物探方法在查明地下采空區(qū)方面已成為人們公認(rèn)的有效探測(cè)技術(shù)手段，但利用物探方法查明太原市蒙山采空區(qū)的地下分布，除必須具有一定的勘探深度外，還受到該區(qū)地形起伏較大、測(cè)線(xiàn)不能完全按直線(xiàn)布置等因素的制約。針對(duì)這種特殊的場(chǎng)地條件，在充分考慮現(xiàn)有各種物探方法的特性及應(yīng)用條件的基礎(chǔ)上，提出了陣列形式觀測(cè)的高密度電阻率法和單點(diǎn)測(cè)量方式的瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法。

 

  1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

 

  測(cè)區(qū)屬太原西山，地形起伏較大，僅有一條狹窄的S 型溝谷近南北向從測(cè)區(qū)中部穿過(guò)，兩側(cè)為懸崖陡壁( 圖1) 。出露地層由老到新依次為: 二疊系下統(tǒng)下石盒子組、上統(tǒng)上石盒子組，第四系全新統(tǒng)主要為坡積風(fēng)積物。區(qū)內(nèi)所出露地層形跡表明為一單斜構(gòu)造，地層多呈舒緩波狀單斜產(chǎn)出，總體傾向?yàn)闁|南。

 

  本區(qū)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組。石炭系上統(tǒng)太原組( C3 t) 巖性為砂巖、砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、石灰?guī)r及煤層，含煤共有10 層，其中8 號(hào)煤層為較厚煤層之一，也是本區(qū)主要采空區(qū)分布層。

 

  當(dāng)?shù)叵旅簩游幢徊蓜?dòng)時(shí)，其地層一般呈現(xiàn)成層性和完整性，在小區(qū)域內(nèi)同一地層的電性差異不會(huì)太大。通常情況下，石灰?guī)r、煤層電阻率較高，其次為砂巖、泥巖，有充水巖溶裂隙的巖層電阻率較低。

 

  煤層被采空后，煤層上下巖層間形成一定的空隙，破壞了巖石的完整性和連續(xù)性，與此同時(shí)由于地應(yīng)力的失衡將產(chǎn)生一定程度的冒落和裂隙。若采空區(qū)未被充水，其電阻率明顯高于周邊完整巖石的電阻率，表現(xiàn)出局部高阻異常特性，當(dāng)采空區(qū)的空隙被水充填時(shí)，其電阻率則呈低阻異常反映。此外，灰?guī)r層和未開(kāi)采煤層沿地層方向電阻率較均勻且分布范圍一般很大，而采空區(qū)所對(duì)應(yīng)分布范圍相對(duì)較小，呈局部電阻率異常分布特征。這種地電異常特性為電法勘探圈定地下采空區(qū)分布提供了依據(jù)。

 

  據(jù)前人工作成果和本次野外測(cè)試結(jié)論，工作區(qū)主要巖性、介質(zhì)的電阻率( 單位: Ω·m) 為: 空氣—∞，灰?guī)r— ＞ 300，煤層—25 ～ 50，砂巖—17 ～ 35，泥質(zhì)頁(yè)巖—7 ～ 24，地下水— ＜ 10。

 

  從上述各類(lèi)巖性、介質(zhì)的電阻率特征可見(jiàn)，無(wú)論區(qū)內(nèi)采空區(qū)是否充水，均與其周?chē)橘|(zhì)存在明顯的電阻率差異，這為本區(qū)開(kāi)展電阻率法提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

 

  根據(jù)已有水文鉆孔資料，本區(qū)石炭系上統(tǒng)太原群8 號(hào)煤層埋深22 ～ 26 m，潛水面位于地下40 m以下，從而表明本區(qū)8 號(hào)煤層采空區(qū)位于潛水面之上，呈非積水或半積滯水下的高阻性，與其圍巖存在著明顯的電阻率差異，即探測(cè)目標(biāo)體為高阻無(wú)充水采空區(qū)，加之探測(cè)目標(biāo)體埋深較淺，并具有一定分布規(guī)模，應(yīng)易被發(fā)現(xiàn)，從而為開(kāi)展高密度電阻率法和瞬變電磁法提供了良好的地球物理?xiàng)l件。

