不同激發(fā)震源在同一煤炭勘查區(qū)的應(yīng)用研究

張慧利，趙 豫，沈 陽

(1.河南省地質(zhì)局礦產(chǎn)資源勘查中心，河南省鄭州市，450053；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(地球物理深部探測研究)，河南省鄭州市，450053)

0 引言

焦作煤田某煤炭勘查區(qū)獲得較大勘探成果，提交了約7億t煤資源儲(chǔ)量，其中利用地震勘探方法探明煤層的埋藏深度和分布范圍發(fā)揮了重要作用。地震勘探是利用人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播來研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性信息的一種方法。在地表，使用炸藥震源或可控震源激發(fā)地震波，其向地下傳播時(shí)遇到波阻抗不同的物性界面，地震波將發(fā)生反射與折射，在地表用檢波器接收這種地震波，繼而對(duì)其中的反射波進(jìn)行分析，可獲得關(guān)于目的層埋藏深度及分布情況的信息[1]。

勘查區(qū)內(nèi)地表為第四系黃土層覆蓋，局部地段下伏卵石層且埋藏較淺，鉆機(jī)成孔困難，同時(shí)區(qū)內(nèi)村莊較多，僅采用常規(guī)炸藥獲得震源激發(fā)較好的煤層反射剖面較困難。經(jīng)過分析，認(rèn)為可將可控震源激發(fā)作為有效補(bǔ)充，為確保采集信息的一致性，對(duì)炸藥震源激發(fā)參數(shù)(激發(fā)井深、激發(fā)藥量)和可控震源激發(fā)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)幅度、震動(dòng)臺(tái)數(shù)、震動(dòng)次數(shù)、掃描長度、掃描頻率)進(jìn)行充分實(shí)驗(yàn)后確定了最佳采集參數(shù)[2]，獲得的炸藥震源和可控震源反射波時(shí)間剖面經(jīng)鉆探驗(yàn)證，解釋精度較高，體現(xiàn)了不同震源在同一地震勘探區(qū)中綜合應(yīng)用的優(yōu)越性[3]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造概況

焦作煤田位于北東向太行山背斜南翼和東西向武陟背斜北翼部位。地層走向一般為北東向、北東東向，傾向南東，地層傾角為8°～15°，局部傾角較陡[4]。薄壁斷層長約30 km，為南東盤下降正斷層，斷距超過1 km，構(gòu)成煤田西北邊界。朱村斷層為盤古寺斷層?xùn)|延部分，斷面傾向南西，斷距超過2 km，為焦作煤田西南邊界，耿黃斷層斷面傾向南東，為焦作煤田的東南邊界。焦作煤田構(gòu)造綱要如圖1所示。

整個(gè)煤田以斷塊構(gòu)造為特征，可按近東西走向的鳳凰嶺斷層和北西走向的峪河斷層為界分為3個(gè)部分，即鳳凰嶺斷層以南為南部，鳳凰嶺斷層和峪河斷層之間為中部，峪河斷層以東為北部。南部以走向近東西的褶皺和斷層為主，主要有平陵斷層和董村斷層，中部受北東向斷層(馬坊泉斷層)與北西向斷層(方莊斷層)共同作用，形成多個(gè)階梯狀小塊斷，北部發(fā)育有北東向斷層，主要是九里山斷層和西倉上斷層。

1.2 區(qū)域地層概況

根據(jù)鉆孔揭露，該區(qū)域分布有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系、二疊系、新近系和第四系，地層自下而上分述如下。

(1)奧陶系中統(tǒng)馬家溝組。主要由中厚-巨厚層狀的灰?guī)r及白云巖組成。

(2)石炭系。為一套海陸交互相含煤建造，平均厚度為100 m左右。按地層沉積層序自下而上劃分為本溪組和太原組。本溪組(C2b)主要為灰色-灰黃色的泥巖、鋁土質(zhì)泥巖，厚度為6～10 m，與下伏奧陶系地層呈平行不整合接觸關(guān)系。太原組(C2t)為一套海陸交互相沉積建造，沉積旋回明顯。主要由灰黑色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、深灰色含生物碎屑石灰?guī)r、煤層及煤線互層組成，與下伏的本溪組呈整合接觸，是一2煤層的賦存層位。

