物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体探讨_王正科.pdf

第 43 卷 第 1 期 煤田地质与勘探 Vol. 43 No.1 2015 年 2 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Feb. 2015 收稿日期 2013-09-05 作者简介 王正科（1964），男，山西平陆人，高级工程师，从事综合物探工作. E-mailwzkeh3000 引用格式 王正科，彭德然，卢琳，等. 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体探讨［J］. 煤田地质与勘探，2015，43（1）91-95. 文章编号 1001-1986（2015）01-0091-05 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体探讨 王正科 1，彭德然2，卢 琳1，苟进昌3 （1. 陕西省地质矿产勘查开发局第二综合物探大队，陕西 西安 710016；2. 湖南省地球物理 地球化学勘查院，湖南 长沙 410116；3.中国冶金地质总局西北地质勘查院，陕西 西安 710061） 摘要 针对煤矿区岩浆岩侵入体，分析了如磁化率、密度、顶面埋深、水平展布范围、垂直延伸 长度等参数条件下岩浆岩侵入体引起的重力、磁力异常；介绍了现有重力勘探仪器和磁法勘探仪 器的分辨能力；结合岩浆岩侵入体引起的物探异常，提出了重力勘探和磁法勘探工作布置的具体 要求及其仪器的操作方法。研究显示，物探方法尤其是重力勘探、磁法勘探探测煤矿区岩浆岩侵 入体能获得有意义的异常，可圈定岩浆岩侵入体的分布范围。 关 键 词地球物理探测；煤矿区，岩浆岩侵入体 中图分类号P631 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.01.019 Detection of magmatic intrusive mass by geophysical s in coal mining area WANG Zhengke1， PENG Deran2， LU Lin1， GOU Jinchang3 （1. The Second Comprehensive Geophysical Exploration Brigade， Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration and Development of Shaanxi， Xi′an 710016， China； 2. Hunan Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， Changsha 410116， China； 3. Northwest Geological Prospecting Institute， China Metallurgical Geology Bureau， Xi′an 710061， China） Abstract The paper analyses the size of gravity and magnetic anomaly caused by magmatic rock invasion under condition of certain parameters， such as magnetic susceptibility， density， the buried depth of the top， horizontal scope and vertical extension， and introduced the resolution ability of existing gravity exploration instruments and magnetic exploration instruments. Combining with the size of gravity and magnetic anomaly caused by magmatic invasion， the authors