榆神礦區(qū)古河道研究與時(shí)頻分析技術(shù)

楊廣憲

(中國煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

榆神礦區(qū)位于陜北侏羅紀(jì)煤田的西北部，毛烏素沙漠東南緣，地貌單元以沙丘為主，地表基本被第四系風(fēng)積沙所覆蓋。受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件控制，侏羅紀(jì)地層及含煤地層延安組富水性微弱，對(duì)煤礦安全開采及水環(huán)境基本沒有影響。但延安組上覆巖層和新生界松散巖層富水性超強(qiáng)，尤其是延安組上部基巖頂部的薩拉烏素組地層，儲(chǔ)存著豐富的地下水，是當(dāng)?shù)刈钪饕乃?，?duì)維護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要作用。由于薩拉烏素組地層與煤系地層間距小、變化大，煤礦開采面臨著嚴(yán)重的突水威脅，同時(shí)也破壞地下水的平衡，影響當(dāng)?shù)卮嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境。因此研究水防治問題是該礦安全生產(chǎn)與生態(tài)保護(hù)的重大課題[1-8]。

陜北侏羅紀(jì)煤田所處構(gòu)造單元為華北地臺(tái)鄂爾多斯盆地分區(qū)，燕山運(yùn)動(dòng)以來區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定,以緩慢的地殼升降運(yùn)動(dòng)為主,在三疊紀(jì)末的沉積間斷面之上,依次沉積了富縣組、延安組、直羅組、安定組、洛河組等地層。燕山運(yùn)動(dòng)末期,鄂爾多斯盆地整體抬升,基巖沉積結(jié)束并伴隨著白堊紀(jì)風(fēng)、水等地質(zhì)營力的強(qiáng)烈剝蝕。剝蝕后的基巖頂面本應(yīng)趨于平坦,但線狀水流對(duì)基巖頂面的剝蝕起到了加深作用，導(dǎo)致基巖地層被剝蝕后厚度極不均勻，形成剝蝕低谷，即古河道[9]，大量鉆孔數(shù)據(jù)刻畫了這種古地貌(圖1)。

新近紀(jì)以來,基巖頂面向上依次沉積了新近系中新統(tǒng)保德組、第四系中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組沙層和全新統(tǒng)風(fēng)積沙等松散巖層。

圖1 古地貌與古河道的演變Figure 1 Paleogeomorphic and paleochannel evolutions

1 水文地質(zhì)特征及古河道控水規(guī)律

榆神礦區(qū)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件控制，水源主要有新生界薩拉烏蘇組松散巖層孔隙水和中生界基巖裂隙承壓水兩大類[10-11]。煤系地層上覆基巖頂部分布許多古河道，大量充填飽和沙土，橫向上厚度不一，富水性差異較大，富水性強(qiáng)弱與填充厚度呈正相關(guān)關(guān)系，且古河道區(qū)域基巖層一般很薄，是煤礦安全開采和當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)保護(hù)面臨的難題。

煤礦開采時(shí)產(chǎn)生的冒落帶、裂隙帶，容易與上覆基巖層及薩拉烏蘇組地松散巖層連通，發(fā)生水力聯(lián)系，造成煤礦頂板涌水。以往榆神某礦區(qū)421盤區(qū)研究資料表明(圖2)[12-13]，正?；夭晒ぷ髅嬉话阌克繛?30～160m3/h，而在古河道區(qū)域，涌水量明顯變大。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，無沙層充填古河道地帶涌水量增大26.4%～40.3%，有沙層充填的古河道地帶涌水量增大約180%(表1)[12]。榆神礦區(qū)某煤礦2004年發(fā)生過此類災(zāi)害，正常生產(chǎn)時(shí)最大涌水量150m3/h，而突水時(shí)的涌水量高達(dá)500m3/h，礦井淹沒，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[13]。

圖2 榆神礦區(qū)某盤區(qū)工作面過古河道(據(jù)文獻(xiàn)[12])Figure 2 Working face passes through paleochannel in a panel of Yushen mining area (after reference [12])

對(duì)于榆神礦區(qū)水防治問題，以往的研究成果和煤礦開采中的實(shí)際示例與數(shù)據(jù)，都證明了存在古河道的區(qū)域是最為危險(xiǎn)的地帶。所以查清礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征，尤其是古河道的空間分布，對(duì)保障煤礦安全設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)及綠色發(fā)展，具有重要意義。

表1 工作面過古河道開采涌水量變化統(tǒng)計(jì)(據(jù)文獻(xiàn)[12])

2 地震勘探-時(shí)頻分析技術(shù)

