一种城区含煤构造地球物理预测方法与装置与流程
本发明涉及煤田水文地质与地球物理领域，具体涉及一种城区含煤构造地球物理预测方法与装置。
背景技术：
我国很多城市地下分布着煤炭资源古煤矿采空区、等地下目标体，准确定位难度较大。地球物理方法是一种普遍采用的方法，但是由于城区大多电磁干扰大，人口密集、建设物较多，对于地球物理方法测试受到了很多方面的限制，选择合适的地球物理方法及其组合，进行有效探测，实现对城区地下含煤构造十分必要。
技术实现要素：
本发明提供一种城区含煤构造地球物理预测方法与装置，对电磁干扰大，人口密集、建设物较多的城区含煤构造进行有效探测。
为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种城区含煤构造地球物理预测方法，包括：
在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征；
在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计；
在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计；
分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
优选地，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征之后还包括：
根据所述含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征推断含煤构造基底灰岩的断层结构；
或者，
在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计之前还包括：
获得含煤构造与围岩的电性差异的特征。
优选地，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计之前还包括：
获得含煤构造与围岩的弹性波差异特征。
优选地，在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征包括：
利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化进行地质勘探；通过重力测量仪器找出煤系地层与煤系基底的重力异常，结合含煤城区的地质资料和物探资料，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征。
优选地，在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计包括：
根据电磁感应原理获得天然或人工场源在大地中激励的电磁场分布，由观测到的电磁场值来确定地电断面；
并根据观测到的电磁场值获得视电阻率值，再由测线上每一个测点的视电阻率值绘制成视电阻率等值线断面图；
视电阻率断面图上的数值大小、深度信息与地下地质体的信息有关，通过钻孔资料，与剖面上的信息进行比对，得到一个量化标定；
待估测量位置上的视电阻率通过钻孔位置的标定来确定地下地质体的赋存信息；
通过视电阻率图实现对地下岩、矿石的标识和估计；
根据预先获得的钻孔资料，获得含煤构造与围岩的电性差异，
在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计。
优选地，在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计包括：
在地表激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波；
检测到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关；
通过对地震波记录进行处理和解释，推断地下岩层的性质和形态；
根据各条测线采集到的地震信息，经过预处理、反褶积、静校正、共中心点叠加中的一项或者多项得到地震剖面图；地震剖面图包含波阻抗信息；
根据同相轴变化和地质钻孔资料，推测地下地层的起伏状态；
根据地震剖面以及该地区的地质资料和钻孔资料，获得含煤构造与围岩的弹性波差异；
在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计。
优选地，分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息包括：
将含煤城区外围的地震和电磁解释成果向含煤城区内延拓，综合分析三种方法获得的城区含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
优选地，分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息时，当含煤城区内的三种方法解释结果出现不一致时：
