CSAMT與AMT法在煤礦地質勘查中的應用

蔡建峰

（福建省121地質大隊，福建龍巖 364000）

1 AMT與CSAMT簡介

音頻大地電磁法簡稱AMT，屬于大地電磁法（MT）的一個分支。與MT法一樣，AMT法是利用天然的大地電磁場（雷電、太陽風等天熱電磁波在大地產生的感應電磁場）作為場源，來測定地下巖石的電性參數，并通過研究地電斷面的變化來達到了解地質構造、找礦、找水等地質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，因為其高頻部分1000～10000Hz所在頻段的聲波人耳能聽到，故稱為“音頻”。AMT法的探測深度一般在2km以內。

可控源音頻大地電磁法簡稱CSAMT，是在MT與AMT 的基礎上發展起來的一種人工源頻率域電磁測深方法。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、高組屏蔽作用小等優點，廣泛應用于勘查地下水資源、金屬礦、煤田、油氣及工程物探等，是研究深部地質構造及尋找隱伏礦的有效手段。其標量觀測方式沿用AMT 的測量方式（TM 模式），觀測人工供電產生的音頻電磁場。它基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程組導出的水平電偶極源在地面上的電場及磁場，在遠場區接收接近平面波的電磁波。通過測量相互正交的電場E和磁場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重要參數，稱為相位差或阻抗相位：

電阻率和相位共同提供了一個關于解釋大地響應的完整數據集，根據電磁波趨膚效應理論，CSAMT法有效探測深度D與頻率f、卡尼亞電阻率ρa之間存在如下公式：

從式（3）可見，當大地電阻率結構固定時，電磁波的有效穿透深度D（或探測深度）與頻率f成反比。高頻時，探測深度淺；低頻時，探測深度深。可以通過改變發射頻率來改變探測深度，從而達到變頻測深的目的。對于目前一般采用的頻率范圍（0.125～8912Hz），其探測深度一般可達2km。

本次礦區由于地形復雜，植被茂密，勘探難度大。針對礦體隱伏情況，采用物探手段進行勘探。由于AMT 利用天然場源，受近場效應、過渡帶效應及非平面波效應影響小，在干擾較小的情況下，即能采集到較高質量數據的情況下，AMT法比CSAMT法能更真實地反映地質體的電性特征。故本次電磁法勘探首先在鄰近礦區已知地質剖面段做AMT 試驗以獲取礦區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)采集數據以初步查明礦區范圍內地下深部構造及電性分布特征，間接尋找到地下煤系地層賦存情況，為礦區進一步開展地質工作提供更豐富的資料和信息。

2 礦區地質及巖石電性特征

2.1 地質概況

根據前期地質工作，礦區周邊對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。礦區地表出露地層從老到新為：三疊系中統溪尾組、三疊系上統文賓山組和大坑組、侏羅系下統下村組及侏羅系上統兜嶺群地層（圖1）。其中三疊系上統大坑組含煤地層為本區主要勘查對象，主要出露于本區南部，以及埋藏于礦區深部，巖性以灰色、灰黑色細砂巖、砂質泥巖、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。中部總體產狀向東傾斜，而東部為一背斜，形成礦區的總體構造一向斜一背斜。向斜構造位于勘查區的中部，軸向呈北西—南東向，向斜兩翼地層為侏羅系下統下村組及三疊系上統文賓山組和大坑組為主，含煤地層保存較完整。區內北西—南東向斷裂構造發育，斷裂產狀較陡，主要有F5、F11正斷層和F18、F19、F20逆斷層。

區內未出露巖漿巖，區南部已完工鉆孔也未揭示巖漿巖。

2.2 巖石電性特征

由于本區和相鄰礦區以往沒有物探工作，對本區各地層電性特征的已知物探參考資料很少，特別是三疊系上統大坑組（T3d）地層沒有可供參考的電法資料，所以在本區開展地面電法勘探前，首先選擇與本次礦區南部的原第5 勘探線4 號鉆孔部位進行AMT 試驗（TM模式），以獲取一定的經驗數據，大致了解鄰區各地層的電性分布規律，作為本區后續電磁法勘探的物性參考資料。本次AMT 法試驗采集頻率范圍為0.35～10400Hz，共60 個頻點，視電阻率與相位曲線圓滑，數據質量較高。結合本次AMT的試驗結果（圖2）和鉆孔地質資料，可得到試驗剖面位置地質結構的電性分布特征（表1）。

