才爾貢瑪煤礦地球物理特征及綜合勘查方法研究

李文成，馬忠英，劉志華，馬玉成

(1.青海省第一地質勘查院，青海 海東 810699； 2.青海省第四地質勘查院，青海 西寧 810000)

研究區位于祁連山腹地，行政區劃隸屬青海省天峻縣蘇里鄉管轄。工作范圍西起日木才爾貢瑪溝西側，東至才爾貢瑪東側，最北達才爾貢瑪溝腦，南至疏勒曲北岸，呈一不規則的四邊形，其東西平均長約5 km，南北寬約6 km，面積約27.68 km2。為了解區內煤系地層的分布、含煤情況及埋深，尋找有工業價值的可采煤層，了解普查區地質構造特征，本文分析了才爾貢瑪煤礦地球物理特征及綜合勘查方法。研究可為后期具體煤層勘探提供技術支持。

1 研究區地質

1.1 地層

研究區位于瓦乎寺斷陷盆地中，疏勒山小區地層出露不全。僅有三疊紀(T)、侏羅紀(J)、古—新近紀(N)和第四紀(Q)，從老至新特征分述如下。

(1)三疊紀地層。①中三疊世切爾瑪溝組(Tq)。分布在研究區的最北部，地層展布與區域構造方向線一致。主要巖性為長石砂巖、石英砂巖、粉砂巖、頁巖夾灰巖、生物灰巖等。據區域資料和瓦乎寺PD2剖面厚度大于710 m。與古—中新統白楊河組(ENb)和晚三疊世阿塔寺—尕勒得寺并組(Ta-g)均為斷層接觸。②晚三疊世阿塔寺—尕勒得寺并組(Ta-g)。分布在研究區的東部。主要巖性為長石砂巖、長石石英砂巖、頁巖夾石英砂巖、粉砂巖、灰巖。據區域資料，瓦乎寺PD2剖面厚度大于2 014 m。與侏羅紀地層斷層接觸，與古—中新統白楊河組(ENb)角度不整合接觸。

(2)侏羅紀地層。沿斷裂帶零星分布，范圍較小。從區域上看應是瓦乎寺煤礦早—中侏羅統窯街組(J1-2y)的東延及殘留。地層傾向沿走向變化較大，傾角45°～75°，局部產狀直立，按沉積相特征及含煤情況分為中下侏羅統窯街組(J1-2y)和上侏羅統享堂組(J3x)。①中下侏羅統窯街組(J1-2y)。以沼澤相細顆粒沉積為特征，巖性為中細粒砂巖、細砂巖、煤層，見植物化石碎片及雨痕化石，如圖1所示。ZK005、006、401、TC1、TC2、TC3均見到該地層，從0線和4線剖面對比，向東該地層有變薄的趨勢；ZK006孔揭露較全，厚度131.56 m，為主含煤段。②上侏羅統享堂組(J3x)。主要為河床相粗顆粒沉積，巖性為粗砂巖、中砂巖，厚度181.42 m，為不含煤段。ZK005、006、401均見到該地層，從0線和4線剖面對比，向東該地層有變薄的趨勢；ZK006孔揭露較全，厚度205.53 m，為不含煤段。與上覆地層古—新近系的古—中新世白楊河組(ENb)多為不整合接觸，局部斷層接觸。

圖1 TC2中巖性概況Fig.1 General Lithology in TC2

(3)古—新近紀地層。研究區廣泛被古—新近系的古—中新世白楊河組(ENb)所覆蓋，其巖性為土紅色—紅色細礫巖、石英砂巖、粉砂巖夾泥巖、泥灰巖等。ZK003揭露全為紅層，厚度大于453.87 m，未見底。

(4)第四紀地層。研究區南部灘地及較大水系兩側臺地，均為全新統沖洪積(Qhpal)砂礫層和沖積(Qhal)砂礫石層，在全新統沖洪積(Qhpal)物下面ZK002孔揭露出更新統湖積(Qpl)細砂層、粉砂層、粉砂質泥巖層、泥質粉砂巖層，巖層呈半固結，富含螺殼碎片化石。厚度大于664.23m。

