磁法勘探在圈定煤田自燃區(qū)及在煤田地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

張躍彬

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)對資源需求的不斷增加和找礦難度的加大，磁法在礦產(chǎn)勘探中變得越來越重要。本文介紹了磁法勘探原理，分析了如何運(yùn)用磁法確定煤田自燃邊界的技術(shù)原理、工作方法，并研究了中心回線瞬變電磁法在煤田地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：資源；磁法勘探；瞬變電磁法； 煤田地質(zhì)勘察

1引言

煤炭是我國的主體能源，是我國能源安全的基石，在國民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位。在新的歷史條件下，以科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)煤炭地質(zhì)工作全局，按照構(gòu)建新型煤炭工業(yè)體系的要求，加強(qiáng)加快煤炭資源勘查，是提高我國煤炭資源保障程度、緩解煤炭供需矛盾、促進(jìn)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施，也是構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的必然要求。作為煤田地質(zhì)勘測工作者，我們有責(zé)任對勘探新技術(shù)和新方法進(jìn)行分析和研究。筆者結(jié)合多年的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對磁法勘探技術(shù)進(jìn)行了介紹，并重點(diǎn)分析了中心回線瞬變電磁法在煤田地質(zhì)勘察中的應(yīng)用。

2磁法勘探概述

磁法勘探是地球物理勘探方法之一。自然界的巖石和礦石具有不同磁性,可以產(chǎn)生各不相同的磁場,它使地球磁場在局部地區(qū)發(fā)生變化,出現(xiàn)地磁異常。利用儀器發(fā)現(xiàn)和研究這些磁異常,進(jìn)而尋找磁性礦體和研究地質(zhì)構(gòu)造的方法稱為磁法勘探。磁法勘探是常用的地球物理勘探方法之一。它包括地面、航空、海洋磁法勘探及井中磁測等。磁法勘探主要用來尋找和勘探有關(guān)礦產(chǎn)；進(jìn)行地質(zhì)填圖；研究與油氣有關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造及大地構(gòu)造等問題。

3運(yùn)用磁法圈定煤田自燃邊界

在煤田地質(zhì)勘探中,煤層自燃區(qū)直接影響資源量的計(jì)算和井田邊界的劃分,故在煤田地質(zhì)勘探中查明煤層自燃邊界范圍就顯得尤為重要。

3.1 工作原理

由鐵磁性物質(zhì)的剩磁理論知,巖石燒變后所獲磁性的強(qiáng)弱,與煤層自燃時(shí)燃燒程度及其對巖石的烘烤溫度的高低有關(guān)。煤層自燃時(shí),巖石所獲溫度愈接近居里點(diǎn),冷卻后,燒變巖所保留的熱剩磁場就愈強(qiáng)；反之則愈弱。煤層的頂?shù)装鍘r石中含有大量的黃鐵礦及菱鐵礦結(jié)核,但其磁性微弱,磁化率(K)常見值一般很?。划?dāng)煤層自燃后,煤層頂板巖石受到高溫烘烤(發(fā)生物理化學(xué)變化),受熱變質(zhì),從而形成含鐵磁性礦物的燒變巖。溫度降低后,就保留較強(qiáng)的熱剩磁,其磁化率(K)和剩余磁化強(qiáng)度(Jr)的常見值一般為燒變前的幾倍至幾十倍,從而形成了明顯的磁性差異。實(shí)測磁異常曲線上表現(xiàn)為:正常含煤區(qū)磁場背景平穩(wěn),而自燃區(qū)則可測到明顯磁異常。

3.2 野外觀測方法

磁法野外觀測,每天始于基點(diǎn),終于基點(diǎn)。磁法生產(chǎn)使用儀器為G-856型高精度數(shù)字式質(zhì)子磁力儀,該儀器有自動(dòng)存貯數(shù)據(jù)的功能?；c(diǎn)觀測記錄兩次,測點(diǎn)記錄一次。外業(yè)記錄本中僅記錄測線點(diǎn)號(hào)與儀器存儲(chǔ)號(hào)的對應(yīng)關(guān)系及測點(diǎn)附近的地形、地物、燒變巖出露等情況。在野外觀測中,操作員對有懷疑的點(diǎn),如異常和背景不足的線均進(jìn)行了補(bǔ)測追蹤,以保證觀測質(zhì)量及磁異常的完整。