(3)二疊系。為一套過渡相碎屑巖系，與下伏地層不整合接觸，平均厚度為418 m左右。按地層沉積層序自下而上劃分為山西組、下石盒子組和上石盒子組。山西組(P1s)為區(qū)內(nèi)主要含煤巖系，由碎屑巖和煤層組成，厚度為49～97 m，本組內(nèi)的A層鋁土和大占砂巖是判別二1煤層的重要標(biāo)志層。 下石盒子組(P1x)厚度為232～337 m，底部為含礫中-粗粒長石石英砂巖(砂鍋窯砂巖)，灰色，正粒序，水平層理或斜層理，裂隙不發(fā)育，層面見有較多云母片，砂鍋窯砂巖中下部夾有少量不規(guī)則泥質(zhì)團(tuán)塊，底部見有泥礫，與下伏地層分界明顯，是重要的標(biāo)志層。上石盒子組(P2s)底部為中粗粒石英砂巖(田家溝砂巖)，厚度為2.5～24 m。白色、淺灰色，正反粒序，層理不明顯，發(fā)育1～2組近垂直裂隙，由方解石填充，裂隙寬度為1～4 mm；頂?shù)撞块L石含量較高時(shí)巖性為長石石英砂巖，斜層理發(fā)育，偶夾薄層泥巖。

(4)新近系。與上石盒子組不整合接觸，巖性以黃褐色、褐紅色粘土為主，巖性多為砂質(zhì)粘土，含有數(shù)層礫石層，礫石成分以灰?guī)r為主，次為砂巖，礫徑約5 cm，磨圓度中等。

(5)第四系。普遍分布，與下伏地層新近系不整合接觸，巖性以黃褐色、黃色粘土和砂質(zhì)粘土為主，軟塑性，與新近系角度不整合接觸，分界明顯。

2 采集參數(shù)的確定

震源參數(shù)的選取對(duì)于獲取高信噪比的原始記錄較為重要，在綜合考慮地表及地震地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，本次地震勘探所使用的地震儀器為法國生產(chǎn) 408UL遙測數(shù)字地震儀器，采用多道數(shù)、長排列的接收方式，接收采用60 Hz 檢波器，每個(gè)檢波器串采用 4個(gè)檢波器以兩串兩并的方式組合在一起，作為接收道放在同一點(diǎn)上采集數(shù)據(jù)，能有效地增強(qiáng)反射信息的能量。

勘查區(qū)分別采用炸藥震源和可控源作為激發(fā)震源。在進(jìn)行野外原始數(shù)據(jù)采集之前開展了充分的方法實(shí)驗(yàn)，以選取最佳的采集參數(shù)。

2.1 炸藥激發(fā)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

嚴(yán)格按照單一因素變化的原則對(duì)炸藥激發(fā)的井深和藥量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共采集了10個(gè)原始數(shù)據(jù)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

(1)井深實(shí)驗(yàn)。藥量為3 kg，井深為8、10、12、13、14 、15、16 m。對(duì)比各炮記錄可以看出，12、13、14、15 m單炮記錄的目的層反射波同相軸顯示較好；8、10 m井深的單炮記錄目的層反射波同相軸顯示模糊，16 m井深的單炮記錄目的層顯示能量較弱，基于勘探效果，激發(fā)井深確定為12 m。井深實(shí)驗(yàn)單炮記錄如圖2所示。

圖2 井深實(shí)驗(yàn)單炮記錄

(2)藥量實(shí)驗(yàn)。井深為12 m，藥量為1、2、3、4 kg。對(duì)比各炮記錄可以看出，藥量為3 kg單炮記錄的目的層反射波同相軸好于1、2 kg的單炮記錄；藥量為4 kg單炮記錄的目的層反射波同相軸反應(yīng)效果與3 kg單炮記錄相近，考慮勘探成本，激發(fā)藥量確定為3 kg。藥量實(shí)驗(yàn)單炮記錄如圖3示。

圖3 藥量實(shí)驗(yàn)單炮記錄

2.2 可控震源激發(fā)參數(shù)實(shí)驗(yàn)

在相同干擾背景下，采用相同排列接收，按照單一因素變化的原則實(shí)驗(yàn)不同激發(fā)參數(shù)(驅(qū)動(dòng)幅度、震動(dòng)臺(tái)數(shù)、震動(dòng)次數(shù)、掃描長度、掃描頻率)的激發(fā)效果。

