0 引言
我国的煤炭资源经过多年大规模勘查开发,勘查重点已经转向深部。巨厚新生界覆盖区在深部含煤区中占比重要,目前在类似区域系统性煤炭勘查工作的研究还相对较少。通常情况下,巨厚新生界覆盖区的煤层埋藏深度大、勘查程度低,新生界与下伏地层为显著不整合接触,地表地形地质与深部煤炭赋存情况没有必然联系,因此在此类地区进行煤炭勘查工作成本高,难度大。物探作为先行手段在此类地区进行煤炭勘查的地质和经济效益显著。
研究区位于宁夏香山西麓某巨厚新生界覆盖区,前人仅在20世纪50年代在烟洞山—香山一带进行过1∶5万煤田地质调查工作,对地层、煤层和构造情况作了概略了解。在研究区内先期实施的二维地震勘探获得的时间剖面同相轴连续性不好,构造反映不明显。实施了4个验证钻孔,结果表明二维地震勘探未能达到勘查目的。经分析研究后,将验证钻孔作为已知条件,补充实施了可控源音频大地电磁法(CSAMT)为主,辅以少量直流电测深(vertical electric sounding,VES)的综合电法勘探工作,圈定了含煤地层范围和主要控煤构造,并与地震勘探有利区域的资料结合,确定了煤层和断层情况。后续钻探验证和各阶段地质勘查成果表明,研究工作所采用的电震综合物探方法效果明显,对类似地区煤炭勘查工作具有示范作用。
1 研究区地质及地球物理特征
1.1 地质特征
图1
图1
研究区区域地质及工程布置
Fig.1
Regional geology and engineering layout of the study area
研究区为丘陵地貌,大部分被第四系覆盖,北部有少量二叠系红泉组出露。区内钻孔揭露的地层有奥陶系(O)、二叠系红泉组(P2h)、侏罗系芨芨沟组(J1j)、侏罗系延安组(J2y)、新近系(N)和第四系(Q)。含煤地层为侏罗系延安组,未见顶,残留厚度为234.11~556.74 m,含煤24层,煤层平均厚度为33.97 m。新生界地层总厚度345.04~972.95 m,总体呈“北东厚、南西薄”的特征。新近系地层厚度69.9~710.04 m,平均309.66 m,岩性主要以浅黄红色厚层黏土、砂质黏土、浅红色厚层含砾细砂、砾石层为主,与下伏地层呈角度不整合接触。第四系厚度0~400.82 m,平均158.29 m,主要由黄土、河床冲积层及洪积物组成。
1.2 地球物理特征
1.2.1 地震地质条件
巨厚新生界在横向上赋存不稳定、厚度变化大,对地震资料的静校正有较大的不利影响,加之对地震波强烈的吸收衰减作用,导致浅部地震地质条件较差。
根据研究区及周边地震勘探资料,新生界地震波平均速度1 500 m/s,下伏基岩地震波平均速度为3 100 m/s,二者之间的波阻抗差异明显,具有形成能量强、 波形突出、稳定且全区可连续追踪对比的反射波条件。区内煤层厚度大,赋存稳定,与顶底板的大段砂岩分层明显,且煤层相对围岩具有低密度和低传播速度的特点,具备形成良好的连续强反射波的条件。深部地震地质条件较好,有利于采用地震勘探进行煤炭勘查工作。
1.2.2 电性特征
表1 研究区地层电性特征
Table 1
| 地层 | 主要岩性 | 电阻率/(Ω·m) | 电性分层 | |
|---|---|---|---|---|
| 平均值 | 变化范围 | |||
| 第四系 | 黄土、河床冲积层及洪积物 | 6 | 4~11 | 第1层 |
| 新近系中上部 | 黏土、砂质黏土 | 13 | 8~15 | |
| 新近系下部 | 含砾细砂、砾石层 | 25 | 15~30 | 第2层 |
| 侏罗系延安组 | 粗—细粒砂岩、粉砂岩、煤层 | 16 | 11~72 | 第3层 |
| 侏罗系芨芨沟组 | 含砾粗砂岩、粗粒砂岩、砾岩、细粒砂岩 | 30 | 22~46 | 第4层 |
| 二叠系红泉组 | 细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩 | 62 | 27~99 | |
| 奥陶系 | 变质岩 | 120 | ||
注:奥陶系电阻率为参考邻区资料。
电法勘探的主要目标是圈定含煤地层侏罗系延安组的范围。如果电阻率—深度曲线或剖面呈现“低阻—高阻—低阻—高阻”的分层特征,且电性特征与表1一致时,则第2层的高阻为新生界下部的砾石层,第3层的低阻为含煤地层侏罗系延安组。断层和构造情况可根据电阻率等值线特征解释。综上所述,研究区具备用电法和地震组成的综合物探进行煤炭勘查的地球物理条件。
