巨厚新生界覆蓋區(qū)煤炭勘查中的電震綜合方法應(yīng)用

余永鵬，閆照濤，毛興軍，楊彥成，馬永祥，黃鵬程，陸愛國，張廣兵

(1.寧夏回族自治區(qū)煤炭地質(zhì)局，寧夏 銀川 750002； 2.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，寧夏 銀川 750004)

0 引言

我國的煤炭資源經(jīng)過多年大規(guī)模勘查開發(fā)，勘查重點已經(jīng)轉(zhuǎn)向深部。巨厚新生界覆蓋區(qū)在深部含煤區(qū)中占比重要，目前在類似區(qū)域系統(tǒng)性煤炭勘查工作的研究還相對較少。通常情況下，巨厚新生界覆蓋區(qū)的煤層埋藏深度大、勘查程度低，新生界與下伏地層為顯著不整合接觸，地表地形地質(zhì)與深部煤炭賦存情況沒有必然聯(lián)系，因此在此類地區(qū)進行煤炭勘查工作成本高，難度大。物探作為先行手段在此類地區(qū)進行煤炭勘查的地質(zhì)和經(jīng)濟效益顯著。

研究區(qū)位于寧夏香山西麓某巨厚新生界覆蓋區(qū)，前人僅在20世紀50年代在煙洞山—香山一帶進行過1∶5萬煤田地質(zhì)調(diào)查工作，對地層、煤層和構(gòu)造情況作了概略了解。在研究區(qū)內(nèi)先期實施的二維地震勘探獲得的時間剖面同相軸連續(xù)性不好，構(gòu)造反映不明顯。實施了4個驗證鉆孔，結(jié)果表明二維地震勘探未能達到勘查目的。經(jīng)分析研究后，將驗證鉆孔作為已知條件，補充實施了可控源音頻大地電磁法(CSAMT)為主，輔以少量直流電測深(vertical electric sounding，VES)的綜合電法勘探工作，圈定了含煤地層范圍和主要控煤構(gòu)造，并與地震勘探有利區(qū)域的資料結(jié)合，確定了煤層和斷層情況。后續(xù)鉆探驗證和各階段地質(zhì)勘查成果表明，研究工作所采用的電震綜合物探方法效果明顯，對類似地區(qū)煤炭勘查工作具有示范作用。

1 研究區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)位于寧夏香山西麓，地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)秦祁昆地層區(qū)祁連—北秦嶺地層分區(qū)之寧夏南部地層小區(qū)[1]，圖1為研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)及工程布置示意。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)及工程布置Fig.1 Regional geology and engineering layout of the study area

研究區(qū)為丘陵地貌，大部分被第四系覆蓋，北部有少量二疊系紅泉組出露。區(qū)內(nèi)鉆孔揭露的地層有奧陶系(O)、二疊系紅泉組(P2h)、侏羅系芨芨溝組(J1j)、侏羅系延安組(J2y)、新近系(N)和第四系(Q)。含煤地層為侏羅系延安組，未見頂，殘留厚度為234.11～556.74 m，含煤24層，煤層平均厚度為33.97 m。新生界地層總厚度345.04～972.95 m，總體呈“北東厚、南西薄”的特征。新近系地層厚度69.9～710.04 m，平均309.66 m，巖性主要以淺黃紅色厚層黏土、砂質(zhì)黏土、淺紅色厚層含礫細砂、礫石層為主，與下伏地層呈角度不整合接觸。第四系厚度0～400.82 m，平均158.29 m，主要由黃土、河床沖積層及洪積物組成。

1.2 地球物理特征

1.2.1 地震地質(zhì)條件

巨厚新生界在橫向上賦存不穩(wěn)定、厚度變化大，對地震資料的靜校正有較大的不利影響，加之對地震波強烈的吸收衰減作用，導(dǎo)致淺部地震地質(zhì)條件較差。

根據(jù)研究區(qū)及周邊地震勘探資料，新生界地震波平均速度1 500 m/s，下伏基巖地震波平均速度為3 100 m/s，二者之間的波阻抗差異明顯，具有形成能量強、 波形突出、穩(wěn)定且全區(qū)可連續(xù)追蹤對比的反射波條件。區(qū)內(nèi)煤層厚度大，賦存穩(wěn)定，與頂?shù)装宓拇蠖紊皫r分層明顯，且煤層相對圍巖具有低密度和低傳播速度的特點，具備形成良好的連續(xù)強反射波的條件。深部地震地質(zhì)條件較好，有利于采用地震勘探進行煤炭勘查工作。

