CSAMT與AMT法在煤礦地質(zhì)勘查中的應(yīng)用

蔡建峰

（福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建龍巖 364000）

1 AMT與CSAMT簡(jiǎn)介

音頻大地電磁法簡(jiǎn)稱AMT，屬于大地電磁法（MT）的一個(gè)分支。與MT法一樣，AMT法是利用天然的大地電磁場(chǎng)（雷電、太陽(yáng)風(fēng)等天熱電磁波在大地產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場(chǎng)）作為場(chǎng)源，來(lái)測(cè)定地下巖石的電性參數(shù)，并通過(guò)研究地電斷面的變化來(lái)達(dá)到了解地質(zhì)構(gòu)造、找礦、找水等地質(zhì)目的的一種地球物理勘探方法。AMT法研究的電磁波頻率范圍大致為1～10000Hz，因?yàn)槠涓哳l部分1000～10000Hz所在頻段的聲波人耳能聽到，故稱為“音頻”。AMT法的探測(cè)深度一般在2km以內(nèi)。

可控源音頻大地電磁法簡(jiǎn)稱CSAMT，是在MT與AMT 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種人工源頻率域電磁測(cè)深方法。該方法由于地形條件限制小、工作效率高、勘探深度大、分辨能力強(qiáng)、高組屏蔽作用小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于勘查地下水資源、金屬礦、煤田、油氣及工程物探等，是研究深部地質(zhì)構(gòu)造及尋找隱伏礦的有效手段。其標(biāo)量觀測(cè)方式沿用AMT 的測(cè)量方式（TM 模式），觀測(cè)人工供電產(chǎn)生的音頻電磁場(chǎng)。它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導(dǎo)出的水平電偶極源在地面上的電場(chǎng)及磁場(chǎng)，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)接收接近平面波的電磁波。通過(guò)測(cè)量相互正交的電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的水平分量獲得大地的卡尼亞視電阻率：

它的相位提供了一個(gè)重要參數(shù)，稱為相位差或阻抗相位：

電阻率和相位共同提供了一個(gè)關(guān)于解釋大地響應(yīng)的完整數(shù)據(jù)集，根據(jù)電磁波趨膚效應(yīng)理論，CSAMT法有效探測(cè)深度D與頻率f、卡尼亞電阻率ρa(bǔ)之間存在如下公式：

從式（3）可見，當(dāng)大地電阻率結(jié)構(gòu)固定時(shí)，電磁波的有效穿透深度D（或探測(cè)深度）與頻率f成反比。高頻時(shí)，探測(cè)深度淺；低頻時(shí)，探測(cè)深度深。可以通過(guò)改變發(fā)射頻率來(lái)改變探測(cè)深度，從而達(dá)到變頻測(cè)深的目的。對(duì)于目前一般采用的頻率范圍（0.125～8912Hz），其探測(cè)深度一般可達(dá)2km。

本次礦區(qū)由于地形復(fù)雜，植被茂密，勘探難度大。針對(duì)礦體隱伏情況，采用物探手段進(jìn)行勘探。由于AMT 利用天然場(chǎng)源，受近場(chǎng)效應(yīng)、過(guò)渡帶效應(yīng)及非平面波效應(yīng)影響小，在干擾較小的情況下，即能采集到較高質(zhì)量數(shù)據(jù)的情況下，AMT法比CSAMT法能更真實(shí)地反映地質(zhì)體的電性特征。故本次電磁法勘探首先在鄰近礦區(qū)已知地質(zhì)剖面段做AMT 試驗(yàn)以獲取礦區(qū)地層電性特征作為物性參考，后采用信噪比更高的可控源音頻大地電磁法(CSAMT)采集數(shù)據(jù)以初步查明礦區(qū)范圍內(nèi)地下深部構(gòu)造及電性分布特征，間接尋找到地下煤系地層賦存情況，為礦區(qū)進(jìn)一步開展地質(zhì)工作提供更豐富的資料和信息。

2 礦區(qū)地質(zhì)及巖石電性特征

2.1 地質(zhì)概況

根據(jù)前期地質(zhì)工作，礦區(qū)周邊對(duì)煤系地層研究程度較高，其成果基本能滿足本次勘查工作的需要。礦區(qū)地表出露地層從老到新為：三疊系中統(tǒng)溪尾組、三疊系上統(tǒng)文賓山組和大坑組、侏羅系下統(tǒng)下村組及侏羅系上統(tǒng)兜嶺群地層（圖1）。其中三疊系上統(tǒng)大坑組含煤地層為本區(qū)主要勘查對(duì)象，主要出露于本區(qū)南部，以及埋藏于礦區(qū)深部，巖性以灰色、灰黑色細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤層及底部為含礫粗砂巖組成，厚度約500m，與下伏的溪尾組呈角度不整合接觸。

