貴州復(fù)雜山區(qū)礦山三維地震勘探方法

束雙偉

地震勘探的目的是通過地震觀測獲取反映地下界面真實(shí)位置和地下礦物特性、物性等地質(zhì)信息。然而，二維地震觀測只能獲取反映平面內(nèi)的地質(zhì)信息。即使在實(shí)際生產(chǎn)中，二維觀測有時(shí)也在地表按面積布置測線，但每一條測線都是按二維采集數(shù)據(jù)并按二維偏移處理。由于二維偏移是沿著測線的視傾角方向進(jìn)行的，偏移結(jié)果不完全，也不準(zhǔn)確，尤其對于礦山復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行二維地震勘探，二維歸位處理就不能反映地下界面的真實(shí)產(chǎn)狀。隨著大型礦山不斷開發(fā)利用，單純的資源勘探逐步進(jìn)入開發(fā)勘探，在礦產(chǎn)資源勘探過程中要求提供精準(zhǔn)的地質(zhì)構(gòu)造信息，受二維地震勘探的局限性及條件性的制約，影響了礦山地質(zhì)勘探的精準(zhǔn)度。三維地震勘探原理、條件與三維地質(zhì)體相對應(yīng)，同時(shí)具有高密度，三維空間成像歸位以及多種靈活顯示等優(yōu)點(diǎn)，所以更易得到正確的礦山地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)和多種顯示圖像，三維地震勘探在工程地質(zhì)、礦產(chǎn)資源勘探方面發(fā)揮著無可替代的重要作用。

貴州某礦山采區(qū)地表主要以山地為主，地表高差大，山路崎嶇不平，地表巖性出露復(fù)雜，而且區(qū)內(nèi)有大田、下寨、羅翁、外山、落幫、低刮、小灣、大灣等村莊，表、淺層地震地質(zhì)條件極其復(fù)雜，三維地震勘探施工難度大，對室內(nèi)數(shù)據(jù)處理也造成一定影響。

1 概況

礦區(qū)位于董架向斜南盤、沫陽斷層北盤的弧形構(gòu)造帶里?？傮w呈單斜構(gòu)造，地層走向近東西，傾向南，地表傾角為13°～23°，局部地層沿走向出現(xiàn)波狀起伏，礦區(qū)出露的地層由新至老有第四系（Q），三疊系下統(tǒng)紫云組（T1z）、羅樓組（T1L），二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）、吳家坪組（P3w）。

礦區(qū)內(nèi)主要含礦地層為吳家坪組（P3w），巖性主要以灰、淺灰色厚層灰?guī)r、燧石灰?guī)r及結(jié)核，夾少量生物碎屑。該組地層厚為237m ～317m，含礦層為1 層～3 層，含礦總厚度為2.86m，單層厚度0.1m ～1.32m，含礦率為8.46%，含礦地層含礦率不高，多以透鏡體產(chǎn)出。該組含可采礦層一層，即本礦可采層M1礦層，礦層較穩(wěn)定，礦層厚度為0.72m ～1.32m，平均厚度為1.00m。礦層頂板為灰、淺灰色厚層灰?guī)r，底板白云質(zhì)灰?guī)r、碳質(zhì)頁巖礦區(qū)內(nèi)礦層厚度有一定的變化，礦層厚度0.72m ～1.32m，總體平均厚度為1.00m 左右；礦層厚度地表延伸變化較大，沿深部礦層厚度變化較為穩(wěn)定，礦層結(jié)構(gòu)較簡單，全區(qū)內(nèi)礦層厚度基本都達(dá)到最低可采厚度，為全區(qū)可采礦層。

通過前期對主斜井及7 個(gè)老硐的見礦化點(diǎn)進(jìn)行實(shí)測，結(jié)合本次收集業(yè)主提供的四個(gè)探礦工程鉆孔資料來看，礦區(qū)的礦層厚度較穩(wěn)定。

礦山使用三維地震勘探前的準(zhǔn)備工作：

（1）確定三維工區(qū)。

（2）根據(jù)貴州某礦區(qū)地質(zhì)條件和地質(zhì)任務(wù)設(shè)計(jì)三維地震探測方案。

（3）科學(xué)選用三維地質(zhì)勘探各參數(shù)。

（4）合理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可選用正演模擬。

（5）三維地震探測過程中進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制。

2 地震地質(zhì)條件

2.1 表層地震地質(zhì)條件

本勘探區(qū)本區(qū)位于云貴高原東部，東西向苗嶺山脈西部北側(cè)。本區(qū)為低中山喀斯特峰叢地貌。槽谷峰叢發(fā)育，碳酸鹽巖出露廣泛。地表相對高差超過200m，部分地段有懸崖勘探區(qū)地表主要以山地為主，區(qū)內(nèi)有大田、下寨、羅翁、外山、落幫、低刮、小灣、大灣等村莊。山區(qū)起伏不平對地震施工造成一定影響。

