三維地震勘探在桌子山煤田的應(yīng)用

(內(nèi)蒙古自治區(qū)煤田地質(zhì)局勘測隊，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

桌子山煤田某井田表層被大面積第四系覆蓋，基巖僅零星出露于小山丘頂部。煤田位于祁、呂、賀山字型構(gòu)造背柱部次之北部，其主要構(gòu)造線方向均近于南北向，主要構(gòu)造有千里山-阿爾巴斯逆斷層，桌子山背斜，崗德爾西來峰逆斷層，崗德爾背斜等?？v觀井田總體為一向南西傾斜的單斜構(gòu)造，地層產(chǎn)狀平緩，一般6o～8o。本區(qū)構(gòu)造運動較為強(qiáng)烈，分褶曲及斷層兩種形式出現(xiàn)。在上述構(gòu)造運動強(qiáng)烈，斷層大量發(fā)育的地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)勘探，單一的勘探方法不能取得滿意的效果，解釋精度及準(zhǔn)確性難以保證。其他鉆井等勘探技術(shù)結(jié)合高分辨率三維地震技術(shù)進(jìn)行勘探，可對地下構(gòu)造進(jìn)行更直觀且準(zhǔn)確的控制。

1 三維地震勘探技術(shù)簡介

1.1 三維地震勘探的優(yōu)越性

三維地震勘探其野外采集的關(guān)鍵是實現(xiàn)面積觀測，通過三維偏移成像處理等一系列技術(shù)處理其采集到的大量原始數(shù)據(jù)，從一個個界面點空間堆砌成三維地震數(shù)據(jù)體(x、y、t)。所以三維資料解釋可以任意從x、y、t 方向觀測地質(zhì)界面的形態(tài)，能夠更直觀的研究地質(zhì)體在三維空間中的變化。

在勘探領(lǐng)域，如果把鉆井比作一把鋒利的手術(shù)刀，那么三維地震勘探技術(shù)就是一臺先進(jìn)的CT 透視機(jī)，通過三維地震技術(shù)可把地下構(gòu)造或地質(zhì)體建立成一個全三維立體空間模型，如同對大地進(jìn)行CT 透視，可獲得高品質(zhì)的地質(zhì)圖像。

1.2 三維數(shù)據(jù)體解釋原則

1.2.1 緊扣地震地質(zhì)任務(wù)原則:本區(qū)三維地震資料解釋以完成解決構(gòu)造地質(zhì)任務(wù)為主，特殊地質(zhì)現(xiàn)象如煤層厚度變化趨勢及煤層分叉合并邊界的解釋推斷也應(yīng)引起高度重視。

1.2.2 人機(jī)聯(lián)作解釋原則:人工解釋主要指利用基本干網(wǎng)剖面進(jìn)行人工解釋，確定全區(qū)大的構(gòu)造格架;工作站解釋則指的是以垂直剖面和時間水平切片解釋為主，再充分利用工作站屏幕多種顯示、放大功能(比如動態(tài)顯示和三維切片立體組合顯示)為輔助手段進(jìn)行驗證性和精細(xì)化的解釋。同時要求人工解釋和工作站解釋緊密結(jié)合，互相促進(jìn)。

1.2.3 點上突破的原則(也可以叫由點到面的原則):即選擇已知資料較多(如孔旁)或構(gòu)造相對簡單地段開展解釋，逐步擴(kuò)大追蹤范圍完成全區(qū)追蹤解釋。

1.2.4 先疏后密的原則:即確立一個基干剖面網(wǎng)(如40m×40m 網(wǎng)度或80m×80m 網(wǎng)度的地基干剖面網(wǎng))后，在此網(wǎng)格剖面上先行突破，確立全區(qū)的大的構(gòu)造框架，在此基礎(chǔ)上利用工作站的多種功能進(jìn)行加密，完成全區(qū)構(gòu)造的精細(xì)解釋。這樣解釋不但主次分明，而且會大大加快解釋速度，提高工作效率。

1.2.5 多波組對比的原則:根據(jù)在本礦的工作經(jīng)驗可知，本區(qū)煤層反射波組較發(fā)育，波組關(guān)系特征明顯。因此，應(yīng)用多波組綜合追蹤不但會減少串相位現(xiàn)象，而且對煤層起伏形態(tài)、斷面等構(gòu)造體(面)的空間展布形態(tài)和規(guī)模的解釋有很大幫助。