礦區(qū)西部外圍地層總體向西傾斜，傾角一般在20°～50°之間。中部總體產(chǎn)狀向東傾斜，而東部為一背斜，形成礦區(qū)的總體構(gòu)造一向斜一背斜。向斜構(gòu)造位于勘查區(qū)的中部，軸向呈北西—南東向，向斜兩翼地層為侏羅系下統(tǒng)下村組及三疊系上統(tǒng)文賓山組和大坑組為主，含煤地層保存較完整。區(qū)內(nèi)北西—南東向斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂產(chǎn)狀較陡，主要有F5、F11正斷層和F18、F19、F20逆斷層。

區(qū)內(nèi)未出露巖漿巖，區(qū)南部已完工鉆孔也未揭示巖漿巖。

2.2 巖石電性特征

由于本區(qū)和相鄰礦區(qū)以往沒(méi)有物探工作，對(duì)本區(qū)各地層電性特征的已知物探參考資料很少，特別是三疊系上統(tǒng)大坑組（T3d）地層沒(méi)有可供參考的電法資料，所以在本區(qū)開展地面電法勘探前，首先選擇與本次礦區(qū)南部的原第5 勘探線4 號(hào)鉆孔部位進(jìn)行AMT 試驗(yàn)（TM模式），以獲取一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大致了解鄰區(qū)各地層的電性分布規(guī)律，作為本區(qū)后續(xù)電磁法勘探的物性參考資料。本次AMT 法試驗(yàn)采集頻率范圍為0.35～10400Hz，共60 個(gè)頻點(diǎn)，視電阻率與相位曲線圓滑，數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。結(jié)合本次AMT的試驗(yàn)結(jié)果（圖2）和鉆孔地質(zhì)資料，可得到試驗(yàn)剖面位置地質(zhì)結(jié)構(gòu)的電性分布特征（表1）。

表1 各地層視電阻率統(tǒng)計(jì)表

由試驗(yàn)反演視電阻率斷面圖（圖2）上可見，淺部的斷層F11與深部的斷層F10橫向電阻率均出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，斷層產(chǎn)狀清晰。本次勘探的目標(biāo)層三疊系上統(tǒng)大坑組（T3d）地層主要表現(xiàn)為阻值范圍在50～400Ω·m之間的低阻，與上覆地層三疊系上統(tǒng)文賓山組（T3w）地層沒(méi)有明顯的電性分界面，而與下伏地層三疊系中統(tǒng)溪尾組（T2xw）地層的電性差異較明顯，可見利用AMT、CSAMT 法卡尼亞視電阻率尋找隱伏的大坑組（T3d）煤系地層具備一定的物性條件。

3 野外工作方法

本次電磁法勘探，儀器使用加拿大鳳凰公司的V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀，測(cè)量采用標(biāo)量CSAMT裝置，用發(fā)射機(jī)通過(guò)兩個(gè)接地電極A、B向地下供交變電流場(chǎng)（I=I0e-iωt），在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)（一般r＞6D）接收電磁信號(hào)，其野外工作方法如圖3所示。

考慮到本次勘探深度要求，實(shí)際工作中選擇發(fā)射極距AB=1880m，方位角77°05′40″（與測(cè)線夾角為0°31′17″）。電源采用30kW 柴油發(fā)電機(jī)組，發(fā)射機(jī)型號(hào)為TXU-30，發(fā)射頻率為0.125～7680Hz（49 個(gè)頻率），發(fā)射電流為12～15A。接收區(qū)位于AB極中點(diǎn)60°扇形區(qū)域內(nèi)，測(cè)量點(diǎn)距40m，最小收發(fā)距rmin=10.39km，最大收發(fā)距rmax=11.39km。接收主機(jī)型號(hào)V8，2 個(gè)輔助采集站，接收系統(tǒng)一次可同時(shí)接收上述不同頻率系列的九道電場(chǎng)（Ex）和一道磁場(chǎng)（Hy）。測(cè)量采用固體不極化電極，測(cè)量導(dǎo)線采用四芯屏蔽電纜，接地電阻一般小于2kΩ；磁探頭埋置采用森林羅盤儀定向，探頭軸向與AB垂直，鋪平埋置。采集頻率見發(fā)射頻率表(表2)。