表1 各地層視電阻率統計表

由試驗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橫向電阻率均出現錯動，斷層產狀清晰。本次勘探的目標層三疊系上統大坑組（T3d）地層主要表現為阻值范圍在50～400Ω·m之間的低阻，與上覆地層三疊系上統文賓山組（T3w）地層沒有明顯的電性分界面，而與下伏地層三疊系中統溪尾組（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網絡化多功能電法儀，測量采用標量CSAMT裝置，用發射機通過兩個接地電極A、B向地下供交變電流場（I=I0e-iωt），在遠場區（一般r＞6D）接收電磁信號，其野外工作方法如圖3所示。

考慮到本次勘探深度要求，實際工作中選擇發射極距AB=1880m，方位角77°05′40″（與測線夾角為0°31′17″）。電源采用30kW 柴油發電機組，發射機型號為TXU-30，發射頻率為0.125～7680Hz（49 個頻率），發射電流為12～15A。接收區位于AB極中點60°扇形區域內，測量點距40m，最小收發距rmin=10.39km，最大收發距rmax=11.39km。接收主機型號V8，2 個輔助采集站，接收系統一次可同時接收上述不同頻率系列的九道電場（Ex）和一道磁場（Hy）。測量采用固體不極化電極，測量導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。采集頻率見發射頻率表(表2)。

表2 發射頻率表

本次CSAMT 法勘探共布設兩條電法剖面L1 線和L3 線，剖面方位近垂直于礦區主要地層及構造走向，共計完成CSAMT 測深點240 個。經檢查點計算，卡尼亞視電阻率均方差M=±4.989%，符合規范要求，數據質量可靠。野外工作結束后，利用V8本身配備的軟件CMTPro和CSAMT-SW2.0對原始數據處理，分別進行去跳點插值、平滑濾波、靜態效應校正、近場效應校正、正反演計算等，由反演計算結果繪制卡尼亞視電阻率測深斷面圖，結合已有地質資料進行分析解釋。

4 成果解釋

圖4、圖5 分別為1 線、3 線CSAMT 測深反演斷面圖。從1 線和3 線的CSAMT 法卡尼亞視電阻率斷面圖看，兩條斷面均呈現出如下規律：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）。根據前面電性試驗結果分析，相應地將淺部的中低阻異常帶解釋為侏羅系下統下村組（J1x）地層，中部的低阻異常帶解釋為三疊系上統文賓山組—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，地層次序較穩定。除了兩條測線的東北端（大號位置），中部低阻異常帶的最大厚度在500m左右與礦區南部原第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無法有效區分，解釋時也就無法明確區分開來。

綜上所述，本測區的CSAMT 法勘探結果揭示的低阻異常可能為三疊系上統文賓山組—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行鉆孔驗證方能證實。

另外區內斷裂一般由于風化填充作用、裂隙發育或充水等均會引起視電阻率降低，而斷裂兩側相對高阻。結合斷層的地表出露情況，根據CSAMT 視電阻率曲線拐點位置及梯度帶位置，大致推斷了斷裂的深部延伸情況，詳見圖4、圖5。

5 結論

綜上所述，本區AMT 電性試驗較為準確，結合CSAMT 勘探效果較好，通過本次電磁法勘探工作初步確定了勘查區煤系地層分布情況，大致了解了區內總體構造形態，為在該區進一步開展地質工作提供了物探依據。測區的CSAMT法勘探結果揭示的低阻異常帶可能為三疊系上統文賓山組—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題及方法本身局限性，對電性特征相近的地層，僅僅通過電性分布規律去劃分地層十分困難。建議下一步工作重點對本次測線反映的低阻異常進行進一步的鉆探驗證，以便獲得更豐富的煤系地層分布情況。