二維地震技術在慈圣鎮東煤炭資源勘查中的應用研究

王 雷,劉華曉

(河南省有色金屬地質礦產局 第四地質大隊,河南 鄭州 450016)

二維地震勘探技術在確定油氣儲藏位置以及煤炭資源分布起到了重要作用[1-2],該技術在地面上設置一些測線,然后,沿測線進行地震勘探施工,對地震波信息進行采集,將該信息輸入到計算機中,得到地震剖面圖[3-5]。研究區位于河南省柘城縣城北,屬慈圣鎮管轄,西自崔莊,東至何堂,南起崗王鄉,北到楊寨,南北長7～11 km,東西長約7.6 km,勘查面積約60 km2。其地處豫東平原,總體地勢北西高,南東低,平均海拔為+50 m。采用二維地震技術,勘查了慈圣鎮東煤炭資源。研究為后期煤炭的開采提供技術支持。

1 研究區地質與地震地質條件

1.1 地質概況

1.1.1 地層

根據區域及鄰區資料顯示區內地層自下而上依次為:中奧陶統,上石炭統本溪組、太原組,下二疊統山西組、下石盒子組,上二疊統上石盒子組、石千峰組,新近系,第四系。

(1)奧陶系(O)。中奧陶統馬家溝組(O2),下部主要是含燧石條帶細晶白云巖和粉砂鈣質泥巖;中下部為泥質白云質灰巖與石灰巖互層;中上部為白云巖、泥晶灰巖等;上部為角礫狀微晶灰巖及泥晶白云巖、花斑狀泥晶灰巖等,含角石、海綿骨針化石。厚約40 m。

(2)石炭系(C)。主要為上統本溪組(C2b)和太原組(C2t)。①本溪組(C2b)。下部為致密塊狀、鮞狀鋁土泥巖、含赤鐵礦團塊(山西式鐵礦)等,有時夾黃鐵礦層,為K1標志層,均厚20 m左右,上部巖性主要為深灰色泥巖。②太原組(C2t)。下部以燧石灰巖(K2)與本溪組地層分界,頂部以K3灰巖與山西組地層分界。主要由泥巖、砂質泥巖、灰巖(8～13層)和煤(一煤組)組成,并含大量的腕足類化石。厚度100～150 m。

(3)二疊系(P)。上統為石千峰組(P2sh)、上石盒子組(P2s),下統為下石盒子組(P1x)、山西組(P1s)。主要由砂巖、細砂巖、粉砂巖,砂質泥巖、泥巖、黏土巖和煤層組成。①山西組(P1s)。本組含煤1～4層,其中二2煤為區內的主要可采煤層,并含有大量的羊齒類化石,厚約76 m。②下石盒子組(P1x)。下部為淺灰色鋁質泥巖,底部為鮞狀鋁質泥巖(K4),常見紫斑。含豐富植物化石,多為羊齒類。中部以淺灰色細砂巖、粉砂巖、泥巖為主,夾煤線及炭質泥巖,賦存三煤組。有巖漿巖侵入。上部為灰色砂質泥巖,薄層鮞狀鋁質泥巖夾煤線,炭質泥巖;本組地層厚約274 m。③上石盒子組(P2s)。下段頂部為灰色、中粗粒砂巖(K6),為區內重要標志層。中部以紫紅色及灰色泥巖為主,最下部為一層具泥質條帶及團塊和層理的中細粒砂巖(K5),一般厚10 m左右。上段底部為中粗粒長石石英砂巖(K8),下部以泥巖為主,夾粉細砂巖;上部為灰色泥巖、砂質泥巖與粉細砂質互層。中部以深灰色泥巖及中細粒砂巖(K7)為主,夾薄煤線2層,稱四煤組或五煤組。頂部常含鋁質,具紫斑。本組地層厚約305 m。④石千峰組(P2sh)。中部為紫紅色鋁質泥巖、砂質泥巖夾薄層泥晶灰巖。上部為同生礫巖,以青灰色、灰褐色粉砂巖及細砂巖互層,夾泥巖、砂質泥巖及1～5層淺灰色礫屑灰巖、泥質礫屑灰巖。本組地層厚度426 m。

(4)新近系、第四系(Q+N)。第四系為黃褐色粉砂亞砂土、亞黏土、黏土、細砂等,黏土中具鐵錳質及鈣質結核。厚950～1 025 m。

1.1.2 構造

研究區位于華北地臺,黃淮盆坳永夏盆陷,商丘斷隆白廟—河堤地塹之南。研究區及鄰區重力異常顯示為中間抬起的寬緩異常,石油地震成果也顯示為中間抬起的寬緩背斜。區內構造簡單,表現為一向南傾斜的單斜。向北上升過程中煤層尖滅在商丘斷隆。

