基于數(shù)字檢波器的奧灰內(nèi)部溶洞地震成像技術(shù)研究

張憲旭

(中煤科工集團 西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

國外碳酸巖油氣藏開采量和儲量都是第一，地質(zhì)工作者對碳酸鹽巖成像開展了大量的研究。近些年我國在碳酸鹽巖油氣藏勘探方法也取得了長足進步，特別是塔里木油田針對單點數(shù)字檢波器高密度勘探技術(shù)的攻關(guān)[1]，提高了復(fù)雜構(gòu)造中的孔縫洞地質(zhì)異常體成像精度,使得我國碳酸鹽巖溶洞型油氣儲量逐年提高[2-4]。

近些年，煤炭行業(yè)對奧陶系灰?guī)r研究的投入不斷增加，這是因為隨著煤炭開采深度的增加，煤礦底板奧灰突水風(fēng)險也隨之大大增大，嚴重威脅著礦工的生命安全[5-7]。消除底板水害保障礦井的安全高效生產(chǎn)，迫切需要弄清楚奧陶系灰?guī)r頂界面及其內(nèi)部構(gòu)造，而奧灰的精確成像是查明其構(gòu)造，進行風(fēng)險預(yù)測的前提[8-10]。近些年，國內(nèi)煤炭相關(guān)研究單位聯(lián)合生產(chǎn)部門,對奧灰陸續(xù)開展了全數(shù)字高密度三維地震勘探、高密度電法勘探、鉆探和煤田水文地質(zhì)等學(xué)科的研究[11-13]。特別是近些年在淮北地區(qū)全數(shù)字高密度地震勘探投入力度非常大，也是期望對奧灰成像有所突破，但由于煤層對地震波有強烈的屏蔽作用，其能量很難穿透煤層到達下伏地層，加之奧灰內(nèi)部發(fā)育的巖溶大多數(shù)為尺度不大的孤立體，使得奧灰成像不能滿足實際需求[14]。

基于此，筆者針對淮北地區(qū)某煤礦數(shù)字檢波器采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合奧陶系灰?guī)r的沉積和剝蝕特點，總結(jié)出針對奧灰頂界面及其內(nèi)幕的煤礦數(shù)字檢波器地震資料成像方法，為煤礦解決底板奧灰水的難題提供更為精確可靠的地質(zhì)信息。

1 奧陶系巖溶的特征

奧陶系巖溶的沉積環(huán)境決定著巖石的巖性、厚度、巖石微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)；剝蝕環(huán)境決定著巖石的風(fēng)化程度、剝蝕物的搬運距離和巖溶發(fā)育規(guī)模[15]。巖溶發(fā)育主要是由于地殼抬升，碳酸鹽巖露出水面，接受大氣降水和地表水共同作用發(fā)育巖溶。其典型產(chǎn)物有不整合面、石林、沖蝕溝、溶洞和溶蝕孔[16]。其中規(guī)模較大可以被地震所識別的有：①風(fēng)化殼，一般發(fā)育規(guī)模較大，表面凹凸不平，巖性主要以角礫巖、古土壤、鋁土礦等風(fēng)化殼殘積物為主；②古喀斯特作用面，作用面的厚度一般在幾十米，在該深度之內(nèi)是溶洞、陷落柱、地下暗河主要發(fā)育的場所，巖性主要為碳酸鹽巖和巖溶殘留物。

2 模型模擬與分析

對奧灰沉積模式、剝蝕模式和構(gòu)造演化有了一定的掌握后，構(gòu)建模型模擬半個盆地來對整個巖溶地貌和地震數(shù)據(jù)中的特征進行說明(圖1)。根據(jù)數(shù)字模型模擬結(jié)果，對碳酸鹽巖的典型地震響應(yīng)特征進行總結(jié)。

