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，勘探工作重點和難點是在復(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證相結(jié)合的方式，實踐表明，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，如果不能對地形異常進行正確的認(rèn)識和消除，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。如今該方法應(yīng)用領(lǐng)域擴展到了地質(zhì)普查以及石油、天然氣、地?zé)?、金屬礦床、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，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，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)地形切割較強烈，個別地方形成陡壁，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)簡圖及物探測線布置圖Fig.1 Geological sketch and physical survey line layout of study area1—第四紀(jì)全新統(tǒng)；2—晚侏羅世長林組上段；3—晚侏羅世長林組下段；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—晚侏羅世二長花崗巖；8—花崗斑巖；9—石英斑巖；10—推測斷層及產(chǎn)狀；11—地質(zhì)體界線/不整合界線；12—老硐位置及編號；13—鉆孔位置及編號；14—可控源音頻大地電磁測深測線位置；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。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東向斷裂為主，對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)的物性測定結(jié)果也證實了這一特點(表1)。研究區(qū)地層電阻率最高為晚侏羅世二長花崗巖，其次為晚侏羅世長林組砂巖、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個數(shù)量級的電阻率差異，這是以電法等物探工作手段進行勘探應(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)量測量，標(biāo)量測量可以同時測量多個電場，一個磁場，多個電場，同時一起用一個磁場，這樣既節(jié)約了時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和測線布設(shè)方向垂直于地質(zhì)構(gòu)造走向的測量模式，可以很容易地確定線性的陡傾斜斷層，故此次野外測量采用TM模型，在場源中心一定距離外、電偶源AB中垂線兩側(cè)各30°的扇形區(qū)域內(nèi)，同時觀測相互正交電、磁場分量?？醽喴曤娮杪蔥12]表達式如下：

(1)

式中，ρ為視電阻率，Ex為電場的水平分量，Hy為磁場分量，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為探測深度，ρ為大地電阻率，f為頻率。

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

3.2 地形對物探解釋的影響及消除手段

孫鴻雁[13]指出，對于TM模式由地形引起的干擾場能夠引起虛假異常，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，可以完全掩蓋異常體的響應(yīng)，因此地形對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地形對埋深較淺的低阻體影響較大，對埋深較深的低阻體影響相對較?。虎谏郊瓜潞咦梵w(或山谷下含低阻體)更易受地形影響；③地形傾斜角度越大，對視電阻率影響越大，地形傾角大于5°時，地形影響已經(jīng)不可忽視，地形起伏越大，對視電阻率影響愈大；④地形尺度遠(yuǎn)大于4倍接收電極尺度時，地形影響不能忽視。

此次研究區(qū)地形影響主要為山谷對淺埋的低阻體影響、山脊對埋藏的高阻體影響以及部分測線地形傾角較大對視電阻率的影響。野外施工時，在地形傾角較大區(qū)段采用加密測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)果更接近真實情況。

3.3 野外數(shù)據(jù)采集

此次工作采用美國ZONG公司的GDP-32Ⅱ多功能電法工作站，測量方式采用TM模型標(biāo)量測量。野外施工前，首先對接收機和磁棒進行標(biāo)定，以確定儀器處于良好的工作狀態(tài)，測量時根據(jù)信號的干擾及強弱情況，選擇最佳信噪比的增益。場源電偶極AB布設(shè)保持與剖面線平行，誤差小于1°，電場測量采用不極化電極觀測，磁參數(shù)采用磁探頭測量，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測量產(chǎn)生干擾。根據(jù)探測深度要求為地表以下1 500 m以內(nèi)，選擇采樣頻點為0.125～8 192 Hz，收發(fā)距(r)為6.2～8.2 km，測量偶極距(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ZONGE公司開發(fā)的SCS2D 2.0 CSAMT數(shù)據(jù)處理軟件進行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)處理是對干擾數(shù)據(jù)、誤操作點和壞頻段等進行選擇和剔除，對曲線進行圓滑處理；靜態(tài)校正采用平衡移動平均空間濾波法(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過渡區(qū)的非平面波場效應(yīng)產(chǎn)生的畸變進行計算和校正，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)進行二維反演，反演時將地形文件數(shù)據(jù)向測線兩端擴展兩個測點間距，以改善地形模擬，采用一維模擬移動平均數(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線是測區(qū)內(nèi)布置的最長剖面，長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，在測線西段92～300點，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；在測線中段300～460點，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，推測由童子巖組所致；在測線東段512～642點，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，推測在302點附近為F1構(gòu)造位置，502點附近為F3構(gòu)造位置，512點附近為F4構(gòu)造位置，推測構(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點視電阻率較低，推測為煤系地層的可能性較大，故在184點設(shè)計ZK101驗證,推測出煤系地層在標(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。在測線西段158～328點，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，推測由童子巖組砂巖地層所致。在測線東段498～658點，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，推測在238點附近為F1構(gòu)造位置，338點附近為F2構(gòu)造位置，498點附近為F3構(gòu)造位置。結(jié)合地質(zhì)資料，物探推測的構(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—晚侏羅世二長花崗巖；5—花崗斑巖；6—推斷斷層

4.2 鉆探及測井驗證情況

根據(jù)可控源音頻大地電磁測深成果，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點附近設(shè)計驗證鉆孔。驗證鉆孔終孔深度為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，證實了CSAMT法的有效性(圖5)。

圖5 測井電阻率圖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，不但會引起虛假異常，而且會掩蓋地下由礦體或目標(biāo)物引起的異常，因此在數(shù)據(jù)處理時應(yīng)進行有效的地形校正，改善勘探成果質(zhì)量。

(2)開展CSAMT法勘探時，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)了其探測深度大、分辨率高的優(yōu)勢，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，對參與此項目的所有工作人員表示由衷的感謝。