高原凍土復(fù)雜區(qū)二維地震勘探技術(shù)淺析

楊五輩

摘 要： 研究區(qū)平均海拔在4000m以上，近地表為季節(jié)性凍土層，其速度具有時(shí)變特點(diǎn)，隨氣溫升高，凍土層融化，速度變低，反之速度升高，凍土層與永久凍土層之間存在溶蝕縫洞或者滲流層。從地質(zhì)露頭可以看出，近地表地層傾角比較陡，高寒、缺氧的自然環(huán)境，凍土固化的山前礫石堆積地表，復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，給地震勘探帶來極大困難。本文針對研究區(qū)特點(diǎn)，結(jié)合高原凍土二維地震勘探實(shí)例，分析了該類地區(qū)地震勘探工程的主要難點(diǎn)，闡述了在資料采集、處理及解釋中應(yīng)采取的技術(shù)方法。文章在研究區(qū)獲得了高品質(zhì)的地震資料，為今后類似地區(qū)的地震勘探及其他物探方法奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 木里煤田； 高原； 凍土； 二維地震勘探

Abstract： The average altitude is 4 kilometer above sea level in research area， it is seasonal tundra near surface， the speed is time-varying， which become lower when tundra is melted as temperatures rise， otherwise， the speed become higher. There are dissolution holes or seepage layer between the tundra and the permafrost. From the outcrop， we can see that there are a lot of difficulties in research area， such as the steep dip Angle formation near surface， high-cold and anoxic natural environment， permafrost curing piedmont gravel is piled up on surface， and the complicated geological structure. In this paper， according to the characteristics of the study area， combining with an instance of the 2D seismic exploration in plateau permafrost area， we analyzed the main difficulties of seismic exploration project in this kind of area， elaborated the technical measures should be taken in data acquisition， processing and interpretation. The paper acquired the high quality seismic data in the study area， laid the foundation for seismic exploration and other geophysical exploration method of similar areas in the future.

Key words： Muli Coal Field；Plateau；Permafrost； the 2D Seismic Exploration.

木里煤田是青海省內(nèi)的重要的煤炭產(chǎn)地，其資源儲(chǔ)量約占全省總探明資源儲(chǔ)量的70%以上[1]。煤類以煉焦用煤為主，自20世紀(jì)50年代發(fā)現(xiàn)木里煤田聚乎更礦區(qū)以來，礦區(qū)各井田均已達(dá)到勘探程度，部分井田建成了露天礦井。

伴隨勘探的不斷深入，儀器設(shè)備的更新?lián)Q代，技術(shù)水平的不斷提高，勘探經(jīng)驗(yàn)的日積月累，復(fù)雜山區(qū)地震勘探技術(shù)已日趨成熟，其應(yīng)用也在全國各地廣泛展開。本文結(jié)合工程實(shí)例，分析了高原凍土區(qū)開展地震勘探的主要難點(diǎn)及相應(yīng)的技術(shù)對策。

1. 工程區(qū)概況

1.1 自然環(huán)境

木里煤田地處青藏高原地帶，凍土發(fā)育。工程區(qū)海拔高程在4000m～4300m之間，平均海拔4100m左右，該地區(qū)是典型的高寒、缺氧地區(qū)。年氣溫在-31.3℃～26℃，夜間氣溫均在0℃以下。用多數(shù)氣體測試儀測試氧含量為14.5%～15.1%，大氣壓620Pa～660Pa（空氣中的正常含氧量20.95%，正常大氣壓1013.25Pa）。以上環(huán)境條件，易導(dǎo)致高原突發(fā)性疾病，如果保護(hù)不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重危害施工人員健康，甚至危及生命。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

工作區(qū)位于木里煤田聚乎更礦區(qū)，聚乎更礦區(qū)呈NWW—SEE向展布，東西長約19km，南北平均寬約4km，面積約76km2，屬于木里坳陷西段。受大通山和拖萊山的強(qiáng)擠壓應(yīng)力作用，木里坳陷逆斷層發(fā)育，地層破碎嚴(yán)重，其沉積的地層從下至上主要有石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系和第四系。其中，三疊系、侏羅系沉積保存完整，分布廣泛。

區(qū)內(nèi)中侏羅統(tǒng)含煤地層為木里組和江倉組，在區(qū)內(nèi)分布廣泛。大部分地區(qū)中侏羅統(tǒng)不整合于三疊系之上，僅有局部地區(qū)與下侏羅統(tǒng)整合接觸。井田主要含煤地層為木里組，含下1和下2兩層煤，厚度較大，全區(qū)發(fā)育，是主要的勘探對象。江倉組賦存于三露天，含上1和上2兩層局部可采煤層。

