河南某煤礦地質特征及三維地震勘探應用

楊德根， 李君成， 張震潤

（河南省煤田地質局物探測量隊，河南 鄭州450009）

1 地層及煤層特征

根據(jù)礦區(qū)鉆孔揭露情況，區(qū)內地層為奧陶系、石炭系、二疊系及新生界地層。 本區(qū)二2煤層大部可采，三2 煤層局部可采，其余煤層除個別點外均不可采。

1.1 二2 煤層

二2 煤層位于山西組中部，層位穩(wěn)定，下距K3灰?guī)r標志層頂39.04 ～60.03 m，平均49.66 m；上距K4標志層底38.92～71.46 m，平均55.99 m。

二2 煤層全區(qū)分布，個別點被巖漿巖吞噬及少量不可采點外，全區(qū)大部可采。 本次施工的68 個鉆孔，其中3 個鉆孔煤層被巖漿巖吞噬，全區(qū)鉆孔揭露見煤點以中厚煤層為主。 中部區(qū)域受巖漿巖影響造成煤層分叉、變薄、吞噬，煤類為天然焦或煤焦混合，故二2 煤層結構屬簡單類型，局部地段復雜。 局部地段受巖漿巖烘烤變質為天然焦［1］。

煤層直接底板多為穩(wěn)定的厚層條帶狀細砂巖，部分地段相變?yōu)楸幽鄮r或砂質泥巖，個別地段被侵入于煤層底板的閃長玢巖代替，礦區(qū)東部的局部地段含有泥巖或砂質泥巖偽底。

直接頂板巖性多為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，為穩(wěn)定的頂板，部分地段有侵入于煤層頂板的巖漿巖，個別地段含有泥巖或砂質泥巖偽頂。

依據(jù)煤層頂、底板巖性分析，影響煤層厚度變化的因素主要是沼澤基底的沉降速度、后期構造運動和巖漿巖的侵入。 沼澤基底沉降速度快，沉積物來源不充分時，煤層厚度變??；沼澤基底沉降速度和泥炭的堆積速度平衡時，煤層即增厚。 后期構造運動引起局部煤層厚度急劇變化，或造成煤層的斷缺，巖漿巖穿插于煤層時使煤層分叉、變薄或吞噬，并使煤有焦化現(xiàn)象。

1.2 三2 煤層

三2 煤層賦存于下石盒子組中下部，層位比較穩(wěn)定，下距K4標志層底13.60 ～53.30 m，平均23.97 m；上距K5標志層底23.63～73.96 m，平均43.56 m。

三2煤層分布形態(tài)與二2煤層整體基本一致，礦區(qū)的東北部及東南部區(qū)域形成了一定范圍的可采區(qū)，中部及西部為薄煤區(qū)零星可采或沉積缺失。 施工的68 個鉆孔有55 個鉆孔見到了該煤層，其余地段相變?yōu)樘抠|泥巖或泥巖，其中25 個為可采點，30個不可采，屬局部可采煤層。 可采見煤點以薄煤層為主，在見三2煤的55 個鉆孔中，僅有7 個鉆孔見煤點含有1 ～2 層夾矸， 巖性為泥巖及炭質泥巖。ZK0903 鉆孔夾矸增厚為1.37 m，使三2煤層分叉為煤層。 另有部分見煤點因后期巖漿巖侵入致使煤層分叉，煤類變?yōu)樘烊唤?，故?煤層結構一般簡單，局部復雜。 三2煤層穩(wěn)定程度確定為不穩(wěn)定～較穩(wěn)定型。

煤層底板和頂板多為泥巖、砂質泥巖，少數(shù)為粉砂巖和巖漿巖，極個別鉆孔含有泥巖或炭質泥巖的偽頂和偽底。 影響煤層厚度變化的原因基本上與二2煤層相似。

綜上所述，二2煤層為全區(qū)大部可采、結構簡單局部復雜、屬于較穩(wěn)定的中厚煤層，三2煤層為局部可采、結構簡單局部復雜、不穩(wěn)定～較穩(wěn)定的薄煤層。