2.2 淺層地震地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)河流多為季節(jié)性小溪及河流泉點(diǎn)稀少，據(jù)縣氣象站多年資料表明多春旱，潛水位低，根據(jù)已有資料與現(xiàn)場踏勘，第四系主要為風(fēng)化粘土組成，厚度為0m ～17.05m，主要分布在相對低洼地帶，結(jié)構(gòu)松散，成孔困難。部分地段基巖出露，礦層風(fēng)化松散，故成孔方式要針對不同的表層選擇不同的成孔方式。故本區(qū)淺層地震地質(zhì)條件較差。礦區(qū)出露地層按巖（土）體組合類型劃分為硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組、軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組及松散巖類工程地質(zhì)巖組成。

（1）硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組：本巖組主要為紫云組、羅樓組、長興組、吳家坪組的灰?guī)r、燧石灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、細(xì)晶質(zhì)白云巖、硅質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。巖體力學(xué)強(qiáng)度高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，巖土體工程地質(zhì)條件較好。石灰?guī)r有：三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組（T2g）、下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組（T1yn）、夜郎組（T1y），二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）、吳家坪組第二、第三段（P3w2+3）、中統(tǒng)茅口組（P2m）、棲霞組（P2q），石炭系上統(tǒng)馬平組（C2m）、黃龍組（C2h）等。白云巖有：三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m）、寒武系婁山關(guān)群（ls）等。砂巖、石英砂巖有：泥盆系上統(tǒng)高坡場組（Dgp）、蟒山群（Dms）。變質(zhì)巖有：青白口系（Qb）及薊縣系（Jx）各組變質(zhì)巖石。

（2）軟硬質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組：此巖類主要是為羅樓組及吳家坪組的砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、細(xì)粒燧石灰?guī)r、泥質(zhì)砂巖屬硬質(zhì)巖類，其工程力學(xué)性質(zhì)良好；而泥質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖及含礦層夾泥巖、粘土巖屬軟質(zhì)巖類，其巖體力學(xué)強(qiáng)度低，遇水軟化；在硬質(zhì)巖類和軟質(zhì)巖類的接觸面極易形成軟化結(jié)構(gòu)面，巖土體工程地質(zhì)條件較差。

（3）松散巖類工程地質(zhì)巖組：為分布于區(qū)內(nèi)地勢相對較低的洼地中的粘土、耕植土和棄土、棄石，為結(jié)構(gòu)松散的殘積物；主要是含植物根系的有機(jī)土，土層結(jié)構(gòu)松散，遇水軟化，具壓縮性和可塑性，力學(xué)強(qiáng)度低，巖土體工程地質(zhì)條件差。半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬巖類工程地質(zhì)巖組：千枚巖夾石英細(xì)砂巖、白云巖，片狀活中厚—厚層狀構(gòu)造，裂隙一般不發(fā)育，力學(xué)強(qiáng)度大，抗壓強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好。

綜上所述，礦區(qū)巖土體工程地質(zhì)條件總體較差。給成孔、下炸藥帶來非常大的困難，影響激發(fā)接收的效果。

2.3 深層地震地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)資料分析，二疊系上統(tǒng)吳家坪組（P3w）巖性主要以灰、淺灰色厚層灰?guī)r、燧石灰?guī)r及結(jié)核，夾少量生物碎屑，含礦層1 層～3 層，既含該礦區(qū)可采礦層M1 號。厚為237m ～317m。M1 礦層厚度相對較厚，可以形成能量較強(qiáng)、連續(xù)性較好的礦層反射波。

3 三維地震勘探難點(diǎn)及針對性技術(shù)措施

（1）本區(qū)地處云貴高原山區(qū)，地表巖性變化較大，激發(fā)條件復(fù)雜。采集前充分做好踏勘，布置低速帶調(diào)查點(diǎn)，為激發(fā)井深和后期處理解釋提供依據(jù)。

