葛偉男

(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院，福州，350013)

福建境內(nèi)主要含煤地層為中二疊世童子巖組煤系地層，是一套海陸交互含煤沉積，廣泛分布于閩中及閩西南地區(qū)。煤系地層從下往上一般分為3個(gè)段，其中一、三段為含煤段，二段為不含煤泥巖段。經(jīng)多年的開采，淺部煤炭基本被采完。由于煤炭資源埋藏較深，以往常規(guī)槽探、鉆探方法見煤率低、效果差[1-5]，因此，勘探工作重點(diǎn)和難點(diǎn)是在復(fù)雜地形條件下尋找隱伏煤層。深部找煤常采用物探手段與深孔驗(yàn)證相結(jié)合的方式，實(shí)踐表明，地形能夠引起物探虛假異常，從而掩蓋地下由礦體或目標(biāo)物引起的異常，如果不能對(duì)地形異常進(jìn)行正確的認(rèn)識(shí)和消除，將直接影響解釋效果和勘探方法的有效性，甚至導(dǎo)致完全錯(cuò)誤的解譯結(jié)果?？煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁和音頻大地電磁法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種人工源方法，具有工作效率高、勘探深度范圍大、垂向和水平分辨率高、受地形影響及高阻層的屏蔽作用小等優(yōu)點(diǎn)。如今該方法應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到了地質(zhì)普查以及石油、天然氣、地?zé)帷⒔饘俚V床、水文環(huán)境等勘查[6-11]，成為一種重要的深部勘探地球物理方法。

研究區(qū)位于福建三明，地形條件復(fù)雜、煤系地層埋深較深，常規(guī)的地球物理方法無法滿足目前的勘探要求。結(jié)合CSAMT方法優(yōu)點(diǎn)，通過布設(shè)5條剖面，獲得了研究區(qū)深部電性結(jié)構(gòu)，為圈定低阻異常帶，指導(dǎo)鉆孔設(shè)計(jì)，以及煤炭資源勘查遠(yuǎn)景提供有利信息。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地處三明市郊，屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，地勢(shì)總體東南高西北低，東南部最高山峰標(biāo)高為973.80 m，西北部河谷最低標(biāo)高為186.36 m，相對(duì)高差為787.44 m；山脈走向北東，與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，山脊與溝谷相間排列；區(qū)內(nèi)地形切割較強(qiáng)烈，個(gè)別地方形成陡壁，通行條件較差。

1.1 地層

研究區(qū)處于閩西南坳陷帶內(nèi)，位于大田—龍巖凹陷的北部，廣平—龍巖復(fù)式向斜西北側(cè)。主要出露中二疊世童子巖組、早三疊世溪口組、晚侏羅世長(zhǎng)林組和第四紀(jì)全新世(圖1)。含煤地層為中二疊世童子巖組，受構(gòu)造及侵入巖影響，主要分布在F1斷層的西北側(cè)，僅出露第一段，其巖相為一套碎屑濱海帶沉積居多的海陸交互相沉積，由灰、灰黑色薄層細(xì)砂巖、粉砂巖及泥巖組成，水平層理發(fā)育，偶夾薄煤層。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及物探測(cè)線布置圖Fig.1 Geological sketch and physical survey line layout of study area1—第四紀(jì)全新統(tǒng)；2—晚侏羅世長(zhǎng)林組上段；3—晚侏羅世長(zhǎng)林組下段；4—早三疊世溪口組；5—中二疊世童子巖組；6—中二疊世文筆山組；7—晚侏羅世二長(zhǎng)花崗巖；8—花崗斑巖；9—石英斑巖；10—推測(cè)斷層及產(chǎn)狀；11—地質(zhì)體界線/不整合界線；12—老硐位置及編號(hào)；13—鉆孔位置及編號(hào)；14—可控源音頻大地電磁測(cè)深測(cè)線位置；15—研究區(qū)