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.3.1 數(shù)據(jù)處理

室內(nèi)對磁測野外原始觀測數(shù)據(jù)均進(jìn)行了各項(xiàng)改正,包括日變改正、緯向梯度改正和區(qū)域場改正等。(若磁測曲線為強(qiáng)磁異常,則可略去小于2nT的垂向梯改)。將G-856儀器中的數(shù)據(jù)通訊輸入計(jì)算機(jī),用磁法數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒂^測數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)改正,處理結(jié)束后,打印出剖面曲線、計(jì)算參數(shù)表和日變曲線。資料處理及制圖均采用程序數(shù)字處理,基本無人為誤差,精度高,工作及時(shí),提高了工作效率。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

首先對磁測曲線進(jìn)行歸納,剔除干擾異常,再對有用磁異常進(jìn)行分類解釋。地表磁干擾主要為農(nóng)房、高壓線、地表燒變巖碎塊等。實(shí)測ΔT曲線上表現(xiàn)為單點(diǎn)或很窄的尖峰高頻異常,易與煤層自燃區(qū)磁異常區(qū)分。根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn),正常煤層從自燃到熄滅過程中,存在著一個(gè)熄滅帶,該熄滅帶自燒程度相對降低,相應(yīng)的燒變巖磁性亦弱,在解釋時(shí),一般是將燒變巖近似地等效為以煤層底板為界的近似半無限水平斜臺(tái)階狀磁性體,因熄滅帶的磁性較弱,故實(shí)際解釋煤層自燃邊界位置應(yīng)由理論解釋點(diǎn)向未燒區(qū)偏移,偏移量要視磁異常形態(tài)而定。解釋工作在分析剖面異常特征點(diǎn)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行平面曲線類比,結(jié)合二維組合棱柱正反演解釋擬合及鉆孔、地面調(diào)查等資料進(jìn)行綜合對比分析,從已知到未知,反復(fù)研究異常特征點(diǎn)與煤層自燃邊界的對應(yīng)關(guān)系。對不規(guī)則異常和幅值較小的異常段,主要結(jié)合異常平面分布規(guī)律進(jìn)行推斷。

4中心回線瞬變電磁法在煤田地質(zhì)勘察的應(yīng)用

4.1方法簡介

瞬變電磁測深法(TEM)是近二十幾年來迅速發(fā)展起來的一種新的電磁測深方法。由于該方法具有探測深度大、對地層分辨能力高、受旁側(cè)影響或體積效應(yīng)小,以及工效高、成本低等特點(diǎn),因而在尋找油氣田、煤田、有色金屬礦、地?zé)崽?、地下水以及地質(zhì)構(gòu)造研究等方面取得了引人注目的成果。中心回線瞬變電磁法的基本原理是利用不接地回線線源向地下發(fā)送一次脈沖磁場,在一次脈沖磁場的間歇期間,采用不接地線圈(或接頭)以一定的采樣率接收感應(yīng)二次磁場。該二次磁場是由地下地質(zhì)體受到一次磁場激勵(lì)后在其內(nèi)部形成的感應(yīng)渦流產(chǎn)生。隨地質(zhì)體導(dǎo)電性能及空間賦存位置的不同,感應(yīng)渦流衰變的規(guī)律也有所不同,通過分析和研究二次磁場的時(shí)空變化特征計(jì)算視電阻率,進(jìn)而對視電阻率反演計(jì)算,獲得不同深度的視電阻率,形成地下電性結(jié)構(gòu)剖面達(dá)到解決地質(zhì)問題的目的。由于早期信號(hào)反映淺部地電特性,晚期信號(hào)反映較深部地電斷面,這就可以達(dá)到探測的目的。

