1、高密度电阻率方法在地下空洞探测和铜镍矿勘察中的应用效果梁光河 张宝林 蔡新平 徐兴旺中国科学院地质与地球物理研究所 010-62007331 摘要高密度电法具有小点距、数据采集密度大、施工效率高和分辨率高的特点，在工程地质、管线探测、物探找水、岩溶及地质灾害调查等工程物探中已逐渐成为常用的方法。本文首先介绍了高密度电法的基本原理，并对常用的、比较稳健的温纳装置的跑极方式进行详细的剖析，然后从两个剥露的已知小剖面的洞穴和采空区的探测入手，验证了高密度电法的有效性，同时给出了三个实际的隐伏剖面的高密度电法探测结果，并对该剖面的异常部位进行了钻探验证。接着介绍了高密度电法在新疆哈密的一个与超基性岩有
2、关的铜镍矿中的应用实例，最后从野外采集到资料的处理解释给出了一些可以借鉴的经验。关键词：高密度电法；空洞；采空区；超基性岩；铜镍矿；电阻率一、前言探测地下空洞或采空区的方法很多，常用的主要是探地雷达（或地质雷达） 、高密度电法和人工地震方法。探地雷达对极浅部（通常小于 10 米）具有较好的效果，对较深的空洞（大于 20 米）难以胜任。人工地震勘探方法是根据地震波的振幅变化和绕射情况对空洞进行推断，难以对洞体的规模进行很准确的推断。高密度电法是从 80 年代中期开始发展起来的一种电阻率阵列探测方法，与常规电阻率法相比，其特点是设置了较高的测点密度，仪器利用多路电极转换装置，自动实现多种电极排列和
3、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。该方法由于能够获取丰富详实的地下地质信息，且探测精度高，因此在管线调查、物探找水、考古、采空区、岩溶、滑坡等灾害物探调查等方面得到了广泛的应用。高密度电法在我国应用的比较多，领域也很广1-21，比如刘晓东等(2001)在管线探测、物探找水、岩溶及地质灾害调查等工程物探中使用了高密度电法，取得了良好的效果。林厚龙等（2001）用高密度电阻率法在阿联酋进行了地下溶洞的勘察，效果显著。王玉清等(2001)在高层建筑选址中应用高密度电法，对区内浅层溶洞的平面分布情况和空间展布形态，对工程选址及地基处理提出了合理的建议。杨湘生(2
4、001)在湘西北岩溶石山区找水中应用高密度电法，在确定最佳井位方面发挥了重要作用等。在国外，从美国 AGI 公司公布的资料来看，高密度电法在国外也被广泛应用，如进行堤坝隐患探测、地下水探测、堤坝探测、隧道开挖方案确定、岩溶探测等等方面。国外生产高密度电法仪的主要有日本的 OYO 公司、瑞典的 ABEM 公司、法国的 IRIS 公司、美国的 AGI 公司。国内也已有几个单位研制生产，如重庆地质仪器厂、中国地质大学、吉林大学等，他们的仪器各有特色。高密度电法软件的研制方面，在国外有著名的 M.H.Loke 开发起来的 RES2DINV 反演软件，在国内主要有吉林大学李晓芹开发的高密度电阻率成像系统
5、（RT ）和图示系统（RTMAPPER ） 。这些仪器和软件的开发，为高密度电法的广泛应用铺平了道路。总的看来，高密度电法在我国的主要应用领域是工程地质勘察和水文地质勘察。但在对已知剥露区或采空区进行实际验证的机会还不是很多。而且在矿床勘察中，它的应用极其有限，公开发表的资料也很少22-23。分析其原因，我们认为高密度电法主要是针对工程勘察发展起来的，因此在过去，其仪器的设计主要考虑浅部（如 50 米之内）的勘察，在供电功率、电极距的大小等方面都设计的比较小，而在矿床勘察中往往要求有较大的勘察深度（一般不小于200 米） ，这限制了其在矿产资源勘察中的应用。但最近几年，无论从仪器设计和反演软件
