可控源音频大地电磁法在复杂地形山区寻找煤系地层中的应用

葛伟男

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

福建境内主要含煤地层为中二叠世童子岩组煤系地层，是一套海陆交互含煤沉积，广泛分布于闽中及闽西南地区。煤系地层从下往上一般分为3个段，其中一、三段为含煤段，二段为不含煤泥岩段。经多年的开采，浅部煤炭基本被采完。由于煤炭资源埋藏较深，以往常规槽探、钻探方法见煤率低、效果差[1-5]，因此，勘探工作重点和难点是在复杂地形条件下寻找隐伏煤层。深部找煤常采用物探手段与深孔验证相结合的方式，实践表明，地形能够引起物探虚假异常，从而掩盖地下由矿体或目标物引起的异常，如果不能对地形异常进行正确的认识和消除，将直接影响解释效果和勘探方法的有效性，甚至导致完全错误的解译结果。可控源音频大地电磁法(CSAMT)是在大地电磁和音频大地电磁法基础上发展起来的一种人工源方法，具有工作效率高、勘探深度范围大、垂向和水平分辨率高、受地形影响及高阻层的屏蔽作用小等优点。如今该方法应用领域扩展到了地质普查以及石油、天然气、地热、金属矿床、水文环境等勘查[6-11]，成为一种重要的深部勘探地球物理方法。

研究区位于福建三明，地形条件复杂、煤系地层埋深较深，常规的地球物理方法无法满足目前的勘探要求。结合CSAMT方法优点，通过布设5条剖面，获得了研究区深部电性结构，为圈定低阻异常带，指导钻孔设计，以及煤炭资源勘查远景提供有利信息。

1 研究区地质背景

研究区地处三明市郊，属构造侵蚀中低山地貌，地势总体东南高西北低，东南部最高山峰标高为973.80 m，西北部河谷最低标高为186.36 m，相对高差为787.44 m；山脉走向北东，与区域构造线基本一致，山脊与沟谷相间排列；区内地形切割较强烈，个别地方形成陡壁，通行条件较差。

1.1 地层

研究区处于闽西南坳陷带内，位于大田—龙岩凹陷的北部，广平—龙岩复式向斜西北侧。主要出露中二叠世童子岩组、早三叠世溪口组、晚侏罗世长林组和第四纪全新世(图1)。含煤地层为中二叠世童子岩组，受构造及侵入岩影响，主要分布在F1断层的西北侧，仅出露第一段，其岩相为一套碎屑滨海带沉积居多的海陆交互相沉积，由灰、灰黑色薄层细砂岩、粉砂岩及泥岩组成，水平层理发育，偶夹薄煤层。

图1 研究区地质简图及物探测线布置图Fig.1 Geological sketch and physical survey line layout of study area1—第四纪全新统；2—晚侏罗世长林组上段；3—晚侏罗世长林组下段；4—早三叠世溪口组；5—中二叠世童子岩组；6—中二叠世文笔山组；7—晚侏罗世二长花岗岩；8—花岗斑岩；9—石英斑岩；10—推测断层及产状；11—地质体界线/不整合界线；12—老硐位置及编号；13—钻孔位置及编号；14—可控源音频大地电磁测深测线位置；15—研究区

1.2 侵入岩

研究区内侵入岩主要为晚侏罗世二长花岗岩及少量花岗斑岩，地表出露范围较小，主要岩性为似斑状二长花岗岩。

1.3 构造

研究区位于大田—龙岩坳陷带的北部，总体构造骨架呈北东向展布，其次为北西向；断裂构造较为发育，形态较为复杂，具有多期次多阶段的特点。区内构造以北东向断裂为主，对深部的隐伏煤层具有破坏作用，其中F1断层为区内最主要断层，控制该区含煤地层的分布及形态，产状向北西倾。

2 地球物理特征

童子岩组煤系地层呈砂质泥岩、泥质砂岩、根土岩、泥岩、炭质泥岩、细砂岩及煤层有规律的交替分布。地球物理特性总体反映为低电阻率，通过研究区内的物性测定结果也证实了这一特点(表1)。研究区地层电阻率最高为晚侏罗世二长花岗岩，其次为晚侏罗世长林组砂岩、粉砂岩，再次为早三叠世溪口组石灰岩、砂泥岩和中二叠世童子岩组粉砂岩、砂岩、泥岩，而含煤地层及破碎带电阻率最低，电阻率值为n×10 Ω·m。从电阻率特征值上看，含煤地层及破碎带与围岩均有约2个数量级的电阻率差异，这是以电法等物探工作手段进行勘探应满足的前提条件。