discussed some concrete requirements for the working layout of gravity and magnetic ex- ploration work and instrument operation s in order to create the most favorable preconditions for acquir- ing geophysical anomaly caused by magmatic rock invasion， so as to locate magmatic intrusive mass in coal mining area. Key words geophysical ； magmatic intrusive mass； detection. 岩浆岩（火成岩）的侵入，使连续完整的煤层被 分割［1-6］，对采面布置、巷道掘进及回采工作造成 经济损失， 因而有必要查明岩浆岩侵入体空间分布 特征。 本文从基础理论， 设备的轻便与灵活， 观测精度， 以及无破坏、 低费用等方面阐述了地球物理方法探测 （以下简称物探）煤矿区岩浆岩侵入体的可行性。 1 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体的前提条件 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体有两项基础 因素a. 研究对象和围岩间的物性差异性［7-12］，这 种差异愈大， 愈显著， 所得到的结果也就越好； b. 研 究对象的产态，如侵入体的产状、岩性和构造、分 布规律等，这有利于物探方法研究岩浆岩侵入体的 分布。 1.1 岩浆岩的物性特征 常见的侵入煤层的岩浆岩， 就其生成环境而言， 均属浅成岩或脉岩类，但岩性复杂，从基性岩-中性 岩-酸性岩-碱性岩均有发育，如花岗斑岩、微晶闪 长岩、闪长玢岩、正长斑岩、细晶岩、辉绿玢岩、 辉绿岩、煌斑岩等。 1.1.1 密 度 从大量统计结果看，煤层一般都较松碎，密度 较小（褐煤的密度为 0.5～1.3 g/cm3， 烟煤的密度为 1.1 ～ 1.4 g/cm3，无烟煤的密度为 1.4～1.7 g/cm3），而侵入 岩大多致密、坚硬，密度较大（表 1）［1-2，7］。 1.1.2 磁 性 侵入岩的磁性［13］比较复杂，尤其是剩余磁化强 ChaoXing 92 煤田地质与勘探 第 43 卷 表 1 侵入岩密度参数表 Table 1 The density of intrusive rock g/cm3 岩石名称 密度 岩石名称 密度 花岗斑岩 2.37～2.95 细晶岩 2.47～2.66 微晶闪长岩 2.25～2.80 辉绿玢岩 2.62～3.46 闪长玢岩 2.62～2.82 辉绿岩 2.62～3.46 正长斑岩 2.29～2.77 煌斑岩 2.60～2.83 度，无论是大小和方向均变化很大，但一般是感应 磁化强度大，剩余磁化强度也大。 沉积岩一般无磁或弱磁性，其磁化率κ一般为 （1～5）10-6，剩余磁化强度Jr一般为（2～20）10-3 A/m。煤作为一种沉积岩在侵入活动较发育的地区 磁性亦较强，磁化率高达（2.5～40）10-6，剩余磁化 强度 Jr 达（400～600）10-3 A/m。 图 1 和图 2 是 6104块侵入岩磁参数标本磁化率 κ和剩余磁化强度 Jr 的统计曲线。 从图上看出 火成 岩的磁性变化范围较大，磁化率从碱性-酸性-基性 逐渐增大。花岗岩的磁化率为（0～3 000）10-6，花岗 闪长岩为（0～6 000）10-6，常见值分别为 20010-6和 70010-6；闪长岩为（0～12 000）10-6，常见值为 20010-6和 1 50010-6（即一部分是弱磁性的，另一 部分是具有中等磁性的）； 辉长岩为（0～20 000）10-6， 常见值为 1 50010-6。喷出岩的磁化率从酸性岩的 （0～700）10-6到基性的（0～20 000）10-6；剩余磁化强 度 Jr 与磁化率相似，其变化范围随岩石碱性增高而 增大，而其平均值从酸性到基性超基性逐渐增大。 