 

  2 探測(cè)技術(shù)

 

  依據(jù)采空區(qū)的分布特征和埋深( ＜ 50 m) ，本次高密度電阻率剖面法使用DUK-2 高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，采用極距5 m，最小隔離系數(shù)為1，最大隔離系數(shù)為15，供電時(shí)間2 s，供電電壓180 V，供電電流≥2 A，正反向供電測(cè)量方式; 選用溫納和偶極兩種裝置觀測(cè)，以便更好地發(fā)揮高密度電阻率法勘探精度高的優(yōu)勢(shì)。

 

  瞬變電磁測(cè)深工作采用WTEM-1Q 瞬變電磁勘探系統(tǒng)，采用矩形中心回線(xiàn)裝置。其中: 2 m × 2 m發(fā)射線(xiàn)框?yàn)?0 ～ 20 匝，1m × 1 m 接收線(xiàn)框?yàn)?0 匝矩形，阻尼電阻500 Ω·m; 供電電流5 ～ 7 A，控制延時(shí)0． 2 μs，采樣間隔16 μs，關(guān)斷時(shí)間12 ～ 35 μs，前放增益8 倍，主放增益8 倍，疊加30 ～ 60 次，發(fā)射頻率為8 Hz，共分28 個(gè)采樣道。

 

  3 資料處理

 

  對(duì)高密度電阻率法所得的數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)編輯，剔除突變點(diǎn)，然后依次進(jìn)行曲線(xiàn)圓滑、地形數(shù)據(jù)編輯、視電阻率斷面色譜圖繪制，對(duì)處理后帶地形數(shù)據(jù)的視電阻率數(shù)據(jù)，利用電阻率層析成像系統(tǒng)CRT 軟件或MapGIS 軟件進(jìn)行視電阻率斷面色譜成圖，并采用瑞典RES2DINV 高密度電法軟件進(jìn)行了二維反演計(jì)算，選擇了具有強(qiáng)制平滑( smoothnessconstrained)的最小二乘法反演。

 

  瞬變電磁測(cè)深數(shù)據(jù)使用吉林大學(xué)的GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)截?cái)嗯c光滑，消除IP 效應(yīng)、局部噪聲和其他干擾因素的影響; 地形數(shù)據(jù)編輯，并利用強(qiáng)制平滑的最小二乘法反演技術(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，獲取地電斷面反演結(jié)果。

 

  4 反演成果的綜合解釋

 

  根據(jù)地質(zhì)和物性資料可知，本區(qū)采空區(qū)為8 號(hào)煤層，因位于潛水面以上具有局部高阻特征，埋深一般在20 ～ 30 m 之內(nèi)。

 

  綜合解釋原則如下:

 

  ( 1) 鑒于采空區(qū)一般具有走向性，因此其高阻異常特征在相鄰剖面間應(yīng)具有可比性。

 

  ( 2) 同一剖面上兩種方法反演地質(zhì)解釋要相互印證，二者局部高阻異常重合是判斷采空區(qū)存在的依據(jù)。此外，鑒于二維陣列形式觀測(cè)的高密度電阻率法異常受剖面折線(xiàn)展布的影響較大，而點(diǎn)測(cè)方式的瞬變電磁法異常不受或很少受剖面折線(xiàn)展布的影響等因素，故進(jìn)行反演地質(zhì)解釋中采取以瞬變電磁反演成果為主，高密度反演成果佐證的采空區(qū)分布解釋的推斷原則。

 

  現(xiàn)以Ⅱ號(hào)剖面為例，對(duì)其反演成果進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。Ⅱ號(hào)剖面沿山谷土路西側(cè)布置，剖面長(zhǎng)度295 m。

 

  圖2 顯示，Ⅱ剖面的左側(cè)呈高阻背景區(qū)，右側(cè)為低阻背景區(qū)，反映了地下巖性的不同分布，結(jié)合地質(zhì)調(diào)查成果，初步推斷分別是泥質(zhì)灰?guī)r和砂質(zhì)頁(yè)巖的反映。在剖面上30 ～ 50 m 之間存在一個(gè)明顯的高阻異常帶; 此外，在剖面上的120 ～ 250 m 間與上述相近供電極距上也同樣分布局部高阻異常帶，初步推斷為地下采空區(qū)。