（2）根據(jù)地表巖性條件，合理選擇成孔鉆具，充分進(jìn)行井深、藥量及檢波器等試驗(yàn)工作，選擇最佳采集參數(shù)，保證采集效果。

（3）做好折射靜校正。地表高差變化較大，野外靜校正問題十分嚴(yán)重。加上有些地段激發(fā)和接收困難，使有的折射波起跳不干脆，對折射波的拾取不利。故本區(qū)處理重點(diǎn)是做好計(jì)算折射靜校正的一系列工作。包括折射波的識別，計(jì)算方法的選取與參數(shù)的優(yōu)化等。云貴高原山區(qū)礦山所處時(shí)空區(qū)域的原始資料評價(jià)：為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜山區(qū)礦山地質(zhì)勘探經(jīng)濟(jì)技術(shù)一體化，采用三維地震勘探方式，需將前期獲得的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合。重點(diǎn)分析前期礦山地質(zhì)勘探資料在成像精度、信噪比、礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量、圖像分辨率等方面存在的問題，另外還要分析所用的采樣密度、覆蓋次數(shù)、方位寬窄等相關(guān)參數(shù)有誤差時(shí)，可根據(jù)所布置的地質(zhì)勘探任務(wù)進(jìn)行調(diào)整，對前期探測到數(shù)據(jù)進(jìn)行評價(jià)分析。

（4）提高資料信噪比：山區(qū)資料施工難，所獲得的記錄一般信噪比不高，處理中如何去除干擾，提高信噪比十分關(guān)鍵。通過對原始資料進(jìn)行濾波、速度分析、自動(dòng)校正、自動(dòng)剩余靜校、DMO 疊加、三維去噪和疊后時(shí)間偏移等模塊的處理，全力壓制各種噪聲干擾，得到有利于對主要目的層反射波識別與追蹤的具有較高信噪比的三維疊加和三維偏移數(shù)據(jù)體。

（5）保證資料保真度。地震數(shù)據(jù)的保真度是資料解釋的基礎(chǔ)，保持地震信號的相對振幅和反映地層界面特性的動(dòng)力學(xué)特征，以利于礦層厚度變化的研究。不能片面強(qiáng)調(diào)資信噪比和分辨率而犧牲保真度，也不能為保真而不加區(qū)分地存留冗余信息，那樣會(huì)干擾有效信息，結(jié)果可能適得其反。

復(fù)雜山區(qū)礦山三維地震勘探數(shù)據(jù)采集是一種面積接收技術(shù)。其觀測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)的選擇都要考慮三維特性。因此，三維數(shù)據(jù)采集比二維復(fù)雜，質(zhì)量要求也高，需要進(jìn)行理論模型試驗(yàn)，并結(jié)合野外試驗(yàn)選擇合適的參數(shù)和方法。

三維地震工區(qū)的確定，主要是根據(jù)地下地震、地質(zhì)條件和地面地形地貌條件，并以前者為主，礦區(qū)的觀測面積要根據(jù)構(gòu)造的大小，目的層的深度和傾角走向來決定。決定礦區(qū)觀測范圍時(shí)還要考慮需要滿足，覆蓋的次數(shù)的地下范圍和偏移前后數(shù)據(jù)上有空間的不同。

地下滿足覆蓋面積的確定，地下滿覆蓋面積（即地下勘探面積）可預(yù)先根據(jù)有利地區(qū)的范圍，在以往的二維構(gòu)造圖上粗略確定，然后考慮降低勘探成本，工作規(guī)劃整齊等因素，最后確定地下滿覆蓋面積。

4 主要采集參數(shù)及方法

通過試驗(yàn)工作，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)記錄對比，從能量、信噪比、分辨率、有效波受干擾程度考慮，經(jīng)過專家組的反復(fù)研究，主要采集參數(shù)確定如下：

（1）在基巖出露區(qū)，井深為3.5m ～4m，對于井深無法達(dá)到4m 的區(qū)域，采用2 孔或3 孔組合放炮的形式；在地勢較平坦且覆蓋層較厚的區(qū)域，井深為8m ～10m；在低洼區(qū)和山坡區(qū)域，要求打到基巖面下進(jìn)行激發(fā)，井深一般為5m ～6m。

（2）采用TNT 炸藥激發(fā)，藥量1.5kg ～2.0kg。

（3）檢波器為60HZ 4 串組合接收，點(diǎn)放挖坑埋置，記錄長度2.0s，儀器為法國產(chǎn)428XL 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（4）最大炮檢距小于1000m。

