微动勘探方法探测林南仓煤矿岩浆岩侵入体.pdf

第 38卷第 7期煤 炭 科 学 技 术Vol138 No17 2010年7月Coal Science and TechnologyJuly 2010 地质与测量微动勘探方法探测林南仓煤矿岩浆岩侵入体丁立锋1,2,徐佩芬3,凌苏群4,赵春景1,李传金3(11开滦集团 林南仓矿业分公司,河北 唐山 064106;21 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京 100083;31 中国科学院 地质与地球物理研究所地球深部研究重点实验室,北京 100029;41日本地学数据分析研究所,东京 184-0012)摘 要:为了在村庄覆盖、第四系地层厚度较大的测区有效探测井田岩浆岩侵入体,首次采用微动勘探方法探测,利用微动测深获得的 S波速度结构,结合实测视 S波速度剖面特征,综合分析解释岩浆岩侵入体情况。在林南仓煤矿西四采区实测 2条剖面,各测点下方的 S波速度结构相似,视 S波速度剖面上未见高速异常体穿插煤系地层,分析表明该采区无大规模岩浆岩侵入体。实际应用也证明,微动探测结果与探巷验证情况吻合,微动勘探方法利用岩浆岩与煤层的 S波速度差异,能有效探测煤田岩浆岩侵入体。关键词:微动勘探方法;S波速度;视 S波速度剖面;岩浆岩侵入体中图分类号:TD166 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2010)07-0100-04M icro Seism ic ExplorationM ethod Applied to Detect IgneousM ag ma Intrusion in LinnancangM ineDING L-i feng1,2,XU Pe-i fen3,L ING Su-qun4,ZHAO Chun-jing1,LI Chuan-jin3(1.Linnancang CoalM ining Branch,Kailuan Group,Tangshan 064106,China;2.School of Geosciencesand Surveying Engineering,China University ofM ining and T echnology(Beijing),Beijing 100083,China;3.K ey Lab of Earth.sD eep Interior Study of Chinese Acade my of Sciences,Research Institute of Geology and Geophysics,ChineseA cade my of Sciences,Beijing 100029,China;4.Geo-Analysis Institute Co.Ltd,T okyo 184-0012,Japan)Abstract:In order to effectively detect the igneous magma intrusions in the overburdens under the village and thick Quaternary stratameasuring area,the micro seis m ic explorationmethod was firstly applied to the detection of the igneousmagma intrusion.The S wave ve-locity structure was obtainedw ith them icro seis m ic detection.In co mbinationwith the features of the site visualS wave velocity cross sec-tion,a co mprehensive analysis explanationwasmade on the igneousmagma intrusion conditions.Therewere two cross sections site meas-ured at theW estNo 14M ining Block in L innancangM inefield.The S wave velocity structure under the eachmeasured locationwere si m-ilar.Fro m the visualS wave velocity cross section,there was no high velocity abnor malmass passed through the coalmeasures strata andthere was no large scale igneousmag ma intrusion in them ining block.The actual application showed that the results of them icro seismicdetection could meetwith them ine roadway detection results.W ith the S-wave velocity difference between the magma rock and