图 1 侵入岩磁参数统计曲线 Fig. 1 Statistical curve of magnetic parameters of intrusive rock ChaoXing 第 1 期 王正科等 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体探讨 93 图 2 喷出岩磁参数统计曲线 Fig.2 Statistical curve of magnetic parameters of extrusive rock 1.1.3 电 性 沉积岩的电阻率［13-14］较低（表 2）， 煤作为一种沉 积岩，其导电性与煤化作用密切相关，而电阻率主 要取决于煤的变质程度。褐煤由于孔隙度大、湿度 大，电阻率较低；褐煤向烟煤过渡时，电阻率剧增。 所以低、中变质烟煤是电的不良导体。随着煤化程 度的加深，电阻率减小，到贫煤、无烟煤时，电阻 率较低，尤其是碳含量达到 90％以上的无烟煤，电 阻率急剧降低，是电的良导体。 褐煤电阻率为 1～1 000 Ωm，烟煤电阻率为 100～1106Ωm，无烟煤电阻率为 110-6～110-3 Ωm。 表 2 常见岩石电阻率数值表 Table 2 Resistivity of common rocks Ωm 沉积岩 电阻率 岩浆岩 电阻率 变质岩 电阻率 黏土 10-1～101 花岗岩 102～105 泥质板岩 10 1～103 泥岩 100～102 正长岩 102～105 结晶片岩 10 2～104 粉砂岩 101～102 闪长岩 102～105 大理岩 102～105 砂岩 101～103 辉绿岩 102～105 片麻岩 102～104 砾岩 101～104 玄武岩 102～105 石英岩 103～105 石灰岩 102～104 辉长岩 102～105 泥质页岩 102～103 1.2 岩浆岩侵入体的产态 煤矿生产中已发现的岩浆岩侵入体的产状主要 有两种一是脉状的岩墙；二是层状的岩床。 岩墙为岩浆沿早期断裂或裂隙上冲侵入含煤地 层而成，往往成组、成排出现，走向大致相同，并 与主要断裂的走向一致； 宽度为几米到几十米不等， 倾角较大（一般在 60以上）。 岩床为岩浆沿煤层层面方向侵入而成的层状侵 入体。岩床形态多种多样，大致分为层状、似层状、 串珠状和树枝状。层状是煤层全部被岩浆熔蚀同化， 分布范围较大；似层状是岩浆岩体部分取代煤层，厚 度变化大，呈现范围较大的大致连续特征；串珠状是 岩浆岩体在平面上呈孤立的浑圆状或其他不规则的形 状，断面上岩体之间互不联系；树枝状是岩浆沿主要 通道周围的树枝状裂隙侵入活动相对较弱的小岩体。 岩浆侵入一般是在煤层尤其是厚煤层及松软泥 岩内，岩浆活动的阻力小，侵入体的延展面积较大。 2 物探方法圈定岩浆岩侵入体的可行性 2.1 异常特征 2.1.1 重力异常 设侵入体与煤层的密度差σΔ1.0 g/cm3， 岩墙 ChaoXing 94 煤田地质与勘探 第 43 卷 （顶面埋深 100 m、200 m、300 m）和岩床（顶面埋深 100 m、 200 m、 300 m， 顶面宽度 50 m、 100 m、 150 m、 200 m）厚度 2b 为 5 m，重力异常的计算参数与结果 如表 3 和表 4 所示［7-10］。 当岩墙宽度为 5 m、顶面埋深为 300 m、延深为 埋深的 2 倍（即是 600 m）时，所产生的异常仍达 46 10-8 m/s2。 可见， 煤层与各类侵入岩之间的密度差异显著， 特别是辉绿岩、辉绿玢岩的密度较大，具备产生明 显的重力异常的前提条件。 岩床所产生的重力异常，在宽度和延深不变的 情况下，是随顶面埋深 h 的减小而增大的；在埋深 和延深不变的情况下，随宽度的增大而增大；在埋 深和宽度不变的情况下，随延深厚度的增大而显著 增大。 