（5）區(qū)內(nèi)干擾波主要為低頻的面波干擾和隨機(jī)干擾。

（6）排列方式：束狀8 線8 炮制，中點(diǎn)發(fā)炮；接收道數(shù)：8×72=576 道；接收線距：40m；接收道距：10m；最小非縱距：5m；最大非縱距：355m；最小炮檢距：11.18m；最大炮檢距：412.46m；CDP 網(wǎng)格：5m（縱向）×10m（橫向）；覆蓋次數(shù)：6 次（縱向）×4 次（橫向）=24 次；炮點(diǎn)網(wǎng)度：20m（橫向）×60m（縱向）；檢波點(diǎn)網(wǎng)度：40m（橫向）×10m（縱向）。

5 主要測網(wǎng)布置

三維地震勘探是一種高密度采集、空間成像、歸位準(zhǔn)確的面積接收技術(shù)，其特點(diǎn)是利用炮點(diǎn)和接收點(diǎn)網(wǎng)格的靈活組合而獲得分布均勻的地下數(shù)據(jù)點(diǎn)網(wǎng)格及所要求的覆蓋次數(shù)。三維觀測系統(tǒng)選擇正確與否，將直接影響野外施工效率、資料處理效果及地質(zhì)成果的精度。

綜合考慮本次勘探工作的地質(zhì)任務(wù)，必須滿足一定的覆蓋次數(shù)且較均勻分布，以保證較高的信噪比和分辨率。線束布置方向主要以垂直地層走向或構(gòu)造走向?yàn)樵瓌t，數(shù)據(jù)采集采用規(guī)則的三維觀測系統(tǒng)，線束基本垂直構(gòu)造走向布置。建立相對坐標(biāo)系，X 軸以20m 為基本單位編號，而Y 軸以10m 為單位編號，形成了本區(qū)工程布置圖。

（1）考慮到資料處理和空間屬性建立上的方便，線束自西向東編號，用漢字標(biāo)在每束中心炮線的下方。每束與上一束重合4條接收線。

（2）接收線、炮線統(tǒng)一編號。檢波點(diǎn)和炮線采用與道間距相關(guān)長度進(jìn)行編號。接收線為奇數(shù)，炮線編為偶數(shù)。檢波點(diǎn)、炮點(diǎn)自南向北統(tǒng)一編號，這樣有利于野外施工。

（3）施工順序自西向東：第一束、第二束、……第十七束。每一束的第一條接收線與上一束的第五接收線重合。

每放完一排炮，逐次向前移動(dòng)，接收道不斷向備用道過渡，直至備用道全部變?yōu)榻邮盏篮?，儀器向前搬站。

（4）施工中要確保交叉站、采集站輸入道號定位準(zhǔn)確，炮點(diǎn)、接收點(diǎn)的關(guān)系正確無誤。

6 地震工程測量工作

（1）測量設(shè)備：測量使用華測GPS 接收機(jī)5 套，該儀器性能合格。

（2）控制測量：以GPS1、GPS4 兩個(gè)已知點(diǎn)作為起算點(diǎn)，聯(lián)測到測區(qū)構(gòu)成由4 個(gè)點(diǎn)組成的三角網(wǎng)，最大基線邊長1.57km，最小基線邊長0.67km。點(diǎn)位采用木樁和石灰構(gòu)成，均選擇在非耕地處，以利于長期保存，并且交通便利。點(diǎn)位附近無大面積水域，高壓線，微波塔及其他影響接收信號的障礙物。使用華測GPS 接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)觀測。有效觀測時(shí)段60min。總共觀測15 個(gè)測站，有效觀測時(shí)段數(shù)為2.5。高程采用GPS 擬合高程。內(nèi)業(yè)處理采用南方GPS 商用后處理軟件平差計(jì)算。平差后基線邊平面精度為1：7 萬～1：21 萬之間，高程擬合精度0.3m。

