胡瑩

（中國煤炭地質(zhì)總局 物測隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

小斷層、陷落柱對(duì)煤炭資源開采有重要影響，利用三維地震勘探方法準(zhǔn)確探查出小構(gòu)造等地質(zhì)異常是目前常用手段[1]。本文采用多種地震屬性綜合分析，解釋小斷層、陷落柱效果明顯，對(duì)三維地震勘探具有指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 位置與范圍

研究區(qū)位于趙莊煤礦位于沁水煤田東南部，行政區(qū)劃隸屬于長治市長子縣、高平市管轄。礦井工業(yè)廣場位于長治市長子縣境內(nèi)，距離長子縣約11 km。區(qū)內(nèi)交通較便利，太（原） —焦（作） 鐵路和長（治） —晉（城） 高速公路從井田東部穿過，龍（泉） —屯（留） 二級(jí)公路縱貫勘探區(qū)南北，勘探區(qū)內(nèi)各村之間有簡易公路相通。

三維勘探區(qū)中北部高西南部低，標(biāo)高變化為981—1 095 m。

1.2 主要研究內(nèi)容

小斷層、陷落柱的方差體、相干體、譜分解及混沌屬性異常解釋。

1.3 研究思路及采用的技術(shù)

地震數(shù)據(jù)快速瀏覽：分析地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)、了解研究區(qū)的地質(zhì)情況。

煤層解釋：在地震資料好的地方采用自動(dòng)追蹤的方法，這樣不僅提高了解釋速度，而且也為屬性分析提供準(zhǔn)確的空間位置；在地震資料差的地方采用半自動(dòng)與手動(dòng)結(jié)合方法進(jìn)行解釋。

沿層屬性提?。豪媒忉尩膶游唬崛《喾N屬性。

斷層、陷落柱解釋：通過沿層提取的多種屬性（方差、譜分解、混沌等），利用三維可視化技術(shù)及三維地質(zhì)建模技術(shù)對(duì)工區(qū)內(nèi)各目的層斷層、陷落柱進(jìn)行精細(xì)解釋。

2 煤層解釋研究

通過分析地震資料品質(zhì)，對(duì)地震的資料了解。通過在三維可視化環(huán)境中快速瀏覽地震數(shù)據(jù)，了解煤層的大致構(gòu)造形態(tài)，同時(shí)了解在不同部位煤層的地震反射特征。根據(jù)煤層在不同部位的反射特征不同，采取不同的解釋方法，達(dá)到快速準(zhǔn)確解釋煤層的目的。

2.1 煤層基本地震反射特征

通過對(duì)研究區(qū)進(jìn)行頻譜分析，可以看出地震資料的頻帶寬度在20 ～70 Hz，如圖1 所示。地震資料的主頻較高，地震資料品質(zhì)較好，為煤層的準(zhǔn)確解釋提供了保障。

圖1 頻譜分析圖Fig.1 Spectrum analysis diagram

通過三維可視化手段，從不同方向（Inline、CrossLine、時(shí)間切片、任意線等） 進(jìn)行快速瀏覽地震數(shù)據(jù)體，了解工區(qū)內(nèi)的煤層分布情況及煤層特點(diǎn)。

（1） 3 號(hào)煤層為一個(gè)強(qiáng)的波峰反射同相軸。埋深（叢基準(zhǔn)面算起） 大部分為400 ～500 m，反射時(shí)間約為200 ～300 ms。煤層厚度在4 ～5.5 m。該煤層厚且穩(wěn)定，與其頂?shù)装逯g物性差異顯著，波阻抗差異大，形成波形突出，能量強(qiáng)，波形穩(wěn)定，能夠全區(qū)大范圍連續(xù)追蹤。

（2） 15 號(hào)煤層為一個(gè)較強(qiáng)的波峰反射同相軸。埋深（叢基準(zhǔn)面算起） 大部分為500 ～650 m，反射時(shí)間約為300 ～400 ms。煤層厚度在2 ～5 m。能量較強(qiáng)，波形較穩(wěn)定，在全區(qū)基本能夠連續(xù)追蹤。

2.2 煤層解釋

3 號(hào)煤層為一個(gè)強(qiáng)的波峰反射同相軸，且在全工區(qū)穩(wěn)定分布，因此在工區(qū)的大部分范圍內(nèi)可以通過三維自動(dòng)追蹤的方法來解釋，剩下的局部通過半自動(dòng)和手動(dòng)解釋相結(jié)合的手段，快速的準(zhǔn)確完成3 號(hào)煤層的構(gòu)造解釋。

