发展过程
(一)1949年以前
国人从事煤矿地质调查者众多。据《中国煤田地质勘探史》的记载,1949年前煤矿物探只有顾功叙、张宏吉于1942年在云南昭通褐炭田开展了电法探测,无其他国人进行物探工作的记载。
日本人在侵华期间曾在辽宁、河北、山东、安徽等省的贾汪、开滦、淮南、新泰等煤田进行过地震勘探,在淮南煤田的大通至洞山根据地震结果还打到了煤层。
(二)1949~1957年创建和初显效果
1949年10月,成立了燃料工业部,煤矿的地质勘探工作陆续开展。这一时期主要在老矿区进行工作,三年的国民经济恢复时期主要任务是为老矿井的扩建和部分新建矿井而进行勘探,煤的生产能力达到7131万t。这一期间没有进行物探工作。
自1953年起,开始第一个五年计划,国家对煤炭的需要急速增加。新成立的地质部和燃料工业部共同开展煤矿普、详查。燃料工业部重点在扩大老矿区,寻找新矿区;地质部重点地区是在拟新建铜铁基地附近。国家要求五年内能获得上百亿吨煤炭储量。
1954年初,地质部组织了首批煤田物探队在渭北、桌子山、平顶山开展工作,所采用的方法是重力、电法。燃料工业部在1954年开始组建电法队,1955年8月前往淮北、淮南煤矿工作。1955年9月,煤炭工业部(1955年7月撤销燃料工业部,设立煤炭工业部)的煤田地震队开始工作。
在学习原苏联经验的基础上,地质部和燃料工业部地质勘探局分别于1953年开始了煤矿测井的筹备工作。1954年5月,地质部的煤矿测井队在河南平顶山首次完成了煤矿测井试验,取得了好的效果,相继在各地开展了测井工作,并成为煤田勘查工作的必要环节。燃料工业部派人去玉门油田和平顶山学习测井;1954年9月,该部在河北峰峰煤矿成立了测井试验站。
在此期间,地质部在华北平原(河北、山东、江苏、安徽等省平原区)开展石油物探的同时,提出了若干含煤盆地(主要是复背斜中的向斜区),为在覆盖区找隐伏煤田提供了构造背景,例如淮北、豫东、唐山、蓟玉、沧县等地区的可能含煤盆地。地质部的有关队还在淮北几个煤区专门开展了电法圈煤盆地的工作。地质部在辽宁、河北、山西、河南、安徽、江西、湖南、四川、贵州、云南、内蒙古、陕西、甘肃、新疆、广东等老矿区开展勘探时,除少量地面物探工作外,进行了大量测井工作,主要是在山西两渡—义棠、重庆中梁山—华蓥山、内蒙古桌子山、江西丰城—乐平、新疆阜康、甘肃阿干镇及景泰、宁夏平罗、湖南湘中、贵州水城的大河边和小河边、云南曲靖羊场及永仁宝鼎等地,在判定煤层、确定深度及厚度,测量钻孔倾斜和方位等方面发挥了重要作用。
在这一阶段,煤矿物探工作有许多发现和结果当时就得到验证,发现或扩大了煤田。例如,煤炭部的物探人员在辽宁铁法、河北蓟玉、内蒙古伊敏、山东济宁、江苏九里山、安徽淮北、临焕、涡阳煤田和煤矿,地质部的物探人员在淮北的闸河、蒋河进行工作后发现和扩大了这些煤田。有的是这一时期开始了工作,而后才验证发现和扩大了煤田。
此期间所用的重力和电法仪器,多为原苏联和瑞典制造的;地震仪有民主德国的Askania-24型和原苏联CC-51型。测井仪是原苏联半自动测井仪和石油仪器厂、地质仪器厂的测井仪,主要是三条曲线的电测井,而后又发展了电流测井、激发极化测井。
这一时期煤矿物探处于边学习边工作阶段,在发现和扩大隐伏、半隐伏煤田及测井划分煤层方面已显示出其优越性[1~5]。
(三)1958~1965年大发展和调整扩大应用效果
随着煤田地质勘探工作转向平原掩盖区找隐伏煤田,煤炭工业部与地质部大力进行发现新煤田的普查。在这一阶段地质勘查队伍下放到省,物探队伍有了很大发展。以煤炭部门为例,地震队由1957年的3个队增加到1959年的9个队,1961~1962年还达到13个队;电法队在1958年达34个,1960年达56个;测井在各勘探队均有分队或组。
1958~1960年,煤炭工业部所属队伍,因地制宜地运用电法、地震、测井等方法配合钻探取心,发现并探明了一批隐伏煤田,如辽宁沈北、康平三台子、沈南红阳,黑龙江集贤、宝清梨树沟,山东肥城、济宁、汶上、曲阜、运西,安徽宿县、潘集一谢集,江苏丰沛,河北邢台、蓟玉,内蒙古霍林河,吉林梅河,甘肃红水等。
1959年,地质部召开了缺煤省、区煤田地质工作会议,确定大力加强缺煤省区的煤田普查。
1958~1965年期间,地质部的物探队伍配合地质工作在全国各地开始了大量的物探工作。一类工作是以电法、重力法为主,个别曾采用地震方法,圈定可能含煤盆地及其中的含煤层位,除东北外几乎涉及全国各省区,特别在南方缺煤省份开展了大量工作。在河北蔚县煤田、河南永城煤田等地所进行的地面物探工作,为圈煤盆地起到重要作用。另一类工作是有效地在各煤田地质工作区的钻孔中进行了测井,为发现煤层、探明储量作出了重要贡献。自1960年以后,钻探工作量大减,测井工作也随之减少。
1964年,为三线建设需要煤炭部在贵州六盘水、宁夏贺兰山、豫西等地区,地质部在云南永仁宝鼎、四川渡口、贵州水城、四川芙蓉山和华蓥山、青海格尔木等地区的煤田勘探会战中,测井工作配合钻探发挥了重要作用,在了解构造、追踪煤系地层和解决水文地质问题方面提供了重要依据。
1965年,国务院曾通知地质部不再担负煤田勘探工作;但南方缺煤省的地质工作及相应的测井工作均未停止,如福建闽西、云南富源县老厂、四川兴文县先锋等矿取得好效果。
