鄭金寶，李運肖

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術研究中心，河南 鄭州 450009)

近年來，隨著各煤礦資源的枯竭，煤礦開采逐步轉向深、難、邊領域，勘探難度逐漸增大，如何提高煤層構造和地質(zhì)體的探測精度，專門查明地質(zhì)小斷層、小褶曲、陷落柱、采空區(qū)、沖刷帶等方面的技術被廣泛采用[1-5]。三維地震勘探技術在勘查中取得了突破性進展，通過不同介質(zhì)的波反射，可實現(xiàn)對地質(zhì)體的分辨，可以查明大于5 m的斷層，地震地質(zhì)條件好的地區(qū)可查明落差3～5 m的斷層[6-14]。為了查明金鳳煤礦采區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)構造特征，前期對二、四分區(qū)開展了三維地震勘探研究，共完成三維線束16束，生產(chǎn)物理點3 015個，小折射10個，物理點20個；加上試驗物理點94個，全區(qū)共完成物理點為3 129個。野外施工面積6.72 km2，一次疊加覆蓋面積5.45 km2，滿覆蓋面積4.24 km2，控制面積3.85 km2。從試驗和施工單炮的結論得出，有些單炮目的層反射波明顯，信噪比高，但有些單炮品質(zhì)較差，煤層反射波很不明顯，說明勘探區(qū)內(nèi)淺層地震地質(zhì)條件變化較大，在合適的層位激發(fā)很重要[3-6]。從時間剖面可以看出煤層傾角很大，煤層很多且間距不穩(wěn)定，這些特點都給數(shù)據(jù)處理帶來了困難，如何提高反射波主頻，做好向斜軸部附近的偏移問題都是處理的重點和難點[7-15]。根據(jù)以上經(jīng)驗，對礦區(qū)三分區(qū)重新開展三維地震勘測，采用新的技術和數(shù)據(jù)分析方法，開展了三分區(qū)地震異常剖析，對區(qū)內(nèi)褶皺、斷層構造、煤層深度、起伏形態(tài)進行了有效解釋，為后期煤礦開采提供有效的數(shù)據(jù)支撐[16-18]。

1 三維地震物探技術

三維地震由于分辨率較高，能夠識別的組構單元更多[2]。例如，雙程時間構造圖中，只能看到地層特征，在地震剖面圖中河道的特征不夠明顯，但是在反射振幅屬性圖上，能看出水道的特征。三維地震的廣泛應用，能夠有效地將古陸地以及海底地貌形成的過程在空間中展現(xiàn)出來[3]。目前深水的水下河道應用了地震資料的手段使其進展較大，同時三維地震在硅質(zhì)碎屑巖沉積體系中也應用廣泛，而且地震地貌學今后也是一個較好的研究領域。

三維地震在構造分析中用于研究斷層系統(tǒng)中的幾何形態(tài)以及運動學的特征，在該方面二維地震無法解釋這么復雜的斷層幾何學特征[4-7]。三維地震的數(shù)據(jù)用于這個方面其精細度可以與美國最好的設備相媲美，能夠有效地加深斷層和圍巖褶皺之間的聯(lián)系。雖然三維地震的分辨率上還沒辦法直接顯示運動學的標志，也不能識別斷面構造的細節(jié)問題，但是其屬性方面的技術又可以對其進行彌補[5-9]。

2 地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)概況

礦區(qū)位于華北地層西緣，出露地層以中生代地層為主，受馮記溝背斜影響，向北東向傾伏。其中侏羅系延安組為主要含煤地層，煤層平均厚347.06 m，含煤30余層，含煤系數(shù)為6.9%，主要開采十二、十五、十八煤層。

2.2 地震地質(zhì)條件

(1)表淺層地震地質(zhì)條件。礦區(qū)地表呈低緩丘陵地貌，多為沙土掩蓋且大部分被植被固定，地勢開闊，有房屋建筑，路面硬化，這些因素給野外施工帶來很大困難。另外表層地層結構松散且均勻性較差，檢波器與地面耦合條件較差，地震波能量衰減極為強烈。

