摘要
白云岩作为建材原料被广泛运用，但在白云岩矿山开发过程中存在着许多问题，其中就包括不良地质体对矿山工程的影响。针对该问题，在矿山前期地质勘查过程中，本文采用等值反磁通瞬变电磁法、高密度电法两种物探方法对岩溶发育重点区域的隐伏断裂带、溶洞等不良地质体进行了勘查。结果表明，两种物探方法在白云岩矿不良地质体勘查中均取得了较好的勘查效果，基本能够查明工作区内覆盖层厚度变化情况、断裂带分布情况及隐伏岩溶的发育形态及空间位置。2种物探方法的勘查成果相互印证，提高了勘查结果的准确性和全面性，为矿山开采设计及后期安全生产提供了技术支持。
Abstract
Dolomite is widely used as a building material， but there are many problems in the development of dolomite mines， including the influence of bad geological bodies on mine engineering. In order to solve this problem， two geophysical exploration methods， equivalent inverse magnetic flux transient electromagnetic method and high density electrical method， were used to explore the hidden fault zone and karst cave in the key karst development area. The results show that the two geophysical exploration methods have achieved good exploration results in the poor geological body exploration of dolomite ore， and can basically identify the change of overburden thickness， the distribution of fault zones， and the development form and spatial location of buried karst in the working area. The exploration results of the two geophysical exploration methods confirm each other， learn from each other， improve the accuracy and comprehensiveness of the exploration results， and provide technical support for the mining design and later safe production.
0 引言
白云岩用途广泛，可用于生产建筑材料、耐火材料及炼铁、炼钢的熔剂等。但白云岩作为一种含有大量方解石的碳酸盐岩，地下水侵蚀后容易形成岩溶。宜昌某建筑石料用白云岩矿在开展地质勘查工作过程中部分地质勘查孔揭露岩溶。其中 ZK202号孔揭露溶洞深 10余米，因技术原因被迫终孔；ZK101 号孔钻在浅部揭露岩溶，被黏土、角砾岩填充，揭露断层一处。如何采取快速有效的工程技术手段，查明矿区不良地质体赋存的位置、空间形态和规模范围，及时采取有效的防治措施，消除安全隐患，对矿山安全生产具有重要意义（周富隆， 2018）。康方平等（2020）以湘潭市某石灰矿为例，应用高密度电法、地震映像法圈定了矿区不良地质体异常范围，查明了矿区覆盖层厚度分布及基岩面起伏状况，钻探验证效果良好。侯林文（2022）采用高密度电法对湖南某水泥用石灰岩矿水文地质条件进行勘查，根据分析结果，认为矿区第四系覆盖层土体分布较厚，岩溶及充水破碎带较发育，水文地质条件复杂，在矿区开采前需提前采取措施，以减少地下水对矿山未来开采的影响。周富隆 （2018）认为综合物探方法可以快速探明石灰岩矿区内隐伏岩溶的位置和范围，对及时采取治理和防范措施、消除安全隐患、提高矿山的安全管理具有重要意义。由此可见，在矿山开采前期开展不良地质体物探勘查，对解决矿山地质工程问题、指导安全生产具有重要意义。本文采用高密度电阻率法、等值反磁通瞬变电磁法两种物探方法对宜昌某建筑石料用白云岩矿进行不良地质体勘查，着重分析两种物探方法的勘查效果，总结经验以期为以后类似工程提供参考。