2.1 模型構(gòu)建

模型尺度為100 km×1 km(圖1)，模型自下而上設(shè)計了兩套灰?guī)r，第一層縱波速度為5 300 m/s，密度為2.9 g/mm3；第二層的縱波速度為4 800 m/s，密度為2.5 g/mm3；灰?guī)r與上覆地層之間模擬的是風(fēng)化殼，風(fēng)化殼以下100 m內(nèi)是古喀斯特作用面，其中包含垂向的落水洞和水平溶洞，灰?guī)r凹陷處填充鋁土(縱波速度為3 800 m/s，密度為2.3 g/mm3)，煤系地層中設(shè)計了兩層煤層(厚度分別為10 m和2 m，縱波速度為2 000 m/s，密度為1.6 g/mm3)；為了方便說明問題，模型模擬的是一套完整的奧灰剝蝕體系，從大的格局來展現(xiàn)風(fēng)化殼、溶洞的地震響應(yīng)特征。

2.2 碳酸鹽巖的地震響應(yīng)

對模型進行放炮模擬，經(jīng)過處理得到偏移成像剖面(圖2)，結(jié)合奧陶系的巖溶特征，對地震成像結(jié)果進行分析與總結(jié)。

1)風(fēng)化殼。由于不整合面受到侵蝕，巖層的孔隙和裂隙較為發(fā)育，巖性也發(fā)生較大改變，因此與上覆地層的波阻抗差異較大，風(fēng)化殼在地震剖面中振幅能量僅次于煤層反射，在宏觀尺度上表現(xiàn)出同向軸彎曲和振幅橫向變化，這是識別不整合的典型標志。

圖1 巖溶模型Fig.1 Karst model

圖2 模型地震剖面Fig.2 The seismic section of model

2)古喀斯特作用面。碳酸鹽巖縫洞體系在地震剖面上總體表現(xiàn)為雜亂反射結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由強弱相間形態(tài)不規(guī)則的同相軸組成，在風(fēng)化殼以下0 ms～60 ms左右的古喀斯特作用面內(nèi)主要表現(xiàn)為弱振幅反射或空白反射；巖溶發(fā)育帶表現(xiàn)為能量較風(fēng)化殼振幅弱的異常反射，垂向溶洞表現(xiàn)為串珠狀反射結(jié)構(gòu)，水平溶洞表現(xiàn)為沿水流方向連續(xù)性較弱的蚯蚓狀反射；坍塌體和陷落柱表現(xiàn)為風(fēng)化殼反射出現(xiàn)中斷、下拉和變?nèi)酢?/p>

3 數(shù)字檢波器的特點

數(shù)字檢波器是基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的新型數(shù)字加速度檢波器，MEMS 數(shù)字檢波器直接將模擬信號在檢波器端數(shù)字化，降低了模擬信號由于傳輸過程導(dǎo)致的精度損失[17-18]，并且MEMS數(shù)字傳感器的靈敏度高，記錄微小信號的能力更強[19-20]。數(shù)字檢波器相對于模擬檢波器具有以下幾點優(yōu)勢：

1)頻率響應(yīng)范圍寬。在頻率響應(yīng)上，數(shù)字檢波器的理論記錄范圍為0 Hz～500 Hz，可以真實記錄低頻信號和高頻信號，反映實際信號的真實形態(tài)不發(fā)生畸變。

2)數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍大。數(shù)字檢波器可記錄的地震信號的動態(tài)范圍為80 dB～90 dB，采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍達到120 dB，記錄微小信號的能力更強。

3)抗電磁干擾能力強。由于數(shù)字檢波器是MEMS芯片，從根本上擺脫了電磁干擾的影響，對電磁電干擾、空間射頻干擾、突發(fā)脈沖干擾、工業(yè)干擾波(50 Hz交流電)有較強的抗干擾能力。

