摘要
磷矿在传统农业以及化工业需求旺盛，并随着工业迭代升级，在新能源产业中的需求也日益增加。在浅部易开采磷矿减少的当下，深部磷矿的开发具有重要意义。贵州是中国磷矿资源的主要存储省份，其磷矿具有品位高储量大的特点，但由于贵州是易受深部溶蚀带和破碎带影响的喀斯特地区，对该地区的磷矿竖井安全布置提出较高要求。针对该类矿区岩溶构造多、导水性强、构造边界模糊等问题，本文综合运用高密度电法和扩频激电法进行磷矿竖井选址应用研究。通过对反演的电阻率及幅频率图像圈定低阻槽状高风险区域，结合了两种方法的优势，并且相互验证，从而提高磷矿竖井选址的安全性，为下一步磷矿开采提供有效参考意见。
Abstract
Phosphate ore is an important mineral resource with high demand in traditional agriculture and the chemical industry. With ongoing industrial upgrading, its demand in the new-energy sector has also increased steadily. As easily accessible shallow phosphate rock reserves are decreasing, the development of deep phosphate rock is of great significance. Guizhou Province is one of the major phosphate resource bases in China, characterized by large reserves and high ore grades. However, as Guizhou is a typical karst region where deep strata are strongly affected by dissolution zones and fractured belts, stringent requirements are imposed on the safe layout of vertical shafts in phosphate mining. To address the challenges of widespread karst structures, strong groundwater conductivity, and poorly defined structural boundaries in such mining areas, this study applies high-density electrical resistivity imaging in combination with broadband induced polarization for shaft site selection. By delineating low-resistance trough-shaped high-risk areas through the inversion of resistivity and phase images, and the complementary advantages of the two methods are integrated and mutually validated. This joint approach enhances the safety and reliability of phosphate mine shaft siting and provides effective geophysical guidance for subsequent phosphate mining operations.
0 引言
磷矿是磷肥制造的基础原料，是支撑现代农业体系的重要战略性矿产资源（王莹等，2022）。随着化工材料与新能源产业链的延伸，磷资源的应用已由传统农业领域逐步拓展至精细化工及新能源材料等方向。同时，研究表明部分磷矿床中伴生赋存较为丰富的稀土资源（鄢正华，2011；刘林等， 2024），使磷矿开发在资源综合利用与价值提升层面具有更强的现实意义。因此，磷矿资源的开发利用水平不仅关系到粮食增产能力，也直接影响国家重要矿产资源安全与产业链稳定。
