0 引言

随着“碳达峰、碳中和”双碳目标的推进，新能源汽车行业迅猛发展。电池作为汽车的重要组成部分备受关注，其种类繁多，磷酸铁锂电池（Lithium Iron Phosphate Battery，LFP）因其能量密度高、安全性能好、循环寿命长等特点被广泛应用（王磊等， 2024）。同时 LFP 主要原材料磷大部分还被用于制造肥料和动物饲料，这使得磷矿资源供不应求 （Banerjee，2022^①）。因此，2016 年中国将磷矿纳入关键性矿产目录。

世界磷矿分布不均匀，中国、美国、摩洛哥三国占世界资源总量的 70% 以上（Cooper et al.，2011）。中国磷矿储量位居世界第二，呈现南北分布不均特点，主要分布在贵州、四川、湖北、云南 4 省（王文浩等，2024）。贵州省是磷矿资源大省之一，其磷矿床多为沉积型矿床，主要分布在瓮安—福泉和开阳— 息烽地区。曾凡祥等（2022）和宋小军等（2020）对贵州翁福矿田英坪磷矿段进行细致调查，结果显示该地区磷矿具有很高的工业价值；中化地质矿山总局贵州院在贵州开阳地区发现特大型富磷矿床，该矿床平均品位（P₂O₅）33.47%，是国内唯一不经选矿即可直接用于生产磷肥的原料产地。

贵州省磷矿品位高、矿层厚，具有很高的开采价值。但矿区呈现典型的喀斯特地貌特征，地下可溶性岩被水冲蚀、潜蚀，导致地下水、空洞极其发育，为磷矿开采工作带来安全隐患（李勇等，2021）。因此，探明矿区地下岩溶分布及发育情况对于矿产开采工作十分重要。目前，岩溶勘察主要采用钻探和地球物理勘探两种勘察手段（罗术等，2023）。钻探揭露此类不良地质体时，很容易发生出水和泥浆井漏等地质问题，极大地影响了矿产开采工程进度与开发成本（陈紫云等，2017）。而利用地球物理技术探测对钻探不利的近地表地质结构构造，可有效规避钻井钻遇近地表强岩溶发育带、断层破碎带的风险，且不会对地下结构造成损害（刘伟等，2023）。

20世纪60年代，地球物理方法开始被应用于地下含水层、空洞和表面岩溶探测等岩土问题。 Vincenz（1968）在牙买加一个内部冲击谷地首次利用电阻率测深法对地下含水层进行探测，取得了较好效果。Dutta et al.（1970）对乌姆荣盆地东部边缘进行系统的电阻率勘测，获得了灰岩中存在溶洞的迹象。20世纪80年代以来，由于技术的不断发展以及数据的快速反演与解释，用于岩溶地区的地球物理勘探迅速增加。电磁方法、地震折射法、电阻率层析成像法、微重力法和探地雷达法等多种地球物理方法被应用于岩溶探测。Šumanovac and Weisser （2001）综合运用电法和地震法在克罗地亚地区开展岩溶探测，获得了该地区完整的地质模型。 Amanatidou et al.（2022）联合利用电阻率层析成像法、地震折射层析成像法和表面波多通道分析法 3 种方法在希腊西马其顿大学成功探测出地下空洞。

20世纪70年代，江西煤田物测队率先在江西河西矿区开展了地面电法探测岩溶工作，取得了一定的效果。在之后的50年中，中国学者利用地球物理方法成功探测出地下岩溶、空洞的案例数不胜数。张兴昶等（2004）利用可控源音频大地电磁法在西南某铁路隧道进行岩溶探测，成功解决施工突水、突泥等地质问题。Sun et al.（2018）综合运用探地雷达法、高密度电阻率法和瞬变电磁法在济南省进行岩溶探测，3种方法相互印证，成功圈定出地下岩溶发育区。李煜等（2020）以湖北宜昌某典型岩溶工区为研究对象，对比讨论了可控源音频大地电磁法和广域电磁法对岩溶的探测效果。唐灵等（2023） 将高密度电阻率法、地震反射法和探地雷达法 3 种物探方法综合运用于惠州某产业园的岩溶探测中，成功发现隐伏土洞和岩溶。

上述案例证明将地球物理方法用于岩溶探测是有效的，但其探测范围有限，多集中在地表或浅层。结合研究区地质条件及磷矿埋藏深的特点，本文综合运用扩频激电法和可控源电磁法对该区域实现深部岩溶探测。根据充水岩溶可以引起强烈的激电异常这一特点，创新性地将扩频激电法用于岩溶探测，圈定500 m以浅的充水岩溶发育区，利用可控源电磁法控制 1000 m 以浅的岩溶、断裂和断层，以此实现多尺度电磁联合方法对该地区岩溶发育区的探测。本文工作可为该研究区下一步磷矿开采工作及规避岩溶等地质灾害提供地球物理参考，并且为充水岩溶地区的物探工作提供有益的参考和借鉴。为今后的云贵川地区的深部喀斯特地貌的水文勘探提供地球物理技术支撑和宝贵经验。

