三維地震勘探技術在甘肅赤城煤礦勘查中的應用

孔德璽

（華亭煤業集團赤城煤礦有限責任公司，甘肅 平涼 744000）

赤城煤礦位于甘肅平涼市崇信縣，地形屬高原丘陵溝壑區。礦區位于鄂爾多斯盆地西緣斷褶帶的南端，褶皺和斷裂走向基本一致，斷裂和褶皺構造伴生，斷裂則表現為高角度的壓性和壓扭性斷裂。由于受到南西～北東向擠壓效應，總體構造呈北北西向的“S”形構造[1]。

作為一座新建設煤礦，赤城煤礦現有勘查工作對采區內斷裂、褶曲的分布特征，陷落柱、采空區的發育情況，隱伏露頭、沖刷帶、煤層分叉等現象的控制程度無法滿足下一步煤礦的設計、生產、安全等要求。通過開展三維地震勘探不僅可以對煤層分布范圍和特征有更為精細的控制，也可以查明各種異常地質體和地質現象的發育情況，從而為煤礦的設計生產提供地質依據。

1 地質概況與地震條件

1.1 地層

煤礦范圍內地表出露及鉆孔揭露的地層自老而新有：中上三疊統延長組（T2-3y），下侏羅統富縣組（J1f），中侏羅統延安組（J2ya），中侏羅統直羅組（J2z），中上侏羅統安定組（J2-3a），下白堊統六盤山群（K1L），新近系干河溝組（N2g）和第四系（Q）[2]。

1.2 構造

赤城煤礦具體位置處于梁龍背斜的西翼或者赤城向斜的東翼，地層走向與主要構造延展方向嚴格受梁龍背斜和赤城向斜的控制，東北為平銅逆斷層切割。圖1 為研究區區域構造綱要圖。

圖1 研究區區域構造綱要圖

梁龍背斜：背斜軸走向北偏西10°～20°，延伸長約30 km。其東翼傾角40°～45°，西翼傾角30°～40°。為研究區內的重要構造，控制著煤層厚度、展布方向及埋藏深度。

赤城向斜：位于研究區的西側，為一走向北北西—南南東向的寬緩向斜。向斜軸北高南低，向南傾伏，南北向延展長達10 余km。向斜內含煤地層埋深超過1200 m，為研究區西側外圍的深部地帶。

唐帽山～狼窩壩逆斷層：位于安口—新窯向斜東北翼。走向與向斜軸大致平行，斷層面均為南西傾斜，傾角40°～60°，斷距大于300 m，長度分別為7 km 左右。該斷層是赤城煤礦的邊界斷層。

平銅逆斷層：位于研究區東部。該斷層對梁龍背斜的東翼煤系地層破壞較大，對煤礦內的煤系地層影響較小。在煤礦內，斷層走向北西25°，斷層面西傾，傾角大體為70°，上盤（西盤）上升，地層為下白堊統六盤山群和中侏羅統延安組的含煤地層，下盤（東盤）下降，地層為下白堊統保安群。受斷裂影響，中侏羅統延安組煤系地層逆覆于下白堊統保安群之上，其地層垂直斷距大于400 m[3]。

1.3 地震地質條件

研究區為典型的山地地貌，地形復雜多變，溝谷兩側切割劇烈，梁垣陡立，高差變化較大，最大高差將近500 m，地形地表條件較差。

研究區大部分淺層巖性以黃土為主，一般厚度大于10 m，下伏地層為紅色的黏土，含鈣質結核。該區域黃土較厚、松散干燥、速度低，對地震波的吸收衰減作用強烈，激發條件較差。煤5-2 層頂底板巖性以泥巖為主，煤層與圍巖雖存在較大的波阻抗差異，但是巖煤層傾角較大，給地震反射波的傳播和接收造成困難。綜合來看，研究區內地震地質條件屬于特別復雜地區。