1 研究区地质-地球物理特征
1.1 研究区地质概况
研究区地处鄂西中低山地区，属构造侵蚀地貌，区内地表溶沟发育，裂隙发育，植被主要为灌木林和杂草，覆盖率约 90%。研究区出露寒武系娄山关组、奥陶系南津关组、红花园组、大湾组、牯牛潭组、庙坡组、宝塔组和第四系（图1）。其中物探勘查区出露的地层为娄山关组白云岩，厚度约500 m。
研究区为一简单的单斜构造，倾向北东，倾角大于坡角，平行于山腰呈近南东—北西向展布。因研究区距离区域大断裂较近，受其影响形成了一些压扭性的羽状（或叠瓦状）断裂。研究区目前在开采区揭露 3 条断裂构造 F1、F2 和 F3。F1 断层分布于研究区北部边界处，在奥陶系南津关组内，走向长度 120 m，为压扭性逆断层。F2 断层也分布于研究区北部边界处，走向长度约167 m，切穿奥陶系南津关组、红花园组、大湾组地层，断层上下两盘地层产状近乎一致，为压扭性逆断层。F3断层分布于研究区北东部，为一压扭性逆断层，研究区可见长度约 120 m。研究区构造节理局部较发育，构造节理大部分较平直，少量呈弯曲状，大部分无充填物，少量充填方解石脉或黏土质。
研究区水文地质条件属简单类型。地下水补给、径流与排泄不仅仅局限于研究区范围内，而且受到南西及周边地带各含水层的地下水补给，但以大气降水为地下水主要补给来源，其补给方式为通过构造裂隙直接渗入补给。浅部由于受地形和地层阻隔影响，大部分降水以地表径流方式汇集于沟谷、河流中，仅有部分降水通过渗透方式补给含水层。研究区经多期构造活动，节理裂隙及断裂发育，加之充沛的大气降水，为岩溶发育提供了有利条件。
为查明先期开采区和岩溶发育重点区（图1物探勘查区范围）内岩溶发育及断裂分布情况，采用高密度电法和等值反磁通瞬变电磁两种物探方法进行综合勘查，为矿山开采设计及后期安全生产提供技术支持。
1.2 勘查区地球物理特征
根据已完成的钻孔资料，勘查区涉及到的物质或地层可分成 3 部分。即：上部覆盖层主要为第四系残坡积层（黏土）；溶洞充填物主要为空气、泥土、岩溶角砾岩等；溶洞本身所处部位围岩为白云岩 （基岩）（表1）。
图1研究区地质简图
表1勘查区物性统计
工作区白云岩与上覆地层之间存在明显的电阻率差异，白云岩电阻率＞黏性土电阻率，岩溶发育区充填物质不同，也会形成不同的异常特征。研究区钻探钻遇的溶洞多填充岩溶土、岩溶角砾岩。当溶洞充填泥土、岩溶角砾岩等低阻体时，电阻率剖面上会在高阻区中形成明显的低阻异常区（赵杨杉，2022）。断裂带发育时，则表现为电阻率等值线发生扭曲变形，等值线变得密集，且形成自上向下的倾斜的低电阻率异常条带。上述物性差异为此次岩溶、断裂带勘查提供了良好的地球物理勘查基础。
2 物探技术方法
2.1 方法原理
2.1.1 高密度电阻率法
高密度电法是以岩、土体之间的电性差异为前提，采用多芯电缆和多道电极人工建立地下稳定的直流电场，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，实现供电和测量电极的自动跑极、自动供电、自动观测、自动储存记录，获取地下介质的电阻率分布规律，进而推断地下地质结构和构造，解决水文地质与工程地质的一种物探方法（梁栋和黄鑫，2011；刘伟等，2015；郑智杰等，2017；赵鹏涛和刘正兴，2018；金涛，2021）。其本质属于直流电阻率法范畴，和常规电阻率法一样它是通过A、B电极向地下供电，然后在M、N极间测量电位差，从而求得M、N之间的视电阻值。根据实测的视电阻率剖面进行计算、分析，便可获得地层中的电阻率分布情况，从而划分地层，对岩溶、断裂破碎带等目标异常体进行解译（王海周，2012；常铮，2014；黄晓明，2017）。
2.1.2 等值反磁通瞬变电磁法
等值反磁通瞬变电磁法是中南大学席振铢教授提出的一种新型瞬变电磁勘探技术。和传统瞬变电磁勘探系统相比，HPTEM-18 型高精度瞬变电磁系统利用 2 个等大、共轴且不在同一平面的发送线圈，对线圈通以大小相同、方向相反的电流。此时，系统会在两个共轴的发送线圈轴的中心位置产生一个一次磁场为零的零磁通面。在一次场零磁通面处设置一接收线圈，当电流关断时，在零磁通面处接收的信号为地下地质体产生的纯二次场信号，并通过该信号实现对地下地质体的精确勘查。因为零磁通面处接收的信号不包含发送与接收线圈之间的互感等其他干扰探测地下地质体的信号，因此其对地下地质体勘探效果显著（周超等，2018； 蓝金星，2023）。
2.2 野外工作
