應(yīng)用混沌體層切片解釋煤田陷落柱

楊曉東， 唐書恒， 王建青， 魏 巍

(1.山西省煤炭地質(zhì)物探測繪院，山西晉中 030600； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083 )

在目前的煤田三維地震勘探構(gòu)造解釋過程中利用地震屬性體及屬性切片預(yù)測和解釋斷層、陷落柱已成為構(gòu)造解釋中一種常規(guī)的關(guān)鍵性解釋技術(shù)，特別是相干、方差、振幅、傾角等體屬性及其順層切片的利用，極大地提高了斷層和陷落柱的識別精度和解釋效率，提高了解釋人員的工作效率和構(gòu)造的準(zhǔn)確性[1-4]，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)。

在構(gòu)造解釋過程中，主要利用了相干、方差等對斷層和陷落柱較敏感的地震屬性[5-7]，在研究相干屬性及其應(yīng)用時一般都是基于地層為水平層狀介質(zhì)或傾角較小，沒有考慮地層傾角對相干、方差屬性計算結(jié)果的影響[8-9]，在地層傾角較大時，會造成相干屬性分辨率降低，對此部分學(xué)者提出了提高相干屬性分辨率的改進(jìn)方法[10-13]。相干體算法主要有四代，基于互相關(guān)的算法、相似性算法、特征值法和幾何結(jié)構(gòu)張量算法。目前常用的為互相關(guān)法、多道相似和基于特征值的相干算法。本文提出的混沌體屬性是基于幾何結(jié)構(gòu)張量(GST)算法提取出的描述地震數(shù)據(jù)體結(jié)構(gòu)的度量屬性，由于這種幾何結(jié)構(gòu)張量包含了反射界面的傾角和方位角信息，可以穩(wěn)健地估算視窗內(nèi)分析點的反射界面的傾角和方位角[14]，因此該屬性在地層傾角較大時，屬性的分辨率也較高。利用混沌屬性在實際應(yīng)用中已取得較好的效果，如預(yù)測陡坡帶的小型砂礫巖體，檢測小斷層或裂縫帶的，對隱伏陷落柱空間形態(tài)的解釋及煤層采空區(qū)的識別等方面[15-20]。

1 混沌屬性的原理

1.1 幾何結(jié)構(gòu)張量算法原理

地震數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)特征，對其結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定量解釋的一種有效方法就是梯度結(jié)構(gòu)張量。該方法用梯度矢量來描述地質(zhì)體的傾角和方位，用梯度張量矩陣的特征值來描述地震數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征[21-22]。其計算方法分為兩步。第一步首先計算三維數(shù)據(jù)體中每一點u(x,y,z)的方向?qū)?shù)。

(1)

第二步使用方向?qū)?shù)構(gòu)建梯度結(jié)構(gòu)張量的協(xié)方差矩陣。

(2)

基于式(2)建立的梯度結(jié)構(gòu)張量，由于只利用了一個物理點的信息，會受到分辨率和信噪比的影響，需要引入道的空間組合。由于高斯窗函數(shù)具有良好的分辨率，且其參數(shù)有很好的尺度性質(zhì)，可以采用高斯窗函數(shù)對梯度張量進(jìn)行平滑和濾波。

平滑后的梯度張量是一個半正定對稱張量，其所有特征值都是實數(shù)并且大于等于零，可以用它的特征值構(gòu)建結(jié)構(gòu)屬性[22]。

1.2 混沌屬性的構(gòu)建

求解梯度張量的協(xié)方差矩陣，可以得到3個特征值λ1，λ2和λ3，及其對應(yīng)的特征向量。將所有的特征值按從大到小排序為λ1，λ2和λ3。根據(jù)3個特征值可以來構(gòu)建不同的結(jié)構(gòu)屬性。

Randen定義了一個叫“混沌”的度量屬性[22]，其度量公式：

(3)

在地震反射波信噪比高，連續(xù)性好的情況下，最大特征值較其他兩個特征值大許多；在噪聲較強(qiáng)、反射波不明顯時，最大特征值和其他兩個特征值的差別不大。因此可以通過Cchaos值的大小來反映反射波振幅和波形的變化。

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

LB煤礦位于山西省晉城市沁水縣境內(nèi)，屬于沁水煤田南部。區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，高差大，地表主要為基巖出露，地震激發(fā)條件較好。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育煤層為山西組3號煤層和太原組15號煤層，3號煤層厚5.75～6.88m，平均厚6.28m，屬穩(wěn)定全區(qū)可采厚煤層；15號煤層厚3.26～3.79m，平均厚3.52m，為穩(wěn)定全區(qū)可采中厚煤層。總體構(gòu)造形態(tài)為向北傾斜的單斜，在此基礎(chǔ)上發(fā)育有次級的寬緩褶曲，地層傾角5°～10°，最大25°左右(圖1)。斷層及陷落柱較發(fā)育。本次勘探采用中間放炮10線10炮制規(guī)則束狀觀測系統(tǒng)，疊加次數(shù)35次，面元5m×10m。在處理中采用了高精度靜校正技術(shù)、疊前去噪、球面擴(kuò)散補(bǔ)償、地表一致性振幅處理、反褶積串聯(lián)處理技術(shù)、精細(xì)速度分析、疊前時間偏移技術(shù)等，獲得了高信噪比的三維數(shù)據(jù)體(圖2)，為下一步的屬性提取、解釋構(gòu)造奠定了基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)3號煤層底板傾角平面圖Figure 1 Isogram of coal No.3 floor dip angles in study area

