余吾煤礦小斷層構(gòu)造三維地震精細(xì)處理與識(shí)別技術(shù)應(yīng)用研究

張二偉，周俊杰

（1.潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046103；2.河北工程大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

礦井隱蔽斷層構(gòu)造作為礦井水賦存與導(dǎo)水通道之一，影響著礦井工作面布置，特別受到礦井地質(zhì)工作者的關(guān)注[1-2]。隨著開采深度和智能化工作面的開展，影響工作面布置和開采的隱蔽小斷層構(gòu)造的識(shí)別成為研究的重點(diǎn)，目前開采深度逐步增大，地面三維地震勘探數(shù)據(jù)體解決小斷層構(gòu)造的精度和準(zhǔn)確度受到挑戰(zhàn)，如何綜合利用三維地震數(shù)據(jù)體精細(xì)并精準(zhǔn)識(shí)別出隱蔽小斷層構(gòu)造成為難點(diǎn)。

小斷層構(gòu)造常表現(xiàn)為斷層落差小于半采高、半煤厚的斷層，三維地震的識(shí)別需要較高的縱向和橫向分辨率，特別是煤層埋藏深度較深地段的小斷層的識(shí)別尤為重要。地面三維地震的目標(biāo)需要識(shí)別和解釋小斷層構(gòu)造，受到地震數(shù)據(jù)分辨率的影響，利用常規(guī)地震時(shí)間剖面上解釋的小斷層精確度降低。LIN C 和POBLET J 等利用正演模擬技術(shù)，分析小斷層的地震波響應(yīng)特征，利用地震反射波多屬性分析、識(shí)別小斷層構(gòu)造[3-4]。采用地震多屬性參數(shù)融合識(shí)別斷層能規(guī)避單一屬性識(shí)別斷層的局限性[5]，同時(shí)也是增加小斷層解釋的精確度和有效性的手段和方法。

針對(duì)余吾煤礦采掘工程地質(zhì)條件及構(gòu)造分布特征，利用編制的地震正演模擬軟件，分析不同地震波激發(fā)主頻、斷層落差、煤厚、地層波速度變化對(duì)地震識(shí)別小斷層構(gòu)造的影響因素及因子。結(jié)合地面三維地震勘探數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和解釋，確定黃土覆蓋區(qū)的地面三維地震小斷層構(gòu)造精細(xì)識(shí)別技術(shù)方法。利用地震多屬性參數(shù)特性，識(shí)別出隱蔽斷層構(gòu)造多種屬性特征，精細(xì)、準(zhǔn)確識(shí)別出斷層的空間參數(shù)；綜合運(yùn)用三維地震高保真數(shù)據(jù)處理與地震屬性綜合解釋技術(shù)，確定的小斷層構(gòu)造位置準(zhǔn)確度高，利用井巷揭露的斷層空間參數(shù)準(zhǔn)確，精度高，識(shí)別技術(shù)良好。

1 余吾礦地震勘探淺層地質(zhì)條件

余吾礦井位于山西省屯留縣境內(nèi)，地表黃土地形，北部河灘溝坎較為發(fā)育，東南部為山區(qū)沖溝地貌，相對(duì)高差大于120 m。地表被第四系黃土覆蓋，為山前沖積扇區(qū)，扇區(qū)中沉積的為泥沙石塊顆粒，橫向速度變化較大。黃土層中夾有3～4 層厚度遞交大的礫石結(jié)核層，部分河流地段存在厚度較大的砂層和黑淤泥層。淺層地表地形劇烈變化，對(duì)于淺部地震波激發(fā)和接收均不利。

余吾煤礦主要煤層為石炭系上統(tǒng)太原組上段和二疊系下統(tǒng)山西組，目前主要開采山西組3 號(hào)煤層，煤層厚3.35～10.25 m，平均厚6.42 m。

2 三維地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2.1 地震激發(fā)與接收技術(shù)