1.2 侵入巖

研究區(qū)內(nèi)侵入巖主要為晚侏羅世二長(zhǎng)花崗巖及少量花崗斑巖，地表出露范圍較小，主要巖性為似斑狀二長(zhǎng)花崗巖。

1.3 構(gòu)造

研究區(qū)位于大田—龍巖坳陷帶的北部，總體構(gòu)造骨架呈北東向展布，其次為北西向；斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，形態(tài)較為復(fù)雜，具有多期次多階段的特點(diǎn)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東向斷裂為主，對(duì)深部的隱伏煤層具有破壞作用，其中F1斷層為區(qū)內(nèi)最主要斷層，控制該區(qū)含煤地層的分布及形態(tài)，產(chǎn)狀向北西傾。

2 地球物理特征

童子巖組煤系地層呈砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、根土巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖及煤層有規(guī)律的交替分布。地球物理特性總體反映為低電阻率，通過研究區(qū)內(nèi)的物性測(cè)定結(jié)果也證實(shí)了這一特點(diǎn)(表1)。研究區(qū)地層電阻率最高為晚侏羅世二長(zhǎng)花崗巖，其次為晚侏羅世長(zhǎng)林組砂巖、粉砂巖，再次為早三疊世溪口組石灰?guī)r、砂泥巖和中二疊世童子巖組粉砂巖、砂巖、泥巖，而含煤地層及破碎帶電阻率最低，電阻率值為n×10 Ω·m。從電阻率特征值上看，含煤地層及破碎帶與圍巖均有約2個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻率差異，這是以電法等物探工作手段進(jìn)行勘探應(yīng)滿足的前提條件。

表1 研究區(qū)地層電阻率

3 工作方法

3.1 方法選擇

該研究區(qū)采用CSAMT法標(biāo)量測(cè)量，標(biāo)量測(cè)量可以同時(shí)測(cè)量多個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)磁場(chǎng)，多個(gè)電場(chǎng)，同時(shí)一起用一個(gè)磁場(chǎng)，這樣既節(jié)約了時(shí)間又提高了野外的工作效率還節(jié)約成本。根據(jù)野外觀測(cè)方向的不同，有TM模式和TE模式之分，TM模式是指發(fā)射電偶極AB、接受偶極MN和測(cè)線布設(shè)方向垂直于地質(zhì)構(gòu)造走向的測(cè)量模式，可以很容易地確定線性的陡傾斜斷層，故此次野外測(cè)量采用TM模型，在場(chǎng)源中心一定距離外、電偶源AB中垂線兩側(cè)各30°的扇形區(qū)域內(nèi)，同時(shí)觀測(cè)相互正交電、磁場(chǎng)分量。卡尼亞視電阻率[12]表達(dá)式如下：

(1)

式中，ρ為視電阻率，Ex為電場(chǎng)的水平分量，Hy為磁場(chǎng)分量，f為頻率。

根據(jù)趨膚理論及電磁波理論，趨膚深度公式如下：

(2)

式中，H為探測(cè)深度，ρ為大地電阻率，f為頻率。

趨膚深度取決2個(gè)參數(shù)：大地電阻率和信號(hào)頻率 。當(dāng)?shù)貙与娮杪使潭〞r(shí)，電磁波的傳播深度(或探測(cè)深度)與頻率成反比。高頻時(shí)，探測(cè)深度淺；低頻時(shí)，探測(cè)深度深，通常在設(shè)計(jì)CSAMT的野外施工方案時(shí)采用上式來決定所測(cè)量的頻率范圍。