6、等方面，已经做了很大的改进，我们利用高密度电法在多个金属矿区都进行非常有效的勘察。二、高密度电法的基本原理高密度电法是相对与传统电法而言的，其特点是它反映的地电信息量大。但它更为关键的一点是利用程控高密度电极转换器，由微机控制选择供电电极和测量电极，实现了电法高效率的数据采集，可以说这是电法勘探的一次飞跃，该方法抛弃了传统电法的人工跑极，其测量方式达到了高效率和自动化。高密度电法数据采集系统由主机、多路电极转换器、电极系三部分组成。多路电极转换器通过电缆控制电极系各电极的供电与测量状态；主机通过通讯电缆、供电电缆向多路电极转换器发出工作指令、向电极供电并接收、存贮测量数据。高密度电法野外工作装
7、置形式较多，总电极数与点距可根据场地条件与勘察深度任意选择（如图 1） ，这些种类众多的排列方式虽然达到十几种（如温纳法、斯贝法、偶极法等） ，但所有的排列都是从对称四极发展变化而来。经过大量的实践证明，抗干扰能力比较强的、比较稳健的观测方式是对称四极测深装置，也称温纳(WENNER)装置。这种装置的特点是两个供电电极（AB 极）在两个测量电极（MN 极）两侧对称地随着测量深度的增加逐渐等比加大。高密度电法数据处理数据采集结果自动存入主机，然后通过通讯软件把原始数据传输给计算机，计算机将数据转成处理软件要求的数据格式，经相应的反演处理模块进行畸变点剔除、地形校正等预处理后进行反演计算，最终成图
8、，得到地下电阻率剖面。图 1 高密度电法勘察原理流程图（据刘晓东，张虎生，2001）三、温纳(WENNER)装置跑极方法介绍在对多种装置观测方式试验的基础上，我们发现只有温纳装置最为稳定可靠，所得到的结果和实际情况吻合较好。为此我们首先对温纳装置的跑极方法做一简单介绍：设电极总数 60，供电电极为 AB 极，测量电极为 MN 极。n（MIN）=1，n（ MAX）=16 ，每步电极转换的规律 (如图 2 所示) 如下所述：首先，n=n （ MIN）=1，测量数据为 57 个：第一步： A=1#，M=2#，N=3#，B=4#；第二步： A=2#，M=3# ，N=4#，B=5#；第五十七步： A=5
9、7#，M=58#，N=59#，B=60#；接着，n=n+1=2，测量数据为 54 个：第一步： A=1#，M=3#，N=5#，B=7#；第二步： A=2#，M=4# ，N=6#，B=8#；第五十四步: A=54#，M=56# ，N=58# ，B=60#；最后，n=n （ MAX）=16 ，测量数据为 12 个：第一步： A=1#，M=17#，N=33#，B=49#；第二步： A=2#，M=18# ，N=34#，B=50#；第十二步： A=12#，M=28#，N=44#，B=60#；显然，对应每一层位（n）的测量数据个数=（60-n3） ，如果n=116，16 个层位全部测量得到的完整的一个剖面
10、，数据总数应该是 552 个。当实接电极数给定时，每层剖面上的测点数和断面上的总测点数由下式确定：DnPsum（Pa1）n其中 n剖面层数；Psum实接电极数（测线上电极总数） ；Pa装置电极数（装置 、 排列 Pa=4） ；Dn剖面 n 上的测点数。图 2 高密度电法温纳(WENNER) 装置跑极方式四、高密度电法在已知剖面上的试验在 2004 年 10 月，我们在山西阳泉的一个已知小剖面上做了试验。目的是考察高密度电法的探测精度。观测使用重庆地质仪器厂生产的 DUK-2 高密度电法测量系统。已知的剖面如图 3 所示，它是一个梯田上的剖面，该剖面当时发现有两个洞穴，是当地先人的墓穴，如图中的
