典型地質構造的三維地震波形特征及斷層的量化預測

魏 健 杜繼國

(淮浙煤電有限公司顧北煤礦分公司,安徽省淮南市,232001)

1 引言

顧北煤礦位于淮南潘謝礦區中部,是國家發改委批準的淮南潘謝礦區總體規劃中新建的礦井之一。顧北井田共有8層可采煤層,平均總厚達22.56 m,其中13-1#、11-2#、8#、6-2#和1#煤層為主要可采煤層,平均總厚20.25 m,地質資源量共有681054.4 kt,設計可采儲量286228.3 kt,設計生產能力300萬t/a,并預留600萬t/a的配套設施。

通過將實際揭露的地質異常現象(包括斷層、層滑及煤層變薄區)與三維地震時間剖面進行對比分析,對各種地質構造現象在時間剖面上的波形特征以及如何在時間剖面上確定斷面和斷層落差進行了詳細闡述,使斷層預測得到量化。以便今后更好地進行地質構造的量化預報工作。

2 典型地質構造三維地震波形特征對比分析

2.1 斷層在三維地震時間剖面圖上的表現形式

通過對大量實見構造與地震時間剖面的對比分析,認識了幾種斷層引起的時間剖面異常特征。一般來說,大中型斷層通常會引起反射波同相軸錯斷,由于斷層規模不同,表現為反射波組或波系的錯斷。由于斷層錯動引起斷層兩側地層產狀突變或斷層面的屏蔽作用易造成反射波同相軸產狀突變,時間剖面上出現空白帶。反射波同相軸出現分叉、合并、扭曲、強相位轉移、輔助波異常、反射波能量弱、波形異常、出現明顯的繞射波、斷面波等特殊波,這往往是由小斷層或其它小構造造成的。以上這些都是在時間剖面上識別斷層的標志。

(1)同相軸錯斷。煤層反射波同相軸發生錯斷,是斷層特別是大中型斷層在地震時間剖面上表現的基本形式,由于斷層規模的不同,可表現為波組或波系的錯斷。所謂波組是指由鄰近的兩個或多個反射層形成的反射波,而由兩個或多個反射波組構成的反射波系列則稱為波系。由于斷層面的屏蔽作用,在斷層下盤經常出現產狀突變、反射雜亂及三角空白帶等,這時斷層下盤的反射層中斷點或產狀突變點不能準確地反映斷層面位置,就要依據上盤反射標準層中斷點或產狀突變點來確定,一般來說,三角空白帶的斜邊即是斷層面。

至于斷層落差,在時間剖面上錯斷的上、下盤反射波同相軸垂直深度差就是斷層落差,計算公式為:

式中:△h——斷層落差;

△to——斷層上、下盤同相軸斷點時差。

圖1為1212(3)工作面帶式輸送機巷FS24斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖。圖1中T5反射波同相軸錯斷,斷層面向下傾方向水平偏移8.3 m,在時間剖面上斷層上、下盤錯斷點時間差為7 ms,計算時間剖面落差為6.3 m,與實見FS24斷層落差6.5 m吻合。

圖1 1212(3)工作面帶式輸送機巷FS24斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖

(2)同相軸分叉、合并、扭曲。發生反射波同相軸扭曲往往是小斷層引起的,但也要視具體情況具體分析,要根據反射波組特征結合地層巖性組合變化綜合分析,層滑構造及煤層變薄區同樣會引起反射波同相軸發生扭曲,有時僅僅是煤層產狀的變化也能造成同相軸發生扭曲。在時間剖面上,反射波同相軸的分叉與合并往往是由于斷層引起一盤煤層厚度變化或巖性組合發生變化造成的,當然,其它原因也能造成反射波同相軸的分叉與合并,但根據實際揭露資料分析,總是由于煤層變薄或巖性變化引起的。圖2為11-2#煤層下采區FS56斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖。其中,T4反射波同相軸發生分叉,同相軸分叉處與實見斷層下盤斷點較為一致,斷層在時間剖面中表現為同相軸的分叉與合并現象計算斷層落差較為困難,這是因為分叉處波形較亂。如果在距分叉稍遠處反射波趨于正常時認為是斷層一盤的正常煤層,這樣與分叉前正常反射波同相軸就有一個時差,可以視為該處與斷層另一盤的時差,據此可以計算出高差,再減去由于煤層傾角引起的高差即可認為是斷層落差。本例中同相軸分叉處與測點△23反射波正常時差為11 ms,再減去由于煤層傾角引起的高差3.6 m,這樣可以計算出斷層落差為6.3 m,與實際揭露基本吻合。