3.2 地形對(duì)物探解釋的影響及消除手段

孫鴻雁[13]指出，對(duì)于TM模式由地形引起的干擾場(chǎng)能夠引起虛假異常，在一定條件下，地形起伏比較大，且山脊下含高阻體或山谷下含低阻體時(shí)，可以完全掩蓋異常體的響應(yīng)，因此地形對(duì)CSAMT法的TM模式視電阻率的影響是不可忽視的。TM模式受地形影響具有一定的規(guī)律，主要表現(xiàn)：①地形對(duì)埋深較淺的低阻體影響較大，對(duì)埋深較深的低阻體影響相對(duì)較??；②山脊下含高阻體(或山谷下含低阻體)更易受地形影響；③地形傾斜角度越大，對(duì)視電阻率影響越大，地形傾角大于5°時(shí)，地形影響已經(jīng)不可忽視，地形起伏越大，對(duì)視電阻率影響愈大；④地形尺度遠(yuǎn)大于4倍接收電極尺度時(shí)，地形影響不能忽視。

此次研究區(qū)地形影響主要為山谷對(duì)淺埋的低阻體影響、山脊對(duì)埋藏的高阻體影響以及部分測(cè)線地形傾角較大對(duì)視電阻率的影響。野外施工時(shí)，在地形傾角較大區(qū)段采用加密測(cè)量的方式來降低地形的影響。消除地形的手段主要包括空間濾波法、比值法和2D帶地形直接反演方法等,為從復(fù)雜的異常中提取出目標(biāo)體的信息，2D帶地形直接反演無論是地形下含低阻還是含高阻異常體，可以明顯消除地形的影響，改善反演解釋結(jié)果，使反演結(jié)果更接近真實(shí)情況。

3.3 野外數(shù)據(jù)采集

此次工作采用美國(guó)ZONG公司的GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，測(cè)量方式采用TM模型標(biāo)量測(cè)量。野外施工前，首先對(duì)接收機(jī)和磁棒進(jìn)行標(biāo)定，以確定儀器處于良好的工作狀態(tài)，測(cè)量時(shí)根據(jù)信號(hào)的干擾及強(qiáng)弱情況，選擇最佳信噪比的增益。場(chǎng)源電偶極AB布設(shè)保持與剖面線平行，誤差小于1°，電場(chǎng)測(cè)量采用不極化電極觀測(cè)，磁參數(shù)采用磁探頭測(cè)量，磁棒與剖面線成垂直方向且保持水平方向，用羅盤確定方向，誤差小于1°。電極連線、磁棒連線均布設(shè)于地面無懸空，以防止切割磁力線對(duì)測(cè)量產(chǎn)生干擾。根據(jù)探測(cè)深度要求為地表以下1 500 m以內(nèi)，選擇采樣頻點(diǎn)為0.125～8 192 Hz，收發(fā)距(r)為6.2～8.2 km，測(cè)量偶極距(MN)均為40 m，接收位置控制在供電偶極中間張角±60°的扇形范圍內(nèi)。此次在研究區(qū)共進(jìn)行了3線、1線、0線、2線和4線5條剖面的CSAMT工作。

3.4 數(shù)據(jù)處理

本次采用美國(guó)ZONGE公司開發(fā)的SCS2D 2.0 CSAMT數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行2D帶地形直接反演，可以明顯消除地形的影響。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、靜態(tài)校正、過渡區(qū)校正和數(shù)據(jù)反演。數(shù)據(jù)預(yù)處理是對(duì)干擾數(shù)據(jù)、誤操作點(diǎn)和壞頻段等進(jìn)行選擇和剔除，對(duì)曲線進(jìn)行圓滑處理；靜態(tài)校正采用平衡移動(dòng)平均空間濾波法(Trimmed Moving Average)，以消除地表局部不均勻電性體引起的靜態(tài)位移效應(yīng)；過渡區(qū)校正利用等效電阻率全頻域視電阻率法對(duì)過渡區(qū)的非平面波場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的畸變進(jìn)行計(jì)算和校正，從而提取過渡區(qū)數(shù)據(jù)中“隱藏”的有用頻率測(cè)深信息，使其得到有效利用，增加剖面的有效反演深度。將上述采用SCS2D數(shù)據(jù)處理軟件處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，反演時(shí)將地形文件數(shù)據(jù)向測(cè)線兩端擴(kuò)展兩個(gè)測(cè)點(diǎn)間距，以改善地形模擬，采用一維模擬移動(dòng)平均數(shù)據(jù)初始化背景模型。反演模式采用TM極化模式，研究區(qū)反演模型約束統(tǒng)一，濾波器寬度和高度均為0.5，總約束參數(shù)為0.5，背景約束參數(shù)為0.1，水平光滑度約束參數(shù)為0.58，垂直光滑度約束參數(shù)為0.42，將地表出露地層和煤系地層及該區(qū)主要地層巖石電阻率測(cè)定結(jié)果，做為地質(zhì)和地球物理解釋依據(jù)，繪制地質(zhì)解釋斷面圖(圖2)。