表1 研究区地层电阻率

3 工作方法

3.1 方法选择

该研究区采用CSAMT法标量测量，标量测量可以同时测量多个电场，一个磁场，多个电场，同时一起用一个磁场，这样既节约了时间又提高了野外的工作效率还节约成本。根据野外观测方向的不同，有TM模式和TE模式之分，TM模式是指发射电偶极AB、接受偶极MN和测线布设方向垂直于地质构造走向的测量模式，可以很容易地确定线性的陡倾斜断层，故此次野外测量采用TM模型，在场源中心一定距离外、电偶源AB中垂线两侧各30°的扇形区域内，同时观测相互正交电、磁场分量。卡尼亚视电阻率[12]表达式如下：

(1)

式中，ρ为视电阻率，Ex为电场的水平分量，Hy为磁场分量，f为频率。

根据趋肤理论及电磁波理论，趋肤深度公式如下：

(2)

式中，H为探测深度，ρ为大地电阻率，f为频率。

趋肤深度取决2个参数：大地电阻率和信号频率 。当地层电阻率固定时，电磁波的传播深度(或探测深度)与频率成反比。高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深，通常在设计CSAMT的野外施工方案时采用上式来决定所测量的频率范围。

3.2 地形对物探解释的影响及消除手段

孙鸿雁[13]指出，对于TM模式由地形引起的干扰场能够引起虚假异常，在一定条件下，地形起伏比较大，且山脊下含高阻体或山谷下含低阻体时，可以完全掩盖异常体的响应，因此地形对CSAMT法的TM模式视电阻率的影响是不可忽视的。TM模式受地形影响具有一定的规律，主要表现：①地形对埋深较浅的低阻体影响较大，对埋深较深的低阻体影响相对较小；②山脊下含高阻体(或山谷下含低阻体)更易受地形影响；③地形倾斜角度越大，对视电阻率影响越大，地形倾角大于5°时，地形影响已经不可忽视，地形起伏越大，对视电阻率影响愈大；④地形尺度远大于4倍接收电极尺度时，地形影响不能忽视。

此次研究区地形影响主要为山谷对浅埋的低阻体影响、山脊对埋藏的高阻体影响以及部分测线地形倾角较大对视电阻率的影响。野外施工时，在地形倾角较大区段采用加密测量的方式来降低地形的影响。消除地形的手段主要包括空间滤波法、比值法和2D带地形直接反演方法等,为从复杂的异常中提取出目标体的信息，2D带地形直接反演无论是地形下含低阻还是含高阻异常体，可以明显消除地形的影响，改善反演解释结果，使反演结果更接近真实情况。

3.3 野外数据采集

此次工作采用美国ZONG公司的GDP-32Ⅱ多功能电法工作站，测量方式采用TM模型标量测量。野外施工前，首先对接收机和磁棒进行标定，以确定仪器处于良好的工作状态，测量时根据信号的干扰及强弱情况，选择最佳信噪比的增益。场源电偶极AB布设保持与剖面线平行，误差小于1°，电场测量采用不极化电极观测，磁参数采用磁探头测量，磁棒与剖面线成垂直方向且保持水平方向，用罗盘确定方向，误差小于1°。电极连线、磁棒连线均布设于地面无悬空，以防止切割磁力线对测量产生干扰。根据探测深度要求为地表以下1 500 m以内，选择采样频点为0.125～8 192 Hz，收发距(r)为6.2～8.2 km，测量偶极距(MN)均为40 m，接收位置控制在供电偶极中间张角±60°的扇形范围内。此次在研究区共进行了3线、1线、0线、2线和4线5条剖面的CSAMT工作。

3.4 数据处理

本次采用美国ZONGE公司开发的SCS2D 2.0 CSAMT数据处理软件进行2D带地形直接反演，可以明显消除地形的影响。数据处理主要包括数据预处理、静态校正、过渡区校正和数据反演。数据预处理是对干扰数据、误操作点和坏频段等进行选择和剔除，对曲线进行圆滑处理；静态校正采用平衡移动平均空间滤波法(Trimmed Moving Average)，以消除地表局部不均匀电性体引起的静态位移效应；过渡区校正利用等效电阻率全频域视电阻率法对过渡区的非平面波场效应产生的畸变进行计算和校正，从而提取过渡区数据中“隐藏”的有用频率测深信息，使其得到有效利用，增加剖面的有效反演深度。将上述采用SCS2D数据处理软件处理后的数据进行二维反演，反演时将地形文件数据向测线两端扩展两个测点间距，以改善地形模拟，采用一维模拟移动平均数据初始化背景模型。反演模式采用TM极化模式，研究区反演模型约束统一，滤波器宽度和高度均为0.5，总约束参数为0.5，背景约束参数为0.1，水平光滑度约束参数为0.58，垂直光滑度约束参数为0.42，将地表出露地层和煤系地层及该区主要地层岩石电阻率测定结果，做为地质和地球物理解释依据，绘制地质解释断面图(图2)。

图2 研究区3线带地形反演前(A)及反演后(B)电阻率断面对比图Fig.2 Resistivity section diagram of before (A) and after (B) terrain inversion of line 3 in the study area