表2 發(fā)射頻率表

本次CSAMT 法勘探共布設(shè)兩條電法剖面L1 線和L3 線，剖面方位近垂直于礦區(qū)主要地層及構(gòu)造走向，共計(jì)完成CSAMT 測(cè)深點(diǎn)240 個(gè)。經(jīng)檢查點(diǎn)計(jì)算，卡尼亞視電阻率均方差M=±4.989%，符合規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。野外工作結(jié)束后，利用V8本身配備的軟件CMTPro和CSAMT-SW2.0對(duì)原始數(shù)據(jù)處理，分別進(jìn)行去跳點(diǎn)插值、平滑濾波、靜態(tài)效應(yīng)校正、近場(chǎng)效應(yīng)校正、正反演計(jì)算等，由反演計(jì)算結(jié)果繪制卡尼亞視電阻率測(cè)深斷面圖，結(jié)合已有地質(zhì)資料進(jìn)行分析解釋。

4 成果解釋

圖4、圖5 分別為1 線、3 線CSAMT 測(cè)深反演斷面圖。從1 線和3 線的CSAMT 法卡尼亞視電阻率斷面圖看，兩條斷面均呈現(xiàn)出如下規(guī)律：淺層為厚度200m左右的中低阻異常帶（200～1500Ω·m），中部為阻值主要在50～400Ω·m的低阻異常帶，深部為中高阻異常帶（400～8000Ω·m）。根據(jù)前面電性試驗(yàn)結(jié)果分析，相應(yīng)地將淺部的中低阻異常帶解釋為侏羅系下統(tǒng)下村組（J1x）地層，中部的低阻異常帶解釋為三疊系上統(tǒng)文賓山組—大坑組（T3w-T3d）地層，深部的中高阻異常帶解釋為三疊系中統(tǒng)溪尾組（T2xw）地層，深部未見明顯的侵入巖體異常，地層次序較穩(wěn)定。除了兩條測(cè)線的東北端（大號(hào)位置），中部低阻異常帶的最大厚度在500m左右與礦區(qū)南部原第5勘探線所揭露的大坑組和文賓山組地層的總厚度接近，但由于大坑組與文賓山組地層的電性表現(xiàn)無(wú)法有效區(qū)分，解釋時(shí)也就無(wú)法明確區(qū)分開來(lái)。

綜上所述，本測(cè)區(qū)的CSAMT 法勘探結(jié)果揭示的低阻異?？赡転槿B系上統(tǒng)文賓山組—大坑組（T3w-T3d）地層的電性反映，但是否存在大面積的大坑組（T3d）地層，若存在其厚度是多少，尚需選擇合適位置進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證方能證實(shí)。

另外區(qū)內(nèi)斷裂一般由于風(fēng)化填充作用、裂隙發(fā)育或充水等均會(huì)引起視電阻率降低，而斷裂兩側(cè)相對(duì)高阻。結(jié)合斷層的地表出露情況，根據(jù)CSAMT 視電阻率曲線拐點(diǎn)位置及梯度帶位置，大致推斷了斷裂的深部延伸情況，詳見圖4、圖5。

5 結(jié)論

綜上所述，本區(qū)AMT 電性試驗(yàn)較為準(zhǔn)確，結(jié)合CSAMT 勘探效果較好，通過(guò)本次電磁法勘探工作初步確定了勘查區(qū)煤系地層分布情況，大致了解了區(qū)內(nèi)總體構(gòu)造形態(tài)，為在該區(qū)進(jìn)一步開展地質(zhì)工作提供了物探依據(jù)。測(cè)區(qū)的CSAMT法勘探結(jié)果揭示的低阻異常帶可能為三疊系上統(tǒng)文賓山組—大坑組地層的電性反映。由于電磁法工作普遍存在多解性問(wèn)題及方法本身局限性，對(duì)電性特征相近的地層，僅僅通過(guò)電性分布規(guī)律去劃分地層十分困難。建議下一步工作重點(diǎn)對(duì)本次測(cè)線反映的低阻異常進(jìn)行進(jìn)一步的鉆探驗(yàn)證，以便獲得更豐富的煤系地層分布情況。