中国磷矿资源储量居世界前列，但整体分布高度集中于云南、贵州、四川和湖北等西南部地区（王文浩等，2025），其广泛产出的新元古代晚期至早寒武世磷块岩矿床，其在沉积型磷矿床中有着代表性地位（Pufahl and Groat，2017）。随着浅部易采资源逐步枯竭，深部磷矿资源的规模化开发已成为行业必然趋势（李祥仪，2001）。贵州省是中国重要的磷矿资源产区之一（赵玉凤等，2021），其磷矿主要分布在开阳—息烽和瓮安—福泉（韦天姣，1993），该区磷矿资源储量丰富、矿石品位高、矿层厚度大，在国家磷资源保障体系中具有重要战略地位。然而，贵州地区呈典型喀斯特地貌特征，广泛发育可溶岩地层，地下岩溶系统和含水通道发育复杂，深部开采过程中极易诱发灌水、突泥和井喷等灾害，严重制约矿山安全生产（李勇等，2021）。竖井作为深部磷矿开发的关键工程设施，是井下采区与地表联系的主要通道（王春江，2023），其位置选择直接关系到后续井筒施工难度、支护止水以及长期运营安全。因此，在竖井布置计划阶段系统查明井筒控制范围内岩溶及破碎带的空间展布特征，优选围岩条件较好且含水性相对可控的井位，是深部磷矿工程设计中的关键环节。目前，该类问题主要通过地球物理探测与钻井钻探的方式开展研究（罗术等， 2023），其中地球物理探测方法因具有非破坏性和成本较低等优势，在前期勘查中得到广泛应用（陈世锋等，2025）。
近年来，电阻率法、可控源电磁法、激电法以及地震方法等多种地球物理手段可有效获取岩溶系统的几何形态、孔隙特征及水文联系，这些方法在喀斯特地区的矿山水害与岩溶探测中得到了广泛应用（Wang et al.，2025a，2025b）。梁添才和陈清 （2019）将高密度电阻率法应用在水库渗漏的检测中，并获得了较好的结果；陈贻祥等（2022）、马吉静 （2019）也在地下水和溶洞探测应用了高密度电阻率法。同时多种物探方法联合测量以提高探测准确度也是现在工程探测的趋势。Sun et al.（2018）采用 3 种电磁方法进行地下异常探测，成功找到相应高风险区域；李星等（2021）通过将电阻率法与探地雷达相结合，开展塌陷区精细化探测研究，充分发挥了不同物探方法在分辨率和探测深度方面的互补优势；刘永亮等（2024）则采用音频大地电磁法与高密度电阻率法，对岩溶山体滑坡的内部结构特征进行了系统探测。上述研究结果表明，地球物理探测技术在地下水系统、岩溶体及破碎带识别方面具有较高的有效性和可靠性。
本文研究区前期扩频激电与可控源电磁等方法探测深部岩溶发育情况的基础上（张博尧等， 2024）。进行竖井选址阶段的探测，本阶段需要一种布设灵活、分辨率高、适应复杂地形、对浅中深部电性细节敏感的手段，因此本文采取高密度电法和扩频激电方法对竖井选址周边数百米范围内的岩溶及破碎带进行精细刻画，为今后喀斯特地貌条件下的矿山竖井选址提供地球物理探测支持。
1 区域地质与物性特征
1.1 区域地质背景
研究区位于黔中开阳—息烽磷矿成矿带内（图1），区内及其附近出露第四系松散堆积物和寒武系地层，深部隐伏震旦系及南华系地层，地层自新至老大致可划分为以下几大单元。
（1）地表为第四系（Q），主要分布于研究区地势相对低缓的区域或缓坡地带，岩性以黄褐色砂土、亚砂土及黏土、亚黏土等残坡积物为主。该地层与下伏地层呈角度不整合接触。
（2）寒武系（Є），自上而下依次为芙蓉统娄山关组（Є3ls）中薄—中厚层白云岩及泥质白云岩；中寒武统石冷水组（Є2s）主要为灰色中厚层白云岩；中寒武统高台组（Є2g）灰色、灰黄色薄层粉砂岩夹同色页岩；下寒武统清虚洞组（Є1q）灰色厚—中厚层细晶灰岩，顶部为灰色中厚层鲕豆状白云岩，中部为灰色中厚层—厚层细晶灰岩，方解石脉及团块较发育，底部为灰色中厚层豹皮状泥灰岩；下寒武统金顶山组（Є1j）岩性为灰色含云母细砂岩夹杂粉砂质页岩； 下寒武统明心寺组（Є1m）岩性以灰色页岩，薄层细砂岩为主；下寒武统牛蹄塘组（Є1n）主要为隐伏地层，以黑色炭质页（泥）岩为主。
图1研究区位置图
（3）震旦系（Z），上震旦统灯影组（Z2dn）为灰色中厚层—厚层细晶白云岩，硅化白云岩，含较多藻体，研究区内为隐伏地层，据钻探揭露；下震旦统洋水组（Z1d）顶部为乳白色磷块岩；在研究区为隐伏地层，由砂岩、磷块岩和含磷砂砾岩等组成。中部为兰灰色中厚层磷块岩。下部为黄灰色薄层—中厚层白云岩。底部以灰绿色细砂岩为主。
（4）上南华统南沱组（Nh2n），该地层在研究区范围内为隐伏地层，地表出露于研究区西侧外，下伏于陡山沱组之下，岩性为紫红色页岩，偶夹灰绿色页岩。
1.2 地球物理特征
为了在物探解释中引入可靠的物性约束，在深部电磁勘探工作中开展了岩石电性测试，包括室内强迫电流法测量以及野外露头小四极物性测量，共采集百余件岩心标本，表1为电性参数测量结果。通过将测试结果与钻孔岩性、地层分布进行综合分析，建立本区不同岩性单元的电阻率分布特征如图2所示。