这一阶段的方法和仪器与前一阶段基本相同,国产仪器比重增加。地震从以折射法为主转变为以反射波法为主。电法的应用除解决构造问题外,还开展了探老窑采空区、岩溶、古河床,用自电法探无烟煤层,用激电法探浅覆盖下的煤层露头位置,自电和磁法探煤层火烧区。测井方法由常规电测井法外,增加了核测井法(自然伽马、散射伽马)、井温测井等方法的综合测井,使用全自动光点4笔记录仪[1~6]。
(四)1966~1977年 困境中三线会战 在勘探中发挥作用
由于“文化大革命”的开展,以及机构的多变,管理薄弱,地质勘查工作受到严重影响。为了贯彻“准备打仗”、“三线建设”及“扭转北煤南运”、“集中力量打歼灭战”的一系列方针,煤矿物探人员克服了种种困难,还是取得了一批找矿成果,特别是在一系列煤矿勘探会战中地面物探和测井发挥了重要作用。主要工作是在河北邯邢煤田,内蒙古霍林河、伊敏煤田、元宝山煤田,江苏徐淮煤田以及后期的河南永夏(永城-夏邑)煤田等。湘赣煤田会战虽然调动了很多力量,历时三年,因成煤地质条件不利致使收效不大。其余会战主要是为了尽快取得工业储量,多属勘探工作;物探的作用是减少了钻孔,提高了所打钻孔地质柱状图的质量。
在这一阶段,煤炭部门地震队达到20多个,并开始了模拟磁带地震仪的研制。将多次叠加技术用于煤矿是在1976年;电法队为24~31个,并研制成电磁频率测深和相应的仪器,还开展了钻孔和坑道无线电波法和仪器的研制。测井方法增加了侧向测井法、声波速度测井法,开始使用静电显影记录仪[1~6]。
(五)1977~1990年 改革开放 技术进步 科学找煤 精细勘探
在改革开放方针指引下,煤炭工业步入健康发展阶段。在地质勘探工作方面的部署更注重科学性,调整了布局,强调采用经济技术合理的勘探方法,重点开展一些地区的勘探会战;注意了煤田地质研究和聚煤规律的总结,开展了第二次煤田预测。
1977年,国家地质总局部署了为江南9省、区地方用煤的煤矿勘查工作,但仅在福建有较好的成果。
1979年起,煤炭部门调减了湘、粤、鄂、陕、苏的力量,加强了两淮、兖州、开滦、山西、豫西地区工作。在预测基础上用物探、遥感加钻探验证方法发现了内蒙古陈巴尔虎旗、乌尼特,云南昭通等一批隐伏煤田。
自20世纪80年代以来,煤炭部门发现和勘探了陕西彬县、神木,河南登封,内蒙古东胜,黑龙江绥滨等一批重要煤田,特别是内蒙古东胜-陕北榆林、神木大煤田储量达上千亿吨。这些工作中物探工作,特别是其中测井工作为精细探测构造、煤系地层、划分煤层等方面起到了重要作用。
1982年,全国煤矿地质工作会议后,地矿部加强了富煤省份的测井工作,队伍又有扩大,技术水平也有提高,21个省区新增了综合测井站。
1982~1987年,地质部门分省开展了煤炭资源远景调查。工作中充分运用已有的物探资料圈定盆地,估计煤系地层的埋深及厚度,经过少量钻探验证和地质资料分析,发现和评价了新疆、内蒙古、陕西、山西和四川等地的煤盆地及煤田。
这一阶段,由于大量新技术的引进,物探技术有了很大提高。首先是通过引进和自制,煤炭部门和地质部门的地震、测井实现了数字化;我国煤炭部门研制的电磁频率测深技术得到推广应用,引进的其他电法设备投入使用;重磁的工作精度也有较大提高;高分辨率地震技术的应用,使解决地质问题的能力上了一个台阶,在煤田精查中逐步实现了“以震代钻”。1982年以来,地质部门在河南永城煤田用高分辨率数字地震技术较早开展了精查,探测埋深为1000m左右的煤层,并发现薄煤层及小断距断层[10]。1982年,中日合作在安徽淮南煤田刘庄井田用高分辨率地震查明了小断距断层及覆盖下的煤层露头,显示了物探在勘探精查中的突出作用。此后,在我国东部平原区煤炭勘查中普遍采用了这样的技术,从而放稀了钻探网,降低了成本,缩短了勘探周期。中子-中子测井、选择伽马-伽马测井、超声成像测井、流量测井、三侧向测井等一系列方法用于实际工作,测井记录完成数字化,研究和配置了测井仪器刻度。地矿部门用数字测井技术,曾在山西河曲沙坪煤矿的精查中取得了地层产状、中子-中子等新的测井信息,并开展了煤层对比、原煤灰分、沉积环境、煤岩强度以及煤田储量计算等方面的研究[1~6]。
(六)1991~2000年服务井田建设在调整中进步
进入20世纪90年代,我国原煤产量突破10亿t,资源量处于世界前列。已探明的储量很大,但在20世纪90年代初可供建井的精查储量不足。物探围绕求精查储量而进行了地震和测井工作。为了满足机械化综合采煤建井需要,要求用高分辨率地震技术解决10m落差或更小的断层。1991年,原国家能源投资公司要求“凡列入计划建设的基本建设矿井项目,有条件的一律补做地震工作……在地震工作没有完成之前,不准进入采区施工……”。规定所需经费经过审定后纳入矿井的总预算。因此,煤矿物探进入了将高分辨率地震勘探用于煤田建设采区的新时期,把煤田地震勘探从资源勘探扩展到基建和生产矿井的采区勘探。1994年,国家开发银行进一步规定“今后凡需贷款建设的新矿井,有条件进行地震勘探工作的,必须安排采区地震勘探,提高对小构造的控制程度;有条件的矿井均要进行三维地震勘探,否则不予评审”。矿井物探的工作开始按市场机制运作。煤田地质总局大力推动采区地震勘探,1993年起引进了先进的多道数字地震技术,在1998年10月专门召开了“全国煤矿采区地震经验交流暨成果发布会”。经调查,101个矿164个实际采区的井巷开采对地震推断的结果所进行的验证表明,地震地质条件较好的地区的吻合率达80%以上;地震地质条件较差的地区的吻合率也在70%以上。三维地震对煤层底板误差、可探测到的断层落差均较二维地震更小[7,8]。