seam,the m icro seismic detectionmethod could effectively detect the igneousmagma intrusion in the coalfield.K ey words:m icro seis m ic exploration method;S-wave velocity;visual S-wave velocity cross section;igneousmag ma intrusion基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(40874025)华北煤田普遍遭受岩浆岩侵蚀,岩浆岩对煤层的侵蚀破坏,不仅造成煤质降低、可采储量减少,还会造成瓦斯积聚、突水等安全隐患,探查岩浆岩侵入体多年来一直是煤田地球物理勘探的一项重要研究内容,对煤矿安全、高效生产具有重要意义。然而,在噪声、电磁等干扰大、第四系厚的测区,采用传统的地震及电法勘探等物探手段往往因原始数据采集质量差而难于获得良好的探测效果。开滦集团林南仓井田系蓟玉煤田东北部一全隐蔽独立向斜构造盆地,东西长 7 km,南北宽 315k m,面积约 22 km2。井田地处燕山沉降带中段南缘、华北晚古生代聚煤盆地成煤区域构造转换部位,大、中型断层及其伴生的小断层发育,构造、水文地质条件复杂。受燕山运动晚期岩浆活动影响,井田内岩浆岩发育,侵入范围约占井田面积的2/5。岩浆岩大都沿大断层侵入,多以岩床、岩墙、100丁立锋等:微动勘探方法探测林南仓煤矿岩浆岩侵入体2010年第 7期岩脉产出,井田煤层普遍遭受岩浆岩侵入破坏 1。据林南仓煤矿钻探及掘进资料,井田内的岩浆岩多为辉绿岩、安山岩和玄武岩,岩性致密、硬度大,给采掘生产带来很大困难。近年来林南仓煤矿投入大量资金,先后采用了三维地震、瞬变电磁等物探手段圈定岩浆岩的侵入范围,但勘探区第四系厚,村庄密集,施工困难,勘探未能取得明显成效。所以,采用新的物探方法探测岩浆岩,给矿井生产提供可靠地球物理依据,是矿井生产急待解决的实际问题。本文首次尝试采用微动勘探方法(TheM-icrotre mor SurveyM ethod,简称 MS M)探测开滦集团林南仓煤矿西四采区的岩浆岩。1 微动探测原理及方法简介 把地表的天然微弱振动称之为微动。微动是由体波和面波组成的复杂振动,其中面波占绝对优势 2。尽管微动信号在时间、空间域都极不规则,但仍具有统计稳定性,可用时、空域的平稳随机过程来描述 3。微动勘查方法是基于平稳随机过程理论,从微动信号中提取面波(瑞雷波)频散曲线,通过反演获得地下介质 S波速度结构 4-5的物探方法。通常采用空间自相关法(The Spatial Auto-CorrelationM ethod,简称 SPAC法)3-6从微动信号的垂直分量中提取瑞雷波频散曲线。假定微动的垂直分量主要是由瑞雷波基阶所组成,则用式(1)获得的空间自相关系数 Q 为Q(f,r)=J0(2Pfr/vr)(1)式中:f为频率,r为观测台阵半径,vr为瑞雷波相速度,J0为第 1类零阶贝塞尔函数。即对于圆形观测阵列,可以通过计算圆周上观测点和中心观测点微动信号的空间自相关系数,获得瑞雷波相速度频散曲线(vr-D,D为深度)3。从微动记录中提取瑞雷波相速度曲线之后,再采用个体群探索分歧型遗传算法 7,反演地下介质的 S波(横波)速度结构(vs-D,vs为横波速度)(即微动测深)。要实现对地质体的二维探测(微动剖面探测)时,采用式(2)将各微动中心测点的频散曲线(vr-D)转换成视 S波速度 vx作出相应的 vx-D 曲线 8:vx,i=tiv4r,i-ti-1v4r,i-1t-ti1/4(2)其中:ti为周期;i为序号。通过对各测点的vx-D 曲线内插成图,获得微动视 S波速度 vx剖面,作为地质推断、解释的基本依据。图 1是SPAC法 MS M 流程图。h1,h2,h3)分层厚;vS1,vS2,vS3)分层 S波速度图 1 SPAC法微动勘探流程 与 SPAC法 MS M 相对应的微动观测需将观测仪器布置成圆形阵列,如图 2所示。至少用 4台仪器,即布置在中心点的 S1以及圆周上等间隔放置的 3台仪器分别记作 S2,S3和 S4,组成单重观测台阵,r1与 r2为观测半径。根据探测深度要求,一般需进行多重圆形台阵观测,通常微动探测深度是观测半径的 3 5倍 4。利用多重圆形阵列观测资料,可获得台阵中心点 S1之下介质的 S波速度结构。微动剖面探测 8则沿测线按一定点间距布设多个微动测点,逐点进行观测。S1)S7为观测仪器编号图 2 二重圆形阵列示意 实际观测时,每个观测点均由拾震器 记录仪组成的数据采集系统独立、同步完成。各测点的时间同步由记录仪内置 GPS自动完成。1012010年第 7期煤 炭 科 学 技 术第 38卷2 微动探测岩浆岩实例 以开滦集团林南仓煤矿西四采区为例。该采区即将作为主要衔接区域需投入生产,然而采区内地质条件复杂,断层、岩浆岩发育。正在施工的巷道工程中常遇岩浆岩侵入体,工程进展受到严重影响。为此,采用 MSM 探查施工巷道剖面上有无大规模岩浆岩侵入体。根据探测任务要求,设计 2条微动测线。测线1基本与掘进中的 1号 探巷位置重合,设计微动中心点 A15)A10。测线 2上设计微动中心点 A2)A9,2条测线相接于 A8点。各中心点点间距 50 m。微动工程布置如图 3所示。