0 引言
我国现行煤矿隐蔽致灾因素勘探技术以物探(三维地震、高密度电法、电磁法、遥感成像、红外测温等)、化探(井下巷道瓦斯、氡气等有害气体检测)以及工程钻探为主[6⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-16]。但在实际应用中,物探方法识别的异常往往具有多解性,除了单点钻孔外,无法进行标定和验证,难以有效辨别煤矿隐蔽致灾因素;矿井巷道气体检测难以实现煤层瓦斯突出的预探,也不能标定其他勘探技术资料;钻探虽是煤矿隐蔽致灾因素探测中最直观、最精准的技术手段,但成本太高,且仅能实现单点探查。理论上, 煤矿区构造变动引发的陷落柱、断层、瓦斯聚集等致灾因素,不仅能够错断煤层的连续性,构成煤层气泄漏及运移的通道,而且还能破坏下伏封闭煤藏的“动态平衡”状态,提供了“煤层气解吸运移”的驱动力,为基于微渗漏理论的勘查地球化学方法在煤矿隐蔽致灾因素勘探中的应用提供了前提[17⇓⇓⇓-21]。
以烃类微渗漏理论为基础的地球化学勘查方法已广泛应用于油气及天然气水合物勘查、环境调查等领域[22⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-30],但在煤矿隐蔽致灾因素探查方面尚属空白。近年来,地表测氡技术在现场判定煤矿采空区火源位置方面取得了一定进展,但该方法仅限于煤自燃隐蔽火源位置的探测,对煤矿其他隐蔽致灾因素探查分析和不同地质条件下地表测氡数据的合理解释尚缺乏实践[31⇓⇓⇓-35]。2018年7月,项目组承担了国家重点研发计划“煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测技术研究”项目所属的“基于微渗漏机制的煤矿隐蔽致灾因素勘探”课题研究任务,从而将地球化学方法探索性引入到煤矿隐蔽致灾因素勘探领域。通过上覆沉积物中甲烷、氡气地球化学指标实测数据及其异常特征,获得了构造裂隙、气体聚集、砂体赋水程度等方面的信息,为煤矿隐蔽致灾因素的识别提供了地球化学依据。限于石油天然气与煤藏的差别,基于微渗漏的地球化学勘查方法可能更适合于未知区域的普查阶段, 提前筛选出重点致灾靶区,为后续井下电磁探查、瓦斯气体监测及钻井验证等工作带来事半功倍的效果。
1 土壤甲烷及氡气指标用于煤矿隐蔽致灾因素勘探的理论依据
油气地球化学勘查以烃类微渗漏理论及垂直运移为基础,通过获取深部迁移的游离烃、吸附于上覆围岩颗粒表面的吸附烃及碳酸盐晶格中吸留烃的痕量地球化学信息和异常特征来示踪油气藏分布与路径,并开展相关地质问题研究。理论上,只要地球化学指标具备“足够聚集的物质来源、迁移驱动力及浅层沉积物中痕量元素的摄取手段”,即可应用于对地下隐伏地质构造和地质体的勘查研究。
1.1 煤层气微渗漏垂直运移机制及其地球化学特征
与石油天然气不同,煤层气中甲烷组分约为98%~99%,煤岩储层孔隙内表面积高达0.1~0.4 m2/g,由于介质密度的差异,煤岩层对甲烷的吸附能力远大于油气藏烃源岩[36-37]。正常条件下,煤岩层内煤层气往往以游离态和吸附态赋存于煤岩层颗粒表面和裂隙中,处于“动平衡”稳定状态;当发生构造变动时“动平衡”破坏, 压力增加、温度降低,游离态煤层气即可转化为吸附状态,束缚于煤岩层颗粒表面和孔隙内的自由气体体积和含量减少;反 之,压力降低、温度升高时,吸附状态的气体则可转化为游离态,赋存于煤层内生裂隙和外生裂隙中的自由气体体积和含量增加。这一煤层气的“吸收与解吸”过程,为煤层气的分散、聚集及渗漏迁移,直至在上覆沉积层中的异常形成奠定了基础。
甲烷指标异常在不同煤矿致灾地质条件下具有不同的地球化学响应和模式(如图1所示)。例如,在地质构造力和上部覆盖岩层重力长期作用,下伏溶洞发生坍塌致上部煤系地层陷落而形成的圆形或不规则椭圆形柱状的地质体——陷落柱,其与围岩接触环带上由于破碎裂隙的普遍发育,提供了地下水和游离气迁移渗漏富集的条件,因此陷落柱周围地表沉积物中极易呈现地球化学指标的环状异常模式;组合断层断裂上方往往易于形成特高及中高值脉冲齿状异常,主峰一侧与断面倾向一致;采空区及富水破碎带之上,往往出现连续、均匀、宽泛的锯齿状中高值组合异常模式。这些正演特征和模式,为判识下伏构造类隐蔽致灾因素的分布和属性提供了理论依据。
图1
图1
煤系隐蔽致灾因素与地球化学指标的关系示意
Fig.1
Relationship between disaster-causing factors and geochemical indexes of coal measures