这一阶段煤矿物探工作主要在配合勘探和井田建设,新发现较少。近3~5年由于煤炭开采量相对稳定,煤田地质工作的规模相对减小,煤矿物探工作也大为缩小。近2年来因管理机构和体制的变动,煤矿物探工作正处于调整时期。方法技术方面以高分辨和三维地震为代表的技术形成生产力,并达较先进水平。地下物探方法进一步得到应用,例如井间、巷道间无线电波法,巷道中开展槽波地震勘探。煤田测井逐步形成系列,主要是伽马测井、伽马-伽马测井、侧向测井、声波测井等方法,测井方法技术向多种测井方法的成像技术方向发展;还研制了中子俘获伽马能谱测井,这为测定某些元素迈出一大步[5,7,9]。
在人才培训的基础上,我国各部门相继组建了首批专业物探队伍。到1961年底,我国物探应用领域已经涉及到国民经济的各个有关方面。不仅地质和石油部门物探队伍已初具规模,煤炭、冶金、核工业、水电、铁道、建材、化工等工业部门也都发展了自己的专业物探队伍。
在原苏联专家的直接帮助下,经过1953年在白云鄂博进行的试验,1954年8月地质部组建了第一个航空磁测队(101队),并在河北承德地区开始工作。1955年,地质部三局成立后,即组建了铀矿地质大队和航空物探测量分队,开始了我国航空放射性测量。同年,也开始了我国的地面放射性测量工作。石油部门在1951年组建了第一支地震队后,地震队伍迅速发展,到1957年已经达到22个。地质、冶金和煤炭部门也相继在1954和1955年成立了各自的第一个地震队,1957年地质和煤炭部门已分别拥有6个和3个地震队。
1953年铁道部西北设计院在宝成铁路勘测中首次应用了物探方法;燃料工业部水力发电总局北京勘测设计院在1954年开始筹建第一个物探队。
1955年,农业部农田水利局也开始组建勘查地下水的物探队伍。
地质部门于1954年5月组建了第一个煤田电测井队,在河南平顶山矿区投入工作;同年煤炭部门也开始了煤田测井队的组建。由于煤田测井的地质效果十分明显,到1955年底,煤炭部门的电测站很快就发展到10个。20世纪50年代末全国各省区都建立了煤田测井站(队)。有些矿务局的地质队相继建立了测井管理机构,测井方法在煤田地质系统得到了普及[6]。
我国的海洋物探工作始于1958年,当时主要是进行海洋油气普查和方法试验。石油部北京石油科学研究院与广东省燃料厅在莺歌海海域开始了重力、磁法和电法调查;中科院、地质部和石油部共同组织了试验队在渤海进行地震方法试验。1959年大庆油田勘探取得突破性进展后,海洋油气勘探更是倍加受到重视。1960年5月,地质部在天津塘沽组建了渤海综合物探大队[7]。
油页岩矿层与煤层的产出,存在两种情况,一是与煤层伴生,两者的层位相近;二是煤层减薄,油页岩层独立产出。由此,油页岩的地球物理特征及勘查方法技术亦可分成两种情况来讨论。
5.1.1.1 与煤层共生时油页岩的地球物理特征与勘查方法技术
我国的煤田物探,始于1941年在开滦煤矿开展的地震折射法试验。1953年原燃料工业部地质勘探局开始组建测井队、电法队、地震队、重磁队,其分布于全国各省(区)的煤田地质局,利用物探方法开展大面积普查找煤、老矿区外围及隐伏地区的找煤工作,并取得了显著的成果(方正,1994;孙文涛、方正,1997;岳正喜、刘江,2007),煤田物探技术趋于成熟,也为油页岩的勘探提供了物探方法技术。
(1)物性与测井
煤与围岩的物性差异,是煤田物探有效果的基本地球物理前提之一。而这种条件,常通过对测井数据的统计获得。现举两例给予说明。
A.淮南煤田
彭苏萍等(2004)通过岩心分析与测井资料的统计,提供了淮南煤田含煤地层岩石物性参数特征(表5.1)。煤与围岩(泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、砂岩)相比较,可见与煤的密度、纵波速度与横波速度均较低,由此可知,如果煤层埋藏深度与厚度相宜,基于密度差异的重力勘探方法与地震勘探方法理应具有效果。
表5.1 淮南煤田含煤地层岩石物性参数特征
(彭苏萍等,2004)
B. 松达煤田
李宝华(2009)利用测井资料总结了松达煤田的物性特征(表5.2),并总结了测井曲线的典型特征(图5.1)。煤层比碎屑岩质围岩(泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩)具有较高的电阻率,但比碳酸盐岩质围岩(灰岩)具有较低的电阻率,在电阻率测井曲线上煤层具有较高的电阻率;煤的密度与自然伽马值均比围岩低许多,在自然伽马测井曲线上煤层对应较低的自然伽马值。据此物性特征,可较为准确地进行测井曲线的煤层解释(图5.2)。
表5.2 松达煤田常见煤、岩石物性统计表
(据李宝华,2009)
图5.1 煤层典型测井曲线
各煤田的物性特征不同,但一般情况下,煤层的密度、弹性波速度低于围岩,而电阻率高于围岩。煤田物探实践也证明,重磁勘探、电(磁)勘探及地震勘探是煤田物探中常用的方法。