1.1.3 煤層

研究區含煤地層為石炭系太原組、二疊系山西組和上、下石盒子組。含煤6個煤組15～27層,其中二疊系山西組和下石盒子組為研究區主要含煤地層。

(1)二煤組。含煤2層,自下而上分別為二1、二2煤。二1煤局部可采,二2煤分布不太穩定,部分可采。經鉆孔驗證和地震時間剖面分析,二2煤層全區部分沉積缺失,分布不太穩定,平均厚1.25 m左右,預測二2煤層埋深小于1 800 m。

(2)三煤組。位于下石盒子組下部,含煤5層,自下而上分別為三1、三2、三3、三4、三5,其中三1、三2煤局部可采,三3、三4、三5煤偶而可采,各煤層平均可采厚度0.8～1.5 m。二2煤層在區內分布不太穩定,二2煤層賦存于山西組中下部,層位穩定,據鉆孔資料和時間剖面分析對比,部分有二2煤層。煤層頂板為細中粒砂巖,厚度5.54～20.63 cm;底板為泥巖及砂質泥巖,厚度1.08～3.88 m。據鄰區資料、區內鉆孔揭露,二2煤層厚為1.25 m左右。煤層厚度無論沿走向或是傾向都有變化,煤層結構簡單,偶爾含夾矸一層,多分布在二2煤層下部,厚0.05～0.50 m,夾矸巖性為泥巖或炭質泥巖及砂質泥巖。煤層穩定程度屬較不穩定型。根據已有資料分析,煤層厚度的變化,在預查區范圍內受沉積環境的影響,而在一定范圍內則受后期構造擠壓,使煤層產生塑性流變而發生變化。局部可見古河道沖刷使煤層變薄。

1.2 地震地質條件

(1)地表條件。研究區屬黃淮沖積平原,為第四系全掩蓋區,地勢平坦,交通便利,有利于地震勘查施工,但區內居民點密集,并且村莊較大,這給野外施工增加了一定的難度。

(2)淺層地震地質條件。研究區地表為第四系松散沉積物覆蓋,巖性多為黏土或砂質黏土。潛水位3.6～8.0 m,有利于輕便鉆工具成孔及炸藥激發。

(3)深層地震地質條件。研究區新生界主要由黏土、砂土夾薄層砂礫層等組成,平均速度為1 900 m/s,密度2.2 g/cm3,下伏基巖多為砂巖及粉砂巖,平均速度3 500 m/s,密度2.70 g/cm3,兩地層之間存在明顯的波阻抗差異,具有形成反射波條件,能形成T0反射波。二2煤層為厚度不穩定、結構簡單的部分可采煤層,煤層與頂底板分層明顯,存在顯著的波阻抗差異,能形成較強的T2反射波,由于二2煤下部局部發育有二1煤,其間距較小,因而形成二2煤的復合反射波。

2 二維地震技術參數確定

2.1 技術參數

為了獲得最佳效果的施工參數,省地質局物探隊在認真分析以往資料的基礎上和對工區的踏勘后,選取了2個試驗點、1條試驗線。地震研究工作的重點是提高原始記錄的信噪比和分辨率,提高原始記錄的質量,試驗主要內容如下[6-9]。

2.1.1 井深試驗

(1)試驗點1。地下水位為6 m左右,以3 kg藥量為基準,主要進行端點試驗,原則是下傾放炮,上傾接收,其偏移距為120 m,分別進行14、13、12、11、10、9 m的井深激發試驗,如圖1所示。

圖1 井深試驗單炮記錄Fig.1 Single shot record of well depth test

(2)試驗點2。地下水位為4 m左右,同樣以3 kg藥量為基準,經過試驗點1的試驗情況,選取了端點和中間點2種激發方式的試驗,端點偏移距為140 m,分別進行9、10、11、12、13、14 m的井深試驗。通過對比最終發現12～14 m的單炮目的層穩定,反射強、連續性好的反射波組。

2.1.2 藥量試驗

對獲得的最佳井深12～14 m,以0.5 kg藥量為間隔進行1～4 kg的藥量的試驗,最終發現藥量太小,反射波能量弱。藥量太大,有效波頻率低,經過對比,4 kg藥量反映的有效波能量突出,信噪比高,如圖2所示。