依据地球化学勘探理论[38-39],本次阳泉煤矿新元工作区烃类地球化学测量指标选择为游离烃甲烷和酸解烃甲烷。游离烃甲烷是浅层沉积物中与下伏气源基本一致的烃类组分,包括土壤孔隙气中的甲烷与弱吸附于土壤颗粒表面的甲烷,是示踪下覆煤层气通过构造裂隙聚集迁移状况的直接标志。煤藏上覆沉积土壤中除游离烃之外,还含有由于煤层气渗漏运移在土壤颗粒表面保留的吸附甲烷和以吸留甲烷为主的原岩本底含量,通过酸解烃指标可获得这些数值。酸解烃甲烷可表征烃类组分在运移过程中,吸附在岩石颗粒表面和吸留及弱吸附于碳酸盐晶格中的组分,既保留了原生本底甲烷信息,也叠加了运移上的后生吸附烃信息,它们均为下伏烃类通量的反映。相对于油气藏,煤层埋藏较浅、上覆地层薄,因此游离烃甲烷测量方法相对酸解烃有更高的要求。
1.2 土壤氡气扩散运移机制及其地球化学特征
工作区所属阳泉煤矿范围内奥陶系灰岩基底具原生放射性核素,上覆煤系地层及第四系有机质组分也具有吸附放射性元素的性质,因此当上覆沉积中断裂等构造发育时,氡元素就会沿着通道运移到表层沉积形成正异常;若地层中存在富水沉积,由于水体对氡元素的溶解作用,理论上表层沉积物氡气含量会呈现低于背景值的异常特征。在隐蔽致灾因素勘探中,选择土壤氡气指标就是期望在识别气体运移通道、基底界限及上覆沉积砂岩体赋水性质方面获得有别甲烷指标的信息。本研究采用FD216测量仪通过现场瞬时监测方法,在地表沉积物中进行土壤氡气组分原位数据的采集。
综上,虽然煤矿藏的物质基础、机理演化与石油天然气藏有着本质的区别,但鉴于煤藏煤层气中化学组分以甲烷为主,埋藏深度又比油气藏浅得多,从烃类微渗漏和垂直运移角度出发,原理和理论上完全能够将甲烷和土壤氡气指标方法技术用于煤矿构造类致灾因素的识别中来, 以便为地质解释评价提供更多的依据和信息。
2 工作区概况与地球化学勘查设计
2.1 工作区位置与地质概况
工作区位于阳泉新元煤矿六采区内,地处沁水盆地东北部,东距寿阳县城10 km,西距太原市40 km,北临白马河,属黄土丘陵、梁峁发育,沟谷密集,呈近SN向的梁峁“U”型山谷地貌。区内大面积被新生界黄土覆盖,无基岩出露,构造主体为NEE向和NWW向褶皱(图2)。出露地层由北至南依次为奥陶系中统(O2)、石炭系(C)、二叠系(P)、古近系(E)和第四系(Q)。含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组,主要可采煤层4层,煤层平均厚度1.01~5.20 m,埋深300~1 000 m,煤层含气量5~30 m3/t,甲烷浓度达80%以上。
图2
2.2 工作区地球化学勘查部署与点位设计
阳泉新元煤矿工作区分东、西两个区块,两个区块均有广域电磁勘探部署,地球化学勘查仅在东区块部署实施。地球化学面积测量测网除整体与广域电磁勘探区重合外,并在测网中选取了2条测线构成4次动态测量剖面。其中,面积测量测网位于东部测区内,由南至北部署了8 条测线,线距100 m,点距40 m,共计412个数据点;4次动态监测剖面部署在2条地下采煤巷道上方的1120和1125测线上,线距50 m,点距20 m,每条测线50 个点,测量工作随着地下巷道掘进过程分4次完成,总计400个数据点(每线50点×2条线×4次采集)。具体点位设计见图3。
图3
图3
地球化学勘查测量点位布署
Fig.3
Layout diagram of geochemical exploration measurement points
2.3 工作区动态监测剖面地层分布概况
选取与1120、1125测线4次动态监测剖面重合的广域电磁法反演地电解释剖面,由图4可见:
图4
图4
1120和1125测线广域电磁法反演地电剖面解释
Fig.4
Interpretation of geoelectric profile in version with wide field electromagnetic method for survey 1120 and 1125 lines
1)剖面由浅至深推测划分出7套地层,其中:山西组P1s(3号煤层以上)以粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩、粗粒砂岩为主;P1s以下至基底,以灰岩、白云岩为主;开采煤层(掘进层) 为埋深在590~630 m的3号煤层。
2)2条测线中石炭系(C2t)基本沿奥陶系灰岩褶皱凸起的轮廓呈不对称披覆分布, 西高东低,煤层以下东段单斜凹陷浸没于测线东端,西段中部凹地远小于东段凹陷规模。上覆山西组(P1s)及下石盒子组(P1x)平缓充填于石炭系起伏地形之上。
3)3号煤层之下P1s呈近水平状充填,之上石千峰组(P2sh)和上石盒子组(P2s)呈厚层近水平状沉积,第四系(Q)近地表为厚层黄土黏土所覆盖。