2地層含煤性與主要煤層特征

2.1 煤層含煤性

煤礦區內中侏羅統延安組地層厚度為124.62～221.48 m，平均厚度170.69 m，煤系地層共含煤4 層（組）：煤1、煤2、煤3、煤5，分別位于延安組的第四段、第三段、第二段和第一段，其中煤5 又分為2 層。

延安組由第一段到第四段含煤性由強到弱，下部含煤性好，中部含煤性較好，上部含煤性最差。整個延安組地層平均厚度為170.69 m，各煤層平均總厚度為19.53 m，可采平均總厚度為16.72 m，相應的含煤系數是：總含煤系數11.44%，可采含煤系數9.80%。

2.2 主要煤層特征

區內主要可采煤層為煤5-2 層，也是本次三維地震勘探工作的主要目的層之一，煤層厚度在0.01～40.84 m之間，平均14.60 m，可采厚度0.7～33.18 m 之間，平均可采厚度為12.19 m。等厚線與底板等高線走向基本一致，厚煤帶展布方向為北西向，與煤層走向基本一致。在走向方向上，中部煤層厚，向南向北煤層變??；在傾向上，中部煤層厚，向東向西煤層變薄?？傮w上屬厚煤層。

煤層走向為北西32°，向西傾斜，北部煤層傾角一般為29°，最北端小范圍達46°，中部煤層傾角較陡，淺部40°～50°，深部31°左右，南部煤層較緩，一般在29°～30°之間。

3 資料采集與處理

3.1 采集參數

研究區共分為兩個區域，研究區東南為重點研究區域。為提高重點區域的勘探精度，在重點區采用5 m×10 m 的面元，其他區域采用10 m×10 m的面元。具體采集參數如下：

方案：12L×8S×全排列×2R 束狀觀測系統。

觀測方向65°；面元大小10 m×10 m（重點研究區域為5 m×10 m）；覆蓋次數＞60 次；接收道距20 m（重點研究區域為10 m）；接收線距80 m；炮點點距20 m；炮點線距160 m（重點研究區域為120 m）；排列片橫向滾動距離160 m。

由于研究區地震地質條件特別復雜，因此在數據采集過程中，對常規三維地震滾動施工方式進行了改進，采用炮點按照設計進行滾動激發，接收排列采用了固定排列，既每一束炮點激發時，使用束內接收測線所有檢波器進行了接收。采用這種生產方式，不僅全區覆蓋次數有了明顯的提高，而且在采集過程中更兼顧了淺中深等地層的信息。

3.2 資料處理

工作區處于低山丘陵區，地形變化大，淺表層地震地質條件復雜，基巖裸露區、薄黃土沉積區、厚黃土沉積區的同時存在導致了激發條件的巨大差異，也給地震波傳播和接收帶來困難。這些因素造成了激發地震子波的不同和接收信息的頻帶不同。

結合區內的地震地質條件以及地質任務，首先對數據進行了試處理，根據試處理結果確定最佳處理流程和參數。關鍵處理技術有：

1）靜校正技術

研究區地表起伏較大，近地表情況復雜，高差達500 m，相應地引起單炮初至起伏變化，淺表層地震地質條件復雜，薄黃土沉積區、厚黃土沉積區交互，地震記錄初至波“崎嶇”不齊，煤層反射波不再遵循雙曲線規律，靜校正問題嚴重，嚴重影響了目的層的成像精度。只有做好靜校正，才能實現同相疊加，才能提高地震資料的分辨率。

2）多域聯合疊前去噪技術

地震數據中存在著多種干擾，不同的干擾需要采用不同的處理手段進行去除，在去除干擾的過程中要遵循合理的步驟[4]。實際處理過程中需要采用不同的方法，在時間域、空間域、頻率域等多域采用不同方法聯合，才能更好地去除地震數據中的干擾。