聚乎更礦區(qū)總體上為一復(fù)式背斜構(gòu)造，由一個(gè)大背斜和兩個(gè)小向斜組成，其中北向斜分布有三井田、二井田和一露天三個(gè)井田，南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天組成[2]（圖1）。工作區(qū)處于聚乎更礦區(qū)南向斜東端，由于受礦區(qū)南北側(cè)推覆構(gòu)造向區(qū)內(nèi)的推擠作用，形成褶皺和斷裂構(gòu)造。

2. 地震工作方法

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

2.1.1施工難度大

海拔較高、空氣稀薄、氣溫低，嚴(yán)重危害著施工人員的身心健康，施工季節(jié)性強(qiáng)。地表起伏大，地表主要為沼澤濕地，水坑密布，淺層條件對地震波的激發(fā)、接收都十分不利。車輛通行和人員行走不便，儀器設(shè)備搬運(yùn)困難，給野外施工的后勤保障等都帶來很大制約，造成工作效率低下。

2.1.2表層速度結(jié)構(gòu)變化大

區(qū)內(nèi)表層巖性變化不大，但特定地表?xiàng)l件受到氣候的影響使得表層速度結(jié)構(gòu)變化較大。春季和冬季氣溫低，季節(jié)性凍土礫石層處于冰凍狀態(tài)，速度達(dá)到2500m/s，而夏`秋季隨氣溫升高，季節(jié)性凍土層解凍，速度逐漸變低，速度一般不超過1000m/s。由此可以看出，該區(qū)低速層速度具有隨著氣溫變化而變化的特點(diǎn)。高速層速度比較穩(wěn)定，一般不小于3000m/s。低、降速帶變化劇烈，難以建立準(zhǔn)確的表層結(jié)構(gòu)。

2.1.3地層傾角大

目的層過淺（接近露頭部位），地層傾角在50°～70°，往往存在多次反射波—折射波干涉嚴(yán)重，對有效反射波散射嚴(yán)重，影響資料品質(zhì)，特別是當(dāng)目的層埋藏較淺時(shí)對煤層反射波的干涉更為嚴(yán)重。這種大傾角的特點(diǎn)給地震數(shù)據(jù)采集和資料的處理解釋帶來很大困難。

2.1.4地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜

區(qū)內(nèi)正斷層和逆斷層發(fā)育，斷層密度大，以逆斷層分布為主，在壓扭逆斷層、逆沖斷層的作用下，地層具有明顯的雙層結(jié)構(gòu)，且局部出現(xiàn)直立，受逆掩斷層的屏蔽，下盤反射波能量變?nèi)酢闃?gòu)造解釋及后續(xù)時(shí)深轉(zhuǎn)換帶來了很大的困難。

2.2 主要的技術(shù)措施

2.2.1前期保障

針對該區(qū)域的特殊地表和惡劣的自然條件，采取了一系列的保障措施，使得地震勘探工作能順利開展。首先，通過詳細(xì)的工區(qū)踏勘，優(yōu)化測線部署，配備適合高原作業(yè)的機(jī)械化設(shè)備，以最大限度地降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；其次，嚴(yán)格按照高原作業(yè)要求進(jìn)行人員選拔和作業(yè)知識、高原病預(yù)防與救治的培訓(xùn)，使得每個(gè)人都成為兼職的醫(yī)療急救師；最后，在施工過程中精心準(zhǔn)備各項(xiàng)應(yīng)急物資，特別是高原病防治藥物器材，勞動(dòng)保護(hù)用品等，確保人員身心健康。特別強(qiáng)調(diào)的是要優(yōu)選施工設(shè)備、優(yōu)化施工方法、選擇施工季節(jié)，降低對環(huán)境的影響。

2.2.2數(shù)據(jù)采集

①道距的設(shè)計(jì)。對復(fù)雜盆地及山體區(qū)復(fù)雜的地震地質(zhì)條件和探測技術(shù)問題，比如：各類多次波，側(cè)面波的干擾等，針對這些問題提出了一系列解決的方案[3]，對這次野外激發(fā)參數(shù)的選擇提供很大的參考價(jià)值。該區(qū)域高徒地質(zhì)構(gòu)造非常發(fā)育，在這樣的區(qū)域，要使陡傾角地層較好的成像，道距的設(shè)計(jì)要能夠滿足對高陡傾角地層反射的充分采樣。在偏移成果剖面上，高陡傾角地層反射波道間時(shí)差不大于最高混疊頻率波長的一半才可以較好地成像，這樣可以根據(jù)地層傾角和上覆地層的速度推算空間采樣間隔的公式（1）。

