全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)在黃土塬區(qū)的應(yīng)用研究

劉斌

【摘 要】本文在描述黃土塬礦區(qū)地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往三維地震勘探成果資料，分析了在黃土塬區(qū)進(jìn)行地震勘探的難點(diǎn)，提出了應(yīng)用全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)的思路，并總結(jié)了勘探的難點(diǎn)。闡述了黃土塬區(qū)全數(shù)字高密度三維地震勘探設(shè)計(jì)、采集、處理與解釋方法，并用解釋成果證明了全數(shù)字高密度三維地震勘探在黃土塬區(qū)是可行的。

【關(guān)鍵詞】高密度;三維地震;黃土塬

中圖分類號(hào)： P631.4;TD15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）16-0194-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.085

Research on the Application of High-Density 3D Seismic Exploration Technology in Loess Area

LIU Bin

（Xian Research Institute， China Coal Technology Engineering Group， Xian Shaanxi 710011， China）

【Abstract】On the basis of describing the geological situation of the loess plateau mining area and combining with the previous 3-D seismic exploration data， this paper analyzes the difficulties in seismic exploration in the loess plateau area， puts forward the idea of applying full-digital high-density 3-D seismic exploration technology， and summarizes the exploration difficulties. This paper expounds the design， acquisition， processing and interpretation methods of all-digital high-density 3D seismic exploration in loess tableland area， and proves the feasibility of all-digital high-density 3D seismic exploration in loess tableland area with interpretation results.

【Key words】High Density; 3D Earthquake; Loess Plateau

0 引言

1994年，我國煤礦采區(qū)高分辨三維地震勘探技術(shù)在淮南謝橋煤礦得到了巨大的成功，隨后，三維地震勘探技術(shù)得到推廣應(yīng)用，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，煤田三維地震勘探技術(shù)已經(jīng)成為煤礦采區(qū)構(gòu)造勘探的主要手段。在實(shí)際應(yīng)用上三維地震勘探的成果為建設(shè)高產(chǎn)高效礦井提供了有效的地質(zhì)保障，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但在某些地震地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)，構(gòu)造解釋成果與采區(qū)生產(chǎn)要求的控制精度還不相適應(yīng)，究其原因主要有兩個(gè)方面，一是由于在三維地震勘探中質(zhì)量控制和技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)所致;二是三維地震勘探的固有能力所至。同常規(guī)三維地震相比，高密度三維地震在數(shù)據(jù)采集上具有空間采樣間隔小、均勻方位角及炮檢距等優(yōu)點(diǎn)，這有利于在資料采集和數(shù)據(jù)處理過程中保護(hù)有效信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高保真度、高信噪比和高分辨率的勘探效果。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)面積約1.6km2，位于準(zhǔn)格爾煤田南部，屬高原侵蝕性丘陵地貌，經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，地表標(biāo)高在1108.71～1269.2m之間變化?？傮w來說，勘探邊界南部、勘探區(qū)東北角、勘探區(qū)西北角被厚層黃土（砂土）覆蓋，厚度一般大于20m，覆蓋層土質(zhì)干燥、松散，不利于地震波的激發(fā)和接收;勘探區(qū)中西部被風(fēng)積沙、沖洪積物覆蓋，厚度一般2～5m;新近系紅層及基巖主要出露在大溝附近，勘探區(qū)北部坡地及勘探區(qū)中西部地區(qū)也有新近系紅層直接出露于地表;勘探區(qū)中部被厚度不等的煤矸石覆蓋，面積約0.36km2，最大厚度約100m，成孔難度大。

研究區(qū)含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，含可采煤層5層，即4、5、6上、6、9號(hào)煤層。區(qū)內(nèi)4煤層厚度在2.30～4.70m之間變化，標(biāo)高在720～900m之間變化;區(qū)內(nèi)5煤層厚度較小，不可采面積較大，煤層厚度在0～1.44m之間變化，標(biāo)高在720～900m之間變化;區(qū)內(nèi)6上煤層厚度較大，煤層厚度在10.05～15.77m之間變化，煤層厚度變化無明顯規(guī)律，標(biāo)高在670～840m之間變化;區(qū)內(nèi)6煤層厚度在1.90m～6.24m之間變化，煤層厚度變化無明顯規(guī)律，標(biāo)高在640m～820m之間變化;區(qū)內(nèi)9煤層厚度在0.85m～4.75m之間變化，煤層厚度變化無明顯規(guī)律，標(biāo)高在620m～760m之間變化。