(2)重磁勘探方法技术
重磁勘探方法技术在煤田的主要应用是开展1:5000~1:200000的扫面工作,以普查的方式圈定与煤相关的构造、盆地,了解岩浆岩、煤系地层的大致分布。具有许多典型的例子,如在徐州市铜山县确定含煤构造、圈定辉绿岩体(袁照令等,1999)、高精度磁法在邯郸市北李庄井田寻找火山岩层下煤层(朱自强等,1998),均获得了成功。
(3)电(磁)法勘探方法技术
电(磁)法在煤田物探中的应用十分广泛。在煤田地质填图、寻找煤层时均常用,但针对不同的地质目标,所采用的方法技术不同,见于表5.3。
图5.2 煤层测井曲线的解释
表5.3 煤田电(磁)勘探方法及使用
(据方正,1994,经改编)
(4)地震勘探方法技术
煤田地震勘探,已成为煤田地质精查的重要手段,主要用于解决煤层的构造地质问题(方正,1994)。高精度三维地震勘探,已可提供千米以浅的范围内尺度(如煤层厚度、断裂断距等)为数米至半米以内的地质体,如在河南周口地区的应用(邓国成,2006),见图5.3。
图5.3 河南周口地区深部地震在找煤中的应用(据邓国成,2006)
煤田地震勘探之所以效果良好,是基于煤与围岩具有明显的密度、弹性波速度的差异,在煤层界面上形成高幅值的反射波阻抗。
5.1.1.2 煤层减薄到油页岩单独产出时的地球物理特征与勘查方法技术
油页岩与煤共生,也存在着过渡的情况。如煤层与油页岩层相比,煤层渐薄,过渡到“无煤带” 时,以油页岩的存在为主,煤次之。过渡到真正的“无煤”,则只有油页岩的存在。
“无煤带” 系指煤矿区中煤层缺失或变薄致使煤层不可采的地带或条带。此时,变薄的煤层其物性对地球物理场的响应较弱,煤层的近围岩如页岩、泥岩、粉砂岩物性响应相对强烈,表现在弹性波上,变薄煤层的反射波振幅变弱,出现反射波振幅异常。一般情况下,可用弹性波方法高精度地确定煤层厚度的变化。
赵士华与吴奕峰(2004)提供了一个“无煤带” 勘查的例子——辽宁康平煤田的“无煤带” ——“无煤带” 常由断裂造成,断裂带的上部为油页岩,而油页岩的产状与断裂面一致(图5.4)。因此,在 “无煤带”,其地球物理特征部分反映了油页岩的地球物理特征。
通过 “无煤带” 构造的数学模拟,反映出 “无煤带” 中出现明显的反射波阻抗异常(图5.5)。实际地震勘探中,T2反映煤层,但T2在各处存在振幅异常,可能是煤层变薄、油页岩层变厚的反映(图5.6)。
康平煤田 “无煤带” 的弹性波阻抗异常,反映了油页岩亦可引起波阻抗异常,但与煤层相比,油页岩引起的波阻抗异常幅度可能较弱。
图5.4 康平煤田 “无煤带” 构造示意图(据赵士华等,2004)
图5.5 “无煤带” 构造数学正演模拟结果(据赵士华等,2004)
图5.6 康平煤田T2阻抗反映煤层与油页岩层的可能变化(据赵士华等,2004)
综上所述,煤层与围岩存在明显的密度、弹性波速度、电阻率、磁性差异,煤层具有形成低重力、低磁、强幅值反射波阻抗、高电阻率等异常的地球物理特征,可在普查阶段使用重力、磁法勘探初步确定煤盆地的构造及煤系地层的空间分布,可在详查阶段使用电(磁)法、地震法精细确定含煤岩系的构造及形态。
与煤共生的油页岩,也可参考煤田物探的方法技术,进行油页岩的勘查。
1.油气物探工作大规模展开和大庆油田的发现
开展大规模经济建设首先要解决能源问题,我国能源中最为突出的就是石油资源问题。新中国成立时,我国只有玉门等地的一些小油田,年产量仅12万t。对于中国境内石油天然气的潜力,说法不一,多数国外地质家的看法比较悲观。日本侵华期间,其地质人员也曾在我国东北地区进行过调查,在阜新等地还进行过钻井采油的活动,其基本结论也是否定的。建国伊始,中央领导同志对此问题十分关切并采取了有关措施。1950年,在新疆与原苏联合作成立中苏石油股份公司。石油工业部门为在甘肃、陕西、青海、新疆、四川展开油气勘探,积极发展物探队伍。自1951年建立第一个地震勘探队以后,到1958年地震勘探队已经超过20个。1953年底,毛泽东、周恩来曾与李四光研究过中国是走人造石油还是走天然石油的道路问题,李四光及其他一批我国地质学家坚定认为在中国发现大油田是有希望的。1954年底,国家做出重要决定,即从1955年起,我国石油勘探工作由燃料工业部、地质部和中国科学院三家共同承担。地质部承担油气普查和部分详查工作,中国科学院承担科学研究工作,燃料工业部继续加强构造细测和钻探工作。为此,1955年1月地质部在北京召开了第一次石油普查工作会议,决定成立五个石油普查大队,并相应抽调物探力量组成611队(准噶尔)、303队(四川盆地)、112队(松辽)和205队(柴达木),协同石油普查大队工作。1955年,地质部决定在松辽和华北平原部署大面积的重力、磁法和电测深调查。1956年初,中苏航磁合作队成立,其中104队立即投入松辽和华北平原1:100万石油航磁工作。航磁和随后进行的两个盆地的1:100万重力测量结果明确显示松辽和华北均为大型沉积盆地。重力和航磁圈定了盆地边界和盆地内部大地构造单元的基本格局,说明这两个盆地都有良好的找油气前景。1957年底地质部作出油气普查工作战略东移的决定。1958年初,根据中央领导同志的指示,地质部和石油部领导又共同商定把松辽盆地作为战略东移的主战场,提出要“三年攻下松辽”。接着两部均抽调一批地质和物探力量向松辽、华北等大盆地集中,一场规模空前的油气物探普查工作,在我国东部地区各大沉积盆地有计划地展开,很快为我国东部地区油气资源的区域远景评价提供了重要基础资料。
