摘要：高精度三維地震勘探技術(shù)在提高數(shù)據(jù)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(jì)寧地區(qū)巖漿巖高度發(fā)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(jì)寧研究區(qū)通過寬頻、寬方位、高密度高精度三維地震設(shè)計(jì)精細(xì)記錄地震波場，提高縱橫向分辨率，確保小構(gòu)造的解釋精度，總結(jié)出一套適合巖漿巖覆蓋的深部煤層地區(qū)的高精度三維地震勘探技術(shù)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(gòu)造發(fā)育情況以及水、瓦斯災(zāi)害等煤礦開采安全問題提出了更高的地質(zhì)勘探精度要求，而一般窄方位采集方法以及地震傳統(tǒng)處理解釋技術(shù)準(zhǔn)確率較低，難以滿足深部煤礦開采要求。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，利用數(shù)字地震儀，數(shù)字檢波器，采用高精度三維地震勘查技術(shù)，在復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行地震勘查，在地質(zhì)勘查中運(yùn)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(tǒng)、更加完善的野外施工質(zhì)量保證體系為基礎(chǔ)^［3］。采用地震野外數(shù)據(jù)采集、地震數(shù)據(jù)處理和解釋一體化技術(shù)思路，應(yīng)用高密度采集、層析靜校正、疊前偏移及譜分解等新技術(shù)、新方法，進(jìn)一步提高了勘探準(zhǔn)確度和勘探能力，取得了好的地質(zhì)效果^［48］。

山東省濟(jì)寧研究區(qū)進(jìn)行過三維地震勘探工作，取得了較為豐富的地震數(shù)據(jù)成果，根據(jù)煤礦開采的需要，同時也進(jìn)一步增強(qiáng)對地震數(shù)據(jù)的使用，對原來的地震勘探數(shù)據(jù)資料進(jìn)行了二次精細(xì)處理和解釋，但因原始野外現(xiàn)場地震勘探采集的數(shù)據(jù)品質(zhì)相對較低，和煤礦開采過程中實(shí)際揭露情況相比，仍存在3煤底板標(biāo)高、斷層位置及產(chǎn)狀的解釋結(jié)果與實(shí)際揭露情況存在較為明顯的差距問題，雖然經(jīng)過二次解釋，但解釋結(jié)果依然難以滿足煤礦工作面布置、井下巷道設(shè)計(jì)及研究區(qū)采掘工程高效掘進(jìn)以及煤層開采生產(chǎn)的實(shí)際需要。通過設(shè)計(jì)出一種適合巖漿巖覆蓋深部煤層的高精度勘探技術(shù)方案，滿足煤礦延深區(qū)設(shè)計(jì)和井下開拓生產(chǎn)的需要，對提升研究區(qū)勘探精度具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

山東省濟(jì)寧煤田研究區(qū)位于濟(jì)寧地塹西側(cè)北部區(qū)域，礦井處于濟(jì)寧煤田的西南邊界區(qū)域。該研究區(qū)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(biāo)高為+35.38m～+38.8m。研究區(qū)為華北型石炭二疊系含煤地層，地層由老到新發(fā)育有奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭二疊紀(jì)月門溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅紀(jì)淄博群三臺組及第四紀(jì)地層研究區(qū)構(gòu)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(qū)斷層較為發(fā)育，相對復(fù)雜構(gòu)造主要有嘉祥支斷層縱穿井田南北。礦井在上侏羅統(tǒng)三臺組下亞組的中上部，普遍發(fā)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(qū)內(nèi)鉆孔揭露均見巖漿巖，區(qū)域內(nèi)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(shù)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(zhì)條件

研究區(qū)及周圍共有8個村莊及相關(guān)企業(yè)，還有部分鄉(xiāng)村魚塘及蔬菜大棚，原京杭老運(yùn)河從測區(qū)中東部穿過，研究區(qū)內(nèi)部分房屋已拆遷，地表堆積了較厚的磚瓦等廢棄物，研究區(qū)地表地震地質(zhì)條件復(fù)雜。區(qū)內(nèi)淺層潛水面2m左右，激發(fā)條件良好，研究區(qū)淺層地震地質(zhì)條件較好。區(qū)內(nèi)中深部經(jīng)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(shù)據(jù)采集的信噪比和分辨率；加之研究區(qū)內(nèi)主要目的層埋藏較深，反射吸收衰減嚴(yán)重，傾角較大，研究區(qū)深層地震地質(zhì)條件較為復(fù)雜?？傮w上本區(qū)地震地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

3 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇依據(jù)