1 地质概况及地球物理特征

1.1 地质概况

（一） 地层

研究区内及附近出露第四系、寒武系，深部隐伏震旦系、南华系。由新至老依次为：

（1）第四系（Q）：主要由黄色、褐黄色残坡积黏土、亚黏土等组成。

（2）寒武系芙蓉统娄山关组（Є_3-4l）：为浅灰、深灰色薄—中厚层白云岩及泥质白云岩，出露于研究区东部（图1）。

（3）寒武系第三统高台组至石冷水组（Є₃g+sh）：浅灰、灰色中厚层微晶—细晶白云岩、黏土质泥晶白云岩，下部为黄绿、灰色含粉砂质黏土岩，底部见灰色鲕豆粒白云岩，出露于研究区中部（图1）。

（4）寒武系第二统：①清虚洞组（Є₂q）：灰色厚— 中厚层细晶灰岩，底部为豹皮状泥灰岩，分布于研究区西部（图1）。②金顶山组（Є₂j）：区内为隐伏地层，其主要岩性为深灰色、灰色含云母细砂岩夹深灰色、黄灰色粉砂质页岩。③明心寺组（Є₂m）：区内为隐伏地层，灰绿、深灰色含粉砂质页岩，夹薄层细砂岩或粉砂岩条带。④牛蹄塘组（Є_1-2n）：区内为隐伏地层，岩性为黑色炭质页（泥）岩，底部为深灰色、灰黑色硅质结核状磷块岩（俗称“上磷矿”，厚 0~0.89 m 左右，呈透镜状零星分布，厚度和品位不稳定）。

（5）震旦系纽芬兰统灯影组（Pt₃^3bЄ₁dy）：区内为隐伏地层，地层岩性上部灰色硅质白云岩夹兰灰色页岩，中部为浅灰色中厚层细晶白云岩，见碎花状及条带状构造，下部为浅灰、灰白中厚层、厚层碎花状、条带状白云岩，夹乳白色含硅质团块白云岩，晶洞及溶孔发育，见针孔状构造，底部为灰色、灰白色中厚层同生角砾状白云岩、鲕状白云岩。

（6）下震旦统洋水组（Pt₃³y）：顶部为乳白色硅质岩夹条带状磷块岩；中上部为深灰—茶色中厚层致密块状、碎屑状及条带状磷块岩，俗称“下磷矿 （Z₁p）”；下部为含磷砂质白云岩及灰绿色含星散状黄铁矿砂岩。

（7）上南华统南沱组（Pt₃^2cn）：紫红色粉砂质页岩，中部产一层 0~24.88 m 褐黄色（无层理）冰碛砾岩。

（二） 构造

研究区内构造线方向主要呈北东向和近南北向，褶皱及断裂发育，断层较不发育，经现场踏勘仅发现一条纵向断层，倾向为 100°～140°，倾角一般 40°～50°，斜断距一般为 150～470 m，垂直断距 110～140 m，命名为“F508断层”。

1.2 地球物理特征

研究区物性工作主要进行了野外露头小四极物性测量和室内强迫电流法测量。本次地球物理勘探共采集 111个岩心标本，在 21处野外露头进行了电性参数测量，统计结果如表1 所示。为便于分析，将其绘制成电阻率（Ω·m）随取心深度（m）变化曲线图如图2所示。

从岩心电阻率曲线与地层对应图（图2）可以看出，娄山关组—石冷水组白云岩总体呈现中高阻趋势，局部随着裂隙的发育程度，电阻率有所降低；高台组页岩、金顶山组砂岩夹页岩、明心寺组页岩夹砂岩则总体呈现中低阻趋势，局部随着岩性的变化，偶尔呈现中高阻现象，但总体电阻率呈现中低阻现象。

2 工作原理及测线布置

2.1 扩频激电法

扩频激电法是以频谱激电法和相位激电法为基础改进的一种新的电法勘探方法。相位激电法通过观测电极间的电位差 $∆\tilde{U}$相对于供电电流 $\tilde{I}$的相位移，来获取地下异常体的激电信息。在没有干扰时，该方法只需一个适当频率的相位就能反映大地的激电效应（刘海飞等，2023）。但此方法提供的信息量小，抗干扰能力差。频谱激电法在此基础上引入变频信号，通过改变激励信号的频率，获取丰富的激电信息。但此方法工作效率低，抗干扰能力没有很大提升。