(1)驅(qū)動(dòng)幅度。驅(qū)動(dòng)幅度俗稱出力，是可控震源一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。驅(qū)動(dòng)幅度越大，震源給出的掃描信號(hào)也越強(qiáng)，但過大的驅(qū)動(dòng)幅度容易引起掃描信號(hào)的強(qiáng)烈畸變。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要考慮震源底板與地表的耦合情況，在底板與地面耦合性較好的情況下，可以適當(dāng)加大震源驅(qū)動(dòng)幅度[5-6]。本次采用2臺(tái)可控震源，設(shè)置條件為：掃描頻率15～95 Hz、掃描長度為12 s、疊加 12次，進(jìn)行了可控震源驅(qū)動(dòng)幅度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別實(shí)驗(yàn)了60%、70%、80%的驅(qū)動(dòng)幅度，隨著驅(qū)動(dòng)幅度的增加，深層反射波能量和連續(xù)性隨之改善，但是 70%和 80%差別較小，在此采用70%的震源輸出力為宜。驅(qū)動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)單炮記錄如圖4所示。

圖4 驅(qū)動(dòng)幅度實(shí)驗(yàn)單炮記錄

(2)震動(dòng)臺(tái)數(shù)。增加可控震源的臺(tái)數(shù)是加強(qiáng)向地下發(fā)射信號(hào)能量的常用手段，可以有效提高資料信噪比。設(shè)置掃描頻率為 15～95 Hz、掃描長度為12 s、驅(qū)動(dòng)幅度為70%、垂直疊加次數(shù)為12次的條件下，進(jìn)行了激發(fā)臺(tái)數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別實(shí)驗(yàn)了單臺(tái)激發(fā)和雙臺(tái)激發(fā)，從對(duì)比記錄來看，單臺(tái)激發(fā)的能量較弱，在雙臺(tái)震源車激發(fā)記錄上反射層信息較清晰，因此，震源激發(fā)采用雙臺(tái)可控震源激發(fā)。震動(dòng)臺(tái)數(shù)實(shí)驗(yàn)單炮記錄如圖5所示。

圖5 震動(dòng)臺(tái)數(shù)實(shí)驗(yàn)單炮記錄

(3)震動(dòng)次數(shù)。震動(dòng)次數(shù)就是指可控震源的垂直疊加次數(shù)，通過將同一位置多次激發(fā)的記錄疊加在一起形成單炮地震記錄，主要是通過壓制隨機(jī)干擾，從而提高目的層的信噪比，使反射能量突出[7-10]。設(shè)置掃描長度 12 s、驅(qū)動(dòng)幅度70%、掃描頻率 15～95 Hz，震動(dòng)次數(shù)分別選用 8、10、12、14次進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比記錄來看，隨著震動(dòng)次數(shù)的增加，隨機(jī)噪聲得到壓制，12次震動(dòng)時(shí)效果最好，因此確定震動(dòng)次數(shù)為12次。震動(dòng)次數(shù)實(shí)驗(yàn)單炮記錄如圖6所示。

圖6 震動(dòng)次數(shù)實(shí)驗(yàn)單炮記錄

(4)掃描長度。可控震源在向下傳播掃描信號(hào)的時(shí)間即為掃描長度，掃描長度越長，累計(jì)的能量也越強(qiáng)，相應(yīng)的信噪比也越高。在實(shí)際工作中，需要綜合考慮目標(biāo)層的埋藏深度及施工效率，合理選擇掃描長度，另外，還需要避免相關(guān)虛像對(duì)單炮記錄的影響。由于12 s掃描長度已經(jīng)可以滿足本次中淺部地震數(shù)據(jù)信噪比的要求，因此沒有再進(jìn)行掃描長度的實(shí)驗(yàn)。

