引用本文
刘永亮, 孙海川, 鲁国防. 综合物探在平山湖地区煤炭勘查中的应用[J]. 物探与化探, 2015,39(4): 738-742.
LIU Yong-Liang, SUN Hai-Chuan, LU Guo-Fang. The application of integrated methods to the coal exploration in Pingshanhu area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(4): 738-742.  
Doi:10.11720/wtyht.2015.4.13
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综合物探在平山湖地区煤炭勘查中的应用
刘永亮, 孙海川, 鲁国防
甘肃煤炭地质勘查院,甘肃 兰州 730000

作者简介: 刘永亮(1983-),男,甘肃平凉人,物探工程师,主要从事煤田地质勘查和研究工作。Email:32922853@qq.com

收稿日期: 2014-10-14
基金: 中央地质勘查基金项目(2007621110)
摘要

为在甘肃省河西地区寻找煤炭资源,采取了电法和地震相结合的综合物探方法,将收集到的有关地质、测井等资料作为物探定量解释的约束条件进行综合地质推断,认为该区构造走向为北西西向,北部基底抬起并大部缺失中侏罗统,南部为一凹陷构造,中下侏罗统较完整,含煤性较好。依据物探推断结果,在该区施工了验证孔,验证情况与物探解释吻合较好,为后期在该区找煤提供了较好的依据。

关键词: 综合物探; 煤炭资源勘查; 可控源音频大地电磁测深; 地震勘探; 定量解释; 甘肃河西地区
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)04-0738-05
The application of integrated methods to the coal exploration in Pingshanhu area
LIU Yong-Liang, SUN Hai-Chuan, LU Guo-Fang
Gansu Coal Geological Prospecting Institute, Lanzhou 730000, China
Abstract

The exploration area is located on the southern margin of the piedmont pluvial slope of the North Mountain on the gobi desert and is covered largely by Quaternary sediments. Its geomorphology is characterized by broad and flat gobi desert. In order to find the coal resources in this area, firstly, the authors adopted the combination of electrical method and seismic comprehensive geophysical prospecting method, and collected relevant geological and geophysical logging data as the constraint conditions for comprehensive geological inferences to conduct quantitative interpretation of geophysical prospecting. Integrated geophysical inference shows that the geological structure is striking NWW, the basement in the northern part has been lifted and the middle Jurassic strata are missing, the southern part is a concave structure, the middle lower Jurassic strata in this area are complete and the coal potential is promising. According to the geophysical inference, drill holes for verification were deployed in this area, and the result shows that the verification drilling matches well with geophysical prospecting, thus providing a better basis for coal exploration in this area in the future.

Keyword: integrated geophysical exploration; coal exploration; controllable source audio magnetotelluric exploration; seismic exploration; quantitative interpretation; Hexi area of Gansu

甘肃省河西地区历来是严重缺煤区, 又是甘肃省重要的工农业生产基地, 长期以来, 区内能源供需矛盾突出, 所需煤炭大多依靠外调。随着区内经济快速发展, 煤炭缺口日益增大, 因此, 实施该区煤炭勘查工作具有重要的意义。

该区找煤工作始于20世纪90年代, 随着煤炭行业关井压产而终止。2004年至今, 根据甘肃省政府经济发展的战略部署, 甘肃煤田地质局组织在该区先后开展了煤炭勘查工作, 并取得了突破性的成果。

1 测区地质及地球物理特征

勘查区位于甘肃省河西走廊(图1), 区内为大面积第四系覆盖, 只有零星的新近系和白垩系地层出露; 以震旦系上中统地层为沉积基底, 其上沉积了中生界侏罗系、白垩系、新生界新近系中新统、第四系全新统和下更新统地层。勘查区总体呈北西西— 南东东走向, 为略向西仰起、向东倾伏的褶曲构造, 区内大部主要位于中部凹陷带, 受后期断裂构造挤压的影响, 自北而南表现为平山湖背斜、黄沙梁— 马鞍山向斜、南部背斜、南部次级向斜。勘查区内含煤地层为中、下侏罗统地层, 其中中侏罗统青土井群地层为主要含煤地层, 下侏罗统芨芨沟群地层为次要含煤地层 13。