对煤系地层的预测以地震勘探为准，对煤系地层基底灰岩的预测以重力为准；
当煤层与上下围岩存在大于或者等于第一预设阈值的密度差异，利用地球物理特性，采用地震勘探方法对煤层的厚度、产状、埋藏深度其中的一项或者多项进行估计；
当煤层基底是奥陶系灰岩时，利用电磁法确定城区外地下煤系地层的起伏情况和埋藏深度；
当煤系地层与煤系基底的密度差异大于或者等于第二预设阈值的密度差异，采用重力勘探确定城区内地下煤层基底起伏、煤系地层构造等地质信息；
优选地，根据所述含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征推断含煤构造基底灰岩的断层结构包括：
根据煤层与上下围岩的密度差异，采用地震勘探方法对煤层的厚度、产状、埋藏深度中的一项或者多项进行估计；
利用电磁法确定城区外地下煤系地层的起伏情况和埋藏深度；采用重力勘探确定城区内地下煤层基底起伏、煤系地层构造中的一项或者多项地质信息；
将由城区外围地震、电磁法勘探所获得的煤层及煤层基底埋藏深度、厚度信息向城内延拓。对城区内的地球物理资料进行解释，推断含煤构造基底灰岩的断层结构。
本发明实施例还提供一种多道瞬变电磁法波场合成装置，包括：
重力勘探模块，设置为在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征；
电磁探测模块，设置为在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计；
地震勘探模块，设置为在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计；
分析模块，设置为分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的方法和装置，在电磁干扰大，人口密集、建设物较多的情况下，能够对城区地下含煤构造分步骤进行有效探测，多种探测成果互相补充，实现对城区地下含煤构造有效探测。
附图说明
图1是本发明实施例的城区含煤构造地球物理预测方法方法的流程图；
图2是本发明实施例的城区含煤构造地球物理预测方法装置的结构示意图；
图3是本发明实施例的城区内重力布置图；
图4是本发明实施例的电磁频率测深原理示意图；
图5是本发明实施例的城区外电磁法勘探布置图；
图6是本发明实施例的奥顶界面推断图；
图7是本发明实施例的联络线B3地震地质剖面图；
图8是本发明实施例的煤层分布及底板等高线图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种城区含煤构造地球物理预测方法，在电磁干扰多、建设物密集的城区待估区，采用重力勘探方法进行勘探，获取含煤构造的初步地质信息；在电磁干扰相对较小的城区外围，采用电磁测深方法进行探测，获得含煤构造的进一步补充性的地质信息；在以上工作基础上，在城区外围采用地震勘探方法进行测量，获得含煤构造的精细地质信息。包括：
S101、在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征；
S102、在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计；
S103、在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计；
S104、分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
步骤S101采用重力勘探方法获得含煤城区含煤构造的初步地质信息；步骤S102采用电磁测深方法获得含煤城区含煤构造的补充性的地质信息；步骤S103采用地震勘探方法获得含煤城区含煤构造的精细的地质信息；对三种地球物理资料进行综合分析，能够有效探测城区含煤构造。
其中，S101获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征之后还包括：
根据所述含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征推断含煤构造基底灰岩的断层结构；
S102在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计之前还包括：
获得含煤构造与围岩的电性差异的特征。
在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计之前还包括：
获得含煤构造与围岩的弹性波差异特征。
S101在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征包括：