針對(duì)榆神礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)問題，地震勘探技術(shù)取得了許多地質(zhì)成果。但由于古河道分布不均勻，填充地層厚度差異較大，致使常規(guī)地震勘探技術(shù)對(duì)古河道的研究處于定性階段。為了能夠定量精細(xì)揭示古河道的空間分布，詳細(xì)了解填充地層厚度變化，我們嘗試應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)對(duì)古河道進(jìn)行了研究。

基于薄層反射在頻率域具有特定頻譜響應(yīng)的理論[14]，在頻率域中研究目的層段時(shí)，地震波不同頻率的振幅代表不同厚度地層的響應(yīng)，地震道的信息由不同厚度地層的響應(yīng)疊合而成。對(duì)于薄地層、古河道等隱蔽性地質(zhì)體，由于薄地層地震波的相互干涉作用，常規(guī)地震成像技術(shù)難以精細(xì)識(shí)別[15]。

時(shí)頻分析技術(shù)是近年來成熟起來的地震勘探技術(shù)，現(xiàn)正逐漸成為研究復(fù)雜區(qū)域的一種有價(jià)值的后期處理技術(shù)。傳統(tǒng)的地震處理技術(shù)可提供的分辨率為20m+，頻譜分解可提供10m或更高的分辨率。因此，對(duì)于分析薄地層，描述如古河道、暗礁等隱蔽性地質(zhì)體，應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)效果顯著[16-18]。

小波變換是時(shí)頻分析技術(shù)的核心，它克服了傳統(tǒng)傅里葉變換的缺陷，對(duì)非平穩(wěn)地震信號(hào)進(jìn)行頻譜分解。基本思路是將地震信號(hào)分解成有限長會(huì)衰減的小波基，這個(gè)基函數(shù)的時(shí)間窗是變化的，通過對(duì)地震信號(hào)經(jīng)行頻譜分解，對(duì)不同頻率信息進(jìn)行處理。采用長的時(shí)間窗，可得到精確的低頻信息，采用短的時(shí)間窗，可得到精確的高頻信息。

對(duì)于地震信號(hào)f(t),其小波變換定義為

(1)

式(1)中:WT(a,τ)為連續(xù)小波變換系數(shù)；a為尺度因子；τ為平移因子；ψ(t)為小波基函數(shù)。

(2)

從式(1)可以看出,隨著尺度因子a的變化 ,其窗口的大小和形狀都在改變,從而可以適應(yīng)不同頻率的要求。

以小波變換理論為核心，圍繞時(shí)窗設(shè)計(jì)和基函數(shù)選擇，出現(xiàn)了多種如離散傅里葉變換、連續(xù)小波變換、t-f連續(xù)小波變換、S-變換等時(shí)頻分析技術(shù)。不同類型的時(shí)頻分析技術(shù)，時(shí)頻分辨率也不同，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)[19]。

在實(shí)際工作中，不同領(lǐng)域的地震信號(hào)形態(tài)千差萬別。地震地質(zhì)條件不同，采集的地震波信號(hào)特征不同，差異較大。選擇何種時(shí)頻分析技術(shù)，應(yīng)根據(jù)與實(shí)際信號(hào)測(cè)試來選擇[20]。這與子波處理技術(shù)中，子波的設(shè)計(jì)和選擇要兼顧時(shí)間、頻率響應(yīng)同理。Heisenberg測(cè)不準(zhǔn)原理指出，使用時(shí)間分辨率和頻率分辨率的乘積做為時(shí)頻分辨率的度量值標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)度量值應(yīng)大于2，窗函數(shù)為高斯函數(shù)簇時(shí)達(dá)到時(shí)頻分辨率的極限。

3 時(shí)頻分析技術(shù)揭示古河道

在榆神礦區(qū)某地震資料應(yīng)用處理中，經(jīng)過測(cè)試分析，選擇t-f連續(xù)小波變換時(shí)頻分析技術(shù)，對(duì)測(cè)區(qū)三維地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行應(yīng)用研究。

對(duì)于地震信號(hào)f(t)，其t-f連續(xù)小波變換的過程是：

譜分解計(jì)算分兩步完成[21-23]：第一步先求取連續(xù)小波變換系數(shù)，其表達(dá)式：

WT(a,τ)=

(3)

第二步是在連續(xù)小波變換系數(shù)結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一次兩個(gè)空間的映射，即是由時(shí)間-尺度平面到時(shí)間-頻率平面的映射，映射關(guān)系為

(4)