2 以往三維地震資料分析

2009年在研究區(qū)采用8線10炮制束狀觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行過三維地震勘探工作，觀測(cè)系統(tǒng)的基本參數(shù)為：?jiǎn)尉€72道接收、道距10m、中點(diǎn)激發(fā)、CDP網(wǎng)格5m×10m、疊加次數(shù)6（縱）×4（橫）、最大炮檢距475m、束線距200m。

通過以往試驗(yàn)單炮記錄與剖面分析，原地震資料采集和地震時(shí)間剖面主要存在以下兩個(gè)方面問題：一是覆蓋次數(shù)低，部分地段地震資料的信噪比較低、目的層的連續(xù)性較差，深層資料的頻率低、分辨率差，煤層內(nèi)小構(gòu)造解釋困難;二是面元大、排列長(zhǎng)度小，除煤層反射波外，其余反射波（波組）特征不明顯、斷層切割深度難以判斷。

3 勘探難點(diǎn)

3.1 成孔問題

研究區(qū)的淺層地震地質(zhì)條件分為以下四類：黃土覆蓋區(qū)、坡積物區(qū)、矸石堆積區(qū)、基巖出露區(qū)。

3.2 激發(fā)層位選擇問題

研究區(qū)黃土層厚度變化大，同一激發(fā)深度在相鄰激發(fā)點(diǎn)所取得的記錄品質(zhì)差異較大。

3.3 接收條件選擇問題

進(jìn)入冬季施工，天氣寒冷，可能施工時(shí)地面會(huì)上凍，而數(shù)字檢波器的尾椎相對(duì)較粗，埋置檢波器難度會(huì)增大。另外，排矸場(chǎng)可能影響接收效果。

3.4 同向疊加問題

不同激發(fā)條件下所得到的單炮記錄頻率差異較大，如何保證同向高分辨率疊加是處理面臨的難點(diǎn)。

4 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集

4.1 觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過理論計(jì)算，本區(qū)的面元網(wǎng)格應(yīng)不大于6.5m×6.5m、覆蓋次數(shù)不低于64次、最大炮檢距為675m、接收線距不大于60m、炮排距在淺部不大于70m。

從可能產(chǎn)生的采集腳印等方面進(jìn)行了深入分析，最終選定了16L6S正交束狀觀測(cè)系統(tǒng)。觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)為：面元尺寸：5m（縱）5m（橫）;覆蓋次數(shù)：8次（縱）8次（橫）接收道數(shù)：96道/線×16線，112道/線×16線，128道/線×16線;道距：10m;炮點(diǎn)距：10m;接排線距：60m;最小炮檢距：5m;最大炮檢距：671m;束線滾動(dòng)距離：60m（滾動(dòng)一條線）。應(yīng)用觀測(cè)系統(tǒng)分析軟件進(jìn)行面元屬性分析，可以看出面元上方位角及炮檢距分布均勻（圖1）。

4.2 數(shù)據(jù)采集

4.2.1 成孔方式

矸石覆蓋區(qū)采用礫石鉆機(jī)成孔，黃土覆蓋區(qū)域采用洛陽鏟成孔，溝谷區(qū)域采用三輪鉆成孔。

4.2.2 激發(fā)層位

矸石覆蓋區(qū)成孔深度7m;黃土覆蓋區(qū)域成孔深度為進(jìn)入紅土層2m、進(jìn)入紅膠泥層1.5m，同時(shí)保證孔深不低于7m;溝谷區(qū)域成孔深度為進(jìn)入紅土層2m，同時(shí)保證孔深不低于6m。