娄山关组—石冷水组白云岩整体以中—高阻特征为主，在未遭受明显破碎和岩溶改造的部位，电阻率相对稳定，在部分区域存在破裂，导致地层中的含水量明显增加从而表现为低电阻特征；高台组—牛蹄塘组岩性以砂岩和页岩为主，电阻率表现为中低阻的趋势，部分区域由于岩性的改变呈现中高阻的特征，电阻率整体表现为中低阻；灯影组巨厚白云岩总体呈现中高阻趋势，该地层裂隙发育少，地层含水量较低，不常见低阻；洋水组上层的磷块岩总体呈中低阻，其岩性破碎，含水量高；洋水组下层的灰绿色砂岩和南沱组紫红色砂岩总体呈现低阻，其原因是砂岩含水量较高，导致电阻率低。从宏观数据来看，该地区的地层电阻率从地表到深部呈现出高-低-高-低的变化规律。
表1岩矿石电阻率参数统计
图2钻孔岩心电阻率曲线图
1.3 竖井工程地质特征与敏感靶体
大坪磷矿竖井工程所处区域，既是富磷矿体集中分布区，也是岩溶、断裂和地下水活动较为强烈的地段。竖井设计深度一般在数百米，井筒需穿越厚层第四系松散堆积物、可溶性白云岩段以及磷矿层上下围岩，在工程地质上存在多类潜在不良地质体。其中，对竖井选址影响最大、也是电法探测重点刻画的敏感靶体主要包括：强风化—强破碎带、大型或连通性强的充水岩溶体、与地表河流及水库存在水力联系的含水通道以及具有软弱性质的泥质白云岩或泥岩层段。
强风化—强破碎带多受区域构造及次级裂隙控制，岩体完整性差，易在井筒施工中产生坍塌与涌水问题。这类破碎带内部裂隙发育、孔隙增多，若含水丰富，则电阻率相对于周围完整白云岩明显降低，并在电法剖面上表现为纵向或斜向延伸的中低阻带。大型充水岩溶体及其群体则常呈现为低阻异常团块，内部电阻率受充填物性质与含水量影响较大，边界处电阻率变化梯度明显，是竖井布置中需尽量规避或通过工程措施重点治理的对象。区域地质背景与岩石物性特征共同构成了物探解释的先验约束。通过将竖井工程关注的关键不良地质体与相应的电性响应建立一一对应关系，在后续数据处理与解释中即可有针对性地从电阻率剖面中提取与竖井选址密切相关的异常信息，为井位优选与工程风险评估提供依据。
2 方法原理及测量方案
2.1 高密度电法
高密度电法是一种阵列式的电阻率勘探方法，其基本原理上与传统的电阻率法一致，但在观测过程中采用了更高密度的测点布设，集电测深与电剖面装置于一体，能够同时观测地下地质体在横向与垂向上的电性变化特征。在野外作业时，所有电极依次排列固定于测点，进行数据采集。凭借大量的电极同时观测且组合方式灵活，该方法能够获取更丰富精确的地电结构信息。与常规电法相比，高密度电法具有天然的优势：电极布设快速同时减少其所带来的测量误差，排列方式灵活可以获取更多地电结构信息，自动采集避免人为因素导致的误差。
2.2 扩频激电法
扩频激电法（SSIP），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，利用扩频通信理论提高信噪比，通过研究时间域或频率域电场作用下岩矿石电阻率及极化率的差异来解决地质问题。在传统的激电方法上引入变频信号，同时采用无线分布式高精度阵列的采集方式，每次向地下发送 M序列伪随机扩频信号，因此具有较强的抗干扰能力（廖凤初等，2024）。
可以根据观测不同频率的电流 I 及电位差 ΔV，从而计算相对应的视电阻率ρs（ f）：
(1)
式（1）中K表示为装置系数，同时可以在两个高低频率中计算幅频率Fs：
(2)
同时也可以根据不同频率的相位，换算相对相位ϕr（ω）：
(3)
该方法环境适应能力强，适合在干扰强、地形陡等特殊地形地貌区开展勘探。激电法在很多方面上有极大的便捷及优越性，相比于其他电法和电磁法在固体矿产方面的勘察上，其能够探测到浸染状金属硫化物引起的异常。但这并不能掩盖其不足，比如存在施工效率低、勘探成本高及无法区分金属矿与碳化围岩等缺陷。本方法选用设备为 GS2IP 扩频激电仪，主要解决 600 m 以浅的岩溶、地下水、构造破碎部位等分布情况。
2.3 测线布置
研究区域地质资料验证构造主要为南北向和北东向，因此本次测线主要按照东西向和北西向布置，结合实际测量位置布置14条高密度测线及相应的扩频激电测线，如图3为较为典型结果测线布置。
3 典型竖井地段高密度电法剖面解释
3.1 G1-1 1号主井及2号副井测线
G1-1测线沿1号主井-2号副井规划带布设，是约束主、副井区岩溶与破碎带发育情况的关键剖面。从高密度电法二维反演结果看，剖面自上而下电性结构分带特征明显：浅部为第四系残坡积层和风化带，整体电阻率偏低，在山坡、沟谷及洼地位置形成若干薄层低阻透镜体；中部为厚层中高阻白云岩段，电阻率总体在数百至数千欧米之间，代表较为完整的碳酸盐岩围岩；深部则为电阻率明显降低的中低阻层，局部形成槽状低阻体向两侧楔入白云岩层内部，构成“上部中高阻盖层—下部中低阻槽体”的总体格局。