(2)淺層地震地質(zhì)條件。礦區(qū)內(nèi)淺層大部分為砂土或砂質(zhì)黏土，尤其是礦區(qū)東南部，砂土厚度超過50 m，少部分區(qū)域淺層含有砂礫石層(馮記溝鄉(xiāng)西邊)。砂土層、礫石層激發(fā)效果不佳，對地震波能量衰減也很強烈。

圖1 勘探區(qū)三維地震時間剖面Fig.1 3D seismic time profile of exploration area

T12波：主要來自于侏羅系延安組中上部十二煤層的反射波，由于十二、十三煤層的層間距較小(大部分不到10 m)，故T12波為十二、十三煤層的復合反射波。由于煤層淺、波能弱，可部分追蹤對比。

T15波：主要來自侏羅系延安組中部十五煤層的反射波，由于十五、十六煤層的層間距較小(大部分不到10 m)，故T15波為十五、十六煤層的復合反射波。在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區(qū)影響區(qū)域內(nèi)，T15波能量較強，連續(xù)性好，特征明顯，較容易連續(xù)對比追蹤。

T18波：對應于侏羅系延安組下部十八煤層的反射波，在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區(qū)影響區(qū)域內(nèi)，T18波能量較強，連續(xù)性好，特征明顯，較容易連續(xù)對比追蹤。

3 數(shù)據(jù)采集及特征

該區(qū)試驗工作借鑒了鄰區(qū)以往三維地震施工經(jīng)驗和施工參數(shù)，試驗工作于2020年11月19日開始，至11月20日結束，共完成試驗點3個，物理點50個；試驗段1條，線長1.9 km，物理點41個；小折射3個，物理點6個；共完成物理點97個，試驗物理點全部合格(表1)。

表1 試驗點點號、位置及試驗內(nèi)容Tab.1 Test point number、location and test content

3.1 主要反射波地質(zhì)屬性的確定和波組特征

(1)波組特征。在時間剖面上，反射波組可分為2種，上部水平層和下部傾斜層：①上部水平層，該波組一般屬新生代地層形成的反射波，但本區(qū)大部分區(qū)域新生代地層很薄，因此水平層能量很弱，時有時無，但與下面的煤系地層存在明顯的角度不整合關系，可以對比追蹤；②下部傾斜層，這一反射波亞組是由侏羅紀含煤地層形成的，其中的強反射波是煤層與其頂、底板之間存在的顯著波阻抗差造成的。強反射波振幅大、連續(xù)性好；弱反射波振幅小、連續(xù)性差，甚至出現(xiàn)“空白帶”。

(2)主要反射波地質(zhì)屬性的確定。地震資料解釋首先要確定主要目的層反射波的地質(zhì)屬性，勘探區(qū)地質(zhì)屬性的確定主要用于鄰區(qū)主要目的層反射波對比確定；利用地質(zhì)鉆孔與地震曲線做時間剖面對比確定(圖2)。此次三維地震勘探的主要目的層十二、十五、十八煤層，次要目的層為十三、十六煤層。T12、T15、 T18波是由上述煤層形成的復合反射波，連續(xù)性好，易連續(xù)對比追蹤。

圖2 地質(zhì)鉆孔與地震曲線合成記錄對比Fig.2 Comparison of synthetic records of geological boreholes and seismic curves

3.2 波的對比

根據(jù)地質(zhì)任務本次解釋工作主要是對煤層反射波的追蹤，新生界底界面作為一個輔助相位，可以進行粗網(wǎng)格的簡單勾畫。

居住項目選址要為居民提供方便的生活環(huán)境，滿足居民多方面的生活服務保障需求，基于此從多個項目選址對比方案確定最佳的選址位置。

(1)強反射波的對比追蹤。在馮記溝背斜西翼未被煤層采動區(qū)影響區(qū)域內(nèi)，T15、T18波能量較強，連續(xù)性好，特征明顯，較容易連續(xù)對比追蹤。