2 方法技术
2.1 二维地震勘探
二维地震勘探是利用岩石的弹性波波速差异为前提,通过人工激发产生地震波,在地震波传播过程中遇到弹性波波速不同的界面时,就会发生反射、透射和折射,用仪器记录地表沿测线各点的地震波信息,通过对地震波信号进行处理和解释,可以有效地推断地下岩层的性质和形态。地震勘探具有勘探精度高、探测深度大、分辨率高、勘探效率快、勘探成本低、能直观表现地下地质形态等特点[5],可以直接反映煤层和岩性界面等情况,是煤炭勘查中应用最广泛的地面物探方法。受巨厚新生界的影响,需要考虑地震波激发、接收和观测系统等多方面因素来保证地震勘探效果。在邻区试验的基础上,在研究区内选择了2个点进行实验,获得的二维地震勘探数据采集参数为:① 激发因素:井深打至固结砂砾石层或潜水位以下3~5 m,药量3 kg;② 接收因素:采用5个60 Hz的检波器、点式组合;③ 观测系统:144道接收,道距10 m,炮间距20 m,偏移距10 m,中点激发,36次覆盖;④ 仪器因素:采样间隔为1 ms,记录长度为2 s,前放增益为12 db,全频带接收。数据处理主要进行野外静校正、折射静校正、抽道集、反褶积、速度分析、动校正叠加、剩余静校正、DMO叠加、CMP叠加、偏移等[6,7]。资料解释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。
2.2 可控源音频大地电磁法
CSAMT是20世纪80年代开始兴起的一种地球物理新技术,它以有限长接地导线为场源,在距偶极中心一定距离(收发距r)处同时观测电场(Ex)、磁场(Hy)参数的一种电磁测深方法,在煤炭领域的应用多集中于水文地质勘查[8,9],近年来在青藏高原等地的复杂地形[10]、推覆体下[11]、构造复杂区[12]和深部煤炭[13]等特殊地质条件下的煤炭勘查中得到了一定程度的应用,取得了较好的勘查效果。巨厚低阻覆盖层对电磁波的吸收衰减作用强烈,直接影响数据采集的信噪比。该方法通过改变工作频率达到不同探测深度的目的,并同时观测电场和磁场分量,通过比值计算卡尼亚电阻率,因此该方法具有探测深度较大、抗干扰能力强、横向分辨率高的特点,更适宜于在研究区进行地层界线划分、断层构造勘查等工作。测区地层电阻率整体较低,使观测数据信噪比降低的同时,观测曲线进入近场的频率更高,探测深度更低,需要在野外试验中同时兼顾勘探深度、信噪比和分辨率才能取得良好勘探效果。在保证勘探深度方面,通过增加最小收发距降低进入近场的频率。在提高信噪比方面,一是采用大电流发射以提高有效信号强度,二是通过增加接收极距以提高电场强度,三是收发距与信噪比成反比,合理控制最大收发距,四是采用大极距发射。在提高纵向分辨率方面,主要通过加密工作频率实现。在提高横向分辨率方面,一是采用TM的测量模式,二是将接收极距控制在合理范围内。通过理论计算和实验结果确定的野外数据采集参数为:测量方式为标量共磁道方式,装置形式为旁侧装置,测量模式为TM模式,供电极距AB=2 km,接收极距MN=100 m,收发距r在12~16 km,供电电流Imax=19 A,工作频段9 600~0.5 Hz(45个频点,最小可用频率为4 Hz),测线距为1 000 m,测点距为100 m,测线方向垂直于主要构造方向,与二维地震勘探测线重合。在野外数据采集中,每条测线从南向北进行观测,观测曲线出现高阻特征后,继续观测一个完整排列即可停止该测线的观测。在资料处理与解释中,剔除废排列(道)后,输出为各记录点(测点)的频域视电阻率和阻抗相位的十进制文件,并对数据进行静态改正、空间滤波等处理后,采用拟二维Bostik变换进行地球物理反演和解释工作[14,15,16]。
2.3 直流电测深
直流电测深法基于人工源建立电流场,通过逐步增大供电电极AB的极距改变电流场的影响深度,从而实现在同一测点上获得电阻率随深度的变化特征[17]。该方法抗电磁干扰能力强,曲线类型识别准确。但该方法为几何测深法,在探测深度大或地形复杂区域不宜大量使用,在研究区内主要布置在钻孔旁和少量典型测点上,以对地层的电性反映进行判断,并对CSAMT曲线和反演结果进行验证。测深装置采用对称四极测深法,极距采用1/10分布的对数等间隔极距,最大供电极距ABmax=6 300 m,最大供电电压Vmax=600 V。为了减少断层等构造对观测结果的影响,电极排列方向平行于主要构造方向和地层走向。反演软件采用吉林大学研发的“GeoElectro电法数据处理软件系统”,反演方法主要为人机交互反演。反演中根据钻孔获得的地层界线建立地质模型,直接通过鼠标修改模型厚度和电阻率进行曲线拟合,并计算出拟合误差。人工根据钻探成果和地球物理特征等已知资料判断反演模型的合理性,以获得最优解。