1.2 構造

研究區內的中下侏羅統窯街組(J1-2y)以一個整體斷裂構造帶存在，根據施工的鉆孔及探槽，結合綜合研究認為研究區斷裂構造有F1、 F2、F3、F4、F5、F6、F7七條，主要有F3、F4、F5、F6、F7五條。

(1)F1。相當于區域斷裂構造F4，展布于研究區東北角，總體走向315°，傾角45°～70°，出露長3.5 km，區內僅零星展布。部分地段扭曲成波狀，沿斷層巖石破碎，有斷層泥、構造角礫巖，破碎帶寬度50～100 m，為壓性逆斷層 。

(2)F2。相當于區域斷裂構造F5分布于研究區東北角，與F1大體平行，向西北延入F1斷層，出露長5.5 km，區內僅零星展布。呈向南西突出的弧形，局部晚三疊世阿塔寺—尕勒得寺并組(Ta-g)逆沖于古—新近系的古—中新世白楊河組(ENb)之上，沿斷層巖石破碎，有擦痕，為逆斷層。

(3)F3。相當于區域斷裂構造F6，橫貫才爾貢瑪研究區北部，斷層走向285°，傾向北東，東部被F5所切，區內出露長度近5 km，是中三疊世切爾瑪溝組(Tq)逆沖于之上的接觸斷層，它控制著研究區侏羅系含煤地層的北界。

(4)F4。位于研究區中部北側，走向近東西向，0線以西向北翹;至5線附近日木才爾休瑪溝被F7平推斷層切割;推測長度約4 km;在0線剖面上看，ZK005自91.25～262.04 m為侏羅系享堂組地層，巖性為灰綠色砂巖、粉砂巖及構造角礫巖，而ZK004孔所揭露的地層為侏羅系窯街組，屬侏羅系窯街組地層逆沖于侏羅系享堂組地層之上;傾向北東，傾角60°～80°。

(5)F5。位于研究區中部北側，可采煤層以南，走向近東西向，0線以西向北翹;至5線附近日木才爾休瑪溝被F7平推斷層切割;推測長度約4.2 km;該斷層與煤層方向一致，是煤層的南部邊界。

(6)F6。位于研究區中部F5南側，走向近東西向，0線以西向北翹;至5線附近日木才爾休瑪溝被F7平推斷層切割;出露長度約4 .8 km。ZK006、ZK401、TC2、TC3、TC7工程中揭露出該斷層；在0、4線剖面上看，ZK006孔366.26～715.42 m所揭露的地層為侏羅系窯街組，巖性為灰黑色粉砂巖、泥巖及炭質泥巖，ZK006自715.42～740.06 m為古—新近系白楊河組地層，巖性為紫紅色石英砂礫巖；屬中下侏羅統窯街組(J1-2y)逆沖于古—新近系的古—中新世白楊河組(ENb)之上。ZK401孔161.45～254.59 m所揭露的地層為侏羅系享堂組，為侏羅系享堂組地層，巖性為灰綠色砂巖、粉砂巖及構造角礫巖；自254.59～280.15 m為古—新近系白楊河組地層，巖性為紫紅色石英砂礫巖；屬侏羅系享堂組地層逆沖于古—新近系白楊河組地層之上;傾向北東，傾角65°～80°。TC2中顯示的煤層與斷層的接觸關系如圖2所示。

圖2 TC2中顯示的煤層與斷層的接觸關系Fig.2 Coal seam-fault contact relationship shown in TC2

(7)F7。分布于研究區5線附近日木才爾休瑪溝，走向30°，傾向北東；延伸2 km，屬推測平移斷層，具有東盤南移，西盤北移的左旋特征。推測理由：①F7以東大面積覆蓋有古—新近系紅層，ZK003孔453.87m以下仍未見底，屬凹陷盆地，F7以西經地表探槽揭露(TC4)出露地層有三疊系阿塔寺—尕勒得寺并組，可采煤層被錯斷；②從0線和5線剖面對比來看，F7以西中下侏羅統窯街組(J1-2y)地層有變厚的趨勢，地層層序正常。③從地貌上看，存在明顯的負地形。