扩频激电法根据上述不足做出针对性改进。利用 GPS和 ZigBee 无线网络控制，可大量扩展激电接收机实现 3D 并行观测，提高了工作效率；利用卫星授时，确保发送机与多台接收机之间保持严格同步，消除不同步带来的误差；引入 M 序列作为发射源信号，接收机测量到扩频信号后，按照扩频通讯的原理进行解扩处理，提高了抗干扰能力。M 序列具有宽频谱特性，因此，可以在不同频率下同时测定复电阻率信息，通过对复电阻率数据层析成像，实现对地下介质的成像（Liu et al.，2017）。因该方法能有效地探测到浸染状金属硫化物引起的异常，经常被用于金属矿勘探（郭振威等，2023）。

扩频激电法的视复电阻率 ρ（ f）可以利用传统频率域激电法的计算公式获得，如下：

式（1）中，$∆\tilde{U}$（ f）为电位差数据的频谱；$\tilde{I}$（ f）为同步一次电流数据的频谱；K为装置系数。

2.2 可控源电磁法

可控源电磁法是在大地电磁法基础上发展的一种频率域测深方法，该方法利用人工源电磁信号代替天然源电磁信号，克服了场源信号不稳定以及随机性的缺点，提高了分辨率、探测深度和抗干扰能力（柳建新等，2019）。该方法以偶极子源或者有限长导线源为外部激发场源，通过观测不同频率下相互正交的电场和磁场对地下结构进行探测（汤井田和何继善，2005）。

可控源电磁法主要包括可控源音频大地电磁法、广域电磁法、时频电磁法等，广泛用于金属矿勘探、地下水勘探、页岩气监测等领域（何继善， 2007）。其中，可控源音频大地电磁法是基于电磁波传播原理与麦克斯韦方程组所反映的电场、磁场随时间和空间变化的定律，通过计算满足远区条件下的卡尼亚视电阻率进行反演（莫亚军等，2024），其计算公式如下：

式（2）中，ρ_s 为卡尼亚视电阻率（Ω·m）；E_x 为电场的水平分量（μV/m；）H_y为磁场的垂直分量（nT）；f 为频率（Hz）。

而广域电磁法只需要测量电磁场的某一分量即可计算得到广域视电阻率。本文以电场水平分量E_x为例说明其原理。

式（3）中，I为电流（A）；dL表示电极距（m）；σ表示电导率（S/m）；r 表示收发距（m）；k 表示均匀半空间波数（m^-1）。

将电场水平分量Ex的表达式改写为

式（4）中

式（5）是一个与工作频率、地下电阻率以及收发距有关的函数。通过测量两点（M，N）之间的电位差即可得到E_x，即

令

式（6）～（7）中，MN为测量电极距（m）；$K_{E-E_x}$为广域磁测深提取视电阻率的装置系数。因此，得到视电阻率表达式为

从式（8）可以看出，只需测量出两点电位差、电流以及有关极距的参数，采用迭代法计算，即可得到地下视电阻率。

2.3 测线布置

由地质资料可知，本区内构造总体为北东向和近南北向。结合工区设计钻孔位置和区域构造情况布置 4条东西向测线，自北向南编号依次为：N8、 N6、N4 和 N2（图3）。供电电偶极子与测线平行布设，长度L=1000 m，收发距R=6000~8500 m。

3 资料处理

3.1 扩频激电法数据处理

扩频激电法是近些年兴起的一种频率域激电法，目前对该方法数据处理方面的研究尚浅。刘卫强和陈儒军（2016）将稳健统计应用于扩频激电数据的噪声压制，相比于传统的周期叠加和数字滤波等去噪方法，该方法对于消除尖峰脉冲噪声更有效。

本文选用 GS2IP 仪器进行野外数据采集，可以获得视电阻率、相对相位和频散率参数，对测量得到的数据进行预处理。从仪器中提取测量得到的数据（*. SRS），每供电一次可得到一个*. SRS 格式文件。利用 SipProc 软件将同一频率所有的视电阻率、相对相位、频散率参数整合成一个文件（*. dat），同时剔除无效数据点，加入高程信息。将处理好的数据导入 Rse2dinv软件进行反演，得到电阻率和相位随深度变化剖面图。

3.2 可控源电磁法数据处理

本文可控源电磁法选用GDP-32多功能电法仪器采集数据，在反演前需要对数据进行预处理，具体流程如图4 所示。预处理包括从仪器中提取数据，其数据为*. RAW文件块格式，对每个数据集，创建一个包含GPS数据的文件（*. STN）和包含测区信息的文件（*. MDE）。利用 SHERD 程序对采集的数据进行编辑，包括剔除坏点以及与整体趋势有较大偏差的点，随后保存数据格式为*. FLD 文件。利用 AMTAVG读取处理后的文件，将其转换为*. AVG格式文件。将上述处理后的文件（*. AVG、*. STN、*. MDE）导入反演程序 SCS2D，通过迭代修改模型-剖面参数，反演得到最接近真实情况的电阻率随深度变化剖面图。

