寧夏銀星二號(hào)煤礦三維地震勘探技術(shù)應(yīng)用研究

白曉飛，吳 俠，鄧國(guó)成，皮 偉

（1.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009； 2.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009）

寧夏吳忠銀星二號(hào)煤礦位于毛烏素沙漠西南邊緣，呈低緩丘陵地貌。在此處開(kāi)展三維地震工作，因厚沙土層覆蓋等因素，存在2處難點(diǎn)：①研究區(qū)內(nèi)障礙物導(dǎo)致的部分炮、檢點(diǎn)偏移；②淺表層地震地質(zhì)條件不一致，低降速帶變化劇烈，存在一定的靜校正問(wèn)題。關(guān)于厚沙土層覆蓋區(qū)三維地震勘探數(shù)據(jù)采集方法研究成果不多，缺少可供參考的數(shù)據(jù)采集經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)上述難點(diǎn)進(jìn)行探討研究，采取改善激發(fā)接收條件措施，依據(jù)試驗(yàn)確定技術(shù)參數(shù)，確保原始數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。施工時(shí)關(guān)注各種方法檢查炮點(diǎn)、檢波點(diǎn)位置，偏移距對(duì)應(yīng)關(guān)系等，使空間屬性和地震數(shù)據(jù)準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)，確保觀測(cè)系統(tǒng)定義的正確性；數(shù)據(jù)處理采用層析靜校正與剩余靜校正二者相結(jié)合方法，最終取得了較好的三維地震勘探效果。

1 地質(zhì)概況與地震地質(zhì)條件

1.1 地質(zhì)概況

調(diào)查區(qū)內(nèi)全部被第四系沙土所覆蓋，地表無(wú)基巖出露，根據(jù)鉆孔揭露，區(qū)內(nèi)地層見(jiàn)表1[1]。

表1 井田地層Tab.1 Well field formation

井田內(nèi)含煤地層屬侏羅系延安組，平均厚度435.31 m，含煤層平均總厚度19.96 m。編號(hào)煤層為1—18下煤，自上而下依次為：1、3、3下、4上、4、5、6、7、8、9、10、11、12、14、15、17、18、18下，共18層。其中可采煤層10層。

根據(jù)各煤層的分布范圍、煤層厚度和資源量情況，確定主要可采煤層4層：5、10、11、18下煤；次要可采煤層為1、3、3下、4上、4、12煤層，見(jiàn)表2。

1.2 地震地質(zhì)條件

研究區(qū)屬厚沙土層覆蓋層，低洼地段表層多為鹽堿性泥灘；地勢(shì)較高處多為沙土掩蓋且大部分被植物固定，局部有呈鏈狀分布的沙丘隨季節(jié)流動(dòng)，表層結(jié)構(gòu)松散且均勻性較差。雖大部分地段存在潛水位，但區(qū)內(nèi)黃土覆蓋層過(guò)厚，對(duì)地震波傳播不利。研究區(qū)內(nèi)各主要可采煤層頂?shù)装宥酁樯皫r、粉砂巖、泥巖，同煤層存在較大的波阻抗差異，易形成煤層反射波。主要煤層間距變化較大，部分次要煤層與主要煤層之間難以形成獨(dú)立的反射波。

2 野外地震采集

2.1 試驗(yàn)區(qū)參數(shù)

通過(guò)對(duì)該區(qū)3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)激發(fā)層位、井深、藥量試驗(yàn)以及淺層條件的分析，確定了如下施工參數(shù)。

表2 可采煤層的厚度、層間距等煤層發(fā)育情況Tab.2 Development of minable coal seams such as thickness and interval

以該區(qū)潛水位下2 m為激發(fā)層位，厚黃沙區(qū)（試驗(yàn)點(diǎn)1附近）：井深16 m，藥量3 kg；薄黃沙區(qū)（試驗(yàn)點(diǎn)2附近）：井深10 m，藥量3 kg；鹽堿灘區(qū)（試驗(yàn)點(diǎn)3附近）：井深8 m，藥量2 kg。

檢波器主頻60 Hz，每道4個(gè)，2串2并，為防止風(fēng)吹草動(dòng)對(duì)檢波器的影響，增加耦合效果，保證接收效果，檢波器挖坑埋置。成孔方式為沙陀鉆，成孔速度快、深度大、穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)。