1.2.2 電性特征

測井資料所得到的巖石物性參數(shù)更能反映其在地層狀態(tài)下的實際特征，在同一地區(qū)、同一物源控制的沉積體系可以作為礦產(chǎn)資源評價的地球物理依據(jù)[2-4]。通過對研究區(qū)內(nèi)4個已知鉆孔地球物理測井資料統(tǒng)計，獲得了區(qū)內(nèi)地層的電性特征(表1)。各地層之間電性存在差異，根據(jù)地層次序可以大致劃分為4個電性層：第1層為新生界中部和上部組成的低阻或相對低阻層；第2層為新生界下部礫石層形成的高阻層，作為電性標志層；第3層為侏羅系延安組的中低阻層，系含煤地層；第4層為侏羅系芨芨溝組及下伏地層組成的高阻層。

表1 研究區(qū)地層電性特征

電法勘探的主要目標是圈定含煤地層侏羅系延安組的范圍。如果電阻率—深度曲線或剖面呈現(xiàn)“低阻—高阻—低阻—高阻”的分層特征，且電性特征與表1一致時，則第2層的高阻為新生界下部的礫石層，第3層的低阻為含煤地層侏羅系延安組。斷層和構(gòu)造情況可根據(jù)電阻率等值線特征解釋。

綜上所述，研究區(qū)具備用電法和地震組成的綜合物探進行煤炭勘查的地球物理條件。

2 方法技術(shù)

2.1 二維地震勘探

二維地震勘探是利用巖石的彈性波波速差異為前提，通過人工激發(fā)產(chǎn)生地震波，在地震波傳播過程中遇到彈性波波速不同的界面時，就會發(fā)生反射、透射和折射，用儀器記錄地表沿測線各點的地震波信息，通過對地震波信號進行處理和解釋，可以有效地推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)。地震勘探具有勘探精度高、探測深度大、分辨率高、勘探效率快、勘探成本低、能直觀表現(xiàn)地下地質(zhì)形態(tài)等特點[5]，可以直接反映煤層和巖性界面等情況，是煤炭勘查中應(yīng)用最廣泛的地面物探方法。

受巨厚新生界的影響，需要考慮地震波激發(fā)、接收和觀測系統(tǒng)等多方面因素來保證地震勘探效果。在鄰區(qū)試驗的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)選擇了2個點進行實驗，獲得的二維地震勘探數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：① 激發(fā)因素：井深打至固結(jié)砂礫石層或潛水位以下3～5 m，藥量3 kg；② 接收因素：采用5個60 Hz的檢波器、點式組合；③ 觀測系統(tǒng)：144道接收，道距10 m，炮間距20 m，偏移距10 m，中點激發(fā)，36次覆蓋；④ 儀器因素：采樣間隔為1 ms，記錄長度為2 s，前放增益為12 db，全頻帶接收。

數(shù)據(jù)處理主要進行野外靜校正、折射靜校正、抽道集、反褶積、速度分析、動校正疊加、剩余靜校正、DMO疊加、CMP疊加、偏移等[6-7]。資料解釋采用人機聯(lián)作對地震疊加時間剖面和迭偏時間剖面進行綜合分析。

2.2 可控源音頻大地電磁法

CSAMT是20世紀80年代開始興起的一種地球物理新技術(shù)，它以有限長接地導(dǎo)線為場源，在距偶極中心一定距離(收發(fā)距r)處同時觀測電場(Ex)、磁場(Hy)參數(shù)的一種電磁測深方法，在煤炭領(lǐng)域的應(yīng)用多集中于水文地質(zhì)勘查[8-9]，近年來在青藏高原等地的復(fù)雜地形[10]、推覆體下[11]、構(gòu)造復(fù)雜區(qū)[12]和深部煤炭[13]等特殊地質(zhì)條件下的煤炭勘查中得到了一定程度的應(yīng)用，取得了較好的勘查效果。

