三維地震在新疆澇壩灣煤礦勘探中的應用研究

吳 俠，白曉飛，皮 偉，鄧國成

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

三維地震勘探是一種旨在提高地下目標圖像清晰度、位置預測精準性的綜合性地球物理勘測技術[1-3]。近年來被廣泛運用于全球油、氣、煤等地下資源礦產的勘測中[4-8]。新疆瑪納斯縣澇壩灣煤礦位于準噶爾聚煤盆地南緣西段，整體為中等偏緩傾斜的單斜煤層，均分布于中侏羅系西山窯組含煤碎屑沉積地層中。勘探初期在井田中開展三維地震勘探技術，可對煤層底板構造形態、地下斷裂構造、煤厚變化與趨勢等進行分析處理，為鄰區地震勘探提供參數。

1 地質概況與地震條件

1.1 區域地質概況

(2)煤層。準南煤田瑪納斯縣澇壩灣研究區的煤層均分布于侏羅系中統西山窯組地層中，該組地層底部零星出露于井田南緣。區內為中等偏緩傾斜的單斜煤層，主要可采煤層共14層。其中，B1—B3層平均厚7.14 m，屬厚煤層，全區可采；B3—B4層平均厚1.13 m，屬薄煤層，為大部可采的較穩定煤層；B5—B10層平均厚3.46 m，屬中厚—厚煤層，為全區可采的穩定煤層；B11層平均厚1.08 m，屬薄—中厚煤層，為局部可采的不穩定煤層；B12—B13層平均厚2.52 m，屬薄—中厚煤層，為大部可采的較穩定煤層；B14層平均厚1.30 m，屬薄—中厚煤層，為局部可采的不穩定煤層。

(3)構造。井田巖層以單斜狀態產出，走向近EW，東段略有變化，呈NEE向，地層傾角總體為4°，東段局部36°～22°。受依連哈比爾尕推覆構造的影響，巖層傾角變化具一定規律，多在17°～25°，井田斷裂不發育，未發現巖漿巖，整體構造程度屬簡單類型。

1.2 地球物理特征

(1)地表條件。研究區地表復雜，標高+1 635～+2 184 m，高差大，溝谷發育。地形陡峭，切割劇烈，這些地表條件對地震施工十分不利。由于研究區交通極為不便，給野外數據采集帶來很大困難，同時也增大后期資料處理靜校正的難度。

(2)淺層地震地質條件。淺層地震地質條件復雜，部分地段有基巖出露，大部分區域被上更新統—全新統殘坡積層覆蓋，厚度為2～3 m，最大厚度為30 m。在研究區內開展勘探工作，存在如下難點：①基巖出露區成孔困難；②有森林覆蓋的區域，表面有一層厚1～3 m的腐殖土；③坡積層區坡積物中含有碎石；④地形復雜，溝谷縱橫。前兩點易造成檢波器耦合條件差，次生干擾嚴重。后兩點既造成成孔困難，又影響地震波向下的傳播，三維靜校正問題特別突出。由于淺表層地震地質條件較為復雜，對該區施工難度大。

(3)深層地震地質條件。該區的各組煤與頂底板的泥、砂巖存在較大的波阻抗差異，故而可形成能量強、波形穩定、易對比追蹤的反射波。區內煤層多、間距太小導致形成復合波。

2 三維地震采集綜述

針對研究區復雜的地表條件及煤層多、間距小等特點，為取得較好的地震勘探效果，野外數據采集不僅要提高資料的信噪比，而且要設法提高資料的分辨率[9-13]。因此，必須在成孔、高程測量、檢波器埋置等方面嚴格要求。在接收排列和觀測系統的選擇上，要以多種形式突出區內特點。

由于區內及鄰區尚未開展地震勘探工作，缺乏可借鑒的施工參數，故在全區范圍內選取了3個試驗點開展綜合試驗。此次數據采集工作難點：①復雜的地形條件致使大部分區域成孔機械設備無法到位；②山高坡陡，土壤干硬。激發時聲波、面波等干擾嚴重；③基巖出露多，無法使用常規的成孔設備。

針對上述問題，在研究區內利用風鉆成孔，解決基巖出露區的成孔問題。在壓制干擾波方面，對激發井進行加水壓實，效果良好。第四系覆蓋處，利用洛陽鏟成孔和風鉆成孔，在相同條件下進行激發試驗，擇優利用，施工參數見表1。

采用每束接收線8條，激發線8條(簡稱“8線8炮”)的觀測系統進行施工。線束方向為垂直地層走向，呈南北方向布置。

表1 試驗區施工參數Tab.1 Construction parameters of test area

為保證三維勘探野外資料采集的精度，以大地坐標X0=4 852 195.98，Y0=29 438 108.52為相對坐標原點建立坐標系，順時針旋轉9°，建立相對坐標系X′O′Y′，X′軸與Y′軸分別垂直、平行線束方向。X′軸、Y′軸單位編號為10、20 m。此坐標系的建立可確保每個接收點和炮點與大地坐標一一對應。