表 3 岩墙所产生的重力异常 Table 3 The gravity anomaly of rock wall 10-8 m/s2 顶面埋深 /m 垂直延深2L/m 600 900 1 200 1 500 1 800 300 46.3 73.3 92.5 107.4 119.5 200 73.3 100.3 119.5 134.4 146.6 100 119.5146.6 165.7 180.6 192.8 表 4 岩床所产生的重力异常 Table 4 The gravity anomaly of bedrock 10-8 m/s2 垂向延伸2L/m 5 10 15 顶面埋深 h/m 100 200 300 100 200 300 100 200 300 顶面宽度 2b/m 50 29.8 16.1 11.0 58.6 32.2 22.0 89.4 48.3 33.0 100 45.5 29.3 20.9 90.0 58.6 41.8 136.5 87.9 62.7 150 51.0 38.8 29.3 102.0 77.6 58.6 153.0 116.4 87.9 200 52.4 45.0 36.0 104.8 90.0 72.0 157.2 135.0 108.0 2.1.2 磁异常 对于岩墙（顶面埋深 100 m、 200 m、 300 m）而言， 其宽度 2b 取 5 m，其磁异常值的计算参数和结果见 表 5［10］，磁化率和剩余磁化强度分别取 1 50010-6 和 5 00010-3 A/m；对于岩床而言，磁化率κ和剩 余磁化强度 Jr 亦取 1 50010-6和 5 00010-3 A/m， 宽度 2b 取 50 m，垂直厚度L2取 5 m，磁异常值的 计算参数和结果见表 6［10］。 当岩墙的磁性较大， 埋深为 300 m 时， 产生 4 nT 左右的异常；但当岩墙的磁性较弱，埋深为 300 m 时，所产生的异常仅为 1 nT 左右。 表 5 岩墙所产生的磁异常 Table 5 The magnetic anomaly of rock wall nT 磁化率κ 和 剩余磁化强度 Jr 埋藏深度 hc /m 300 200 100 Jr/（10-3Am-1） 5 000 4.2 6.2 12.5 κ/10-6 1 500 1.2 1.8 2.7 表 6 岩床所产生的磁异常 Table 6 The magnetic anomaly of bedrock nT 磁化率κ 和 剩余磁化强度 Jr 埋藏深度 hc /m 300 200 100 Jr/（10-3Am-1） 5 000 1.3 3.1 12.0 κ/10-6 1 500 0.4 1.0 3.6 对垂直厚度为 5 m，宽度为 50 m 的岩床，当κ≥ 5 00010-6， hc≤200 m 时， 产生 3 nT 以上的磁异常； 但当 hc＞200 m，其产生的异常将小于 3 nT；对同样 的岩床，当κ≤1 50010-6时，只有 hc＜100 m 所产生 的磁异常才大于 3 nT。 由此可见，磁法勘探对埋深较浅、磁性较强的 基性和超基性侵入岩探测效果较好， 而对埋深较大、 磁性较弱且不均匀的碱性、酸性和中酸性侵入岩探 测的效果较差。用观测精度为1 nT 的磁力仪，是 完全可以发现具有一定规模的岩墙、岩床的。 2.1.3 电性异常 岩浆岩的电阻率较煤和沉积岩都高， 是高阻体。 在埋深不大（埋深≤100 m）、地表地质条件较好的情 况下，可以观测到较显著的电性异常，尤其是电阻 率剖面中的联合剖面法和中间梯度法能够取得较好 的效果。在侵入体埋深较大时，由于侵入体的规模 太小，其产生的异常很弱，从干扰背景中将其识别 出来较为困难， 且供电极距 AB、 供电电流等都必须 加大，造成装备笨重，施工效率低下。 2.2 物探方法选择工作布置及观测要求 2.2.1 重力勘探 a. 测网布置［15-17］。 被研究的区域应在测区中央， 测线间距不大于侵入体在地面投影长度的 1/2～1/3； 测点间距应小于异常宽度的 1/2～1/3，一般可用 50 m 10 m 的规则网， 定量解释的精测剖面点距加密至 5 m。 b. 总精度及误差分配要求［18］。鉴于埋深较大 的侵入体所产生的重力异常较小， 重力异常的分配 如表 7 所示。 ChaoXing 第 1 期 王正科等 物探方法探测煤矿区岩浆岩侵入体探讨 95 表 7 布格重力异常分配表 Table 7 Distribution of Bouguer gravity anomaly 单项 精度指标/（10-8（ms-2） 重力值观测均分差 5 中间层校正的均方差 1 纬度校正的均方差 1 格重力异常的总精度 5 c. 测地工作要求。