三維地震屬性在復雜山區中解釋小斷層及陷落柱的應用

胡瑩

（中國煤炭地質總局 物測隊，河北 邢臺 054000）

0 引 言

小斷層、陷落柱對煤炭資源開采有重要影響，利用三維地震勘探方法準確探查出小構造等地質異常是目前常用手段[1]。本文采用多種地震屬性綜合分析，解釋小斷層、陷落柱效果明顯，對三維地震勘探具有指導意義。

1 研究區概況

1.1 位置與范圍

研究區位于趙莊煤礦位于沁水煤田東南部，行政區劃隸屬于長治市長子縣、高平市管轄。礦井工業廣場位于長治市長子縣境內，距離長子縣約11 km。區內交通較便利，太（原） —焦（作） 鐵路和長（治） —晉（城） 高速公路從井田東部穿過，龍（泉） —屯（留） 二級公路縱貫勘探區南北，勘探區內各村之間有簡易公路相通。

三維勘探區中北部高西南部低，標高變化為981—1 095 m。

1.2 主要研究內容

小斷層、陷落柱的方差體、相干體、譜分解及混沌屬性異常解釋。

1.3 研究思路及采用的技術

地震數據快速瀏覽：分析地震數據的品質、了解研究區的地質情況。

煤層解釋：在地震資料好的地方采用自動追蹤的方法，這樣不僅提高了解釋速度，而且也為屬性分析提供準確的空間位置；在地震資料差的地方采用半自動與手動結合方法進行解釋。

沿層屬性提取：利用解釋的層位，提取多種屬性。

斷層、陷落柱解釋：通過沿層提取的多種屬性（方差、譜分解、混沌等），利用三維可視化技術及三維地質建模技術對工區內各目的層斷層、陷落柱進行精細解釋。

2 煤層解釋研究

通過分析地震資料品質，對地震的資料了解。通過在三維可視化環境中快速瀏覽地震數據，了解煤層的大致構造形態，同時了解在不同部位煤層的地震反射特征。根據煤層在不同部位的反射特征不同，采取不同的解釋方法，達到快速準確解釋煤層的目的。

2.1 煤層基本地震反射特征

通過對研究區進行頻譜分析，可以看出地震資料的頻帶寬度在20 ～70 Hz，如圖1 所示。地震資料的主頻較高，地震資料品質較好，為煤層的準確解釋提供了保障。

圖1 頻譜分析圖Fig.1 Spectrum analysis diagram

通過三維可視化手段，從不同方向（Inline、CrossLine、時間切片、任意線等） 進行快速瀏覽地震數據體，了解工區內的煤層分布情況及煤層特點。

（1） 3 號煤層為一個強的波峰反射同相軸。埋深（叢基準面算起） 大部分為400 ～500 m，反射時間約為200 ～300 ms。煤層厚度在4 ～5.5 m。該煤層厚且穩定，與其頂底板之間物性差異顯著，波阻抗差異大，形成波形突出，能量強，波形穩定，能夠全區大范圍連續追蹤。

（2） 15 號煤層為一個較強的波峰反射同相軸。埋深（叢基準面算起） 大部分為500 ～650 m，反射時間約為300 ～400 ms。煤層厚度在2 ～5 m。能量較強，波形較穩定，在全區基本能夠連續追蹤。

2.2 煤層解釋

3 號煤層為一個強的波峰反射同相軸，且在全工區穩定分布，因此在工區的大部分范圍內可以通過三維自動追蹤的方法來解釋，剩下的局部通過半自動和手動解釋相結合的手段，快速的準確完成3 號煤層的構造解釋。

15 號煤層為一個波峰反射同相軸，該層在工區的中部反射能量強，且分布穩定適合自動追蹤，但在北部和南部地震資料品質較差，不能自動追蹤。

3 斷層、陷落柱解釋

斷層對于煤層的開采非常重要，斷層可以引起煤層與含水層的透水事故，也導致煤層破碎，裂隙增加，造成瓦斯氣體的局部聚集，增加開采風險，另外斷層還會影響機械開采時的巷道設計等。