图 5 微动 vx剖面及单点 vs曲线图 3 微动测线及测点布置 图 4为 A8点的实测频散曲线及反演结果。测区临海,实测频散曲线光滑、延续性好,这是微动探测取得良好效果的前提。本区理论频散曲线能较好拟合实测曲线(图 4),反演结果与附近钻探结果的比较见表 1。与钻探结果相比,微动反演界面深度的误差小于 1%。在有邻近钻孔资料约束情况下,微动单点反演(微动测深)的深度误差可控制在 1%5%,相当于虚拟钻孔,可一定程度满足生产需要。图 4 A8点频散曲线和 S波速度结构表 1 A8点反演结果及与钻探结果比较地层序号层速度 vs/(km#s-1)层厚/m地层底板深度/m解释地层仓生 41孔钻探深度/m1013093434)201433110144第四系底界14417030178553197煤系地层顶界19619540193463260煤8-2底板26016450194640300煤11底板29915260197722322煤12底板321170711088178500)811283430930)911600)102丁立锋等:微动勘探方法探测林南仓煤矿岩浆岩侵入体2010年第 7期 图 5为微动探测获得的视 S波速度(vx)剖面,该剖面由各微动中心点获得的 vx-D曲线经插值计算绘制而成。vx剖面图上,不同速度值用相应颜色表示,沉积稳定的层位横向上可用 vx等值线连续追踪对比。在火成岩侵入体、断层破碎带、采空区、陷落柱等区域,因可能伴随裂隙发育、含水,岩性发生明显变化导致波速降低/增加,剖面颜色发生明显改变,通常在剖面图上易于被识别 9。为便于剖面解释,将反演获得的 vs-D 曲线叠合到 vx剖面上(图 5中折线),以标定地质层位。A8点位于仓生 41号孔附近,把该点作为标定点,其余点与该点层位作对比。参考 vx剖面的岩性变化趋势,可勾画出第四系底界、煤系地层顶界及主要煤层的界面形态(图 5中用白色虚线表示)。综合分析 vx剖面及 vs曲线,具有以下 3个特点:第四系冲积层沉积稳定,底界面起伏变化不大;煤系地层岩性较为均匀、横向变化相对稳定,未见显著高速异常体穿插;各测点下方的 S波速度结构相似,未见速度异常。根据以上特点解释认为,2条剖面上均无大规模(宽度 25m 左右)岩浆岩侵入体。图 6为与测线 1对应的 1号探巷地质剖面。A14)A11点相对应之下均未见岩浆岩侵入体,这些测点之间局部有零星岩浆岩体揭露(本次微动探测的测点点距较大,不能分辨)。A8和 A10点之下见 110 216m薄层状岩浆岩,基本沿 11煤底部侵入。1号探巷揭露情况与微动探测结果吻合。图 6 1号探巷(测线 1)地质剖面3 结 语 首次尝试采用 MSM 探测开滦集团林南仓井田西四采区的岩浆岩,实测结果与巷道探测结果基本吻合,表明微动勘探方法利用岩浆岩侵入体与煤层的 S波速度差异探测岩浆岩是有效的,从而为煤田岩浆岩探测提供了一种新的地球物理探测手段。MSM无需人工源,不受场地限制,施工方便,成本相对较低,对岩性变化引起的速度异常区敏感 9,用于村庄覆盖区的陷落柱、岩浆岩侵入体等煤层构造探测,具有得天独厚的技术优势和应用前景。然而,微动方法采用单点实测、点与点之间内插的办法,对构造的横向分辨率与测点间距有关,实际工作中还需根据勘探任务要求,设计相应的观测点间距。不同的物探方法利用不同的物性参数达到勘探目的,因而勘探效果也不尽相同。本文强调综合勘探,即采用多种方法联合勘探,扬长避短、优势互补,是更有效探测岩浆岩侵入体的重要途径。参考文献:1 丁立锋 1 开滦林南仓井田岩浆岩侵入规律及找煤方向探讨 J.中国煤田地质,2004,16(S):12-13.2 Toks z M N,L acoss R T1 M icrotremors:M ode Structure andSources J.Science,1968,159(3817):872-873.3 AkiK1 Space and T i me Spectra of Stationary Stochastic W aves,W ith Special Reference to M icrotremors J.Bull Earthq ResInst,1957,35(3):415-456.4 Okada H1 The M icrotremor Survey M ethod,Society of Explora-tion Geophysicists,Geophysical Monographs Series Vol 12,Translated by K oya Suto,Society of Exploration Geophysicists,Tulsa,2003.5 Okada H1 Theory ofEfficient Array Observations ofM icrotremorsw ith SpecialR eference to the SPAC M ethod J.Explor Geo-phys,2006,37(1):73-85.6 L ing SQ1 R esearch on the Esti mation ofPhaseV elocities of Sur-faceW aves inM icrotremors D.Hokkaido:Hokkaido Univers-ity,1994.7 Cho I,N akanishi I,L ing S 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