圖2 研究區(qū)主要煤層反射波地震時間剖面圖Figure 2 Main coal seam reflection wave seismic time sectionsin study area

2.2 陷落柱地質(zhì)特征

陷落柱是山西煤礦生產(chǎn)中常見的地質(zhì)構(gòu)造，是在地下溶洞垮塌的情況下，由上覆非可溶性巖層坍塌充填形成的。在華北地區(qū)的大部分煤田中，尤其是山西的各煤田，由于主要煤層距奧陶系可溶性灰?guī)r較近，陷落柱分布十分廣泛。陷落柱結(jié)構(gòu)特殊，分布具有大小不等，常孤立出現(xiàn)，規(guī)律性差等特點，在平面上分布范圍小、體積小。陷落柱巖性特征表現(xiàn)為巖石成分混雜，未膠結(jié)或弱膠結(jié)，無分選，巖石碎塊呈棱角狀，形狀不規(guī)則，排列雜亂；在陷落柱柱體的邊緣部位，常有一些不同規(guī)模的整體垮塌的巖塊，其傾向均指向陷落柱中心，產(chǎn)狀較陡。由于陷落柱巖性特征雜亂的特殊性，造成陷落柱存在的部位煤層反射波多為雜亂無章，振幅減弱、頻率降低、波形紊亂，在混沌體屬性中，陷落柱存在的部位混沌屬性值增高，從而易于識別陷落柱。

2.3 研究區(qū)地震屬性提取及分析

對研究區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行了屬性計算和提取，計算道數(shù)為米字型9道，計算時窗為9ms，傾角時差4ms。計算了傾角、方差、振幅、相似法相干、特征值法相干、傾角導(dǎo)向相干、混沌六種體屬性。在對研究區(qū)3號煤層反射波進(jìn)行層位對比、追蹤、閉合后，沿3號煤層反射波的層位提取了順層振幅、傾角、方差、相干等屬性體的順層切片(圖3至圖8)。

1)順層傾角切片：在傾角屬性切片上(圖3)，紅色區(qū)域為煤層傾角大于10°的區(qū)域，南北向出現(xiàn)的兩個紅色條帶為區(qū)內(nèi)一個背斜的兩翼。在傾角屬性上較明顯的構(gòu)造顯示為東部的陷落柱異常，在屬性平面上表現(xiàn)為一個圓形的異常圈閉；西部邊界外的斷層，也有一細(xì)條帶狀異常顯示。這兩個構(gòu)造都位于區(qū)內(nèi)地層傾角較小的地段，構(gòu)造異常較明顯。而在區(qū)中部和西部背斜兩翼的大傾角地段及北西部邊界附近，由于傾角較大，構(gòu)造異常淹沒在傾角異常帶內(nèi)。

圖3 3號煤層反射波的順層傾角切片F(xiàn)igure 3 Coal No.3 reflection wave dip angle bedding slices

2)順層振幅切片：在順層振幅切片上(圖4)，西部的斷層帶及東部的陷落柱異常明顯，都表現(xiàn)為振幅變?nèi)?，中部的振幅減弱區(qū)也較明顯，但構(gòu)造邊界不清楚，無法確定是否為斷層或陷落柱構(gòu)造異常。由于振幅屬性提取與地層傾角無關(guān)，因此，在振幅切片上可以大致將構(gòu)造異常帶圈出。由于影響振幅的因素較多，在振幅屬性切片上，振幅減弱的地段不一定為構(gòu)造引起，所以需要做進(jìn)一步的排查，以免引起漏解釋或誤解釋，且在振幅切片上，構(gòu)造邊界分辨率相對較低。

圖4 3號煤層反射波的順層振幅切片F(xiàn)igure 4 Coal No.3 reflection wave amplitude bedding slices

3)順層方差切片：在方差屬性切片上(圖5)，同樣出現(xiàn)三個方差異常的紅色條帶區(qū)域，均為煤層傾角大于10°的區(qū)域，特別是大于15°的區(qū)域方差異常值最高，與傾角屬性異常相似。位于地層傾角較小地段的東部的陷落柱異常和西部的斷層異常明顯，在傾角較小的地段，一些表現(xiàn)為線性異常的小斷層也較明顯，總體上方差屬性在傾角較小的地段，分辨率較高。

