戴世鑫胡盼董艷嬌邢振邯李祥楊甫

1. 湖南科技大學(xué)地球科學(xué)與空間信息工程學(xué)院,湖南湘潭 411201；2. 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安 710021

“十三五”規(guī)劃指出,以煤為主,多元發(fā)展的能源方針不會(huì)變。煤炭是我國(guó)的重要能源和工業(yè)原料,并且在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)仍將是我國(guó)居支配地位的主要能源,是關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)[1]。近年來(lái),煤礦安全事故頻發(fā),如何確保煤炭資源的安全高效生產(chǎn)成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。南方煤系地層中普遍存在的斷層,已成為煤礦開采中誘發(fā)礦井安全事故的最重要地質(zhì)因素[2]。斷層會(huì)對(duì)煤層的連續(xù)性造成破壞,且圍巖強(qiáng)度低,極易破碎,可引發(fā)煤礦坍塌垮落事故；而水和瓦斯大量涌入斷層破裂帶,則會(huì)引發(fā)煤礦突水、煤與瓦斯突出等一系列嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害事故[3]。利用地球物理勘探手段探明南方煤田地下地質(zhì)構(gòu)造,是保證煤炭資源開采效率、保障工人人身安全的有效手段。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)小斷層識(shí)別進(jìn)行了大量研究。李玲等[4]采用Bahorich 等[5]提出的地震相干數(shù)據(jù)的應(yīng)用方法,突出不相干地震數(shù)據(jù),客觀地自動(dòng)解釋小斷層,提高了斷層解釋的效率和精度；Neves 等[6]利用常規(guī)地震屬性以及相干、譜分解等技術(shù)對(duì)目標(biāo)儲(chǔ)層潛在裂縫和小斷層進(jìn)行了識(shí)別定位；張延慶等[7]在譜分解的相位數(shù)據(jù)體上,識(shí)別和解釋出斷距為10 ～15 m 的斷層,更加清楚地認(rèn)識(shí)油藏的地質(zhì)特征,并分析油水關(guān)系、調(diào)整注采關(guān)系；王彥君等[8]利用斷層模型正演、巖層地震屬性及測(cè)井資料綜合識(shí)別小斷層,并將其應(yīng)用于南美某盆地,取得了較好的應(yīng)用效果；史軍[9]用Petrel 軟件中的螞蟻?zhàn)粉櫦夹g(shù)對(duì)埕島油田主體斷層重新進(jìn)行解釋,認(rèn)為該技術(shù)對(duì)低級(jí)序斷層的解釋具有較好的效果；Giroldi 等[10]通過計(jì)算多波長(zhǎng)的曲率屬性體,豐富了不同波長(zhǎng)信息下的小斷層識(shí)別結(jié)果；師素珍等[11]采用地震屬性和三維可視化分析,對(duì)顧桂礦區(qū)新生界發(fā)育的8 條活斷層進(jìn)行精確查明,為該區(qū)煤礦開采提供安全保障。

根據(jù)大量的實(shí)踐,常規(guī)的地震剖面通?？梢酝ㄟ^反射波同相軸錯(cuò)斷、突增突減或消失、產(chǎn)狀突變、出現(xiàn)特殊波等現(xiàn)象直接對(duì)斷層進(jìn)行識(shí)別[12]。對(duì)于落差小的斷層來(lái)說(shuō),利用常規(guī)的斷層識(shí)別規(guī)律往往很難進(jìn)行判別,小斷層的識(shí)別無(wú)疑成為地震資料解釋中的一大難點(diǎn)[13-14]。前人的研究主要集中在落差5 m 以上的小斷層識(shí)別,對(duì)落差5 m 以內(nèi)的小斷層識(shí)別極少[15-21]。本文主要圍繞南方煤田落差為5 m 以內(nèi)的小斷層進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

南方煤田(華東、華中、華南)成煤過程中,受基底和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,分布零散,同時(shí)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、褶皺和斷裂發(fā)育、煤系沉積不穩(wěn)定、范圍小且煤層薄。這些特點(diǎn)都給勘探工作增加了難度。但南方煤田煤系地層賦存位置淺,為物探工作的開展提供了有利條件。

六盤水煤田位于晚二疊世上揚(yáng)子聚煤沉積盆地的西部,出露地層以石炭系、二疊系和三疊系為主,含煤面積約8 200 km2。主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長(zhǎng)興組[22-23]。研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,褶皺、斷裂較發(fā)育(圖1),南部和北部的構(gòu)造線方向明顯不同,主要發(fā)育NE 向和NW 向兩組區(qū)域性斷層,近SN 向和近EW 向的斷層也有所分布,但數(shù)量較少。其中,具有繼承性質(zhì)的規(guī)模較大斷層多為逆斷層；小型斷裂多為正斷層。本文以該區(qū)小型斷裂正斷層為研究對(duì)象,采用物理模型技術(shù),對(duì)不同埋深小斷層識(shí)別規(guī)律進(jìn)行研究。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Geological structure outline map of the study area

