三維地震技術(shù)在青海西大灘煤炭的勘探應(yīng)用

［摘要］為查明青海省大柴旦行委西大灘煤炭勘探區(qū)內(nèi)的主要煤層賦存及構(gòu)造發(fā)育情況，運(yùn)用三維地震勘探技術(shù)在西大灘煤炭勘探區(qū)應(yīng)用效果顯著，通過(guò)高精度的地震數(shù)據(jù)處理和解釋，顯著提高了勘探效率和成功率，降低了勘查風(fēng)險(xiǎn)和成本，有效查明了煤層的分布及其頂?shù)装迩闆r。為合理開(kāi)發(fā)和利用礦產(chǎn)資源提供了重要支持。

［關(guān)鍵詞］三維地震；地震地質(zhì)條件；靜校正；構(gòu)造對(duì)比；勘探效果

隨著科學(xué)的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的迅速發(fā)展，以及三維地震數(shù)據(jù)處理和解析軟件[1]的不斷更新迭代，地震資料的分析和解釋手段變得越來(lái)越多樣化和復(fù)雜化[2，3]，使得三維地震資料解析的精度要求不斷提升。近年來(lái)，三維地震勘探技術(shù)在煤田勘探中的應(yīng)用[4，5]變得越來(lái)越重要。

在煤礦非金屬礦勘探中，三維地震技術(shù)常用于探測(cè)煤層的分布及其頂?shù)装迩闆r，能夠有效揭示地下構(gòu)造，如褶皺、斷層和裂隙，識(shí)別和分析礦區(qū)內(nèi)的斷層、褶皺等構(gòu)造特征，評(píng)估其對(duì)礦產(chǎn)分布和開(kāi)采的影響。三維數(shù)據(jù)幫助確定最有潛力的鉆探靶區(qū)，減少盲目鉆探，提高鉆探成功率，節(jié)約成本。通過(guò)地震波速度和振幅特征，可以推斷礦體的巖性、孔隙度和含礦性，輔助評(píng)價(jià)礦體質(zhì)量。如在新河煤礦[6]高密度三維地震勘探的應(yīng)用有利于提高地震資料的解釋精度，同時(shí)高密度地震資料偏移成像精度較高，可以為煤礦安全、高效開(kāi)采提供可靠地質(zhì)依據(jù)。

為了更好地探明青海西大灘煤炭勘探區(qū)邊界構(gòu)造F2斷層，進(jìn)一步控制主要煤層底板標(biāo)高，查明采區(qū)內(nèi)主要煤層露頭位置，同時(shí)解釋區(qū)內(nèi)主要煤層厚度變化趨勢(shì)和較大的其他地質(zhì)現(xiàn)象，引入三維地震勘探技術(shù)顯得尤為重要。

1 地質(zhì)概況

1.1 地層

工作區(qū)為陸相山前坳陷盆地型。該區(qū)域地層的連續(xù)性差，間斷面多，地層分布極不均勻。從地質(zhì)、地球物理和鉆探數(shù)據(jù)來(lái)看，柴達(dá)木地塊為古元古界結(jié)晶基底和中元古界褶皺基底，因此具有較穩(wěn)定的地塊性質(zhì)。柴達(dá)木盆地的沉積類型多樣，既有穩(wěn)定型的蓋層沉積，也有活動(dòng)型的火山巖、火山碎屑巖沉積。

1.2 構(gòu)造

該工作區(qū)位于南祁連陸塊和柴達(dá)木地塊之間，區(qū)內(nèi)存在三條隆起帶，各隆起帶之間是坳陷帶，均被第四系沉積物覆蓋。隆起帶和坳陷帶為一系列西北西向和西北向的復(fù)式背向斜寬緩褶皺和線狀緊密斷裂。區(qū)域構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，在中、新生代地層中，褶皺較為發(fā)育，并存在較大的區(qū)域性逆沖推覆構(gòu)造，控制了區(qū)內(nèi)的構(gòu)造格局和含煤地層的分布。

1.3 煤層

工作區(qū)內(nèi)含煤地層分為下侏羅統(tǒng)小煤溝組（J1x）、中侏羅統(tǒng)大煤溝組（J2d）和石門溝組（J2s）。通過(guò)對(duì)本區(qū)的勘查工作，結(jié)合以往普查工作所施工鉆孔可知，共含煤6層，可采煤層3層，即大煤溝組含煤地層中賦存F煤層組；小煤溝組含煤地層中賦存C煤層和B煤層。