图1 工作区地质简图

为了解本区地层的电性特征, 收集了本区及周边地区的地质、测井等资料(表1)。

表1 测区地层电阻率Ω · m

本区各地层之间具有明显的电性差异。测区第四系为砂砾石层, 与下部地层相比显示为高阻; 新近系主要以含砾砂岩为主, 其电阻率总体上低于第四系; 白垩系和侏罗系都主要以砂岩加少量泥岩为主, 总体呈现出低阻特征; 震旦系上中统地层为沉积基底, 以石英片岩和大理岩为主, 是本区明显的高阻标志层。

测区属典型的沙漠戈壁地貌, 表层被第四系沙土所覆盖, 故表层地震地质条件较好; 新近系底界面是良好反射界面, 能够产生较强的反射波。区内主要煤层与围岩间的波阻抗差异较大, 具备形成反射波的物性条件。

依据以上分析, 在本区利用综合物探方法勘查煤炭资源是可行的。

2 方法技术

通过前期研究, 选择使用可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)及地震勘探。本次物探工作自西向东共布置了走向约为北偏东16° 的勘查线5条, 线距1 km(见图1), 全部开展了CSAMT和地震勘探工作。

CSAMT测量选用加拿大凤凰公司V8多功能电法工作站。通过试验选取频率范围为0.468 75~5 120 Hz 共28个工作频率, 收发距r=5 km, 供电电流10 A, 供电偶极AB=1 600 m。CSAMT的资料反演处理采用成都理工大学的MTSoft 2D反演程序, 反演方法为二维非线性共轭梯度法[4, 5]。

地震勘探选用法国Sercel公司428XL数字地震采集系统, 采样间隔1 ms, 记录长度2 s, 全频带接收, 记录格式SEG-Y; 仪器接收道数144道, 道距 10 m, 叠加次数36次; 激发方式为中点, 钻机成孔, 3井线性组合, 井间距10 m, 单井井深12 m, 单井药量3 kg; 5个检波器线性组合, 组内距5 m, 组合基距20 m。

地震资料处理[6]包括以下几种方法:① 基于折射波理论的绿山折射静校正方法; ② 野外坏炮、坏道的人工剔除和真振幅恢复; ③ 叠前高通滤波HPASS(15、25 Hz); ④ 消除面波; ⑤ 多道预测地表一致性反褶积; ⑥ 速度分析; ⑦ 二维地表一致性剩余静校正SATAN; ⑧ 二维保幅叠加。为了进一步提高剖面质量, 进行了叠后处理。从分析可知, 叠后剖面主要存在一些随机噪声, 应用二维多项式拟合消除随机噪声, 使得叠加剖面在保持真实自然的基础上, 信噪比和连续性也得以改善。

本区地震资料解释利用GeoFram 3.8.1解释软件及CPS-3地质绘图软件, 在SUN工作站上进行。在资料解释过程中, 将叠加数据体和偏移数据体加载到解释系统后, 采用人机联作对地震叠加时间剖面和迭偏时间剖面进行综合分析、解释, 确保了解释成果的可靠和准确性。

3 效果分析
3.1 地层

图2为1线4 900 m处的CSAMT测量曲线。这种曲线普遍分布于测区中部, 为HKHA型曲线。

图2 1线4 900 m处的CSAMT视电阻率曲线

从这类曲线上可以看出, A点左侧视电阻率值变化大, 且和中间层的值差异大, 反映为新生界(Q+N)不均匀的高阻特征; AB段视电阻率变化小, 且明显低于新生界视电阻率值, 结合已有资料认为是侏罗系(J)地层的特征反映(本区北部缺失白垩系地层), 且AB段部位越宽, 代表侏罗系地层越厚, 反之越薄; B段右侧反映的是本区基底(Z)的高阻特征, 若B点前移, 则反映基底抬起变浅, 反之变深。结合该地区地质资料对CSAMT曲线进行反演计算[7], 新生界底界约为200 m, 侏罗系底界约为700 m。

图3为1线地震单炮记录。可以看出有两组明显的同相轴, 分别为TN(约0.5 s处)和TM同相轴(约0.8 s处)。后经钻探验证, TN同相轴为新生界底界面的反射波组, TM同相轴为侏罗系煤层的复合反射波。这两组波全区较稳定, 能量较强, 是该区地震解释的主要依据[8]。