圖2 研究區(qū)3線帶地形反演前(A)及反演后(B)電阻率斷面對(duì)比圖Fig.2 Resistivity section diagram of before (A) and after (B) terrain inversion of line 3 in the study area

4 資料解釋

4.1 CSAMT典型斷面異常解釋

通過以上數(shù)據(jù)處理和反演，獲得了研究區(qū)各條剖面的電性結(jié)構(gòu)，并結(jié)合地質(zhì)資料繪制了地質(zhì)解譯圖。

1線是測(cè)區(qū)內(nèi)布置的最長(zhǎng)剖面，長(zhǎng)5 560 m。從電阻率反演結(jié)果分析，垂向上看，高低阻分界線明顯，在測(cè)線西段92～300點(diǎn)，高程-100～-500 m處，出現(xiàn)了電阻率橫向低阻分層的特征，視電阻率值為10～250 Ω·m；在測(cè)線中段300～460點(diǎn)，高程200～-300 m處，有一明顯的似層狀低阻異常帶，視電阻率值小于250 Ω·m，依據(jù)電阻率等值線分布特征及地質(zhì)資料，推測(cè)由童子巖組所致；在測(cè)線東段512～642點(diǎn)，高程500～100 m處，存在低阻異常帶，視電阻率值小于500Ω·m，依據(jù)電阻率等值線分布特征及地質(zhì)資料，推測(cè)由溪口組所致。橫向上看，根據(jù)電阻率等值線分布特征，存在多處高低阻梯度變化帶，且等值線呈縱向延伸，推測(cè)在302點(diǎn)附近為F1構(gòu)造位置，502點(diǎn)附近為F3構(gòu)造位置，512點(diǎn)附近為F4構(gòu)造位置，推測(cè)構(gòu)造與地表揭露構(gòu)造基本吻合。根據(jù)地質(zhì)資料，在異常西南方向約580 m處見有老煤洞10 m(FD01)，且位于F1構(gòu)造位置。結(jié)合1線在92～300點(diǎn)視電阻率較低，推測(cè)為煤系地層的可能性較大，故在184點(diǎn)設(shè)計(jì)ZK101驗(yàn)證,推測(cè)出煤系地層在標(biāo)高-285～-600 m處，埋深范圍為485～800 m(圖3)。

圖3 研究區(qū)1線CSAMT視電阻率斷面圖(a)及地質(zhì)(b)解釋圖Fig.3 CSAMT apparent resistance interest rate profile (a) and geological interpretation diagram (b) of line 1 in the study area1—晚侏羅世長(zhǎng)林組；2—早三疊世溪口組；3—中二疊世童子巖組；4—推斷斷層