2 地震地質(zhì)條件

2.1 表層地震地質(zhì)條件

該區(qū)域位于青藏高原腹地，地勢(shì)平坦。區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔為3569.6 m，最低點(diǎn)海拔為3361.0 m，平均海拔約為3400 m。區(qū)內(nèi)沒(méi)有地表水系，植被稀少，幾乎無(wú)人居住。該區(qū)的表層地震地質(zhì)條件一般。

2.2 淺層地震地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)大部被第四系覆蓋，厚100～482.50 m。第四系下部半固結(jié)，有的成巖；上部為松散砂礫和沙土，厚度零到幾十米，該層結(jié)構(gòu)松散，激發(fā)成孔困難，對(duì)地震波的散射、吸收衰減嚴(yán)重；北部有基巖出露，激發(fā)條件較好，但地形起伏較大，個(gè)別地段坡度較陡并且基巖風(fēng)化嚴(yán)重，不利于地震施工。淺層地震地質(zhì)條件不利于地震波的激發(fā)與接收，因此該區(qū)淺層地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

2.3 深層地震地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)有可采煤層三層，煤層傾角一般小于25°?？刂茀^(qū)內(nèi)構(gòu)造格局和含煤地層展布，總體為傾向北西的單斜構(gòu)造形態(tài)。

區(qū)內(nèi)主要有3條大的逆沖斷層，F(xiàn)1逆沖斷層、F2逆沖斷層、F3逆沖斷層對(duì)附近小煤溝組和小煤溝組地層及煤層有一定切割破壞作用，對(duì)F、C、B可采煤層在該斷層上下盤的賦存情況產(chǎn)生了巨大影響。

F1煤層總厚度0.32～15.85 m，平均厚度7.15 m，以特厚煤和厚煤層為主。煤層的密度約為0.9 g/cm3，縱波速度約為2500 m/s；煤層圍巖密度約為2 g/cm3，縱波速度約為4500 m/s，與圍巖物性特征相比差異較為明顯，形成的煤層反射波較好。B煤層總厚度在2.01～8.98 m，平均厚度4.21 m；C煤層總厚度在0.23～7.29 m，平均厚度2.94 m；B、C煤層厚度及層位不穩(wěn)定，局部分布，深層地震地質(zhì)條件一般。綜上所述，本區(qū)屬地震地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)。

3 主要技術(shù)措施

3.1 野外技術(shù)采集

由于該區(qū)內(nèi)大功率無(wú)線電發(fā)射源、高壓輸電線等強(qiáng)干擾源少，對(duì)GPS動(dòng)態(tài)測(cè)量的影響小，故本區(qū)定線測(cè)量方法采用RTK測(cè)量[7]。

3.2 數(shù)據(jù)處理

利用CGG和GRISYS地震數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)資料進(jìn)行綜合處理[8-11]。其技術(shù)要求應(yīng)做到：①選取合理的基準(zhǔn)面和充填速度以做好層析靜校正；②處理流程參數(shù)的選擇突出目的層有效波；③選取反褶積的類型及參數(shù)提高資料的信噪比；④嚴(yán)密控制速度的橫向變化情況；⑤使用一步法偏移，提高橫向分辨率。確保最終剖面上波形特征明顯、地質(zhì)現(xiàn)象清楚、斷層斷點(diǎn)歸位合理、斷面清晰。

3.2.1原始資料分析

從單炮記錄圖1上可以看出，原始單炮初至波清晰，反射波信噪比一般。原始資料頻率主要在5～100 Hz之間，目的波的優(yōu)勢(shì)頻率為10～40 Hz，主頻25 Hz左右；低頻面波的主頻在10 Hz左右。

3.2.2難點(diǎn)分析

本區(qū)海拔落差較大，靜校正問(wèn)題嚴(yán)重；近地表松散層很厚，地震波能量損失較大；區(qū)內(nèi)存在大型逆掩斷層，速度變化劇烈，構(gòu)造復(fù)雜；存在一定的干擾波。

3.2.3資料整理及空間屬性的建立

在野外施工中，將實(shí)測(cè)炮檢點(diǎn)和單炮數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)核對(duì)。核對(duì)無(wú)誤后繪制出炮、檢點(diǎn)位置圖和疊加次數(shù)圖，并檢查空間屬性。

