瞬变电磁法在铁矿采空区勘查中的应用
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摘 要：铁矿采空区的存在给人民的生命财产安全造成了巨大隐患，选择合适的物探方法探测采空区具有极其重要的现实意义。瞬变电磁法观测纯二次场，具有对低阻反应灵敏、横向分辨力高、体积效应小、异常响应强、受旁侧地质体影响小等特点[3]。文章介绍了瞬变电磁法的基本原理、特点，根据实例对瞬变电磁法在铁矿采空区的探测效果进行了分析、探讨，总结了铁矿采空区的地电响应特征，为下一步铁矿采空区探测提供了理论依据。
关键词：铁矿采空区;瞬变电磁法;应用
中图分类号：TD325 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）11-0165-03
Abstract： The existence of iron ore goaf has caused great hidden danger to the safety of people's life and property， so it is of great practical significance to select appropriate geophysical methods to detect the goaf. The observation of pure secondary field by transient electromagnetic method （TEM） has the advantages of sensitive response to low resistance， high lateral resolution， small volume effect， strong abnormal response and little influence by side geological bodies. In this paper， the basic principle and characteristics of transient electromagnetic method are introduced， the detection effect of transient electromagnetic method in iron ore goaf is analyzed and discussed according to an example， and the geoelectric response characteristics of iron ore goaf are summarized. it provides a theoretical basis for further detection of iron ore goaf.
Keywords： iron ore goaf; transient electromagnetic method （TEM）; exploration
前言
近年来，由于铁矿采空区坍塌引发的一系列地质灾害问题日益严重，安全事故频发，给人民生命财产造成了巨大损失。铁矿采空区治理刻不容缓。本文通过对瞬变电磁法的电性特征的分析，推断了铁矿采空区的空间分布，经钻探验证取得了较好的地质成果。
1 地质概况
1.1 地层
区域上地层由西向东分布，层位由老变新，主要出露地层为奥陶系中统下马家沟组（O21）、奥陶系中统上马家沟组（O22）、第四系（Q）。局部受构造及岩浆岩影响，地层产状有所变化，现将各地层特征分述如下：
（1）奥陶系中统下马家沟组（O21）
上部为中厚层致密花斑灰岩、白云质灰岩，下部为灰色角砾状灰岩，该组地层分布于矿区中西部。
（2）奥陶系中统上马家沟组（O22）
上部为灰褐色中层致密灰岩和褐灰色薄层致密白云质灰岩互层，中部为灰色致密花斑灰岩夹中层致密花斑状白云质灰岩，含丰富的生物化石，下部为灰色中厚层角砾状灰岩，主要分布于矿区中东部。
（3）第四系（Q）
主要由黄土、粘土、亚粘土、砂质及砾石层组成，大面积广泛分布。
1.2 构造及岩浆岩
探测区构造以接触带构造为主，奥陶系中统灰岩与燕山期闪长岩呈接触带构造存在，矿床主要产于接触带上。
探测区岩浆岩为燕山期晚期杂岩体，岩性主要为闪长岩、其次为闪长玢岩及正长闪长岩等，岩浆岩侵入奥陶系中统灰岩中，在岩体与灰岩接触带上常形成矽卡岩型磁铁矿体。
探测区围岩石变主要表现为碳酸盐化、大理岩化、绿泥石化、矽卡岩化，随各地段的构造不同而形成差异。
2 地球物理特征