(5)掃描頻率。掃描頻率的設(shè)置需要綜合考慮勘查區(qū)地層的頻率響應(yīng)、干擾波發(fā)育情況、檢波器性質(zhì)與采集參數(shù)等因素，主要是對(duì)掃描頻率最低(地震低頻信號(hào))與掃描頻率最高(地震高頻信號(hào))這2個(gè)參數(shù)進(jìn)行選擇。地震低頻信號(hào)在識(shí)別隱伏目標(biāo)體、地震反演與成像的精度中有重要作用，在深部地震勘探中采集數(shù)據(jù)的頻率越低越好。在煤炭勘探中，起始頻率 20 Hz 已經(jīng)可以滿足中淺部勘探需求，頻率過低也會(huì)出現(xiàn)低頻干擾。因此，從提高中淺部地震勘探信噪比的角度出發(fā)，起始頻率的選擇還需考慮低頻噪聲的壓制效果。通過綜合考慮，勘查區(qū)可控震源的起始頻率設(shè)置為 15 Hz，當(dāng)終止頻率小于 95 Hz 時(shí)，有效頻帶寬度隨著終止頻率的升高而升高，分辨率也隨之升高；當(dāng)終止頻率超過95 Hz時(shí)，有效頻帶寬度基本不變，分辨率也沒有大的提升，但是高頻隨機(jī)干擾開始出現(xiàn)，因此掃描頻率設(shè)置為15～95 Hz。

2.3 觀測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過對(duì)激發(fā)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)炸藥震源激發(fā)時(shí)，確定采用井深12 m、藥量3 kg激發(fā)，單炮記錄上能夠獲得清晰的目的層反射波同相軸。按照此激發(fā)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)段數(shù)據(jù)采集，對(duì)比分析后選擇合適的觀測系統(tǒng)。

觀測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)布設(shè)時(shí)考慮到要抽取不同接收道進(jìn)行對(duì)比，因此使用小道距、長排列進(jìn)行，具體參數(shù)是10 m道距、20 m激發(fā)點(diǎn)距、180道(中間激發(fā)，兩邊接收)接收，主要分為兩大類進(jìn)行。

(1)采用10 m道距、20 m激發(fā)點(diǎn)距，抽取不同接收道數(shù)進(jìn)行對(duì)比，120道中間接收30次疊加如圖7所示，120道單邊接收30次疊加如圖8所示，144道中間接收36次疊加如圖9所示。

圖7 120道中間接收30次疊加

圖9 144道中間接收36次疊加

通過對(duì)比圖7～圖9可知，在10 m道距、20 m 激發(fā)點(diǎn)距抽取不同的接收道數(shù)的情況下，120道中間接收時(shí)淺部反射波顯示強(qiáng)度好于120道單邊接收，但2種觀測系統(tǒng)的目的層連續(xù)性及強(qiáng)度相似；144道(48+96道)接收的觀測系統(tǒng)，其顯示效果與120道中間接收的顯示效果相近，疊加次數(shù)高的時(shí)間剖面能量稍強(qiáng)。

(2)采用20 m道距、20 m激發(fā)點(diǎn)距，抽取不同接收道數(shù)進(jìn)行對(duì)比，60道單邊接收30次疊加如圖10所示，72道單邊接收36次疊加如圖11所示，90道中間接收45次疊加如圖12所示。

圖10 60道單邊接收30次疊加

圖11 72道單邊接收36次疊加

圖12 90道中間接收45次疊加

通過對(duì)比圖10～圖12可知，在20 m道距、20 m激發(fā)點(diǎn)距抽取不同的接收道數(shù)的情況下，每種觀測系統(tǒng)獲得的剖面顯示效果較10 m道距在垂向分辨率上均稍強(qiáng)；疊加次數(shù)高時(shí)獲得的時(shí)間剖面能量較強(qiáng)，45次疊加時(shí)間剖面的反射波同相軸連續(xù)性及能量要好于36次、30次疊加的時(shí)間剖面。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定觀測系統(tǒng)后，在同一地段分別進(jìn)行了炸藥震源激發(fā)和可控震源激發(fā)對(duì)比段數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過精細(xì)數(shù)據(jù)處理，獲得了較好的目的層反射波時(shí)間剖面，對(duì)比段不同震源激發(fā)反射剖面如圖13所示。

通過對(duì)比不同激發(fā)震源采集的對(duì)比段剖面可知，采用炸藥震源和可控震源激發(fā)所獲得的地震反射剖面在波組連續(xù)性及一致性方面相似，不同震源激發(fā)數(shù)據(jù)疊加后剖面如圖14所示。

