郭良紅

(中國煤炭地質總局物測隊，河北 邢臺 054000)

0 引言

隨著地球物理勘探技術的發(fā)展和勘探程度的不斷提高，地質情況簡單、地震地質條件好的區(qū)域越來越少，必須面對的是更多的復雜地區(qū)。在厚黃土區(qū)、地勢變化巨大的山地、卵石層覆蓋區(qū)、采空區(qū)和火成巖區(qū)，常規(guī)的煤炭地震勘探方法往往無法獲得高信噪比的地震資料，嚴重影響了地震勘探的效果。另一方面，為了保障煤礦安全、高效的機械化生產，對采區(qū)地質資料的精細化程度要求也越來越高。因此，進一步提高地震勘探對地下各種微小地質體的真實反映，加強地震數(shù)據(jù)分辨能力的提高，從實際工作的迫切需求以及提高核心技術競爭力的角度出發(fā)，對地震地質條件復雜地區(qū)開展煤炭地震勘探“高信噪比、低覆蓋次數(shù)”方法技術的攻關是非常有意義的。

常規(guī)的地震勘探多采用高覆蓋次數(shù)、高信噪比、高密度空間采樣的方法，這種方法的優(yōu)勢不言而喻，但與此同時還存在勘探成本高，定量勘探技術的進一步提高進入了一個瓶頸階段。而高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法是從努力提高單炮信噪比入手，保證優(yōu)質記錄，則可降低常規(guī)要求的覆蓋次數(shù)，在目前煤炭地震勘探施工成本沒有大變化的基礎上，可顯著提高地震勘探的定量精度，進一步推廣地震勘探技術在煤炭資源探采全產業(yè)鏈的應用范圍。

1 高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法

煤炭地震勘探高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法的概念是針對目前現(xiàn)有的煤炭地震勘探技術而提出的。在地震地質條件復雜地區(qū)，與常規(guī)三維地震勘探方法相比，其主要區(qū)別有以下2點。

①高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法：單炮原始記錄的信噪比不小于2，覆蓋次數(shù)一般低于現(xiàn)有煤炭地震勘探技術覆蓋次數(shù)的1/3。

②現(xiàn)有的煤炭地震勘探(常規(guī))技術方法：單炮原始記錄的信噪比普遍較低，一般在1左右或部分小于1，覆蓋次數(shù)一般24～32次。

提出上述煤炭地震勘探高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法具有一定的可行性。

①單炮原始記錄的信噪比一般不小于2時，經過適當?shù)馁Y料處理(如靜校正、動校正等)后即可直接用于資料的解釋。設計一定的低覆蓋次數(shù)是用于保障和彌補大炮間距動校拉伸畸變、部分淺層數(shù)據(jù)的缺失、一定的疊加速度求取精度等。

②原模擬磁帶地震勘探在儀器動態(tài)范圍小、信噪比低的狀態(tài)下，也在地震地質條件一般地區(qū)獲得了較好的原始單炮記錄和勘探效果。如今，在大動態(tài)范圍的數(shù)字化地震勘探情況下，通過改進激發(fā)、接收條件應能獲得高信噪比的原始單炮記錄。

③理論上，適當厚度的煤，其與頂?shù)装宓姆纸缑媸欠瓷湎禂?shù)很高的強反射界面，比較適宜煤炭地震勘探高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法的應用。

2 高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法研究方向

2.1 地震記錄信噪比的標準

根據(jù)李慶忠院士關于地震資料信噪比的研究成果，其野外記錄或水平疊加剖面上不同信噪比的視覺效果的基本概念為：

①當S/N>3時，記錄面貌與純信號道很接近；當S/N<1/3時，記錄面貌與純干擾記錄基本一致。

②當信噪比從1/2變到2的過程中，記錄面貌有很大的變化，從很亂變到較好。并將這一段信噪比引起的記錄面貌突變稱為記錄面貌的“轉折點”。

③對記錄的信噪比大小，提出憑肉眼作初步判斷的方法：當反射波同相軸時隱時現(xiàn)，反射強波斷續(xù)出來一半，反射波與干擾波強弱相當，可判斷其信噪比大致等于1；剛開始見反射強波的同相軸影子時，信噪比大致為2/3。