3 三維地震資料處理與解釋

針對本區地形復雜、原始資料信噪比不高的特點，處理重點[14-15]集中在：①針對野外采集不理想的資料，做好靜校正計算工作至關重要，提高資料的信噪比也不可或缺。需要在處理時采取多種新技術方法，壓制各種干擾波，取得高信噪比的疊加處理結果。②處理好各反射層，保持地震信號的相對振幅和反映地層界面特性的動力學特征，盡量少用修飾手段，保持地質信息真實。③地震速度解釋采用二次速度解釋。④位成像要準確。通過認真細致的偏移方法試驗，取得斷點清晰、歸位正確的成果資料。

3.1 試處理參數的選擇

試處理參數見表2。

表2 資料試處理參數Tab.2 Data trial processing parameters

3.2 三維地震資料解釋

3.2.1 層位解釋

(1)地質層位確定。制作合成記錄，與過孔的時間剖面對比分析，合成記錄B10、B7、B3對應的反射波與地質剖面中的主要層位對應起來，確定各地質層位反射波，如圖1所示。

(2)反射波的對比追蹤。主要目的層反射波為T1、T2、T3、T4和T5。

圖1 利用102鉆孔制作的合成記錄Fig.1 Synthetic record made by drilling hole 102

T1波是B1、B2、B3煤層形成的反射波。與上下圍巖存在較大的波阻抗差異，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續，信噪比高。由于該組單層厚度都是厚煤層或巨厚煤層，但煤層之間的間距小，形成復合波部分區域存在分叉合并的現象(圖2)。

圖2 T1波分叉合并現象Fig.2 T1 wave bifurcation and merging phenomenon

T2波是B4、B5、B6、B7煤層形成的復合反射波。由于B7煤層在測區內穩定性好，厚度較大，結構單一，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續，信噪比高，易于全區連續追蹤。煤層數據表見表3。

表3 B1、B2、B3、B9、B10、B11煤層數據Tab.3 Data sheet of B1，B2，B3，B9，B10 and B11 coal seams m

T3波是B8、B9、B10、B11煤層形成的復合反射波。由于B10煤層在測區內穩定性好，厚度較大，結構單一，形成的反射波能量強，同相軸光滑連續，信噪比高，易于全區連續追蹤。但是該組整體厚度大，部分區域的間距變化也較大，造成T3波分叉現象(圖3)。

圖3 T3波分叉合并現象Fig.3 T3 wave bifurcation and merging phenomenon

T4波是B12、B13煤層形成的復合反射波。由于該組煤層在測區內穩定性好，結構單一，具有形成的反射波能量強，同相軸光滑連續，信噪比高的反射波的條件，由于受上部煤層的屏蔽及下步強反射層的影響，形成的反射波能量相對較弱，連續性差，依據上下煤層的反射波特征，全區可以連續追蹤。

T5波為B14煤層形成的反射波，由于該組煤層在測區內穩定性好，結構單一，具有形成反射波能量強，同相軸光滑連續的反射波，信噪比高，易于全區連續追蹤。

3.2.2 構造解釋與巖性分析

(1)褶曲的解釋。處理成果中的時間剖面煤層反射波的起伏形態基本上反映了煤系地層的構造形態。在三維地質體上，可切出任意時間的等時切片用以反映地層變化。

(2)斷點解釋。解釋過程中要充分利用下列手段：①充分利用工作站解釋系統的放大、多窗動態顯示功能，做到垂直剖面與水平切片聯合解釋，垂直剖面上出現的斷點必須在水平切片上有所反映。②解釋時不但要看正相位的變化，還要注意負相位的變化。③利用輔助相位確定斷層的斷面線。④對于落差較小的斷點，時差較小，除利用解釋系統的放大、多窗動態顯示功能外，可以利用多種手段(如正反極性剖面，瞬時振幅、相位剖面)提高小斷點的解釋精度。此次斷點評級分A、B、C三級。其中，A級斷點能可靠確定斷層上、下盤；B級斷點：達不到A級又不是C級斷點者；C級斷點能基本確定斷層的一盤或升降關系。

3.2.3 煤厚的解釋

(1)振幅變化與煤層厚度的關系。入射波主頻分別為50、100 Hz時不同厚度煤層的地震響應如圖4所示，從上到下煤層厚度h分別為1、3、5、10、20、30 m。

圖4 不同厚度煤層的地震響應Fig.4 Seismic response of coal seams with different thickness

從圖4(a)可以看出，煤層厚度大于20 m (h>λ/2)后，煤層反射波由2個極性相反、波形相同、可以明顯分開的反射子波組成，強振幅出現的位置與煤層頂、底界面相對應；煤層厚度為10 m(h=λ/4)時，對應煤層頂、底界面的反射子波剛好為同相疊加，振幅達到最大值；煤層厚度小于10 m(h<λ/4)后，煤層反射波振幅隨煤層厚度的減小而逐漸減小，強振幅出現的位置與煤層頂、底界面不對應。

