巖漿巖覆蓋的深部煤層高精度三維地震勘探設計及研究

摘要：高精度三維地震勘探技術在提高數據采集密度的同時，可以有效提高地震信號的信噪比及縱橫向分辨率。山東濟寧地區巖漿巖高度發育，對下伏地層反射有屏蔽作用，以及形成多次波對煤層有效波具有干擾作用；煤層埋藏較深，普通三維地震勘探煤層反射波能量弱、信噪比低。濟寧研究區通過寬頻、寬方位、高密度高精度三維地震設計精細記錄地震波場，提高縱橫向分辨率，確保小構造的解釋精度，總結出一套適合巖漿巖覆蓋的深部煤層地區的高精度三維地震勘探技術。

關鍵詞：高精度；三維地震；高密度采集；層析靜校正；疊前時間偏移

中圖分類號：P631.4""" 文獻標識碼：A""" doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2025.02.006

0 引言

深部煤礦開采對煤層賦存條件、構造發育情況以及水、瓦斯災害等煤礦開采安全問題提出了更高的地質勘探精度要求，而一般窄方位采集方法以及地震傳統處理解釋技術準確率較低，難以滿足深部煤礦開采要求。隨著煤炭工業的發展，利用數字地震儀，數字檢波器，采用高精度三維地震勘查技術，在復雜地區進行地震勘查，在地質勘查中運用越來越廣泛^［12］。高精度三維地震勘查以精度更高的觀測系統、更加完善的野外施工質量保證體系為基礎^［3］。采用地震野外數據采集、地震數據處理和解釋一體化技術思路，應用高密度采集、層析靜校正、疊前偏移及譜分解等新技術、新方法，進一步提高了勘探準確度和勘探能力，取得了好的地質效果^［48］。

山東省濟寧研究區進行過三維地震勘探工作，取得了較為豐富的地震數據成果，根據煤礦開采的需要，同時也進一步增強對地震數據的使用，對原來的地震勘探數據資料進行了二次精細處理和解釋，但因原始野外現場地震勘探采集的數據品質相對較低，和煤礦開采過程中實際揭露情況相比，仍存在3煤底板標高、斷層位置及產狀的解釋結果與實際揭露情況存在較為明顯的差距問題，雖然經過二次解釋，但解釋結果依然難以滿足煤礦工作面布置、井下巷道設計及研究區采掘工程高效掘進以及煤層開采生產的實際需要。通過設計出一種適合巖漿巖覆蓋深部煤層的高精度勘探技術方案，滿足煤礦延深區設計和井下開拓生產的需要，對提升研究區勘探精度具有重要意義。

1 研究區概況

山東省濟寧煤田研究區位于濟寧地塹西側北部區域，礦井處于濟寧煤田的西南邊界區域。該研究區屬于黃河沖積平原，地表地形較為平坦，地勢一般沒有起伏，東北部略高，西南部略低，地表自然地形坡度萬分之二左右，地面標高為+35.38m～+38.8m。研究區為華北型石炭二疊系含煤地層，地層由老到新發育有奧陶紀馬家溝群，石炭二疊紀月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀石盒子群，侏羅紀淄博群三臺組及第四紀地層研究區構造總體上主要為NW向的向斜，各褶曲因受多次改造及斷層切割，研究區斷層較為發育，相對復雜構造主要有嘉祥支斷層縱穿井田南北。礦井在上侏羅統三臺組下亞組的中上部，普遍發育一層巖漿巖，呈巖床狀分布。礦井西北部厚度為82.50～107.60m，平均96.03m，研究區內鉆孔揭露均見巖漿巖，區域內含煤地層主要為山西組和太原組，平均總厚度222.68m，煤層平均總厚度16.23m，含煤系數7.29%；其中含可采煤層共3層，平均總厚度10.16m，占煤層平均總厚度的62.6%。