由圖3(a)可知，數(shù)字檢波器比模擬檢波器在低頻端具有無畸變的記錄能力。對比在相同位置接收信號的數(shù)字檢波器( 圖3(a))和煤田地震勘探常用的60Hz 模擬檢波器( 圖3(b))的頻譜圖可以看出，數(shù)字檢波器記錄的數(shù)據(jù)振幅峰值達到1.4×106，模擬檢波器數(shù)據(jù)的峰值只達到3×105，這說明了數(shù)字檢波器對低頻信號具有較好的記錄能力和更大的動態(tài)范圍。

圖3 模擬與數(shù)字檢波器數(shù)據(jù)的理論和實際頻譜圖Fig.3 The theoretical and practical spectrum of analog and digital geophone data(a)理論頻譜；(b)實際頻譜

4 實際數(shù)據(jù)地震成像

根據(jù)模型對奧陶系巖溶的模擬分析對巖溶在地震剖面中的響應(yīng)特征有了一定的認識，這將對后續(xù)的數(shù)據(jù)成像和識別起著重要的指導(dǎo)作用。地震波中低頻信號對地層有較強的穿透作用，是解決煤層對于下伏地層屏蔽作用的關(guān)鍵，因此在地震數(shù)據(jù)處理過程中，對低頻信號的補償和保護將是成像的前提。

4.1 實際數(shù)據(jù)地質(zhì)情況

勘探區(qū)位于安徽省淮北地區(qū)某礦，區(qū)內(nèi)地勢平坦地表起伏較小，地面標高21 m～24 m，激發(fā)條件較好，屬于地震地質(zhì)條件較好的地區(qū)。勘探區(qū)位于華北石炭二疊紀聚煤區(qū)南緣，屬于華北型聚煤期，為全隱伏煤田，主要含煤地層為二疊系上、下石盒子組、山西組，下伏石炭系太原組含煤數(shù)層但煤層較薄。古生代的加里東運動使地殼整體隆起沉積發(fā)生間斷，使中奧陶統(tǒng)與中石炭統(tǒng)呈假整合接觸關(guān)系。

奧灰全區(qū)分布，厚約500 m左右，其頂界面距下組煤一百五十多米，奧灰的上覆地層為本溪和太原組，其中太原組厚度一百多米，其巖性為灰?guī)r與奧灰?guī)r性差異不大。但是由于奧灰在加里東運動時期，長期接收過剝蝕，存在風(fēng)化殼，波阻抗差異相對較大，是奧灰頂界面呈現(xiàn)的基礎(chǔ)。

4.2 成像問題與難點

奧灰被剝蝕之后，其頂界面所形成風(fēng)化殼會出現(xiàn)起伏不平的現(xiàn)象，在剝蝕區(qū)域內(nèi)巖性相同的地層由于剝蝕程度不同會出現(xiàn)阻抗差異，不利于地震波形成有效反射。最為重要的因素是上覆煤層強烈的屏蔽作用，使得奧灰頂界面的反射能量較弱、連續(xù)性差、成像較為困難，風(fēng)化殼以下的古喀斯特作用面中的溶洞、陷落柱或落水洞由于體積小成像更加困難。

數(shù)字檢波器具有寬頻帶記錄的特性，采集到的數(shù)據(jù)中能記錄到更多的低頻和高頻信息，數(shù)據(jù)中的弱信號較常規(guī)檢波器記錄的信息更為豐富，但帶來的缺點是記錄的噪聲能量更多。通過改進現(xiàn)有的處理流程，在去除噪聲提高信噪比的同時保持數(shù)字檢波器頻帶寬的優(yōu)勢，是解決煤層屏蔽下的奧灰弱反射信號成像問題的關(guān)鍵。

4.3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵步驟

針對奧灰成像的難題，結(jié)合數(shù)字檢波器的特點，對常規(guī)數(shù)據(jù)處理流程進行了改進。其目標是保護數(shù)字檢波器的頻帶寬的優(yōu)勢，達到對煤層下伏奧灰的精確成像的要求。