采用適合研究區(qū)野外數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的觀測系統(tǒng)是地震勘查工作的重要內(nèi)容，三維觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇合理與否會直接影響地震野外數(shù)據(jù)采集的效果和最終勘探精度^［3，9］。根據(jù)研究區(qū)地震地質(zhì)條件情況，應(yīng)用現(xiàn)場踏勘情況、以往施工對比以及理論計(jì)算相結(jié)合的方法，結(jié)合研究區(qū)鄰區(qū)三維地震資料以及參數(shù)設(shè)計(jì)情況、現(xiàn)場井深、藥量、微測井、小折射等試驗(yàn)確定本次三維觀測系統(tǒng)的參數(shù)（表1），目的是達(dá)到獲取高“信噪比”的地震數(shù)據(jù)。

3.2 觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，高精度三維地震采集技術(shù)的核心是面元小、覆蓋次數(shù)高^［10］。在進(jìn)行觀測系統(tǒng)優(yōu)選時，不僅要考慮排列長度、覆蓋次數(shù)、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(tǒng)，通過理論計(jì)算和勘探發(fā)現(xiàn)，三維觀測系統(tǒng)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(tǒng)的采樣均勻性差異，使三維觀測系統(tǒng)的選擇更加合理、科學(xué)，研究區(qū)觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣均勻性分析要通過定性、定量分析三維觀測系統(tǒng)面元的各種屬性的均勻情況^［14］。

考慮到研究區(qū)本區(qū)的小斷層比較發(fā)育，表淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，通過DMO、三維偏移能有效地增加覆蓋次數(shù)，在此基礎(chǔ)上，后期內(nèi)業(yè)地震數(shù)據(jù)處理時再進(jìn)行速度分析及偏移歸位的處理精度。綜合以上有關(guān)要求，本次研究區(qū)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(diǎn)激發(fā)的觀測系統(tǒng)，縱向8次覆蓋，橫向8次覆蓋，總覆蓋次數(shù)選定為64次。設(shè)計(jì)地震數(shù)據(jù)采集排列接收道數(shù)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(diǎn)網(wǎng)格10m（橫向）×100m（縱向），CDP網(wǎng)格5m（縱向）×5m（橫向），橫縱比0.94。工程布置了4個試驗(yàn)點(diǎn)，一處檢波器試驗(yàn)段，線束31束，施工面積超過10 km2，相對此前在本地區(qū)常規(guī)三維地震勘探炮點(diǎn)網(wǎng)格密度更高、接收道數(shù)更多，面元縱向和橫向各縮小一半，物理點(diǎn)增加了近5倍，覆蓋次數(shù)由24次提高到64次。

4 野外數(shù)據(jù)采集及現(xiàn)場初步數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

4.1 主要技術(shù)難點(diǎn)

高精度三維地震勘探的基礎(chǔ)是地震野外數(shù)據(jù)的采集，其任務(wù)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(gòu)造圖像^［9］。只有得到“三高”的地震野外原始數(shù)據(jù)，才能完成地質(zhì)任務(wù)。本區(qū)較為復(fù)雜的地震地質(zhì)條件。不僅直接影響野外地震原始數(shù)據(jù)資料采集，還給野外數(shù)據(jù)采集完成后的內(nèi)業(yè)地震數(shù)據(jù)資料的處理、解釋帶來較大的困難，這也是在本區(qū)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(qū)存在村莊、魚塘、企業(yè)等復(fù)雜地面障礙物較多給野外地震數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)施工帶來一定困難。

（2）研究區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育，地震數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確成像、局部地區(qū)信噪比低的問題較為嚴(yán)重。

（3）受地震垂向分辨率的限制，在地震資料上精準(zhǔn)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(shù)措施

（1）為確保村莊、魚塘、企業(yè)等復(fù)雜地面障礙物等變觀區(qū)域和特觀區(qū)域的覆蓋次數(shù)及剖面的連續(xù)性。野外項(xiàng)目組和施工人員提前對研究區(qū)內(nèi)地面障礙物進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，測量班組及時對該區(qū)域進(jìn)行實(shí)測，然后將地面障礙物邊界展入高精度三維地震勘探設(shè)計(jì)的工程布置圖中。利用觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件對研究區(qū)初步確定的炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位置進(jìn)行模擬激發(fā)。

（2）在野外鉆井的炮井下藥后及時進(jìn)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(chǔ)。

（3）及時把地震數(shù)據(jù)處理和解釋工作站直接安置到野外生產(chǎn)一線現(xiàn)場，日常收工回來及時做好常規(guī)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(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，及時指導(dǎo)野外次日生產(chǎn)，必要時進(jìn)行野外生產(chǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整，確保獲得高分辨率的地震數(shù)據(jù)。

5 內(nèi)業(yè)高精度地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)設(shè)計(jì)

