南方典型煤田不同埋深小斷層識別規(guī)律研究

戴世鑫胡盼董艷嬌邢振邯李祥楊甫

1. 湖南科技大學地球科學與空間信息工程學院,湖南湘潭 411201；2. 自然資源部煤炭資源勘查與綜合利用重點實驗室,陜西西安 710021

“十三五”規(guī)劃指出,以煤為主,多元發(fā)展的能源方針不會變。煤炭是我國的重要能源和工業(yè)原料,并且在今后相當長的一段時期內仍將是我國居支配地位的主要能源,是關系國家經(jīng)濟命脈的重要基礎產(chǎn)業(yè)[1]。近年來,煤礦安全事故頻發(fā),如何確保煤炭資源的安全高效生產(chǎn)成為現(xiàn)階段亟待解決的問題。南方煤系地層中普遍存在的斷層,已成為煤礦開采中誘發(fā)礦井安全事故的最重要地質因素[2]。斷層會對煤層的連續(xù)性造成破壞,且圍巖強度低,極易破碎,可引發(fā)煤礦坍塌垮落事故；而水和瓦斯大量涌入斷層破裂帶,則會引發(fā)煤礦突水、煤與瓦斯突出等一系列嚴重地質災害事故[3]。利用地球物理勘探手段探明南方煤田地下地質構造,是保證煤炭資源開采效率、保障工人人身安全的有效手段。

目前,國內外學者對小斷層識別進行了大量研究。李玲等[4]采用Bahorich 等[5]提出的地震相干數(shù)據(jù)的應用方法,突出不相干地震數(shù)據(jù),客觀地自動解釋小斷層,提高了斷層解釋的效率和精度；Neves 等[6]利用常規(guī)地震屬性以及相干、譜分解等技術對目標儲層潛在裂縫和小斷層進行了識別定位；張延慶等[7]在譜分解的相位數(shù)據(jù)體上,識別和解釋出斷距為10 ～15 m 的斷層,更加清楚地認識油藏的地質特征,并分析油水關系、調整注采關系；王彥君等[8]利用斷層模型正演、巖層地震屬性及測井資料綜合識別小斷層,并將其應用于南美某盆地,取得了較好的應用效果；史軍[9]用Petrel 軟件中的螞蟻追蹤技術對埕島油田主體斷層重新進行解釋,認為該技術對低級序斷層的解釋具有較好的效果；Giroldi 等[10]通過計算多波長的曲率屬性體,豐富了不同波長信息下的小斷層識別結果；師素珍等[11]采用地震屬性和三維可視化分析,對顧桂礦區(qū)新生界發(fā)育的8 條活斷層進行精確查明,為該區(qū)煤礦開采提供安全保障。

根據(jù)大量的實踐,常規(guī)的地震剖面通?？梢酝ㄟ^反射波同相軸錯斷、突增突減或消失、產(chǎn)狀突變、出現(xiàn)特殊波等現(xiàn)象直接對斷層進行識別[12]。對于落差小的斷層來說,利用常規(guī)的斷層識別規(guī)律往往很難進行判別,小斷層的識別無疑成為地震資料解釋中的一大難點[13-14]。前人的研究主要集中在落差5 m 以上的小斷層識別,對落差5 m 以內的小斷層識別極少[15-21]。本文主要圍繞南方煤田落差為5 m 以內的小斷層進行研究。

1 研究區(qū)概況

南方煤田(華東、華中、華南)成煤過程中,受基底和構造運動的影響,分布零散,同時構造相對復雜、褶皺和斷裂發(fā)育、煤系沉積不穩(wěn)定、范圍小且煤層薄。這些特點都給勘探工作增加了難度。但南方煤田煤系地層賦存位置淺,為物探工作的開展提供了有利條件。

六盤水煤田位于晚二疊世上揚子聚煤沉積盆地的西部,出露地層以石炭系、二疊系和三疊系為主,含煤面積約8 200 km2。主要含煤地層為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M和長興組[22-23]。研究區(qū)構造復雜,褶皺、斷裂較發(fā)育(圖1),南部和北部的構造線方向明顯不同,主要發(fā)育NE 向和NW 向兩組區(qū)域性斷層,近SN 向和近EW 向的斷層也有所分布,但數(shù)量較少。其中,具有繼承性質的規(guī)模較大斷層多為逆斷層；小型斷裂多為正斷層。本文以該區(qū)小型斷裂正斷層為研究對象,采用物理模型技術,對不同埋深小斷層識別規(guī)律進行研究。