3 资料解释
二维地震勘探结束后,对资料进行了处理解释,并实施了4个钻孔验证煤层情况,其中钻孔ZK41未见到煤层,其余3个钻孔的验证结果也与地震勘探资料差别较大。在补充实施电法勘探后,实施的4个验证钻孔作为物探工作的已知资料,并对地震勘探资料进行了进一步的处理。资料解释中,采用综合物探方法的解释思路,即先通过电(磁)法确定含煤地层范围和控煤构造情况,然后利用二维地震勘探有利区域的资料确定煤层与断层等情况。VES对CSAMT解释的地层进行佐证,地震与CSAMT的解释成果能够相互印证。
3.1 含煤地层范围与边界
3.1.1 一维分析解释
在D3线2 650 m处实施的ZK3钻孔在延安组见到4组煤层,其中2层可采,见煤深度为519.71 m。在ZK3钻孔旁实施了直流电测深点V1。图2为V1测点深度—反演电阻率曲线与钻孔简易柱状图,VES的反演结果是在已知地层界线、地球物理特征等情况下通过人机交互方式获得,其可靠性较高,可以作为CSAMT的已知资料。图中CSAMT与VES反演电阻率曲线形态、特征、拐点和反演电阻率值基本一致,说明CSAMT反演结果是合理的,能反映地层真实的电性情况。
图2
图2
V1测点电法深度—反演电阻率曲线与钻孔简易柱状图
Fig.2
Electrical depth-inversion resistivity curve of measuring point V1 and simple histogram of drilling hole
结合钻探、地层电阻率等资料,将CSAMT曲线分为4段:第1段(AB段)是新生界中上部的低阻层反映,反演电阻率为6~14 Ω·m;第2段(BC段)为新生界底部砾石层的高阻反映,是明显的电性标志层,反演电阻率为21 Ω·m;第3段(CD段)为含煤地层侏罗系延安组的低阻反映,反演电阻率为12~18 Ω·m;第4段(DF段)包括侏罗系芨芨沟组(DE段)和二叠系(EF段),二叠系为高阻反映,反演电阻率大于25 Ω·m。如表2所示,CSAMT反演曲线拐点与钻孔揭露地层界线基本一致,曲线特征也符合含煤区“低阻—高阻—低阻—高阻”的电性特征,为含煤区的典型曲线。
表2 ZK3孔旁CSAMT反演结果与钻孔揭露情况
Table 2
| 地层名称 | 钻孔揭露 底界/m | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 新生界 | 中上部 | 275 | 12 | 260 | 6~14 | |
| 底部砾石层 | 345.04 | 345 | 30 | 340 | 21 | |
| 侏罗系延安组 | 593.40 | 593 | 16 | 585 | 12~18 | |
| 侏罗系芨芨沟组 | 732.22 | 732 | >29 | 745 | >25 | |
| 二叠系 | 未揭穿 | |||||
3.1.2 剖面解释
图3为D3线CSAMT反演电阻率等值线剖面及推断解释结果,图中4 350 m两侧反演电阻率剖面形态明显不同。
图3
图3
D3线CSAMT反演电阻率等值线剖面及推断解释成果
Fig.3
CSAMT inversion of resistivity contour section and inference interpretation diagram of line D3
4 350 m以北剖面电性分层不明显,不具含煤地层的电性特征,根据研究区周边地层出露情况与地层电性特征推测为二叠系红泉组,系不含煤地层。4 350 m以南剖面与ZK3孔旁曲线特征一致,具有明显“低阻—高阻—低阻—高阻”的层状特征,为典型的含煤区反演电阻率剖面。根据ZK3孔旁曲线分析结果和钻探揭露情况,将剖面沿垂向分为4层:第1层为新生界中部和上部黄土、黏土、砂土、含砾细砂组成的低阻层,图中可见含砾细砂在局域呈现相对较高的电性特征;第2层为新生界底部砾石层形成的高阻层;第3层为侏罗系延安组形成的低阻特性,为含煤地层;第4层为侏罗系芨芨沟组、二叠系红泉组及下伏地层形成的高阻层。图3中4 350 m处反演电阻率剖面发生的“断崖式”错断明显为断层(组)引起,根据反演电阻率等值线形态特征和相邻测线的反演电阻率剖面分析,推测该断层(组)由F1、F2和F3共3个断层组成:F2断层将研究区分为上盘和下盘两部分;F1断层为F2下盘的次级断层,是含煤地层的边界断层;F3断层两侧的电阻率剖面未发生明显突变,为煤系地层内的断层。