陷落柱這種特殊地質現象的存在除了破壞煤層連續性，影響回采工作面布置及井巷圍巖穩定性外,更主要的是作為奧陶系灰巖的巖溶水的導水通道，可能誘發礦井生產安全事故。

因此在解釋中盡可能準確識別、解釋斷層和陷落柱是研究工作的重點。

3.1 斷層、陷落柱解釋流程

為了準確、快速的識別斷層和陷落柱，采取了以下解釋流程，如圖2 所示。

圖2 斷層、陷落柱解釋流程Fig.2 Interpretation process of fault and collapse column

3.2 關鍵技術

3.2.1 三維可視化技術

（1） 通過對地震數據全方位的瀏覽，快速直觀了解全區斷裂展布、構造形態。

（2） 綜合顯示地震數據、井數據、解釋結果、屬性數據，綜合利用多種數據解釋煤層。

（3） 三維可視化環境下直接解釋層位、斷層、陷落柱，能夠實時監控層位解釋的閉合情況、斷層的空間組合關系，直接在三維空間中去掉異常值。

3.2.2 多屬性綜合研究技術

斷層和陷落柱的解釋是該項目的關鍵，常規剖面解釋對于有效識別小斷層和陷落柱有一定困難，而使用地震屬性解釋斷層和陷落柱是近年來日益成熟的手段[2]。單一屬性本身存在著一定的局限性，不能全面反映地質信息，因此采用多種屬性聯合解釋的方式，快速有效解釋該區的斷層和陷落柱。

（1） 方差體屬性。

方差體是相鄰地震道空間差異性的反映,地震波橫向連續性越差，方差值越大，可反映出由斷層、異常地質體而引起的突變異常點[3]。

沿層方差體切片賦存的信息是某一沉積面（物理面） 的地震方差屬性，利用它可以進行層間微斷層、構造裂縫的識別，因此沿層方差屬性技術是識別斷層和陷落柱的有效手段之一。通過提取3號煤層和沿層方差屬性，可以清晰的看到斷層和陷落柱的分布情況，該區的斷層和陷落柱主要分布在3 個區域，北部、中部和南部，其中，中部為一組近于東西走向的斷裂帶，斷層陷落柱十分發育，如圖3 所示。

圖3 3 煤層沿層方差屬性+ 斷層、陷落柱解釋結果Fig.3 No.3 coal seam variance attribute and interpretation result of fault and collapse column

（2） 譜分解。

譜分解技術是通過短時窗離散傅里葉變換（DFT） 將地震資料從時間域轉換到頻率域，得到振幅譜及相位11 譜調諧數據體的一項處理技術。應用LandMark 公司的譜分解軟件，將該區主要目的層段的時間域地震資料轉換為頻率域振幅調諧體和相位調諧體。鑒于斷層對相位的穩定性影響比較大，因此可用相位調諧體的頻率切片識別斷層[4]。由于斷層及附近相位譜變得很不穩定，而在遠離斷層的位置相位譜表現比較穩定或呈漸變特征，因此應用相位調諧體頻率切片比傳統的相位屬性能更加準確地識別和解釋斷層。

在應用譜分解處理的相位數據體及振幅數據體中，低頻率切片反映斷距相對較大的斷層，而高頻率切片主要反映斷距相對較小斷層。遵循由低頻到高頻，先相位后振幅，與相干體結合的解釋思路，應用中低頻切片解釋主干斷層，在此基礎上應用中高頻切片識別解釋小斷層。

通過譜分解處理后，可以看出譜分解同樣清晰顯示了該區的斷裂特征（圖4）。

圖4 3 煤層譜分解+ 斷層、陷落柱解釋結果Fig.4 No.3 coal seam spectral resolution and interpretation result of fault and collapse column

（3） 混沌屬性。

混沌屬性是反映局部構造的混沌情況，斷層發育的地方，地震波性表現的較凌亂，而構造平坦、沒有斷裂的地方，地震波表現的非常有規律，如圖5 所示，這個屬性雖然反映的斷裂細節不如前3 種屬性豐富，但同樣反映了該區的總體斷裂特征。

圖5 3 煤層沿層混沌屬性+ 斷層、陷落柱解釋結果Fig.5 No.3 coal seam chaotic attribute and interpretation result of fault and collapse column

通過以上幾種屬性的應用，可以看出這幾種屬性都清晰的反映出研究區的斷裂特征，方差體反映的斷裂和陷落柱最豐富[6]，其他幾種次之，但其他屬性在某些細節上是方差體和相干體屬性的補充，從而最大限度的發掘了斷層和陷落柱。

因此在實際應用中以沿層方差體和相干體屬性為主，其他幾種屬性作為補充和參考來進行斷層和陷落柱的解釋。

首先對幾種屬性都能反映的大的斷裂、陷落柱進行解釋。

然后解釋在方差體和相干屬性上能清晰反映的斷裂和陷落柱，用其他屬性進行驗證和確認。

最后解釋在方差體和相干體上反映不明顯，而在其他屬性上反映明顯的斷層和陷落柱。解釋完成后就形成了沿層斷層多邊形。

3.2.3 三維地質建模技術

通過解釋的層位和斷層多邊形，可以建立三維地質模型。由于地質模型是一個三維空間概念[7]，因此在建立模型的過程，就是地震解釋的合理性的檢驗，尤其是對斷層的空間展布、斷層的組合關系的檢驗。三維地質建模過程如下。