(5)

t-f連續(xù)小波變換能夠保持不同頻率成分的振幅特性，對(duì)鄰近窗口的頻率，不會(huì)出現(xiàn)振幅交疊、均化的情況，尤其對(duì)高頻信號(hào)，振幅能量得到完整保持，克服了連續(xù)小波變換的能量衰減。能生成任意地震波組上準(zhǔn)確頻率的時(shí)間-頻率圖，對(duì)較高頻率地震數(shù)據(jù)效果最好[21-23]。高剛等人研究指出，它具有更好的時(shí)頻聚焦性，在全頻帶范圍內(nèi)都有較高的時(shí)間、頻率分辨率，對(duì)非平穩(wěn)地震信號(hào)的各種頻率分量特征具有更強(qiáng)的分辨能力。

時(shí)頻分析技術(shù)是常規(guī)地震勘探技術(shù)成果的后期處理技術(shù)，對(duì)前期常規(guī)處理要求較高。處理中應(yīng)保持地震信號(hào)的振幅特征穩(wěn)定，最大能力拓寬目的層區(qū)域的有效頻帶，盡量改善地震波的信噪比，尤其是高頻段的信噪比。

榆神某礦區(qū)以往鉆探、水文地質(zhì)工作表明，區(qū)內(nèi)煤層上覆松散巖層、薩拉烏蘇組沙層存在堆積厚度較大區(qū)域，松散巖層厚度是薩拉烏蘇組沙層與基巖風(fēng)化層厚度之和。采用水文鉆孔抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了區(qū)內(nèi)富水性分區(qū)。這些數(shù)據(jù)成果表明，該礦區(qū)煤層上覆地層中存在古河道分布，松散巖層、沙層厚度差異較大，富水性強(qiáng)弱不同(表2)[24]。

表2 鉆孔(部分)及水文抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(據(jù)文獻(xiàn)[24])

以往工作成果顯示，該礦區(qū)存在充填含水沙層的古河道，古河道自西向東展布，發(fā)育于礦區(qū)中東部很大區(qū)域，主要分布兩條古河道。沙層西部薄、中東部厚，富水性與沙層厚度呈正相關(guān)關(guān)系，沙層在鉆孔2-5處最厚102.7m，在鉆孔8-1處最薄3.0m。對(duì)古河道只能粗略揭示，細(xì)節(jié)及支流分布無法精細(xì)反映，成果精度一般(圖3)[24]。

圖3 以往鉆探、抽水試驗(yàn)反映的沙層厚度和富水性分布(據(jù)文獻(xiàn)[24])Figure 3 Previous drilling, pumping test revealed sand layer thicknesses and water yield properties distribution (after reference [24])

該礦區(qū)三維地震數(shù)據(jù)經(jīng)t-f連續(xù)小波變換處理后，得到不同頻率時(shí)頻分析成果。圖4為處理前后及不同頻率的沿層瞬時(shí)振幅切片圖，其中①為常規(guī)處理成果沿層瞬時(shí)振幅切片圖，平面上隱約呈現(xiàn)古河道特征，與以往成果相吻合，但無法分清其細(xì)節(jié)特征；②、③、④是頻率為30Hz、50Hz、70Hz的時(shí)頻分析技術(shù)得到的沿層瞬時(shí)振幅切片圖，很顯然，分頻平面圖上呈現(xiàn)了豐富、清晰的古河道特征信息，其中低頻反映厚度較大松散巖層的響應(yīng)，高頻反映厚度較薄松散巖層的響應(yīng)。尤其在70Hz頻率平面圖上，古河道更加清晰，細(xì)節(jié)更加豐富，一些支流古河道也清晰顯現(xiàn)出來，表明時(shí)頻分析技術(shù)能顯著提高對(duì)古河道的分辨能力。

圖4 時(shí)頻分析技術(shù)處理前后沿層瞬時(shí)振幅切片圖Figure 4 Bedding instantaneous amplitude slices before and after time-frequency analysis technological processing

該礦區(qū)地表西部高東部低，整體較平緩，地貌單元可劃分為沙丘沙地和河谷地貌二種類型(圖5)。應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)，突破性解釋了榆神礦區(qū)煤層上覆地層古地貌的精細(xì)成像，定量揭示了古河道的詳細(xì)分布(圖6)，精細(xì)定量揭示了煤層上覆地層的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征。

圖5 榆神礦區(qū)某測(cè)區(qū)地表地貌Figure 5 A prospecting area surface landforms in Yushen mining area

圖6 時(shí)頻分析技術(shù)揭示基巖頂古地貌及古河道分布(T0圖)Figure 6 Time-frequency analysis technology revealed basement top paleogeomorphic and paleochannel distributions (T0)