11、绿色箭头所指。在该剖面上部沿地边我们布置了一条高密度电法测线，共布设了 30 个电极，按 1 米的间距布设。以温纳方式进行测量，共测量 8 层，得到的结果如图 4 所示。在该图中，d 是总剖面的照片，e 是所得到的电阻率反演结果，从电阻率反演结果我们发现了3 个电阻率明显异常的区域，它们的电阻率都大于 140 欧姆米。与剖面对应，b 和 c（放大图）两个区域是我们先前发现的墓穴，其对应的位置非常好，但反演深度和真实的深度稍有偏差（真实深度比反演深度大约 40 公分） 。而另一个区域，所对应的位置 a（放大图）是我们先前没有注意到的另一个墓穴，它被草丛覆盖，洞口还堆了一些干草。从我们对这个新发现
12、墓穴的角度来看，它印证了高密度电法的有效性。分析图中 e 下部总体电阻率低的原因，我们认为是由于高密度电法在这个剖面的下部是真正的无限半空间（符合高密度电法勘察的物理条件） ，而在这个剖面上是半个无限半空间，因此其地下的总体电阻率会高一倍。图 3 山西阳泉一个梯田上的剖面，图中的绿色箭头所指的是两个已发现的墓穴图 4 d 是总剖面的照片，e 是电阻率反演结果，与剖面对应的 b 和 c（放大图）是先前发现的墓穴，位置 a（放大图）是先前没有注意到的另一个墓穴。采用温纳装置，电极距为 1米。紧接着，我们在该区域的一个已知断面上进行了针对更深异常区的测试，如图 5 所示，该断面存在若干个已知采空的洞
13、口，离上面的地面高度大致为 5-8米，在该断面上布置了一条长测线，按温纳装置，电极距为 4 米。测量结果电阻率的异常高区域与已知的空洞对应良好，图中箭头给出了对应的照片。同时在该图的左侧 9 号电极和 20 号电极处的下部都显示出了高阻，推测为隐伏的采空区。图 5 山西阳泉一个已知采空区剖面，图中的黑色箭头所指的是已知的采空区。采用温纳装置，电极距为 4 米。五、高密度电法在阳煤集团规划水泥厂地基勘察中的应用1、测区基本情况测区总体上呈北部高、南部低的地貌，区内最高点海拔标高 778 米，最低点标高 717 米，最大高差可达 60 米，到处是梯田和人工堆积物，属于复杂地形区。测区内主要出露石炭
14、系本溪组地层、Q 2Q 4 以及采矿人工堆积物。Q 3 厚度28 米、Q 2 厚度 0.55.5 米（最大 10 米） 、Q 4 厚度 28 米。人工堆积物几乎随处可见，主要为开采铝矾土和铁矿的废弃物。本溪组 C2b 最大厚度 60 米，下伏 O2m 灰岩，二者之间为平行不整合关系。C 2b 底部为层状、似层状山西式铁矿（透镜状，厚 13 米）和 G 层铝土矿（厚层、块状，厚度 26 米） ，其厚度、层数及品位与地层沉积厚度、奥灰侵蚀面发育情况有关。铁矿和铝土矿之上为砂质泥岩夹砂岩、灰岩及煤线。场区出露基岩大部分为含铁粘土岩及高铝粘土岩。根据前人调查资料，测区地表已发现斜井 4 个，立井 8
15、个，平硐 14 个，塌陷坑 3 个。其中，XY1XY10 为小窑，开采硫铁矿，其余小窑主要开采粘土矿，开采厚度平均 2.5 米，开采深度 1647 米，手工作业，房柱式。采空巷道一般宽约 4 米，呈网状不规则分布于井下。2、野外测量情况根据实际野外情况，我们布置的 17 条测线，大致覆盖了所要求勘察的工区。并根据测量结果初步圈出的物探异常数量及大致的分布规律。根据物探异常和实地调查结果，拟建厂区内各类黄土的视电阻率一般低于 3050 欧姆米，本溪组的视电阻率一般为 50400 欧姆米，奥陶系灰岩的视电阻率一般应在8001000 欧姆米以上。本次大致以视电阻率 160 欧姆米为下限圈定浅部物探异