巨厚低阻覆蓋層對電磁波的吸收衰減作用強烈，直接影響數(shù)據(jù)采集的信噪比。該方法通過改變工作頻率達到不同探測深度的目的，并同時觀測電場和磁場分量，通過比值計算卡尼亞電阻率，因此該方法具有探測深度較大、抗干擾能力強、橫向分辨率高的特點，更適宜于在研究區(qū)進行地層界線劃分、斷層構(gòu)造勘查等工作。

測區(qū)地層電阻率整體較低，使觀測數(shù)據(jù)信噪比降低的同時，觀測曲線進入近場的頻率更高，探測深度更低，需要在野外試驗中同時兼顧勘探深度、信噪比和分辨率才能取得良好勘探效果。在保證勘探深度方面，通過增加最小收發(fā)距降低進入近場的頻率。在提高信噪比方面，一是采用大電流發(fā)射以提高有效信號強度，二是通過增加接收極距以提高電場強度，三是收發(fā)距與信噪比成反比，合理控制最大收發(fā)距，四是采用大極距發(fā)射。在提高縱向分辨率方面，主要通過加密工作頻率實現(xiàn)。在提高橫向分辨率方面，一是采用TM的測量模式，二是將接收極距控制在合理范圍內(nèi)。通過理論計算和實驗結(jié)果確定的野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)為：測量方式為標量共磁道方式，裝置形式為旁側(cè)裝置，測量模式為TM模式，供電極距AB=2 km，接收極距MN=100 m，收發(fā)距r在12～16 km，供電電流Imax=19 A，工作頻段9 600～0.5 Hz(45個頻點，最小可用頻率為4 Hz)，測線距為1 000 m，測點距為100 m，測線方向垂直于主要構(gòu)造方向，與二維地震勘探測線重合。

在野外數(shù)據(jù)采集中，每條測線從南向北進行觀測，觀測曲線出現(xiàn)高阻特征后，繼續(xù)觀測一個完整排列即可停止該測線的觀測。

在資料處理與解釋中，剔除廢排列(道)后，輸出為各記錄點(測點)的頻域視電阻率和阻抗相位的十進制文件，并對數(shù)據(jù)進行靜態(tài)改正、空間濾波等處理后，采用擬二維Bostik變換進行地球物理反演和解釋工作[14-16]。

2.3 直流電測深

直流電測深法基于人工源建立電流場，通過逐步增大供電電極AB的極距改變電流場的影響深度，從而實現(xiàn)在同一測點上獲得電阻率隨深度的變化特征[17]。該方法抗電磁干擾能力強，曲線類型識別準確。但該方法為幾何測深法，在探測深度大或地形復(fù)雜區(qū)域不宜大量使用，在研究區(qū)內(nèi)主要布置在鉆孔旁和少量典型測點上，以對地層的電性反映進行判斷，并對CSAMT曲線和反演結(jié)果進行驗證。

測深裝置采用對稱四極測深法，極距采用1/10分布的對數(shù)等間隔極距，最大供電極距ABmax=6 300 m，最大供電電壓Vmax=600 V。為了減少斷層等構(gòu)造對觀測結(jié)果的影響，電極排列方向平行于主要構(gòu)造方向和地層走向。

反演軟件采用吉林大學(xué)研發(fā)的“GeoElectro電法數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)”，反演方法主要為人機交互反演。反演中根據(jù)鉆孔獲得的地層界線建立地質(zhì)模型，直接通過鼠標修改模型厚度和電阻率進行曲線擬合，并計算出擬合誤差。人工根據(jù)鉆探成果和地球物理特征等已知資料判斷反演模型的合理性，以獲得最優(yōu)解。

3 資料解釋

二維地震勘探結(jié)束后，對資料進行了處理解釋，并實施了4個鉆孔驗證煤層情況，其中鉆孔ZK41未見到煤層，其余3個鉆孔的驗證結(jié)果也與地震勘探資料差別較大。在補充實施電法勘探后，實施的4個驗證鉆孔作為物探工作的已知資料，并對地震勘探資料進行了進一步的處理。資料解釋中，采用綜合物探方法的解釋思路，即先通過電(磁)法確定含煤地層范圍和控煤構(gòu)造情況，然后利用二維地震勘探有利區(qū)域的資料確定煤層與斷層等情況。VES對CSAMT解釋的地層進行佐證，地震與CSAMT的解釋成果能夠相互印證。