2 構造特征

本區(qū)在大地構造位置上位于中朝淮地臺魯西臺隆西緣的次級構造單元永城斷陷褶皺帶內，礦區(qū)位于永城隱伏復式背斜的西翼，構造形態(tài)與區(qū)域構造一致。 礦區(qū)內煤層構造比較發(fā)育，主要表現(xiàn)為斷層密度大，褶曲及小的波狀起伏也較多。 斷層展布方向以NNE 和近SN 向為主，其次為EW，少數(shù)為NW向。 區(qū)內有5 個形態(tài)比較寬緩的褶曲［2］。 斷層均為正斷層，落差變化較大，大者近70 m，小者僅2 m 左右，落差以5 ～10 m 為主，也存在不僅錯斷二2、三2煤層，而且也錯斷灰?guī)r及新生界地層的斷層。 本區(qū)共解釋斷層274 條（ 其中單獨錯斷三2 煤的有69條），斷層密度平均為22.7 條／ 平方公里。 按斷層性質分正斷層273 條，逆斷層1 條。

3 巖漿巖及天然焦的分布范圍

3.1 巖漿巖與天然焦的關系

通過研究本區(qū)鉆探資料發(fā)現(xiàn)，在巖漿巖體侵入的部位及其周圍，煤層均被吞蝕或烤變?yōu)樘烊唤?、半天然焦，因此，天然焦的分布范圍與巖漿巖體的分布范圍關系密切。 煤的焦化程度與巖漿巖的厚度也密切相關，巖漿侵入的煤層，有的全層焦化，有的半煤半焦，有的巖體居中、上下為天然焦。 根據(jù)對比分析，巖體及其上、下天然焦均為煤層位置，可以認為巖體吞蝕了煤的一部分，使殘留的頂、底煤或巖體間的夾煤變?yōu)樘烊唤埂?例如ZK0606 孔二2煤焦變?yōu)?.62 m 的天然焦，頂部6.26 m 的輝綠巖（代替了原來的煤層）。 由此說明，由于巖漿熱接觸變質作用使貼近巖體處的煤被吞蝕或變質為天然焦，略遠處則影響較小，巖漿體的范圍與天然焦的范圍大體相當。 根據(jù)鉆孔資料，礦區(qū)內所見巖漿巖為輝綠巖、閃長巖或煌斑巖。

3.2 巖漿侵入通道及形成時代

據(jù)區(qū)域地質資料，本礦井巖漿侵入時期為華力西期和燕山早、晚期。 從鉆孔揭露斷層情況看，斷層上下盤巖漿巖分布不一致，有的斷層一盤有巖漿巖，另一盤則無巖漿巖，可視為巖漿順斷層一盤侵入煤系地層，即巖漿侵入時期比構造形成時期晚。 斷層破碎帶及軟弱層為巖漿通道。 巖漿的侵入與斷裂構造及煤層有著密切關系，斷層是深部巖漿上侵的通道，它控制著附近區(qū)域巖漿侵入的速度和規(guī)模，最終在斷層帶形成巖墻；煤層是巖漿通過斷層后的次級通道，由于其相對松軟，比較容易發(fā)生塑性流變，為巖漿的侵入提供了便利條件，巖漿沿斷層上涌后呈席狀侵入吞蝕煤層或部分侵入煤層或使煤層發(fā)生焦變［3］。 巖漿巖成分的復雜性說明巖漿入侵存在著多期性的可能。

3.3 本次對區(qū)內巖漿巖及天然焦分布范圍的解釋

利用地震資料對巖漿巖分布范圍進行解釋，國內外許多學者對這方面的研究取得了一定成果。 本次在利用這些研究成果的基礎上制定了如下流程：

3.3.1 常規(guī)解釋

隨著地球物理勘查技術的進步以及解譯理論的不斷優(yōu)化，初步建立了在時間剖面上識別侵入巖的解譯標志：

（1）在巖漿巖侵入體的主體部位，沒有連續(xù)性好的反射波同相軸，多為一些雜亂無序的波，或者形成有一定面積的、不規(guī)則形態(tài)的、相對能量較弱的空白區(qū)，同相軸變弱或者同相軸消失，在平面上表現(xiàn)為條帶狀分布；