地震勘探的信噪比與分辨能力關系非常密切，只有野外采集到高信噪比的原始數(shù)據(jù)，才能在后期資料的數(shù)據(jù)處理中把采集已獲得的分辨率展現(xiàn)出來，并在數(shù)據(jù)采集已有分辨率的基礎上，拓寬有效頻帶，進一步提高地震勘探的精度。

2.2 攻關方向

2.2.1 激發(fā)技術

地震波的激發(fā)是地震勘探的重要和關鍵環(huán)節(jié)，直接影響到原始資料信噪比的高低。應重點對激發(fā)類型及配套成孔方法技術進行研究，其出發(fā)點是以提高原始單炮記錄信噪比為目的，要求保證每炮原始記錄信噪比不小于2，這樣就為下一步低覆蓋次數(shù)資料的處理與解釋打下良好的基礎。

在表、淺層地震地質條件復雜地區(qū)，如：山區(qū)、黃土塬區(qū)、淺層發(fā)育厚卵、礫石層區(qū)。適合的激發(fā)深度及層位均難以選擇，為保證激發(fā)效果及方法的可行性，應優(yōu)先選擇第四系、新近系(覆蓋層)地層厚度相對較小(一般不超過50～60m)區(qū)域的基巖進行試驗，這樣既可滿足彈性波激發(fā)、傳播條件，也可滿足足夠的激發(fā)能量要求。方法獲得成功后再進行延伸與推廣到其他區(qū)域。激發(fā)技術上具體的攻關方向如下。

①共振技術。目的是增加激發(fā)震源與大地的耦合性，最大限度的提高激發(fā)的地震波能量，改善低信噪比資料區(qū)的質量。在激發(fā)震源類型的選擇上應多考慮非炸藥震源，并重點考慮一個到若干個波長范圍內激勵頻率(也是系統(tǒng)的共振頻率)的測試。產生共振的重要條件之一，就是要有彈性，顯然，基巖比松散的覆蓋層更具有彈性，這也是上述選擇基巖進行激發(fā)試驗的原因之一。

②載波技術。理論上講，低頻地震波在地層中的傳播過程中，其能量的吸收、衰減較高頻具有一定的優(yōu)勢。但地面上無線電、通信業(yè)務的載波一般要求正弦載波的頻率遠遠高于調制信號的帶寬，否則會發(fā)生混疊，使傳輸信號失真。而地震勘探的載波首先要考慮的是具有上述共振頻率的波及其在地層傳播中的衰減規(guī)律，其次需對選擇與地質任務、勘探地域相適宜的高頻波調制到載波進行攻關。

2.2.2 接收技術

檢波器與地表的耦合、埋置技術方面，通過檢波器與地表的交互作用耦合與接觸耦合達到最佳狀態(tài)(檢波器與地表的諧振頻率應遠高于地震波的最高有效頻率)。改善復雜地區(qū)地表檢波器的埋置條件的技術攻關方面應重點對輕便手工鉆、檢波器的尾椎進行改進，即確保野外施工的簡潔與方便，又能增強檢波器與大地的耦合效果。

2.2.3 激發(fā)條件、接收條件一致性技術

激發(fā)條件和接收條件的一致性是保證原始資料品質和提高信噪比的必要條件，尤其對小構造和巖性分析的解釋精度有很大促進作用，可提高煤炭地震勘探領域定量勘探的技術水平與精度。上述激發(fā)、接收應用技術的實施可以在很大程度上改善激發(fā)條件和接收條件的一致性。

2.2.4 處理、解釋技術

在充分保障前述試驗、研究的基礎上，需要研究低覆蓋次數(shù)方法的配套處理、解釋應用技術，區(qū)別于常規(guī)處理、解釋方法，該技術將更重視模型正、反演的綜合應用以及處理與解釋的互動，并促進處理與解釋定量技術方法的進步。

3 以往復雜地區(qū)地震勘探資料分析

3.1 Ⅰ區(qū)

該區(qū)為低山丘陵地形，無穩(wěn)定的激發(fā)層位(膠泥或黏土層)和潛水面，黃土厚度最厚60 m左右，厚黃土中分布有厚薄不一的鈣質膠結的結核層或碎石層，分布的深度差異較大，且橫向上也不穩(wěn)定，對炮井的成孔有很大影響。圖1為不同井深單炮記錄效果的對比，其中井深37 m時的記錄上受干擾波的影響，主要煤層反射波的能量及連續(xù)性均不及井深42 m時的記錄(主要煤層反射波在記錄上的時間為200～300 ms)。炮井深度42 m時為碎石層，非常接近基巖表面。相信如果能將炮井成孔到基巖表面下一定的深度，并保證激發(fā)源在基巖表面下進行激發(fā)，其單炮記錄的信噪比、有效波的能量及連續(xù)性均將會有質的飛躍。圖2顯示隨著井深的加深，總體上單炮記錄信噪比逐步提高(頻率范圍20～80Hz)。

