二維地震技術(shù)在豫北內(nèi)黃煤礦勘查中的研究與應(yīng)用

蔡蘭花，袁 燕

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450000)

煤礦是豫北安陽地區(qū)重要的優(yōu)質(zhì)礦產(chǎn)資源，為進一步做好煤炭建設(shè)遠景規(guī)劃，需對此區(qū)煤炭資源的經(jīng)濟意義及開發(fā)建設(shè)可行性進行評價。豫北內(nèi)黃煤礦位于華北板塊內(nèi)西南端內(nèi)黃隆起與東明凹陷交匯北部，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層較發(fā)育[1]，煤礦勘查評價難度較大。二維地震勘探技術(shù)[2-9]所連續(xù)獲取地質(zhì)剖面形態(tài)，與少量的驗證鉆探相結(jié)合，用以大致查明地層、構(gòu)造等情況，對煤層進行快速、高效的評價。據(jù)此，在內(nèi)黃煤礦采取二維地震勘探方法，對煤礦資源進行評價，為該區(qū)礦產(chǎn)資源規(guī)劃提供詳細依據(jù)。

1 地質(zhì)概況及地震條件

研究區(qū)地層分區(qū)屬華北地層大區(qū)，晉冀魯豫地層區(qū)，華北平原地層分區(qū)豫北小區(qū)。由前寒武系、寒武系、奧陶系構(gòu)成基底，古生界石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系為之上蓋層[10]。區(qū)內(nèi)第四系全覆蓋。新生界厚度一般在千米以上至數(shù)千米。其中，煤層主要賦存與石炭系與二疊系地層中。根據(jù)地震成果顯示：研究區(qū)內(nèi)解釋A級斷點45個，B級斷點22個，C級斷點3個，根據(jù)斷點情況，在平面上組合斷層16條。其中，10條可靠斷層、4條較可靠斷層、2條控制程度較差斷層。該區(qū)全部為第四系掩蓋區(qū)，北區(qū)潛水位深度在12～20 m，淺部巖性主要是砂、黏土[11]，總體淺層地震地質(zhì)條件比較有利[12]，但是個別地段淺部有流砂層，對于爆炸成孔和地震激發(fā)有影響。區(qū)內(nèi)村鎮(zhèn)、蔬菜大棚等地面障礙物較多，也給施工造成了一定的困難。本區(qū)新生界厚度大，導(dǎo)致高頻波衰減嚴重?？傮w地震地質(zhì)條件一般。

2 地層含煤性及主煤層特征

2.1 地層含煤性

依據(jù)區(qū)內(nèi)已施工鉆孔，本區(qū)含煤地層為石炭系和二疊系下統(tǒng)山西組、下統(tǒng)下石盒子組地層。

(1)二疊系(P)下統(tǒng)(P1)。①下石盒子組(P1x)。厚度為38.48～307.88 m，均厚為194.97 m；主要巖性：下部由砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及薄煤層組成，中部粗粒砂巖、粉砂巖及泥巖夾煤線，上部為泥巖、粉砂巖、細粒砂巖為主及灰色厚層中粒砂巖，含薄煤層；煤段為六煤段、五煤段、四煤段、三煤段。②山西組(P1s)。厚度為90.25～107.02 m，均厚為101.21 m；主要巖性：深灰色粉砂質(zhì)泥巖及條帶砂巖夾煤層，含菱鐵質(zhì)；灰—灰白色細—中粒砂巖夾粉砂巖，層面具大量炭質(zhì)及白云母碎片；香炭砂巖，灰綠色粉砂巖、小紫斑泥巖；煤段為二煤段。

(2)石炭系(C)上統(tǒng)(C2)。①太原組(C2t)。均厚為119.96 m；主要巖性：下部深—深灰色石灰?guī)r(L1—L4)、含有煤線，中部深灰色砂泥巖段夾灰?guī)r(L5—L7)、含煤線，上部石灰?guī)r(L8—L9)夾細粒砂巖、粉砂巖、硅質(zhì)泥巖、夾薄煤線；煤段為一煤段。②本溪組(C2b)。均厚為23.12 m；主要巖性：下部為灰—淺灰綠色鋁土質(zhì)泥巖，含鐵質(zhì)鮞粒；上部為灰—深灰色砂質(zhì)泥巖及泥巖，中間偶夾1～2層薄層泥灰?guī)r。含貓眼鱗木化石，為下伏奧陶系呈平行不整合接觸；煤段為零煤段。