 

  由圖3 可見(jiàn)，Ⅱ剖面上200 μs ～ 3． 2 ms 時(shí)間道，在20 ～ 40 m、75 ～ 100 m、150 ～ 200 m 和225 ～255 m 間呈現(xiàn)為低壓異常反映，初步推斷屬地下采空區(qū)異常反應(yīng)，是與高密度電阻率法所發(fā)現(xiàn)的采空區(qū)異常區(qū)基本一致的。

 

  圖4、圖5 顯示了瞬變電磁法和高密度電阻率法的反演電阻率異常特征。在瞬變電磁法剖面970～ 980 m 高程范圍內(nèi)，沿剖面35 ～ 95 m、120 ～ 180 m和215 ～ 245 m 位置上分布有等值線(xiàn)封閉的高阻異常帶，對(duì)應(yīng)的高密度反演電阻率值均在300 Ω·m以上，兩種物探方法的異常對(duì)應(yīng)明顯，吻合度較高，得到了相互印證。由于高密度電阻率法測(cè)線(xiàn)受地形的限制按折線(xiàn)布置，在測(cè)線(xiàn)的轉(zhuǎn)折位置，實(shí)際供電極距和測(cè)量極距出現(xiàn)了不同程度的減小，使得測(cè)量的真實(shí)電位減小，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)折位置的電阻率值偏小，因此在圖4 中轉(zhuǎn)折位置呈現(xiàn)出不連續(xù)的垂向“低阻帶”。根據(jù)已知地質(zhì)和物性資料，初步推斷出沿剖面分布的3 處高阻異常帶為采空區(qū)( 圖5) ，進(jìn)而利用各剖面的探測(cè)成果圈定出測(cè)區(qū)內(nèi)的采空區(qū)分布范圍。后期鉆探驗(yàn)證了推斷結(jié)果的正確性，表明上述物探方法的組合是行之有效的。

 

  5 結(jié)語(yǔ)

 

  在本次山區(qū)采空區(qū)勘探中，針對(duì)受地形起伏、變線(xiàn)測(cè)量等因素制約，選用高密度電阻率法和瞬變電磁法相結(jié)合的綜合物探方法查明了太原市蒙山地下采空區(qū)。充分發(fā)揮高密度電阻率法信息量大、橫向分辨率高等優(yōu)勢(shì)，達(dá)到了彌補(bǔ)瞬變電磁法的淺部探測(cè)肓區(qū)的作用。瞬變電磁法采用單點(diǎn)測(cè)量、一維反演方式，具有探測(cè)深度大等特點(diǎn)，又能彌補(bǔ)高密度電阻率法易受剖面折線(xiàn)展布及地形起伏影響的弱點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了兩種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，相互印證，有效地提高了物探勘探成果的可靠性。高密度電阻率法的反演結(jié)果在測(cè)線(xiàn)轉(zhuǎn)折位置呈現(xiàn)出電阻率不同程度降低，主要是由于轉(zhuǎn)折位置處供電極距和測(cè)量極距不同程度地變小，造成測(cè)量電位的減小，從而導(dǎo)致異常值變低。因此，在成果解釋過(guò)程中建議采取以瞬變電磁法反演成果為主，高密度電阻率法反演成果佐證的綜合解釋模式，實(shí)踐表明該模式具有較好的探測(cè)效果，可供同類(lèi)勘探工作借鑒。

 

  針對(duì)實(shí)際工作中常常遇到測(cè)線(xiàn)稍有彎折的問(wèn)題，今后可研究非嚴(yán)格直線(xiàn)陣列高密度電阻率法。

 

  根據(jù)電極實(shí)際點(diǎn)位，具體計(jì)算每個(gè)記錄點(diǎn)相應(yīng)裝置、極距的裝置系數(shù)，精確計(jì)算其視電阻率，繪制實(shí)測(cè)視電阻率擬斷面圖，進(jìn)而研究相應(yīng)的二維反演方法。