松辽盆地的石油物探工作,一开始就是从全盆地着眼,系统规划,分阶段、有步骤进行的。由于勘探部署合理,仅仅用了四年多的时间,在1959年9月中华人民共和国成立10周年前夕,大庆油田的第一口发现井——松基3井喷出了原油。大庆油田的发现,在我国石油地质勘探史上具有里程碑的意义,对我国石油物探,乃至整个物探工作的发展也都产生了重大的影响[13]。
松辽平原面积逾26万km2,几乎全部为第四系所覆盖。能在如此短的时间内,从一个地面没有任何油气苗显示的情形下,很快地找到巨型油田,绝不是偶然的。当然,这首先是由于战略选区的准确,地质和物探工作的密切配合发挥了重大作用。从物探工作本身而言,从实际出发,根据松辽盆地的具体条件,合理部署和灵活综合应用各种物探方法则是一项重要经验。事实证明,我国的石油物探事业正是由于认真总结了大庆的勘查经验,并在以后的华北、下辽河、江汉乃至全国各盆地的勘查实践中给予推广和发展而成长壮大的。大庆油田发现中的物探工作经验十分丰富,可归纳为以下几点。
1)充分发挥物探在油气区域地质普查中的先行作用,快速评价盆地的油气远景。
2)根据盆地的实际地质条件,合理运用综合物探方法,及时圈定有利油气聚集的二级构造带。
3)合理使用地震勘探详查局部构造,尽快实现油气发现井的突破。
4)遵守科学的勘探程序,地质和物探有机结合[14]。
在松辽盆地取得油气突破的鼓舞下,全国油气勘探加速发展,尤其是华北、四川及江汉盆地的工作发展更快。这些盆地均为大面积覆盖地区,必须全面进行系统的物探工作。在数年物探区域调查和地震普查的基础上,1960年冬,地质部和石油部在天津举行华北油气勘探的两部会议。会上根据物探资料,在济阳和黄骅凹陷确定了六个突破口,将经地震勘探确定的济阳凹陷的东营构造作为参数井华8井的首选地点,由石油部进行钻探。会议结束不到半年,1961年4月,在该井老第三系的地层中发现油层,实现了华北地区的找油突破,掀起了我国中东部地区油气勘探的新高潮。
2.煤田物探效果显著,发现一批隐伏煤田
煤炭是我国主要能源资源。新中国成立后,大规模经济建设急需寻找和开发新的煤炭资源,其中用于冶金的炼焦煤更为迫切。地质部于1954年组建了首批煤田物探队在渭北、桌子山、平顶山配合煤田地质队进行工作。当时主要使用了电测深方法,普遍取得明显效果。同年,地质部还组成了第一个测井队在平顶山配合煤田地质勘探进行煤田钻孔的测井。煤炭工业部门在1954年8~9月成立了专业的煤田测井试验站,在峰峰矿区进行生产试验,取得了成功。1955年4月燃料工业部煤矿管理总局组成了第一个地面电法队,在开滦矿区进行野外试验。同年9月,该局组成了我国第一个煤田地震队。这一时期的煤田地质调查任务主要是扩大老煤区和发现新煤田。使用电法一般能够取得有效追踪煤系地层、发现断层和了解盆地构造起伏的资料,使地质预测更为准确,提高钻探命中率。由于合理运用了地质和地球物理的综合勘探,这一时期发现了许多新的含煤盆地和重要煤田。如1956年,在河北开滦煤矿外围湾道山和车轴山用电测深法发现了新含煤区,其中仅东欢坨和新军屯两处储量就逾8亿t。1957年,又在全覆盖的蓟县-玉田地区发现了林南仓、下仓含煤向斜,经地震勘探证实和钻探验证,该地成为我国首次用地震折射法与电法、钻探相结合而发现的新煤田。1955年11月,华东煤田地质勘探局的华东电法队在淮北平原蒙城至宿县一带进行了大面积1:20万电测深普查,1957年提交的“安徽省蒙城宿县地区电法勘探工作报告”,全面揭示了4500km2范围内被掩盖的地下煤系基底起伏形态,为缺煤的华东地区找到了淮北煤田这一重要煤炭基地。20世纪50年代后期煤炭部门开始了综合地质勘探会战,实施地质普查、物探、钻探相结合的勘探方法,大大加速了勘探速度,在辽宁、山东、黑龙江、安徽、江苏、河北、内蒙古等地发现了一批重要的煤炭产业基地[6]。
3.开展放射性方法普查,找到了第一批铀矿
放射性测量是最直接的铀矿勘查手段。我国从1955年开始铀矿勘查,使用了航空和地面放射性测量方法。我国的第一个大铀矿就是在1955年租用原苏联的安-2飞机,使用原苏联的航空伽马测量仪在湖南郴州发现的。1957年航测又在华东发现了我国最大的相山铀矿。地面伽马普查则在广东发现了下庄铀矿,在云南发现了腾冲铀矿。物探在其发展初期就为我国的核工业和国防事业做出了巨大贡献[15]。
4.金属与非金属物探在发现新矿山中发挥了重要作用
新中国成立后,迫切需要大量铁、铜、铅、锌等金属矿产和相应的非金属、化工原料。地质和冶金部门的首批物探队就是围绕着鞍山、大冶、铜官山、白云鄂博和黄沙坪等老工业基地,用磁法和电法开始工作,得到锻炼并取得成功的。
1954年地质部物探工作会议以后,金属矿物探工作将主要力量放在新区的普查及老矿区外围扩大上。这一工作部署上的战略性转变,使物探工作效果有了明显提高。在发现新矿产地方面,航空和地面磁测取得了明显的效果。在四川地区发现了红格、白马等大型—特大型钒钛磁铁矿,在河南舞阳、江西新余发现了新的磁铁矿区。1957年前,物探还在发现河北寿王坟铜矿、湖南黄沙坪铅锌矿和甘肃小铁山铅锌矿的工作中发挥了重要的作用。