（1）

根據(jù)公式（1）可以算出，不同地層傾角對空間采樣間隔的要求。式中為道距長度，為上覆地層速度，經(jīng)速度調(diào)查可以知道地質(zhì)露頭地層的速度。為傾斜地層的最高無混疊頻率，為近地表地層傾角，通過該區(qū)地質(zhì)條件計(jì)算出合理的道距。

②接受參數(shù)的分析。工區(qū)地表類型主要有草場、山體、沖溝、河流、沼澤等多種地貌，高精度勘探強(qiáng)調(diào)地震信息的頻帶寬度，由于模擬檢波器動(dòng)態(tài)范圍小，與儀器相比，存在“小口對大口”的不匹配現(xiàn)象，即便采用中高頻檢波器接收，也存在“高頻不夠，低頻不足”的問題，因此，模擬檢波器自身的局限性，致使在提高分辨率方面受到很大的限制。根據(jù)該區(qū)的地表?xiàng)l件和地質(zhì)任務(wù)的要求（目的層淺，分辨率要求高），采用數(shù)字檢波器。其特點(diǎn)有：響應(yīng)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸中不受電磁污染、野外操作方便。

③凍土層中激發(fā)。疏松的礫石層對地震波的激發(fā)十分不利，而且對地震波的吸收衰減非常嚴(yán)重，同時(shí)針對表層速度結(jié)構(gòu)變化大，選擇在凍土層中激發(fā)，可以避開松散礫石層和強(qiáng)波阻抗界面的影響，從而增加了地震波的下傳能量，降低了近地表的散射干擾，使得地震資料的信噪比大大提高（圖2）。為此，針對該區(qū)施工的季節(jié)性特點(diǎn)，選取冬季施工。

2.2.3數(shù)據(jù)處理

①多次波的干涉處理。往往存在多次反射波—折射波干涉嚴(yán)重，特別是當(dāng)目的層埋藏較淺時(shí)對煤層反射波的干涉更為嚴(yán)重。處理切除時(shí)采取炮炮計(jì)算切除量和去線性干擾模塊。首先識別和分析干擾的波形特征和分布特征，然后在記錄中根據(jù)信號和噪聲特征進(jìn)行信噪分離，最后對干擾進(jìn)行壓制或者剔除并恢復(fù)有效信號能量，從而提高數(shù)據(jù)的信噪比[4]。

②針對性靜校正。靜校正問題是資料處理中首先要解決的問題，它是后續(xù)其它處理技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是改善資料品質(zhì)的關(guān)鍵。對比試驗(yàn)高程、單炮記錄初至折射、初至層析靜校正方法。本次勘探野外采用道距小，為建立高精度表層模型提供了更多的信息，更有利于提高靜校正的精度。通過不同靜校正在單炮資料和剖面的對比認(rèn)識，優(yōu)選效果最佳的靜校正方法。借鑒以往復(fù)雜地區(qū)的靜校正處理思路與經(jīng)驗(yàn)，在應(yīng)用野外靜校正的基礎(chǔ)上，采用分頻迭代剩余靜校正技術(shù)，逐步提高靜校正精度，解決靜校正問題

③精細(xì)速度分析與切除。本區(qū)波場復(fù)雜，疊加速度縱橫向差異大，不同速度對構(gòu)造形態(tài)的成像影響很大，在速度分析中，項(xiàng)目組將首先調(diào)查速度變化規(guī)律，建立速度場的輪廓；針對資料速度特點(diǎn)，通過試驗(yàn)，優(yōu)化速度譜參數(shù)，提高速度譜的質(zhì)量，提高速度拾取的準(zhǔn)確性；在資料信噪比較低，速度譜質(zhì)量差，疊加速度難以準(zhǔn)確拾取時(shí)，采用常速掃描與變速掃描相結(jié)合的方式，確定疊加速度場。同時(shí)進(jìn)行限炮檢距疊加試驗(yàn)，根據(jù)疊加成像效果，精細(xì)反復(fù)調(diào)整切除參數(shù)，力爭達(dá)到最佳疊加效果。