1.2.6 加強(qiáng)任意走向切片的解釋:第一利用連井剖面驗證解釋結(jié)果，會減少失誤;第二是可以利用任意走向切片形成矩形或任意多邊形等閉合環(huán)狀剖面研究采區(qū)或采面內(nèi)的構(gòu)造現(xiàn)象，對采區(qū)劃分和采面布置有很大幫助。

1.2.7 采用最新技術(shù)原則:即充分利用計算站的最新技術(shù)，如方差體技術(shù)等，提高解釋成果的可靠性。

1.3 三維數(shù)據(jù)體解釋方法

1.3.1 褶曲的解釋

褶曲在三維數(shù)據(jù)體上比較容易識別，其在時間剖面上一般表現(xiàn)為反射波同相軸下凹、上凸;在水平時間切片上表現(xiàn)為反射波同相軸走向發(fā)生彎曲，曲率越大，則褶曲越緊閉，曲率越小，則褶曲越開闊(見圖1)。

1.3.2 斷層的解釋

斷層的解釋斷層解釋以時間剖面為主(見圖2)，配合其它彩色顯示剖面，同時結(jié)合水平切片、順層切片及相干數(shù)據(jù)體、方差數(shù)據(jù)體進(jìn)行解釋。

圖1 褶曲在水平時間切片上的反映

圖2 斷層在時間剖面上的反映

1.3.3 煤層隱伏露頭的解釋

時間剖面上煤層反射波與第四系底界反射波相接觸，其接觸點即為煤層隱伏露頭點;當(dāng)無第四系底界反射波時，利用鉆孔資料和折射波資料在剖面圖上繪制第四系底界，煤層與第四系底界的交點即為煤層隱伏露頭點。在平面圖上把各測線的煤層隱伏露頭點連接起來，其連線即為煤層隱伏露頭線。本區(qū)第四系較薄，不發(fā)育第四系底界反射波，因此本次為利用野外單排記錄折射波解釋其第四系。

1.3.4 其它地質(zhì)異常現(xiàn)象的解釋

在對主要可采煤層受古河床、古隆起、陷落柱、采空區(qū)影響范圍的解釋中，充分利用三維偏移數(shù)據(jù)體、疊加數(shù)據(jù)體、方差數(shù)據(jù)體或相干數(shù)據(jù)體進(jìn)行綜合解釋。從垂直時間剖面、水平時間切片、順層切片、組合顯示等不同角度對數(shù)據(jù)體進(jìn)行觀察研究。采用波形變面積、波形變密度、雙極性等多種顯示手段，對T9 波和T16 波的正負(fù)相位綜合分析研究。

方差數(shù)據(jù)體和相干數(shù)據(jù)體是一種重要的識別解釋地質(zhì)異常的方法。方差數(shù)據(jù)體是求取三維地震數(shù)據(jù)體所有樣點振幅均方差值的結(jié)果。其值越大，各道差異越大，則存在構(gòu)造異常的可能性越大。相干數(shù)據(jù)體是對三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行互相關(guān)處理的結(jié)果。其值越小，各道相似性越差，則存在構(gòu)造異常的可能性越大。

1.3.5 主要可采煤層厚度變化趨勢的解釋

本次三維地震勘探利用地震屬性技術(shù)解釋煤層厚度。通過提取地震數(shù)據(jù)體不同地震屬性，對不同地震屬性與煤厚進(jìn)行擬合和相關(guān)計算，根據(jù)計算結(jié)果優(yōu)選5個與煤層厚度相關(guān)度高的屬性，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測煤層厚度。

1.3.6 時深轉(zhuǎn)換速度的求取

本區(qū)是用已知的9-1、16-1 煤層底板標(biāo)高(鉆孔處)和T9、T16 波時間計算出時深轉(zhuǎn)換速度，再繪制速度平面分布圖。計算公式為:

V=2000 ×(1250-H)/t

式中，H 為9-1、16-1 煤層底板標(biāo)高，單位為m;

t 為T9、T16 波時間，單位為ms;

