車載可控震源在煤田地震勘探中的應(yīng)用

祁全鵬 ,宋玉龍

(1．山東鴻潤勘測設(shè)計(jì)有限公司,濟(jì)南 250001; 2.山東省煤田地質(zhì)局物探測量隊(duì),濟(jì)南 250104)

0 引言

傳統(tǒng)的煤田勘探多采用三維地震勘探方法,使用小藥量炸藥做震源。但炸藥震源的使用受限制較多,從辦理手續(xù)到施工結(jié)束。需要長時(shí)間的審批及專業(yè)的管理,炸藥震源使用過程中需要打孔下藥,可能會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境。而車載可控震源是直接將振動(dòng)裝置裝載到卡車上,是勘探產(chǎn)生地震波的激發(fā)裝置,震源施工更為方便快捷。朱峰[1]等討論了可控震源在江蘇地區(qū)的采集效果及應(yīng)用條件。陳玉達(dá)[2]等探討了可控震源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。孫海川[3]分析了可控震源在煤田地震勘探中的應(yīng)用情況。近年來,車載可控震源在煤田地震勘探中應(yīng)用廣泛,無論是穿村過鎮(zhèn)時(shí)用于補(bǔ)炮還是在開闊地直接施工中都發(fā)揮了巨大的作用,為煤田地震勘探提供了一種綠色、環(huán)保、高效、高質(zhì)的震源方法。本研究分析了車載可控震源在山東某煤田勘探中的應(yīng)用實(shí)例,以優(yōu)化震源參數(shù),選擇合適的觀測系統(tǒng),探討可控震源的應(yīng)用效果,充分發(fā)揮車載可控震源的機(jī)動(dòng)性特征。

1 車載可控震源方法原理

車載可控震源的激發(fā)裝置是利用長時(shí)間的可控掃描頻率機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生地震波,可根據(jù)探測深度、分辨率及目標(biāo)體需要調(diào)整掃描頻率等參數(shù)[4],而炸藥震源是瞬態(tài)激發(fā),激發(fā)頻率不可控,部分頻率在數(shù)據(jù)采集過程中是不需要的。

車載可控震源地震勘探結(jié)果具有典型的幾何效應(yīng)[5],可以精準(zhǔn)地探測出地質(zhì)構(gòu)造的界線,尤其是在地層、煤層、斷裂、褶皺勘查精度上要比其他地球物理勘探方法更穩(wěn)定。地震勘探對地下地質(zhì)構(gòu)造的探測深度跨度非常大,可以從數(shù)十米到幾十千米,廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、固體礦產(chǎn)資源及地質(zhì)構(gòu)造探查中。而車載可控震源是在淺層地震勘探,包括在城市活動(dòng)斷層、工程地質(zhì)勘查、城市地下空間探測、區(qū)域地質(zhì)研究及地殼研究等方面,應(yīng)用廣泛[6]。

2 應(yīng)用實(shí)例

煤田勘探依托煤碳本身及周邊巖性的物理性質(zhì)差異來勘探,而地震勘探主要利用煤層與周圍巖層之間的空間結(jié)構(gòu)及機(jī)械性質(zhì)差異引起不同的波阻抗進(jìn)行探測。地下第四系地層結(jié)構(gòu)一般是強(qiáng)風(fēng)化層組成,與下伏地層的組成存在明顯波阻抗差異,因此理論上第四系底界面可形成較強(qiáng)的反射波但有的地區(qū)第四系厚度較薄或直接被風(fēng)化剝蝕掉,很難獲得第四系底界面的反射波。如果主采煤層頂?shù)装鍨楹駥又?、粗砂巖或其他高阻抗差異的巖性組成,與煤層之間形成明顯波阻抗界面,且煤層較厚的情況下產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波,那么該波在地震時(shí)間剖面上會(huì)呈現(xiàn)出同相軸能量較強(qiáng)、連續(xù)性好、波形特征明顯等特點(diǎn),是構(gòu)造解釋的主要依據(jù),可為地震探測煤田位置、埋藏深度及厚度提供前提條件。某勘探井田為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田。新生界地層厚度大,鉆探揭露厚度631.70～780.00 m,平均714.73 m,呈東北部厚度小、向西南部厚度漸大(據(jù)本井田地震資料,井田西南部厚度超過800 m)。煤系以中、下奧陶統(tǒng)為基底,沉積了石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組,二疊系山西組、石盒子組,其上被新近系及第四系所覆蓋,主要含煤地層為太原組與山西組。