4.2.3 激發(fā)藥量

孔深大于12m時(shí)，激發(fā)藥量為3kg;其余藥量為2kg。

4.2.4 測(cè)網(wǎng)布置

以束為單位施工。按照南北方向布置測(cè)線，線束自西向東按序編號(hào)，依次為第一束、第二束……第三十五束，每束內(nèi)有測(cè)線16條，每束與上一束重合1條接收線。

4.2.5 特殊觀測(cè)系統(tǒng)

勘探區(qū)內(nèi)有墳地、鐵路、公路、高壓線、廠房，這些障礙物區(qū)域影響了炮點(diǎn)的正常布置，炮點(diǎn)在這些障礙物內(nèi)時(shí)，采用恢復(fù)性放炮方法進(jìn)行施工。在矸石覆蓋區(qū)域（正在施工的排矸區(qū)域除外），采用礫石鉆機(jī)成孔，同時(shí)采用在矸石堆周圍區(qū)域增加炮點(diǎn)的方式施工;在電廠、公路等區(qū)域施工時(shí)，不布置檢波器，采用恢復(fù)性放炮技術(shù)。

5 資料處理與解釋

5.1 資料處理

在試驗(yàn)處理的基礎(chǔ)上確定了疊前各向異性時(shí)間偏移的處理流程。處理中靜校正工作、噪音衰減及子波一致性處理是關(guān)鍵。

5.1.1 靜校正

應(yīng)用回轉(zhuǎn)波層析反演技術(shù)進(jìn)行靜校正，該技術(shù)是把地表模型作為任意介質(zhì)處理的彎曲射線回轉(zhuǎn)波初至反演方法。它對(duì)地表高差、低降速帶速度和折射界面不做限制。先建立一個(gè)初始模型，把地下分成網(wǎng)格單元，從震源到接受點(diǎn)的射線通過地下網(wǎng)格單元，每個(gè)單元的速度值是恒定的用射線追蹤計(jì)算模擬的初至?xí)r間，然后修改模型，使觀測(cè)和計(jì)算的初至?xí)r間差達(dá)到最小。反演的優(yōu)化過程是通過對(duì)一個(gè)大規(guī)模的非線性最小二乘問題線性化并反復(fù)迭代求取近地表模型來實(shí)現(xiàn)的。它考慮了速度的垂向和橫向變化，認(rèn)為地下介質(zhì)是連續(xù)變化的，提出了彎曲射線模型，它能適應(yīng)風(fēng)化層速度變化，支持速度的橫向變化，這個(gè)模型是由物性參數(shù)不同的小單元組成，更適應(yīng)地表結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的地區(qū)，它能使求取的校正量更加準(zhǔn)確，波組連續(xù)性明顯改善。

5.1.2 噪音衰減

針對(duì)本工區(qū)記錄中存在的各種干擾現(xiàn)象和特點(diǎn)，在系統(tǒng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同噪音采用了有針對(duì)性的噪音壓制技術(shù)。

對(duì)異常野值以及廢炮廢道，首先剔除無效的廢炮廢道，然后對(duì)超過閥值的異常振幅進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并進(jìn)行衰減，將其去除。

對(duì)應(yīng)地滾波及外源干擾，應(yīng)用十字排列域去噪技術(shù)進(jìn)行衰減。該技術(shù)采用基于波動(dòng)方程的模型法自適應(yīng)地滾波衰減的方法，用發(fā)散線性的噪音進(jìn)行建模，對(duì)于每個(gè)頻率/波數(shù)子集，根據(jù)信噪比信息，模型與數(shù)據(jù)進(jìn)行自適應(yīng)匹配，進(jìn)行建模，最后從數(shù)據(jù)中減去地滾波。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：考慮了群速度和相速度的差別;考慮地滾波的空間變化，即使偏移距不規(guī)則也適用;面波假頻部分也可以被更好的建模和去除;保幅性高，體波可被很好的保留而不受傷害;子波變換允許分成多個(gè)子集，從而可以在更窄的頻率域自適應(yīng)彈性建模。

