基于高密度三維地震勘探技術(shù)的斷層識(shí)別

劉增平

（山東能源淄礦集團(tuán)地質(zhì)測(cè)量部 山東淄博 255120）

0 引言

煤炭開(kāi)采礦區(qū)往往斷層、褶皺發(fā)育，煤層破壞嚴(yán)重，且地質(zhì)構(gòu)造易形成導(dǎo)水通道以及瓦斯突出。煤層中存在的小斷層，常是誘發(fā)安全事故的重要因素［1］。隨著地質(zhì)勘探目標(biāo)的復(fù)雜化和勘探要求的精準(zhǔn)化、細(xì)致化，很多地區(qū)的地質(zhì)任務(wù)明確要求查明區(qū)內(nèi)落差≥3 m 的斷層，其平面擺動(dòng)誤差＜15 m，并對(duì)斷層發(fā)育高度進(jìn)行控制，對(duì)落差＜3 m 的斷層、斷點(diǎn)盡力查找并標(biāo)出。而傳統(tǒng)的三維地震勘探技術(shù)逐漸難以滿(mǎn)足高精度地質(zhì)任務(wù)的要求。高密度三維地震勘探技術(shù)具有高空間采樣密度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，在石油勘探、煤田勘探和其他礦產(chǎn)勘探方面得到了大量的成果應(yīng)用。本文介紹基于高密度三維地震勘探技術(shù)的斷層識(shí)別工作，以期對(duì)煤田斷層的識(shí)別具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

1 高密度三維地震勘探技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

1988 年，Ongkiehong 提出了通過(guò)減小道間距離、提高采樣密度來(lái)減小由檢波器組合帶來(lái)的誤差；2002 年，Pecholcsp 提出了“未授權(quán)采集”技術(shù)和“高密度采集”的概念；2003 年，我國(guó)首次在濟(jì)陽(yáng)坳陷墾71 井區(qū)實(shí)施了20 km2的高密度三維地震勘探［2］。高密度三維地震勘探技術(shù)以高密度采集和數(shù)字檢波器接收為主要特征。高密度采集是通過(guò)提高空間采樣率以實(shí)現(xiàn)地震波場(chǎng)的無(wú)假頻采樣，無(wú)論是有用信號(hào)還是噪聲都能被全面、高保真地記錄下來(lái)，利于后續(xù)有效信號(hào)恢復(fù)及噪聲去除。通過(guò)加密空間采樣，采用小面元、高覆蓋次數(shù)、寬方位的觀測(cè)系統(tǒng)，提高了三維地震資料的信噪比和分辨率，可為落差較小斷層的識(shí)別和解釋提供高質(zhì)量的原始資料［3-4］。

1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集方面，高密度三維地震勘探的觀測(cè)系統(tǒng)相比較于常規(guī)三維地震勘探，多采用多線寬方位采集即橫縱比>0.5，可以接收更多來(lái)自橫向的信息。對(duì)于地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育復(fù)雜地區(qū)，布線方式更為靈活，能夠找到合適的布線方向，從而減少后期偏移成像的難度。

高密度三維地震勘探采集的小面元特點(diǎn)，使得面元尺寸較于常規(guī)面元更小，一般采用5 m×5 m 的面元，面元內(nèi)炮點(diǎn)更為密集，可以得到橫縱向上具有相似數(shù)據(jù)密度的地震數(shù)據(jù)，增加了橫向信息的收集，提高了地震資料的分辨率。

高覆蓋次數(shù)有利于后期數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行地震數(shù)據(jù)處理時(shí)，疊加次數(shù)可以有效提高資料的信噪比，資料信噪比與疊加次數(shù)呈正相關(guān)。高密度三維地震勘探的地震資料相較于常規(guī)地震資料具有更高的信噪比［5］。

1.3 數(shù)據(jù)處理和解釋

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)在整理之后，首先進(jìn)行畸變數(shù)據(jù)的剔除與校正。結(jié)合地質(zhì)任務(wù)，處理工作主要圍繞靜校正處理技術(shù)、保幅去噪處理技術(shù)、逐步拓頻處理和高精度成像處理技術(shù)等5個(gè)方面展開(kāi)。高密度三維地震勘探數(shù)據(jù)處理和解釋的常用流程如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理和資料解釋流程

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

某礦區(qū)為全隱蔽式華北型石炭二疊系含煤地層，地層由老到新發(fā)育有奧陶紀(jì)馬家溝群，石炭—二疊紀(jì)月門(mén)溝群本溪組、太原組、山西組，二疊紀(jì)石盒子群，侏羅—白堊紀(jì)淄博群三臺(tái)組及第四紀(jì)地層。礦區(qū)整體位于華北地臺(tái)魯西臺(tái)背斜的西南緣，在魯西南斷塊凹陷濟(jì)寧地塹的東部。嘉祥支斷層縱穿井田南北，西界北部為XF9斷層，南界為F1斷層，西南部為FH1層滑斷層，由之構(gòu)成本區(qū)條帶斷塊構(gòu)造特征。受區(qū)域性斷層的影響和控制，區(qū)內(nèi)次級(jí)構(gòu)造以近南北向、北北東向斷層為主，以北北東向斷層居多，局部也存有少量的東西向斷層。