圖14 不同震源激發(fā)數(shù)據(jù)疊加后剖面

圖14為對(duì)比段(同一位置，采用不同震源激發(fā))數(shù)據(jù)疊加在一起的處理結(jié)果，在頻譜、相位和探測深度等方面具有一致性，獲得的地震剖面信噪比較高、能量較強(qiáng)，為在該勘查區(qū)綜合利用不同震源激發(fā)的地震資料提供了技術(shù)支持。

2.4 生產(chǎn)參數(shù)的確定及應(yīng)用

在充分實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，使用法國生產(chǎn)的408UL數(shù)字地震儀進(jìn)行采集原始數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)為采樣間隔1 ms、記錄長度2.5 s、前放增益12 db，每道4個(gè)60 Hz檢波器采用兩串兩并的方式組合在一起，同點(diǎn)埋置；觀測系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)為20 m道距、20 m激發(fā)點(diǎn)距、96道接收、48次疊加。

當(dāng)炸藥激發(fā)時(shí)，采集參數(shù)設(shè)定為井深12 m、(小于8 m時(shí)采用雙井組合激發(fā))藥量3 kg(過村莊可適當(dāng)減小藥量)?？煽卣鹪醇ぐl(fā)時(shí)，采集參數(shù)設(shè)定為掃描長度12 s、掃描頻率15～95 Hz、驅(qū)動(dòng)幅度70%、震動(dòng)臺(tái)次2×12次進(jìn)行激發(fā)。

勘查區(qū)北部淺表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，為了保證采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，炸藥激發(fā)采取12 m雙井組合，單井藥量3 kg，由于部分地段淺表層深度在1～2 m附近存在厚礫石層，手搖鉆和機(jī)械鉆均無法成孔，為保證地震勘探剖面資料的完整性，采用2臺(tái)M18-612可控震源車進(jìn)行施工，炸藥震源和可控震源在同一地震測線上聯(lián)合施工獲得的地震反射波時(shí)間剖面如圖15所示。

圖15 不同震源聯(lián)合施工剖面

由圖15可以看出(圖中彩色線條為解釋目的層)，地震反射剖面分辨率較高，反射波組一致性較好，目的層可連續(xù)追蹤，能滿足本次地震勘探的任務(wù)要求，說明炸藥震源和可控震源在地震勘探數(shù)據(jù)采集中可聯(lián)合使用。

3 應(yīng)用效果

在焦作煤田某煤炭勘查區(qū)進(jìn)行地震勘探時(shí)，不同激發(fā)震源的綜合應(yīng)用使該勘查區(qū)獲得了高信噪比、高保幅度的反射波時(shí)間剖面，勘探結(jié)果查明了區(qū)內(nèi)二1煤層總體構(gòu)造形態(tài)，構(gòu)造復(fù)雜程度屬中等，總體構(gòu)造形態(tài)為走向北東、傾向南東的單斜構(gòu)造，區(qū)內(nèi)部分存在小的褶皺[11-15]?？辈閰^(qū)含煤地層傾角約5°～25°，埋深約450～1 700 m，依據(jù)地震反射剖面解釋的二1煤層深度與鉆孔揭露的二1煤層埋藏深度誤差在2%以內(nèi)。驗(yàn)證鉆孔位置分布如圖16所示，二1煤層埋深解釋誤差見表2。

表2 二1煤層埋深解釋誤差

圖16 驗(yàn)證鉆孔位置分布

4 結(jié)論

通過本次研究，在利用地震勘探方法獲取煤炭資源的工作中得到以下結(jié)論。

(1)煤炭勘探受復(fù)雜環(huán)境的影響，當(dāng)常規(guī)炸藥震源的應(yīng)用受到限制時(shí)，通過使用不同震源激發(fā)，可以獲得頻率相近、地震記錄面貌相似的反射波，有效目的層探測深度內(nèi)反射波振幅均較強(qiáng)，地震剖面成像清晰、勘探精確度高，表明炸藥震源和可控震源在勘探區(qū)可聯(lián)合應(yīng)用。

(2)在確定采用不同震源施工前，要有充分的采集參數(shù)實(shí)驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)采集的一致性。

(3)本次充分的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為后期的勘探成果奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為相同地震地質(zhì)條件下的煤炭地震勘探采集參數(shù)提供了一定的參考價(jià)值。