V 為時深轉(zhuǎn)換速度，單位為m/s。

該區(qū)的9-1 煤層時深轉(zhuǎn)換速度變化在2920m/s～3420m/s 之間。16-1 煤層時深轉(zhuǎn)換速度變化在3010m/s～3480m/s 之間。

眾所周知，目的層反射波速度在平面和深度方向上都是具有一定規(guī)律性的。因此，利用鉆孔揭露的目的層底板深度(h)和井旁目的層反射波的t0 時間可擬合繪制出時深(t0-h)關(guān)系曲線(圖3)。通過對該曲線的分析，同樣可以用來檢驗前期反射波追蹤對比的可靠程度。對于那些較離散的速度異常鉆孔點，要檢查前期目的層反射波追蹤對比是否有誤。通過對比檢查，本區(qū)時深轉(zhuǎn)換速度，符合規(guī)律，速度點較集中，滿足精度要求。

圖3 時深轉(zhuǎn)換曲線

2 本次構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)三維地震勘探成果

2.1 地震勘探前后構(gòu)造對比

2.1.1 修改原有斷層3條。通過本次地震勘探，發(fā)現(xiàn)西來峰逆斷層在平面位置有較大改動，在勘探區(qū)北部向區(qū)內(nèi)東部擺動，最大擺動距離82m;南部向區(qū)外西部擺動，推測最大擺動距離300m 左右。df14 斷層(原斷層未編號)平面位置和落差都有了較大變動，平面位置向北擺動，最大擺動距離80m，落差變大，最大落差16m。F10 正斷層平面位置有了較大改變，查明了該斷層的延展方向和斷層要素，該斷層西部向南擺動距離最大為325m，已進(jìn)入勘探區(qū)西北部。

2.1.2 新發(fā)現(xiàn)斷層38條。本次地震勘探新發(fā)現(xiàn)了38條斷層，為下一步的礦井開拓和煤礦開采提供了依據(jù)。

2.2 地震勘探前后褶皺對比

通過本次地震勘探，S30 向斜平面位置有所變化，該向斜軸部在區(qū)內(nèi)北部向東擺動，最大擺動距離175m;南部向西擺動，最大擺動距離80m。

2.3 地震勘探前后煤層底板等高線對比

本次煤層底板等高線在細(xì)節(jié)上有較大變化，但是總體趨勢變化不大，局部地區(qū)由于構(gòu)造的影響，有一定變化。

3 三維地震勘探成果驗證

3.1 斷層驗證情況

通過驗證鉆孔的地質(zhì)資料顯示，地震解釋的斷層與驗證鉆孔揭示的斷層吻合，驗證情況如下:

3.1.1 西來峰逆斷層。1)BKS01 孔深度157.26m 處，見2.44m 厚角礫巖，并且其上地層傾角為68°～82°，其下地層傾角為5°～8°，地層傾角突然變化，這種現(xiàn)象是斷層擠壓造成的，斷面上下煤系地層重復(fù)350m 左右。三維地震解釋的西來峰逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在158m 處，落差502m，傾角68°。2)BKS02 孔深度135.2m 處，見破碎帶，這種現(xiàn)象是斷層擠壓造成的，斷面上下煤系地層重復(fù)200m 左右。三維地震解釋的西來峰逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在136m 處，落差470m，傾角32°。3)BKS06 孔深度101.75m 處，見3.47m 厚角礫巖，并且其上地層傾角為58°～68°，其下地層傾角為5°～8°，地層傾角突然變化，這種現(xiàn)象是斷層擠壓造成的，斷面上下煤系地層重復(fù)470m 左右。三維地震解釋的西來峰逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在102m 處，落差453m，傾角30°。4)BKS13 孔深度113.63m 處，見滑面，并且其上為灰色太原組地層，傾角為60°，其下為棕紅色上石盒子組地層，傾角為6°，地層突然變化，這種現(xiàn)象是斷層擠壓造成的，斷面上下地層重復(fù)320m 左右。三維地震解釋的西來峰逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在114m 處，落差470m，傾角35°。以上四個鉆孔的鉆探成果很好的驗證了地震解釋的斷層。