2.2 資料采集和處理

為了獲得高信噪比的地震資料，在數(shù)據(jù)采集之前，對(duì)激發(fā)參數(shù)和接收道距、最大炮檢距、覆蓋次數(shù)等采集參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)論證，觀測(cè)系統(tǒng)采用規(guī)則線束狀16 線10 炮中間激發(fā)，2 560 道接收，檢波線距100 m，接收道距10 m，滿(mǎn)覆蓋次數(shù)64 次，CDP 網(wǎng)格5 m×5 m，測(cè)區(qū)采用井深17 m。儀器采用428XL 多道遙測(cè)數(shù)字地震儀，記錄長(zhǎng)度為2.0 s，記錄格式為SEG-Y，采樣間隔為0.5 ms，接收道數(shù)為2 560 道。

對(duì)原始資料進(jìn)行分析并結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)資料，可以看出該區(qū)目的層埋藏較深、有效反射信號(hào)弱，同時(shí)干擾波發(fā)育、波場(chǎng)復(fù)雜，需要做好疊前去噪工作，保護(hù)和加強(qiáng)上侏羅統(tǒng)以下的弱反射信號(hào)；煤礦資料屬于典型的淺層高分辨率處理，淺層資料對(duì)速度的變化非常敏感，需要提高速度分析精度；偏移成像與速度建模迭代能有效精確識(shí)別構(gòu)造復(fù)雜的地下褶曲，提高成像精度。數(shù)據(jù)處理前的地震剖面和數(shù)據(jù)處理后的疊前時(shí)間偏移剖面如圖2 和圖3 所示。地震數(shù)據(jù)處理之后，地震資料的分辨率較高，同相軸較為連續(xù)，有利于后續(xù)斷層的解釋。

圖2 數(shù)據(jù)處理前的地震剖面圖

圖3 數(shù)據(jù)處理后的疊前時(shí)間偏移剖面

2.3 斷層識(shí)別

本次高密度三維地震勘探查明了區(qū)內(nèi)3 煤層中落差≥3 m的斷層，全區(qū)3 煤層共解釋斷層68 條，全為正斷層，其中落差≥5 m 的斷層53 條。斷層走向以北北東、北西、北西西和北東向?yàn)橹?，其中北北東向斷層30 條，北西向斷層13 條，北西西向斷層8 條，北東向斷層7 條，其它方向斷層共計(jì)10 條。圖4～圖6 是斷層在地震剖面上的顯示。

圖4 FF15 斷層在地震剖面上的顯示

圖4 中的FF15 斷層為正斷層，走向北北東，傾向北西西，傾角70°～75°，落差約0～75 m，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度470 m，為可靠斷層。

圖5 中的FF27 斷層為正斷層，走向北北東，傾向南東東，傾角70°～75°，落差約0～20 m，區(qū)內(nèi)延展長(zhǎng)度700 m，為可靠斷層。

圖5 FF27 斷層在時(shí)間剖面上的顯示

圖6 是小斷層F530-4、F530-5 在時(shí)間剖面上的反映，F(xiàn)530-4 斷點(diǎn)落差3 m，F(xiàn)530-5 斷點(diǎn)落差6.2 m，兩斷層在高精度時(shí)間剖面上均有反映，與巷道揭露位置一致。

圖6 斷層F530-4 與F530-5 在時(shí)間剖面上的反映

上述應(yīng)用結(jié)果表明，斷層在高密度三維地震時(shí)間剖面上具有明顯的地震響應(yīng)特征，利用高密度三維地震勘探技術(shù)有利于斷層的識(shí)別。

3 結(jié)論

本文介紹了三維高密度地震勘探技術(shù)的基本流程，證實(shí)了該技術(shù)在斷層識(shí)別中的有效性，取得3 點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）高密度三維地震勘探實(shí)現(xiàn)了小面元、高覆蓋次數(shù)、寬方位角采集，較常規(guī)相比可以提高資料信噪比、分辨率，能有效識(shí)別小斷層；

（2）通過(guò)有針對(duì)性的地震處理流程所得到的地震資料分辨率較高，同相軸較為連續(xù)，有利于后續(xù)斷層的解釋?zhuān)?/p>

（3）實(shí)際資料的應(yīng)用結(jié)果表明，高密度三維地震勘探技術(shù)可實(shí)現(xiàn)小斷層的精準(zhǔn)識(shí)別，可為煤礦安全生產(chǎn)提供更有力的地質(zhì)保障。