（3）測量放樣：采用GPS 實(shí)時(shí)差分測量（RTK）放樣，即使用一個(gè)E 級GPS 控制點(diǎn)作為基準(zhǔn)站，配合5 個(gè)流動(dòng)站同時(shí)進(jìn)行作業(yè)。工地校正平面殘差最大0.001m，垂直殘差最大0.021m。放樣前將測線端點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)輸入測量控制器（手簿）內(nèi)，建立直線放樣。放樣一般從小號開始，5 個(gè)流動(dòng)站分段向前放樣?；倦S測線移動(dòng)，基站距離流動(dòng)站的基線長度均不大于1km，每次發(fā)展的參考站均采用已放樣點(diǎn)進(jìn)行檢核。實(shí)地放樣點(diǎn)均為固定解。測線點(diǎn)位采用線號加樁號來表示，如：1-11，1 表示線號，11 表示樁號。從起點(diǎn)開始每隔20m 放一個(gè)物理點(diǎn)，每個(gè)物理點(diǎn)均采用石灰加木樁表示，并在點(diǎn)位附近插小紅旗示意測線方向。測線經(jīng)過村莊不能實(shí)地放樣時(shí)，在木樁上表明線偏距離，并在附近墻壁上噴紅漆注明點(diǎn)號與偏心距離。測量工作日報(bào)按要求均在現(xiàn)場填寫完整，交給地震施工員使用。每日放樣前和參考站搬遷，均復(fù)測2 個(gè)以上已放樣點(diǎn)，平面誤差最大0.2m，高程誤差最大0.16m。測線的復(fù)測率均達(dá)到該測線放樣點(diǎn)總數(shù)的2.0%，平面誤差最大0.3m，高程誤差最大0.3m。

野外RTK 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于測量控制器（手簿）里，使用隨機(jī)商用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行變換處理，采用Microsoft Excel 計(jì)算軟件和Ultra Edit-32 數(shù)字編輯器進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用南方CASS7．0測繪軟件繪制測線放樣圖。

（4）測量質(zhì)量控制：本次測量E 級GPS 勘探點(diǎn)兩個(gè)已知點(diǎn)保存完好，資料正確可靠。GPS 自由網(wǎng)布點(diǎn)合理，施測方法正確，精度完全滿足設(shè)計(jì)要求。放樣點(diǎn)平面誤差平面最大為0.3m，一般在0.12m ～0.3m 范圍內(nèi)。高程誤差最大為0.3m，一般在0.11m ～0.3m 范圍內(nèi)。放樣點(diǎn)復(fù)測檢核分析：最大平面誤差0.15m，最大高程誤差0.15m。測線端點(diǎn)實(shí)測坐標(biāo)與設(shè)計(jì)坐標(biāo)校差：一般為0.06m，最大為0.12m。

本次三維地震勘探測量工作，作業(yè)方法正確，儀器性能良好，測量精度可靠，上交資料齊全，完全滿足合同及設(shè)計(jì)要求。

7 資料處理及解釋成果

本次處理疊前采用了野外靜校正、地表一致性反褶積、常速掃描，最大限度的提高了資料的分辨率，剖面質(zhì)量有了較大的提高。地震資料處理做了大量的測試工作，經(jīng)過多方面參數(shù)測試后，確定了比較合適的地震資料處理流程，三維采集的數(shù)據(jù)按三維空間成像處理，可以真實(shí)地確定反射界面的空間位置，避開地形、地物的障礙，對地表?xiàng)l件適應(yīng)性很強(qiáng)，尤其是靜校正及疊前時(shí)間偏移取得了比較好的處理效果，對資料有更大的保真度，相位數(shù)據(jù)更齊全，便于研究地層的巖性，三維地震勘探資料的完整統(tǒng)一性及顯示技術(shù)的現(xiàn)代化，更便于人工聯(lián)機(jī)解釋。

最終取得了以下地震地質(zhì)成果：控制了勘探范圍內(nèi)M1 礦層的埋藏深度及起伏形態(tài)；基本查明了M1 礦層中落差大于等于8m 的斷層，同時(shí)對8m 以下的斷點(diǎn)進(jìn)行了解釋和組合；全區(qū)共解釋斷層5 條，其中正斷層3 條，逆斷層2 條；可靠斷層2 條，較可靠斷層3 條；落差8m ≤△h ＜20m 的斷層3 條，落差△h ＜8m的斷層2 條；利用巷道見礦化點(diǎn)資料與物探資料進(jìn)行結(jié)合，合理地對M1礦層的厚度變化趨勢進(jìn)行了解釋，圈定了礦層變薄帶（或無礦區(qū)）。

8 結(jié)論

山區(qū)地震勘探地震地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度大，首先需要對工作區(qū)進(jìn)行詳細(xì)踏勘，認(rèn)真分析研究地形條件，根據(jù)地表?xiàng)l件嚴(yán)格選擇有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)位，做好施工參數(shù)選擇。數(shù)據(jù)處理認(rèn)真做好各環(huán)節(jié)質(zhì)量控制，最終就能夠取得較好的地震地質(zhì)成果資料，為礦區(qū)安全開采起到保障作用。