2 煤系地層模型設(shè)計(jì)

研究區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù),通過收集資料、實(shí)地踏勘、調(diào)查獲得。由于地層較多,因此需要分析各地層的巖性對(duì)礦區(qū)測(cè)井資料進(jìn)行加權(quán)計(jì)算來(lái)建立研究區(qū)的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),包含煤系地層的產(chǎn)狀、巖性、煤層厚度、層速度、密度和小斷層分布等。煤田煤系地層模型物性參數(shù)見表1。

表1 煤田三維地震物理模型參數(shù)選取Tab.1 Parameter selection of coal field 3D seismic physical model

在實(shí)際介質(zhì)與物理模型介質(zhì)中,地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(傳播速度v)不同,會(huì)造成兩者的物理參數(shù)(波長(zhǎng)、時(shí)間、傳播距離、頻率等)也不同。將兩種介質(zhì)參數(shù)的比值稱作模型比例因子,以γ表示。兩者的速度、時(shí)間、距離、頻率等參量有如下關(guān)系:

根據(jù)速度定義:

或

可推出速度、傳播時(shí)間、波長(zhǎng)、頻率比例因子相互之間的關(guān)系:

或

式中,L、T分別為地震波傳播的距離、時(shí)間；λ、f分別為地震波的波長(zhǎng)、頻率；下標(biāo)R 和M 分別為實(shí)際和模型參量。

綜合相似材料和煤系地層構(gòu)造的特點(diǎn),確定物理模型參數(shù)見表2。

表2 物理模型參數(shù)Tab.2 Physical model parameter

根據(jù)選取的煤田三維地震物理模型參數(shù)進(jìn)行物理模型設(shè)計(jì),嚴(yán)格按照研究區(qū)的地質(zhì)條件以及空間長(zhǎng)度比例1 ∶2 000 構(gòu)建制作煤系地層地震物理模型[圖2(a)],并進(jìn)行模型剖面形態(tài)測(cè)試[圖2(b)]。

圖2 三維地震物理模型Fig.2 3D geophysical model

3 數(shù)據(jù)采集與處理

本次數(shù)據(jù)采集的儀器為大型全自動(dòng)三維坐標(biāo)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是地震物理模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備,系統(tǒng)儀器允許其在3 個(gè)方向(X、Y、Z)上移動(dòng),最大移動(dòng)范圍分別為2.2 m、2.2 m 和0.6 m,各方向的空間移動(dòng)精度小于0.05 mm。實(shí)驗(yàn)儀器震源(換能器)參數(shù)為:主頻最大可達(dá)240 kHz,縱波、子波波形為雷克子波。選取本儀器的優(yōu)勢(shì)在于,震源和接收器能夠在三維空間內(nèi)任意移動(dòng)并精準(zhǔn)定位,可按實(shí)驗(yàn)?zāi)康娜我庹{(diào)節(jié)震源頻率,為實(shí)驗(yàn)提供便利。為了使炮點(diǎn)、接收點(diǎn)與傳播介質(zhì)三者之間很好地耦合,加60 mm 水層作為覆蓋層,可達(dá)到削弱面波干擾的目的,數(shù)據(jù)采集均在水中進(jìn)行。由于水中橫波在縱向上具有很好的衰/消減性,檢波器接收主要以縱波數(shù)據(jù)為主,因此本研究確定模擬震源為縱波震源。

本次數(shù)據(jù)采集的測(cè)線位置在物理模型東西方向的中線處,為二維多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng):道間距2 mm,炮間距4 mm,最小炮檢距20 mm,每炮道數(shù)600,每測(cè)線炮數(shù)260,采樣間隔為0.2 μs。在物理模型上采集的單炮數(shù)據(jù)原始記錄如圖3 所示。可以看出,淺層反射波能量突出,物理模型原始數(shù)據(jù)有許多干擾波,如水下采集池壁側(cè)面反射波干擾、物理模型邊緣不同介質(zhì)分界面的繞射波干擾和各層分界面間的多次波干擾,但主要反射層面清晰可見。

圖3 物理模型單炮記錄Fig.3 Single shot record of physical model

為提高地震資料數(shù)據(jù)質(zhì)量,需對(duì)干擾波進(jìn)行壓制。如圖4 所示,對(duì)原始單炮記錄進(jìn)行頻譜分析,可以看到主頻在120 Hz 附近,優(yōu)勢(shì)頻帶范圍在50 ～100 Hz,50 Hz 以下存在振幅相對(duì)較強(qiáng)的頻率,150 ～200 Hz 也存在振幅相對(duì)較強(qiáng)的頻率。利用帶通濾波過濾干擾波,設(shè)置過濾低頻范圍為50 ～100 Hz,高頻范圍為150 ～200 Hz,保留優(yōu)勢(shì)頻帶,再測(cè)量地層反射層面地震波的視速度,來(lái)確定FK 濾波的扇形區(qū)域。經(jīng)帶通濾波和FK 濾波處理后,干擾波得到壓制,各個(gè)地層反射波愈加明顯。