某煤田勘探是在山東某煤礦采區(qū)千米以淺三采區(qū)開展的三維地震勘探,以進(jìn)一步查明區(qū)內(nèi)煤賦存深度、斷層具體位置、產(chǎn)狀、落差等信息及是否發(fā)育巖溶陷落柱。參照DZ/T 0300-2017《煤田地震勘探規(guī)范》,結(jié)合本區(qū)地質(zhì)情況及特點(diǎn),確定地震勘探承擔(dān)的地質(zhì)任務(wù)如下:

查明區(qū)內(nèi)落差大于等于5 m的斷層,其平面擺動(dòng)誤差不大于15 m,盡量對落差在3～5 m的斷層進(jìn)行解釋。查明區(qū)內(nèi)10 m以上的褶曲,其平面擺動(dòng)誤差不大于15 m。查明3煤、17煤賦存情況,解釋誤差不大于1.5%。查明直徑大于等于20 m的陷落柱,其平面位置擺動(dòng)誤差不大于20 m?？刂菩律绲暮穸?解釋誤差不大于2.0%,并對奧灰頂界面進(jìn)行解釋。查明主要可采煤層露頭、3煤層分叉、合并區(qū)界線,解釋主要煤層厚度變化趨勢。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況,工區(qū)附近的地面比較平整,障礙物較少,對于車載可控震源來說接地條件較好,有利于震源落板。工區(qū)附近大部分地方干擾源較少,周邊穿插經(jīng)過的大路,來回經(jīng)過的車輛產(chǎn)生的震動(dòng)干擾是主要干擾源。潛水面在地表以下5 m左右,激發(fā)條件較好,車載可控震源的激發(fā)效果整體較好。

勘探采用河北北奧特車公司生產(chǎn)的可控震源車來激發(fā)地震波。施工之前經(jīng)過充分震動(dòng)參數(shù)試驗(yàn),優(yōu)化施工參數(shù),配置合理的觀測系統(tǒng),確定震動(dòng)采集參數(shù)為:震動(dòng)70%的出力,掃描長度12 s,掃描頻率10～100 Hz,震動(dòng)次數(shù)2次。觀測系統(tǒng)采用數(shù)字檢波器,20 m道距,20 m炮距,80次覆蓋次數(shù),全排列接收,通過該參數(shù)激發(fā),獲得的野外原始記錄品質(zhì)較高。如圖1所示。

圖1 野外原始單炮記錄Fig.1 Original single shot records in the field

圖2為車載可控震源在工區(qū)某測線的處理剖面。地震反射波的對比是以地震時(shí)間剖面為基礎(chǔ),從已知鉆孔與礦井已開拓巷道資料出發(fā),根據(jù)相鄰地震道反射波的波形相似性、同相性、連續(xù)性、振幅、頻率特征及多波組之間的相互關(guān)系等多種參數(shù)進(jìn)行對比與追蹤,從而大大提高波組對比的可靠性。在波的對比過程中,采用強(qiáng)相位對比與波組對比相結(jié)合、相鄰剖面與切片對比、剖面與切片聯(lián)合對比等手段,使對比解釋結(jié)果準(zhǔn)確可靠,為進(jìn)行構(gòu)造解釋提供有利條件。T3波對應(yīng)3煤層形成的反射波,表現(xiàn)為兩個(gè)正相位加一個(gè)負(fù)相位的復(fù)合波組,是3上煤層和3下煤層共同形成的復(fù)合反射波。該波能量強(qiáng),連續(xù)性好,信噪比高,可全區(qū)連續(xù)追蹤,為本區(qū)的主要反射波,是構(gòu)造解釋的主要依據(jù)。