1)噪聲壓制。由于數(shù)字檢波器具有寬頻和大動態(tài)范圍接收的特點，實際數(shù)據(jù)在記錄有效信號的同時也記錄了更多的噪聲，因此有效對噪聲壓制的同時保持弱信號不受影響，是奧灰成像的第一步。噪聲衰減方法需要選擇從原理上保幅的模塊，謹慎測試模塊參數(shù)，保證在有效壓制噪聲的同時保護弱信號。例如對于低頻面波干擾，采用自適應(yīng)相干噪聲壓制方法，根據(jù)其主頻與視速度參數(shù)，在面波的優(yōu)勢頻段內(nèi)構(gòu)建模型，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將數(shù)據(jù)與噪聲模型相匹配，采用減法對面波進行壓制。

圖4 數(shù)字檢波器濾波前后單炮對比圖Fig.4 Comparison of the digital geophone raw shot and shot after filtered(a)數(shù)字檢波器單炮;(b)濾波后的單炮

2)低頻保護。數(shù)字檢波器最大優(yōu)勢之一是可以無損的記錄低頻信息(圖3(a))。通常煤礦常規(guī)檢波器是60 Hz的模擬檢波器，它相當(dāng)于一個0 Hz～60 Hz的高通濾波器，它的優(yōu)勢是可以對低頻的面波噪聲進行有效地壓制以達到提高信噪比的目的。但煤層下伏的反射由于煤層的屏蔽作用，高頻數(shù)據(jù)衰減嚴重，其下伏地層的反射頻率較低，常規(guī)檢波器也會因為高通效應(yīng)而將反射能量一并去除。圖4(a)為工區(qū)內(nèi)實際數(shù)字檢波器單炮數(shù)據(jù)，單炮數(shù)據(jù)中700 ms是奧灰頂?shù)姆瓷?，其能量較強，連續(xù)性較好。由于實驗工區(qū)內(nèi)的模擬檢波器的單炮數(shù)據(jù)搜集不到，為了有效說明低頻分量的對奧灰成像的貢獻，使用0 Hz～60 Hz的高通濾波器對單炮數(shù)據(jù)進行濾波，用來說明缺失低頻信息的模擬檢波器與數(shù)字檢波器對奧灰反射波的記錄效果。從圖4可以看出，經(jīng)過濾波后奧灰頂部反射同相軸(紅色箭頭所指之處)幾乎消失，說明低頻能量穿透性強可以將煤層下伏奧灰反射帶回到地表，而模擬檢波器因為其本身的高通效應(yīng)而無法記錄。因此對數(shù)字檢波器記錄到的低頻信息的保護,是解決該礦煤層下伏奧陶系灰?guī)r成像的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)處理過程中，需要對低頻進行嚴格的保護與補償，具體過程需要注意：①使用帶通濾波器時需要仔細做頻帶掃描測試來確定低通和低截參數(shù)，保障有效的反射信號不損失；②低頻噪聲選用保幅的預(yù)測相減法去除，禁止使用低頻截斷方法；③提高分辨率時不能追求主頻的提升舍棄低頻能量。

3)振幅補償。數(shù)據(jù)除了常規(guī)處理過程中的球面擴散補償和地表一致性振幅補償之外，還需要對地震波在地下傳播過程中由于地層吸收、散射等原因造成的地震波能量衰減進行補償。在處理過程中使用Q補償方法，構(gòu)建補償系數(shù)體，對被吸收衰減的高頻能量做一定的補償。