4 典型剖面分析与解释

4.1 N6剖面

图5a~5c分别为可控源电磁法和扩频激电法绘制的剖面电阻率（Ω·m）及相位（mrad）-深度（m）断面图。从图5a可以看出，标高 0~700 m 附近为相对低阻层；标高 700 m 附近以浅为相对高阻层。扩频激电法勘探深度约为 600 m，其电阻率断面图（图5b）呈现高阻特征，符合浅部为相对高阻层的推测。根据前期地质工作，推测上覆相对高阻层为白云岩层，下覆相对低阻层为砂岩、页岩层。

从图5a、5b 可以看出，白云岩层左侧 0~300 号测点附近出现向下贯通的相对低阻异常区。该异常导致电阻率剖面横向不连续变化，推测此处发育向小号测点倾斜的断层，命名为“F1断层”。李煜等 （2020）通过分析广域电磁法电阻率反演图时，发现有一明显的圈闭低阻异常区，其推测为含水溶洞，后经钻孔验证，确实存在小型溶洞。图5b显示在F1 断层中下部标高约850 m处出现同样的半圈闭低阻异常区，同时图5c显示该位置有明显强于围岩的激发极化效应，推测此处发育填充含水黏土或泥质等低阻介质体岩溶或破碎带，命名为“ 破碎部位-N6-1”。

从图5a 可以看出，780~1580 号测点、标高 700 m 以深出现向上隆起的低阻异常，电阻率值由外及里呈现递减趋势。结合地质资料，推测此处发育向大号测点倾斜的断层，命名为“F2断层”。该断层深部标高 300 m 以深出现同样的低阻异常区，推测此处发育填充含水黏土或泥质等低阻介质体岩溶或破碎带，命名为“破碎部位-N6-2”。

4.2 N4剖面

从图6a、6b 可以看出，N4 剖面砂岩、页岩层电阻率明显高于N6剖面，且浅层横向上被多个局部相对低阻异常或变化梯度带所分割。

可控源电磁法电阻率反演图（图6a）显示左侧 440号测点、标高750 m以及700号测线、标高750 m 以浅出现明显向上隆起的电阻率变化梯度带。对比扩频激电法电阻率反演图（图6b），可更明显看出此特征，电阻率在横向上出现不连续界面。结合地质资料，推测左侧发育向小号点倾斜的断层，右侧发育向大号点倾斜的断层。

从图6b、6c 可以看出，1280~1600 号测点、标高900 m以浅出现低阻异常且伴随强烈的激发极化效应。根据充水岩溶地球物理特征判断，推测此处发育填充含水黏土或泥质等低阻介质体岩溶或破碎带，命名为“破碎部位-N4”。对比可控源电磁法电阻率反演图（图6a），标记处同样呈现低阻特征，进一步验证了推断的准确性和可靠性。

a—可控源电磁法电阻率反演图；b—扩频激电法电阻率反演图；c—扩频激电法相位反演图

a—可控源电磁法电阻率反演图；b—扩频激电法电阻率反演图；c—扩频激电法相位反演图

5 结论

（1）岩溶发育区地质情况复杂，利用单一地球物理方法勘探得到的结果可靠性和准确性较低，综合运用多种勘探方法是必要的。通过此次地球物理勘探发现，该地区岩溶发育区埋深集中在 600 m 以浅，且填充物多为含水泥质或黏土等低阻介质。

（2）利用可控源电磁法勘探深度大、横向分辨率高等优点，圈定深部岩溶发育区及断层位置；利用扩频激电法对充水岩溶或破碎部分勘探灵敏度高、反应强烈等特点，圈定浅部充水岩溶发育区。综合运用两种物探方法实现对该地区岩溶进行多尺度电磁联合探测。

（3）本文根据填充水、泥浆等低阻介质岩溶可以引起强烈的激电异常，创新性将扩频激电法运用于岩溶勘探，取得了显著效果。此次工作为下一步磷矿开采工作及规避岩溶等地质灾害提供地球物理参考，并且为充水岩溶地区的物探工作提供有益的参考和借鉴。

注释

① Banerjee S.2022. Characterization of First Phosphate’s Lac à l'Orignal Phosphate Deposit， Lac-Saint-Jean Anorthosite （LSJA） Complex， Quebec， Canada： Implications for Supplying Lithium Ferro （Iron） Phosphate （LFP） Batteries[R]. Technical Report Produced for First Phosphate Corp.

参考文献