15 號(hào)煤層為一個(gè)波峰反射同相軸，該層在工區(qū)的中部反射能量強(qiáng)，且分布穩(wěn)定適合自動(dòng)追蹤，但在北部和南部地震資料品質(zhì)較差，不能自動(dòng)追蹤。

3 斷層、陷落柱解釋

斷層對(duì)于煤層的開采非常重要，斷層可以引起煤層與含水層的透水事故，也導(dǎo)致煤層破碎，裂隙增加，造成瓦斯氣體的局部聚集，增加開采風(fēng)險(xiǎn)，另外斷層還會(huì)影響機(jī)械開采時(shí)的巷道設(shè)計(jì)等。

陷落柱這種特殊地質(zhì)現(xiàn)象的存在除了破壞煤層連續(xù)性，影響回采工作面布置及井巷圍巖穩(wěn)定性外,更主要的是作為奧陶系灰?guī)r的巖溶水的導(dǎo)水通道，可能誘發(fā)礦井生產(chǎn)安全事故。

因此在解釋中盡可能準(zhǔn)確識(shí)別、解釋斷層和陷落柱是研究工作的重點(diǎn)。

3.1 斷層、陷落柱解釋流程

為了準(zhǔn)確、快速的識(shí)別斷層和陷落柱，采取了以下解釋流程，如圖2 所示。

圖2 斷層、陷落柱解釋流程Fig.2 Interpretation process of fault and collapse column

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 三維可視化技術(shù)

（1） 通過對(duì)地震數(shù)據(jù)全方位的瀏覽，快速直觀了解全區(qū)斷裂展布、構(gòu)造形態(tài)。

（2） 綜合顯示地震數(shù)據(jù)、井?dāng)?shù)據(jù)、解釋結(jié)果、屬性數(shù)據(jù)，綜合利用多種數(shù)據(jù)解釋煤層。

（3） 三維可視化環(huán)境下直接解釋層位、斷層、陷落柱，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控層位解釋的閉合情況、斷層的空間組合關(guān)系，直接在三維空間中去掉異常值。

3.2.2 多屬性綜合研究技術(shù)

斷層和陷落柱的解釋是該項(xiàng)目的關(guān)鍵，常規(guī)剖面解釋對(duì)于有效識(shí)別小斷層和陷落柱有一定困難，而使用地震屬性解釋斷層和陷落柱是近年來日益成熟的手段[2]。單一屬性本身存在著一定的局限性，不能全面反映地質(zhì)信息，因此采用多種屬性聯(lián)合解釋的方式，快速有效解釋該區(qū)的斷層和陷落柱。

（1） 方差體屬性。

方差體是相鄰地震道空間差異性的反映,地震波橫向連續(xù)性越差，方差值越大，可反映出由斷層、異常地質(zhì)體而引起的突變異常點(diǎn)[3]。

沿層方差體切片賦存的信息是某一沉積面（物理面） 的地震方差屬性，利用它可以進(jìn)行層間微斷層、構(gòu)造裂縫的識(shí)別，因此沿層方差屬性技術(shù)是識(shí)別斷層和陷落柱的有效手段之一。通過提取3號(hào)煤層和沿層方差屬性，可以清晰的看到斷層和陷落柱的分布情況，該區(qū)的斷層和陷落柱主要分布在3 個(gè)區(qū)域，北部、中部和南部，其中，中部為一組近于東西走向的斷裂帶，斷層陷落柱十分發(fā)育，如圖3 所示。

圖3 3 煤層沿層方差屬性+ 斷層、陷落柱解釋結(jié)果Fig.3 No.3 coal seam variance attribute and interpretation result of fault and collapse column

（2） 譜分解。

譜分解技術(shù)是通過短時(shí)窗離散傅里葉變換（DFT） 將地震資料從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到頻率域，得到振幅譜及相位11 譜調(diào)諧數(shù)據(jù)體的一項(xiàng)處理技術(shù)。應(yīng)用LandMark 公司的譜分解軟件，將該區(qū)主要目的層段的時(shí)間域地震資料轉(zhuǎn)換為頻率域振幅調(diào)諧體和相位調(diào)諧體。鑒于斷層對(duì)相位的穩(wěn)定性影響比較大，因此可用相位調(diào)諧體的頻率切片識(shí)別斷層[4]。由于斷層及附近相位譜變得很不穩(wěn)定，而在遠(yuǎn)離斷層的位置相位譜表現(xiàn)比較穩(wěn)定或呈漸變特征，因此應(yīng)用相位調(diào)諧體頻率切片比傳統(tǒng)的相位屬性能更加準(zhǔn)確地識(shí)別和解釋斷層。