4)依据低阻异常特征,在P2sh和P2s沉积中,识别推测了4套与砂岩裂隙和孔隙砂岩体有关的赋水层系:石千峰组(P2sh)底部的薄层状含水砂岩W1;上石盒子组(P2s)上部呈断续层状分布的W2;测线中段上石盒子组(P2s)下部厚层沉积中,呈不规则透镜状砂岩体的W3 及下石盒子组(P1x)煤层附近零星分布的W4。
5)依据矿区地质条件及广域反演成像特征,在2条测线上由西向东识别出F1、F2、F3、F4共4条正断层,且倾角较大。经巷道掘进遭遇证明水平距离50 m的F1 和F2 切割了3号煤层,F1附近有一小型冲刷带;F3 和F4 掘进中未曾遭遇,推测断层位于3号煤层以上。
6)2条测线中部3 号煤层下奥陶系基底起伏形态不同:1125测线中部基底至C2t 灰岩层形态聚集起伏剧烈,1120测线则平缓呈近似平台状分布。2条测线中部3号煤层之上沉积层内赋水砂岩体形态不同:1125测线砂岩体呈厚层状,由凹陷西端向NW向倾斜延伸,覆盖至中段基岩体上方; 1120测线则呈不规则椭圆透镜状分布,平行于煤层上方沉积。这些构造上的差异造成氡气指标和甲烷指标地球化学响应特征上的差异,这种差异或能够在致灾因素识别上得以应用。
3 动态监测中甲烷、氡气指标异常机制与煤矿隐蔽致灾因素
工作区隐蔽致灾因素勘探项目实施的6个月内,除有广域电磁勘探外,还有三维地震和井下采煤巷道挖掘工程同步作业,故在2条与采煤巷道重合的测线上部署了地球化学4次重复测量任务,即2条动态监测剖面。拟通过2条剖面在不同干扰因素(巷道掘进、人工震源扰动、施工时段)条件下获取的实测数据,进行甲烷和土壤氡气指标的地球化学特征与影响因素对比研究,进而为煤层气微渗漏理论和甲烷氡气指标异常机制验证提供佐证。
3.1 游离烃甲烷和土壤氡气指标干扰因素与异常分布规律
表1 动态监测剖面土壤游离甲烷4次测量数值统计特征
Table 1
| 土壤游离烃甲烷第一次测量数据统计特征(2020.11.02~11.07) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 线号 | 点数 | 最大值/10-6 | 最小值/10-6 | 均值/10-6 | 标准差/10-6 | 异常下限/10-6 |
| 1120 | 51.0 | 247.10 | 16.32 | 86.39 | 54.22 | 140.62 |
| 1125 | 51.0 | 328.00 | 22.35 | 120.33 | 69.60 | 189.93 |
| 土壤游离烃甲烷第二次测量数据统计特征(2020.12.12~12.13) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/10-6 | 最小值/10-6 | 均值/10-6 | 标准差/10-6 | 异常下限/10-6 |
| 1120 | 51.0 | 318.10 | 11.83 | 77.77 | 62.91 | 140.68 |
| 1125 | 51.0 | 278.50 | 13.36 | 80.06 | 65.81 | 145.87 |
| 土壤游离烃甲烷第三次测量数据统计特征(2021.03.12~03.15) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/10-6 | 最小值/10-6 | 均值/10-6 | 标准差/10-6 | 异常下限/10-6 |
| 1120 | 51.0 | 314.80 | 10.94 | 73.40 | 66.53 | 139.92 |
| 1125 | 51.0 | 261.30 | 12.01 | 76.07 | 57.08 | 133.88 |
| 土壤游离烃甲烷第四次测量数据统计特征(2021.04.07~04.08) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/10-6 | 最小值/10-6 | 均值/10-6 | 标准差/10-6 | 异常下限/10-6 |
| 1120 | 51.0 | 112.70 | 6.69 | 45.93 | 25.72 | 71.66 |
| 1125 | 51.0 | 155.20 | 8.72 | 45.21 | 33.07 | 78.28 |
表2 动态监测剖面土壤氡气4次测量数值统计特征
Table 2
| 土壤氡气第一次测量数据统计特征(2020.11.07~11.11) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 线号 | 点数 | 最大值/ (Bq·m-3) | 最小值/ (Bq·m-3) | 均值/ (Bq·m-3) | 标准差/ (Bq·m-3) | 异常下限/ (Bq·m-3) |