圖1 研究區(qū)地質構造綱要圖Fig.1 Geological structure outline map of the study area

2 煤系地層模型設計

研究區(qū)的地質數(shù)據(jù),通過收集資料、實地踏勘、調查獲得。由于地層較多,因此需要分析各地層的巖性對礦區(qū)測井資料進行加權計算來建立研究區(qū)的地質數(shù)據(jù)庫,包含煤系地層的產(chǎn)狀、巖性、煤層厚度、層速度、密度和小斷層分布等。煤田煤系地層模型物性參數(shù)見表1。

表1 煤田三維地震物理模型參數(shù)選取Tab.1 Parameter selection of coal field 3D seismic physical model

在實際介質與物理模型介質中,地震波的運動學特征(傳播速度v)不同,會造成兩者的物理參數(shù)(波長、時間、傳播距離、頻率等)也不同。將兩種介質參數(shù)的比值稱作模型比例因子,以γ表示。兩者的速度、時間、距離、頻率等參量有如下關系:

根據(jù)速度定義:

或

可推出速度、傳播時間、波長、頻率比例因子相互之間的關系:

或

式中,L、T分別為地震波傳播的距離、時間；λ、f分別為地震波的波長、頻率；下標R 和M 分別為實際和模型參量。

綜合相似材料和煤系地層構造的特點,確定物理模型參數(shù)見表2。

表2 物理模型參數(shù)Tab.2 Physical model parameter

根據(jù)選取的煤田三維地震物理模型參數(shù)進行物理模型設計,嚴格按照研究區(qū)的地質條件以及空間長度比例1 ∶2 000 構建制作煤系地層地震物理模型[圖2(a)],并進行模型剖面形態(tài)測試[圖2(b)]。

圖2 三維地震物理模型Fig.2 3D geophysical model

3 數(shù)據(jù)采集與處理

本次數(shù)據(jù)采集的儀器為大型全自動三維坐標定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)是地震物理模型實驗系統(tǒng)中的關鍵設備,系統(tǒng)儀器允許其在3 個方向(X、Y、Z)上移動,最大移動范圍分別為2.2 m、2.2 m 和0.6 m,各方向的空間移動精度小于0.05 mm。實驗儀器震源(換能器)參數(shù)為:主頻最大可達240 kHz,縱波、子波波形為雷克子波。選取本儀器的優(yōu)勢在于,震源和接收器能夠在三維空間內任意移動并精準定位,可按實驗目的任意調節(jié)震源頻率,為實驗提供便利。為了使炮點、接收點與傳播介質三者之間很好地耦合,加60 mm 水層作為覆蓋層,可達到削弱面波干擾的目的,數(shù)據(jù)采集均在水中進行。由于水中橫波在縱向上具有很好的衰/消減性,檢波器接收主要以縱波數(shù)據(jù)為主,因此本研究確定模擬震源為縱波震源。

本次數(shù)據(jù)采集的測線位置在物理模型東西方向的中線處,為二維多次覆蓋觀測系統(tǒng):道間距2 mm,炮間距4 mm,最小炮檢距20 mm,每炮道數(shù)600,每測線炮數(shù)260,采樣間隔為0.2 μs。在物理模型上采集的單炮數(shù)據(jù)原始記錄如圖3 所示?？梢钥闯?淺層反射波能量突出,物理模型原始數(shù)據(jù)有許多干擾波,如水下采集池壁側面反射波干擾、物理模型邊緣不同介質分界面的繞射波干擾和各層分界面間的多次波干擾,但主要反射層面清晰可見。

