特殊地質(zhì)異常體在地震時(shí)間剖面的特征

張向鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

地質(zhì)異常（geological anomaly）是指在成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造或成因序次上與周圍環(huán)境有明顯差異的地質(zhì)體或地質(zhì)體的組合。也常常表現(xiàn)為地球物理場(chǎng)、地球化學(xué)場(chǎng)及遙感影像異常等都有所差異，主要用于礦產(chǎn)預(yù)測(cè)，進(jìn)而用來(lái)總結(jié)區(qū)域成礦規(guī)律。煤礦中的地質(zhì)異常通常是指小窯采空區(qū)、陷落柱、巖漿巖侵蝕、火燒區(qū)及沖刷帶等，這些地質(zhì)異常體通過三維地震勘探均能夠被識(shí)別。本文主要論述了幾種常見特殊地質(zhì)異常體的概念和地質(zhì)形態(tài)、及其在地震時(shí)間剖面上的識(shí)別特征，并且通過實(shí)例將地震勘探技術(shù)和地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行了研究分析，為進(jìn)一步解決煤礦安生產(chǎn)全提供地質(zhì)保障。

1 小窯采空區(qū)的識(shí)別特征

1．1 小窯采空區(qū)的地質(zhì)特征

小窯采空區(qū)是在采煤歷史久遠(yuǎn)的礦區(qū)存在的一種特殊地質(zhì)體，由于小煤窯的隨意開采，存在許多不明采空區(qū)，這些采空區(qū)的存在對(duì)煤礦安全生產(chǎn)構(gòu)成極大威脅，并對(duì)地面建筑、地面工程結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性造成危害。因此，對(duì)小窯采空區(qū)的準(zhǔn)確勘查，了解和掌握采空區(qū)的巖層特征、采礦條件，查清采空區(qū)賦存深度、大小、狀態(tài)以及覆巖和煤層的結(jié)構(gòu)特征和物理、力學(xué)性質(zhì)是關(guān)鍵問題所在[1-2]。

1.2 小窯采空區(qū)的地震特征

采空區(qū)是煤層被采空之后殘余少量煤柱，上下圍巖向下垮塌，三維地震勘探時(shí)得不到連續(xù)的煤層反射波，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)特征為同相軸變?nèi)酢⑴で蛘甙l(fā)生產(chǎn)狀變化甚至缺失，采空區(qū)出現(xiàn)冒落時(shí)，其對(duì)上下反射波同相軸皆有較大影響[1-2]。

煤層采空之后還存在大量煤柱，勘探后獲得微弱的反射波或得不到連續(xù)的反射波，在時(shí)間剖面上表現(xiàn)有三種特征：其一，是煤層反射波變?nèi)酰诓煽諈^(qū)邊界處反射波同相軸頻率和產(chǎn)狀發(fā)生突變，在采空區(qū)內(nèi)部反射波同相軸如蠕蟲狀；其二，是通過房柱式采煤，煤層反射波同相軸的變?nèi)酰l率和產(chǎn)狀變化較大，與周圍非采空區(qū)煤層反射波存在明顯差別，而且煤層反射波之下的層位反射波同相軸增強(qiáng)，頻率和產(chǎn)狀突變，從整張剖面來(lái)看無(wú)采空區(qū)的地段煤層反射波較強(qiáng)，其下覆層位反射波很弱，而有采空區(qū)的地段煤層反射波同相軸表現(xiàn)微弱，其下覆層位反射波同相軸較強(qiáng)，形成明顯反差；其三，是煤層被完全采空，殘余有少量煤柱，則在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波缺失。

圖1 采空區(qū)在時(shí)間剖面上的顯示

圖2 采空區(qū)在RMS屬性的分析上的顯示

1．3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

陜北某礦地處毛烏素沙漠邊緣，屬于典型的黃土梁峁-沙漠地貌。本區(qū)的三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)主要是查明區(qū)內(nèi)小窯采空區(qū)。經(jīng)三維地震勘探，在資料解釋過程中，發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)大部煤層的反射波發(fā)生異常，在常規(guī)時(shí)間剖面上反映為煤層反射波同相軸扭曲、錯(cuò)斷、產(chǎn)狀突變、雜亂無(wú)章等(圖1)；從圖2的屬性分析中可以看出，反射波凌亂區(qū)表現(xiàn)為反射波能量消失、形成圈閉，故三維地震將其解釋為小窯采空區(qū)，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，取得良好的效果。