| 1120 | 51.0 | 23714.7 | 895.5 | 6792.5 | 4252.4 | 11044.9 |
| 1125 | 51.0 | 16778.4 | 1590.1 | 6472.0 | 2770.9 | 9242.9 |
| 土壤氡气第二次测量数据统计特征(2020.12.14~12.19) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/ (Bq·m-3) | 最小值/ (Bq·m-3) | 均值/ (Bq·m-3) | 标准差/ (Bq·m-3) | 异常下限/ (Bq·m-3) |
| 1120 | 51.0 | 27809.7 | 1757.2 | 10876.2 | 6994.5 | 17870.7 |
| 1125 | 51.0 | 24117.3 | 1331.2 | 9524.5 | 5425.4 | 14949.9 |
| 土壤氡气第三次测量数据统计特征(2021.03.07~03.14) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/ (Bq·m-3) | 最小值/ (Bq·m-3) | 均值/ (Bq·m-3) | 标准差/ (Bq·m-3) | 异常下限/ (Bq·m-3) |
| 1120 | 51.0 | 24819.6 | 1962.7 | 11593.4 | 5484.9 | 17078.3 |
| 1125 | 51.0 | 21025.9 | 1726.6 | 10352.8 | 4551.6 | 14904.4 |
| 土壤氡气第四次测量数据统计特征(2021.4.9~2021.4.13) | ||||||
| 线号 | 点数 | 最大值/ (Bq·m-3) | 最小值/ (Bq·m-3) | 均值/ (Bq·m-3) | 标准差/ (Bq·m-3) | 异常下限/ (Bq·m-3) |
| 1120 | 51.0 | 27322.1 | 3465.4 | 8747.4 | 4792.8 | 13540.2 |
| 1125 | 51.0 | 21071.9 | 3977.6 | 8754.8 | 3939.6 | 12694.4 |
图5
图5
1120和1125测线土壤游离甲烷4次动态测量联合剖面
Fig.5
Combined profile of four dynamic measurements of soil free methane in 1120 and 1125 lines
图6
图6
1120和1125测线土壤氡气4次动态监测联合剖面
Fig.6
Combined profile of four dynamic monitoring of soil radon gas in 1120 and 1125 lines
以下分别讨论每次测量时主要干扰因素对甲烷氡气指标地球化学异常特征的影响:
1)第一次测量相对后两次以气候影响为主。如图5所示,1120 和1125 测线第一次测量甲烷均值水平最高,显示甲烷组分来源较后两次丰富,6 个异常以平缓中低值幅值均匀波动,东西分带不甚明显,测线上含有特高值异常点,不排除有生物甲烷叠加。氡气指标与甲烷不同,1120与 1125测线第一次测量均值水平最低,与工作区沉积松散不利于气体富集和瞬时监测,异常形态与后两次相比不够完整。
3.2 甲烷和氡气指标异常的煤层气微渗漏机制
图7
图7
1120测线甲烷氡气综合异常与广域电磁反演解释剖面叠合
Fig.7
Superimposed map of methane-radon anomaly in 1120 survey line and widefield electromagnetic inversion interpretation profile
图8
图8
1125测线甲烷氡气综合异常与广域电磁反演解释剖面叠合
Fig.8
Superimposed map of methane-radon anomaly in 1125 survey line and widefield electromagnetic inversion interpretation profile
2)由图7可见,测线中段甲烷数据以低幅值特征沿背景上下浮动,显示了与测线东、西两段地质条件上的差异。甲烷指标在中段呈现以吸附烃为主的后生异常特征,指示稳定沉积为主的地质条件特征。
3)由图8可见,测线中段氡气以两端单峰中间夹波动低值幅值分布为特征,与甲烷指标异常特征完全不同。由广域电磁反演剖面可知,中部氡气指标分布段与测线基岩凸起段对应,局部异常位于基岩两侧,低值分布恰好与广域电磁剖面识别的含水砂岩体W3对应,尤以1120测线更为显著,证明了氡气指标异常形态与基底构造及含水砂岩体形态有关的事实。