圖2 藥量試驗單炮記錄Fig.2 Record of single shot of charge test

根據試驗點1、試驗點2得出的試驗效果和參數,做了一條試驗段,經過初疊處理,得出的時間剖面反射波能量強,連續性好,波形穩定。試驗段時間剖面如圖3所示。

圖3 試驗段時間剖面Fig.3 Time profile of test section

2.1.3 試驗結論

通過以上試驗點和試驗線資料的分析對比,結合設計要求以及本項目施工經驗,綜合技術經濟合理原則,得出以下試驗結論。

(1)激發因素。井深12～14 m,藥量4 kg(遇到障礙物可適當減少,但不能低于2 kg)。

(2)接收因素。采用主頻為60 Hz的2串2并4個檢波器接收。組合基距采用堆放插置。使用Image多道數字地震儀,采樣間隔為1 ms,記錄長度為3 s。

(3)觀測系統。道距20 m;炮距20 m;96道接收;疊加次數48次;激發方式為端點激發;偏移距140 m。

2.2 工程布置及設計工作量

為完成地質任務,物探采用二維地震的方法。

2.2.1 二維地震測線布置原則

因預查工作中二維地震測量得出的主測線間距為2 000 m,對一些構造和部分區段煤層分布界線未能完全控制,此次勘查主測線進行加密,加密后主測線線距1 000 m,達到研究要求。

2.2.2 設計工作量

全區共布置主測線3條,剖面總長度16.04 km,測線物理點800個,試驗物理點50個,總計物理點850個,二維地震設計工作量見表1。

表1 設計工作量Tab.1 Design workload

2.2.3 野外工作量完成情況

本次共完成二維地震勘查測線3條,地震剖面總長度17.51 km,完成試驗物理點38個,試驗記錄全部合格。生產物理點821個,其中甲級記錄707張,甲級率86%;乙級記錄114張,乙級率14%;廢品記錄0張,廢品率0%。全區共計完成物理點859個,符合設計和《煤炭煤層氣地震勘探規范》的要求。地震實物工作量見表2。

表2 地震實物工作量Tab.2 Physical workload of earthquake

3 資料處理

3.1 預處理

預處理地震數據處理中非常關鍵的基礎工作,在本次資料處理時給予了足夠的重視并采取了有力的措施[10-12]。

(1)研究區空間屬性(檢波點、炮點高程、炮點位置、接收排列等)在野外施工時已按一定格式輸入計算機并存入了磁盤,輸入后進行了反復核對,確保準確無誤。處理中將軟盤數據直接轉換成處理系統的空間屬性格式即可,保證后續處理快速、準確。

(2)對單炮記錄逐炮顯示,進行不正常道、炮的剔除以及聲波、面波和高、低頻不規則干擾波等的切除,保證單炮記錄有較高的信噪比。

(3)振幅恢復、濾波、參數反復調試,對比效果,選擇最佳參數。

3.2 靜校正

靜校正是地震資料處理的一個重要環節,關系到剖面的信噪比和分辨率,可分為3部分:野外靜校正、初至折射靜校正、剩余靜校正。時間剖面剩余靜校正前后如圖4所示。

圖4 時間剖面剩余靜校正前后Fig.4 Before and after residual static correction of time profile

3.3 反褶積

由于大地的濾波作用,震源激發的尖脈沖經地層傳播而被檢波器記錄下來的反射波形已不是一理想的脈沖,而是一個混合相位波形。也就是說由于大地濾波的作用,降低了時間分辨率,不僅造成時間上的延遲,而且對地震波的振幅特性和相位特性均有影響,為此需要做反褶積。本次處理采用了地表一致性反褶積,提高反射波頻率,拓寬頻帶。

3.4 速度分析

速度參數是地震數據處理中一個非常重要的物性參數,直接影響疊加效果和后期解釋的精度。針對地震地質條件,速度分析時采取了以下措施:①速度分析點均勻分布,研究區速度譜密度為200 m,在反射波品質優良及波阻抗齊全的地段,適當加密;②拾取速度譜時,在測線交點處檢查速度選擇的合理性;③拾取速度譜時,為拾取最佳速度,采用交互式速度分析法、同窗顯示道集動校正效果和疊加效果;④速度譜分析共進行3次,提高疊加和偏移效果。

