二維地震在新疆白干湖一帶煤炭資源調(diào)查中的應(yīng)用

王永懷，王平偉，鄧國成，白曉飛，吳 俠，劉世響

(1.河南省地球物理空間信息研究院，河南 鄭州 450009； 2.河南省地質(zhì)物探工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450009)

研究區(qū)位于新疆若羌縣白干湖一帶(即新疆若羌縣東南部)，方位170°，與若羌縣直線距離為120 km，由若羌縣經(jīng)315國道到達(dá)伊吞布拉克鎮(zhèn)，再從伊吞布拉克鎮(zhèn)經(jīng)簡易砂子公路可到達(dá)研究區(qū)，交通較為便利。研究區(qū)自然環(huán)境惡劣，是新疆維吾爾自治區(qū)嚴(yán)重缺煤地區(qū)，煤炭供需矛盾突出。在分析研究周邊盆地成煤規(guī)律及鄰近礦區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上[1]，開展二維地震勘探是找煤勘查極為有效的方法，特別是在覆蓋較為嚴(yán)重區(qū)域，對了解覆蓋層厚度、構(gòu)造形態(tài)等具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)大地構(gòu)造位置在東昆侖與阿爾金造山帶交匯處，區(qū)內(nèi)地質(zhì)體較復(fù)雜，研究區(qū)內(nèi)出露老地層以古元古界金水口群小廟巖組絹云石英片巖、硅質(zhì)大理巖、板巖和千枚巖為主，中生代以來出露有第三紀(jì)的砂礫巖，第四系覆蓋范圍較廣。區(qū)域上巖漿巖出露面積較大，在研究區(qū)的北側(cè)出露較多，侵入期次為加里東期；區(qū)域上有色金屬礦產(chǎn)較為豐富[2]，以鎢錫礦床為主，此次選擇的研究區(qū)地表被第四系覆蓋，如圖1所示。

圖1 白干湖一帶區(qū)域地質(zhì)略圖Fig.1 Outline of regional geology in Baigan Lake Area

2 研究區(qū)地質(zhì)特征

2.1 地層

研究區(qū)內(nèi)的地層從下到上依次劃分為志留系、侏羅系、新近系、第四系，現(xiàn)由老至新介紹如下。

(1)古生界。志留系白干湖組(Sb)：分布于研究區(qū)中部，按巖石組合特征分為上、下2部分，白干湖組與上覆侏羅系大煤溝組、新近系中新統(tǒng)紅石梁組呈角度不整合接觸關(guān)系[3]。

(2)中生界。侏羅系中下統(tǒng)大煤溝組(J1-2d)：在研究區(qū)的西南角有少部分出露，巖性主要為灰白色、灰色、淺灰綠色、黃褐色細(xì)砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖及炭質(zhì)泥巖、煤層等。該地層共含煤4層，地層下部缺失，厚度不清。

(3)新生界。①新近系上新統(tǒng)紅石梁組(N21h)：在研究區(qū)內(nèi)大面積分布，巖性主要以灰色—磚紅色薄—厚層粗—細(xì)粒鈣質(zhì)長石砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主。②第四系全新統(tǒng)(Qhapl)：廣泛分布于研究區(qū)河谷、平原、山間洼地中，多為洪積扇、洪積錐，由礫石、砂礫、亞砂土、黏土組成。

2.2 構(gòu)造

研究區(qū)整體為一向斜構(gòu)造，該向斜位于研究區(qū)中南部，軸向NEE，軸長約12 km，兩翼基本對稱，向斜北翼較陡，傾角約為25°，南翼較緩，傾角約為20°。研究區(qū)解釋了落差大于100 m的斷層3條，3條斷層均為逆斷層。

2.3 煤層

根據(jù)收集的鄰區(qū)地質(zhì)資料可知，該區(qū)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)大煤溝組(J1-2d)，共含煤層4層，其中大部分可采或局部可采煤層有3層，可采煤層總厚度4.19～26.31 m，平均總厚度10.8 m[4]。

2.4 巖漿巖

研究區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有巖漿巖活動。

3 地震地質(zhì)條件分析

3.1 表、淺層地震地質(zhì)條件

研究區(qū)位于阿爾金山脈南部，為山區(qū)地形，地形趨勢為北高南低，海拔高度+3 900～+4 600 m，相對高差700 m，地形起伏大，屬于中高山區(qū)，地形坡度在10°～30°，局部山體坡度65°～70°，地形切割強(qiáng)烈、溝谷發(fā)育，溝幫陡立，研究區(qū)大面積為第四系覆蓋。