综上所述,4次动态监测结果表明:动态剖面上甲烷和土壤氡气异常分布特征随外界干扰因素的改变而变化;测线东西两段,甲烷和氡气指标异常特征与广域电磁反演剖面推断的断层构造分布和属性上完全一致;测线中段,甲烷和氡气指标不同的异常形态与指标本身机理属性和对地质构造响应的不同有关。上述事实验证了地球化学异常的煤层气微渗漏机制,证明地球化学异常与煤层气迁移渗漏和放射性核素分布存在因果关系,其成果能够为断层、微裂隙系统分布及其他致灾地质因素的识别提供地球化学依据。
4 面积测量中甲烷、氡气指标特征与电磁反演成果对比
面积测量旨在通过工作区内土壤游离烃甲烷和土壤氡气指标异常特征,识别划分出有关构造类致灾因素的分布,为区内煤矿隐蔽致灾因素的辨识提供地球化学依据,为后续探区详查筛选靶区。工作区面积测量总计获得416个点位的游离烃甲烷和酸解烃甲烷实测数据,651个点位的土壤氡气指标实测数据。
4.1 游离烃甲烷、酸解烃甲烷与土壤氡气指标地球化学异常特征
表3 面积测量工区地球化学指标数值统计特征
Table 3
| 指标 | 点数 | 工作区面积/km2 | 最高值 | 最低值 | 均值 | 标准差 | 异常下限 | 衬度 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 氡气 | 651 | 1.5 | 24783.05 | 940.45 | 7106.55 | 2437.84 | 9000.00 | 3.49 |
| 游离烃甲烷 | 416 | 1.5 | 400.00 | 7.48 | 89.20 | 66.11 | 150.00 | 4.48 |
| 酸解烃甲烷 | 416 | 1.5 | 5475.00 | 36.17 | 1655.80 | 1059.85 | 2600.00 | 3.30 |
注:氡气含量单位为Bq·m-3;甲烷含量单位为10-6。
表4 土壤氡气异常下限及浓度分带计算和实际划分值
Table 4
| 背景值/(Bq·m-3) | 异常下限/(Bq·m-3) | 外带异常/(Bq·m-3) | 中带异常/(Bq·m-3) | 内带异常/(Bq·m-3) | |
|---|---|---|---|---|---|
| 计算值 | 4406.43 | 9275.68 | 9275.68~14151.36 | 14151.36~19027.04 | ≥19027.04 |
| 使用值 | 4400.00 | 9000.00 | 9000.00~14000.00 | 14000.00~19000.00 | ≥19000.00 |
以150×10-6为异常下限,工作区内可见游离烃甲烷编号1~15的局部异常,如图9所示,游离烃甲烷异常特征以线性排列为主,伴有半环状异常模式, 分述如下:
图9
图9
游离烃甲烷浓度异常分布
Fig.9
Abnormal distribution of free hydrocarbon methane concentration
1)区内游离烃甲烷由东至西由编号10和12、9和8、7和5局部异常构成了3条呈NW展布的线性排列,另有1、4、6 和7、8、13、14、10异常似串珠状排列构成了2条NE转EW向的线状异常,显示了比较强烈的渗漏作用。工作区东南部为弱异常分布带,仅有15、11、12三个低幅值条状弱异常零散分布,弱异常与厚层黄土稳定沉积带边缘分布吻合。
2)工作区中部为NE、NW向线性构造排列的交叉带,渗漏作用剧烈,尤以8号异常显著(面积和幅值),此点与后期勘探发现的地下冒气点吻合,验证了甲烷异常的煤层气机制。
3)工作区中部西南角具有WN向延伸的9、8号异常与7号异常似乎可构成半环状异常,在地球化学解释评价上,环内多为构造背斜或向斜构造的中心,因此本区西南角具有陷落柱分布的可能。
以2 600×10-6为下限,工作区内可见酸解烃甲烷编号1~13的局部异常,如图10所示,详述如下:
图10
图10
酸解烃甲烷浓度异常分布
Fig.10
Abnormal distribution of acidulated hydrocarbon methane concentration
1)区内酸解烃甲烷异常以面积不等的孤立高点散状分布为主,大致与游离烃甲烷高幅值异常呈负相关。
2)东北端10、11号弱异常与游离烃甲烷异常12 重合, 9号中高异常位于游离甲烷15和11号异常之间,基本与稳定沉积黄土厚层沉积边缘吻合,表明该区以原生甲烷为主;区内酸解烃特高幅值异常5、6号与游离甲烷8号异常部分交集,处于后期勘探发现的地下冒气点附近,说明与气体渗漏带相关。
