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      巨厚新生界覆蓋區(qū)煤炭勘查中的電震綜合方法應(yīng)用

      2021-10-23 07:09:50余永鵬閆照濤毛興軍楊彥成馬永祥黃鵬程陸愛國張廣兵
      物探與化探 2021年5期
      關(guān)鍵詞:含煤物探電阻率

      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。

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