2 地球物理特征

2.1 可控源音頻大地電磁測電測深物性特征

區內砂巖標本測定的電阻率變化范圍在6.6～254 Ω·m，表現為低阻特征，且砂巖的粒級由粗變細，其電阻率由大變小，粗砂巖>中砂巖>細砂巖>粉砂巖>泥巖。紅層的電阻率變化范圍為31.1～318 Ω·m，具低—中等電阻率特征；煤的電阻率變化范圍為228～2 969 Ω·m，平均818.6 Ω·m，表現為中—高電阻率特征，是砂巖的2～3倍(說明：標本測定結果較露頭小四極測定結果小)，見表1。

表1 巖礦石電性參數測定及統計結果Tab.1 Determination and statistical results of electrical parameters of rock and ore

2.2 可控源電測深剖面異常特征

(1)1線可控源剖面。1線剖面長2 680 m，對1線可控源剖面進行了卡尼亞視電阻率二維圓滑反演，從反演斷面圖上可以看出，斷面低阻異常分帶明顯，中部有一向南傾斜的低阻帶，并在剖面北端有轉折現象，而轉折部位深部表現為中等視電阻率異常，對比3條剖面，在北部均表現為基本相同的特征。根據斷面視電阻率異常形態并結合該區地層分布和巖石的電性特征，推測該區存在一背斜構造，明顯的低阻異常由古—新近系紅層(ENb)引起，200—220點深部的中阻異常推測由侏羅系(Jy)引起。100—170點之間的中—高阻異常推測由其他高阻地層引起，并且與古—新系紅層為斷層接觸，才爾貢瑪1線可控源反演及推測斷面如圖3所示。

(2)2線可控源剖面。2線剖面長4 000 m，對2線可控源剖面進行了卡尼亞視電阻率二維圓滑反演，從反演斷面圖上可以看出，斷面以小于100 Ω·m的低阻異常為主，分布在剖面南北兩端，中間180—240點間為一中阻異常帶，該中阻異常帶與其他2條斷面相吻合。根據該剖面的視電阻率異常特征并結合區內巖石的電性特征，推測剖面南北兩端的低阻異常由古—新近系紅層(ENb)引起，而中間向下延伸的中阻異常推測由侏羅系(Jy)地層引起，如圖4所示。

圖3 才爾貢瑪1線可控源反演及推測斷面Fig.3 Controlled source inversion and inferred cross section of Caiergongma Line 1

圖4 才爾貢瑪2線可控源反演及推測斷面Fig.4 Controlled source inversion and inferred cross-section of Caiergongma Line 2

(3)3線可控源剖面。3線剖面長3 000 m，對3線可控源剖面進行了卡尼亞視電阻率二維圓滑反演，從反演斷面圖上可以看出，斷面仍以低阻異常為主，剖面南端100—210點主要為低阻區，剖面北端210—250點主要為中—高阻區，根據該剖面的視電阻率異常特征并結合區內巖石的電性特征，推測剖面南端的低阻異常由古—新近系紅層(ENb)引起，而北端的中阻異常推測由侏羅系(Jy)地層引起，如圖5所示。

圖5 才爾貢瑪3線可控源反演及推測斷面Fig.5 Controlled source inversion and inferred cross section of Caiergongma Line 3

根據可控源電磁測深剖面研究，解譯資料顯示在0線下伏有侏羅系含煤地層存在，構造形態為一背斜，在解譯和對比分析基礎上，施工ZK002、ZK003、ZK004、ZK005、ZK006進行驗證，其中南側ZK002、ZK003均未見到侏羅系煤系地層和煤層，北側施工的ZK004、ZK005、ZK006揭露出侏羅系窯街組、享堂組地層，地層產狀陡，傾角多在60°～80°，僅在ZK005孔中見到煤層，但比較薄；同時在5線施工ZK501孔，見到侏羅系煤系地層，但未見煤層。根據剖面對比，不存在背斜構造，僅是多組斷裂組成的單斜構造。

