法是一种视电阻率阵列式探测方法，与常规视电阻率法相比，其特点是设置了较大的测点密度，自动实现多种电极排列和多参数测量，可快速准确地测量地下二维或三维地质体在横向和纵向的电阻率变化，进一步反演能获取地质体三维地质特征[6、7]。在岩溶、地层、岩体缺陷探测中，温纳装置（α）具有信号强度大，垂向分辨率高，对高阻异常特征反应明显之特点，可适用于覆盖层、层状岩性界面及高阻体、构造带探测工作[8]。本次高密度电阻率法选取的装置类型为温纳α排列装置。

2.2 数据采集与处理

数据采集采用重庆地质仪器厂生产的DUK-4超高密度电法测量系统。该系统以DZD-8直流电法仪为测控主机，配以电极转换器和电缆构成整个测量系统，供电电源为最大400V直流电池箱。采用温纳（α）排列装置：电极距：3～4m；隔离系数：1～20；供电时间：0.5s（占空比1：1）。本次测量作业采用南方三鼎T66型GPS双频接收机（使用千寻CORS），RTK动态测量的方法进行，勘查区采用2000坐标系，1985国家高程基准。数据处理采用娇佳Geogiga Rimager 5.02软件，先进行预处理以剔除虚假点或突变点等，然后进行二维带地形反演，最后使用surfer等软件绘制成果图。

2.3 剖面设计

治理区范围内为露天采坑，整体地形西北高，东南低。由于露天开挖，地块东西有约5m陡崖台阶，且区内分布荆棘林、房屋、建筑物，因此测线按东西两块地分别布置成不规则“井”字形。根据查区已有地质测线等资料显示（图1），第四系Q4主要分布在西南侧，为重点查区。查区共布设高密度电阻率法测线16条，总长度约2000m，编号为L2-L22 线，重点查区布置工作量约70%。钻孔共布置6个，主要布置在查区南侧。

3. 勘查资料解释与推断

3.1 可行性分析

查阅淮北某矿区资料显示，第四系上部棕红色亚粘土视电阻率约为10～40Ω·m，灰岩视电阻率一般为200～700Ω·m。结合对岩芯用电表简单测量后，统计查区不同地层（岩性）的电阻率，绘制统计表1：

根据以上信息，构建一个类似查区电性特征的多层近水平层状的地电模型（图2）：1～2层电阻率设为20Ω·m，对应粘土；3层设电阻率为50Ω·m，对应沙质土；4层设电阻率为150Ω·m，对应碎石土；5层设电阻率为250Ω·m，对应碎石；6～7 层设电阻率为500、1000Ω·m，对应基岩。通过对模型的高密度电法正演再反演，反演结果与地电模型十分接近，能比较清晰划分地层，理论上说明高密度电法在该区划分土、基岩层具有可行性。

3.2 剖面分析

查區钻孔揭露情况主要为：ZK1在深度0～4m为棕红色亚粘土，4～16m为含砾粉砂质粘土，未揭露基岩；ZK2 最大深度21m，0～20m 为含砾粉砂质粘土，20～21m为碎石土，均为土层；ZK3钻孔深度不到1m，0～0.3m为含砾粉砂土，0.3m处揭露基岩；ZK4钻孔深度1m，0～0.3m为含砾粉砂土，0.3m处揭露基岩；ZK5钻孔深度17m，在深度0～9m 为棕红色亚粘土，9～17m为碎石土，17m以下岩石坚硬无法继续钻进，推测为基岩；钻孔ZK6钻探深度约17m，0～6.4m为粘土、碎石土，6.4～8.6m主要为碎石，8.6～17m为较完整灰岩，判断为基岩。

我们选取查区南西侧的3线、20线，南东侧的5线以及北西侧的12线进行比较分析。将这4条测线数据，用相同的处理步骤、反演参数、成图色标等绘制视电阻率反演剖面图放在一起比较（图3）。据占文锋、黄真萍等研究认为对于电阻率反演成像来说，准确选取合适的深度转化因子是非常重要的，会有一个较佳的取值区间（一般0.3～0.5），具体情况要具体分析[9、10]。本项目通过与在测线附近的已知工程钻孔的比较，反复修正深度转换因子后统一采用深度转换因子为0.45时反演成果与钻孔吻合较好，接近真深度。典型剖面分析如下：