2 地震地質條件

研究區及周圍共有8個村莊及相關企業，還有部分鄉村魚塘及蔬菜大棚，原京杭老運河從測區中東部穿過，研究區內部分房屋已拆遷，地表堆積了較厚的磚瓦等廢棄物，研究區地表地震地質條件復雜。區內淺層潛水面2m左右，激發條件良好，研究區淺層地震地質條件較好。區內中深部經鉆探揭露有巖漿巖侵入，其平均厚度為70m左右，巖漿巖會對下伏地層反射波的能量有一定的屏蔽作用，影響地震數據采集的信噪比和分辨率；加之研究區內主要目的層埋藏較深，反射吸收衰減嚴重，傾角較大，研究區深層地震地質條件較為復雜。總體上本區地震地質條件較為復雜。

3 觀測系統設計

3.1 觀測系統參數選擇依據

采用適合研究區野外數據采集和數據處理的觀測系統是地震勘查工作的重要內容，三維觀測系統參數選擇合理與否會直接影響地震野外數據采集的效果和最終勘探精度^［3，9］。根據研究區地震地質條件情況，應用現場踏勘情況、以往施工對比以及理論計算相結合的方法，結合研究區鄰區三維地震資料以及參數設計情況、現場井深、藥量、微測井、小折射等試驗確定本次三維觀測系統的參數（表1），目的是達到獲取高“信噪比”的地震數據。

3.2 觀測系統參數選擇

根據以往經驗，高精度三維地震采集技術的核心是面元小、覆蓋次數高^［10］。在進行觀測系統優選時，不僅要考慮排列長度、覆蓋次數、面元大小等因素，保證大部分面元的炮檢距和方位角分布均勻，同時要考慮空間采樣的密度和均勻性^［1112］。相比二維觀測系統，通過理論計算和勘探發現，三維觀測系統要考慮空間上是否有足夠的采樣密度和均勻性^［13］。為了從整體上對比分析不同觀測系統的采樣均勻性差異，使三維觀測系統的選擇更加合理、科學，研究區觀測系統設計的采樣均勻性分析要通過定性、定量分析三維觀測系統面元的各種屬性的均勻情況^［14］。

考慮到研究區本區的小斷層比較發育，表淺層地震地質條件復雜，通過DMO、三維偏移能有效地增加覆蓋次數，在此基礎上，后期內業地震數據處理時再進行速度分析及偏移歸位的處理精度。綜合以上有關要求，本次研究區高精度三維地震勘探充分考慮主要煤層埋藏深度較深，綜合分析擬布置束狀16線10炮制、寬方位角、中點激發的觀測系統，縱向8次覆蓋，橫向8次覆蓋，總覆蓋次數選定為64次。設計地震數據采集排列接收道數為160道/線×16線=2560道，接收道距10m，接收線距100m，最大非縱炮檢距795m，最小非縱炮檢距5m，最大炮檢距1 127.84m，炮點網格10m（橫向）×100m（縱向），CDP網格5m（縱向）×5m（橫向），橫縱比0.94。工程布置了4個試驗點，一處檢波器試驗段，線束31束，施工面積超過10 km2，相對此前在本地區常規三維地震勘探炮點網格密度更高、接收道數更多，面元縱向和橫向各縮小一半，物理點增加了近5倍，覆蓋次數由24次提高到64次。

4 野外數據采集及現場初步數據處理設計

4.1 主要技術難點

高精度三維地震勘探的基礎是地震野外數據的采集，其任務就是獲取有足夠信噪比的可供解釋的時間域或深度域的地下構造圖像^［9］。只有得到“三高”的地震野外原始數據，才能完成地質任務。本區較為復雜的地震地質條件。不僅直接影響野外地震原始數據資料采集，還給野外數據采集完成后的內業地震數據資料的處理、解釋帶來較大的困難，這也是在本區采取高精度三維地震勘探的原因之一，其困難主要有。

（1）研究區存在村莊、魚塘、企業等復雜地面障礙物較多給野外地震數據采集生產施工帶來一定困難。

（2）研究區內巖漿巖發育，地震數據的準確成像、局部地區信噪比低的問題較為嚴重。

（3）受地震垂向分辨率的限制，在地震資料上精準識別落差小于3～5m或3m以下小斷層存在一定困難。

4.2 采用的技術措施

（1）為確保村莊、魚塘、企業等復雜地面障礙物等變觀區域和特觀區域的覆蓋次數及剖面的連續性。野外項目組和施工人員提前對研究區內地面障礙物進行現場踏勘，測量班組及時對該區域進行實測，然后將地面障礙物邊界展入高精度三維地震勘探設計的工程布置圖中。利用觀測系統設計軟件對研究區初步確定的炮點和檢波點位置進行模擬激發。