在應(yīng)用譜分解處理的相位數(shù)據(jù)體及振幅數(shù)據(jù)體中，低頻率切片反映斷距相對(duì)較大的斷層，而高頻率切片主要反映斷距相對(duì)較小斷層。遵循由低頻到高頻，先相位后振幅，與相干體結(jié)合的解釋思路，應(yīng)用中低頻切片解釋主干斷層，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用中高頻切片識(shí)別解釋小斷層。

通過譜分解處理后，可以看出譜分解同樣清晰顯示了該區(qū)的斷裂特征（圖4）。

圖4 3 煤層譜分解+ 斷層、陷落柱解釋結(jié)果Fig.4 No.3 coal seam spectral resolution and interpretation result of fault and collapse column

（3） 混沌屬性。

混沌屬性是反映局部構(gòu)造的混沌情況，斷層發(fā)育的地方，地震波性表現(xiàn)的較凌亂，而構(gòu)造平坦、沒有斷裂的地方，地震波表現(xiàn)的非常有規(guī)律，如圖5 所示，這個(gè)屬性雖然反映的斷裂細(xì)節(jié)不如前3 種屬性豐富，但同樣反映了該區(qū)的總體斷裂特征。

圖5 3 煤層沿層混沌屬性+ 斷層、陷落柱解釋結(jié)果Fig.5 No.3 coal seam chaotic attribute and interpretation result of fault and collapse column

通過以上幾種屬性的應(yīng)用，可以看出這幾種屬性都清晰的反映出研究區(qū)的斷裂特征，方差體反映的斷裂和陷落柱最豐富[6]，其他幾種次之，但其他屬性在某些細(xì)節(jié)上是方差體和相干體屬性的補(bǔ)充，從而最大限度的發(fā)掘了斷層和陷落柱。

因此在實(shí)際應(yīng)用中以沿層方差體和相干體屬性為主，其他幾種屬性作為補(bǔ)充和參考來進(jìn)行斷層和陷落柱的解釋。

首先對(duì)幾種屬性都能反映的大的斷裂、陷落柱進(jìn)行解釋。

然后解釋在方差體和相干屬性上能清晰反映的斷裂和陷落柱，用其他屬性進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。

最后解釋在方差體和相干體上反映不明顯，而在其他屬性上反映明顯的斷層和陷落柱。解釋完成后就形成了沿層斷層多邊形。

3.2.3 三維地質(zhì)建模技術(shù)

通過解釋的層位和斷層多邊形，可以建立三維地質(zhì)模型。由于地質(zhì)模型是一個(gè)三維空間概念[7]，因此在建立模型的過程，就是地震解釋的合理性的檢驗(yàn)，尤其是對(duì)斷層的空間展布、斷層的組合關(guān)系的檢驗(yàn)。三維地質(zhì)建模過程如下。

（1） 斷層組合確定。將解釋的斷層多邊形，在三維空間顯示出來。

對(duì)屬于同一個(gè)斷層的多邊形進(jìn)行重新分配，分配完成后，屬于同一個(gè)斷面的多邊形分配在同一個(gè)斷層中。

（2） 斷面模型建立。利用分配的斷層多邊形建立起斷面模型。

（3） 層面模型建立。利用斷面模型和解釋的層位數(shù)據(jù)，建立起層面模型，如圖6 所示。

圖6 三維地質(zhì)建模Fig.6 Three-dimensional geological modeling

（4） 輸出層位的斷層多邊形信息。由于解釋的斷層多邊形是一個(gè)手工解釋的斷層多邊形，如果要使這個(gè)多邊形準(zhǔn)確的反映斷裂位置，又能夠達(dá)到工業(yè)制圖的標(biāo)準(zhǔn)，則需要大量的人工交互。而通過建立三維地質(zhì)模型后，斷層的空間組合關(guān)系更加清楚，斷面是一個(gè)空間里比較光滑的面，斷層與層位在空間的接觸關(guān)系更加合理，因此，利用建立的三維地質(zhì)模型輸出斷層多邊形。