4)振幅保真。振幅保真對構(gòu)造解釋影響較小，但奧陶系灰?guī)r內(nèi)部地層結(jié)構(gòu)，除了原生的層狀結(jié)構(gòu)外，后期巖溶發(fā)育的地質(zhì)產(chǎn)物，如果溶洞、暗河和陷落柱等都是孤立的地質(zhì)體，由于其尺度大多都小于地震波長，其成像是主要依靠能量更弱的繞射波和散射波來成像，而且在煤層屏蔽作用下地層的反射能量本身很弱，其溶洞和陷落柱的繞射波能量更弱，弱振幅的保真就非常重要。在處理過程中，去噪環(huán)節(jié)選擇原理方法上保幅的模塊，謹慎調(diào)試模塊參數(shù)，認真做質(zhì)量控制，去除噪聲的同時避免傷及繞射波的振幅；在振幅補償過程中，使用Q補償技術(shù)，補償高頻能量；在提高分辨率環(huán)節(jié)，使用較大的反褶積步長和較弱的參數(shù)保證弱振幅的保持。

5)速度精確求取。常規(guī)的速度求取是在道集上進行，速度拾取網(wǎng)格一般在100 m×100 m左右，這是因為受限于垂向速度分析密度的限制，速度拾取的密度不會過大。而且人工直接拾取速度的方式受人為因素影響大，誤差相對較大求取精度不高，因此需要更先進的速度求取方法來改進。水平速度拾取是依據(jù)地層在層內(nèi)速度差別較小的前提，假設(shè)在水平方向速度變化是連續(xù)的，在垂向速度譜求取方式的基礎(chǔ)之上，使用水平層位控制，在一定時窗范圍內(nèi)求取延遲時或速度誤差，使用層約束速度反演技術(shù)對速度進行更新，使得地層速度沿著地層趨勢變化的情況下逐道拾取，在保證速度符合地質(zhì)規(guī)律的同時提高速度拾取精度。水平速度拾取需要在初始偏移剖面上拾取層位信息，速度拾取的前提是初始剖面上有可以連續(xù)追蹤的地層反射同相軸。由于數(shù)字檢波器記錄到了奧灰頂部的低頻反射，使得開展更為精確的水平速度拾取成為可能。其速度求取過程和速度更新結(jié)果見圖5，在速度譜上手動拾取速度得到初始的速度剖面(圖5(a))，其速度結(jié)構(gòu)與地層的構(gòu)造關(guān)聯(lián)不大。在初始偏移結(jié)果之上(圖5(b))，拾取奧灰頂界面地層層位，構(gòu)建地質(zhì)層位模型，在層位約束下拾取水平速度剩余延遲譜，進行層析速度反演對速度進行更新。經(jīng)過4輪速度更新之后，速度場的變化趨勢與煤系地層單斜構(gòu)造相符(圖5(c))，速度精度得到提升。從速度更新前后偏移剖面對比(圖5(b)和圖5(d))來看，由于速度精度的提升奧灰頂界面的成像質(zhì)量得到改善，特別是圖中箭頭所指處同相軸的連續(xù)性變好。

6)疊前時間偏移。由于奧陶系灰?guī)r內(nèi)部的地質(zhì)體(如溶洞和地下暗河)都是屬于巖性突變且孤立的地質(zhì)異常體，疊后偏移無法滿足其成像要求，需要更先進的方法才能對奧灰風(fēng)化殼、陷落柱以及溶洞等特殊的地質(zhì)體進行精確成像。疊前時間偏移是復(fù)雜構(gòu)造成像有效的方法，能適應(yīng)奧陶系內(nèi)部因為巖溶發(fā)育，其內(nèi)部速度橫向變化較大的情況，成像方法使得孤立于灰?guī)r內(nèi)部的地質(zhì)異常體的繞射波能量得以收斂，溶洞特有的“串珠狀”反射發(fā)生了從無到有的根本性改變。

圖5 速度精確拾取Fig.5 Accurate pick-up of velocity(a)初始速度；(b)初始速度偏移剖面；(c)更新后速度；(d)速度更新后偏移剖面

圖6 模擬檢波器與數(shù)字檢波器的常規(guī)處理結(jié)果Fig.6 The conventional processing results of analog geophone and digital geophone(a)模擬檢波器;(b)數(shù)字檢波器