3.2 中、深層地震地質(zhì)條件

該區(qū)含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)大煤溝組(J1-2d)，在研究區(qū)的西南角有少部分出露，巖性主要為灰白色、灰色、淺灰綠色、黃褐色細(xì)砂巖、中砂巖、含礫粗砂巖及炭質(zhì)泥巖、煤層等。煤層與圍巖之間波阻抗適中，存在收集良好地震反射波的必要條件，推斷該區(qū)中、深層地震地質(zhì)條件一般。總體來說，詳查區(qū)地震地質(zhì)條件復(fù)雜。

4 二維地震試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x

通過對地形、地表情況的分析及以往地震勘查經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，該區(qū)進(jìn)行二維地震勘查的難點(diǎn)在于：測區(qū)內(nèi)海拔較高，多雨雪。此次施工采用可控震源進(jìn)行激發(fā)，地表覆蓋層對能量有一定的吸收作用，給地震勘查的野外施工及后期的資料處理帶來了一定困難。針對上述難點(diǎn)及此次二維地震勘查要完成的地質(zhì)任務(wù)，確定此次二維地震勘查野外資料采集過程中必須采用相應(yīng)的技術(shù)措施保證較高的信噪比，確保單炮質(zhì)量。通過試驗(yàn)可了解研究區(qū)的地震地質(zhì)情況，選擇適合研究區(qū)的施工參數(shù)，只有施工參數(shù)選擇合適，才能取得良好的原始資料[5]。

4.2 試驗(yàn)原則

此次試驗(yàn)工作以單一因素變化為原則，根據(jù)研究區(qū)淺表、深層地震地質(zhì)條件制定嚴(yán)密的試驗(yàn)方案，有針對性地進(jìn)行激發(fā)因素和接收因素試驗(yàn)，提高原始記錄的質(zhì)量。

4.3 研究區(qū)內(nèi)試驗(yàn)情況

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地表?xiàng)l件和淺、深層地震地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)點(diǎn)2個(gè)，物理點(diǎn)40個(gè)、試驗(yàn)段1個(gè)，試驗(yàn)點(diǎn)均勻分布全區(qū)，并涵蓋了勘查區(qū)不同淺表層地震地質(zhì)條件的區(qū)域，見表1。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)、段完成情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of completion of test points and sections

4.3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

研究區(qū)內(nèi)地表基本為第四系所覆蓋，結(jié)合研究區(qū)地震地質(zhì)條件的特殊性，筆者在區(qū)內(nèi)布設(shè)2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，以保證全區(qū)參數(shù)選擇的合理性，點(diǎn)試驗(yàn)內(nèi)容包括掃描長度試驗(yàn)、震動次數(shù)試驗(yàn)、掃描頻率試驗(yàn)及驅(qū)動電平試驗(yàn)[6]。

4.3.2 試驗(yàn)點(diǎn)1

試驗(yàn)點(diǎn)1位于DL1線16000樁號。

(1)震動次數(shù)試驗(yàn)。以掃描長度15 s、掃描頻率6～85 Hz、驅(qū)動電平70%為基準(zhǔn)，進(jìn)行了震動次數(shù)分別為4次、6次、8次、10次、12次的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，震動4次時(shí)，單炮記錄能量強(qiáng)，頻率高，信噪比高，故選擇震動4次作為試驗(yàn)點(diǎn)1的震動次數(shù)。其不同震動次數(shù)彈炮記錄對比如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)點(diǎn)1不同震動次數(shù)單炮記錄對比Fig.2 Comparison of single shot records of different vibration times at test point 1

(2)掃描長度試驗(yàn)。以驅(qū)動電平70%、掃描頻率6～85 Hz、震動臺次2/4(2臺震源，震動4次)為基準(zhǔn)，進(jìn)行了掃描長度分別為8、10、12、14、15、16 s的對比試驗(yàn)[7]。通過對比發(fā)現(xiàn)，掃描長度15 s單炮記錄整體呈現(xiàn)出能量較強(qiáng)、頻率較高、信噪比也較高的特點(diǎn)，最終確定此試驗(yàn)點(diǎn)的掃描長度為15 s。不同掃描長度單炮記錄對比如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)點(diǎn)1不同掃描長度單炮記錄對比Fig.3 Comparison of single shot records with different scanning lengths at test point 1