物探勘查区近似长方形，其中西南→东北向长度约430 m，西北→东南向长度约720 m。实地踏勘后，结合勘查区范围大小及地形地表条件，等值反磁通瞬变电磁法平行分布布设了 10条测线（图2中黑色实心圆点组成的测线），测线均为北东向，测线间距为80 m，点距10 m。在钻探揭露的岩溶发育重点区域，即瞬变电磁 TEM3、TEM4、TEM5 测线上分别布设了 1 条高密度电法测线（图2中洋红色三角形测点组成的测线），单测线长度595 m，使用120根电极，测点点距 5 m。瞬变电磁野外数据采集采用 HPTEM-18等值反磁通瞬变电磁系统。野外数据正式采集前进行设备校验及工作参数试验，考虑探测深度、信噪比等因素最终确定发射频率为 2.5 Hz、叠加次数为 300 次。高密度电法数据采集采用 WGMD-4高密度电法系统，野外数据采集前进行了仪器自检及严格的接地电阻检测，工作装置为温纳装置。各方法采集过程均严格执行相关技术规范及规程。
3 勘查效果分析
物探勘查区共完成 10 条等值反磁通瞬变电磁剖面和3条高密度电法剖面。解译工作主要以矿方提供的研究区地质资料为基础，通过掌握的地球物理参数对测量资料进行分析解释，进而对勘查区断裂构造、岩溶发育情况及地层的展布特征做出综合分析及推断解释。本次综合分析重点对采用了两种物探方法的3条测线的勘查效果进行分析探讨。
图3为 L3 高密度电法与等值反磁通瞬变电磁法成果综合解译图。其中，高密度电法测线长度 595 m，等值反磁通瞬变电磁法测线长度 460 m。等值反磁通瞬变电磁法测线与高密度电法测线重合，起点位于高密度电法测线140 m处。
高密度电法剖面采用电阻率对数值成图，从图中可以看出视电阻率值为 1. 00～4.40。横向上看，剖面电性变化可分为两段：以剖面 280 m 为界，0～280 m 段整体表现为相对低阻特征，280～595 m 段整体表现为中高阻特征。0～280 m 段剖面电阻率随着地层由浅至深整体又呈由低→高→低→高的变化规律。结合地质勘查资料，推测浅部近地表低阻层为第四系残坡积层（覆盖层），该层较薄，部分区域基岩裸露；下部高阻层推测为基岩，高阻所夹低阻层推测为岩溶、岩石破碎发育区，厚度 30～45 m；280～595 m 段剖面纵向电阻率分布特征相对不明显，表现为高阻背景中电阻率等值线呈团块状分布，推测该段基岩整体较为完整，局部呈低电阻率反映的裂隙发育或岩石较为破碎。在该段显示2处闭合低阻异常，推测为岩溶反映。同时，根据剖面横向电阻率变化特征，推测3条断裂构造，分别编号 F5、F6、F7。其中 F5 断裂位于剖面 250～255 m，位于高低阻接触带，具体表现为自上向下倾斜的低电阻率异常条带；F6 断裂位于剖面 330～390 m，电阻率等值线呈同向弯曲（两高夹一低）分布；F7断裂位于剖面 470 m 下方，表现为电阻率等值线呈 V 字型分布，断裂带向下延伸。
图2测线布设图
L3 线等值反磁通瞬变电磁剖面结合钻孔资料及电阻率特征自上而下分为了 3 个电性层位：电阻率值 0～150 Ω·m 低阻薄层为第四系残坡积层；中部中阻层电阻率为 150～300 Ω·m，变化较均匀，划分为基岩风化层；下部高阻层电阻率为 300～2100 Ω·m，等值线变化相对均匀，局部等值线呈串珠状、团块状不均匀变化，推测为岩溶发育区，依此圈定 18 处岩溶。剖面推测断裂构造 4 条（分别编号为 F5、F6、F7、F8）：其中 F5 断裂位于剖面 110 m 下方，电阻率等值线表现为同向弯曲，近直立，向下延伸约176 m；F6位于剖面170～230 m，该区域电阻率发生明显的变化，电阻率等值线呈阶梯状或台阶状分布，向下延伸约 104 m；F7 位于剖面 260～320 m，表现为电阻率等值线同向弯曲，向下延伸约105 m；F8 位于剖面 430 m 下方，电阻率等值线呈 U 字型弯曲分布，向下延伸约106 m。
从图3中两个剖面划分的断裂带、圈定的岩溶发育区分布情况来看，两种方法解译的成果在空间位置上具有较好的对应性。无论是高密度电法还是等值反磁通瞬变电磁法其划分的 F5、F6、F7断裂带处电阻率等值线均发生明显变化，F8断裂带位于高密度电法测线尾端，深部数据缺失但浅表部呈低阻反映，等值反磁通瞬变电磁剖面该处电阻率等值线呈明显的 U 字型分布；以 F6 断裂带为界，西南段测线下方岩溶明显比北东段测线下方岩溶发育，高密度电法剖面西南段测线下方深度 25～60 m 范围内呈面积性低电阻异常，对应的等值反磁通瞬变电磁法剖面西南段测线下方岩溶分布密集，表明该段测线下方构造裂隙发育且岩石破碎。
图3L3高密度电法（a）与等值反磁通瞬变电磁法（b）成果综合解译图