3 綜合勘查法

3.1 勘查方法及工程布置

本區為全新統覆蓋區，根據章節2，選擇分析了鉆探、地球物理測井以及探槽緊密配合的綜合勘查方法，在充分吸收前人研究成果的基礎上，總結研究區成煤規律及特征，為研究區的遠景評價提供依據。本次研究手段依據電測深剖面、西鄰瓦乎寺煤礦的地層層位對比、研究區含煤巖系地層和斷裂構造的新認識，以鉆探和槽探為主要手段選擇最佳孔位(ZK005、ZK006、ZK401)逐步探索驗證，同時將“三邊”研究放在突出位置，強化綜合研究，提高指導作用，力求最大限度的提高每一個鉆孔的地質勘查效果。

(1)工程點測量。各工程點均采用GPS進行測量定位，各鉆孔為獨立坐標系統。研究初期，利用1/5萬上日木策爾幅地形圖在工區范圍內最高控制點4 164 m處用GPS麥哲倫和集思寶三者進行了校對，三者X、Y值均吻合，高程GPS集思寶誤差-146 m，并進行了校正。最后統一用GPS集思寶對2008—2010年度的工程進行了定測；通過使用前和使用后的檢查，其精度滿足研究階段的要求，誤差≤±4 m。

(2)鉆孔布設、定位測量及精度評定。鉆孔的布設，根據設計鉆孔的理論坐標和煤勘所提供的坐標數據，用GPS到實地確定孔位，鉆孔完工后進行二次復測，平面復測誤差滿足普查階段的要求。其定測和復測后的孔位坐標差值見表2。

表2 鉆孔定測和復測后的誤差Tab.2 Errors after borehole measurement and remeasurement

(3)探槽布設、定位測量及精度評定。探槽的布設按設計在實地結合煤層、地層及斷層的走向按25°方向布設，槽頭兩端用木樁做標記，并用GPS到實地確定位置，完工后進行二次定測，槽頭坐標以二次定測南端為準。

3.2 鉆探工程

3.2.1 研究方法

本次所使用的機型為XY-5型。開孔口徑為130 mm，穿過第四系覆蓋層后根據地層情況換110、98 mm口徑分級鉆進，終孔口徑均為94 mm，鉆孔結構按設計和規范要求執行；最后用測井測斜成果；孔深校正嚴格按設計要求，每50 m孔深測量一次。該區用鉆探研究方法是行之有效的，工藝比較先進；采取率很高；打煤質量較好；進尺平均每天為15～20 m；對破碎帶的堵漏和取芯有很好的經驗。以上特點為項目資料的取得提供了可靠依據。

3.2.2 鉆探質量

對所竣工的3個鉆孔均按煤炭工業部2007年頒布的《煤田勘探鉆孔工程質量標準》進行了認真驗收，綜合評定ZK006ZK401為甲級；ZK005為乙級。完成鉆探研究量1 805.91 m。其中，ZK401孔為85°斜孔；ZK005和ZK401孔均打到可采煤層1層，煤線2層；ZK006孔沒有打到煤層，但施工的3個孔均控制了F5斷層和含煤地層及古新近紀地層，達到了施工的目的。

3.2.3 巖煤層采取質量

(1)巖煤層采取率。完成的3個鉆孔全孔巖芯采取率全在80%以上，煤層采取率85%以上，煤層頂底板采取率在80%以上，符合質量標準要求。煤、巖芯采取率見表3。

表3 煤、巖芯采取率Tab.3 Coal and core recovery rate

(2)鉆孔煤層質量。質量評述中煤層厚度均按真厚度為準，最低可采厚度為0.60 m(BN煤)。3個孔中共見煤6層，其中評級2層，未評級4層，主要是煤層太薄，以煤線為主，鉆探見煤，測井為炭質泥巖，煤質分析為不粘煤。煤層傾角的確定是實測傾角減去相應孔段的天頂角。鉆探打煤質量較好，煤層是可靠的；測井未測出的煤線主要原因為測井曲線靈敏度>0.10 m時才能解譯。在最終成果利用時仍用測井成果。

3.3 地球物理測井

(1)采用的方法技術。根據DT/T 0080—2010《煤田地球物理測井規范》以及本次項目的研究需要，本次測井研究對3個孔進行了電阻率、自然伽馬、密度、自然電位、井徑、井斜等6個參數的測量。