通過試驗(yàn)對(duì)比分析數(shù)字檢波器、7、10、60 Hz不同主頻動(dòng)圈式檢波器采集的地震記錄及其采集的單炮信噪比等參數(shù)進(jìn)行綜合對(duì)比分析評(píng)價(jià)（圖1），確定出60 Hz 的檢波器高頻信息較多，對(duì)于低頻干擾壓制較好，高低頻層次分明。而低頻檢波器及數(shù)字檢波器，由于低頻干擾較嚴(yán)重，直觀的使高頻信息不明顯，雖然低頻有效信息接收的更多，但同樣的低頻干擾也較多，特別是數(shù)字檢波器低頻干擾最為嚴(yán)重。因此使用低頻檢波器的同時(shí)低頻干擾也會(huì)增加，這就使如果為了更多的獲取有效信息，可采用低頻檢波器，拓寬有效信息的頻帶，同時(shí)后期數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)手段，才能使獲取的低頻有效信息發(fā)揮其更大的作用。如果后期數(shù)據(jù)處理時(shí)采用常規(guī)的處理手段，那么這些低頻的干擾將會(huì)使數(shù)據(jù)體的整體信噪比降低。

圖1 不同類型檢波器單炮信噪比對(duì)比Fig.1 Comparison of single shot signal-to-noise ratio of different types of geophones

2.2 寬方位角觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)線束分別采用10 線5 炮和12 線15 炮的束狀觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比（圖2），通過觀測(cè)系統(tǒng)的反射點(diǎn)均勻程度和方位角均勻分布特征對(duì)比，常規(guī)窄方位觀測(cè)系統(tǒng)的反射點(diǎn)排列片呈狹長(zhǎng)的長(zhǎng)條形，方位角分布均勻性較差，會(huì)產(chǎn)生靜校正耦合問題，不利于檢測(cè)與方位角有關(guān)的變化。而寬方位角觀測(cè)系統(tǒng)可以通過對(duì)比不同觀測(cè)系統(tǒng)的方位角和滿覆蓋次數(shù)的面元分布情況，認(rèn)為示范區(qū)使用的12線15 炮的觀測(cè)系統(tǒng)形成的反射面元更為呈縱、橫向一致特性，對(duì)于常規(guī)的12 線4 炮和10 線5 炮的觀測(cè)系統(tǒng)的反射波面元趨于長(zhǎng)方形的特征。

圖2 不同觀測(cè)系統(tǒng)線束布置與反射方位角分布Fig.2 Wire harness arrangement and reflection azimuth distribution of different observation systems

3 地面三維地震精細(xì)數(shù)據(jù)處理與構(gòu)造識(shí)別理技術(shù)

3.1 雙系統(tǒng)地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)

針對(duì)復(fù)雜地表地形地質(zhì)條件變化劇烈特點(diǎn)，特別是原始單炮記錄初至波呈鋸齒狀跳動(dòng)特點(diǎn)，為降低復(fù)雜地表變化對(duì)地震數(shù)據(jù)影響，采用Geoeast 和CGG 雙套地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行炮偏校正處理。數(shù)據(jù)處理中采用CGG 地震數(shù)據(jù)處理的層析靜校正技術(shù)，來降低地表起伏劇烈變化的影響；利用地表一致性剩余靜校正和全局尋優(yōu)剩余靜校正技術(shù)，在精細(xì)拾取疊加速度，解決深度小構(gòu)造剩余靜校正問題，增加解釋的準(zhǔn)確度（圖3）。

圖3 單炮地震記錄靜校正前后對(duì)比Fig.3 Comparison of single shot seismic records before and after static correction

初至波網(wǎng)格層析靜校正技術(shù)能夠較好的解決復(fù)雜區(qū)靜校正問題，并計(jì)算出靜校正量。

全局尋優(yōu)剩余靜校正技術(shù)利用最大能量法、模擬退火以及遺傳算法等三種方法，交替式迭代求取剩余靜校正量，將算法收斂迭代的次數(shù)大大減少。其基本思路是將最大能量法和模擬退火法產(chǎn)生的解作為遺傳算法的初始群體，使得群體中的個(gè)體針對(duì)性強(qiáng)，有效的控制了群體的規(guī)模，使搜索具有更高的效率；同時(shí)在遺傳算法演化后進(jìn)行最大能量法和模擬退火法搜索，強(qiáng)化局部搜索能力，達(dá)到快速收斂到最優(yōu)解的目的（圖4）。