图4为 L4 高密度电法与等值反磁通瞬变电磁法成果综合解译图。其中，高密度电法测线长度 595 m，等值反磁通瞬变电磁法测线长度 460 m。等值反磁通瞬变电磁法测线与高密度电法测线重合，起点位于高密度电法测线140 m处。
高密度电法剖面反演电阻率对数值为 0.40～4.40，电阻率随着地层由浅至深整体呈由低到高的变化规律，分别为第四系坡积层（低阻层）和基岩 （高阻层），剖面反映的覆盖层较薄。下部基岩表现为高阻背景中电阻率等值线呈团块状、不规则状分布，说明局部地层岩石较破碎。该剖面圈定浅部岩溶 3 处、深部岩溶 1 处。推测 4 条断裂构造：其中剖面 170～180 m 断裂带编号 F4；240～270 m、320～335 m 之间、500 m 下方 3处断裂带在空间位置上分别与 L3 线推测的 F5、F6、F7 具有一定的对应关系，分别编号F5、F6、F7。
图4L4高密度电法（a）与等值反磁通瞬变电磁法（b）成果综合解译图
L4 线等值反磁通瞬变电磁剖面依照电性变化也进行了 3 个层位的划分，依次为浅部低阻（0～150 Ω·m）第四系残坡积层、中阻（150～300 Ω·m） 基岩上部风化层、深部高阻（300～2100 Ω·m）基岩白云岩层。圈定深部岩溶 12 处，推测断裂构造 4 条。其中，与高密度电法对应的剖面 30～40 m 处、 70～100 m 处、170～190 m 处电阻率等值线均发生明显的扭曲变形，符合断裂带划分特征，分别编号 F4、F5、F6；对应高密度电法 F7 断裂处瞬变电磁剖面则反应不明显；剖面110～130 m的疑似断裂位于高密度电法剖面高低阻接触带区域，推测为F5破碎带范围较大影响形成，未进行编号。
图5L5高密度电法（a）与等值反磁通瞬变电磁法（b）成果综合解译图
图5为 L5 线高密度电法与等值反磁通瞬变电磁法成果综合解译图。其中，高密度电法测线长度 595 m，等值反磁通瞬变电磁法测线长度 460 m。等值反磁通瞬变电磁法测线与高密度电法测线重合，起点位于高密度电法测线120 m处。
高密度电法剖面反演电阻率对数值为 1. 0～4.2，电阻率整体变化规律与L4线基本一致，基岩电阻率呈大面积性高电阻率值分布，说明L5线下方基岩完整程度较 L3、L4 线高。该剖面共推测 6 处岩溶，其中浅部基岩面圈定5处岩溶，剖面底部推测一处岩溶。高阻基岩中存在 3 条低阻条带，推测为断裂构造，在空间位置上分别与L3、L4线F4、F6、F7对应，给与相同编号。其中 F4位于剖面 80～90 m，F6 位于剖面325～390 m，F7位于剖面490～505 m。
L5 线瞬变电磁二维反演电阻率剖面图同样进行了 3 个层位的划分，推测断裂构造 2 条、岩溶 21 处。对应高密度电法解译成果2条断裂带分别编号为F6、F7。其中，F6断裂带处电阻率等值线，发生扭曲变形；F7 断裂带处电阻率发生明显的变化，电阻率等值线呈台阶状分布。
4 讨论
从文中所示3条测线的解译成果来看，2种物探方法对断裂破碎带、岩溶均具有较好的勘查效果，各有优劣。高密度电法本次的勘查深度约为 100 m，由于测线排列长度受工作区现场条件限制，探测控制深度相对不深；等值反磁通瞬变电磁的勘查深度为 220 m，较好的弥补了高密度电法勘查深度不足的问题。根据剖面纵向电阻率值的变化情况，2 种方法均划分了第四系残坡积层（覆盖层），其中高密度电法剖面近地表电阻率呈现或高或低不规律的变化，说明近地表地层电性不均匀，与野外记录的地表情况吻合，可见高密度电法浅表勘查精度更高；等值反磁通瞬变电磁 3 条剖面电阻率值自上而下变化相对均匀，结合钻孔资料岩性描述情况及层位标定，识别了基岩上部风化层。在断裂破碎带识别方面，两种方法均能较好的识别出断裂破碎带的位置，其中高密度电法横向上电阻率值高低变化更为明显，更利于识别断裂破碎带。在岩溶探测方面，高密度电法圈定了多个浅部特别是基岩面发育的岩溶，等值反磁通瞬变电磁圈定的多为中深部岩溶，2种物探方法在中部圈定的岩溶对应性较好。
5 结论
（1）通过对高密度电法和等值反磁通瞬变电磁法的综合应用，结合矿山地质勘查资料综合分析物探成果的基础上，对 3 条测线下方覆盖层厚度变化情况、断裂破碎带的分布情况及隐伏岩溶发育形态及空间位置进行了评价，取得了较好的勘查效果，可为矿山开采设计及后期安全生产提供有效的参考资料和可靠的技术支持。
（2）选择等值反磁通瞬变电磁法结合高密度电法进行白云岩矿不良地质体综合勘查，能够弥补各自方法上的缺陷，勘查成果能够相互印证，取长补短，提高了勘查成果的准确性和全面性，有效地反映出地下复杂的地质信息，可在白云岩矿不良地质体勘查领域推广使用。