3）振幅補償技術

為了彌補地震波在傳播過程中受擴散和地層吸收等引起的振幅損失，主要采用了球面擴散補償、地表一致性振幅補償和剩余振幅補償等手段。

4）反褶積技術

研究區內厚黃土對地震波頻率衰減嚴重，反褶積技術可以通過壓縮地震子波，在提高地震反射波頻率的同時也提高了垂向的分辨率[5]。

5）速度分析

為了提高速度分析精度和準確性，進一步提高地震資料的成像品質，在開展速度交互分析時，將動校正切除、地表一致性靜校正與其相結合[6]。

6）DMO 疊加

研究區目的層傾角較大，且斷層發育，采用水平疊加，對傾角較大的反射層成像不利，采用DMO 疊加，剖面信噪比明顯提高。

7）疊后偏移

對不同百分比速度進行偏移掃描，比較不同速度的偏移效果，最終選擇繞射波收斂好、斷點的刻畫更清晰的偏移速度。

4 成果解釋

4.1 解釋方法

三維地震資料解釋是利用不同的解釋方法，把地震勘探工作所取得的時間域的數據體與實際地質情況相結合，并最終將其轉變為地質成果的過程。根據由已知到未知，由簡單到復雜，由點到面，由大到小的原則[7]，充分利用解釋工作站的靈活、高效、直觀的特性，綜合已知地質測井資料進行綜合解釋。

1）層位標定。利用區內現有鉆孔、測井資料，通過制作人工地震合成記錄，結合實際地震剖面，來確定地震反射波與地質層位的對應關系[8]。

2）層位追蹤。根據層位標定結果進行全區目的層位的對比追蹤，由聯井時間剖面開始解釋，根據合成地震記錄標定的層位，實現井與井之間的連續追蹤，然后根據反射波的波組特征外推，形成80 m×80 m 的粗網格解釋成果。解釋過程中要做到全區層位閉合，同時觀察時間剖面上的反射波的特征變化，尤其是特殊地質現象的反射波特征，要從多個方向上同時對比確定。

3）構造解釋。主要包括褶曲解釋、斷層解釋和特殊地質現象解釋。認識區域構造發育規律與研究區構造發育規律的關系，建立構造框架。分別利用走向剖面、傾向剖面和水平切片三個維度的數據對斷層的落差、水平斷距、傾向等進行相互印證，同時也能提高斷層的組合和平面延伸的控制程度。對于小型構造、河流沖刷、陷落柱等特殊地質現象的解釋，可以結合地震屬性技術來提高解釋精度和可靠性。

4）綜合解釋。利用解釋工作站的多種數據顯示功能，通過人機聯作對區內多種資料進行綜合對比分析，可以提高資料解釋的精度和可靠程度，從而確定最終解釋方案，對區內煤5-2 層賦存形態和構造發育情況進行了解釋。

4.2 地質成果

1）在研究區內煤5-2 層總體構造為一傾向南西、走向北西向的單斜。研究區內次級褶皺較為發育，自北向南有連續的向斜背斜交替出現。

2）煤層隱伏露頭解釋。目的煤層的反射波和白堊系底界面的反射波的不整合交點處即為各目的煤層的隱伏露頭，研究區內隱伏露頭表現為上覆白堊系地層與下伏侏羅系地層角度不整合接觸面，隱伏露頭在研究區內控制長度為3.2 km。

3）斷點解釋。本次地震勘探在區內組合解釋斷層3 條，如圖2 所示。斷點解釋時以波形變面積時間剖面為主，結合彩色顯示剖面及各種屬性切片識別斷點，圖3 為DF1 斷層在振幅屬性圖上的顯示。落差較大斷層斷點的主要標志為：多組反射波同相軸發生錯斷，強弱相位發生明顯轉換，同相軸相位的突然增多或減少、分叉合并，斷點繞射波的出現。落差較小的斷層斷點主要標志為：反射波同相軸扭曲，同相軸的產狀發生突然變化，同相軸連續性、光滑程度及振幅強弱變化。