圖2 11-2#煤層下采區FS56斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖

(3)同相軸稀疏、零亂、輔助波異常。相距較近的兩個以上反射波組合在一起構成復合波。當地質結構較穩定時,復合波的干涉特征很少改變,容易識別,稱為“波組”,相鄰的穩定波組稱為“波系”。小斷層、煤層厚度的變化會造成波形、復合波甚至波組的異常,這些輔助波的異常是識別地質異常的標準。如圖3所示,11-2#煤層反射波同相軸僅稍有扭曲,反射波能量稍弱,僅從11-2#煤層反射波情況很難判斷有斷層或其它構造存在,但我們注意到T11的輔助波同相軸稀疏,波形異常,可以推斷該處存在構造,實際揭露該處斷層落差達4.3 m。

圖3 北一(11-2)上采區帶式輸送機上山FS109斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖

2.2 變薄區在三維地震時間剖面圖上的表現形式

煤層變薄區的形成有多種原因,沉積、斷層、褶曲、層滑等都有可能形成煤層變薄區,在時間剖面上反映也是形式多樣,較為復雜。同相軸分叉、扭曲、稀疏、出現空白帶、輔助波異常等都是在時間剖面上識別煤層變薄區的標志。圖4所示實例是一個煤層變薄區,T4反射波同相軸雖稍有扭曲,但主要表現在T4同相軸稀疏、出現空白帶,反射波能量弱。

圖4 1242(1)帶式輸送機巷變薄區實測剖面與地震時間剖面對比圖

2.3 層滑在三維地震時間剖面圖上的表現形式

層滑構造是一種獨立的、特殊的構造型式,它是指巖層在受到構造應力的作用下,沿某些軟弱的巖層面或層理面發生滑動的一種地質構造現象,目前顧北礦實際揭露的層滑構造可以分為斷裂型層滑構造、低角度順層滑動及揉皺型層滑構造三種,其在時間剖面上主要表現為同相軸分叉、同相軸稀疏、零亂、同相軸扭曲、輔助波異常等。

(1)同相軸分叉、合并。圖5所示實例是一個揉皺型層滑構造,在時間剖面上表現為同相軸分叉,反射波形零亂。

圖5 1212(3)工作面帶式輸送機巷F8斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖

(2)同相軸扭曲、稀疏、零亂、輔助波異常。圖6所示是一個斷裂型層滑構造,其在時間剖面上都表現為同相軸稀疏、零亂,反射波能量弱。

圖6 1222(1)工作面帶式輸送機巷F18斷層實測剖面與地震時間剖面對比圖

3 結論

(1)生產過程中宜將三維地震時間剖面與工作面平面圖、實測剖面圖(預留位置隨著巷道掘進填圖)相對應起來放在一張圖上,一是方便通過時間剖面提前分析巷道前方構造情況 進行預測預報;二是將實際揭露構造情況與時間剖面進行對比分析,總結典型地質構造與地震波形特征對應關系,并進一步總結其規律,以便今后更合理的解釋地震資料。發現異常波形區域縱橫加密切地震時間剖面,對異常區域進行進一步的分析,并在月度地質預報中進行預報或及時給施工單位下達業務聯系書。

(2)在時間剖面中確定斷面,當同相軸錯斷時,主要依據上盤斷點確定斷面,斷層落差依據時間剖面上斷層上、下盤同相軸錯斷點時差進行計算;當同相軸沒有錯斷而是發生扭曲、分叉、輔助波同相軸錯斷時,則根據同相軸扭曲點、分叉點、輔助波同相軸錯斷點確定斷層面,斷層落差也要根據不同情況采用不同方法進行計算。

(3)煤層變薄區在時間剖面上普遍特征是同相軸稀疏、出現空白帶,反射波能量弱,有的出現輔助波形異常。

(4)層滑構造在時間剖面上主要表現為同相軸分叉、同相軸稀疏、零亂、同相軸扭曲、輔助波異常等,有時也存在同相軸錯斷現象。

(5)發生反射波同相軸扭曲、分叉往往是小斷層引起的,但也要視情況具體分析,要根據反射波組特征結合地層巖性組合變化綜合分析,層滑構造及煤層變薄區同樣會引起反射波同相軸發生扭曲、分叉,有時僅僅是煤層產狀的變化也能造成同相軸發生扭曲。這也正是時間剖面上反射波異常的多解性和不確定性

(6)小斷層、煤層厚度的變化會造成波形、復合波甚至波組的異常,這些輔助波的異常通常也是識別地質異常的標準,這一點在分析三維地震時間剖面時非常重要、不容忽視。