（1） 斷層組合確定。將解釋的斷層多邊形，在三維空間顯示出來。

對屬于同一個斷層的多邊形進行重新分配，分配完成后，屬于同一個斷面的多邊形分配在同一個斷層中。

（2） 斷面模型建立。利用分配的斷層多邊形建立起斷面模型。

（3） 層面模型建立。利用斷面模型和解釋的層位數據，建立起層面模型，如圖6 所示。

圖6 三維地質建模Fig.6 Three-dimensional geological modeling

（4） 輸出層位的斷層多邊形信息。由于解釋的斷層多邊形是一個手工解釋的斷層多邊形，如果要使這個多邊形準確的反映斷裂位置，又能夠達到工業制圖的標準，則需要大量的人工交互。而通過建立三維地質模型后，斷層的空間組合關系更加清楚，斷面是一個空間里比較光滑的面，斷層與層位在空間的接觸關系更加合理，因此，利用建立的三維地質模型輸出斷層多邊形。

3.3 斷層及陷落柱解釋結果

通過前面多種技術的應用，該區3 號和15 號煤層2 層共解釋斷層40 條，陷落柱16 個，其中3號煤層斷層40 條，陷落柱15 個；15 號煤層斷層28 條，陷落柱15 個。

3.3.1 斷層解釋情況

工區內斷層分布廣泛，主要集中在北部、中部和南部3 個區域，其中斷層的走向主要有北東—南西向和東西向兩組，部分斷層為北西—南東向。

工區內最大的1 條斷層是龍溝西（LGX） 斷層，位于工區的東南，由于地震資料的覆蓋范圍限制，龍溝西斷層只有部分在地震資料上有顯示，斷層的中間部分不在地震資料覆蓋范圍內，如圖7所示。

圖7 Line 255Fig.7 Line 255

工區內主要斷裂帶位于工區中部，在1207 井和1303 連線的南部，為一貫穿工區東西的斷裂帶，斷層和陷落柱十分發育，主要是近似于平行的走向為東西方向的兩組斷層。

工區內斷層的延伸長度不大，大部分延伸長度在100~400 m，斷層落差在3~20 m。

3.3.2 陷落柱解釋情況

結合陷落柱的平面特征和剖面上地震反射特征，對工區內的陷落柱進行了解釋，首先根據沿層屬性確定可疑陷落柱的位置，然后再根據剖面上的地震反射特征進行確認。

（1） 陷落柱的平面特征。

陷落柱在平面上的展布特征主要表現為環狀斷層，有的是圓形，有的為橢圓形，因此通過該特征用沿層屬性的方法就可以識別陷落柱在平面上的位置了，沿層屬性上陷落柱的表現方式大部分為環形，但是大部分并不是一個閉合的環，而是一端開口或者兩端開口的圓弧形。

（2） 陷落柱的剖面特征。

陷落柱的剖面形狀，粗細變化不一，多呈不規則柱狀體。因此陷落柱地震剖面上具有特殊的顯示特征[9]。①標準反射波在小范圍內突然中斷并消失，這是陷落柱在地震時間剖面上的最基本特征；②標準反射波同相軸中斷，代之以斷續的弱反射同相軸;③標準反射波中斷，中斷波仍與標準反射波相似（圖8）。

圖8 陷落柱斷續弱反射同相軸示意Fig.8 The discontinuous weak reflection phase axis of collapse column

通過研究發現研究區的陷落柱的主要形態為上小下大的圓錐狀柱體，和上下粗細近同的圓筒狀柱體，部分陷落柱的形態是上大下小的漏斗狀柱體和兩頭小中間大的不規則狀柱體和彎曲狀柱體。最終通過用沿層屬性與剖面相結合的方法，詳細的解釋了該工區的陷落柱，工區內陷落柱比較發育，主要分布在斷裂發育部位。

4 結 論

通過對趙莊煤礦三維地震的解釋研究，對該地區得出以下結論。

（1） 該區斷裂比較發育，尤其是小斷層、陷落柱十分發育。

（2） 高密度采集的地震資料能夠有效揭示小斷層和陷落柱。

（3） 通過沿層多屬性綜合研究、三維可視化技術、地質建模技術等幾項關鍵技術的綜合應用，可以有效的識別小斷層和陷落柱。