(2)弱反射波的對比追蹤。由于T12、T15波能量弱，連續(xù)性較差，不易追蹤。

在馮記溝背斜東翼和被煤層采動區(qū)影響區(qū)域內(nèi)，T15、T18波能量較弱，連續(xù)性差，不易對比追蹤。

4 地震波對構造及巖性的反映

本次工作利用GeoFrame4.3地震解釋組合體軟件(IESX)、可視化軟件(GeoViz)以及地質(zhì)繪圖軟件(CPS3)。三維資料解釋是在三維立體數(shù)據(jù)體的基礎上進行，以疊后偏移數(shù)據(jù)體為主，利用縱向、橫向和任意方向時間剖面相結合，時間剖面和水平切片、順層切片相結合等方法，全方位的反復對比、反復檢查、反復修改確認，保證結果的可靠性，另外利用方差體、相干體等屬性技術對小構造進行分析[13-20]。

4.1 構造分析

(1)褶曲。勘探區(qū)內(nèi)發(fā)育的褶曲構造主要為馮記溝背斜。馮記溝背斜軸部位于勘探區(qū)中部，405孔—A405孔一線，軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。區(qū)內(nèi)延展長度約2 064 m。在時間剖面上反映明顯(圖3)。

圖3 馮記溝背斜在時間剖面、三維數(shù)據(jù)體內(nèi)部的反映Fig.3 Reflection of Fengjigou anticline in time profile and inside 3D data body

(2)斷層。此次三維地震勘探斷層的評級主要在40 m×80 m的網(wǎng)格的剖面上進行，對勘探邊界范圍內(nèi)解釋的斷點及組合的斷層進行了評價，每個斷層至少要有3個點參與評級，共解釋斷點160個(只包括5 m以上斷層)，斷點評級標準為：A級斷點清晰可靠；B級斷點達不到A級又不是C級斷點者；C級斷點，有斷點顯示，能基本確定斷層上下盤。①斷點。在時間剖面上，主要標志是同相軸的錯斷。大斷點錯斷明顯，有一定的時差，在剖面上容易解釋(圖4)。對于小斷點解釋采用彩色剖面顯示、逐級放大、層拉平等手段，還采用了對小斷點分辨率較高的新技術，如方差體、屬性技術、反演技術等，對斷層進行綜合解釋。②斷層組合與產(chǎn)狀閉合。同一斷層的斷點在相鄰傾向和走向上的性質(zhì)有一定的規(guī)律性，將相鄰剖面的斷點進行組合，反過來再在各個方向上閉合，檢查斷面與同相軸之間的關系[1-2]。按照此類方法，對40 m ×80 m網(wǎng)格剖面組合的斷層進行評價，組合斷層12條，可靠斷層4條，較可靠斷層8條。

圖4 大斷點在時間剖面上的反映Fig.4 Reflection of large breakpoints in time section

4.2 巖性分析

(1)煤厚分析。根據(jù)Widess的薄層理論，當薄層厚度小于λ/4時(λ為反射波主波長)，薄層反射波波峰與波谷視時差近似為一個常數(shù)，而反射波振幅隨薄層厚度呈準線性變化，薄層的厚度信息包含在反射波振幅之中[12-16]。礦區(qū)各煤層厚度在1～7 m，而煤層反射波主波長50 m左右，煤層厚度<λ/4(12.5 m)，煤厚與煤層反射波振幅呈準線性，所以煤厚可用振幅來反演預測。