④疊前偏移技術(shù)。地震勘探的目標(biāo)之一是落實(shí)地下構(gòu)造形態(tài)，偏移歸位是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本區(qū)構(gòu)造復(fù)雜、斷裂發(fā)育，如何作好偏移歸位將是處理的重點(diǎn)之一。也是處理與解釋密切結(jié)合的關(guān)鍵點(diǎn)。本次偏移歸位方法重點(diǎn)是疊前時(shí)間偏移技術(shù)的研究

2.2.4資料解釋

①層位標(biāo)定。層位標(biāo)定是提高鉆井符合率基礎(chǔ)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，大量制作合成記錄，對掌握全區(qū)的反射波形與地質(zhì)屬性、層位變化情況以及平均速度的影響十分有益。同時(shí)大量的自然電位、電阻率、速度及各種曲深時(shí)轉(zhuǎn)換，結(jié)合合成記錄和地震剖面進(jìn)行分析，是一種好方法。標(biāo)定的關(guān)鍵是子波、極性、速度等幾個(gè)問題。

②模型驗(yàn)證。根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)和構(gòu)造圖，建立構(gòu)造解釋模型，用來驗(yàn)證解釋成果的合理性。

力求符合地質(zhì)規(guī)律，多種地震信息驗(yàn)證，地質(zhì)錄井、測井等資料，為正確的劃分?jǐn)鄩K提供了依據(jù)，成圖后，隨時(shí)取得鉆井反饋信息，反復(fù)認(rèn)識，不斷修正成果圖。多層作圖，不僅限于標(biāo)準(zhǔn)層作圖，還要對含煤層系附近及層間都要作圖，這樣有利于正確地反映有利層系或含煤層系的形態(tài)。

③精細(xì)的構(gòu)造解釋。精細(xì)的解釋和反復(fù)處理密切相關(guān)，且涉及面很廣，精細(xì)解釋成果是勘探工作的最終目的，也是重要環(huán)節(jié)。不串層，不串相位，斷點(diǎn)把握準(zhǔn)，水平、疊偏對照。經(jīng)過精細(xì)解釋，在查明小斷層、小斷塊、小構(gòu)造及復(fù)雜的隱蔽煤圈閉中都能見到良好的效果。

3. 應(yīng)用成果

本次二維地震勘探，共完成測線7條，主測線5條，聯(lián)絡(luò)線2條，剖面總長16.34km。由于施工方案合理，技術(shù)措施方法得當(dāng)，野外施工嚴(yán)格，原始記錄質(zhì)量較好；目的層齊全，信噪比高，地質(zhì)現(xiàn)象清晰，斷層、褶皺都有明顯地反映，取得了豐富的地質(zhì)成果（圖4）。一年來的資料應(yīng)用，證實(shí)了本次研究取得了良好的地質(zhì)效果。對煤層底板的深度和起伏形態(tài)進(jìn)行了很好的控制，對本區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件提出了客觀的評價(jià)。

①查明了控煤構(gòu)造為兩個(gè)走向北西西、傾向南西德單斜構(gòu)造。兩單斜構(gòu)造以F2為界，在東部呈南、北分布，逐漸演變到西部上下重疊。主要含煤層段在平面、立體空間的展布，較好的控制了主要煤組的分布范圍及埋深。確證了F2與F27之間存在一組新的煤層，北部深部有見煤可能性。

②解釋斷層5條，其中控制原有的3條斷層F2、F27、F28，新發(fā)現(xiàn)2條斷層DF16、DF30，斷點(diǎn)9個(gè)。其中斷距大于100m的斷層5條（F2、F27、F28、DF16、DF30），斷距大于100m的斷點(diǎn)5個(gè)（df9、df10、df12、df26、F1），斷距小于50m的4個(gè)（df13、df14、df15、df26-1）（圖4）。

4. 總結(jié)與認(rèn)識

通過本次高原凍土帶二維地震項(xiàng)目的成功實(shí)施，可以得到以下結(jié)論和認(rèn)識：

（1）完善的保障措施，是高原凍土帶地震勘探得以順利實(shí)施的基礎(chǔ)和保障。

（2）在地形起伏較大、氣候變化較大等高原地區(qū)進(jìn)行地震探測時(shí)，野外數(shù)據(jù)采集采用凍土中激發(fā)、抗噪高的靈敏度數(shù)字檢波器、縮小道距、增加覆蓋次數(shù)，在提高資料成像效果方面初顯優(yōu)勢。

（3）資料處理重點(diǎn)解決地表、地層等引起的靜校正問題。針對地層大傾角的具體情況，采用了疊前時(shí)間偏移方法，很好地解決了該區(qū)構(gòu)造復(fù)雜地震成像困難的問題。

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