在建立测量控制网基础上实 测各测点的平面坐标和高程，为重力观测结果进行 各项改正提供资料。测点点位中误差为0.1 m，高 程中误差为5 cm。 d. 重力仪及观测方式和方法。工作中必使用 “标称精度”较高的微伽重力仪，目前使用的微伽重 力仪主要有 LCR-D/G 和 CG-3/5 等。 实测异常较小，重力异常的总精度要求很高， 因此重力仪的观测方法要求更为严格。LCR-D/G 型 仪器在每个测点上要求两个水平脚螺丝朝北，偏差 不得大于 15，同时仪器松摆后 3～5 min 开始读数， 以消除弹簧的滞后影响等。CG-3/5 型重力仪则在调 平 30 s 后开始读数观测。 e. 观测资料的初步整理和计算。观测资料的初 步整理和计算按照相应规范要求作固体潮、自由空 间、中间层、纬度和地形影响等各项校正。 2.2.2 磁法勘探布置的基本原则 a. 测网布置。与重力勘探基本相同（重、磁并 用时，一般采用同一个测网）。在精测剖面上磁法测 点应适当加密。 b. 总精度及误差分配要求［19］。 磁法勘探的总精 度根据目标地质体的异常特征、干扰水平和仪器设 备条件来确定。由于侵入体产生的异常较小，所以 取总精度为 1 nT（表 8）。 c. 基点网组成。磁测工作的基点网由作为异常 起算点的总基点和作为日变站的分基点组成。 d. 磁测资料的初步整理和解释。目前使用的高 精度磁力仪主要为质子磁力仪，型号包括GSM- 19T、PMG、G856、MP-4 等和铯光泵磁力仪 G-858、 G-858G、HC-85 等。所有观测资料都应按规范要求 进行日变、纬度、高度改正等必要的整理和计算。 表 8 磁法勘探工作误差分配表 Table 8 Error distribution of magnetic exploration nT 总精度 野外观测误差 基点与高程及正常场改正误差 总计 操作误差 仪器一致误差 仪器噪声误差日变改正误差总计正常场改正误差 高度改正误差 总基点改正误差 1.0 0.87 0.7 0.3 0.3 0.3 0.4970.28 0.28 0.3 3 结 论 a. 物探方法尤其是重力勘探、磁法勘探对探测 煤矿区岩浆岩侵入体在一定的条件下具有良好的前 提，测点敷设、观测及资料处理，能获得有意义的异 常，进而圈定岩浆岩侵入体的分布范围。 b. 物探方法应用于圈定煤矿区岩浆岩侵入体的分 布具有仪器轻便、灵活、无破坏、无污染等特点，在煤 矿区岩浆岩侵入体的探测中可以发挥独特作用。 参考文献 ［1］ 杨孟达. 煤矿地质学［M］. 北京煤炭工业出版社，2006. ［2］ 申江， 汤友谊. 平顶山煤田韩梁矿区岩浆岩与火山碎屑岩的特征及 其对煤层的影响［J］. 焦作矿业学院学报，1994，13（2）25-29. ［3］ 张文永，徐胜平，蔡学斌. 卧龙湖煤矿岩浆侵入规律及其对煤 层、煤质、瓦斯的影响［J］. 安徽地质，2005，15（1）25- 28. ［4］ 刘福胜，徐培武，郑荣华，等. 邯邢煤田岩浆侵入及对煤层煤 质的影响［J］. 中国煤田地质，2007，19（5）22-23. ［5］ 杨梓懂. 吕凤矿区岩浆侵入体对煤层煤质的影响［J］. 能源与环 境，2012（2）67-69. ［6］ 谭笑林，王兵. 云驾岭矿扩大区岩浆岩侵入特征及对煤层煤质 的影响［J］. 山东煤炭科技，2008（6）136-137. ［7］ 王宝仁，徐公达. 高精度重力测量［M］. 北京地质出版社，1995. ［8］ 重力勘探资料解释手册 编写组. 重力勘探资料解释手册［M］. 北京地质出版社，1983. ［9］ 王家林，王一新，万明浩. 石油重磁解释［M］. 北京石油工业 出版社，1991. ［10］ 谭承泽，郭邵雍. 磁法勘探［M］. 北京地质出版社，1984. ［11］ 吴顺和.石油地球物理勘探［M］. 北京石油工业出版社，1996. ［12］ 李金铭. 地电场与电法勘探［M］. 北京地质出版社，2005. ［13］ 多尔特曼 H Б. 岩石和矿物的物理性质［M］. 北京 科学出版社， 1985. ［14］ 石显新. 瞬变电磁法勘探中的低阻层屏蔽问题研究［D］. 西安 西安交通大学，2005. ［15］ 中国有色金属工业总公司. 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