CSAMT与AMT法在煤矿地质勘查中的应用

蔡建峰

（福建省121地质大队，福建龙岩 364000）

1 AMT与CSAMT简介

音频大地电磁法简称AMT，属于大地电磁法（MT）的一个分支。与MT法一样，AMT法是利用天然的大地电磁场（雷电、太阳风等天热电磁波在大地产生的感应电磁场）作为场源，来测定地下岩石的电性参数，并通过研究地电断面的变化来达到了解地质构造、找矿、找水等地质目的的一种地球物理勘探方法。AMT法研究的电磁波频率范围大致为1～10000Hz，因为其高频部分1000～10000Hz所在频段的声波人耳能听到，故称为“音频”。AMT法的探测深度一般在2km以内。

可控源音频大地电磁法简称CSAMT，是在MT与AMT 的基础上发展起来的一种人工源频率域电磁测深方法。该方法由于地形条件限制小、工作效率高、勘探深度大、分辨能力强、高组屏蔽作用小等优点，广泛应用于勘查地下水资源、金属矿、煤田、油气及工程物探等，是研究深部地质构造及寻找隐伏矿的有效手段。其标量观测方式沿用AMT 的测量方式（TM 模式），观测人工供电产生的音频电磁场。它基于电磁波传播理论和麦克斯韦方程组导出的水平电偶极源在地面上的电场及磁场，在远场区接收接近平面波的电磁波。通过测量相互正交的电场E和磁场H的水平分量获得大地的卡尼亚视电阻率：

它的相位提供了一个重要参数，称为相位差或阻抗相位：

电阻率和相位共同提供了一个关于解释大地响应的完整数据集，根据电磁波趋肤效应理论，CSAMT法有效探测深度D与频率f、卡尼亚电阻率ρa之间存在如下公式：

从式（3）可见，当大地电阻率结构固定时，电磁波的有效穿透深度D（或探测深度）与频率f成反比。高频时，探测深度浅；低频时，探测深度深。可以通过改变发射频率来改变探测深度，从而达到变频测深的目的。对于目前一般采用的频率范围（0.125～8912Hz），其探测深度一般可达2km。

本次矿区由于地形复杂，植被茂密，勘探难度大。针对矿体隐伏情况，采用物探手段进行勘探。由于AMT 利用天然场源，受近场效应、过渡带效应及非平面波效应影响小，在干扰较小的情况下，即能采集到较高质量数据的情况下，AMT法比CSAMT法能更真实地反映地质体的电性特征。故本次电磁法勘探首先在邻近矿区已知地质剖面段做AMT 试验以获取矿区地层电性特征作为物性参考，后采用信噪比更高的可控源音频大地电磁法(CSAMT)采集数据以初步查明矿区范围内地下深部构造及电性分布特征，间接寻找到地下煤系地层赋存情况，为矿区进一步开展地质工作提供更丰富的资料和信息。

2 矿区地质及岩石电性特征

2.1 地质概况

根据前期地质工作，矿区周边对煤系地层研究程度较高，其成果基本能满足本次勘查工作的需要。矿区地表出露地层从老到新为：三叠系中统溪尾组、三叠系上统文宾山组和大坑组、侏罗系下统下村组及侏罗系上统兜岭群地层（图1）。其中三叠系上统大坑组含煤地层为本区主要勘查对象，主要出露于本区南部，以及埋藏于矿区深部，岩性以灰色、灰黑色细砂岩、砂质泥岩、煤层及底部为含砾粗砂岩组成，厚度约500m，与下伏的溪尾组呈角度不整合接触。

矿区西部外围地层总体向西倾斜，倾角一般在20°～50°之间。中部总体产状向东倾斜，而东部为一背斜，形成矿区的总体构造一向斜一背斜。向斜构造位于勘查区的中部，轴向呈北西—南东向，向斜两翼地层为侏罗系下统下村组及三叠系上统文宾山组和大坑组为主，含煤地层保存较完整。区内北西—南东向断裂构造发育，断裂产状较陡，主要有F5、F11正断层和F18、F19、F20逆断层。

区内未出露岩浆岩，区南部已完工钻孔也未揭示岩浆岩。

2.2 岩石电性特征

由于本区和相邻矿区以往没有物探工作，对本区各地层电性特征的已知物探参考资料很少，特别是三叠系上统大坑组（T3d）地层没有可供参考的电法资料，所以在本区开展地面电法勘探前，首先选择与本次矿区南部的原第5 勘探线4 号钻孔部位进行AMT 试验（TM模式），以获取一定的经验数据，大致了解邻区各地层的电性分布规律，作为本区后续电磁法勘探的物性参考资料。本次AMT 法试验采集频率范围为0.35～10400Hz，共60 个频点，视电阻率与相位曲线圆滑，数据质量较高。结合本次AMT的试验结果（图2）和钻孔地质资料，可得到试验剖面位置地质结构的电性分布特征（表1）。