我国许多大型铁矿是在“大跃进”这一时期中发现的,其中包括山东淄河和苍峄、莱芜,湖南祁东,新疆天湖,安徽霍邱,江苏梅山等著名大型铁矿。在铜铅锌多金属矿方面,发现的大型矿山有安徽狮子山、西马鞍山,湖北铜录山,江西城门山,湖南七宝山,广东阳春石菉,青海铜峪沟等铜矿,吉林红旗岭铜镍矿,江苏栖霞山、广东大宝山和青海锡铁山等铅锌矿。在非金属矿产方面,物探方法开始应用于黄铁矿、石墨和金刚石、压电石英等国家急需的特种非金属矿产的普查,并取得了一定的成果。
由于我国金属矿地质条件的特殊性(地质构造复杂,矿石成分多为复合矿,单一富矿少),往往需要综合使用多种物探方法才能更加有效。我国开始研究开发适合于我国地质条件的物探方法及其组合,并由此逐步形成了具有中国特色的物探方法系列。为了提高物探普查金属矿产的效果,普遍重视了多种物探化探方法的综合使用。冶金部门提出了“大力推广地质、物探、化探三结合找矿方法”。地质部成立了综合普查勘探方法室,开展综合方法的试验推广;于1960年成立了综合物探大队,选择河北燕山地区进行系统的综合区域物探、化探试验,把区域性物探、化探工作与矿产普查工作相结合,以期达到面中求点、加快速度、提高效益的目的[16,17]。
5.水文和工程物探的应用范围迅速扩大
1950年顾功叙等曾经在北京官厅水库地区应用过物探方法解决与水库有关的水文地质问题,1952年起又在石景山地区为解决水文地质问题进行过试验。随着地下水资源勘查、水利工程以及铁路等大型基础设施勘察的需求不断上升,物探方法在这些应用领域也很快得到各方面的重视。从1953年起,地质部物探队伍先后承担了宝成铁路路基、三门峡坝址勘查工作。1956年在宜昌组成了工程物探队,对丹江口、三斗坪等国家重点建设的水库坝址进行勘查。燃料工业部水力发电总局和铁道部西北设计院从1954年起,先后组建了各自的专业物探队。农业部农田水利局也组建起勘探地下水的物探队伍。地质部及其他有关部门在华北和西北地区开展了找水的物探工作。铁道部从1956年起聘请原苏联专家帮助提高铁路物探技术,并在湘黔、成昆铁路的设计中应用了物探方法[18]。
这一时期是我国物探事业从无到有,从小到大的重要历史发展时期。在独立自主、自力更生和艰苦奋斗、奋发图强精神的鼓舞下,到1961年底,我国已经建立了初具规模的物探队伍。虽然这支队伍还很年轻,但技术水平不断提高,已经积累了一定的工作经验,在许多应用领域取得显著成效。从1959年起,还首次走出国门,援助越南、蒙古进行煤田测井、水利勘测等工作。
九里山煤田位于徐州市、铜山县及沛县境内,呈北东向展布,北与山东毗邻。向西南伸入安徽省,长约30公里,宽约18—27公里。陇海铁路横贯煤田南部,东南距津浦铁路约8公里,经微山湖可通京杭运河,区内公路成网,水陆交通都很方便。
该煤田包括坨城、庞庄、夹河、张小楼、张集、义安等6个中型井田和13个小型井田。成因类型属滨海泥炭沼泽沉积煤田和湖沼沉积煤田。含煤地层有:上石炭统太原组,下二叠统山西组和下石盒子组。分布于拾屯、闸河及马坡复式向斜中。含煤地层均被40—180米厚的第四系覆盖,属隐伏煤田,含煤地层平均总厚386米,含煤19—29层,总厚9.6—29.09米,平均厚12.56米。含可采和局部可采煤4—10层,厚5.75—12.38米,平均厚6.88米。山西组含煤性最好,含煤系数4.96%,含煤3—9层,厚3.53—8.71米,平均厚5.4米。可采煤1—4层,厚1.19—5米,平均厚2.7米,为薄层—中厚层煤。下石盒子组含煤性较差,含煤系数3.34%,含煤3—9层,厚2.4—5.04米,平均厚3.67米。可采煤2—3层,厚1.44米,平均厚2.71米,为中厚层厚层煤。太原组含煤性最差,含煤系数2.09%,含煤91—4层,厚2.85—4.33米,平均厚3.49米。可采煤1—3层,厚0.93—1.7米,平均厚1.47米,为薄层—中厚层煤。煤层以凝胶化物质为主,只有山西组煤层局部丝炭物质占54.2%。显微煤岩类型以亮暗煤为主,次为亮煤。煤质牌号主要为气煤,次为肥煤,少量贫煤、无烟煤。局部受岩浆活动影响变为天然焦。原煤分析含:水分0.84%—3.11%、灰分10.25%30.41%、挥发分32.70%—40.32%、发热量2.23—3.5千焦耳/千克,精煤含碳81.45%85.89%。下石盒子组为中—高灰、低硫煤,山西组为中灰、低—特低硫煤,太原组为低中灰、高硫煤。煤岩可选性一般较好,绝大多数为易选煤,少数为难选煤。可作良好的动力用煤、炼焦和配焦用煤。