4.2 方法實(shí)踐-以某地區(qū)煤田地質(zhì)勘查為例

4.2.1 找煤模式和方法的有效性分析

在確定工區(qū)的基本情況后，再分析工區(qū)的地電特征和電磁資料,初步認(rèn)識(shí)本區(qū)的找煤模式:①煤層的發(fā)育與一定的地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境有關(guān)。②解釋上以瞬變的反演結(jié)果確定地層、基底。應(yīng)用地質(zhì)、鉆探資料標(biāo)定物探層位,從已知到未知推斷解釋。③確定低阻分布特征,確定異常體的性質(zhì)。④密切注意電性橫向變化規(guī)律,結(jié)合盆地相帶變化特點(diǎn),確定電性橫向變化與巖相關(guān)系。瞬變電磁測深方法是通過探測低阻異常,根據(jù)異常所處的具體構(gòu)造部位,間接尋找目標(biāo)物(煤系地層)。工區(qū)雖靠近城區(qū),外來電磁噪聲干擾有影響,但從V8觀測系統(tǒng)及方法,采用25Hz、8.33Hz兩個(gè)頻率觀測的結(jié)果看,重復(fù)采集、相互彌補(bǔ)、多次疊加,干擾基本上影響很小。探測目標(biāo)與上下巖層之間的電性差異較大,目標(biāo)物的規(guī)模較大,埋深較小,易于分辨。與其他方法相比采用瞬變電磁測深方法探測更為有效。

4.2.2 工作布置

對勘查區(qū)進(jìn)行瞬變電磁測深,點(diǎn)距100m,線距2000m,物理點(diǎn)1000個(gè),共布設(shè)剖面0、2、4、6、8計(jì)5條。野外施測過程中,根據(jù)實(shí)際進(jìn)展,針對次級盆地的獨(dú)立性、低阻的分布,調(diào)整了工作部署:①前期以主要完成0、2、4、6、8測線,初步摸清低阻的大致分布范圍。②前期低阻分布摸清以后,根據(jù)初步資料,有目的的在南部、東北部實(shí)施加密,增加了3、5、7測線。③測線線距1000-2000m,根據(jù)實(shí)際情況,點(diǎn)距100-200m不等。

4.2.3 資料處理

資料處理與解釋主要用YUTEM資料處理一解釋系統(tǒng)。由于求取的虛擬全區(qū)視電阻率曲線消除了場源的影響,具有平面電磁波的性質(zhì),可進(jìn)行類MT方式進(jìn)行反演。根據(jù)MT中的周期T和TEM中的延遲時(shí)間t相對等的簡單關(guān)系:

T≈t/0.194

可將"虛擬全區(qū)視電阻率"曲線近似看作MT的視電阻率曲線,進(jìn)而對瞬變電磁測深的資料作類似于MT的Bostick一維近似反演。

精確的一維反演采用以"虛擬全區(qū)視電阻率"為反演過程中的擬合目標(biāo)函數(shù),它根據(jù)"虛擬全區(qū)視電阻率"的觀測值和反演結(jié)果正演計(jì)算的擬合情況,來調(diào)整電性層的電性和幾何參數(shù)。選個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù),以一維Bostick反演的結(jié)果作為初始模型,將地下電性層劃分為層,根據(jù)正演結(jié)果和觀測值的差異逐層修正電阻率和厚度,并且循環(huán)進(jìn)行。不同于大地電磁測深法(MT),TEM的反演時(shí)間較長,主要是因?yàn)樵诜囱莸^程中TEM的正演計(jì)算時(shí)間比頻率域方法要長很多。由于采用對稱方形的小偏移距的線框作為發(fā)射源,并且是在中心點(diǎn)上采集時(shí)間序列的衰減信號(hào),因此,它更類似于自激自收的垂向測深法。在這種情形下,一維反演結(jié)果具有很高的精確性。

參考文獻(xiàn)

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