利用组成地壳的各种岩体、矿体间的密度差异所引起的地表的重力加速度值的变化进行地质勘探；通过重力测量仪器找出煤系地层与煤系基底的重力异常，结合含煤城区的地质资料和物探资料，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征。
S102在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计包括：
根据电磁感应原理获得天然或人工场源在大地中激励的电磁场分布，由观测到的电磁场值来确定地电断面；
并根据观测到的电磁场值获得视电阻率值，再由测线上每一个测点的视电阻率值绘制成视电阻率等值线断面图；
视电阻率断面图上的数值大小、深度信息与地下地质体的信息有关，通过钻孔资料，与剖面上的信息进行比对，得到一个量化标定；
待估测量位置上的视电阻率通过钻孔位置的标定来确定地下地质体的赋存信息；
通过视电阻率图实现对地下岩、矿石的标识和估计；
根据预先获得的钻孔资料，获得含煤构造与围岩的电性差异，
在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计。
S103在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计包括：
在地表激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波；
检测到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关；
通过对地震波记录进行处理和解释，推断地下岩层的性质和形态；
根据各条测线采集到的地震信息，经过预处理、反褶积、静校正、共中心点叠加中的一项或者多项得到地震剖面图；地震剖面图包含波阻抗信息；
根据同相轴变化和地质钻孔资料，推测地下地层的起伏状态；
根据地震剖面以及该地区的地质资料和钻孔资料，获得含煤构造与围岩的弹性波差异；
在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计。
S104分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息包括：
将含煤城区外围的地震和电磁解释成果向含煤城区内延拓，综合分析三种方法获得的城区含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
S104分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息时，当含煤城区内的三种方法解释结果出现不一致时：
对煤系地层的预测以地震勘探为准，对煤系地层基底灰岩的预测以重力为准；
当煤层与上下围岩存在大于或者等于第一预设阈值的密度差异，利用地球物理特性，采用地震勘探方法对煤层的厚度、产状、埋藏深度其中的一项或者多项进行估计；
当煤层基底是奥陶系灰岩时，利用电磁法确定城区外地下煤系地层的起伏情况和埋藏深度；
当煤系地层与煤系基底的密度差异大于或者等于第二预设阈值的密度差异，采用重力勘探确定城区内地下煤层基底起伏、煤系地层构造等地质信息；
根据所述含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征推断含煤构造基底灰岩的断层结构包括：
根据煤层与上下围岩的密度差异，采用地震勘探方法对煤层的厚度、产状、埋藏深度中的一项或者多项进行估计；
利用电磁法确定城区外地下煤系地层的起伏情况和埋藏深度；采用重力勘探确定城区内地下煤层基底起伏、煤系地层构造中的一项或者多项地质信息；
将由城区外围地震、电磁法勘探所获得的煤层及煤层基底埋藏深度、厚度信息向城内延拓。对城区内的地球物理资料进行解释，推断含煤构造基底灰岩的断层结构。
如图3所示，本发明实施例还提供一种多道瞬变电磁法波场合成装置，包括：
重力勘探模块，设置为在含煤城区内采用重力勘探方法进行勘探，获得含煤构造基底灰岩上界面的埋深及起伏特征；
电磁探测模块，设置为在含煤城区外采用电磁测深方法进行探测，获得电磁视电阻率断面图；利用含煤构造与围岩的电性差异，在所述视电阻率断面图上对含煤城区基底灰岩的产状特征和基底灰岩的含煤构造特征进行估计；
地震勘探模块，设置为在含煤城区外采用地震勘探方法进行测量，形成地震剖面，利用含煤构造与围岩的弹性波差异，在所述地震剖面上对含煤城区的煤系地层、煤系地层基底灰岩的产状特征和煤系地层基底灰岩的含煤构造特征估计；
分析模块，设置为分析获得的三种方法获得的含煤构造的地质信息，获得含煤城区的含煤结构体的地质信息。
实施例一
本实施例的测区构造类型为裂陷盆地型构造。测区为次级隆起区的凹陷带，即向斜带，在向斜带内有含煤地层。区内普遍为第四系覆盖，且黄土覆盖很厚，大部分在300-400m之间，由老至新的地层有：奥陶系中统，石炭系中统和上统，二叠系新生界。石炭系上统太原组为主要含煤地层，本组有含煤层15#下，厚约1.45m及15#煤，全区稳定，平均厚约6.73m。煤系地层基底—奥灰顶界面起伏变化大。在城内建筑密集，在城区周围分布有许多窑洞，电磁法和地震勘探都难以正常进行。用一种地球物理方法勘探显然受到了制约，需要采用本发明实施例提供的方法，实现对地下煤系地层基底起伏形态进行有效探测。