圖2 現(xiàn)場處理的監(jiān)控剖面Fig.2 Monitoring profile of the field processing

斷層解釋是地震資料解釋的關(guān)鍵,也是三維地震勘探的主要任務(wù)。斷層解釋經(jīng)過了由粗到細(xì)、反復(fù)對比的過程。解釋過程中,以時(shí)間剖面為主,結(jié)合波形、變密度、雙極性等多種顯示方式,充分利用工作站解釋系統(tǒng)的縮放、多窗動(dòng)態(tài)顯示、多參數(shù)顯示等方法,對斷層進(jìn)行綜合解釋,揭示正極性剖面,注意負(fù)極性剖面相位的變化,結(jié)合水平切片對斷層進(jìn)行判別,在解釋工作站上沿任意方向切取剖面,對斷層的延展情況進(jìn)行檢查,準(zhǔn)確地控制了各個(gè)斷層的性質(zhì)、落差及位置。圖2中落差較大的斷層在時(shí)間剖面上表現(xiàn)為同相軸明顯錯(cuò)斷,縱向上表現(xiàn)為多個(gè)反射波的錯(cuò)斷,表現(xiàn)尤為清晰。

如圖3所示,剖面揭示的斷層位于勘探區(qū)西北部勘探邊界附近,走向北東,傾向南東,傾角70°,落差35～40 m,三維地震僅控制了該斷層的一小段,區(qū)內(nèi)延展長度約180 m,縱向上自上而下分別錯(cuò)斷了3煤層、6煤層及奧灰頂界面。在時(shí)間剖面上對該斷層進(jìn)行評(píng)級(jí),綜合評(píng)價(jià)為可靠斷層。與原構(gòu)造方案相比,該斷層走向傾向與原斷層基本一致,平面位置南部向東平移了60 m左右,落差由原來的0～44 m調(diào)整為現(xiàn)在的35～40 m。區(qū)內(nèi)延展長度由原來的200 m左右調(diào)整為現(xiàn)在的180 m。

圖3 F16斷層在時(shí)間剖面及平面圖上的顯示Fig.3 F16 fault in time section and plan

在資料初步解釋完成后,對比初步解釋成果與巷道的實(shí)際揭露情況,可控震源應(yīng)用在三維地震勘探的勘探精度較高,較原構(gòu)造方案解釋精度有了大幅度的提高。在精細(xì)化解釋中,對三維地震資料進(jìn)行進(jìn)一步處理,通過壓縮子波、拓寬頻帶等方法盡量提高煤層反射波的頻率,減少資料處理中的平滑修飾手段,盡量讓小斷層能在時(shí)間剖面上顯示出來。資料解釋過程中,對于時(shí)間剖面上微小的扭曲要仔細(xì)研究,確認(rèn)形成原因。通過可控震源在實(shí)際勘探中的應(yīng)用可知,其勘探精度及效果完全可以滿足煤田勘探的精度與準(zhǔn)確性要求。

3 資料處理與解釋

資料處理是可控震源地震勘探的重要一步,地震勘探應(yīng)堅(jiān)持把提高分辨率放在首位,充分利用地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特征,為順利進(jìn)行人機(jī)聯(lián)作解釋與多元參數(shù)分析提供可靠的基礎(chǔ)資料。要做好三維處理的基本工作,重點(diǎn)把握好以下幾方面:空間屬性文件建立、三維靜校正、三維速度分析、保幅疊加及三維偏移?？煽卣鹪吹卣鹂碧奖瘸Ｒ?guī)的炸藥震源三維地震勘探要復(fù)雜得多,震源的振幅、相位及時(shí)差等都需要做出相應(yīng)的改變處理才能與炸藥震源的數(shù)據(jù)處理相匹配[7]。主要有以下幾方面:認(rèn)真檢查野外震源與檢波點(diǎn)的具體位置是否對應(yīng),保證位置信息準(zhǔn)確無誤。做好靜校正是地震資料處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一,做好折射靜校正,選取合理的基準(zhǔn)面及充填速度,建立準(zhǔn)確的空間屬性,提高靜校正精度。為有效提高地震資料的分辨率,合理選擇反褶積方法,提高子波頻率,拓寬子波頻帶。要有足夠準(zhǔn)確的頻譜、速度譜分析資料,充分利用各種有利資料做好速度分析工作,確保剖面上波組特征明顯、構(gòu)造清楚、斷層斷點(diǎn)歸位合理、斷面清晰。對于個(gè)別單炮面波干擾嚴(yán)重、目的層分辨率降低等問題,做好遠(yuǎn)道動(dòng)校正。對原始資料的分析與利用是極其重要的,根據(jù)原始單炮資料、多炮對比的具體情況,總結(jié)處理重點(diǎn),結(jié)合地質(zhì)任務(wù)實(shí)施處理技術(shù)。具體處理流程如圖4所示。