研究區內有已知鉆孔ZK01、ZK02、ZK04、ZK06、ZK08、ZK10,見煤孔位為ZK01、ZK02、ZK06。根據見煤孔深度,求出研究區的速度,由于孔的分布有限,通過這幾個孔很難求出全區的平均速度,所以本工區時深轉換速度是利用鉆孔求出的速度和疊加速度譜上讀取的每一時間段疊加速度,最后求出的平均速度。經計算研究區新生界速度為2 000 m/s;二2煤速度為2 100～2 400 m/s,如圖5所示。各時間段用的平均速度見表3。

表3 求取的時深轉換平均速度Tab.3 Average speed of time depth conversion obtained

圖5 本次速度譜Fig.5 This velocity spectrum

3.5 處理成果質量評述

經過處理人員的精心處理,取得了較好的效果,多條測線目的層反射波(T0、T2)信噪比較高、波組特征明顯。時間剖面的分類標準[13-16]如圖6所示。

圖6 時間剖面的分類標準Fig.6 Classification standard of time profile

全區地震勘查共完成地震測線3條,通過精細的處理工作,獲得時間剖面總長17.51 km。其中,Ⅰ類剖面10.22 km,Ⅱ類剖面長5.61 km,Ⅰ、Ⅱ類剖面長15.83 km,占90.4%。Ⅲ類剖面長1.68 km,占9.6%,如圖7所示。

圖7 時間剖面分類Fig.7 Classification of time profile

4 資料處理

時間剖面解釋從主測線與聯絡線入手,分析反射波組特征,確定時間剖面中反射波組T2波(二2煤反射波)和T0波(新生界反射波),然后依據交點閉合方法在水平疊加剖面上縱橫聯網解釋對比,完成時間剖面的初步解釋。

4.1 地質層位的確定

地震資料的解釋首先要確定反射波的地質層位。此次研究反射波地質層位的確定主要靠周邊鉆孔資料,借助聯絡線和主測線的閉合點和輔助相位的關系,并與上次預查的時間剖面,綜合分析此次研究的地震資料和已經施工的鉆孔資料,最終確定其地質層位。

4.2 波組特征

研究區地震勘查所追蹤的目的層反射波為二2煤形成的反射波T2波和新生界形成的反射波T0波。T2波常由1～2個強相位組成,能量強、波形穩定、基本可連續對比追蹤。新生界覆蓋層較厚,與下伏砂巖有較大的波阻抗差,形成的T0波能量強,可連續對比追蹤,如圖8所示。

圖8 T0、T2波在時間剖面上的顯示Fig.8 T0,T2 wave display on time profiles

(1)T0波。所有剖面的多數地段,T0波顯示突出,一般以1～2個強相位連續出現,易于識別。另一特點是T0波反映的地層產狀近似水平,出現在1 s附近,與下伏反射層呈較為明顯的角度不整合接觸。尤其是在測線D250、D290線上這種特征顯示明顯。

(2)T2波。由于地震解釋存在著多解性與探索性,原來解釋的能量強、連續性好、能對比追蹤的層位被當成是二2煤層反射的T2波來解釋,經后期鉆孔資料和時間剖面二次分析后,發現那一層不是二2煤層引起的反射波,很可能是下面地質層位引起的強反射波。研究區T2波的二次確定主要根據鉆孔的見煤情況和見煤孔附近的時間剖面特征來確定的,從鉆孔資料分布范圍和見煤情況來分析,二2煤層在研究區分布不均勻,部分沉積缺失,研究區T2波的特征在時間剖面上斷斷續續,主要是以一個相位出現,并且有的地段反射較強,有的地段稍弱。

4.3 本次反射波地質層位的確定

(1)T0波反映的反射界面產狀近似水平,與下伏地層呈角度不整合接觸,出現時間在1.0 s附近,經計算深度約1 000 m左右,與周邊鉆孔和區內ZK01鉆孔新生界厚度基本吻合:這些鉆孔的地震時間剖面上,T0波特征與研究區相似。因此,將T0波解釋為來自新近系底板的反射。

(2)T2波地質層位解釋。經研究區鉆孔資料、臨區鉆孔資料和時間剖面綜合分析,未見煤孔為二2煤沉積缺失,因此通過所有資料綜合分析,對原來解釋的二2煤層產生的T2反射波進行修改,并最終做出了二次解釋,重新確定T2反射波層位。

4.4 構造解釋

在煤層地震勘查中,控制斷裂構造和褶皺形態是主要地質任務之一。解釋斷點的依據很多,但在煤田勘探中最常用的依據是波系、波組或標準波的錯斷、終止、扭曲、產狀突變。斷點確定后,再根據斷點特征和地質規律組成斷層。褶皺形態則依據剖面和等高線平面圖上標志層的起伏變化即可確定。