图3 1线上某点的地震单炮记录

3.2 断裂构造

由于本区构造复杂, 所以先期采取了电法和地震相结合的勘探手段, 目的是控制区内煤系地层的赋存范围及基底起伏形态, 并对本区的断裂构造作出详细的解释 911。从图4可以看出, 上部中高组电性特征代表新生界地层(Q+N), 厚度约

图4 1线CSAMT法反演电阻率等值线断面

200 m, 往北逐渐变薄; 中部低阻层代表中生代侏罗系地层, 在3 700 m处电阻率等值线有较明显的错动, 最终解释为北部基底抬起错动形成的逆断层F3的电性反映。

图5为1线地震时间剖面, TN同相轴代表新生界底界面反射波, 在北部有明显的抬起, T3、T7同相轴代表该区煤层煤3组和煤7组的复合反射波, 且从图中可以看出, 在3 400~3 900 m范围内出现明显的错断, 认为是F3断层的特征反映。其余4条物探测线也较好地控制了测区的构造形态, 基本与1线相似。综合物探解释认为:F3为该区主要的控煤构造, F3断层以北煤系基底抬起变浅, 新生界底界为150 m左右, 侏罗系底界为700 m左右, ; F3断层以南为一凹陷构造, 基底较北部变深, 新生界底界为200 m左右, 侏罗系底界为1 000 m左右; 根据综合物探成果中中间层的特征, 认为F3断层以北侏罗系含煤地层变薄, 可能缺失中侏罗统含煤地层, F3断层以南中下侏罗统沉积较厚且连续性好。

图5 1线地震时间剖面

图6 1线地质剖面

依据物探解释结果, 以1号线为主导剖面进行了钻探验证, 布置了3个验证孔:ZK1、ZK2、ZK3(见图4), 设计孔深950 m。ZK1钻遇新生界底界为176.16 m, 并且在202.2~280.6 m钻遇中侏罗统青土井群煤层, 在495.72~597.7 m钻遇下侏罗统芨芨沟群煤层, 该钻孔终孔深度901.85 m, 终孔层位为下侏罗统芨芨沟群下岩组。

ZK3在160.4 m钻遇新生界底界, 在230.19~325.15 m钻遇下侏罗统芨芨沟群多层煤层。该钻孔未见中侏罗统地层, 且在540 m见断层破碎带, 地层也出现重复情况, 这充分验证了物探解释断层F3的存在。该钻孔终孔深度为904 m, 终孔层位为F3断层下盘凹陷段的下侏罗统芨芨沟群下岩组。

依据ZK1和ZK3的验证情况, 下侏罗统煤层最深埋深在600 m左右, 因此设计ZK2深度为650 m。该钻孔钻遇新生界底界为219.79 m, 未见中侏罗统, 分析认为是受断层及后期剥蚀所致; 在491.58~595.21 m钻遇下侏罗统芨芨沟群煤层, 终孔深度 623.29 m, 终孔层位为下侏罗统芨芨沟群上岩组。图6为1线地质剖面, 通过ZK1、ZK2、ZK3的验证, 所见地层及埋深情况与物探资料吻合较好。

根据1线验证情况, 又在5线布置了2个钻孔, 在4线布置了1个钻孔, 验证情况进一步证实了F3断层以北基底抬起并大部缺失中侏罗统, 南部为一凹陷构造, 中下侏罗统较完整, 含煤性较好。因此通过在该区开展综合物探勘查工作可以为钻探施工提供较可靠的依据, 并为该区后期煤炭勘查工作起到指导作用。

4 结论

本区构造复杂, 开展CSAMT法和地震相结合的勘查手段是有效的, 基本查明了区内含煤地层及断裂构造的埋深及展布特征, 为下一步的找煤工作提供了第一手资料。尽管两种方法只能大致划分地层界线, 在纵向的深度解释中还存在一定的误差, 但对断裂构造具有很好的横向分辨效果, 可以查清断裂构造的展布特征和基底的起伏形态。下一步要结合已知钻探和测井资料, 进一步研究该区地层及岩层的电性特征和地震波速度特征, 提高物探资料的解释精度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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