（2）在野外鉆井的炮井下藥后及時進行悶井工作，保證近道的反射波的有效信息^［12］，為獲取“高信噪比”的地震資料奠定基礎。

（3）及時把地震數據處理和解釋工作站直接安置到野外生產一線現場，日常收工回來及時做好常規速度分析和三維疊前時間偏移速度分析工作，建立疊前時間偏移速度場，根據現場數據處理的結果，及時指導野外次日生產，必要時進行野外生產設計參數調整，確保獲得高分辨率的地震數據。

5 內業高精度地震數據處理技術設計

工作站及時在野外勘探現場初步處理完成后，在具備一定信噪比的前提下，采用地表一致性反褶積、濾波、分頻等處理模塊來改善地震子波，提高反射波頻率^［15］，同時針對研究區設計的地質任務的要求，資料處理時還要采用疊前時間偏移和疊前深度偏移兩種方法進行對比，進一步優化處理數據。

5.1 疊前時間偏移

疊前時間偏移方法自身疊代的過程也使最終得到的速度場精度比疊后時間偏移方法高，有利于提高構造解釋成圖精度^［3］。本次野外一線數據處理擬采用克希霍夫積分疊前時間偏移。疊前時間偏移在本區較大傾角地區成像效果得到明顯改善，提高了下組煤的連續性和可檢測性，有利于小構造的解釋^［16］。

5.2 疊前深度偏移

本次處理擬采用克希霍夫積分疊前深度偏移，它突出的優點是計算效率高，對觀測系統的適應能力強。為達到較高層速度精度，須經過多次迭代，直到層速度準確為止，再進行最終的疊前深度偏移^［3］。

6 高精度地震勘探資料解釋的研究

從井下采掘工程、井上鉆孔揭露的情況和地震模型對本次高精度三維地震解釋成果的驗證來看，受地震垂向分辨率的限制，在地震資料上識別落差小于3～5m或3m以下的斷層還是存在一定的困難，這主要是小斷層在地震時間剖面上往往表現為地震同相軸的一個輕微扭曲，變窄的細微變化，或者波形變寬，但是影響上述波形變化的因素是多樣的，存在對勘探資料多解性的問題，這是本次地震勘探進行精細解釋的難點之一。

6.1 地震正演模擬

在地震剖面上解釋斷層，方法主要是同相軸錯斷、扭曲、合并、分叉、同相軸的數量變化，振幅突變等標志，識別大斷層比較容易，但識別對煤礦開采效率有直接影響的小斷層、微小斷層就困難多了。地質模型和煤層斷層正演時間剖面是地球物理典型參數為基礎，制作出的地震正演模型，用來解釋人員提高識別小斷層的方法之一。

6.2 地震屬性融合

充分利用譜分解、相干濾波、傾角探測等多地震屬性解釋特征，可以突出采區構造和微弱巖性異常的細節，從而提高地質成果精度。通過對多個屬性的優缺點進行融合，本次地震勘探從融合的效果來看，對小斷層的資料反映較為清晰，經過對比，該資料與鉆孔和巷道揭示的斷層吻合度高。

6.3 基于RGB-HIS變換的屬性融合技術

針對以往單一屬性成像地質多解性較強，地質信息較少，地震資料解釋可靠性降低的難點，本次高精度三維地震勘探提出了一種新的地震屬性融合技術——多屬性融合技術，基于RGB-IHS變換的數字圖像融合技術，將多屬性數據體分別進行空間標準化，重構像素代碼，映射到IHS空間進行融合，產生新的地震影像的技術。由于將顏色分類由處理前的256色提高到了1 600萬色，實現了地震構造的精細分類。

經過頻譜分解發現，研究區內地震資料在斷層附近的調諧頻率相對于正常剖面調諧頻率是不同的。地震勘探資料解釋人員可以精細化解釋時間剖面很難發現的小斷層，實現對小斷層的精準識別。