16、常区，同时结合异常形态、采空区及不良地质构造可能处于不同环境（即是否充水）的特点圈定深部的物探异常区。如果异常明显具有向浅部延长的特点，则推断其可能为采空区巷道。3、测量异常钻探验证图 6 为测线 2 的电阻率剖面及钻井验证结果。图中很明显，分别在69，79，88，98 号电极的下部出现了明显的与背景电阻率明显偏高的异常区域。推测为空洞或采空区，实际上，在该测线离 90 号电极大约 20 米的地方为一个古竖井，推测这些异常都是该竖井在下部向不同方向打的空洞或采矿运输通道。为了验证这些异常，在 69 号电极处进行了钻探，结果在 15 米左右漏浆。说明对这些异常的推断是正确的。图 7 为测线 5
17、的电阻率剖面及钻井验证结果。同样在异常部位 36 号进行了钻探验证，结果是钻孔进尺 17 米处掉钻 0.8 米；48号钻孔进尺 25 米处掉钻 1.2 米；63 号钻孔进尺 21 米处掉钻 1.6 米。以上装置都采用温纳装置，电极距为 4 米。图 8 为测线 11 电阻率剖面及钻井验证结果。在该剖面，选择异常低阻区域的 32 号电极处进行了钻探验证，结果钻孔进尺 16 米处掉钻 1.35 米。推测该异常是采空区后期垮塌并充水或含水所造成。这说明，不能完全用同一种推断来进行解释，要考虑到地下空洞的实际存在状态。图 6 测线 2 电阻率剖面及钻井验证结果。在 69 号孔 15 米左右漏浆。采用温纳
18、装置，电极距为 4 米。图 7 测线 5 电阻率剖面及钻井验证结果。36 号钻孔进尺 17 米处掉钻 0.8 米；48 号钻孔进尺 25 米处掉钻 1.2 米；63 号钻孔进尺 21 米处掉钻 1.6 米。采用温纳装置，电极距为 4 米。图 8 测线 11 电阻率剖面及钻井验证结果。32 号钻孔进尺 16 米处掉钻 1.35 米。采用温纳装置，电极距为 4 米。六、高密度电法在天宇铜镍矿勘察中的应用1矿区地质背景新疆地矿局地质六队莫新华等人于 2003 年底2004 年初在新疆哈密白石泉矿区外围地质调查过程新发现了一些基性超基性岩体。其中白石泉矿区东南的 20 号岩体含矿性好（铜镍矿） 、为全
19、岩矿化岩体（以角闪橄榄岩为主） ，并将 20 号岩体及其附近的 19 号岩体和 21 号隐伏岩体合称为天宇铜镍矿区（图9） 。地表地质工程揭露及少量的物探剖面工作显示了良好的找矿前景。进一步查明该含矿岩体深部的延伸、形态与分布是研究与评价该含矿岩体矿床成矿规律和成矿远景及开展隐伏矿床定位预测的关键。就天宇铜镍矿的目前勘察程度分析，其经一步地质找矿需解决如下一些地质问题：20 号含矿超基性岩体的产状；21 号隐伏超基性岩体的含矿性及其产状；20 号含矿超基性岩体与 21 号隐伏岩体间关系为解决以上天宇矿区下一步找矿所面临的地质问题，我们在天宇矿区布置了 2 条高密度电法剖面 240 个测点和 M