針對(duì)本工區(qū)中普遍存在的異常振幅噪音，在一定的頻率范圍內(nèi)，對(duì)超過閥值的噪音進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并進(jìn)行衰減，將其去除剩余噪音衰減，在反褶積前，通過地滾波衰減，異常振幅衰減以及分頻噪音壓制等噪音衰減方法已經(jīng)去除了大部分的噪音，但是在數(shù)據(jù)中仍然存在一些剩余的噪音，影響資料的信噪比，在反褶積之后進(jìn)行剩余的噪音衰減。進(jìn)一步提高資料的信噪比。

5.1.3 子波一致性處理

由于激發(fā)和接收在空間方向不斷變化，使記錄在空間方向上能量、頻率不均衡，需采用地表一致性能量、頻率補(bǔ)償方法進(jìn)行補(bǔ)償。具體處理時(shí)，分別選擇矸石區(qū)和黃土區(qū)，黃土區(qū)和溝里水鉆炮集重復(fù)的小疊加段，求取子波算子。矸石區(qū)單炮200多炮，溝里水鉆單炮670炮。由于矸石區(qū)和水鉆炮集重疊部分很小，且為遠(yuǎn)偏移距信息，主要考慮將矸石區(qū)向黃土區(qū)進(jìn)行匹配以及將黃土區(qū)向水鉆炮集匹配。矸石區(qū)和黃土區(qū)頻率差異較小，不進(jìn)行匹配。黃土區(qū)和溝里水鉆炮集頻率差異較大，需要進(jìn)行匹配。

5.2 資料解釋

常規(guī)解釋：主要應(yīng)用垂直地震時(shí)間剖面、水平時(shí)間切片進(jìn)行層位、斷層及陷落柱的解釋，應(yīng)用地震數(shù)據(jù)的振幅數(shù)據(jù)進(jìn)行煤層厚度變化趨勢(shì)解釋。解釋順序?yàn)閷游粯?biāo)定、波（波組）對(duì)比、層位解釋與構(gòu)造解釋、時(shí)深轉(zhuǎn)換、振幅標(biāo)定煤層厚度變化趨勢(shì)等。

屬性解釋：地震屬性多種多樣，選擇合適的屬性能夠完成肉眼不能分辨和識(shí)別的地震波變化情況，突出地下構(gòu)造、裂隙、巖性及流體的變化。能夠較好反映構(gòu)造及裂隙有關(guān)的地震屬性包括以下幾類：傾角屬性、振幅屬性、頻率屬性、相干屬性、甜點(diǎn)屬性、局部變化率屬性。屬性融合方法是為解決單一屬性預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的多解性問題而提出來的，即將多種對(duì)裂隙、斷裂等地質(zhì)異常敏感的屬性進(jìn)行一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到一個(gè)綜合屬性，綜合屬性比單一屬性具有更明顯的構(gòu)造和裂隙識(shí)別效果。

6 地質(zhì)成果

查明了勘探區(qū)內(nèi)主采煤層的底板起伏形態(tài);解釋出落差大于3m的斷層12條;查明了勘探區(qū)內(nèi)奧灰頂界面起伏形態(tài)及構(gòu)造發(fā)育情況，圈定了裂隙發(fā)育區(qū);勘探區(qū)內(nèi)主采煤層的厚度變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，勘探區(qū)內(nèi)的主采煤層中沒有發(fā)現(xiàn)煤層沖刷帶。預(yù)測(cè)了4號(hào)煤層上覆地層中中、粗粒砂巖及6上號(hào)煤層頂板中、粗粒砂巖的賦存范圍與厚度變化趨勢(shì)。

與原三維地震勘探成果相比較：高密度三維地震成果剖面上各煤層反射波清晰、小斷層顯示更加清楚，本次解釋比原三維地震勘探多解釋斷層9條;本次高密度三維地震勘探成果中，奧灰頂界面反射波清晰，解釋了奧灰頂界面裂隙發(fā)育區(qū)2個(gè)（圖2中的藍(lán)色區(qū)域）。

7 結(jié)論

全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)能有效提高地震資料的信噪比與分辨率。提高弱反射層的成像精度，預(yù)測(cè)奧灰頂界面的構(gòu)造發(fā)育情況，為防治水工作提供了依據(jù)。

全數(shù)字高密度三維地震勘探技術(shù)在黃土塬區(qū)是可行的。