記錄長(zhǎng)度1 s，采樣間隔1 ms。

2.2 三維觀測(cè)系統(tǒng)主要參數(shù)分析

此次工作借鑒鄰區(qū)三維勘探成功經(jīng)驗(yàn)，采用小面元、適當(dāng)方位的觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)注重炮檢距的均勻分布，為精細(xì)落實(shí)小構(gòu)造和巖性解釋提供豐富的原始資料。觀測(cè)系統(tǒng)論證將重點(diǎn)對(duì)面元大小、覆蓋次數(shù)和最大炮檢距等關(guān)鍵參數(shù)[2-5]進(jìn)行分析：觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)線采用北東東向布設(shè)，疊加次數(shù)選擇25次（橫5×縱5）、CDP網(wǎng)格大小為5 m×10 m，道間距為10 m。設(shè)計(jì)最大炮檢距Lmax小于淺層折射波干擾的距離，等于或略大于主要目的層的深度。目的層最大深度Z約為650 m，煤系地層傾角20°～25°。橫向應(yīng)外推160 m，縱向深部外推3排炮點(diǎn)。記錄長(zhǎng)度暫定為1 s。

2.3 三維觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的選取

選擇10線10炮制規(guī)則線束狀三維觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行施工，利于提高信噪比。具體參數(shù)如下：

接收道數(shù)400/800/1200，接收線數(shù)10條，接收線距40 m，接收道距10 m，激發(fā)炮排距40/80/120 m，激發(fā)炮點(diǎn)距20 m，CDP網(wǎng)格10 m（橫）×5 m（縱），疊加次數(shù)25次（橫5×縱5），橫向最大炮檢距270 m，橫向最小炮檢距10 m，縱向最大炮檢距200/400/600 m，縱向最小炮檢距0 m；最 大 炮 檢 距336.0/482.6/658.0 m。

3 資料處理

資料處理時(shí)的局部錯(cuò)誤會(huì)影響到全區(qū)的解釋結(jié)果，在此期間要結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)特征，謹(jǐn)慎對(duì)待全部數(shù)據(jù)與參數(shù)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中高分辨率、高信噪比、高保真度[6]。

（1）采用炮點(diǎn)位置分布圖、初至交互檢查等技術(shù)，查找、糾正物理點(diǎn)位坐標(biāo)的錯(cuò)誤，確保初始化工作準(zhǔn)確無(wú)誤。

（2）采用層析靜校正處理，有效消除因地表地形產(chǎn)生的野外靜校正影響。

（3）在凈化原始地震數(shù)據(jù)時(shí)，選取多域、多方法去噪處理，結(jié)合處理人員經(jīng)驗(yàn)選用合理初至切除參數(shù)和動(dòng)校后切除參數(shù)，可用于提高淺中層的信噪比；疊前采用各種有效的保幅去噪技術(shù)與手段，盡可能地消除各類干擾波對(duì)目的層間弱反射信號(hào)的影響，保護(hù)低頻有效信號(hào)。

（4）基于疊前去噪處理技術(shù)，完成振幅補(bǔ)償。如：將球面擴(kuò)散補(bǔ)償與地表一致性振幅補(bǔ)償相結(jié)合[7]，對(duì)地震反射波進(jìn)行補(bǔ)償，合理消除大地對(duì)激發(fā)的地震波嚴(yán)重吸收衰減的影響，使研究區(qū)各道的振幅趨于一致；采用疊前地表一致性預(yù)測(cè)反褶積處理技術(shù)[8]，壓縮子波，可以有效提高目的層煤層分辨率，拓寬有效信號(hào)頻帶，達(dá)到實(shí)現(xiàn)地表一致性子波處理的工作目的。

（5）利用高精度動(dòng)校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)共反射點(diǎn)道集的同相疊加，保證高頻信號(hào)在疊加中不受損失；加上適當(dāng)?shù)男盘?hào)增強(qiáng)處理，提高疊后剖面的信噪比。

（6）對(duì)野外數(shù)據(jù)進(jìn)行認(rèn)真分析檢查，通過(guò)層析靜校正技術(shù)建立合理的研究區(qū)近地表模型，求取準(zhǔn)確合理的野外一次靜校正量；將速度分析同剩余靜校正二者進(jìn)行循環(huán)迭代，可得高精度的動(dòng)、靜校正結(jié)果。

