可控源音频大地电磁法对断层探测的适用性分析

2023-08-08班操

煤炭与化工 2023年6期

班操

（贵州省煤田地质局水源队，贵州贵阳 550000）

0 引言

矿井开采过程中，一旦发生突水事故，将在短时间内对矿井造成巨大破坏，严重威胁矿井安全生产，矿井突水水源主要有老窑水、大气降水、地下水和地表水。断层的存在，使地层的完整性与连续性遭到破坏，原本岩石的力学强度发生变化，可能连通矿井下伏承压中强含水层以及上覆中强含水层或地表水，加之矿井开采中，人工采矿裂隙大量出现，改变了断层带附近应力场和地下水的天然流场，地表水、地下水更可能沿断裂带进入矿井，产生矿井突水风险[1-6]。断层是地质工作中重要的调查研究对象，对于出露地表的断层可通过野外实地勘察判断其规模形态，但对于埋藏地下的隐伏断层无法直接观测，可控源音频大地电磁法作为近几十年来发展起来的一种时间域电法勘查手段，在控制构造、采空区及岩溶等方面均有很好的效果[7]，因此，在矿井施工前、施工中采用物探手段对区域断层进行探测具有重要的意义。

本文以贵州省黔西县青龙煤矿为研究对象，在对区域内地质资料收集和区域地层地球物理特征分析的基础上，合理布置物探及钻探工作量，通过可控源音频大地电磁法探测成果资料对区内断层进行解译，结合勘探资料，分析区域内可控源音频大地电磁法对断层探测成果的可靠性，进而对可控源音频大地电磁法对断层探测的广泛适用性进行探讨。

1 区域地质条件

区域内出露的地层岩性以沉积岩为主，少部分地区出露基性喷发岩。出露地层从震旦系至白垩系均有分布。自下而上为寒武系、二叠系中统茅口组（P2m）灰岩、二叠系上统峨眉山玄武岩组（P3β）、龙潭组（P3l）含煤多层夹碎屑岩及灰岩、长兴组（P3c）灰岩、三叠系下统夜郎组（T1y）灰岩与碎屑岩、茅草铺组（T1m）灰岩与白云岩，三叠系中统松子坎组（T2s）碎屑岩与灰岩、狮子山组（T2sh）白云岩与白云质灰岩、第四系（Q）[8]。

2 地球物理特征

2.1 探测区地层电性特征

二叠系茅口组细晶硅质灰岩夹泥岩以及峨眉山玄武岩，视电阻率值较大，通常为1 000 ～2 000 Ω·m。二叠系上统龙潭组岩性主要为碎屑岩、炭质泥岩、灰岩以及煤层。视电阻率值通常为400 ～1 200 Ω·m。二叠系上统长兴组岩性主要为灰岩，断续夹燧石团块及条带。视电阻率值较小，通常为200 ～500 Ω·m。三叠系下统夜郎组岩性主要为泥岩、细晶灰岩、钙质泥岩夹薄层泥灰岩。视电阻率值较小，通常为200 ～400 Ω·m。第四系地层视电阻率值一般10 ～200 Ω·m。

探测区地层电性差异明显，正常地层组合条件下，在横向与纵向上物性都有固定的变化规律可循，CSAMT 法采用频率域测深，能够较好地区分各个地层。

2.2 探测区断层电性特征

在正常情况下，横向上地层电阻率差异较小，视电阻率等值线平缓，但当断层发育、岩石破碎富水时，视电阻率值会发生急剧变化，视电阻率等值线呈现“U”、“V”字形或“串珠”形等梯度变化带。可以根据这一地球物理特性，从横向上对断层进行探测并解释推断。

3 工程布置概况

按照尽量与构造、地层走向垂直，尽量穿过已知的钻孔等，尽量避开高压线、房屋、河流的原则，此次CSAMT 法测网采用50 m×30 m 的网度，即线距为50 m，点距为30 m。结合物探分析资料，钻探孔沿物探测线布置在异常区附近（图1）。