3.2.3.1疊前處理

A.層析靜校正

為消除地震波旅行時(shí)差會(huì)對(duì)信號(hào)的疊加效果的不利影響，根據(jù)實(shí)際情況采用了層析反演靜校正、自動(dòng)剩余靜校正逐步細(xì)化的靜校正應(yīng)用方法，確定如下參數(shù)：基準(zhǔn)面為3450 m，替換速度2600 m/s。

a.真振幅恢復(fù)與噪聲消除

通過(guò)疊前高通濾波HPASS（15，25）Hz消除面波干擾；剔除壞炮與壞道，提高原始單炮信噪比。

b.地表一致性反褶積

為消除地震子波的影響，展寬有效頻帶，獲得反射系數(shù)序列，提高數(shù)據(jù)的分辨率對(duì)地震數(shù)據(jù)作反褶積處理。采用地表一致性預(yù)測(cè)反褶積，因子長(zhǎng)度為100 ms，步長(zhǎng)12 ms。經(jīng)處理后，剖面品質(zhì)得到了增強(qiáng)，數(shù)據(jù)體的頻帶整寬，主頻得到了很大的提高。

c.速度分析

為了提高速度譜解釋的精度，按速度譜的密度為100 m×100 m，得到本區(qū)的速度規(guī)律，并在動(dòng)校正道集上確定動(dòng)校拉伸范圍，然后做速度分析。并通過(guò)與剩余靜校正迭代處理，兩次進(jìn)行速度分析，采用交互速度分析工具進(jìn)行疊加速度分析以提高地震資料信噪比，得到較精確的速度場(chǎng)（圖2）。

B.三維地表一致性剩余靜校正

剩余靜校正模塊（TDSAT）根據(jù)CDP道集疊加的最佳準(zhǔn)則，確定一套地表一致性時(shí)移，使疊加效果最佳。剔除靜校正異常值，剩余靜校正后疊加剖面的信噪比有了很大提高，改善了疊加效果和同相軸的連續(xù)性。

C.三維保幅疊加

通過(guò)保幅疊加會(huì)使地層反射波振幅、相位、頻率真實(shí)準(zhǔn)確，會(huì)使各種地質(zhì)現(xiàn)象得以較好地顯現(xiàn)和保持。

3.2.3.2疊后處理[10，11]

三維疊后去噪：應(yīng)用三維FXYNA消除隨機(jī)噪聲。通過(guò)疊后去噪處理，使疊加剖面在真實(shí)自然的基礎(chǔ)上，提高了信噪比和連續(xù)性。

A.三維疊后插值

為了消除三維空間假頻，采用三維FXY域插值方法，在原5 m×10 m的網(wǎng)格基礎(chǔ)上，插成5 m×5 m的網(wǎng)格。

B.疊后Kirchhoff偏移

為正確地反應(yīng)地下構(gòu)造形態(tài)及其變化情況。采用三維一步法波動(dòng)方程有限差分偏移方法進(jìn)行偏移處理。將疊加速度在縱、橫兩個(gè)方向上的變化與構(gòu)造相吻合，然后進(jìn)行三維速度內(nèi)插平滑得到偏移速度場(chǎng)。再對(duì)偏移速度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)：偏移速度為疊加速度的95%時(shí)，反射波歸位最好，剖面構(gòu)造形態(tài)清晰。

3.2.3.3處理參數(shù)

資料處理主要參數(shù)見(jiàn)表1：

3.3 處理結(jié)果及質(zhì)量評(píng)述

地震數(shù)據(jù)處理提交的最終成果是三維偏移數(shù)據(jù)體，網(wǎng)度為5 m×5 m×1 ms。根據(jù)《煤田地震勘探規(guī)范》（DZ/T 0300-2017），時(shí)間剖面質(zhì)量評(píng)價(jià)分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類。

本次時(shí)間剖面質(zhì)量評(píng)價(jià)以F煤層反射波TF波為主。三維勘探范圍內(nèi)的時(shí)間剖面質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為：Ⅰ類剖面面積3.81 km2，占比84.67%；Ⅱ類剖面面積0.66 km2，占比14.67%；無(wú)Ⅲ類剖面；Ⅰ+Ⅱ類剖面面積4.47 km2，占比99.33%。另有約0.03 km2無(wú)TF波，故未評(píng)級(jí)。

本次資料處理所獲三維地震時(shí)間剖面質(zhì)量絕大部分地段較好，F(xiàn)煤層反射波能量突出；東北邊界處和西南邊界處分別受F3逆斷層和F2逆斷層影響，目的層反射波相對(duì)較弱。