从图3可以看出，① 3线浅层基本是低阻，底层高阻，分界明显；其中ZK1位于3线东端，钻孔附近0～4m反演的电阻率＜30Ω·m；ZK6位于3线西端，钻孔附近0～2m 的电阻率30～100Ω·m、2～7m 的电阻率＜40Ω·m、7～9m的电阻率100～250Ω·m、9m以下的电阻率约600Ω·m。② 5线反演视电阻率近似起伏层状分布，浅层低阻底层高阻，其中ZK5在5线上，钻孔附近0～9m反演的电阻率＜100Ω·m、9～17m电阻率约100～200Ω·m。③ 20 线北端靠近山体全都是高阻，肉眼可见基岩出露，视电阻率基本在600Ω·m以上；南端近山脚基本是低阻，ZK1附近0～16m反演的视电阻率不超过100Ω·m，高低电阻分界线由北向南似滑坡状延伸。④ 12线除了最西端少部分为第四系出露低阻外，基本为视电阻率在650Ω·m 以上的高阻，其中ZK4在0.3m揭露基岩，此外12线中段底部出现视电阻率降低，推测可能由破碎或岩溶引起。通过以上4条典型测线成果与钻孔资料对比，再次验证了高密度电法反演视的电阻率与钻孔吻合较好，能够通过两种方法的配合高效地、较精准地划分岩性，识别土层与基岩层。

根据地层与视电阻率的对应关系，分别在视电阻率反演断面图中勾勒出了粘土与砾石土的分界线J1（大致沿视电阻率100Ω·m的等值线）、勾勒出了砾石土与基岩的分界线J2（大致沿视电阻率200Ω·m的等值线）。通过类似的方法步骤，将剩余每条测线在视电阻率断面图上勾勒出基岩分界线J2，其J2线以浅的地层即为本次勘查划分的第四系土层（Q4）的范围。

3.3 土层三维呈现

对每一条测线推断解释后，查区整体上土层与基岩层的界面已较为明晰，加上钻孔控制已经能圈出土层的大致范围与深度。为了更直观展示土层的空间展布情况，本文通过反演三维栅格图（图4）来呈现。

将16条测线的反演成果剖面图按实际坐标投放在大地XYZ的三维坐标里面，那么每一个剖面图中每一处视电阻率都跟实际地下空间相对应（实现软件为Geogiga Rimager）。从图4可以看出，沿6线的西端到9线的东端的大致连线以北，地表以下基本为高阻（主要包括8线、14线、21线、22线、9线、11线等），反映了该片区地面以下基本就是基岩，没有土层；连线以南，尤其东南，大部分为低阻（主要包括2线、3线、4线、5线等），反映了该片区土层较厚。进一步了解到，查区基岩面走向大致沿北西至南东，倾向为北向南倾、西向东倾；土层底界面北浅南深，西浅东深，东北开挖片区无土层，以土层厚度为0的实测界线与手绘地质界线对比，两者基本吻合。查区土层厚度在北西部较薄约0～4m；中部、中西部在4～20m；南部边界、东南边界最厚约20～25m；土层最浅埋深高程约78m，最大埋深高程约32m。以上推测埋深较大的土层为山底谷地原生土质，中间土层为沿山体基岩滑落、堆积、风化形成的山麓坡积-洪积层，浅表土层为经年累月形成的沉积物。

4. 结论

本次以高密度电法勘查为主、辅以钻孔校验的由模型到实际，由线及面的工作方法对安徽某采矿区土层调查，取得了较好效果，较精细地圈定并立体化地展现出了土层的范围、深度、厚度等信息。

高密度电法的高效与钻孔的精确，两种方法的联合勘查是一种高效高质的方法手段，为类似的环境治理、土地调查等提供技术支撑。

高密度电法勘查中，先建立模型正演、反演确定可行性，再结合钻探等方法的相互验证，进一步修正参数，使反演结果更加接近实际，是高密度电法精细化勘查的核心。