3.1.2 西來峰支三逆斷層。BKS02 孔2～4 煤組地層重復(fù)100m 左右，斷面深度應(yīng)在240m 左右。三維地震解釋的西來峰支三逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在239m 處，落差90m，傾角32°。鉆探很好的驗證了地震解釋的斷層。

3.1.3 F10 正斷層。BKS01 孔深度524.41m 處10 煤以上煤層全部缺失，太原組含煤地層直接與灰綠色下石盒子組地層接觸，地層缺失150m 左右。三維地震地震解釋的F10 正斷層的斷面通過該鉆孔，斷面深度在526m 處，落差為141m，傾角81°。鉆探很好的驗證了地震解釋的斷層。

3.1.4 df9 正斷層。1)BKS07 孔深度56.1m 處，見29.1m 厚斷層泥。三維地震解釋的df9 正斷層通過該鉆孔，斷面深度在56m 處，落差60m，傾角79°。2)BKS08 孔深度402～406m 處，巖芯破碎嚴(yán)重，是張性斷裂帶。三維地震解釋的df9正斷層通過該鉆孔，斷面深度在405m 處，落差43m，傾角79°。3)BKS09-1 孔深度368.2m 處，見2.1m 厚角礫巖，9-1 煤至16-1 煤間距變小，地層缺失30m 左右。三維地震解釋的df9正斷層通過該鉆孔，斷面深度在367m 處，落差27m，傾角81°。4)另外，BKS09 孔在BKS09-1 孔北部30米處，其16-1 煤底板標(biāo)高深了32m，與三維地震解釋成果基本一致。以上四個鉆孔的鉆探成果很好的驗證了地震解釋的斷層。

3.1.5 df9-1 正斷層。BKS09-1 孔深度392.5m 處，為5.5m 厚泥巖，底部破碎，見滑面，16-1 煤至奧陶系頂界面間距變小，地層缺失30m 左右。三維地震解釋的df9-1 正斷層通過該鉆孔，斷面深度在395m 處，落差31m，傾角81°。鉆探很好的驗證了地震解釋的斷層。

3.1.6 df19 逆斷層。BKS06 孔534.92m 處，為5.2m 厚細(xì)砂巖，裂隙發(fā)育、局部破碎;529.7m 處1.35m 厚的中砂巖與540m 處1.65m 厚的中砂巖重復(fù)，另外16-1 煤至奧陶系頂界面間距變大，地層重復(fù)10m 左右，斷面深度應(yīng)在530m 左右。三維地震解釋的df19 逆斷層通過該鉆孔，斷面深度在531m處，落差8m，傾角53°。鉆探很好的驗證了地震解釋的斷層。

經(jīng)鉆探驗證本區(qū)三維地震勘探斷層平面位置的解釋精度能夠滿足規(guī)范和設(shè)計要求，斷層平面位置誤差不大于20m。

3.2 主要煤層底板深度的解釋精度評價

本區(qū)三維地震勘探使用綜合時深關(guān)系曲線進(jìn)行約束，利用鉆孔資料進(jìn)行速度標(biāo)定，繪制時深轉(zhuǎn)換速度平面分布圖，然后進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換，大大提高了解釋精度，經(jīng)后期施工的驗證鉆孔驗證，深度誤差不大于1.5%，見表1。三維地震成果主要煤層底板深度解釋誤差小于規(guī)范要求。

表1 三維地震解釋成果與鉆探驗證成果對比一覽表

4 結(jié)語

本文以內(nèi)蒙古烏海市某地區(qū)的煤礦煤炭勘探為研究對象。利用三維地震勘探技術(shù)對此煤礦進(jìn)行勘探，通過對三維地震數(shù)據(jù)體細(xì)網(wǎng)度、多方位的解釋，對區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況進(jìn)行了更嚴(yán)密的控制，為開采設(shè)計及生產(chǎn)提供了更可靠的地質(zhì)依據(jù)，最終完成了規(guī)定的地質(zhì)任務(wù)。

通過實際案例闡明了三維地震勘探技術(shù)在實際勘探工程中的必要性及在煤礦勘探綜合勘探中的重要作用。

[1]路基孟，王永剛.地震勘探原理[M].中國石油大學(xué)出版社，2009:10-12.

[2]郝鈞，等.三維地震勘探技術(shù)[M].石油工業(yè)出版社，1992.