3.2 煤层
地震勘探能对煤层有直接反映,煤层的解释主要依靠地震勘探资料。图4为D3线地震时间剖面及推断解释结果。图中同相轴连续性一般,对构造反映不太明显;随着新生界厚度增加(往大里程方向),地震属性的反映随之变得更差。图中能连续追踪的同相轴有3组,其中TN波较为平缓,符合新生界底界的特征,推测为新生界底界的反射波;T1和T2波特征相同,为煤组的复合反射波,其中T2波经ZK3钻孔验证。同向轴在剖面3 800~4 500 m出现的错断或消失明显为断层组引起,断层与电法解释结果一致,但F1~F3间无明显同相轴,不能确定该段地层的煤层情况。
图4
图4
D3线地震勘探时间剖面及推断解释
Fig.4
Seismic exploration time profile and inference interpretation diagram of line D3
综合解释结果表明,通过CSAMT解释含煤地层范围后,利用二维地震勘探解释煤层是合理可行的。含煤地层范围和煤层范围可以相互印证,保证了解释成果的可靠性。
4 钻探验证
物探工作结束后,在D3线4 350 m附近实施了ZK7,验证含煤地层边界断层,在3 450 m附近实施ZK5,验证含煤地层与含煤性。ZK7钻孔终孔深度为788.6 m,钻孔揭露新生界在0~48.5 m与221.11~450.0 m重复,二叠系红泉组在48.5~221.11 m与762.0~788.6 m重复,450.0~706.0 m为延安组。地层的多段重复是由两个逆断层造成(图5),说明物探解释的F1和F2断层是存在的,F1断层为含煤地层边界是可靠的。
图5
ZK5钻孔终孔深度为801.97 m,共见到煤层8层,可采煤层总厚度超过30 m,见煤深度为519.72~754.75 m。钻孔揭露了新生界、侏罗系延安组、侏罗系芨芨沟组,物探解释成果与钻探揭露的地层界线吻合较好(表3)。
表3 ZK5钻孔验证结果
Table 3
| 地层名称 | 地层底界深度/m | |
|---|---|---|
| CSAMT反演结果 | 钻探揭露 | |
| 新生界 | 390 | 397.00 |
| 侏罗系延安组 | 736 | 776.77 |
| 侏罗系芨芨沟组 | 890 | 未打穿 |
在后续的煤炭资源勘查工作中,先后在D3线上实施了7个钻孔,形成了完整的地质剖面(见图5)。图中地质剖面的地层界线、含煤地层范围、断层等构造与物探解释成果一致,说明在宁夏香山西麓某巨厚新生界覆盖含煤区建立的电性剖面特征是正确的,将新生界底界砾石层作为电性标志层是合理的,通过电法和地震形成的综合物探方法、数据采集参数、资料处理和解释方法是合理的,物探成果可靠性较高。研究成果可以减少前期勘查阶段没有必要的钻孔,对钻探工程布置有重要的指导意义,对地质勘查中的资料分析、发挥和提高勘查效益和效率有重要作用。
5 结论
通过对宁夏香山西麓某典型巨厚新生界覆盖区煤炭勘查实例研究,总结出了一套适合巨厚新生界覆盖区煤炭勘查工作的综合物探方法:
1)在地质分析的基础上应“先物探、后钻探”,合理选择综合物探方法,可以有效节省钻探工作量,降低地质勘查成本和勘查风险,具有显著的经济性;
2)采用CSAMT为主、VES为辅的电法勘探方法圈定含煤地层范围,再用地震勘探确定煤层情况,可以实现多种方法的相互印证和补充,降低物探解释的多解性;
3)总体工作流程为:先选择合适的电法进行大面积工作,确定有利区块后,加密测线以确定含煤地层范围和构造情况,再对圈定的含煤地层范围进行地震勘探以确定煤层情况。
总之,在巨厚新生界覆盖区采用综合物探进行煤炭勘查工作,取得了较好的地质效果,希望对今后在同类地区进行的煤炭勘查工作有借鉴意义。
致谢:
感谢中国地质大学(武汉)李振宇教授在论文编写过程中给予的指导和帮助。
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