4.4 奧陶系頂界面和內(nèi)部成像效果對比

1)模擬檢波器與數(shù)字檢波器的效果對比。研究區(qū)域內(nèi)在2003年做過一次常規(guī)三維勘探，與本次勘探區(qū)域部分重合。兩次勘探其主要的區(qū)別為：2003年勘探使用的是60 Hz的模擬檢波器，2015年勘探使用的是數(shù)字檢波器。由圖6可以看出，數(shù)字檢波器采集的數(shù)據(jù)深部的奧灰頂界面清晰的展現(xiàn)出來，這是由于低頻信息可以穿透煤層的屏蔽并返回地表，被寬頻帶的數(shù)字檢波器記錄下來，而60 Hz的常規(guī)檢波器無法有效記錄低頻信息，導(dǎo)致深部奧陶系頂界面無法成像。

2)常規(guī)處理與奧陶系灰?guī)r目標處理效果對比。從關(guān)鍵處理方法可以知道，其流程與常規(guī)處理主要區(qū)別為流程著重從保幅的角度出發(fā)，選擇有針對性的噪聲衰減辦法,對數(shù)據(jù)中的低頻能量和弱信號做嚴格的保護，并采用較為先進的速度求取方法和疊前時間偏移方法進行成像。對比常規(guī)和目標處理效果(圖7)，常規(guī)處理剖面中奧灰內(nèi)部呈現(xiàn)能量較弱的空白區(qū)，而奧灰目標處理的剖面中奧灰頂界面反射之下30 ms(0 m左右),出現(xiàn)了一個能量較強的串珠狀反射異常，符合溶洞主要發(fā)育在奧陶系古喀斯特作用面內(nèi)，風(fēng)化殼以下60 ms以內(nèi)，孤立異常體的地質(zhì)特征，因此將該串珠解釋為奧陶系灰?guī)r內(nèi)部的溶洞反射。

5 結(jié)論

1)數(shù)字檢波器記錄的地震數(shù)據(jù)頻寬比模擬檢波器(60 Hz)寬，低頻信息豐富。由于煤層屏蔽作用奧灰反射能量很弱，而低頻信息具有穿透性比較強的特性，數(shù)字檢波器記錄的數(shù)據(jù)使得奧灰弱反射成像成為可能，從實際數(shù)據(jù)對比上來看，模擬檢波器采集的數(shù)據(jù)中奧灰頂界面無法成像，而數(shù)字檢波器成像良好，說明了低頻數(shù)據(jù)對煤層下伏地層成像的重要性。

圖7 常規(guī)處理結(jié)果與奧灰目標處理結(jié)果Fig.7 Conventional processing results and target treatment results of Ordovician limestone(a)常規(guī)處理結(jié)果；(b)目標處理結(jié)果；(c)常規(guī)處理結(jié)果放大；(d)目標處理結(jié)果放大

2)巖溶的發(fā)育與古地表環(huán)境密切相關(guān)，溶洞或陷落柱發(fā)育與地層巖性和水動力有密切關(guān)系，巖溶一般以組合形式出現(xiàn)。在地震數(shù)據(jù)中，奧灰頂界面呈現(xiàn)較強反射且反射通常呈現(xiàn)起伏形態(tài)，在剝蝕面以下幾十毫秒內(nèi)溶洞、陷落柱和坍塌體呈現(xiàn)串珠狀反射特征或孤立異常反射，這些都成為識別奧陶系灰?guī)r不整合面、溶洞、陷落柱和塌陷區(qū)域的重要標志。

3)奧灰頂界面的成像使得奧灰地層速度精確求取成為可能，速度拾取的精度提升使得疊前時間偏移方法的優(yōu)勢得以體現(xiàn)。通過研究區(qū)域?qū)嶋H數(shù)據(jù)的常規(guī)成像結(jié)果與奧灰目標處理對比可以看出，疊前偏移對奧灰頂界面的成像更加清晰，在奧灰頂界面以下的古喀斯特作用區(qū)域得到“串珠狀”溶洞成像。