綜上所述，本次三維地震數(shù)據(jù)處理成果客觀、真實(shí)地反映了勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造特征。

3.4 地震資料解釋

地震資料解釋工作是使用GeoFrame2012全三維解釋系統(tǒng)，利用偏移數(shù)據(jù)體進(jìn)行解釋，三維數(shù)據(jù)體網(wǎng)度為5 m×5 m×1 ms。在資料解釋過(guò)程中，采用最新解釋技術(shù)（如三維可視化技術(shù)）及多種解釋方法對(duì)地震資料進(jìn)行綜合分析、解釋，確保了解釋成果的可靠性和準(zhǔn)確性，如圖3、圖4。

4 資料解釋及地質(zhì)成果

4.1 資料解釋

4.1.1反射波解釋

利用區(qū)內(nèi)鉆孔資料進(jìn)行合成地震記錄分析，與過(guò)孔實(shí)際地震時(shí)間剖面對(duì)比確定反射波的地質(zhì)層位，二者相互吻合較好，故可以認(rèn)為層位標(biāo)定結(jié)果是正確的。

根據(jù)地震資料在平面上主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線相交構(gòu)成測(cè)網(wǎng)、形成時(shí)間域三維空間之特點(diǎn)，解釋采用以偏移時(shí)間剖面為主、水平切片和沿層切片為輔的方法，通過(guò)層位分析認(rèn)定結(jié)果。反射波的對(duì)比追蹤中，運(yùn)用波組、波系及與其他反射波的（不）整合的關(guān)系，建立聯(lián)井解釋時(shí)間剖面、骨干時(shí)間剖面。骨干時(shí)間剖面建立后，再解釋全區(qū)主干斷裂，建立斷裂格局，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行全區(qū)構(gòu)造細(xì)節(jié)解釋，采用主測(cè)線、聯(lián)絡(luò)測(cè)線相交的交點(diǎn)互作閉合檢查。

4.1.2煤層厚度解釋

當(dāng)煤層厚度小于λ/4時(shí)（λ為煤層反射波的主波長(zhǎng)），煤層厚度與煤層反射波振幅呈現(xiàn)近似的正比關(guān)系。本次測(cè)區(qū)內(nèi)，各煤層的厚度均小于λ/4，因此采用調(diào)諧厚度法對(duì)F煤層進(jìn)行了煤厚變化趨勢(shì)分析與解釋。

4.2 地質(zhì)成果

（1）本區(qū)F煤層總體呈現(xiàn)一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造，煤層傾角一般在13°～17°，區(qū)內(nèi)煤層底板標(biāo)高變化較大。

（2）本次地震勘探三維區(qū)解釋斷層共15條，其中新發(fā)現(xiàn)斷層13條，修改原斷層2條，有正斷層6條、逆斷層9條。

（3）本區(qū)內(nèi)F煤層全區(qū)發(fā)育，厚度較大，且變化也較大。厚度變化范圍為0.3～17 m。

（4）經(jīng)過(guò)本次三維地震勘探后，F(xiàn)煤層底板主要表現(xiàn)為一走向北東，傾向北西的單斜構(gòu)造。

5 結(jié)語(yǔ)

三維地震勘探技術(shù)在青海省大柴旦行委西大灘煤炭勘探區(qū)應(yīng)用效果顯著，查明了勘探區(qū)煤層賦存和構(gòu)造發(fā)育情況。探明了煤層的分布及其頂?shù)装迩闆r，有效解釋了勘探區(qū)的褶皺、斷層和裂隙等構(gòu)造特征，為制定合理地鉆探工作提供了有效的數(shù)據(jù)和技術(shù)支持，極大地提高鉆探成功率。

通過(guò)合理分析地震波速度和振幅特征，有效地評(píng)價(jià)勘探區(qū)礦體地質(zhì)量。利用三維地震數(shù)據(jù)與地質(zhì)和物探數(shù)據(jù)結(jié)合，準(zhǔn)確地進(jìn)行勘探區(qū)礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量的估算。通過(guò)提供高精度的地下成像和詳細(xì)的地質(zhì)構(gòu)造信息，顯著提高了礦產(chǎn)資源勘查的效率和成功率，降低了勘查風(fēng)險(xiǎn)和成本，對(duì)礦產(chǎn)資源的合理開(kāi)發(fā)和利用具有重要意義。

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