2 陷落柱的識(shí)別特征

2．1 陷落柱的地質(zhì)特征

陷落柱是煤礦當(dāng)中，由于下伏易溶巖層經(jīng)過地下水強(qiáng)烈腐蝕，形成大量空洞，從而引起上覆巖層失穩(wěn)，向溶蝕空間冒落、塌陷所形成的桶狀柱體。其形成大致經(jīng)歷了溶隙、溶孔、溶洞塌陷等過程，其中溶洞形成是核心和先決條件。

2.2 陷落柱的地震特征

陷落柱與圍巖存在的物性差異是陷落柱探測(cè)的物性基礎(chǔ)。在地震時(shí)間剖面上識(shí)別和判定陷落柱的主要依據(jù)有：

（1）反射波組中斷或能量變?nèi)酢Ｆ渲袛帱c(diǎn)或能量變化位置即為陷落柱邊界的反映；（2）反射波同相軸扭曲、產(chǎn)狀突變。其扭曲起始點(diǎn)之連線即為陷落柱的邊界反映；（3）反射波同相軸產(chǎn)生分叉合并和圈閉現(xiàn)象。其分叉、合并點(diǎn)即為陷落柱的邊界反映；（4）反射波相位轉(zhuǎn)換，極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，其反轉(zhuǎn)起始點(diǎn)即為陷落柱邊界；（5）在疊加時(shí)間剖面上，出現(xiàn)斷陷點(diǎn)繞射波、延遲繞射波等；（6）在方差體剖面上，將反射波立方體內(nèi)的差異放大，以深顏色突出表示出來(lái)，能夠反映陷落柱體邊界；（7）在瞬時(shí)相位剖面上，反射波連續(xù)性變差，出現(xiàn)相位轉(zhuǎn)換、分叉合并和圈閉現(xiàn)象；在瞬時(shí)振幅剖面上，反射波能量突然中斷或消失；（8）在水平等時(shí)切片和順層能量切片上的反映為能量突然變?nèi)酰圆煌念伾@示出來(lái)，形成一個(gè)異常圈閉，基本上能夠反映陷落柱的平面形態(tài)；（9）在方差等時(shí)切片和方差順層切片上，陷落柱邊界以明顯的放大了的差異特征形成突出的異常圈閉，能夠較準(zhǔn)確的反映陷落柱的平面形態(tài)[3－4]。

2．3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

山西某礦地處呂梁山脈的蘆芽山南部的丘陵區(qū)，屬于典型的黃土梁峁地貌。本區(qū)的三維地震勘探地質(zhì)任務(wù)主要是查明區(qū)內(nèi)煤層中的陷落柱。經(jīng)三維地震勘探，在資料解釋過程中，發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)中西部煤層的反射波發(fā)生異常，在常規(guī)時(shí)間剖面上反映為各煤層反射波同相軸扭曲、錯(cuò)斷、產(chǎn)狀突變等(圖3)；從圖4中可以看出，在水平切片上表現(xiàn)為反射波能量消失、形成圈閉；在等時(shí)切片上可以看出其平面形態(tài)均為近橢圓形(圖5)。

經(jīng)過精細(xì)的地震地質(zhì)解釋，在勘探區(qū)內(nèi)圈定了3個(gè)長(zhǎng)軸直徑均大于20m的陷落柱。圖5為陷落柱在等時(shí)切片上的表現(xiàn)特征，由此可以看出其特征均為上小下大的反漏斗型、陷壁角大多較陡，約80°，柱體中心軸多為直立型。本次勘探解釋的3個(gè)煤層陷落柱的發(fā)育情況與實(shí)際揭露情況較為吻合。

圖3 DX1陷落柱在縱剖面上的顯示

圖4 陷落柱DX1在水平切片上的顯示

圖5 陷落柱在等時(shí)切片上的顯示

3 巖漿巖侵蝕的識(shí)別特征

3．1 巖漿巖的地質(zhì)特征

巖漿巖是由巖漿直接冷凝形成的巖石，因此，具有反映巖漿冷凝環(huán)境和形成過程所留下的特征和痕跡。巖漿巖不論侵入到地下，還是噴出到地表，它們和周圍的巖石之間都有明顯的界限。巖漿從上地幔或地殼深處沿著一定的通道上升到地殼形成侵入巖或噴出到地表形成噴出巖的過程中，由于溫度、壓力等物理化學(xué)條件的改變，巖漿的性質(zhì)、化學(xué)成分、礦物成分也隨之不斷地變化，因此，在自然界中形成的巖漿巖是多種多樣、千變?nèi)f化的，這充分說(shuō)明了巖漿成分的復(fù)雜多樣性。

3.2 巖漿巖的地震特征

由于巖漿巖侵蝕，造成局部煤層的破損或缺失，在地震時(shí)間剖面上表現(xiàn)為煤層反射波同相軸的變?nèi)趸蛳В谄矫嫔媳憩F(xiàn)為條帶狀分布，和煤層沖刷帶的區(qū)別是巖漿巖體頂面往往形成較強(qiáng)反射波[5－6]。