圖2 研究區構造圖

圖3 DF1 斷層在振幅屬性圖上的顯示

Fx 斷層，逆斷層，位于研究區南部，向北延伸至研究區中部，基本貫穿重點研究區，區內延伸長度3.2 km，走向由北北東向（N7°E）轉為北北西向（N18°W），傾向由97°轉為72°，傾角60°～80°，落差0～200 m。

DF1 斷層，逆斷層，位于研究區中部，區內延伸長度700 m，走向北西向（N36°W），傾向54°，傾角60°～80°，落差0～40 m。

DF2 斷層，正斷層，位于研究區北部，區內延伸長度445 m，走向北東向（N43°E），傾向313°，傾角40°～50°，落差0～10 m。

4）褶皺解釋。褶皺在三維地震數據體上比較容易識別，在地震時間剖面上，反射波同相軸上凸反映背斜構造，反射波同相軸下凹反映向斜構造。圖4 為向斜在時間剖面上的顯示。

圖4 向斜在時間剖面上的顯示

研究區內次級褶皺較為發育，自北向南有連續的向斜背斜交替出現，褶曲幅度較大，兩翼傾角都相對比較寬緩，查明區內波幅≥10 m 的次級褶皺6個，其中背斜3 個，向斜3 個。

5）煤層分叉解釋。地震時間剖面上煤層反射波同相軸的分叉合并是識別煤層分叉合并現象的主要標志。在分叉區段，地震時間剖面上反射波特征表現為：煤層反射波的相位分成兩個相位，其能量相對合并區較弱，振幅相對變弱，而頻率相對偏高，研究區內的地震資料的信噪比較低，因此煤層分叉現象在部分時間剖面上顯示并不明顯，對煤層分叉現象反映較為明顯的振幅屬性來對煤層分叉現象進行輔助解釋。

6）沖刷帶解釋。研究區西部，部分巖石碎屑中含絲炭和鏡煤不規則條帶，并與煤5-2 層底板粉砂巖和細砂巖為突變接觸，有明顯的沖刷現象。在解釋過程中，沖刷帶在時間剖面上表現為煤層反射波突然消失形成一個條帶狀的區域，部分時間剖面表現上部地層內反射波向下凹陷，如圖5 所示。古河床沖刷作用在研究區的西部，由西北到東南貫穿全區，研究區內控制沖刷面積約1.8 km2。

5 結論

1）研究區通過開展三維地震勘探，查明了主要可采煤層煤5-2 層的起伏形態，區內構造相對不發育，共有3 條斷層，起伏大于10 m 的褶皺有6 個。在研究區圈出了古河床沖刷對煤層的影響范圍，對煤層分叉區域進行了初步解釋，查明了煤5-2 層的隱伏露頭位置。這些成果為煤礦的下一步建設和開采工作都提供了可靠的地質依據。

2）當今三維地震技術在煤田勘探中已經較為成熟，但是在實際應用過程中，要根據研究區地形、地質條件、地質任務等設計針對性強的觀測系統，通過試驗確定最佳的采集參數，同時根據野外地震單炮數據特點，通過試處理、預處理確定合理的數據處理流程，并結合鉆孔、測井等地質資料對三維地震成果進行推測解釋，力求獲得可靠程度高的成果數據，從而為煤礦建設提供可靠的地質依據。

3）充分利用地震屬性提取技術，能夠較好地彌補常規地震時間剖面受分辨率影響而造成的小型構造特征不明顯的缺點，為進一步查明構造發育提供依據。

綜上可知，三維地震勘探技術在煤田勘查中應用雖較為成熟，實際應用中須結合已有資料和地震地質條件，設計合理的觀測系統，通過完善的處理手段和成果解釋方法，才能最終控制煤層賦存特征以及構造發育情況，查明各種異常地質體和地質現象的分布特征，為煤礦生產提供可靠的依據。