在测线中段偏西部位，深部低阻槽体发育最为明显，1号主井在1000 m标高以下的低阻异常体，推断与 400 号测点附近的破碎带、石冷水组的泥质白云岩有关；2号副井在900 m标高以下呈现相对低阻异常，位于1号主井在该标高附近低阻异常的边部，反映 2 号副井在该标高部位进入破碎或泥质白云岩。结合区域地质资料，该低阻槽体与一条近南北向断裂及其控制的岩溶-破碎带位置基本吻合，下伏地层中裂隙、溶蚀孔洞和地下水富集，构成竖井工程中的典型不良地质体。在槽体两翼，中高阻白云岩分布较为连续，电阻率变化平缓，仅局部出现窄带状中低阻异常，显示破碎岩溶作用程度明显减弱。
图3典型区域测线布置图
与高密度电法测线平面位置对应的扩频激电剖面，在深部低阻槽所在区域表现出显著的高相位、高频散异常，扩频激电 G1-1 号线通过 1 号主井和 2 号副井（图4），从扩频激电勘探成果看，1 号主井和 2 号副井在 1050 m 标高以浅范围内存在低阻异常，推测该段为第四系和破碎岩石，含水性增加； 但该高程异常位于浅部，主要为第四纪地层及与风化层之间的浅表水，水量不大；该现象与 G1-1的高密度电法勘探成果吻合。结合 G1-1线的扩频激电幅频率二维反应结果看，浅部有弱激电异常，指示与浅部破碎、地表水下渗等因素有关，但激电异常弱，含水性不高。在 340 号测点附近疑似发育一条陡倾破碎带，在 1 号主井的 500～900 m 标高范围，存在电阻率降低的趋势，但无明显幅频率激电异常，推测该标高范围内主要为泥质白云岩的影响，在 2 号副井的 500～1000 m 标高范围，存在电阻率降低的趋势，但无明显幅频率激电异常，与该标高范围内主要为泥质白云岩的情况吻合，2 号副井施工到 950～1000 m 标高附近时，注意关注岩石破碎情况。结合两种物探方法的反演结果，针对于 1 号主井和 2 号副井设计选址具有较大的风险，不宜在原位置进行竖井布设。
图4G1-1测线物探反演成果图
a—高密度电法电阻率反演图；b—扩频激电法电阻率反演图；c—扩频激电法幅频率图
图5G6-2测线物探反演成果图
a—高密度电法电阻率反演图；b—扩频激电法电阻率反演图；c—扩频激电法幅频率图
3.2 G6-2北部回风井测线
G6-2测线穿越矿区北部 6号回风井规划位置，剖面电性结构相对简单。高密度电法二维反演结果显示（图5），浅部第四系覆盖层电阻率较低，主要受土体性质和含水量控制，厚度总体不大；中部为厚层中高阻白云岩，电阻率在沿线方向上分布均一，等值线基本呈缓倾或近水平状，反映出白云岩体整体完整性较好；深部电阻率略有降低，但未见贯通性的深大低阻带切割白云岩层，仅在剖面一侧下部存在中等规模的中低阻隆起体。整个6号北部回风井表现为浅表的电阻率，在 950～1000 m 高程范围内存在低阻异常，推测该段岩石破碎，含水性增加。
在 6 号回风井所在位置，自地表至竖井设计控制深度范围内，中高阻白云岩体连续分布，局部仅在地表浅层岩溶洼地及风化带位置出现小型低阻透镜体，埋深浅、横向延伸有限。与 G1-1 测线相比，该区域不存在类似的大尺度槽状低阻体和明显的电阻率突变带，说明北部白云岩段岩溶与断裂破碎作用相对较弱，围岩整体稳定性较好。
对应的扩频激电剖面在6号回风井附近表现为相位低、频散效应弱的背景特征，浅中深部未见大范围高相位异常，仅在测线一侧远离井位的中深部位置出现一个独立的高相位-中低阻异常团块。该异常体与高密度电法中等规模中低阻隆起的位置基本一致，推测为局部充水岩溶或破碎含水体，但其与 6 号回风井轴线之间具有一定水平距离，在井筒控制范围内未形成连续异常带。电阻率与激电的这一组合特征表明，6 号回风井所在区段以完整白云岩为主，没有发现明显的富水区，没有明显的不良地质异常，局部仅发育小型岩溶和风化带，整体属岩溶-破碎作用较弱的有利工程地段。因此该区域的地质结构有利于 6 号回风井的布设，安全风险较小。
4 结论
（1）高密度电法与扩频激电联合应用能够有效识别深部磷矿区竖井工程中的关键不良地质体，对喀斯特地区类似竖井、斜井及巷道工程的前期选址具有良好的推广价值。结合后续施工阶段的超前探查与反馈，可进一步提高深部磷矿开发的安全性与经济性。
（2）综合两条典型剖面及区域资料，针对该研究区域提出以“中高阻、相位低且横向连续的白云岩段”作为竖井优选带，以“深部槽状低阻及强高相位异常区”作为避让带的圈定思路。为竖井布置调整和防水加固设计提供了重要依据。
（3）一般物探电法工作仅依靠单一的电阻率区分异常，本研究结合高密度的浅部精细化电阻率刻画以及扩频激电法对于破碎地区和含水溶洞的高灵敏度激电响应，相互验证给出更加严谨的解释研判，突出了多种方法联合解释的重要性。