（2）在巖漿巖侵入體邊界附近反射波組明顯中斷，疊加剖面上常常見到繞射波現(xiàn)象；

（3）在巖漿巖侵入體部位能量較弱，可以見到不連續(xù)的反射波同相軸段，在侵入體邊界部位波組層呈弓形；

（4）當巖漿巖侵入煤系地層時，會出現(xiàn)楔形或串珠狀，使沉積巖中的反射波組結構上下產(chǎn)生不協(xié)調現(xiàn)象；

（5）當巖漿巖侵入體規(guī)模較大時，在巖體頂部或底部有時可見到較強的反射波同相軸段；

（6） 當巖漿巖侵入體沿沉積地層界面順層侵入，形成較穩(wěn)定層狀，其厚度不大，并與沉積地層呈互層狀態(tài)時，反射波呈多個平行相位出現(xiàn)，與單純的沉積巖互層時出現(xiàn)的反射波類似。

3.3.2 利用地震物理屬性技術

巖漿巖的侵入會對反射波的振幅、頻率等有關屬性造成一定的影響，因此可提取有關屬性進行解釋。 同時，為了提高解譯的準確性，可結合鉆孔揭露情況綜合分析，即包括單一屬性解譯和多種屬性綜合解譯兩種方法。

3.3.3 進行波阻抗反演

因為巖漿巖的侵入會使巖層的波阻抗發(fā)生變化，有巖漿巖侵入的煤層與無漿巖侵入的煤層必定有較大的波阻抗差異。

綜合利用上述方法結合鉆孔資料，圈定了礦區(qū)內巖漿巖及天然焦分布范圍。 礦區(qū)西北部二2 煤層有一區(qū)域被巖漿侵入變?yōu)樘烊唤?，面積約2.11 km2，見圖1，而礦區(qū)內三2 煤層焦變區(qū)域有兩塊，累計面積約有1.7 km2，見圖2。

4 對煤層厚度變化趨勢的解釋

圖2 三2 煤層天然焦的分布范圍

本次勘探也對二2、三2 煤層厚度變化趨勢進行了解釋，使用的方法是波形振幅法。 波形振幅方法是利用地震反射波的波形特征和振幅信息與煤厚的相關性來進行煤層厚度橫向預測。 煤層反射波振幅與煤層厚度存在著對應關系，通過統(tǒng)計可以得到二者的關系曲線，利用該關系可進行煤層厚度解釋。雖然在理論上地震反射波振幅與煤層厚度呈準線性關系，但因受激發(fā)因素、傳播路徑差異、接收因素及數(shù)據(jù)處理等因素的影響，導致在時間剖面上反射波振幅或能量變化狀況不能準確地反映出煤層厚度的變化規(guī)律。 本次利用地震反射波的振幅進行正演模擬和反演解釋，另外，煤層厚度的變化不但會對反射波的振幅有影響，而且對頻率等有關屬性也造成一定的影響，因此可提取有關屬性進行解釋。 本次采用多種屬性綜合解釋，并結合鉆孔揭露的情況對煤層厚度進行解釋。

5 結論

綜上所述，在對二2、三2 煤層厚度變化規(guī)律分析的基礎上，根據(jù)二2、三2煤層厚度變化趨勢可以得出，二2 煤層厚度變化較大；根據(jù)煤層厚度變化復雜程度認為二2 煤層較穩(wěn)定。 二2 煤層厚度介于0～6.5 m 之間，一般超過2 m。 三2 煤層厚度介于0 ～2.5 m 之間，一般小于1 m，大部分區(qū)域為不可采的薄無煤帶，且有火成巖侵入的焦變區(qū)，因此礦區(qū)內三2 煤層沒有開采價值。