20、T 测点。2 条高密度电法剖面沿地质 2 线和 10 线布置（图 9） ，2 线高密度电法剖面的中心点设置在重力异常高值中心点，10 线高密度电法剖面的中心点设置在探槽 TC12 附近。2矿区电性特征了解矿区的电性场特征是在该区进行电法勘察的基础。该区超基性岩体（或称杂岩体）的围岩是花岗岩，而花岗岩的电阻率通常很高（510 3-106m） 。莫新华等人（2002）的激电工作表明，该区附近的另一个超基性岩体（相距 2 公里） ，其岩体内部以偏基性的闪长岩为主，整个岩体表现出高极化的特征，电阻率表现为中低阻的特点，视电阻率一般为 200m 500m。整个杂岩体所表现出的高极化、中、低阻特征，显示杂
21、岩体较围岩含有明显富集的金属硫化物(排除炭质干扰)，杂岩体内存在局部高值异常则表示了杂岩体内金属硫化物分布的不均匀性。该区的铜镍矿属于硫化物富集型，我们知道硫化物有明显的低电阻率特点，因此该区非常适合用高密度电法进行勘察。找出低电阻率异常区域基本上就可大致判断其富矿的部位和矿体的富集程度。3高密度电法野外采集由于受地表地形的影响，在实际观测时测线无法做到完全是直线。观测中我们使用了重庆地质仪器厂生产的 DUK-2 高密度电法测量系统，使用 120 道电极，8 米电极距，采用温纳装置进行观测记录。该工区由于地表属于戈壁，因此电极的接地电阻很大，一般可达到上千欧姆米，为了减小接地电阻，我们在实际工
22、作中首先挖小坑（约 30 公分） ，将电极用软沙土埋植，然后浇适量的盐水，最终接地电阻可减至数百欧姆米。达到了高密度电法测量的理想条件。4高密度电法资料处理资料处理使用了吉林大学李晓芹开发的高密度电阻率成像系统（RT ） ，首先对采集到的原始资料传输到计算机上。第二步，进行原始资料的野值点去除，这些野值点通常是在测量过程中，仪器开关偶尔接触不良或其他系统干扰造成的。如果不去除这些明显的野值，会对后续的反演造成很大的影响。第三步，进行地形校正，在地形有起伏比较大时，这项校正很重要。最后进行反演处理，得到电阻率反演剖面。图 9 天宇铜镍矿区高密度电法剖面和大地电磁测深测点位置图（底图据新疆地质六队
23、）5该区高密度电法的地质解释图 10 为天宇矿区高密度电法测量的两条基于地形校正的反演处理结果。从中可以清楚看出：1）两条电阻率剖面地结构相似，可以对比，剖面中低阻体总体表现出北倾的特征；2）在 200 米以上区段两条剖面中都发育有 A、B 和 C3 个相对独立的不规则囊状低阻体；3）其中低阻体 A 岩石的电阻率较低、小于 50欧姆米，往北陡倾，中间厚大处厚约 80 米，其顶部指状上延体所出露的位置正好对应于 20 号含矿岩体；低阻体 B 位于低阻体 A 的北下侧，其往南倾、倾角约 45，若以小于 50 欧姆米作为含矿岩体的边界电阻、则低阻体 B 中可能的含矿岩体的分布范围较低阻体 A 要小；
24、低阻体 B 位于低阻体 A 的南下侧，呈条带状北倾分布。根据磁法推断低的 21 号岩体所在位置在距地表约 1520 米处有一很小（直径约 20 米）的小异常。从总体来看，A、B、C 三个异常区似应该是同源， 20 号含矿岩体往下有局部膨大的部位，值得进一步探查其矿化情况。图 10 天宇铜镍矿区 10 线（A）和 2 线（B）高密度电法测量二维反演结果6、钻探验证2004 年 11 月地质六队针对我们高密度电法看查发现的异常并结合其它物探结果与资料进行了钻探验证。其中 10 线剖面布置验证钻孔 2 个（图 11） ，zk+10-1 和 zk+10-2 孔分别针对低阻体 A 与 B，验证结果如下。