3.3 斷層及陷落柱解釋結(jié)果

通過前面多種技術(shù)的應(yīng)用，該區(qū)3 號(hào)和15 號(hào)煤層2 層共解釋斷層40 條，陷落柱16 個(gè)，其中3號(hào)煤層斷層40 條，陷落柱15 個(gè)；15 號(hào)煤層斷層28 條，陷落柱15 個(gè)。

3.3.1 斷層解釋情況

工區(qū)內(nèi)斷層分布廣泛，主要集中在北部、中部和南部3 個(gè)區(qū)域，其中斷層的走向主要有北東—南西向和東西向兩組，部分?jǐn)鄬訛楸蔽鳌蠔|向。

工區(qū)內(nèi)最大的1 條斷層是龍溝西（LGX） 斷層，位于工區(qū)的東南，由于地震資料的覆蓋范圍限制，龍溝西斷層只有部分在地震資料上有顯示，斷層的中間部分不在地震資料覆蓋范圍內(nèi)，如圖7所示。

圖7 Line 255Fig.7 Line 255

工區(qū)內(nèi)主要斷裂帶位于工區(qū)中部，在1207 井和1303 連線的南部，為一貫穿工區(qū)東西的斷裂帶，斷層和陷落柱十分發(fā)育，主要是近似于平行的走向?yàn)闁|西方向的兩組斷層。

工區(qū)內(nèi)斷層的延伸長度不大，大部分延伸長度在100~400 m，斷層落差在3~20 m。

3.3.2 陷落柱解釋情況

結(jié)合陷落柱的平面特征和剖面上地震反射特征，對(duì)工區(qū)內(nèi)的陷落柱進(jìn)行了解釋，首先根據(jù)沿層屬性確定可疑陷落柱的位置，然后再根據(jù)剖面上的地震反射特征進(jìn)行確認(rèn)。

（1） 陷落柱的平面特征。

陷落柱在平面上的展布特征主要表現(xiàn)為環(huán)狀斷層，有的是圓形，有的為橢圓形，因此通過該特征用沿層屬性的方法就可以識(shí)別陷落柱在平面上的位置了，沿層屬性上陷落柱的表現(xiàn)方式大部分為環(huán)形，但是大部分并不是一個(gè)閉合的環(huán)，而是一端開口或者兩端開口的圓弧形。

（2） 陷落柱的剖面特征。

陷落柱的剖面形狀，粗細(xì)變化不一，多呈不規(guī)則柱狀體。因此陷落柱地震剖面上具有特殊的顯示特征[9]。①標(biāo)準(zhǔn)反射波在小范圍內(nèi)突然中斷并消失，這是陷落柱在地震時(shí)間剖面上的最基本特征；②標(biāo)準(zhǔn)反射波同相軸中斷，代之以斷續(xù)的弱反射同相軸;③標(biāo)準(zhǔn)反射波中斷，中斷波仍與標(biāo)準(zhǔn)反射波相似（圖8）。

圖8 陷落柱斷續(xù)弱反射同相軸示意Fig.8 The discontinuous weak reflection phase axis of collapse column

通過研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)的陷落柱的主要形態(tài)為上小下大的圓錐狀柱體，和上下粗細(xì)近同的圓筒狀柱體，部分陷落柱的形態(tài)是上大下小的漏斗狀柱體和兩頭小中間大的不規(guī)則狀柱體和彎曲狀柱體。最終通過用沿層屬性與剖面相結(jié)合的方法，詳細(xì)的解釋了該工區(qū)的陷落柱，工區(qū)內(nèi)陷落柱比較發(fā)育，主要分布在斷裂發(fā)育部位。

4 結(jié) 論

通過對(duì)趙莊煤礦三維地震的解釋研究，對(duì)該地區(qū)得出以下結(jié)論。

（1） 該區(qū)斷裂比較發(fā)育，尤其是小斷層、陷落柱十分發(fā)育。

（2） 高密度采集的地震資料能夠有效揭示小斷層和陷落柱。

（3） 通過沿層多屬性綜合研究、三維可視化技術(shù)、地質(zhì)建模技術(shù)等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的綜合應(yīng)用，可以有效的識(shí)別小斷層和陷落柱。