(3)掃描頻率試驗(yàn)。以掃描長度15 s、驅(qū)動電平70%、震動臺次2/4(2臺震源，震動4次)為基準(zhǔn)，參考預(yù)查試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行了掃描頻率分別為4～80、4～90、8～80、8～90、6～85 Hz的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，掃描頻率6～85 Hz的單炮記錄面貌，整體呈現(xiàn)出能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)，因而確定掃描頻率為6～85 Hz。不同掃描頻率單炮記錄對比如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)點(diǎn)1不同掃描頻率單炮記錄對比Fig.4 Comparison of single shot records with different scanning frequencies at test point 1

(4)驅(qū)動電平試驗(yàn)。以掃描長度15 s、掃描頻率6～85 Hz、震動臺次2/4(2臺震源，震動4次)為基準(zhǔn)，參考預(yù)查試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行了驅(qū)動電平60%、70%的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電平70%時(shí)單炮記錄面貌整體呈現(xiàn)能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)[8]，故選擇驅(qū)動電平70%作為試驗(yàn)點(diǎn)1的驅(qū)動電平參數(shù)。該點(diǎn)不同驅(qū)動電平彈炮記錄對比如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)1不同驅(qū)動電平單炮記錄對比Fig.5 Comparison of single shot records with different driving levels in test point 1

4.3.3 試驗(yàn)點(diǎn)2

試驗(yàn)點(diǎn)2位于DZ13線5300樁號。

(1)掃描長度試驗(yàn)。以驅(qū)動電平70%、掃描頻率6～85 Hz、震動臺次2/4(2臺震源，震動4次)為基準(zhǔn)，進(jìn)行了掃描長度分別為8、10、12、14、15、16s的對比試驗(yàn)(圖6)。通過對比發(fā)現(xiàn)，各單炮記錄面貌差異不大，整體呈現(xiàn)出能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)，參考試驗(yàn)點(diǎn)1參數(shù)選取掃描長度15 s為試驗(yàn)點(diǎn)2的掃描長度[9]。

圖6 試驗(yàn)點(diǎn)2不同掃描長度單炮記錄對比Fig.6 Comparison of single shot records with different scanning lengths at test point 2

(2)掃描頻率試驗(yàn)。以掃描長度15 s、驅(qū)動電平70%、震動臺次2/4(2臺震源，震動4次)為基準(zhǔn)，進(jìn)行了掃描頻率分別為4～80、4～90、8～80、8～90、6～85 Hz的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，不同掃描頻率的單炮記錄面貌差異不大，整體呈現(xiàn)出能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)，參考試驗(yàn)點(diǎn)1參數(shù)選取6～85 Hz作為試驗(yàn)點(diǎn)2的掃描頻率[10]。

圖7 試驗(yàn)點(diǎn)2不同掃描頻率單炮記錄對比Fig.7 Comparison of single shot records with different scanning frequencies at test point 2

(3)震動次數(shù)試驗(yàn)。以掃描長度15 s、驅(qū)動電平70%、掃描頻率6～85 Hz為基準(zhǔn)，進(jìn)行了震動次數(shù)分別為4次、6次、8次、10次、12次的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，震動4次以上時(shí)單炮記錄面貌差異不大，整體呈現(xiàn)出能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)，參考試驗(yàn)點(diǎn)1參數(shù)選取震動4次作為試驗(yàn)點(diǎn)2的震動次數(shù)。

(4)驅(qū)動電平試驗(yàn)。以掃描長度15 s、掃描頻率6～85 Hz、震動次數(shù)4次為基準(zhǔn)，進(jìn)行驅(qū)動電平60%、70%的對比試驗(yàn)。通過對比發(fā)現(xiàn)，單炮記錄面貌差異不大，整體呈現(xiàn)出能量強(qiáng)、頻率高、信噪比高的特點(diǎn)，參考試驗(yàn)點(diǎn)1參數(shù)，選取驅(qū)動電瓶70%作為試驗(yàn)點(diǎn)2的震動次數(shù)。