勘探采用重力、电磁法、地震三种地球物理方法来协同综合勘探。首先采用重力勘探的方法确定城区内的奥陶系灰岩定界面的起伏形态和埋深，然后，进行电磁法勘探获得城区外奥灰形态和埋深，由城区内重力勘探结果与城区外电磁法勘探结果，获得全区奥陶系灰岩定界面的起伏形态和埋深信息最后，采用地震查明勘探区，获得奥陶系灰岩定界面以上的煤层本身的详细信息，综合以上三种方法的成果资料获得效果最佳的勘探区煤层构造及其形态的高精度资料。
1：在城区进行重力勘探，初步了解奥陶系灰岩顶界面起伏情况
城区地层由老至新依次为奥陶系、石炭系中统本溪组、石炭系上统太原组、二叠系下统山西组、二叠系下统下石盒子组，其中煤层主要分布在太原组。阳曲城区岩石密度以煤层密度最低，一般在1.2-1.5g/cm3；其次为泥岩密度2.0-2.2g/cm3；第三系砾岩2.2-2.4g/cm3；而灰岩密度较高，一般在2.7g/cm3以上。由此可见，奥陶系灰岩与上覆地层之间为一明显密度差界面，为在该区进行重力勘探提供了解释依据。
利用重力仪，在障碍物处进行测试，发现楼房影响在40μgal，窑洞影响在25μgal，而由深部奥灰顶界面引起的异常值在3419mgal～3425mgal。这与有效异常的反映相比微乎其微。因此可见，建筑物和窑洞的影响可以忽略不计。
2：利用电磁法补充性勘探，确定奥灰顶界面的埋藏深度
CSAMT(可控源声频大地电磁法)采用可以控制的人工源，通过一定长度的导线连接到两个接地的电极上，将交变电流供入大地(如图3所示)发射。对水平分层大地来说，发送的为TE、TM混合型波。在离场源适当距离r(极距)处观测源所激发的电磁响应(如图4所示)，通过对这些带有地质信息的资料分析解译，判断地下地质结构。高频对应浅部，低频对应深部。它具有工作效率高、勘探深度大、分辨能力好、装置灵活，施工方便参数多，受地形影响小，穿透高阻层能力强等优点。
CSAMT法沿用了MT法的卡尼亚公式。通过在远区观测一对正交的电场分量和磁场分量，求二者之比(称为电磁波的阻抗)，由此得到均匀半空间大地的电阻率
式中，ω为频率，μ为大地磁导率，Er与分别为正交的电场分量和磁场分量。
用电场分量|Eφ|定义的视电阻率公式为
式中，Ia为水平谐变电偶极子，r为极距。
在远区场情况下，不管是按卡尼亚比值法还是单分量法，定义的视电阻率对同一地电断面的所有频率测深曲线基本上都一样。但是，由于采用人工源激励形式，不能保证所有的测深数据都处于远区，当低频数据处于近区时，视电阻率数据失真，不能反映深层的地质信息。
根据电磁场理论，当场源建立后，电磁场分布在地下的任何一个深度范围内。但是，为了方便起见，往往需要定义电磁场深度。利用电磁波在大地介质中传播的趋肤效应，即由不同频率电磁波在地层中的趋肤深度不同来确定探测深度。
趋肤深度计算公式为：
式中：ρ1表示地层电阻率，f表示工作频率。
然后，在城区外围(如图5所示)，电磁干扰相对较小，采用电磁测深方法进行探测，形成电磁视电阻率断面图，利用含煤构造与围岩的电性差异，在视电阻率断面图上对城区基底灰岩的产状特征、含煤构造特征等进行补充性估计，并根据电磁成果给出含煤构造的进一步补充性的地质信息(如图6所示)。
3：利用地震方法对典型剖面进行勘探，精细查明基底起伏
地震普查勘探是在重力勘探、电法勘探基础上进行的，地震布置1000m×2000m的测网覆盖全区。本着主测线尽量垂直地层和构造走向，联络线与主测线垂直的原则将NW方向的测线定为主测线，线距1000m，NE方向的测线为联络线，线距2000m。地震数据采集采用可控震源激发，DFS-V型及相应的配套设备接收，使用自然频率60HZ检波器；采样间隔：1ms；记录长度：1秒；前放增益：28；记录格式：SEG-D；记录密度：1600；可控震源设备驱动量：40％；扫描长度：14秒；扫描频率：12-110HZ；扫描类型：非线性；非线性补偿系数：0.15dB/HZ；垂叠次数：单台12次，双台5-8次。地震勘探共完成测线20条，合格物理点7263个，剖面长131.93km。
资料处理着重在静校正、速度解释、改善处理、特殊处理、VSP资料处理等关节环节进行了重点关注、分析、研究，取得了高品质的处理成果。
通过地震勘探，进一步控制了区内构造，进一步确定了奥灰顶界面深度(详见图7)。不仅可以确定了奥灰顶界面深度，而且还可以确定奥灰顶界面以上的煤层地质信息。
以过以上方法综合，圈定了9号、15号煤层的分布范围(详见图8)。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。
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