在新中国成立后,对九里山西北广阔之平原曾引起一些地质学家的注意。在贾汪煤田全面勘探的同时,为寻找新的后备基地,华东煤田地质勘探局大力加强了区域普查。1955年底,华东煤田地质勘探局一二四队(原贾汪煤田地质勘探队,简称一二四队)普查分队技术负责人董玉林等,在分析了九里山地区地质构造后,认为九里山属于徐州大背斜的西北翼,九里山西北平原与徐州大背斜东南翼的贾汪煤田相对应,推论应有相同的煤田存在。1956年初,一二四队派出了司徒得、李懋典、李宗泰、温顺华等人组成的普查小组,到该地区开展1∶5万路线地质测量,在苏山头找到奥陶系灰岩,而且地层倾向北西,由南东向北西地层由老到新,推断向西北第四系之下有煤系地层存在。随即由一二四队主任工程师汪国栋率领谷声颀和司徒得等人到九里山进一步踏勘,肯定有进一步工作的必要。2月初派司徒得、朱哲、温顺华等人测制了三条地质剖面,从五个方面推测含煤的可能性,推断了掩盖区的构造形态,拟定了钻孔验证方案。与此同时,一二四队在萧县岱桥南施工一孔,于175.38米深处见到0.7米的下石盒子组煤层,其与九里山踏勘区属同一构造单元。2月下旬在踏勘区内布置了三条远景勘探线。一二四队工程师孙绍庚和郭宗泰、李懋典、胡信心、林学彬等,于1956年3月调集钻机,选择第三剖面为突破口,距杨山3500米布置了第一个钻孔(Q1号孔),在第四系之下见到了奥陶系灰岩,依据该孔推出含煤边界,向北2000米,施工了Q2号孔,结果见到太原组的第九、第十层煤(当时华东煤田地质局正在徐州开会,当唐朝信、李登华将Q2号孔见煤的喜讯向吕继业队长汇报时,局领导很高兴,表扬了找煤有功单位和人员),证实了九里山煤田的存在。随后Q3号孔和Q28号孔相继发现了下石盒子组和山西组的煤层,从而揭开了九里山煤田普查勘探的序幕,为江苏省煤田地质勘探提供了丰富的后备基地。为提高勘探效果,加速煤田勘探,吸收了苏联的经验,采用了物探与钻探相结合的综合勘探方法,在九里山煤田开展普查和勘探。华东煤田地质勘探局物探大队电法二分队姚多银、雷良荣、陈建国等,于1957年3月在九里山煤田全区开展电法(电测深法)普查,并选择有希望的地区同时进行地震勘探,1958年4月提交了《徐州煤田九里山区1957年度电法勘探资料(说明书及附件)》,推断了九里山地区的隐伏构造和找煤有希望的地段,给进一步挑选新勘探区提供了可靠的资料。在电法普查过程中所发现的张集地区一狭长高阻隆起构造,煤系可能埋藏较浅。1957年9月华东煤田地质勘探局徐州办事处(由原一二四队等单位合并组成,简称徐州办事处)地质组长王承义、林学彬等,布置了钻孔验证,结果见到下石盒子组和山西组的煤层,从而肯定了张集以南,陇海铁路以北为煤层埋藏较浅的地带(即后来勘探的张集煤矿)。而且进一步推断陇海铁路以南隆起部分,与张集隆起相连,也是一个找煤有希望的地段。
经过二年的普查找煤,大致圈定了含煤范围,部分地段达到了普查程度,并将九里山煤田自北向南划分为坨城、拾屯、义安等三个勘探区。为了加快勘探速度,尽快满足建井的需要,在“边设计、边勘探、边建井”的所谓“三大边”的方针指引下,采用普查、详查、精查一竿子到底的做法,对九里山煤田全区开展精查。1957年12月,徐州办事处三个工区的地质组长张富贵、王承义、李登华、郭宗泰、林学彬等,同时对拾屯勘探区及柳新(坨城勘探区南段)、张井(义安勘探区北段)、坨城(坨城勘探区北段)、张集四个矿区开展情查。1958年7月,江苏煤炭工业局一六九煤田地质勘探队(由徐州办事处所属队改编,简称一六九队)提交了《徐州煤田拾屯矿区精查地质报告》,8月提交了《徐州煤田坨城精查地质报告》及《徐州煤田张井矿区勘查地质报告》,9月提交了《徐州煤田张集矿区精查地质报告》。1958年7月又开始在张小楼矿区进行精查,10月对拾屯勘探区深部进行补充勘探,1959年4月提交了《徐州煤田张小楼矿区精查地质报告》,10月提交了《徐州煤田拾屯矿区深部补充勘探地质报告》。1959年4月,一六九队根据安徽省地质局三二五队提交的《闸河平原煤田第十、十一、十二井田详细勘探报告》中指出的:第十井田东北部(王门矿区)可能有串珠状的构造小盆地,还可能存在部分煤系的意见,在王门矿区布置了少量的钻孔验证,证明其与闸河煤田全部连成一体,因而开展精查,12月提交了《徐州煤田王门矿区精查地质报告》,扩大了矿区范围。九里山煤田经二年的精查勘探,共获得储量5.75亿吨,其中可供利用储量4.65亿吨。
1960年,江苏省煤炭工业局物理探矿队(简称煤田物探队)电法三队,技术负责人李世焕和王洪义、周光明,在坨城矿区进行电法详查,10月提交了《铜山县坨城区电法详查勘探资料说明书》,推定了矿区内两条主要断层的位置。
1962年4月,江苏省煤炭工业局技术委员会,根据地质部、煤炭工业部、冶金工业部、建筑材料工业部、化学工业部和全国矿产储量委员会联合发出《关于复审“大跃进”以来所提交的地质报告,核实储量的通知》,对1958年以来提交的地质报告进行了复审。根据复审决议和建井需要,按上海设计院所划分的井田范围,一六九队孙绍庚等对过去勘探程度不高的部分煤矿,全力以赴地进行填平补齐的补充勘探,同时对过去的勘探成果进行了总结。从1962年5月至1966年10月先后提交了《桃园煤矿地质勘探报告最终报告修改资料》、《徐州煤田东城、庞庄煤矿地质勘探最终报告补充资料说明》、《徐州煤田九里山矿区地质勘探详查报告》、《徐州煤田王庄煤矿地质勘探最终补充报告》、《徐州煤田九里山矿区拾屯井田地质勘探最终报告(精查)》、《江苏省徐州煤田张小楼勘探区精查地质报告》。安徽省地质局三二五队主任工程师石仁宜和吴丰洲、唐开建等,从1963年11月开始,对地处安徽、江苏二省交界处的吴庄煤矿进行补充勘探,1965年3月提交了《安徽省萧县、江苏省铜山县闸河煤产地吴庄(12)井最终勘探报告》。提交了储量4907万吨,其中可供利用储量4307万吨,至此,九里山煤田的补充勘探全部完成。