3)西南角的酸解烃3、5、2号异常大致为分布在游离烃环状异常内环, 具有顶端异常特征,推测与陷落柱内碳酸盐岩分布有关,酸解烃指标对碳酸盐敏感,可以作为识别陷落柱的标志。
图11
图11
土壤氡气浓度梯度变化等值线
Fig.11
Contour map of soil radon concentration gradient change
1)推断区内NE向断裂7条,NE向断裂9 条,环形或弧形断裂2 条;NE向断裂量少于NW向,NE向断裂规模大于NW向断裂,NE向断裂多被NW向断裂所错断,NW向断裂为后期构造。
2)根据土壤氡异常的展布特点和土壤氡浓度梯度变化特征, 划定了隐伏断裂构造的位置和断裂构造的属性。
3)由图中断裂分布可见,土壤氡气指标对裂隙构造敏感程度大于游离烃甲烷,土壤氡气异常分布与气体运移有关,间接上对煤层气运移通道有指示意义;土壤氡气异常在上覆沉积中含水砂体分布上具有低于裂隙带的低幅值异常特征。
4.2 甲烷、氡气异常特征与电磁反演成果对煤矿隐蔽致灾因素的指示
将游离烃甲烷和土壤氡气面积异常分布与广域电磁法三维反演水平切片同步叠合,形成图12,由图可见:
图12
图12
广域电磁法反演水平切片及甲烷氡气指标综合异常
Fig.12
Horizontal slice inversion with wide field electromagnetic method and comprehensive anomaly map of methane radon gas index
1)广域电磁三维反演水平切片电阻率特征结论为:由西向东划分出F1、F2、F3、F4、F5、F6共6条NW向断层;工作区中部西南角,依据半环状断裂异常分布,推测了陷落柱X1的分布;区内东部断层相对密集,横向断层间隔中划分了大片低阻带,从电阻率属性上大致推测为富水层,但不能够排除其多解与不确定性。
5 结论
1)工作区4次动态监测中,土壤游离甲烷、酸解烃甲烷、放射性土壤氡气指标地球化学特征及成果研究验证了煤层气垂直运移理论和地球化学异常的微渗漏机制。
2)烃类指标和土壤氡气指标异常特征表明, 实测游离烃甲烷组分来源于下伏煤层气的微渗漏迁移;土壤氡气组分来自于基岩和上覆沉积中放射性核素的渗漏和扩散,两种指标均能够为陷落柱、断层、瓦斯气体聚集等构造致灾因素识别提供依据。
3)酸解烃甲烷异常对于微渗漏通道不敏感,但可以通过酸解烃指标异常特征对碳酸盐岩、稳定沉积分布及渗漏强烈带进行判识。
4)土壤氡气异常在上覆沉积中含水砂体分布上具有低于裂隙带高异常的低幅值异常特征,土壤氡气指标能够与甲烷指标形成互补。
5)广域电磁法推断结果与游离烃甲烷、土壤氡气指标面积勘探结果基本一致,表明地球化学勘探方法在煤炭隐蔽致因素勘探中具有适应性和实用性,这种方法更适合区域性勘探,能够为煤田的地球物理详查筛选靶区。
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在分析研究国内外海洋底水原位探测技术的前提下，详细阐述了自主研发的“海水溶解气甲烷原位探测技术成果”的研发思路、关键技术和与国外技术的区别；结合该技术在我国南海北部水合物赋存区获得海洋底水原位甲烷测试数据以及现有分层海水技术在南海北部表层海水和台西南盆地底层海水中甲烷测试数据，进行了水合物勘探中分层海水甲烷指标地球化学特征和不同海水测量方法技术在天然气水合物勘探中指示作用的研究和评价，旨在为天然气水合物中海水地球化学勘探方法的选择和发展方向提供参考依据。结果表明：(1)表层海水溶解气甲烷异常在区域水合物远景区中具有10~50 nmol·L<sup>-1</sup>的绝对甲烷浓度和面积较大(上千km<sup>2</sup>)的区域地球化学特征；(2)底层海水甲烷异常背景值一般具有100 nmol·L<sup>-1</sup>以上的绝对甲烷浓度和面积较确定的局部地球化学异常特征；(3)海洋底水原位甲烷地球化学异常数据在水合物赋存区上的异常具有300~800 nmol·L<sup>-1</sup>的绝对甲烷浓度并具有高衬度异常特征。勘探技术成果显示：(1)常规技术和CTD技术获取的表层海水异常能够筛选水合物勘探远景区；(2)底水原位技术和台湾的岩心钻探技术(core top water)获取的底水地球化学异常与地下烃类聚集体渗漏相关，并有以生物成因气为主的同位素特征，因此该异常能够显示与水合物相关的甲烷渗漏地，为水合物赋存区段的识别提供依据。海水原位地球化学勘探技术在水合物海水地球化学勘探中具有广阔的应用前景。