表1 各地层视电阻率统计表

由试验反演视电阻率断面图（图2）上可见，浅部的断层F11与深部的断层F10横向电阻率均出现错动，断层产状清晰。本次勘探的目标层三叠系上统大坑组（T3d）地层主要表现为阻值范围在50～400Ω·m之间的低阻，与上覆地层三叠系上统文宾山组（T3w）地层没有明显的电性分界面，而与下伏地层三叠系中统溪尾组（T2xw）地层的电性差异较明显，可见利用AMT、CSAMT 法卡尼亚视电阻率寻找隐伏的大坑组（T3d）煤系地层具备一定的物性条件。

3 野外工作方法

本次电磁法勘探，仪器使用加拿大凤凰公司的V8网络化多功能电法仪，测量采用标量CSAMT装置，用发射机通过两个接地电极A、B向地下供交变电流场（I=I0e-iωt），在远场区（一般r＞6D）接收电磁信号，其野外工作方法如图3所示。

考虑到本次勘探深度要求，实际工作中选择发射极距AB=1880m，方位角77°05′40″（与测线夹角为0°31′17″）。电源采用30kW 柴油发电机组，发射机型号为TXU-30，发射频率为0.125～7680Hz（49 个频率），发射电流为12～15A。接收区位于AB极中点60°扇形区域内，测量点距40m，最小收发距rmin=10.39km，最大收发距rmax=11.39km。接收主机型号V8，2 个辅助采集站，接收系统一次可同时接收上述不同频率系列的九道电场（Ex）和一道磁场（Hy）。测量采用固体不极化电极，测量导线采用四芯屏蔽电缆，接地电阻一般小于2kΩ；磁探头埋置采用森林罗盘仪定向，探头轴向与AB垂直，铺平埋置。采集频率见发射频率表(表2)。

表2 发射频率表

本次CSAMT 法勘探共布设两条电法剖面L1 线和L3 线，剖面方位近垂直于矿区主要地层及构造走向，共计完成CSAMT 测深点240 个。经检查点计算，卡尼亚视电阻率均方差M=±4.989%，符合规范要求，数据质量可靠。野外工作结束后，利用V8本身配备的软件CMTPro和CSAMT-SW2.0对原始数据处理，分别进行去跳点插值、平滑滤波、静态效应校正、近场效应校正、正反演计算等，由反演计算结果绘制卡尼亚视电阻率测深断面图，结合已有地质资料进行分析解释。

4 成果解释

图4、图5 分别为1 线、3 线CSAMT 测深反演断面图。从1 线和3 线的CSAMT 法卡尼亚视电阻率断面图看，两条断面均呈现出如下规律：浅层为厚度200m左右的中低阻异常带（200～1500Ω·m），中部为阻值主要在50～400Ω·m的低阻异常带，深部为中高阻异常带（400～8000Ω·m）。根据前面电性试验结果分析，相应地将浅部的中低阻异常带解释为侏罗系下统下村组（J1x）地层，中部的低阻异常带解释为三叠系上统文宾山组—大坑组（T3w-T3d）地层，深部的中高阻异常带解释为三叠系中统溪尾组（T2xw）地层，深部未见明显的侵入岩体异常，地层次序较稳定。除了两条测线的东北端（大号位置），中部低阻异常带的最大厚度在500m左右与矿区南部原第5勘探线所揭露的大坑组和文宾山组地层的总厚度接近，但由于大坑组与文宾山组地层的电性表现无法有效区分，解释时也就无法明确区分开来。

综上所述，本测区的CSAMT 法勘探结果揭示的低阻异常可能为三叠系上统文宾山组—大坑组（T3w-T3d）地层的电性反映，但是否存在大面积的大坑组（T3d）地层，若存在其厚度是多少，尚需选择合适位置进行钻孔验证方能证实。

另外区内断裂一般由于风化填充作用、裂隙发育或充水等均会引起视电阻率降低，而断裂两侧相对高阻。结合断层的地表出露情况，根据CSAMT 视电阻率曲线拐点位置及梯度带位置，大致推断了断裂的深部延伸情况，详见图4、图5。

5 结论

综上所述，本区AMT 电性试验较为准确，结合CSAMT 勘探效果较好，通过本次电磁法勘探工作初步确定了勘查区煤系地层分布情况，大致了解了区内总体构造形态，为在该区进一步开展地质工作提供了物探依据。测区的CSAMT法勘探结果揭示的低阻异常带可能为三叠系上统文宾山组—大坑组地层的电性反映。由于电磁法工作普遍存在多解性问题及方法本身局限性，对电性特征相近的地层，仅仅通过电性分布规律去划分地层十分困难。建议下一步工作重点对本次测线反映的低阻异常进行进一步的钻探验证，以便获得更丰富的煤系地层分布情况。