25、图 11 天宇铜镍矿区 10 线高密度电法测量结果与验证钻孔位置图 12 20 号岩体深部具海绵陨铁结构的橄辉岩（A）和块状硫化物矿体贯入于花岗岩中（B）10 线 zk+10-1 孔在预定位置见到 80 多米厚的富矿和 3 米多块矿。其中在47.76 至 69.36 米，见低品位镍矿体视厚 21.60 米，含矿岩石为橄辉岩，金属硫化物以磁黄铁矿为主，呈稀疏浸染状产出（图 12.A） ，平均品位镍：0.23%、铜：0.07%、钴 0.018%；在 77.16 至 130.98 米见镍贫矿体视厚度 53.832 米，含矿岩石有橄榄岩、橄辉岩及辉石岩，金属硫化物以磁黄铁矿为主，镍黄铁矿、黄铜矿次之，
26、品位镍：0.53%、铜：0.22%、钴 0.031%；140.2 至 144 米矿体视厚度 3.8 米，为块状富-特富矿石，呈脉状贯入于花岗中（图 12.B） ，其金属硫化物以磁黄铁矿(91%)为主，镍黄铁矿(2%)、黄铜矿(3%)，其平均品位镍：2.97%、铜：0.69%、钴 0.151%，镍最高品位为 3.33%。贯入于地层中块状矿体的发现进一步说明天宇铜镍矿也属于深部熔离浅部贯入型矿床。zk+10-2 孔在预计的 B 异常处未见超基性岩，但在相应位置的地层中发育有较多的黄铁矿体，异常的形成可能与其有关。七、结论1、高密度电阻率测量与常规电法测量相比较具有信息丰富、数据量大、野外施工简捷快
27、速等优点，同时还具有较高的横向分辨率和纵向分辨率，因此利用该方法在查明地下空洞和采空区是可行的和有效的。只要电极距设计合理，它特别适合对浅部金属矿（特别是与硫化物有关的金属矿）的勘察，勘察深度可以达到 200-300 米。2、在野外采集中，特别要注意对铜电极要做到与地面偶合良好，保证所有电极的接地电阻大致处于一个数量级，如果出现过大的情况，要采取浇水或浇盐水处理。绝不能出现一个电极因野外布置的原因而影响整个测量结果。曾有人认为西北干旱区是高密度电法勘探的禁区，我们通过在新疆哈密戈壁上的一个与超基性岩有关的铜镍矿区中的应用表明，只要该方法应用得当，从野外采集到资料的处理及地质解释做到有条不紊，这
28、个禁区是完全可以突破的。3、在资料处理中，须针对原始数据进行检查，因为高密度电法仪器虽然通过计算机控制电极之间的转换，但最终还是由继电器这种机械的方式来完成实际的操作，有时候会出现继电器接触不良，从而造成明显的异常点。这在原始数据中通常要采取取其周围点中值的办法进行处理。在对资料的反演方面，经大量对比试验研究，发现 RES2DINV 反演软件对表层为低阻土壤等环境下效果较好，而李晓芹开发 RT 反演软件比较适用于地表电阻率较高的环境下。4、在资料的解释阶段，在可能的情况下，须结合已知断面或已知钻井结果进行解释，然后结合地下的实际地质情况，分别考虑地下空洞或采空区是干燥或充水或垮塌情况分别针对所
29、得到的异常做出判断。在金属矿勘察中，须首先了解矿体与围岩的电性差异特征。5、建议更多的金属矿区开展高密度电法的找矿应用，相互交流，积累更多的实用和解释经验，同时建议高密度电法仪器能够设计成更综合的仪器，可以在测量电阻率的同时测量激化率参数，这样该方法在金属矿中的应用就更有潜力和优势。八、致谢本文是在国家“ 305”项目 (项目号：2001BA609A-07-07)的资助下完成的，在野外施工中得到了新疆地质局地质六大队、山西阳煤集团水泥项目筹备处的大力配合，在此表示真诚的感谢！参考文献1 董浩斌，王传雷，高密度电法的发展与应用，地学前缘，2003（1） ，171-1762 刘晓东.高密度电法在宜
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