地質(zhì)成果有：礦區(qū)存在南北兩條主要古河道，自西向東展布，西窄東寬，河道兩邊發(fā)育多條樹狀支流。北部古河道規(guī)模較大，由西向東基本貫穿整個(gè)礦區(qū)，區(qū)內(nèi)主河道長約4 500m，寬約350m，兩面支流很多，總面積約3.32km2。南部古河道規(guī)模較小，由礦區(qū)中部向東展布，區(qū)內(nèi)主河道長約2 450m，寬約240m,支流較少，總面積約0.7km2(圖7)。

圖7 時(shí)頻分析技術(shù)揭示基巖頂古地貌及古河道分布Figure 7 Time-frequency analysis technology revealed basement top paleogeomorphic and paleochannel distributions

古河道內(nèi)既充填厚度較大的薩拉烏蘇組含水沙層，也存在一定厚度的基巖風(fēng)化層，構(gòu)成了煤層上覆完整松散巖層，蓄積了大量的地表水。應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)，獲得了完整松散巖層的厚度空間分布，厚度變化大，為25～135m，古河道內(nèi)較厚，其它區(qū)域較薄，最厚處位于鉆孔4-3附近，約135m，最薄處位于鉆孔2-2、6-4附近，約25m。由以往成果可知，煤層上覆松散巖層厚度與含水量呈正相關(guān)關(guān)系，即松散層巖厚度與礦采危險(xiǎn)程度呈正相關(guān)關(guān)系。應(yīng)避開古河道區(qū)域，安全開采、保水開采(圖8)。

圖8 時(shí)頻分析技術(shù)揭示完整松散巖層厚度Figure 8 Time-frequency analysis technology revealed complete loose strata thickness

應(yīng)用時(shí)頻分析技術(shù)，精細(xì)定量控制了煤層上覆松散巖層的厚度分布；精細(xì)定量控制了基巖頂界面的起伏變化形態(tài)；尤其突破性、高精度揭示了基巖頂界面的多條古河流分布形態(tài)及變化規(guī)律，甚至古河流的支流分布形態(tài)也得到清晰揭示，其松散巖層厚度、基巖頂界面標(biāo)高及分布規(guī)律與以往鉆探數(shù)據(jù)成果一致。

4 結(jié)論

1)陜北侏羅紀(jì)煤田受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件控制，煤系地層上覆基巖厚度變化較大，松散層厚度不均勻，富水性強(qiáng)弱差異大。存在多條古河道，填充的松散巖層厚度越大，富水性越強(qiáng)，對(duì)煤礦生產(chǎn)安全及當(dāng)?shù)卮嗳醯乃鷳B(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重影響。因此，精細(xì)獲取煤系上覆地層的地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征信息，是解決保水采煤要求的必要條件。

2)常規(guī)地震勘探技術(shù)受其分辨率的限制，只能定性獲取煤系上覆地層的地質(zhì)構(gòu)造特征，無法定量精細(xì)揭示基巖頂界面的地形地貌及古河道的分布。

3)時(shí)頻分析技術(shù)具有較高的時(shí)頻分辨率，對(duì)揭示薄地層、古河道等隱蔽性地質(zhì)體具有顯著的優(yōu)勢(shì)。對(duì)榆神礦區(qū)及相似地區(qū)，t-f連續(xù)小波變換時(shí)頻分析技術(shù)具有較好的適應(yīng)性，時(shí)頻分辨率較高，是獲取煤系上覆地層地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)特征信息的有效技術(shù)，實(shí)際應(yīng)用研究取得了突破性成果。

4)地震勘探時(shí)頻分析技術(shù)所取得的突破性成果，表明該技術(shù)對(duì)古河道的研究具有經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確、精細(xì)的特點(diǎn)，對(duì)解決水防治問題具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

5)陜北侏羅紀(jì)煤田，煤質(zhì)好、埋藏淺、儲(chǔ)量豐富，地質(zhì)構(gòu)造簡單，是國家建設(shè)的重要能源基地。榆神礦區(qū)屬內(nèi)陸干旱區(qū)，水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。因此需要因地制宜、適度開發(fā)、科學(xué)開采、保水開采。

6)榆神礦區(qū)水防治是一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)問題，在整個(gè)陜北煤田具有廣泛性。通過科技投入、進(jìn)行更加深入的技術(shù)研究工作，獲取更高精度、更全面地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)全面解決陜北侏羅紀(jì)煤田煤層上覆地層的水防治問題，具有深遠(yuǎn)的意義。