3．3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

河北某礦在三維地震資料解釋的過程中發(fā)現(xiàn)勘探區(qū)的西南部有一被輝綠巖侵蝕的巖漿巖侵蝕帶，并被3號(hào)和2鉆孔控制，這兩鉆孔中的主要煤層(4、5煤層)都被侵蝕掉，6號(hào)鉆孔間接控制，該孔4號(hào)煤層呈塊狀似焦炭質(zhì)堅(jiān)硬，煤質(zhì)受火成巖體烘烤影響所致。其巖體總體走向NE，被F1和DF1、DF2斷層切割，本次根據(jù)周邊資料對(duì)測(cè)線間的侵蝕邊界位置進(jìn)行了推測(cè)，4、5煤被侵蝕面積約0.2km2(圖6)。

圖6 巖漿巖侵蝕帶在地震時(shí)間剖面上的顯示

4 火燒區(qū)的識(shí)別特征

4．1 火燒區(qū)的地質(zhì)特征

煤層燃燒后，巖層受高溫烘烤變質(zhì)淺紅色、赭色、淺黃色燒變巖，打擊發(fā)出陶瓷片聲。地表巖層裂隙度增大，土質(zhì)地變松軟，有大片的潮濕土，形成一層薄硬殼，顏色為棕紅色帶有硫化氫的氣味，這是地下化學(xué)反應(yīng) 氣體隨熱氣上升地表形成。 頂?shù)装鍑鷰r中含有黃鐵礦、赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦等成分時(shí)，受高溫烘烤發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化而產(chǎn)生新的電阻高、導(dǎo)電差的氧化物，經(jīng)高溫分解產(chǎn)生磁性物質(zhì)。

圖7 火燒區(qū)在時(shí)間剖面上的反映

4.2 火燒區(qū)的地震特征

煤層燃燒以后，其上下部圍巖受到高溫烘烤，巖石的物理特性發(fā)生根本性變化，巖層層狀特征遭到明顯破壞，裂隙增大，巖石破碎，煤層的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生巨大變化，在地震反射波上的反應(yīng)即為煤層反射波消失或者變?nèi)酢⒎瓷淞鑱y、同相軸連續(xù)性明顯變差，總體表現(xiàn)為無(wú)明顯成層性反射[7－8]。

4．3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

新疆某礦在三維地震勘探后對(duì)三維地震資料的解釋過程中發(fā)現(xiàn)，在勘探區(qū)的南部ZKN1209鉆孔附近發(fā)現(xiàn)主采煤層反射波產(chǎn)狀突變，同相軸雜亂無(wú)章，反射凌亂、同相軸連續(xù)性明顯變差(圖7)。綜合解釋后主采煤層中在該處圈定為火燒區(qū)，呈不規(guī)則形狀，面積約0.33km2，后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，情況屬實(shí)。

5 煤層沖刷帶的識(shí)別

圖8 沖刷帶在時(shí)間剖面上的反映

5．1 煤層沖刷帶的地質(zhì)特征

煤層沖刷帶一般是指水流對(duì)泥灰層或煤層的沖擊并通過由砂質(zhì)沉積物而形成的地質(zhì)體。煤層沖刷帶的實(shí)質(zhì)是發(fā)育于煤層中的帶狀砂體，各個(gè)沖刷帶在煤層中的分布無(wú)連續(xù)性。煤層與巖體相比較具有彈性波傳播速度低和密度小的特點(diǎn)。

5.2 煤層沖刷帶的地震特征

沖刷帶邊緣物性差異明顯，存在彈性分界面，當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅經(jīng)_刷帶邊界時(shí)，煤層反射波消失或者中斷[9－10]。

5．3 地震解釋實(shí)例應(yīng)用

在對(duì)新疆伊犁某礦三維地震資料的解釋過程中發(fā)現(xiàn)，在勘探區(qū)東南部發(fā)現(xiàn)一煤層沖刷帶，其在地震時(shí)間剖面上M1煤層反射波突然中斷，與煤層未受到?jīng)_刷的反射波截然不同(圖8)。

6 結(jié)論

地質(zhì)異常體的存在，增加了礦井地質(zhì)的復(fù)雜性，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)極大危害。因此，掌握這些地質(zhì)異常體在三維地震時(shí)間剖面上的反射特征及其規(guī)律，摸清其在平面上的展布規(guī)律，對(duì)合理高效開采、減少經(jīng)濟(jì)損失、減少人員傷亡等有著重要的指導(dǎo)意義。

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