圖3 物理模型單炮記錄Fig.3 Single shot record of physical model

為提高地震資料數(shù)據(jù)質量,需對干擾波進行壓制。如圖4 所示,對原始單炮記錄進行頻譜分析,可以看到主頻在120 Hz 附近,優(yōu)勢頻帶范圍在50 ～100 Hz,50 Hz 以下存在振幅相對較強的頻率,150 ～200 Hz 也存在振幅相對較強的頻率。利用帶通濾波過濾干擾波,設置過濾低頻范圍為50 ～100 Hz,高頻范圍為150 ～200 Hz,保留優(yōu)勢頻帶,再測量地層反射層面地震波的視速度,來確定FK 濾波的扇形區(qū)域。經(jīng)帶通濾波和FK 濾波處理后,干擾波得到壓制,各個地層反射波愈加明顯。

圖4 物理模型數(shù)據(jù)濾波處理Fig.4 Physical model data filtering processing

利用地震數(shù)據(jù)處理軟件對采集的物理模型數(shù)據(jù)處理,經(jīng)觀測系統(tǒng)定義、FK 濾波、速度分析、動校正、疊加后得到疊加剖面圖,如圖5 所示。與構建的實際地球物理模型圖對比可知,模型各層面基本吻合,可以用該模型開展小斷層的正演模擬。

圖5 模型疊加剖面Fig.5 Model superimposed section

4 小斷層地震波識別

南方隱伏煤田雖然地質條件較復雜,煤層厚度相較北方煤田薄很多,但煤層與圍巖仍然存在很大的物性差異。合理利用地震勘探技術手段,可以查清不同巖層之間的接觸界面,達到了解構造并確定斷層的目的。在野外進行實地地震勘探的過程中,地震資料的采集效果與震源頻率、道間距、巖體彈性參數(shù)等條件相關,地震勘探取決于這些參數(shù)的合理設置。而本實驗采用的儀器可按需求調節(jié)換能器主頻,為識別小斷層提供便利。經(jīng)實地勘探,研究區(qū)主采煤層實際埋深分別為800 m、1 000 m 和1 200 m。在設計研究區(qū)地球物理模型的過程中,根據(jù)主采煤層埋深的不同,設計了3 組落差分別為5 m、3 m 和1 m 的小斷層,如圖6 所示。

圖6 不同埋深小斷層Fig.6 Small fault with different placing depth

4.1 小斷層常規(guī)識別

震源頻率與地震勘探的深度、精度有著密不可分的關系。設置不同的震源頻率,可以觀察實驗室物理模型地震響應的區(qū)別,并為實際野外勘探參數(shù)的設置提供理論參考。在野外地震勘探中,最常使用的震源頻率為60 ～80 Hz,所以設置實驗室超聲波震源主頻為60 kHz(對應野外震源頻率60 Hz),對煤系地層物理模型進行數(shù)據(jù)采集。

在震源頻率為60 Hz 的條件下,對不同埋深的3 組小斷層分步進行時窗分析,得到小斷層響應情況如圖7 所示。

由圖7 可看出,當小斷層埋深800 m 時,落差為5 m 的小斷層反射波同相軸發(fā)生輕微彎曲,落差為3 m 和1 m 的小斷層反射波同相軸沒有任何變化；當小斷層埋深1 000 m 和1 200 m 時,3 種落差的小斷層反射波同相軸都沒有任何反應。

影響小斷層識別分辨率的因素有許多,但主要的是地震波的震源主頻、速度以及目標層位自激自收的時間等。偏移處理后的地震剖面橫向分辨率為

式中,vint為目標層位速度；fm為目標層位地震波的震源主頻。

對于地震勘探區(qū)域,煤層速度基本為定值。隨著地震波主頻的增加,相鄰小斷層間的分辨距離逐漸減小,即橫向分辨能力逐漸提高；當目標層位地震波的震源主頻fm=60 Hz 時,hr≈14 m。

而地震勘探的垂向分辨率極限,遵循雷克準則,即當兩個子波的旅行時差大于子波主周期的1/2(約λ/4)時是可被分辨的,反之則無法分辨。故對于落差為1 ～5 m 的小斷層,小斷層處的煤層會產(chǎn)生細微的振幅變化,但不會有明顯的同相軸錯動,所以用肉眼無法對其進行識別。