为“四五”计划期间在江苏省实现年产原煤1000万吨的目标,要求尽快提供大型矿井的地质资料,搞好老矿挖潜,查找新的煤田领域。1973年10月,江苏省煤炭地质勘探团物探营地震二队技术负责人牛树昌和顾志民、曹田奎等,以找煤为目的,在郑集地区(九里山煤田西部)进行地震普查。江苏省煤炭地质勘探团二、四、五营配合地震二队进行钻探验证,在大刘庄、李庄和马坡等地都发现了煤系和煤层,取得良好效果,从而进一步扩大了煤田的范围。1974年,江苏省煤炭地质勘探团改为江苏省煤田地质勘探公司,所属各营相继改为队。在郑集地区找煤取得重大进展的基础上,1975年,江苏省政府对全省煤炭工业和勘探布局作了统筹安排和调整,江苏省煤田地质勘探公司在徐州市建立了“徐淮勘探指挥部”,统一组织、领导工作,公司负责人魏绪玉兼任指挥,总工程师吴光荣任副指挥,组织江苏省煤田地质勘探公司二、四、五队(简称煤田二、四、五队)和煤田物探测量队地震二分队,首先在马坡地区进行勘探会战,在普查找煤的基础上,直接跨入最终勘探,1975年完成会战任务,提交了《江苏省马坡勘探区详查地质报告(最终)》。提交可供利用储量6863万吨,远景储量4001万吨。
在马坡勘探会战的同时,丰沛煤矿建设工程指挥部煤田地质勘探大队孙忠月、陈作福等采用钻探手段,于1974年底开始对大刘煤矿进行补充勘探,1976年8月提交了《江苏省徐州煤田大刘普查最终报告》,提交可供利用储量1054万吨。
马坡会战完成后,由煤田二队宋文瑞、苏显耀、王国忠等和地震二分队,采用钻探、地震相配合的综合勘探方法,继续在马坡进行补充勘探,在郑集地区普查找煤,同时对李庄井田(包括张集井田及安徽省境内一部分)开展情查,1978年12月同时提交了《江苏肯铜山县李庄井田详、精查地震勘探报告》和《江苏省铜山县徐州煤田李庄井田(精查)地质报告》,获得可供利用储量3亿多吨,远景储量756万吨。随后煤田二队又对李庄井田进行补充勘探,施工了19个钻孔。1981年10月,煤田二队提交了《江苏省铜山县徐州煤田马坡煤矿精查地质报告》,获得可供利用储量2054万吨,远景储量1370万吨。同年11月,地震二分队提交了《江苏省铜山县郑集地区地震勘探报告》。1981年6月对李庄井田西部再一次补充勘探,1983年10月提交了《江苏省铜山县徐州煤田李庄井田(精查)补充地质报告》。获得储量1.89亿吨,其中可供利用储量1.82亿吨。
在马坡煤矿李庄井田补充勘探期间,徐州矿务局地质勘探队鲍淀澄、李承文、周尚明等,采用钻探手段,对老矿区的深部进行补充勘探。1977年10月,对张小楼煤矿深部(包括柳新煤矿和坨城煤矿南部)进行补充勘探,1984年9月提交了《江苏肯徐州煤田张小楼煤矿补充地质勘探报告(精查)》,获得储量1.29亿吨,其中可供利用储量1.27亿吨;1979年8月开始对庞庄煤矿(包括东城、庞庄井田、抬屯井田及邓庄井田一部分)深部进行补充勘探,1982年12月提交了《庞庄煤矿补充地质报告》,获得可供利用储量15989万吨:1983年,在坨城矿区第三线西南14平方公里范围内进行补充勘探,1987年4月提交了《江苏省徐州煤田坨城煤矿补充勘探精查地质报告》,获得储量7213万吨,其中可供利用储量7039万吨。近10年的深部勘探大幅度地增加了九里山煤田的储量。
九里山隐伏煤田的发现,不仅是江苏省煤田事业的重大突破,而且推进了全国煤田普查工作的进展,为全国煤田事业做出了突出的贡献,在历史上占有重要的地位。自1956年初在九里山地区开展找煤,到1986年8月基本勘探完毕。投入钻探工作量70余万米。截至1991年底,累计探明储量9.79亿吨,其中可供利用储量9.38亿吨,建设大小矿井17个,设计年开采能力总计518万吨,已开采量(包括损失量)占累计探明储量的17.7%,成为江苏省第二个煤炭基地。
在普查勘探九里山煤田过程中,华东煤田地质勘探局测量队的任万忠和孟兆典,于1957年3月改进了投影埋石方法,将线投影改为板投影,提高了多风季节投影的质量,这一成果曾收入1958年《全国测绘技术革新成果汇编》中。同年华东煤田地质勘探局物探大队电法二队,首次采用电测深法,对九里山煤田的普查勘探发挥了很好的作用。对隐伏煤田采用钻探和电法相配合的勘探方法,是行之有效的好方法,取得了对隐伏煤田综合勘探的经验。1958年3月,华东煤田地质勘探局,在徐州召开先进经验交流会,介绍了九里山煤田的经验。提出开展“比学赶帮大面积红旗竞赛运动”,“放卫星夺高产”,使钻探效率显著提高,出现数十次台月进尺的高产记录,最高台月进尺5022.62米,大大地加快了勘探速度。1979年8月,煤田二队205钻机,在郑集K—25号孔施工中,首次采用绳索取芯钻进,加快了勘探速度。
1958—1960年期间,片面追求高速度,忽视质量,钻探质量低;过大放宽勘探网度,降低储量级别要求;违反勘探程序,采用“普、详、精查一竿子到底”和“边设计、边勘探、边建井”的方针;矿井改进方案变动太大,导致部分勘探工程布置和高级储量分布不合理;只顾短期急需,缺乏长远考虑,初期放弃了对太原组的勘探,以后又不同程度地犯了片面追求速度,忽视质量的错误。以上各种原因,造成同一矿区一再补充勘探,已经开工建设的矿井又停建或改建,造成极大的浪费。这是一个“欲速则不达”的深刻教训。