(2)煤層沖刷帶。煤層沖刷作用可分為同生沖刷和后生沖刷2種。同生沖刷在泥炭層被上覆沉積物覆蓋之前發(fā)生，沖蝕面積和深度都比較??；后生沖刷在泥炭層被上覆沉積物覆蓋之后發(fā)生，又分為2種情況：在煤系沉積過程中發(fā)生和在煤系形成之后發(fā)生。在煤系形成之后發(fā)生的沖刷作用，沖蝕面積和切割深度較大。沖刷作用(后生沖刷)會導致煤層厚度變薄或消失，在時間剖面上，表現(xiàn)為反射波同相軸的變?nèi)酢⑾У惹闆r。另外，煤層正常頂板也會被后生沖刷作用破壞，被河床相砂礫巖所替代。在礦區(qū)時間剖面上，雖然存在反射波同相軸的變?nèi)?、消失等情況，但在結合鉆孔數(shù)據(jù)仔細分析后，認為并不是沖刷作用的反映。

(3)古河床等地質(zhì)體。煤系地層中如有古河床等地質(zhì)異常體的存在，會造成地震資料出現(xiàn)異常，造成煤層反射波橫向的不連續(xù)[8]。還在縱向上表現(xiàn)出一定空間發(fā)育特征，此次三維地震資料解釋中利用屬性體識別技術和方差體技術，以及波阻抗反演技術，從而進行人機聯(lián)作交互分析地質(zhì)異常體的存在及其特征。綜合分析結果，本區(qū)未發(fā)現(xiàn)古河床等地質(zhì)異常體。

5 地震波對煤層及采空區(qū)的反映

5.1 地震波與鉆孔控制煤層的對應關系

本文以十八煤層為例，勘探區(qū)內(nèi)十八煤層底板形態(tài)為一背斜構造(馮記溝背斜)，軸部位于勘探區(qū)中部，405孔—A405孔一線，軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。十八煤層最小傾角5°，最大傾角40°。十八煤層底板標高在+950～+1 330 m，最深處位于勘探區(qū)西北部邊界附近，底板標高約+950 m；最淺處位于東北部邊界附近，約+1 330 m(圖5)，地震異常與實際鉆孔控制煤層產(chǎn)狀一致，三維地震勘探能夠很好地反映地下煤層的實際分布情況。

圖5 十八煤層鳥瞰Fig.5 Aerial view of No.18 coal seam

5.2 采空區(qū)域

三分區(qū)淺部煤層采空區(qū)面積約0.712 km2。本次勘探結合地質(zhì)與地震資料對勘探區(qū)上部煤層采空區(qū)進行了解釋。由于采空區(qū)對地震波傳播產(chǎn)生不利影響，下部煤層反射波連續(xù)性變差，能量變化較大，在屬性切片上(圖6)，反映比較明顯[13-14]。

圖6 采空區(qū)對反射波影響在時間剖面上的反映Fig.6 Reflection of influence of goaf on reflected wave in time section

6 結論

通過對三維地震勘探可有效解釋礦區(qū)褶皺、斷層構造特征，煤層深度、起伏形態(tài)及深部采空區(qū)分布，從而為本區(qū)以后的礦井開發(fā)建設提供了較為可靠的地質(zhì)資料。

(1)本次勘探共解釋斷點160個，解釋斷層12條，其中，正斷層11條，逆斷層1條。其中可靠斷層4條，較可靠斷層8條。

(2)對勘探區(qū)內(nèi)褶幅大于10 m的褶曲重新解譯，其中馮記溝背斜軸部位置南端向西移動40 m，北端向西移動約200 m。

(3)勘探區(qū)內(nèi)煤系地層總體形態(tài)為一背斜構造，軸部位于勘探區(qū)中部，結合鉆探、三維地震資料，背斜構造軸向NNE轉近NS，總體向南傾伏，東翼較陡，西翼稍緩。其中十八煤層最小傾角5°，最大傾角40°。

(4)通過勘探區(qū)西部三維地震異常解釋，分析了淺部煤層采空區(qū)影響區(qū)域，面積約0.712 km2；未發(fā)現(xiàn)煤層沖刷帶和古河床等其他地質(zhì)異常體。