3.1 含煤地層范圍與邊界

3.1.1 一維分析解釋

在D3線2 650 m處實施的ZK3鉆孔在延安組見到4組煤層，其中2層可采，見煤深度為519.71 m。在ZK3鉆孔旁實施了直流電測深點V1。

圖2為V1測點深度—反演電阻率曲線與鉆孔簡易柱狀圖，VES的反演結(jié)果是在已知地層界線、地球物理特征等情況下通過人機交互方式獲得，其可靠性較高，可以作為CSAMT的已知資料。圖中CSAMT與VES反演電阻率曲線形態(tài)、特征、拐點和反演電阻率值基本一致，說明CSAMT反演結(jié)果是合理的，能反映地層真實的電性情況。

圖2 V1測點電法深度—反演電阻率曲線與鉆孔簡易柱狀圖Fig.2 Electrical depth-inversion resistivity curve of measuring point V1 and simple histogram of drilling hole

結(jié)合鉆探、地層電阻率等資料，將CSAMT曲線分為4段：第1段(AB段)是新生界中上部的低阻層反映，反演電阻率為6～14 Ω·m；第2段(BC段)為新生界底部礫石層的高阻反映，是明顯的電性標志層，反演電阻率為21 Ω·m；第3段(CD段)為含煤地層侏羅系延安組的低阻反映，反演電阻率為12～18 Ω·m；第4段(DF段)包括侏羅系芨芨溝組(DE段)和二疊系(EF段)，二疊系為高阻反映，反演電阻率大于25 Ω·m。

如表2所示，CSAMT反演曲線拐點與鉆孔揭露地層界線基本一致，曲線特征也符合含煤區(qū)“低阻—高阻—低阻—高阻”的電性特征，為含煤區(qū)的典型曲線。

表2 ZK3孔旁CSAMT反演結(jié)果與鉆孔揭露情況

3.1.2 剖面解釋

圖3為D3線CSAMT反演電阻率等值線剖面及推斷解釋結(jié)果，圖中4 350 m兩側(cè)反演電阻率剖面形態(tài)明顯不同。

4 350 m以北剖面電性分層不明顯，不具含煤地層的電性特征，根據(jù)研究區(qū)周邊地層出露情況與地層電性特征推測為二疊系紅泉組，系不含煤地層。

4 350 m以南剖面與ZK3孔旁曲線特征一致，具有明顯“低阻—高阻—低阻—高阻”的層狀特征，為典型的含煤區(qū)反演電阻率剖面。根據(jù)ZK3孔旁曲線分析結(jié)果和鉆探揭露情況，將剖面沿垂向分為4層：第1層為新生界中部和上部黃土、黏土、砂土、含礫細砂組成的低阻層，圖中可見含礫細砂在局域呈現(xiàn)相對較高的電性特征；第2層為新生界底部礫石層形成的高阻層；第3層為侏羅系延安組形成的低阻特性，為含煤地層；第4層為侏羅系芨芨溝組、二疊系紅泉組及下伏地層形成的高阻層。

圖3中4 350 m處反演電阻率剖面發(fā)生的“斷崖式”錯斷明顯為斷層(組)引起，根據(jù)反演電阻率等值線形態(tài)特征和相鄰測線的反演電阻率剖面分析，推測該斷層(組)由F1、F2和F3共3個斷層組成：F2斷層將研究區(qū)分為上盤和下盤兩部分；F1斷層為F2下盤的次級斷層，是含煤地層的邊界斷層；F3斷層兩側(cè)的電阻率剖面未發(fā)生明顯突變，為煤系地層內(nèi)的斷層。

圖3 D3線CSAMT反演電阻率等值線剖面及推斷解釋成果Fig.3 CSAMT inversion of resistivity contour section and inference interpretation diagram of line D3