在結(jié)合相鄰研究區(qū)處理經(jīng)驗(yàn)，制訂了如下處理流程，確定了關(guān)鍵處理參數(shù)[9-12]（圖1）。

圖1 處理流程Fig.1 Processing flow

提高信噪比是此次工作重點(diǎn)，必須有效壓制各項(xiàng)干擾波，研究區(qū)的主要干擾波是野值和低頻面波、聲波、隨機(jī)干擾。使用人工交互剔出壞道后，再運(yùn)用地表一致性原理進(jìn)行異常振幅壓制，可以完全剔除野值。采用自適應(yīng)面波衰減方法對(duì)低頻面波干擾進(jìn)行壓制。針對(duì)研究區(qū)存在的聲波、隨機(jī)干擾，采用“多道統(tǒng)計(jì)、單道去噪、分頻壓制”的指導(dǎo)思想進(jìn)行壓制。

4 資料解釋

按照已知→未知、簡(jiǎn)單→復(fù)雜、點(diǎn)→面、大→小的原則，利用解釋工作戰(zhàn)靈活、直觀、高效率的特性[13-14]，綜合研究區(qū)內(nèi)全部地質(zhì)、物探資料，對(duì)三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行資料解釋（圖2）。

圖2 資料解釋流程Fig.2 Data interpretation flow chart

4.1 波組特征與命名

在時(shí)間剖面上，反射波組呈傾斜狀，其突出特點(diǎn)是反射波強(qiáng)弱相間出現(xiàn)，且反差顯著。這一反射波組是由侏羅紀(jì)含煤地層形成的，其中的強(qiáng)反射波是煤層與其頂?shù)装逯g存在的顯著波阻抗差造成的。由于研究區(qū)煤層較多，不同煤層反射波存在干涉現(xiàn)象，造成有些煤層反射波變?nèi)趸蛳А４舜稳S地震勘探的主要目的層為5、10、11、18下煤層，次要目的層為1、3、3下、4上、4、12煤層，如圖3所示。

T1波是1煤層形成的反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱、連續(xù)性差，不易對(duì)比追蹤；T3波是3煤層和3下煤層形成的復(fù)合反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，連續(xù)性差，不易對(duì)比追蹤；T4波是4上煤層形成的反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，全區(qū)能量較弱，連續(xù)性差，不易對(duì)比追蹤；T5波是4煤層和5煤層形成的復(fù)合反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量弱時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，連續(xù)性差，不易對(duì)比追蹤；T10波是10煤層和11煤層形成的復(fù)合反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量強(qiáng)，連續(xù)性好，易連續(xù)對(duì)比追蹤；T12波是12煤層形成的反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，全區(qū)能量較弱，連續(xù)性差，不易對(duì)比追蹤；T18波是18下煤層形成的反射波，由1個(gè)相位構(gòu)成，能量時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，連續(xù)性較差，不易連續(xù)對(duì)比追蹤。

圖3 研究區(qū)典型時(shí)間剖面Fig.3 Typical time profile of the study area

4.2 區(qū)內(nèi)目的層反射波的對(duì)比追蹤

根據(jù)地質(zhì)任務(wù)，此次解釋工作主要是對(duì)煤層反射波的追蹤。

（1）強(qiáng)反射波的對(duì)比追蹤。T10波能量較強(qiáng)，連續(xù)性好，特征明顯，全區(qū)較容易連續(xù)對(duì)比追蹤。

（2）弱反射波的對(duì)比追蹤。由于T1、T3、T4、T5、T12、T18波能量弱，連續(xù)性較差，不易追蹤；對(duì)T1、T3、T4、T5、T12、T18波的對(duì)比追蹤綜合采取了以下措施：①充分利用已知的鉆孔資料，繪制煤層間距等值線，以指導(dǎo)波的對(duì)比追蹤；②進(jìn)行整個(gè)波組對(duì)比，考慮輔助相位的變化情況；③充分發(fā)揮水平切片與垂直剖面聯(lián)合顯示對(duì)比的優(yōu)勢(shì)。