(2)使用的儀器與性能。本次地球物理測井研究所使用儀器及設備配備情況見表4。

JGS-3智能工程測井系統的主要技術指標為：深度測量誤差≤0.4‰，測井速度0.5～30 m/min可調，研究溫度范圍-10～+50 ℃。

(3)解釋原則。在測井曲線上，若同時具有高電阻、低自然伽馬、高伽馬—伽馬特征的層位，并且井徑正常的情況下，即可定性為煤層(圖6)。根據以往測井經驗，在井徑擴大段，可以顯示為似煤反應，是對泥漿的一種測量反應，因此在解釋煤層的過程中需要考慮該種情況。本礦區煤層段未發現井徑擴大的情況。根據以往測井成果，對于結構簡單煤層，長短源距、自然伽馬、電阻率、自然電位等測井參數均有較好反映，對煤層界面反映均較清楚，此時，長短源距、自然伽馬、電位電阻率、自然電位均可作為煤層定性解釋參數。對復雜結構煤層，尤其當井徑不正常時，煤層解釋依靠參數選擇為長短源距，自然伽馬、電位電阻率。自然電位解釋時作為參考參數，在煤層部位，自然電位顯示負異常。根據鉆孔資料，該區煤系地層中見有炭質泥巖，因此，鉆孔內見有炭質泥巖的部位要認真研究測井資料，尋找可能存在的煤層。

表4 測井使用儀器設備情況Tab.4 Well logging instruments and equipment

圖6 ZK401號鉆孔煤層特征反映曲線Fig.6 Coal seam characteristic reflection curve of ZK401 borehole

(4)煤層定厚解釋原則。定厚解釋主要確定煤層結構、詳細劃分煤層及夾矸厚度。根據該礦區以往測井經驗，此次地球物理測井研究煤層定厚解釋原確定見表5。煤層及夾矸的定厚解釋在1/50曲線上進行。定厚解釋時，先在1/50曲線上按照每種參數的解釋原則分別求出每種參數所反映的煤層頂、底板深度及厚度，最后采用的煤層頂、底板深度及厚度為幾種測井參數所求得的深度及厚度的平均值。本次研究我們采用長源距伽馬—伽馬、三側向電阻率及自然伽馬3種對煤層反應明顯的參數確定單一參數的定厚解釋點，然后三參數進行平均得到最終的煤層深度及厚度。

表5 煤層定厚解釋原則Tab.5 Coal seam thickness determination principle

(5)夾矸解釋原則。煤層中夾矸劃分的基本解釋原則是在伽馬—伽馬曲線上，煤層中曲線顯示幅度小于該煤層全幅值2/3者可定為夾矸，大于2/3以上者則按煤層對待，不劃分夾矸，這種似夾矸異常反映，只是這個部位的煤層含灰分略高而造成的變化。對于小于源距的薄層夾矸，其伽馬—伽馬曲線顯示可能大于煤層幅值的2/3，但視電阻率、自然伽馬參數有明顯反映時也可確定為夾矸。在井徑正常地段，夾矸部位同時具有低電阻、高自然伽馬。

(6)炭質泥巖解釋原則。炭質泥巖是煤、劣質煤與泥巖之間相互過渡巖層，其物性特征介于煤與泥巖之間，其灰分超過40%，含炭量在60%以下。對于碳含量較低的泥巖，其物性與泥巖差異很小不易區分。一般情況下，炭質泥巖主要物性特點是：伽馬—伽馬參數在整個含煤巖系剖面上顯示為僅次于煤層的高幅值(井徑擴大假異常除外)，視電阻率參數也有區別于上下巖層的顯示，自然伽馬參數也有層位顯示。其定性定厚的主要參數為伽馬—伽馬參數，同時還要參考其他參數，定厚解釋原則是其幅值小于本孔主要煤層最高幅值的60%可定為炭質泥巖，高于60%的則為煤，其量值視儀器靈敏度而定。