圖4 地震勘探數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Processing flow of seismic data

處理工作完成后,根據(jù)處理結(jié)果進(jìn)行解釋工作,對整個(gè)勘探過程采集數(shù)據(jù)及處理結(jié)果進(jìn)行最終的解譯及匯總,給出煤田的具體參數(shù)(如煤層的埋深、厚度、斷層位置大小等)。解釋工作的質(zhì)量直接決定著勘探的最終成果。

4 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

在煤田勘探中要進(jìn)行充分的試驗(yàn),以確保參數(shù)的實(shí)用性、準(zhǔn)確性。根據(jù)勘探區(qū)地震地質(zhì)條件,主要針對震源車震動(dòng)出力、掃描頻率、震動(dòng)時(shí)長及三維觀測系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)[8]。依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的激發(fā)因素及接收因素,確定適合本區(qū)地震數(shù)據(jù)采集的最佳施工參數(shù)及工作方法,取得較好的原始記錄,高質(zhì)量完成三維地震勘探任務(wù)。

車載可控震源試驗(yàn)注意事項(xiàng)如下:嚴(yán)格按照單一因素變化的原則確定試驗(yàn)方案,選取可控整個(gè)工作區(qū)的合適試驗(yàn)點(diǎn),震源車輛通行占路范圍較大,對交通路段條件要求較高,需確保試驗(yàn)點(diǎn)能讓車輛順利通過。試驗(yàn)點(diǎn)地震地質(zhì)條件要具有代表性,震源車在工作過程中需要將震動(dòng)板壓在地上,如果試驗(yàn)點(diǎn)地質(zhì)條件沒有代表性,則會(huì)失去試驗(yàn)點(diǎn)的作用[9]。如果測區(qū)范圍較大,需多選取試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),以確保選取的參數(shù)能適應(yīng)整個(gè)測區(qū)范圍的探測工作。堅(jiān)持從已知到未知,從簡單到復(fù)雜,循序漸進(jìn)的原則進(jìn)行。車載可控震源有多種組合參數(shù),使用不同的參數(shù)組合會(huì)產(chǎn)生不同的震源效果,在不同的試驗(yàn)點(diǎn)選取合適的試驗(yàn)參數(shù),選擇震動(dòng)出力、掃描長度、震動(dòng)次數(shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)。震源參數(shù)選取過程還需配合觀測系統(tǒng),以達(dá)最優(yōu)效果。通過試驗(yàn)對比,在點(diǎn)試驗(yàn)得出有效結(jié)論后再進(jìn)行線束試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)論的適應(yīng)性,總結(jié)出優(yōu)化有效的車載震源試驗(yàn)參數(shù)。

5 結(jié)論

車載可控震源在煤田三維地震勘探中的應(yīng)用表明,在路況較好地區(qū)尤其是地面比較平整、利于車輛通行、障礙物少的地方,震源車的接地條件較好,車載震源的掃描頻率震動(dòng)可以取得很好的激發(fā)效果。

車載震源在試驗(yàn)充分的前提下創(chuàng)新優(yōu)化震源震動(dòng)出力、掃描頻率、震動(dòng)時(shí)長,配合適當(dāng)?shù)挠^測系統(tǒng),完全可以滿足煤田勘探的精度及準(zhǔn)確性要求,相比于其他震源,車載震源有更高效的效率、更簡單的操作、更安全的保存、更綠色環(huán)保的勘探,具有極高的性價(jià)比,是一種行之有效的物探方法。