4.2 小斷層屬性分析

由于在震源頻率60 Hz 的條件下從地震波運動學的角度僅能識別埋深800 m、落差5 m 的小斷層,因此要識別其他小斷層,需要從地震波動力學的角度提取地震屬性進行輔助。地震波在地層中的傳播過程復雜,是地下地質結構的綜合反映。地層中巖石物理性質不同,必然導致地震信號特征改變,進而導致提取的地震屬性的相應變化。

地震屬性的提取方法主要有3 種:瞬時提取法、沿層提取法和多道體屬性提取法。本文采取沿層提取法進行地震屬性提取,沿著解釋目標層(煤層)開固定時窗,以埋深800 m、落差5 m 的小斷層為中心進行時窗分析。當震源頻率為60 Hz 時,選取時窗長度約為20 ms,提取時窗包含目標層(煤層)且盡可能不包含其他地層,在該時窗內提取小斷層的地震波動力學相關屬性(圖8)。

圖8 小斷層的地震屬性Fig.8 Seismic properties of small faults

當?shù)卣鸩ㄔ诰鶆蚪橘|中傳播時,相位是連續(xù)的；在異常介質中傳播時,在異常位置相位會發(fā)生顯著變化。通常,斷層是地質體異?，F(xiàn)象,所以也會產(chǎn)生相應的變化。在上述地震屬性中可明顯看出,振幅包絡、振幅一階導數(shù)、振幅二階導數(shù)和虛部4 種屬性對小斷層的特征響應敏感；而其他幾種屬性對小斷層的識別能力較弱,異常響應形態(tài)不規(guī)律,所以不作考慮。

沿著目的層小斷層進行屬性提取與分析,提取振幅包絡地震屬性如圖9 所示。通過對反射波的振幅包絡屬性分析可知,小斷層處煤層反射波的振幅值相較其他部位煤層反射波的振幅小?？梢钥闯?無論是落差為5 m 和3 m 的小斷層,還是1 m的小斷層,都會造成反射波振幅值的衰減,并且衰減程度隨著斷層落差的減小而減小。

圖9 振幅包絡Fig.9 Amplitude envelope

沿著目的層小斷層提取振幅一階導數(shù)地震屬性如圖10 所示。通過對比分析可知,3 組小斷層部位煤層反射波的振幅一階導數(shù)值,相比其他部位煤層反射波具有衰減特征,且隨著埋深的增加衰減程度減弱。此圖與振幅包絡屬性圖一致,是振幅類屬性,小斷層異常特征相似。振幅的大小反映反射波的強弱程度,因為斷層能夠吸收能量和發(fā)散反射波能量,導致反射波能量變弱、振幅減小,故當振幅的變化趨勢從降低變?yōu)樯邥r,最小值處可能存在著斷層。因此,振幅屬性常作為識別小斷層的有效指標之一。

圖10 振幅一階導數(shù)Fig.10 Amplitude 1st derivative

沿著小斷層目的層提取虛部地震屬性如圖11 所示?？梢钥闯?該屬性對于小斷層構造反映比較敏感。落差為5 m 的小斷層破碎帶范圍大,對地震波吸收明顯；落差為1 m 的小斷層的破碎帶范圍小,對地震波的吸收不明顯；而對于埋深1 200 m、落差為1 m 的小斷層,幾乎無反映?？梢?該屬性異常響應隨著斷層的埋深和落差減小而減弱。

圖11 振幅虛部（希爾伯特變換）Fig.11 Imaginary part of amplitude （Hilbert）

5 結 論

(1) 斷層是一種影響煤礦安全高效工作的地質異常體。通過對南方典型煤田貴州省六盤水煤田建立煤系地層地震物理模型,結合地震波運動學和動力學屬性特征成功解釋了落差5 m 以內的小斷層,與煤系地層地震物理模型模擬相吻合。

(2) 當震源頻率選取60 Hz 時,地震成像較清晰,3 組小斷層地震響應特征不明顯,小斷層的識別精度低。從地震波動力學的角度,提取小斷層反應敏感的地震屬性,對比分析得出:1 ～5 m 的小斷層在振幅屬性圖上的反映較強烈,且落差越大,反映越清晰。