5 地質成果

5.1 新生界厚度變化趨勢

研究區新生界底界面多數地段是一個強的反射界面,以此界面求得的新生界厚度是比較可靠的。研究區新生界厚度變化較小,從新生界等厚線圖中可看出,厚度從西南向東北逐步變薄,在勘查區西南部最厚(約1 025 m),東北部最薄(約925 m)。

5.2 二2煤層分布范圍和底板形態

(1)二2煤層分布范圍。地震時間剖面上T2波解釋為來自二2煤層的反射波。T2波存在及分布范圍基本代表二2煤層分布范圍。因此,研究區二2煤部分存在,其余為沉積缺失。

(2)二2煤層底板形態。從二2煤層底板等高線圖上可以看出,研究區二2煤層構造形態較為簡單,僅一條近南向北的DF1斷層從區內穿過,煤層分布不均勻,在區中部地段為沉積缺失,基本形態為一從西南向東北抬升的單斜。其埋深從西南向東北逐漸變淺,只在局部地段略有起伏,二2煤層底板標高為-1 100～-1 600 m,煤層傾角3°～5°。區內有1條斷層,走向NNE、傾向SEE從區內穿過的DF1斷層,經過原L30線、L20線、L10線。

5.3 斷裂構造

從本勘查區第一次解釋的二2煤底板成果可知。研究區二2煤層構造相對比較簡單。勘查內發現2條斷層即DF1、DF2斷層,5個斷點:其中預查區2個,為FPD230-1和FPD230-3位置均在D230線上;研究區3個分別為D230線、L30線、L20線上的FPD230-3、FPL30-4 、FPL20-5斷點。經二次解釋后勘查內只發現有1條斷層即DF1斷層,2個斷點即FPD230-1和FPD230-3,位置均在D230線樁號1720和6100附近。

(1)本勘查區在L30線樁號7630附近,T2波出現明顯錯斷,錯斷時間0.1 s,T0波無明顯錯斷,如圖9所示。

圖9 L30線時間剖面DF1斷層特征Fig.9 DF1 fault characteristics of L30 time profile

(2)在L20線樁號8730附近,T2波出現明顯錯斷,錯斷時間為0.065 s,如圖10所示。在L10線樁號4350附近T2波發生錯斷。通過交點對比DF1斷層上下盤T2波反射層位閉合良好,但由于研究區目的層部分地段沉積缺失反射波不連續,時強時弱,時有時無,所以對我們解釋的斷層位置存在多解性。通過三個斷點相連,組成DF1斷層。在L30測線附近斷層落差為120 m左右,在L20測線附近落差為110 m左右,在L10測線附近落差為70 m左右。根據斷層的特征劃分,該斷層為一基本正斷層,區內延展長度9 km,其走向為NNE向,傾向SEE,傾角61°,落差50～100 m,從南向北有變小的趨勢。

圖10 L20線時間剖面DF1斷層特征Fig.10 DF1 fault characteristics of L20 time profile

6 地質成果

(1)全區地震勘查共完成地震測線3條,通過精細的處理工作,獲得時間剖面總長17.51 km。共計完成試驗物理點38個,記錄全部合格。生產線物理點821個,其中甲級記錄707張,甲級率為86%;乙級記錄114張,乙級率為14%;廢品記錄0張,廢品率為0%。全區共計完成物理點859個。甲級率超過了《煤炭煤層氣地震勘探規范》對原始記錄品質的要求。

(2)按照《煤炭煤層氣地震勘探規范》的標準,對本次所獲得的時間剖面進行了評級,在獲得的時間剖面長17.51 km中,其中Ⅰ類剖面10.22 km,Ⅱ類剖面長5.61 km。Ⅰ、Ⅱ類剖面長15.83 km,占90.4%,Ⅲ類剖面長1.68 km,占9.6%。為資料解釋打下了堅實的基礎。經資料解釋,取得如下地質成果:①明確了覆蓋層厚度及變化情況,研究區新生界西南部較厚,東北部稍薄,厚度為925～1 025 m。②查明了工作區構造輪廓。通過二次分析解釋成果,共解釋斷層1條,即DF1斷層;孤立斷點2個,分別為FPD230-1、 FPD230-3斷點。③查明了二2煤層的構造形態及分布范圍,二2煤層底板形態總體為一走向近東西向,傾向南的單斜,二2煤底板標高在-1 100～-1 600 m。