4.3.4 段試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)確定的激發(fā)參數(shù)，在DZ13線4100—6060樁號之間進(jìn)行了段試驗(yàn)。從試驗(yàn)段初疊時(shí)間剖面上來看，煤層反射波清晰、能量強(qiáng)、效果好，由北向南逐漸變深，為一單斜形態(tài)，說明試驗(yàn)選擇的參數(shù)達(dá)到了試驗(yàn)的目的，利用此參數(shù)進(jìn)行施工基本是可行的，可以完成設(shè)計(jì)要求的地質(zhì)任務(wù)。試驗(yàn)段初疊時(shí)間剖面如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)段初疊時(shí)間剖面Fig.8 Initial stacking time profile of test section

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

(1)激發(fā)因素。掃描長度20 s；掃描頻率20～120 Hz；震動臺次2/10(2臺震源震動10次)；驅(qū)動電平70%。

(2)接收因素。儀器為428XL遙測數(shù)字地震儀；檢波器40 Hz，點(diǎn)狀組合，挖坑埋置；采樣間隔0.5 ms；記錄長度3 s；觀測系統(tǒng)道距10 m，炮距20 m，120道縱波反射波中點(diǎn)激發(fā)。

5 資料的解譯

5.1 資料解釋方法及流程

此次地震資料解釋利用計(jì)算機(jī)和手工聯(lián)合解釋方法，首先將預(yù)查剖面錄入解釋系統(tǒng)，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行了層位閉合、層位追蹤，斷點(diǎn)解釋和組合，并生成等時(shí)圖，然后人工手動進(jìn)行偏移。

5.2 時(shí)間剖面對比解釋

5.2.1 主要反射波的對比追蹤及交點(diǎn)閉合

交點(diǎn)閉合的根據(jù)是同一地點(diǎn)、不同方向的波剖面，對于同一反射層在水平疊加剖面上反射時(shí)間應(yīng)是相等的。其作用是為了對同一反射層在全區(qū)進(jìn)行縱橫閉合，保證不同方向測線對同一反射層進(jìn)行連續(xù)對比追蹤，是資料解釋正確與精度的根本保證。用水平疊加剖面對不同反射波在主測線與聯(lián)絡(luò)測線上直接進(jìn)行閉合，要求閉合差小于1/4視周期，調(diào)查區(qū)煤層反射波視周期為25 ms，1/4視周期為6 ms，水平疊加剖面在資料處理過程中進(jìn)行了嚴(yán)格的對比閉合，對超限點(diǎn)找出原因進(jìn)行重新處理、及時(shí)修正，使全區(qū)的交點(diǎn)閉合差無一超限。

5.2.2 斷點(diǎn)解釋與組合

(1)斷點(diǎn)解釋。在水平疊加時(shí)間剖面上，依據(jù)反射波同相軸的錯(cuò)斷、分叉、合并、扭曲、強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換等特征來進(jìn)行斷點(diǎn)解釋。

(2)斷點(diǎn)評級標(biāo)準(zhǔn)。①A級斷點(diǎn)：斷點(diǎn)兩側(cè)反射波信噪比高，連續(xù)性好，同相軸錯(cuò)斷、分叉、合并、扭曲等清晰可靠；斷點(diǎn)在兩相鄰剖面上，表現(xiàn)相似的特征，有規(guī)律性變化。②B級斷點(diǎn)：斷點(diǎn)兩側(cè)反射波追蹤較可靠，斷點(diǎn)較清晰；斷點(diǎn)一側(cè)反射波追蹤可靠，斷點(diǎn)較清晰。③C級斷點(diǎn)：斷點(diǎn)兩側(cè)反射波信噪比低，連續(xù)性差，對比不甚可靠，斷點(diǎn)不清，但在平面上展布有一定的規(guī)律。

根據(jù)上述評級標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)查區(qū)共解釋斷點(diǎn)5個(gè)，其中A級斷點(diǎn)4個(gè)，C級斷點(diǎn)1個(gè)，將時(shí)間剖面上解釋的斷點(diǎn)組合到平面上，依據(jù)如下原則：①在平面上，依據(jù)相鄰測線的同一斷點(diǎn)有相似性，產(chǎn)狀基本相同或有規(guī)律變化，并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征來進(jìn)行斷點(diǎn)組合；②同一斷層各處的斷距是相近的或沿走向方向有規(guī)律地變化；③平面上組合不合理的斷點(diǎn)，再回到剖面上，分析剖面的多解性，重新解釋，平剖結(jié)合，反復(fù)對比，使斷層得到最佳解釋與組合。