4.3 構(gòu)造與巖性解釋

4.3.1 褶曲解釋

研究區(qū)煤系地層在研究區(qū)整體呈單斜形態(tài)，在單斜形態(tài)上發(fā)育一背斜和一向斜，如圖4、圖5所示。

4.3.2 斷層解釋

斷點(diǎn)解釋最為重要，在時(shí)間剖面上，主要表現(xiàn)為同相軸的錯(cuò)斷。

大斷點(diǎn)錯(cuò)斷明顯，有一定的時(shí)差，在剖面上容易解釋（圖6）。對(duì)于小斷點(diǎn)解釋采用彩色剖面顯示，逐級(jí)放大、層拉平等手段，還采用了對(duì)小斷點(diǎn)分辨率較高的新技術(shù)綜合解釋。

圖4 褶曲在時(shí)間剖面上的反映Fig.4 Reflection of fold on time section

圖5 褶曲在等時(shí)切片上的反映Fig.5 Reflection of folds on isochronous slices

圖6 斷點(diǎn)在時(shí)間剖面上的反映Fig.6 Reflection of breakpoints on time profile

4.3.3 煤厚解釋

采用反射波的振幅和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤厚進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

（1）波形振幅法。研究區(qū)各煤層厚度1.10～3.25 m，而煤層反射波主波長(zhǎng)約50 m，所以煤厚<λ/4，煤厚與煤層反射波振幅呈準(zhǔn)線性，可用振幅來(lái)反演煤厚。

（2）BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此次解釋利用petrel軟件提取了多種地震屬性，并進(jìn)行對(duì)比，最后優(yōu)選了6種屬性（平均能量、最大振幅、最小振幅、平均振幅、均方根屬性、主頻屬性）作為神經(jīng)元，對(duì)煤層厚度變化趨勢(shì)進(jìn)行了解釋。

5 地質(zhì)成果

5.1 煤層分布特征

查明煤層分布特征，主要煤層為5、10、11、18下和次要煤層1、3、3下、4上、4、12的底板形態(tài)基本相同，總體形態(tài)為走向NW、傾向SW的單斜形態(tài)，在單斜背景上發(fā)育2個(gè)較大的褶曲，背斜（S1）和向斜（S2），背斜（S1）位于研究區(qū)西部，軸向近SN，北端仰起，南端傾伏，兩翼不對(duì)稱，西翼較陡，東翼較緩，向斜（S2）位于研究區(qū)北部，軸向近SN，北端逐漸揚(yáng)起，兩翼基本對(duì)稱。10、11、12、18下煤層分布全區(qū)，其他煤層在測(cè)區(qū)東部都有缺失。以12煤層為例，煤層底板標(biāo)高在+760 ～+1 180 m，最深處位于研究區(qū)西南部邊界附近，底板標(biāo)高約+760 m；最淺處位于東北部邊界附近，約+1 180 m。12煤層底板等高線如圖7所示。

圖7 12煤層底板等高線示意Fig.7 Contour map of 12 coal seam floor

5.2 褶曲和斷層

查明了研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的褶曲構(gòu)造主要為S1背斜和S2向斜。

（1）S1背斜。軸部位于研究區(qū)北部，軸向SN，北端逐漸仰起，兩翼不對(duì)稱，西翼較陡，煤層傾角16°～35°，東翼較緩，煤層傾角6～15°，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度約1 000 m。在時(shí)間剖面上反映明顯。

（2）S2向斜。S2向斜軸部位于研究區(qū)北部，軸向SN，向斜北端逐漸揚(yáng)起，兩翼基本對(duì)稱，煤層傾角10°～14°。區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度約1 100 m。在時(shí)間剖面上反映明顯。

研究區(qū)共解釋斷層45條。

6 結(jié)論

寧夏吳忠銀星二號(hào)煤礦地處丘陵地貌，區(qū)內(nèi)相對(duì)高差較大，且被厚沙土層覆蓋，不利于地震波的傳播；淺表層地震地質(zhì)條件不一致，存在一定的靜校正等問(wèn)題。通過(guò)采取積極措施，保障了原始數(shù)據(jù)質(zhì)量；采用層析靜校正與剩余靜校正二者相結(jié)合方法，最終查明了區(qū)內(nèi)煤層、褶曲和斷層分布情況，為煤礦開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。