從圖4(b)中看出，煤層厚度為5 m(h=λ/4) 時，復合反射波振幅達到最大值。

通過統計煤層反射波振幅與煤層厚度的對應關系，得到了二者的關系曲線(圖5)。該曲線分為厚度較小時的線性段、厚度增大時的極值段和厚度達到一定程度時的平穩段。①厚層區。此時h>λ/2，復合波已成為單界面的反射波，可識別煤層頂、底界面的反射。②厚層過渡區。當λ/4≤h≤λ/2時，煤層頂、底界面產生極性相反的反射波，振幅隨煤層厚度的增大而減小，非線性變化。③薄層過渡區。此時λ/8≤h≤λ/4，在此厚度范圍內，振幅與煤層厚度近似于線性變化。④薄層區。此時0≤h≤λ/8，煤層頂、底界面反射波時差在T/4以內變化。考慮到二者極性相反，當厚度增加時，相互抵消作用減弱，因而振幅隨厚度的增大而增大，二者線性變化相關。

圖5 振幅與煤層厚度的關系Fig.5 Relationship between amplitude and coal seam thickness

(2)波形變化與煤層厚度的關系。入射波在煤層界面發生反射時，可視其具有濾波作用：①當煤層厚度由小變大時，反射波的主頻由高向低移動，極值點個數增加。②當煤層厚度由薄變到λ/4時，主頻成分增長較快，且高頻成分增加。③入射波主頻不變時，對應于不同的煤層厚度，反射波的主頻產生變化。④入射波主頻不同時，反射波表現出不同的頻率特征。

(3)煤層厚度預測。根據此次三維地震勘探地震波的主頻(40 Hz)和波速(3 200 m/s)，可計算出地震反射波的波長為80 m，其1/4波長為20 m，而本區的鉆孔揭露的煤層厚度為0～10 m，僅少數鉆孔揭露的煤層厚度超過10 m。可將其視為一薄層進行厚度計算：首先鉆孔揭示煤層厚度與振幅進行擬合，得到反射波振幅與煤層厚度的準線性關系，并由此計算全區煤層厚度的變化趨勢。

4 地質成果

此次工作針對復雜地形、施工難度大、成孔困難等許多難題，通過全面、認真的試驗工作，確定了最佳的技術措施和施工方法，獲得了理想的原始資料，經過詳細的資料處理、認真的資料解釋等工作，在煤層底板構造形態、地下斷裂構造、煤厚變化與趨勢三方面取得成果。

4.1 煤層底板構造形態

研究區內各組煤層底板形態基本相似，參見B8煤層底板等高線(圖6)，總體為走向東西、傾向北的單斜構造，在單斜構造的主體框架上，發育有S1背斜、S2向斜、S3背斜、S4背斜、S5向斜和S6背斜，使局部地層走向、傾向發生改變。地層傾角一般在20°～28°。各煤層總體皆是南部淺、北部深。最深處位于研究區北東部，最淺處位于研究區最南部。

B8煤層底板標高在+1 170～+1 850 m，總體是南部淺、北部深，最深處位于勘探區北東部，ZK401孔附近，底板標高+1 170 m；最淺處位于勘探區最南部，ZK601孔附近，底板標高+1 850 m。

4.2 斷裂構造

總體來說，此次三維地震勘探區構造比較簡單，新發現DF1斷層，DF2斷層和DF3斷層都是落差小于5 m的斷層。

三維地震按40×80的網度，共解釋斷點23個，最終組合斷層3條，落差均小于5 m，按斷層的性質分，DF1斷層為正斷層，DF2斷層和DF3斷層為逆斷層。時間剖面特征顯示，煤層反射波錯斷明顯，斷點清晰，斷層特征明顯，見表4。

4.3 煤厚變化與趨勢

研究區內煤層多，間距小，由于厚度和層間距的變化造成在時間剖面上反射波的分叉合并頻繁，給煤厚變化的解釋與預測帶來很大困難。利用地震反射波的振幅進行正演模擬和反演解釋，結合地質因素對煤層厚度影響，制作了B1、B2、B3、B6、B7、B10、B13煤層厚度變化趨勢圖。B1煤厚5～9 m、B2煤厚4～9 m、B3煤厚4～7 m、B7煤厚2～7 m，B10煤厚4～6 m，B13煤厚1～2 m，屬于全區可采的穩定厚煤層。B6煤厚2～4 m，勘探區大部分區域厚度為2 m，全區屬于穩定可采的中厚煤層。

圖6 B8煤層底板等高線示意Fig.6 Contour map of B8 coal seam floor

表4 斷層性質Tab.4 Fault properties

5 結論

(1)風鉆成孔、加水壓實等措施能夠有效提高地震勘探激發效果。在新疆瑪納斯縣澇壩灣煤礦井區第四系覆蓋區，獲得了較好的三維地震勘探原始資料，為臨區地震工作提供經驗參數。

(2)深入研究本區內各組煤層分布特征，各煤層底板形態基本相似，總體呈東西走向、傾向北的單斜構造，南部淺，北部深。全區可采煤層厚度穩定。

(3)查明了區內斷層分布情況，新發現3條斷層，落差皆小于5 m。