工作站及時在野外勘探現(xiàn)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(qū)設(shè)計(jì)的地質(zhì)任務(wù)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(jìn)行對比，進(jìn)一步優(yōu)化處理數(shù)據(jù)。

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(gòu)造解釋成圖精度^［3］。本次野外一線數(shù)據(jù)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(qū)較大傾角地區(qū)成像效果得到明顯改善，提高了下組煤的連續(xù)性和可檢測性，有利于小構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是計(jì)算效率高，對觀測系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。為達(dá)到較高層速度精度，須經(jīng)過多次迭代，直到層速度準(zhǔn)確為止，再進(jìn)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(yàn)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(xiàn)為地震同相軸的一個輕微扭曲，變窄的細(xì)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(jìn)行精細(xì)解釋的難點(diǎn)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(shù)量變化，振幅突變等標(biāo)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(zhì)模型和煤層斷層正演時間剖面是地球物理典型參數(shù)為基礎(chǔ)，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(qū)構(gòu)造和微弱巖性異常的細(xì)節(jié)，從而提高地質(zhì)成果精度。通過對多個屬性的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)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(jīng)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(shù)

針對以往單一屬性成像地質(zhì)多解性較強(qiáng)，地質(zhì)信息較少，地震資料解釋可靠性降低的難點(diǎn)，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(shù)——多屬性融合技術(shù)，基于RGB-IHS變換的數(shù)字圖像融合技術(shù)，將多屬性數(shù)據(jù)體分別進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，重構(gòu)像素代碼，映射到IHS空間進(jìn)行融合，產(chǎn)生新的地震影像的技術(shù)。由于將顏色分類由處理前的256色提高到了1 600萬色，實(shí)現(xiàn)了地震構(gòu)造的精細(xì)分類。

經(jīng)過頻譜分解發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)內(nèi)地震資料在斷層附近的調(diào)諧頻率相對于正常剖面調(diào)諧頻率是不同的。地震勘探資料解釋人員可以精細(xì)化解釋時間剖面很難發(fā)現(xiàn)的小斷層，實(shí)現(xiàn)對小斷層的精準(zhǔn)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(shù)據(jù)的時間剖面上往往難以分辨，而利用頻譜分解后的調(diào)諧體，尋找不同煤厚的調(diào)諧頻率，可以精細(xì)化反映出煤層部分沖刷的異常，從而有利于對研究區(qū)異常進(jìn)行解釋圈定。

6.4 利用波阻抗反演技術(shù)解釋煤層厚度及分叉合并變化

反射波振幅強(qiáng)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(shù)，經(jīng)過地震解釋人員的分析可以獲得所需的地質(zhì)信息，結(jié)合波阻抗反演的方法可以用來精細(xì)化解釋煤層巖性的變化情況，圖1為精細(xì)的煤層分岔點(diǎn)的顯示效果圖。

7 實(shí)施效果

高精度三維地震勘探設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對有效波和干擾波的充分采樣，精細(xì)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(wù)主要是針對復(fù)雜的研究區(qū)地震地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，對野外地震數(shù)據(jù)采集進(jìn)行嚴(yán)格管理和控制，獲得了較高信噪比野外現(xiàn)場地震數(shù)據(jù)。

經(jīng)地震數(shù)據(jù)現(xiàn)場初步處理和后期克?；舴蚍e分疊前時間偏移和疊前深度偏移等精細(xì)化處理后獲得的時間剖面信噪比高（圖2、圖3），通過本區(qū)疊后偏移剖面與疊前深度偏移剖面的對比可以發(fā)現(xiàn)，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(xù)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(gòu)造解釋上的多解性，便于地震數(shù)據(jù)解釋人員更好地識別研究區(qū)地下地質(zhì)構(gòu)造的特征。地震數(shù)據(jù)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(shù)等提高構(gòu)造解釋精度。

8 結(jié)論

經(jīng)過后期鉆孔和開采驗(yàn)證，通過優(yōu)化高精度三維地震設(shè)計(jì)、野外數(shù)據(jù)采集、地震數(shù)據(jù)處理和解釋，能夠精細(xì)查明研究區(qū)的小斷層和地層形態(tài)變化，精準(zhǔn)圈定了主要煤層的厚度變化趨勢，控制了區(qū)內(nèi)侏羅系底界面及其內(nèi)部巖漿巖頂、底界面和奧灰頂界面的起伏形態(tài)，查明了區(qū)內(nèi)主要煤層中落差大于3m的斷層68條，修正斷層23條，新發(fā)現(xiàn)斷層38條，相對常規(guī)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(nèi)蒙古、新疆等地區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)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(shè)計(jì)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.