煤層存在沒有完全沖刷或者存在部分沖刷時，在地震數據的時間剖面上往往難以分辨，而利用頻譜分解后的調諧體，尋找不同煤厚的調諧頻率，可以精細化反映出煤層部分沖刷的異常，從而有利于對研究區異常進行解釋圈定。

6.4 利用波阻抗反演技術解釋煤層厚度及分叉合并變化

反射波振幅強弱直接反映了煤層厚度變化趨勢^［17］，在地震波中提取振幅等地震屬性參數，經過地震解釋人員的分析可以獲得所需的地質信息，結合波阻抗反演的方法可以用來精細化解釋煤層巖性的變化情況，圖1為精細的煤層分岔點的顯示效果圖。

7 實施效果

高精度三維地震勘探設計采用寬方位，不同距離的炮檢距分布均勻，有利于精確的速度分析，確保高頻反射的疊加成像；采用小面元，高采集密度，實現對有效波和干擾波的充分采樣，精細記錄地震波場，提高縱橫向分辨率，改善方位角分配和跑檢距的均勻程度，減小采集腳印^［18-19］。

本次高精度三維地震勘探工作任務主要是針對復雜的研究區地震地質條件進行設計，對野外地震數據采集進行嚴格管理和控制，獲得了較高信噪比野外現場地震數據。

經地震數據現場初步處理和后期克希霍夫積分疊前時間偏移和疊前深度偏移等精細化處理后獲得的時間剖面信噪比高（圖2、圖3），通過本區疊后偏移剖面與疊前深度偏移剖面的對比可以發現，在疊前深度偏移剖面上，目的層段反射波波組特征及同相軸連續性得到了明顯改善，成像精度有了較大程度上的提高，減少了構造解釋上的多解性，便于地震數據解釋人員更好地識別研究區地下地質構造的特征。地震數據解釋通過地震正演模擬、波阻抗反演、地震屬性融合、基于RGB-HIS變換的屬性融合技術等提高構造解釋精度。

8 結論

經過后期鉆孔和開采驗證，通過優化高精度三維地震設計、野外數據采集、地震數據處理和解釋，能夠精細查明研究區的小斷層和地層形態變化，精準圈定了主要煤層的厚度變化趨勢，控制了區內侏羅系底界面及其內部巖漿巖頂、底界面和奧灰頂界面的起伏形態，查明了區內主要煤層中落差大于3m的斷層68條，修正斷層23條，新發現斷層38條，相對常規地震勘探較大幅度地提高了三維地震勘探解釋精度，并在山東、內蒙古、新疆等地區進行了推廣應用。

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Design and Study of High-precision 3D Seismic Exploration for Deep Coal Seam Covered by Magmatic Rocks

WANG Jing，HAN Wanwei，LIU Xingjin

（Geophysical Surveying Brigade of Shandong Bureau of Coal Geology， Shandong Ji'nan 250104， China）

Abstract：High precision 3D seismic exploration technology can effectively improve the signal-to-noise ratio and vertical and horizontal resolution of seismic signal while increasing the data acquisition density. Magmatic rocks are highly developed， which can shield the reflection of the underlying strata， and the formation of multiple waves can interfere with the effective waves of the coal seam In Ji'ning area in Shandong province.The coal strata are deeply buried， and the reflected wave energy of the common three-dimensional seismic exploration coal strata are weak， and the signal-to-noise ratio is low. A set of high-precision three-dimensional seismic exploration technologies suitable for deep coal strata area covered by magmatic rock have been summarized. It can record the seismic wave field precisely， improve the vertical and horizontal resolution， and ensure the interpretation accuracy of small structures in Xinhe exploration area in Ji'ning city.

Key words：High precision; 3D seismic prospecting; high density acquisition; Tomographic Static Correction;prestack time migration

作者簡介：王晶（1983—），男，江蘇響水人，高級工程師，主要從事地球物理勘探工作；Email：hi8899@126.com

引文格式：王晶，韓萬圍，劉興金.巖漿巖覆蓋的深部煤層高精度三維地震勘探設計及研究［J］.山東國土資源，2025，41（2）：3843. WANG Jing，HAN Wanwei，LIU Xingjin. Design and Study of High-precision 3D Seismic Exploration for Deep Coal Seam Covered by Magmatic Rocks［J］.Shandong Land and Resources，2025，41（2）：3843.