圖4 物理模型數(shù)據(jù)濾波處理Fig.4 Physical model data filtering processing

利用地震數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集的物理模型數(shù)據(jù)處理,經(jīng)觀測(cè)系統(tǒng)定義、FK 濾波、速度分析、動(dòng)校正、疊加后得到疊加剖面圖,如圖5 所示。與構(gòu)建的實(shí)際地球物理模型圖對(duì)比可知,模型各層面基本吻合,可以用該模型開展小斷層的正演模擬。

圖5 模型疊加剖面Fig.5 Model superimposed section

4 小斷層地震波識(shí)別

南方隱伏煤田雖然地質(zhì)條件較復(fù)雜,煤層厚度相較北方煤田薄很多,但煤層與圍巖仍然存在很大的物性差異。合理利用地震勘探技術(shù)手段,可以查清不同巖層之間的接觸界面,達(dá)到了解構(gòu)造并確定斷層的目的。在野外進(jìn)行實(shí)地地震勘探的過程中,地震資料的采集效果與震源頻率、道間距、巖體彈性參數(shù)等條件相關(guān),地震勘探取決于這些參數(shù)的合理設(shè)置。而本實(shí)驗(yàn)采用的儀器可按需求調(diào)節(jié)換能器主頻,為識(shí)別小斷層提供便利。經(jīng)實(shí)地勘探,研究區(qū)主采煤層實(shí)際埋深分別為800 m、1 000 m 和1 200 m。在設(shè)計(jì)研究區(qū)地球物理模型的過程中,根據(jù)主采煤層埋深的不同,設(shè)計(jì)了3 組落差分別為5 m、3 m 和1 m 的小斷層,如圖6 所示。

圖6 不同埋深小斷層Fig.6 Small fault with different placing depth

4.1 小斷層常規(guī)識(shí)別

震源頻率與地震勘探的深度、精度有著密不可分的關(guān)系。設(shè)置不同的震源頻率,可以觀察實(shí)驗(yàn)室物理模型地震響應(yīng)的區(qū)別,并為實(shí)際野外勘探參數(shù)的設(shè)置提供理論參考。在野外地震勘探中,最常使用的震源頻率為60 ～80 Hz,所以設(shè)置實(shí)驗(yàn)室超聲波震源主頻為60 kHz(對(duì)應(yīng)野外震源頻率60 Hz),對(duì)煤系地層物理模型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

在震源頻率為60 Hz 的條件下,對(duì)不同埋深的3 組小斷層分步進(jìn)行時(shí)窗分析,得到小斷層響應(yīng)情況如圖7 所示。

由圖7 可看出,當(dāng)小斷層埋深800 m 時(shí),落差為5 m 的小斷層反射波同相軸發(fā)生輕微彎曲,落差為3 m 和1 m 的小斷層反射波同相軸沒有任何變化；當(dāng)小斷層埋深1 000 m 和1 200 m 時(shí),3 種落差的小斷層反射波同相軸都沒有任何反應(yīng)。

影響小斷層識(shí)別分辨率的因素有許多,但主要的是地震波的震源主頻、速度以及目標(biāo)層位自激自收的時(shí)間等。偏移處理后的地震剖面橫向分辨率為

式中,vint為目標(biāo)層位速度；fm為目標(biāo)層位地震波的震源主頻。

對(duì)于地震勘探區(qū)域,煤層速度基本為定值。隨著地震波主頻的增加,相鄰小斷層間的分辨距離逐漸減小,即橫向分辨能力逐漸提高；當(dāng)目標(biāo)層位地震波的震源主頻fm=60 Hz 時(shí),hr≈14 m。

而地震勘探的垂向分辨率極限,遵循雷克準(zhǔn)則,即當(dāng)兩個(gè)子波的旅行時(shí)差大于子波主周期的1/2(約λ/4)時(shí)是可被分辨的,反之則無(wú)法分辨。故對(duì)于落差為1 ～5 m 的小斷層,小斷層處的煤層會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的振幅變化,但不會(huì)有明顯的同相軸錯(cuò)動(dòng),所以用肉眼無(wú)法對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。