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本文从室内试验及实例剖析入手,研究了甲烷碳同位素、iC4/nC4、C2+/Cn等八项指标在运移、水溶,散失中的变化行为。在此基础上,提出了生物气的真实归属应为“运移气”的观点。同时,利用筛选出的五项指标——δ13C1、Δ(δ13C1—δ13C2)、iC4/nC4、C2+/Cn和δ13C2,展开了对天然气运移、聚集、水溶、散失、成因的一体化判别。最后,尝试运用研究成果指导勘探,开展详探区评选、气-水关系带划分及钻井周围含气状况预测等。文章共分三个部分:第一部分——天然气运移及相关的地球化学实验;第二部分——天然气运移的现场实际研究;第三部分——天然气运移的地球化学指标综述及地质应用。
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为确定基于同位素测氡的地下火区异常区域圈划的最优计算方法,首先,在分析3种常用区域数据处理方法(传统统计法、趋势面分析法及分形法)的原理基础上,应用这3种方法处理实际矿井地面的测氡数据;然后,利用3种方法圈划火区的结果,从强化弱异常的能力和异常下限的确定 2方面对比分析3种方法的差异性;最后,通过选取代表性的钻孔,验证3种方法确定的异常区域。结果表明:传统统计法和分形法的氡异常下限分别为5 982和7 094 Bq/m<sup>3</sup>,趋势面分析法是通过正剩余分量确定异常区域的,没有具体的异常下限值;3种方法圈划的异常区域面积大小与强化弱异常能力的高低一致:趋势面分析法＞分形法＞传统统计法;通过对比钻孔验证的结果,确定以分形法所圈划的结果作为后期火区治理的依据。
Comparative study of coal mine fire areas zoning methods based on isotopic radon measurement technique
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[本文引用: 1]
In order to determine optimal calculation method for identification of abnormal temperature areas, firstly, three commonly used regional data processing methods (traditional statistical method, trend surface analysis method and fractal method) were applied to process radon measurement data of actual mine surface. Then, differences of three methods were compared and analyzed from ability of strengthening weak anomalies and determination of outlier threshold. Finally, representative boreholes were selected to verify anomaly areas determined by the three methods. The results show that the lower limits of radon anomaly of traditional statistical method and fractal method are 5 982 Bq/m<sup>3</sup> and 7 094 Bq/m<sup>3</sup> respectively, and trend surface analysis method is used to determine anomaly area by positive residual component. In delineating abnormal areas according to its consistency with ability of strengthening weak anomalies, the three methods rank as trend surface analysis method > fractal method > traditional statistical method. By comparing results of drilling verification, it is determined that results delineated by fractal method can be used as basis for later fire-fighting activities.