(7)其他巖性的解釋原則。不同巖性由于其粒度的大小不同，在各種參數曲線上的反映也不同。粒度越大，自然伽馬參數的數值越小，視電阻率參數值越大。其余參數也有不同程度的顯示。區內巖石以泥巖的自然伽馬值最大，粗砂巖的自然伽馬值最小，其余巖性介于兩者之間。以自然伽馬參數為主，參考三側向電阻率參數可以對不同粒度的巖性進行劃分。另外，由于影響巖石自然伽馬參數的因素較多，在不同程度上會影響巖層的解釋精度。所以，對巖層進行定性、定厚解釋時，同時參照鉆探成果進行準確定性。鉆孔破碎帶地球物理特征曲線如圖7所示。

圖7 鉆孔破碎帶地球物理特征曲線Fig.7 Geophysical characteristic curve of borehole fracture zone

(8)質量評述。本區測井研究嚴格按照中華人民共和國地質礦產部制定的《煤田地球物理測井規范》執行，所使用儀器設備性能良好，各參數方法選擇合理，結果準確可靠，地質效果明顯。數字原始資料質量評級執行標準為DZ/T 0080—93《煤田地球物理測井規范》，成果質量評級執行標準為中華人民共和國煤炭工業部制定的《煤田勘探鉆孔工程質量標準》中測井成果質量標準，根據原始資料及成果資料評級情況，測井原始資料質量甲級孔3個，全孔質量等級甲級孔3個。地球物理測井研究量及質量情況見表6。

3.4 探槽研究

探槽工程以揭露區內煤層露頭和F7斷層為目的。360型挖機共施工8條探槽，其規格以實地施工條件和確保安全為原則，其邊坡安全角為60°，施工至槽底基巖0.3～0.5 m能看清產狀為原則，探槽

表6 地球物理測井研究量及質量情況Tab.6 Research quantity and quality of geophysical logging

施工后，由地質編錄人員及時進行了編錄。編錄格式嚴格按QB/C7.5—K01—2001A/0固體礦產勘查地質研究細則操作，編錄質量符合要求；編錄完后，全部進行了回填；經過自互檢后著墨，編錄整齊、準確、及時，內容齊全。

探槽工程總長度934.77 m，總研究量7 339.40 m3，平均7.86 m3/m；施工深度平均達2 m，特別是TC1、TC2、TC3局部地段深度達6 m以上，口寬平均達2 m、底寬平均達1.8 m。其中3條見煤并采取了煤樣，采集探槽煤樣7件；2條因第四系覆蓋厚而未揭露至基巖面，3條未見煤但揭露和控制了F5、F6斷層。

地表槽探煤層最小厚度0.10 m，最大厚度0.60 m，平均厚0.35 m，不夠可采厚度；施工鉆孔2個，見可采煤層的鉆孔2個，ZK005厚度0.76 m，ZK401厚度0.82 m，平均厚0.79 m。從地表至中深部煤層厚度反映出由薄變厚的趨勢。由于構造對煤層的影響，煤層厚度沿走向和傾向在3線(D2電測深剖面)附近變化較大，煤層變薄，煤質灰分超標；可采煤層在平面上延伸長度達1.529 km，煤層產狀為10°～25°∠60°～78°。煤層結構較簡單，含夾矸1層，煤層穩定性屬較穩定類型。

對達到設計目的的探槽均進行了素描。本次探槽工程布置合理，施工規范，達到了設計目的。

4 結論

(1)通過分析才爾貢瑪煤礦地球物理特征，可為綜合勘查方法的實施提供了技術支持，研究了鉆探、地球物理測井以及探槽緊密配合的綜合勘查方法，得出了研究區成煤規律及特征。

(2)初步查明研究區內賦存可采煤層1層，位于中侏羅系窯街組，含煤地層和煤層賦存于F4與F5間。

(3)地表槽探煤層最小厚度0.10 m，最大厚度0.60 m，平均0.35 m，不夠可采厚度；施工鉆孔2個，見可采煤層的鉆孔2個，ZK005厚度0.76 m，ZK401厚度0.82 m，平均0.79 m。煤層結構較簡單，含夾矸1層，煤層穩定性屬較穩定類型。