图1 探测区工程布置示意Fig.1 The project layout of detection area

4 物探成果解译

测区内共布设35 条测线，此次选取物探、钻探成果反映较好的L43、L48、L58 测线进行分析。据CSAMT 法L48 线综合剖面图，视电阻率在纵向、横向上变化特征明显，较好的反映了地层的电性特征[9-10]。

在桩号1 000 ～1 550，标高1 100—1 280 m，存在一等值线梯度变化较剧烈带，推断为逆断层DF1，倾角37°～80°，落差50 m。

在桩号1 600 ～2 000，标高1 100—1 280 m，存在一等值线梯度变化较剧烈带，推断为逆断层F22，倾角50°左右，落差15 m。

在桩号1 100 位置附近，标高1 200—1 280 m视电阻率等值线梯度变化较大，推断该处为断层DF2，倾角80°，落差不明。

在桩号1 200 ～1 400，标高1000—1280 m，视电阻率等值线梯度变化较大，推断该处为断层DF9，倾角30°～70°，落差10 m，该断层被逆断层DF1 所切割。

在桩号1 400 ～1 550 m，标高1 000—1 280 m，视电阻率等值线梯度变化较大，推断该处为断层DF5，该断层被逆断层DF1 所切割，倾角60°～80°，落差不明。

在桩号1 550 附近，标高950—1 080 m，视电阻率等值线呈现“V”字形异常，推断该处为断层DF7，倾角73°，落差小于10 m。

在桩号1 600 ～1 900 m 附近，标高1 000—1 300 m，存在一组视电阻率等值线梯度变化较大，推断该处为断层F28，倾角50°～80°，落差25 m左右。

其余测线断层判别依据同L48，在此不再赘述，各测线断层解译成果如图2 ～图4 所示。

5 钻探揭露断层概况

钻孔L402 布设于测线L43，位于桩号1 300上，钻探资料显示，在标高1 185 m 上下的位置，钻孔岩芯破碎，结合测井及已有地质资料，判断为断层F55，倾角50°，落差10 ～20 m；在标高1 129 m 上下的位置，钻孔岩芯非常破碎，结合测井及已有地质资料，判断为断层F35，倾角50°～70°，落差25 ～50 m，如图2 所示。

钻孔L302 布设于测线L48，位于桩号1 400 ～1 500，钻探资料显示，在标高1 139 m 上下的位置，钻孔岩芯破碎，结合测井及已有地质资料，判断为断层F24，倾角45°～60°，落差0 ～40 m，如图3 所示。

图3 L48 线综合剖面图Fig.3 Comprehensive profile of L48 line

钻孔L101 布设于测线L58，位于桩号1 400 ～1 500，钻探资料显示，在标高1 114 m 上下的位置，钻孔岩芯破碎，结合测井及已有地质资料，判断为断层F24，倾角45°～60°，落差0 ～40 m，如图4 所示。

图4 L58 线综合剖面图Fig.4 Comprehensive profile of L58 line

6 物探解译可靠性分析

根据图2 资料分析发现，钻孔L402 在标高1 185 m 处揭露了断层F55，而CSAMT 法视电阻率没有异常，未解译为断层，钻孔在标高1 129 m 处揭露断层F35，倾角50°～70°，落差25 ～50 m，CSAMT 法在钻孔L402 位置解译的断层DF1 标高为1 127 m，倾角37°～80°，落差50 m，与钻探揭露情况基本吻合。

根据图3 资料分析发现，钻孔L302 在标高1 139 m 处揭露了断层F24，倾角45°～60°，落差0 ～40 m，CSAMT 法在钻孔L302 位置解译的断层DF1 标高为1 128 m，倾角37°～80°，落差50 m，倾角和落差与钻探揭露情况基本吻合，但在垂向位置上相差11 m，物探与钻探成果吻合度较低。

根据图4 资料分析发现，钻孔L101 在标高1 114 m 处揭露了断层F24，倾角45°～60°，落差0 ～40 m，CSAMT 法在钻孔L101 位置解译的断层DF1 标高为1 156 m，倾角37°～80°，落差50 m，倾角和落差与钻探揭露情况基本吻合，但在垂向位置上相差42 m，物探与钻探成果吻合度较低。