2線的剖面長(zhǎng)5 200 m。從電阻率反演結(jié)果分析，高低阻分界線明顯。在剖面深部有一隆起的高阻異常，視電阻率超過10 000 Ω·m，推斷為花崗巖所致。在測(cè)線西段158～328點(diǎn)，高程100～-600 m處，出現(xiàn)了電阻率橫向低阻分層的特征，視電阻率值為10～250 Ω·m，該低阻異常與1線西段低阻異常特征類似，依據(jù)電阻率等值線分布特征及地質(zhì)資料，推測(cè)由童子巖組砂巖地層所致。在測(cè)線東段498～658點(diǎn)，高程500～100 m處，存在低阻異常帶，電阻率一般小于500 Ω·m，依據(jù)電阻率等值線特征及地質(zhì)資料，推測(cè)由溪口組所致。橫向上，根據(jù)電阻率等值線分布特征，結(jié)合電阻率等值線梯度變化帶位置，推測(cè)在238點(diǎn)附近為F1構(gòu)造位置，338點(diǎn)附近為F2構(gòu)造位置，498點(diǎn)附近為F3構(gòu)造位置。結(jié)合地質(zhì)資料，物探推測(cè)的構(gòu)造與地表揭露構(gòu)造基本吻合(圖4)。

圖4 研究區(qū)2線CSAMT視電阻率斷面圖(a)及地質(zhì)解釋圖(b)Fig.4 CSAMT apparent resistance interest rate profile (a) and geological interpretation diagram (b) of line 3 in the study area1—晚侏羅世長(zhǎng)林組；2—早三疊世溪口組；3—中二疊世童子巖組；4—晚侏羅世二長(zhǎng)花崗巖；5—花崗斑巖；6—推斷斷層

4.2 鉆探及測(cè)井驗(yàn)證情況

根據(jù)可控源音頻大地電磁測(cè)深成果，推斷出區(qū)內(nèi)地層的出露位置和地層產(chǎn)狀特征，并根據(jù)地形條件在1線184點(diǎn)附近設(shè)計(jì)驗(yàn)證鉆孔。驗(yàn)證鉆孔終孔深度為900.75 m，揭露在標(biāo)高-262.37～-628.44 m，埋深462.37～828.44 m處發(fā)現(xiàn)了童子巖組煤系地層，煤層產(chǎn)于童子巖組第一段，受F1斷層控制，均位于F1斷層的西北側(cè)，呈層狀產(chǎn)出，產(chǎn)狀較為平緩。鉆探結(jié)果與物探解釋較為吻合。

電阻率測(cè)井標(biāo)高在200～-300 m，層厚為500 m，視電阻率一般為100～800 Ω·m，為相對(duì)高電阻率；而標(biāo)高-300 m以下層厚300 m，視電阻率一般為10～200 Ω·m，為相對(duì)低電阻率，井中電阻率與CSAMT反演電阻率剖面縱向變化規(guī)律相似，證實(shí)了CSAMT法的有效性(圖5)。

圖5 測(cè)井電阻率圖Fig.5 Logging resistivity map

5 結(jié)論

(1)為提高野外的工作效率并節(jié)約成本，CSAMT法往往采用標(biāo)量測(cè)量的TM模式，導(dǎo)致CSAMT視電阻率受復(fù)雜地形影響嚴(yán)重，不但會(huì)引起虛假異常，而且會(huì)掩蓋地下由礦體或目標(biāo)物引起的異常，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)進(jìn)行有效的地形校正，改善勘探成果質(zhì)量。

(2)開展CSAMT法勘探時(shí)，在野外采集數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠前提下，利用二維帶地形反演方法可有效消除地形影響，結(jié)合地質(zhì)資料和物性參數(shù)，提高地下電性構(gòu)造單元和斷裂構(gòu)造的解釋精度，為圈定煤系地層提供了可靠的依據(jù)。

(3)研究區(qū)地形復(fù)雜，煤系地層埋藏深，CSAMT法反演成果有效地指導(dǎo)了鉆孔布設(shè)，體現(xiàn)了其探測(cè)深度大、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，可為今后在復(fù)雜地形區(qū)域的深部尋找煤系地層提供指導(dǎo)和借鑒意義。

資料來源為福建省地質(zhì)調(diào)查研究院在福建三明三元區(qū)扁擔(dān)洋—蒼坑煤礦區(qū)預(yù)查成果，為集體成果，對(duì)參與此項(xiàng)目的所有工作人員表示由衷的感謝。