4.2 小斷層屬性分析

由于在震源頻率60 Hz 的條件下從地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度僅能識(shí)別埋深800 m、落差5 m 的小斷層,因此要識(shí)別其他小斷層,需要從地震波動(dòng)力學(xué)的角度提取地震屬性進(jìn)行輔助。地震波在地層中的傳播過程復(fù)雜,是地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的綜合反映。地層中巖石物理性質(zhì)不同,必然導(dǎo)致地震信號(hào)特征改變,進(jìn)而導(dǎo)致提取的地震屬性的相應(yīng)變化。

地震屬性的提取方法主要有3 種:瞬時(shí)提取法、沿層提取法和多道體屬性提取法。本文采取沿層提取法進(jìn)行地震屬性提取,沿著解釋目標(biāo)層(煤層)開固定時(shí)窗,以埋深800 m、落差5 m 的小斷層為中心進(jìn)行時(shí)窗分析。當(dāng)震源頻率為60 Hz 時(shí),選取時(shí)窗長(zhǎng)度約為20 ms,提取時(shí)窗包含目標(biāo)層(煤層)且盡可能不包含其他地層,在該時(shí)窗內(nèi)提取小斷層的地震波動(dòng)力學(xué)相關(guān)屬性(圖8)。

圖8 小斷層的地震屬性Fig.8 Seismic properties of small faults

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诰鶆蚪橘|(zhì)中傳播時(shí),相位是連續(xù)的；在異常介質(zhì)中傳播時(shí),在異常位置相位會(huì)發(fā)生顯著變化。通常,斷層是地質(zhì)體異常現(xiàn)象,所以也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。在上述地震屬性中可明顯看出,振幅包絡(luò)、振幅一階導(dǎo)數(shù)、振幅二階導(dǎo)數(shù)和虛部4 種屬性對(duì)小斷層的特征響應(yīng)敏感；而其他幾種屬性對(duì)小斷層的識(shí)別能力較弱,異常響應(yīng)形態(tài)不規(guī)律,所以不作考慮。

沿著目的層小斷層進(jìn)行屬性提取與分析,提取振幅包絡(luò)地震屬性如圖9 所示。通過對(duì)反射波的振幅包絡(luò)屬性分析可知,小斷層處煤層反射波的振幅值相較其他部位煤層反射波的振幅小?？梢钥闯?無(wú)論是落差為5 m 和3 m 的小斷層,還是1 m的小斷層,都會(huì)造成反射波振幅值的衰減,并且衰減程度隨著斷層落差的減小而減小。

圖9 振幅包絡(luò)Fig.9 Amplitude envelope

沿著目的層小斷層提取振幅一階導(dǎo)數(shù)地震屬性如圖10 所示。通過對(duì)比分析可知,3 組小斷層部位煤層反射波的振幅一階導(dǎo)數(shù)值,相比其他部位煤層反射波具有衰減特征,且隨著埋深的增加衰減程度減弱。此圖與振幅包絡(luò)屬性圖一致,是振幅類屬性,小斷層異常特征相似。振幅的大小反映反射波的強(qiáng)弱程度,因?yàn)閿鄬幽軌蛭漳芰亢桶l(fā)散反射波能量,導(dǎo)致反射波能量變?nèi)?、振幅減小,故當(dāng)振幅的變化趨勢(shì)從降低變?yōu)樯邥r(shí),最小值處可能存在著斷層。因此,振幅屬性常作為識(shí)別小斷層的有效指標(biāo)之一。

圖10 振幅一階導(dǎo)數(shù)Fig.10 Amplitude 1st derivative

沿著小斷層目的層提取虛部地震屬性如圖11 所示?？梢钥闯?該屬性對(duì)于小斷層構(gòu)造反映比較敏感。落差為5 m 的小斷層破碎帶范圍大,對(duì)地震波吸收明顯；落差為1 m 的小斷層的破碎帶范圍小,對(duì)地震波的吸收不明顯；而對(duì)于埋深1 200 m、落差為1 m 的小斷層,幾乎無(wú)反映?？梢?該屬性異常響應(yīng)隨著斷層的埋深和落差減小而減弱。

圖11 振幅虛部（希爾伯特變換）Fig.11 Imaginary part of amplitude （Hilbert）

5 結(jié) 論

(1) 斷層是一種影響煤礦安全高效工作的地質(zhì)異常體。通過對(duì)南方典型煤田貴州省六盤水煤田建立煤系地層地震物理模型,結(jié)合地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)屬性特征成功解釋了落差5 m 以內(nèi)的小斷層,與煤系地層地震物理模型模擬相吻合。

(2) 當(dāng)震源頻率選取60 Hz 時(shí),地震成像較清晰,3 組小斷層地震響應(yīng)特征不明顯,小斷層的識(shí)別精度低。從地震波動(dòng)力學(xué)的角度,提取小斷層反應(yīng)敏感的地震屬性,對(duì)比分析得出:1 ～5 m 的小斷層在振幅屬性圖上的反映較強(qiáng)烈,且落差越大,反映越清晰。