4 资料解释

4.1 CSAMT典型断面异常解释

通过以上数据处理和反演，获得了研究区各条剖面的电性结构，并结合地质资料绘制了地质解译图。

1线是测区内布置的最长剖面，长5 560 m。从电阻率反演结果分析，垂向上看，高低阻分界线明显，在测线西段92～300点，高程-100～-500 m处，出现了电阻率横向低阻分层的特征，视电阻率值为10～250 Ω·m；在测线中段300～460点，高程200～-300 m处，有一明显的似层状低阻异常带，视电阻率值小于250 Ω·m，依据电阻率等值线分布特征及地质资料，推测由童子岩组所致；在测线东段512～642点，高程500～100 m处，存在低阻异常带，视电阻率值小于500Ω·m，依据电阻率等值线分布特征及地质资料，推测由溪口组所致。横向上看，根据电阻率等值线分布特征，存在多处高低阻梯度变化带，且等值线呈纵向延伸，推测在302点附近为F1构造位置，502点附近为F3构造位置，512点附近为F4构造位置，推测构造与地表揭露构造基本吻合。根据地质资料，在异常西南方向约580 m处见有老煤洞10 m(FD01)，且位于F1构造位置。结合1线在92～300点视电阻率较低，推测为煤系地层的可能性较大，故在184点设计ZK101验证,推测出煤系地层在标高-285～-600 m处，埋深范围为485～800 m(图3)。

图3 研究区1线CSAMT视电阻率断面图(a)及地质(b)解释图Fig.3 CSAMT apparent resistance interest rate profile (a) and geological interpretation diagram (b) of line 1 in the study area1—晚侏罗世长林组；2—早三叠世溪口组；3—中二叠世童子岩组；4—推断断层

2线的剖面长5 200 m。从电阻率反演结果分析，高低阻分界线明显。在剖面深部有一隆起的高阻异常，视电阻率超过10 000 Ω·m，推断为花岗岩所致。在测线西段158～328点，高程100～-600 m处，出现了电阻率横向低阻分层的特征，视电阻率值为10～250 Ω·m，该低阻异常与1线西段低阻异常特征类似，依据电阻率等值线分布特征及地质资料，推测由童子岩组砂岩地层所致。在测线东段498～658点，高程500～100 m处，存在低阻异常带，电阻率一般小于500 Ω·m，依据电阻率等值线特征及地质资料，推测由溪口组所致。横向上，根据电阻率等值线分布特征，结合电阻率等值线梯度变化带位置，推测在238点附近为F1构造位置，338点附近为F2构造位置，498点附近为F3构造位置。结合地质资料，物探推测的构造与地表揭露构造基本吻合(图4)。

图4 研究区2线CSAMT视电阻率断面图(a)及地质解释图(b)Fig.4 CSAMT apparent resistance interest rate profile (a) and geological interpretation diagram (b) of line 3 in the study area1—晚侏罗世长林组；2—早三叠世溪口组；3—中二叠世童子岩组；4—晚侏罗世二长花岗岩；5—花岗斑岩；6—推断断层

4.2 钻探及测井验证情况

根据可控源音频大地电磁测深成果，推断出区内地层的出露位置和地层产状特征，并根据地形条件在1线184点附近设计验证钻孔。验证钻孔终孔深度为900.75 m，揭露在标高-262.37～-628.44 m，埋深462.37～828.44 m处发现了童子岩组煤系地层，煤层产于童子岩组第一段，受F1断层控制，均位于F1断层的西北侧，呈层状产出，产状较为平缓。钻探结果与物探解释较为吻合。

电阻率测井标高在200～-300 m，层厚为500 m，视电阻率一般为100～800 Ω·m，为相对高电阻率；而标高-300 m以下层厚300 m，视电阻率一般为10～200 Ω·m，为相对低电阻率，井中电阻率与CSAMT反演电阻率剖面纵向变化规律相似，证实了CSAMT法的有效性(图5)。

图5 测井电阻率图Fig.5 Logging resistivity map

5 结论

(1)为提高野外的工作效率并节约成本，CSAMT法往往采用标量测量的TM模式，导致CSAMT视电阻率受复杂地形影响严重，不但会引起虚假异常，而且会掩盖地下由矿体或目标物引起的异常，因此在数据处理时应进行有效的地形校正，改善勘探成果质量。

(2)开展CSAMT法勘探时，在野外采集数据质量可靠前提下，利用二维带地形反演方法可有效消除地形影响，结合地质资料和物性参数，提高地下电性构造单元和断裂构造的解释精度，为圈定煤系地层提供了可靠的依据。

(3)研究区地形复杂，煤系地层埋藏深，CSAMT法反演成果有效地指导了钻孔布设，体现了其探测深度大、分辨率高的优势，可为今后在复杂地形区域的深部寻找煤系地层提供指导和借鉴意义。

资料来源为福建省地质调查研究院在福建三明三元区扁担洋—苍坑煤矿区预查成果，为集体成果，对参与此项目的所有工作人员表示由衷的感谢。