圖4 剩余靜校正前后地震疊加時(shí)間剖面效果對(duì)比Fig.4 Comparison of seismic superposition time profile effect before and after residual static correction

3.2 疊加處理

首先對(duì)參與疊加的地震記錄道進(jìn)行均衡處理并疊加，計(jì)算出疊加道的加權(quán)函數(shù)，并依據(jù)加權(quán)函數(shù)對(duì)疊加結(jié)果道進(jìn)行加權(quán)；在輸出最終疊加剖面之前，利用前面計(jì)算出的均衡因子，采用中值法求出反均衡因子，對(duì)均衡后的疊加結(jié)果道進(jìn)行反均衡處理，得到相對(duì)振幅保持疊加剖面（圖5）。

圖5 疊加處理前后效果對(duì)比Fig.5 Comparison of the effect before and after superposition processing

圖6 隨機(jī)去噪前后疊加時(shí)間剖面對(duì)比Fig.6 Comparison of superposition time profile before and after random denoising

4 斷層構(gòu)造三維地震數(shù)據(jù)精細(xì)解釋技術(shù)與應(yīng)用

以處理后的時(shí)間剖面為基線，結(jié)合波形、相干、譜分解等屬性切片進(jìn)行判斷和識(shí)別。小斷層斷點(diǎn)精細(xì)識(shí)別依據(jù)有，反射波同相軸扭曲，地層產(chǎn)狀突然變化，同相軸連續(xù)性、光滑程度及振幅強(qiáng)弱變化。斷點(diǎn)在相鄰時(shí)間剖面上的傾向、傾角、落差、位置等顯示特征的相似性，結(jié)合時(shí)間水平切片，對(duì)每條斷層進(jìn)行追蹤和控制。

多種的地震屬性中挑選出5 種，針對(duì)該區(qū)構(gòu)造敏感的地震屬性進(jìn)行地震屬性分析，小斷層在相干屬性、最小曲率屬性、負(fù)值曲率屬性切片上的平面發(fā)育特征也比較清晰。

5 結(jié) 論

礦井小構(gòu)造作為礦井智能化、機(jī)械化開采中難于識(shí)別與分析的構(gòu)造地質(zhì)體，成為地面三維地震勘探任務(wù)和難點(diǎn)。針對(duì)多種復(fù)雜地表地形和地下地質(zhì)條件區(qū)，運(yùn)用多種綜合地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，得到了高質(zhì)量的地震數(shù)據(jù)體。綜合利用三維地震勘探精細(xì)識(shí)別技術(shù)，對(duì)小斷層構(gòu)造進(jìn)行精細(xì)識(shí)別，得到了良好的效果。

（1）針對(duì)復(fù)雜地形地質(zhì)條件地區(qū)，對(duì)比分析不同主頻的檢波器與數(shù)字檢波器的接收信號(hào)，表明數(shù)字檢波器在低頻帶內(nèi)受干擾明顯，需要結(jié)合地震數(shù)據(jù)處理技術(shù)，突出低頻地震信號(hào)。

（2）采用高縱橫比的地震三維束狀觀測(cè)系統(tǒng)，可提高地震記錄的縱波空間部分特征，特別是對(duì)不同方向上的方位角均勻影響大，特別是煤層產(chǎn)狀較為平緩地段的三維地震勘探，采用高縱橫比的觀測(cè)系統(tǒng)，在提高施工效率同時(shí)增加地震記錄質(zhì)量。

（3）復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的雙套地震數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，突出每種數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中某中數(shù)據(jù)處理優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，針對(duì)重要的靜校正處理采用全局尋優(yōu)剩余靜校正處理技術(shù)，提高了地震數(shù)據(jù)處理質(zhì)量和效率。

（4）針對(duì)小斷層構(gòu)造斷點(diǎn)識(shí)別特征，運(yùn)用多種地震屬性分析與評(píng)價(jià)技術(shù)，優(yōu)選出相干屬性、最小曲率屬性、負(fù)值曲率屬性切片上的平面識(shí)別特征明顯有效、提高了小斷層識(shí)別精度。