3.2 Ⅱ區(qū)

該區(qū)地貌為黃土塬、溝谷階地，塬、梁、溝、坡并存，坡陡谷深，地形條件極為復雜。地表被馬蘭黃土覆蓋，黃土最厚處可達近180 m。黃土結構松散，且其中又夾雜著數(shù)層礫石層(多者有6層左右)，單層厚度0.5～12 m。圖3為不同激發(fā)條件下單炮記錄效果的對比，其中單井時的記錄上各種干擾波能量強，主要煤層反射波無法辨認，而7井組合監(jiān)視記錄的信噪比相對高一些，但仍然難以辨認有效波。圖4為井深51.8 m、藥量2 kg(基巖面上附近)時，不同主頻檢波器接收單炮頻譜分析。其單炮記錄的信噪比、有效波的能量及連續(xù)性均有一定的改善。同樣，相信如果能將炮井成孔到基巖表面下一定的深度進行激發(fā)，也應該會有質的飛躍。

圖1 井深37m(左)、42m(右)單炮效果對比(藥量2kg)Figure 1 Single-shot effect comparison of well depths 37m (left) and 42m (right) with charge 2kg

圖2 不同井深的信噪比估算(頻率范圍20～80Hz)效果對比Figure 2 Effect comparison of different well depths signal-noise ratio estimation (frequency range 20～80Hz)

圖5為常規(guī)做法與高信噪比、低覆蓋次數(shù)方法下各自簡單疊加剖面的效果對比。結果顯示后者雖然最高覆蓋次數(shù)僅有6次，但主要煤層反射波能量、連續(xù)性及信噪比均好于前者。需要說明的是后者雖然激發(fā)井深最深達66.1m，但只是到達基巖面上方的附近，如能到基巖，有改善的空間。

通過上述兩個地區(qū)資料的分析與探討，可以初步預見煤炭高信噪比、低覆蓋次數(shù)的方法技術具備較好的發(fā)展前景。

圖3 單井井深28m、藥量2kg(左)與單井井深20m、藥量1kg、7井組合(右)的地震記錄對比Figure 3 Seismic record comparison of single well (left) with well depth 28m,charge 2kg and 7 wells resultant (right) with single well depth 20m, charge 1kg

圖4 基巖面附近井深51.8m、藥量2kg時不同主頻檢波器接收單炮頻譜分析Figure 4 Bedrock surface nearby well with well depth 51.8m, charge2kg differentmaster frequency geophones receiving single-shot frequency analysis

圖5 激發(fā)井深最深28m、最高覆蓋次數(shù)24次(左)與激發(fā)井深最深66.1m、最高覆蓋次數(shù)6次的疊加剖面效果對比Figure 5 Stacked section effect comparison of maximum shot well depth 28m,highest fold 24 (left) and maximum shot well depth 66.1m, highest fold 6 (right)

4 結論

復雜地震地質條件地區(qū)，因資料信噪比低，給地震勘探的工程設計、施工及后期資料的處理成像、解釋均帶來了相當大的困難，特別是給精細地震勘探帶來了極大的挑戰(zhàn)，使煤炭地震勘探在面臨復雜條件地區(qū)的效果還不能完全滿足現(xiàn)代化礦井集約高效、安全高產的需求。

煤炭地震勘探高信噪比、低覆蓋次數(shù)的方法技術主要是針對目前煤炭行業(yè)的現(xiàn)狀及現(xiàn)有經濟技術條件提出，即在比現(xiàn)有市場單價高出不太多的情況下，能獲得高信噪比的原始資料，從而較大幅度提高復雜地區(qū)煤炭地震勘探的精度與效果，并進一步拓展巖性地震勘探的應用范圍。預期在

非煤沉積礦產的勘探、陸上部分油氣勘探領域、深部深地震反射剖面探測實驗、活斷層探測中也有較好的應用前景。

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