圖5 3號煤層反射波的順層方差切片F(xiàn)igure 5 Coal No.3 reflection wave variance bedding slices

4)順層相干切片(相似性算法)：在相干屬性切片上(圖6)，與傾角和方差屬性一樣，同一部位出現(xiàn)三個相干異常的藍(lán)色條帶區(qū)域，都為煤層傾角較大的區(qū)域，與方差屬性異常顯示基本一致?？傮w上相似性算法相干屬性切片在傾角較小的地段，分辨率也較高。

圖6 3號煤層反射波的順層相干切片(相似性算法)Figure 6 Coal No.3 reflection wave coherent bedding slices(similarity algorithm)

5)順層傾角導(dǎo)向相干切片(相似性算法)：在傾角導(dǎo)向相干切片上(圖7)，由于在計算相干的時候引入了傾角掃描參數(shù)，藍(lán)色條帶區(qū)域的異常有所減弱，能夠體現(xiàn)出一些構(gòu)造異常，但是分辨率較低，無法準(zhǔn)確識別構(gòu)造。但在傾角較小的地段，出現(xiàn)了一定程度的相干噪音。原因為地層傾角在全區(qū)變化較大引起，總體上順層傾角導(dǎo)向相干切片分辨率也較低。

圖7 3號煤層反射波的順層傾角導(dǎo)向相干切片F(xiàn)igure 7 Coal No.3 reflection wave dip angle orientedcoherent bedding slices

6)順層相干切片(特征值算法)：在特征值算法的相干切片上(圖8)，傾角較大區(qū)域的異常區(qū)范圍有所減小，異常范圍集中在地層傾角大于15°的區(qū)域。說明特征值算法的相干可以減小傾角帶來的影響，分辨率比相似性算法較高。但是在傾角大于15°的區(qū)域分辨率扔較低，無法準(zhǔn)確識別構(gòu)造?；谔卣髦邓惴ǖ南喔蓪傩栽趦A角較大區(qū)域分辨率也較低。

圖8 3號煤層反射波的順層相干切片(特征值算法)Figure 8 Coal No.3 reflection wave coherent bedding slices(eigenvalue algorithm)

7)順層混沌屬性順層切片：在混沌屬性切片上(圖9)，沒有出現(xiàn)傾角較大地段的屬性異常條帶，藍(lán)色區(qū)域為煤層反射波正常區(qū)域，紅色為混沌值較大區(qū)域，屬性異常邊界明顯，斷層和陷落柱構(gòu)造顯示清楚，屬性的分辨率和信噪比都較高。說明混沌屬性不受地層傾角影響，能夠有效快速地指示出陷落柱(或斷層)等構(gòu)造異常，為解釋人員提供了一種較好的構(gòu)造解釋手段。

圖9 3號煤層反射波的順層混沌切片F(xiàn)igure 9 Coal No.3 reflection wave chaotic body bedding slices

2.4 地震屬性剖面特征分析

為了更好的說明混沌屬性在地層傾角較大地段解釋構(gòu)造的有效性，下面通過構(gòu)造在時間剖面上的顯示特征及屬性值的變化情況來進(jìn)一步說明。在地層傾角較大地段(圖10)，可以看出陷落柱位置處的方差、相干、振幅、傾角等屬性相對正常煤層反射波屬性值變化較小，甚至與正常煤層射波屬性值一樣。而混沌屬性值則相對變化較大，在正常反射波處混沌屬性值幾乎沒有變化，而在陷落柱所處位置，混沌屬性異常值明顯變大，具有較高的分辨率；在地層平緩地段(圖11)，陷落柱所在位置處不同屬性的異常值相對變化基本一致，都具有較高的屬性分辨率。

圖10 傾角較大處陷落柱地震屬性剖面特征Figure 10 Subsided column seismic attribute section featuresin strata dip angle larger segment

圖11 地層平緩處陷落柱地震屬性剖面特征Figure 11 Subsided column seismic attribute section featuresin strata inclination gentle segment

3 結(jié)論

1)方差、基于相似性算法和特征值算法的相干及傾角地震屬性在地層傾角大于10°，特別是傾角大于15°時，地震屬性順層切片上會出現(xiàn)屬性異常帶，造成屬性分辨率降低，不易對陷落柱構(gòu)造的識別。

2)基于傾角導(dǎo)向的相干屬性在一定程度上可以減小地層傾角對屬性計算結(jié)果的影響，但由于不同地段地層傾角不一致，也會帶來相應(yīng)的噪音，造成分辨率降低。

3)混沌體作為一種描述地層結(jié)構(gòu)的地震屬性，其計算結(jié)果受地層傾角的影響小，在地層傾角大于15°時的地區(qū)對于煤田陷落柱(斷層)的解釋具有較高的分辨率，可以作為構(gòu)造解釋中一種優(yōu)選屬性，結(jié)合方差、相干等屬性開展構(gòu)造解釋。