采用氡气预测煤矿自然发火
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ODP/IODP典型水合物站位稳定带界限和水合物分布的地球化学识别标志
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本文采用ODP/IODP典型站位样品实测和相关数据搜集对比研究的方法，进行了多种游离烃甲烷及相关指标在水合物形成过程中的地质作用和地球化学特征研究，以及酸解烃甲烷与围岩组分和沉积中自生碳酸盐、浊积岩的关系及地球化学特征的研究，据此筛选出判识水合物稳定带(GHSZ)的地球化学标志。结果显示：(1)下伏地层中游离甲烷异常是天然气水合物稳定带孔隙中赋存动态甲烷的反映，由于指标测试方法和沉积物状态的差异，深部水合物稳定带上呈现出特定的两种游离烃甲烷指标HS和VAC正负拆离分隔的异常模式；(2)酸解烃与地层吸附甲烷能力和围岩组分性质密切相关，对应于水合物最佳赋存条件的自生碳酸盐和浊流岩，酸解烃甲烷具有显著的量化异常特征；(3)水合物形成过程中甲烷通量促进了甲烷厌氧氧化反应(AMO)和自生碳酸盐的生成。酸解烃甲烷与浅层自生碳酸盐具有显著的对应关系，弥补了浅部沉积中游离烃甲烷异常具多源和多解性的不足；(4)游离烃甲烷异常组合模式和酸解烃甲烷量化异常分布是GHSZ和有利水合物赋存条件的综合反映，能够为水合物稳定带和带内水合物聚集的判识提供依据。
Geochemical indicators of the gas hydrate stable zone and its distribution in the typical drilling sites of ODP / IODP
广域电磁法在洞庭盆地北部生物气勘探中应用及远景靶区预测
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洞庭盆地地处湘西古生界边缘，经历了中生代晚白垩世盆地基本成型和新生代断块运动为主的两期构造旋回，为终成于燕山(中生代)延续于喜马拉雅(新生代)的断陷盆地。盆内局部凹陷白垩系之上存在着持续砂泥岩沉积及第四纪河流湖泊相现代沉积，具备了形成一定规模生物气藏的地质条件。2013—2015年笔者通过洞庭盆地浅层沉积物系统地球化学勘探，基本搞清了盆地内渗漏甲烷气体异常的分布状况。根据各指标地球化学异常特征，发现洞庭盆地北部沅江凹陷北部斜坡、青树嘴—河坝镇一带是洞庭盆地内生物气资源最有可能突破的远景区。为了追索渗漏甲烷气体来源，深化地球化学异常解释评价以及浅层生物气系统研究，2015—2016年在发现的生物气远景区，部署完成5条广域电磁测深和两条汞气测量剖面。本研究旨在通过实测地球物理和地球化学综合剖面的对比研究，揭示本区第四系构造分布和地球化学异常机制，为洞庭盆地生物气资源远景和气藏靶区的预测划分提供科学依据，也为勘探第四系生物气资源方法技术的选择提供了建议。勘探成果表明：(1)本区第四系能够满足生物气系统“生储盖”条件，具有生物气资源潜力；(2)沉积物游离烃甲烷地球化学异常是下伏第四系内气体聚集沿断裂带或沉积层向表层渗漏运移所致。酸解烃指标是识别有利于生物气体生储环境的敏感因子之一；(3)洞庭盆地工区西北部，P2剖面南段和P2线北部与P3、P4剖面交汇区域，具有良好的“自生自储”型生物气藏资源远景，是本区勘探生物资源天然气最有希望的靶区；(4)洞庭湖北部工区东部，P6测线南部接近沅江凹陷中心的四季红一带，是本区寻找 “自生自储”和“下生上储”型气藏的有利地带和资源远景区；(5)浅层沉积物地球化学勘探，有利于发现与生物气有关的气体渗漏、评价下伏沉积体系特性、缩小地球物理勘探靶区。地球化学与广域电磁剖面测量的结合是勘探生物成因天然气经济快速的方法技术。
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