正常情况下，视电阻率值在横向上基本变化不大，在纵向上由低到高的变化趋势。浅部为第四系黄土、粘土、砂质及砾石层等，视电阻率值高低不均，黄土、粘土富集的地方视电阻率较低，砾石富集的地方视电阻率相对较高。当铁矿石被采出形成采空区后，横向上地层不连续，致使采空区与围岩产生明显的电性差异。如果采空区充水时，采空区相对围岩呈现相对低电阻率特征，当采空区没有被破坏，采空区干燥，相对围巖来说视电阻率值为无穷大，这些电性特征为瞬变电磁法探测采空区的理论依据。
3 方法原理及施工参数
瞬变电磁法（TEM）属于时间域电磁感应法，其基本原理就是电磁感应定律。其基本工作方法是：利用在地面设置的发射一定波形的发射线圈产生的一次电磁场，在地下导体中产生的感应电流，断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小，而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征[1]。 时间域方法比较突出的优点有以下方面：
（1）利用线圈观测二次涡流场，能够有效地消除噪声干扰[4]。
（2）时域方法对于地质体的分辨能力优于频域方法，施工过程中由于一次性布设不接地导线，施工方便、快捷。
（3）低阻覆盖层对其的屏蔽小，勘探深度大。
（4）横向分辨能力强。受旁侧影响小。
在勘查区进行了物性对比试验。选出了合理的施工参数：大定源装置，发射线框280m×280m、发射频率25Hz、电流14A。
4 资料处理与解释流程
利用白登海教授的BETEM软件进行处理，将获得的原始数据，转换为反映含有地电信息的语言，在确保高信噪比的前提下，尽量保留原始资料的有效信息，最大限度提高纵、横向分辨率，尽量改善异常的显示效果，以期获得丰富的地质信息，确定以下的处理解释流程如图1：
结合勘查区的实际情况，在资料处理中重点进行了以下工作：
（1）干扰处理
外界电磁场干扰是影响单点质量的主要因素，结合原始记录班报，分析是否存在随机干扰或较稳定干扰并加以处理。
（2）地形校正
当存在山谷地形时，总的二次场由地质异常和地形异常叠加而成（场在空间上的叠加性），总的叠加场会“放大”远离地表的地下地质异常。如果异常在仪器的勘探深度范围之内，这对于分辨深部的异常更为有利。如果异常仅是接收器处存在，地形的影响都是局部的，因此单点处理未作地形校正。
（3）浅部低阻影响处理
个别测点受到近地表低阻体的IP效应影响，出现“反号”现象。严重的测点在处理时予以剔除，其余的根据拉依达准则进行了拟合处理。
（4）反演处理
结合已知的地层资料，建立正演模型，通过计算机对各个实测数据进行自动反演，使观测资料与反演模型响应相拟合。
5 典型断面分析
5.1 瞬变电磁法1080线（视）电阻率断面图分析
从图2可以看出，在浅部视电阻率值相对较高，推断为地表碎石引起，纵向上视电阻率呈现低-高的变化特征，电性分层明显，反映了第四系、奥陶系地层的电性特征。桩号1200～1240m段，视电阻率值相对较高，视电阻率等值线呈现高阻闭合圈异常特征[2]，说明岩层原始形态发生变化，推断为铁矿采空区引起的电性反映。在桩号1220m位置经钻孔验证：在标高230m处出现掉钻，为采空区，与物探解释成果相符。
5.2 瞬变电磁法1140线（视）电阻率断面图分析
从图3可以看出，在浅部视电阻率值相对较高，推断为地表碎石引起，纵向上视电阻率呈现低-高的变化特征，电性分层明显，反映了第四系、奥陶系地层的电性特征[2]。桩号1150～1200m段，视电阻率值相对较低，视电阻率等值线呈现向下弯曲异常，说明岩层原始形态发生变化，推断为铁矿采空區引起的电性反映。在桩号1180m位置经钻孔验证：在标高235m处出现掉钻现象，为采空区，与物探解释成果相符。
6 结论
（1）结合探测区已知地质资料，查明了探测区铁矿采空区的分布，取得了良好的地质成果。
（2）瞬变电磁检测主要是接收地下传回的二次场的电磁信号，易受低阻层矿化带的屏蔽及周围空间不稳定电磁干扰影响。在应用时应予以注意。
参考文献：
[1]张开元，韩自豪，周韬.瞬变电磁法在探测煤矿采空区中的应用[J].工程地球物理学报，2007（4）：341-344.
[2]王士党，梅西华，谢兴友.综合物探在寿阳煤矿水害探测中的应用[J].山东国土资源，2016，32（4）：60-63.
[3]李金花.地震和瞬变电磁勘探法在煤矿采空区的应用[J].山西建筑，2006，32（9）：82-83.
[4]陈贵生.瞬变电磁法在金属矿产勘查上的应用效果及存在问题探讨[J].矿产与地质，2006，20（4-5）：543-547.
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