(3)斷層評級標(biāo)準(zhǔn)。①可靠斷層：斷層由2條或2條以上相鄰地震測線控制，A級斷點(diǎn)不低于50%，A+B級斷點(diǎn)不低于75%，斷面產(chǎn)狀、性質(zhì)明確，落差變化符合地質(zhì)規(guī)律；②較可靠斷層：斷層由2條或2條以上相鄰地震測線控制，A+B級斷點(diǎn)不低于60%，斷面產(chǎn)狀、性質(zhì)較明確；③控制較差斷層：達(dá)不到上述要求者。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，此次共解釋斷層3條，DF1斷層為可靠斷層，DF2斷層及DF3斷層為控制較差斷層。

6 解譯結(jié)果

6.1 主要煤層底板形態(tài)

根據(jù)此次地震勘查表明，在斷層DF2以東主要煤層底板形態(tài)總體呈現(xiàn)為由NE向SW揚(yáng)起的向斜形態(tài)，兩翼基本對稱，向斜北翼較陡，傾角約25°，南翼較緩，傾角約20°。主要煤層底板標(biāo)高在+2 500～+3 800 m，主要煤層埋藏最淺處位于研究區(qū)的西南邊界，煤層埋深1 800 m，底板標(biāo)高為+2 500 m，最深處位于研究區(qū)的北部DZ13線大樁號附近，煤層埋深為600 m，底板標(biāo)高為+3 800 m。

6.2 褶曲

研究區(qū)內(nèi)主要褶曲為一向斜構(gòu)造，該向斜位于研究區(qū)中南部，軸向NEE，軸長約12 km，兩翼基本對稱，向斜北翼較陡，傾角約為25°，南翼較緩，傾角約為20°，向斜由NE向SW揚(yáng)起。

6.3 斷層

研究區(qū)共解釋斷點(diǎn)5個(gè)，其中A級斷點(diǎn)4個(gè)，C級斷點(diǎn)1個(gè)，根據(jù)這些斷點(diǎn)，組合斷層3條。

(1)DF1斷層。位于研究區(qū)的中部，為逆斷層，走向NEE，傾向NNW，區(qū)內(nèi)延展長度為20 km，此次地震勘查有2條地震測線(DZ13、DZ21線)對其控制，斷點(diǎn)評級為2A，為可靠斷層(圖9)。

圖9 DF1斷層在DZ13線時(shí)間剖面上的顯示Fig.9 Display of DF1 fault on DZ13 time section

(2)DF2斷層。位于研究區(qū)的東南部，為逆斷層，走向NS，傾向E，傾角45°，落差200～500 m，區(qū)內(nèi)延展長度為6 km，此次地震勘查只有1條地震測線(DL1線)對其控制，斷點(diǎn)評級為A，為控制較差斷層(圖10)。

圖10 DF2斷層在DL1線時(shí)間剖面上的顯示Fig.10 Display of DF2 fault on DL1 time profile

(3)DF3斷層。位于研究區(qū)的南部，為逆斷層，走向NEE，傾向NNW，傾角45°，落差200～400 m，區(qū)內(nèi)延展長度為12 km，此次地震勘查有2條地震測線(DZ13、DZ21線)對其控制，斷點(diǎn)評級為A+C，為控制較差斷層(圖11)。

圖11 DF3斷層在DZ13線時(shí)間剖面上的顯示Fig.11 Display of DF3 fault on DZ13 time section

7 結(jié)論

本文選取白干湖一帶覆蓋區(qū)為研究區(qū)，從區(qū)域地質(zhì)特征、研究區(qū)地質(zhì)特征入手，在詳細(xì)了解研究區(qū)地質(zhì)背景的基礎(chǔ)上，運(yùn)用二維地震勘探方法，在該區(qū)進(jìn)行了掃描長度試驗(yàn)、震動次數(shù)試驗(yàn)、掃描頻率試驗(yàn)及驅(qū)動電平試驗(yàn)，得出了區(qū)內(nèi)的最優(yōu)激發(fā)因素和接收因素，通過對主要資料的解譯，得出了煤層的頂、底板標(biāo)高，并且詳細(xì)解譯了影響煤層變化的主要構(gòu)造特征。