3.2 煤層

地震勘探能對煤層有直接反映，煤層的解釋主要依靠地震勘探資料。圖4為D3線地震時間剖面及推斷解釋結(jié)果。圖中同相軸連續(xù)性一般，對構(gòu)造反映不太明顯；隨著新生界厚度增加(往大里程方向)，地震屬性的反映隨之變得更差。圖中能連續(xù)追蹤的同相軸有3組，其中TN波較為平緩，符合新生界底界的特征，推測為新生界底界的反射波；T1和T2波特征相同，為煤組的復(fù)合反射波，其中T2波經(jīng)ZK3鉆孔驗證。同向軸在剖面3 800～4 500 m出現(xiàn)的錯斷或消失明顯為斷層組引起，斷層與電法解釋結(jié)果一致，但F1～F3間無明顯同相軸，不能確定該段地層的煤層情況。

圖4 D3線地震勘探時間剖面及推斷解釋Fig.4 Seismic exploration time profile and inference interpretation diagram of line D3

綜合解釋結(jié)果表明，通過CSAMT解釋含煤地層范圍后，利用二維地震勘探解釋煤層是合理可行的。含煤地層范圍和煤層范圍可以相互印證，保證了解釋成果的可靠性。

4 鉆探驗證

物探工作結(jié)束后，在D3線4 350 m附近實施了ZK7，驗證含煤地層邊界斷層，在3 450 m附近實施ZK5，驗證含煤地層與含煤性。

ZK7鉆孔終孔深度為788.6 m，鉆孔揭露新生界在0～48.5 m與221.11～450.0 m重復(fù)，二疊系紅泉組在48.5～221.11 m與762.0～788.6 m重復(fù)，450.0～706.0 m為延安組。地層的多段重復(fù)是由兩個逆斷層造成(圖5)，說明物探解釋的F1和F2斷層是存在的，F(xiàn)1斷層為含煤地層邊界是可靠的。

ZK5鉆孔終孔深度為801.97 m，共見到煤層8層，可采煤層總厚度超過30 m，見煤深度為519.72～754.75 m。鉆孔揭露了新生界、侏羅系延安組、侏羅系芨芨溝組，物探解釋成果與鉆探揭露的地層界線吻合較好(表3)。

表3 ZK5鉆孔驗證結(jié)果

在后續(xù)的煤炭資源勘查工作中，先后在D3線上實施了7個鉆孔，形成了完整的地質(zhì)剖面(見圖5)。圖中地質(zhì)剖面的地層界線、含煤地層范圍、斷層等構(gòu)造與物探解釋成果一致，說明在寧夏香山西麓某巨厚新生界覆蓋含煤區(qū)建立的電性剖面特征是正確的，將新生界底界礫石層作為電性標志層是合理的，通過電法和地震形成的綜合物探方法、數(shù)據(jù)采集參數(shù)、資料處理和解釋方法是合理的，物探成果可靠性較高。研究成果可以減少前期勘查階段沒有必要的鉆孔，對鉆探工程布置有重要的指導(dǎo)意義，對地質(zhì)勘查中的資料分析、發(fā)揮和提高勘查效益和效率有重要作用。

圖5 D3線地質(zhì)剖面Fig.5 D3 line geological section map

5 結(jié)論

通過對寧夏香山西麓某典型巨厚新生界覆蓋區(qū)煤炭勘查實例研究，總結(jié)出了一套適合巨厚新生界覆蓋區(qū)煤炭勘查工作的綜合物探方法:

1)在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上應(yīng)“先物探、后鉆探”，合理選擇綜合物探方法，可以有效節(jié)省鉆探工作量，降低地質(zhì)勘查成本和勘查風險，具有顯著的經(jīng)濟性;

2)采用CSAMT為主、VES為輔的電法勘探方法圈定含煤地層范圍，再用地震勘探確定煤層情況，可以實現(xiàn)多種方法的相互印證和補充，降低物探解釋的多解性;

3)總體工作流程為：先選擇合適的電法進行大面積工作，確定有利區(qū)塊后，加密測線以確定含煤地層范圍和構(gòu)造情況，再對圈定的含煤地層范圍進行地震勘探以確定煤層情況。

總之，在巨厚新生界覆蓋區(qū)采用綜合物探進行煤炭勘查工作，取得了較好的地質(zhì)效果，希望對今后在同類地區(qū)進行的煤炭勘查工作有借鑒意義。

致謝：感謝中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)李振宇教授在論文編寫過程中給予的指導(dǎo)和幫助。