2.2 主要煤層特征

二1煤層賦存于山西組下部，為主可采煤層，厚度大、穩(wěn)定。北東向展布，傾向南東。F5斷層以西總體走向北東，傾向南東，傾角4°～12°，煤層標高-1 400～-5 050 m，埋深1 450～5 100 m；F5斷層以東有5個鉆孔控制，東西寬約14 km，南北長約25 km，總體走向北東，傾向南東，傾角3°～11°，埋深1 000～3 300 m，底板標高-950～-3 250 m。二1煤層(含夾矸)厚度為2.19～9.04 m，平均4.53 m，屬中厚—厚煤層，厚度變化系數(shù)為69.3%；不含夾矸厚度為1.97～8.40 m，平均厚4.06 m，厚度變化系數(shù)為70.4%。厚煤點(>3.50 m)2個，占40%，中厚煤點(1.31～3.50 m)3個占60%。

3 資料采集與處理解釋

3.1 野外資料采集

試驗工作是正確選擇數(shù)據(jù)采集參數(shù)的前提，是獲得能量強、連續(xù)性好的目的層反射波的基礎(chǔ)工作[13]。通過試驗工作(圖1)，選取的最佳采集參數(shù)見表1、數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表2。

表1 最佳采集參數(shù)Tab.1 Best collection parameter

表2 研究區(qū)野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)Tab.2 Field data acquisition parameters in the study area

圖1 試驗段剖面Fig.1 Test section profile

3.2 資料處理與解釋

資料處理流程如圖2所示。在數(shù)據(jù)解釋之前，需要首先收集區(qū)內(nèi)以往地震、鉆孔資料，選取部分煤鉆孔做人工合成地震記錄，標定地震剖面的層位、速度[14-15]，后依據(jù)“交點閉合”原則，做地震剖面追蹤對比。

圖2 研究區(qū)資料處理流程Fig.2 Data processing flow in the study area

時間剖面需要轉(zhuǎn)換成深度剖面，以獲取正確的地層速度，提高解釋精度[16-19]。由速度譜可以看出，研究區(qū)內(nèi)垂向速度大致分為2層，第1層速度為2 100～2 200 m/s；第2層大致為3 300 m/s。結(jié)合鉆探資料，確定時深轉(zhuǎn)換用如下速度：新生界底界面的反射波(T0波)采用2 100 m/s；二1煤層底板反射波(T2波)采用3 600 m/s。

4 地質(zhì)成果

4.1 新生界厚度

研究區(qū)新生界與下伏巖層呈角度不整合關(guān)系，與下伏地層的波阻抗差異較大，可以形成較強的反射波(T0波)，容易連續(xù)追蹤[20]。同時，區(qū)內(nèi)多個鉆孔均揭露了新生界底界面，為確定新生界底界面提供了可靠依據(jù)。區(qū)內(nèi)新生界厚度1 150～1 500 m，整體變化較小，大部分厚度為1 200～1 400 m，西部厚度相對較薄，大致在1 200 m，東部較厚，在1 400 m左右，局部受到斷層及老地層的影響，厚度變化較大；在研究區(qū)中西部新生界地層呈現(xiàn)一個凹陷形態(tài)，中心厚度約為1 500 m，如圖3所示。

圖3 研究區(qū)新生界埋深等值線Fig.3 Buried depth contours of Cenozoic in the study area

4.2 二1煤層底板形態(tài)

研究區(qū)內(nèi)二1煤層底板整體呈單斜形態(tài)，走向北東，傾向南東，地層傾角大體在4°～15°，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育有多條斷層，研究區(qū)內(nèi)含煤地層被多組北東向斷層分割為多個斷塊，同時局部發(fā)育有多條北西向次級斷層，如圖4所示。

由圖4可知，斷層F2和F3，二1煤層底板標高在-3 000～-5 000 m，呈向斜形態(tài)，由于受斷層影響，導(dǎo)致向斜兩翼地層傾角不對稱。其中，北翼傾角較陡，約為15°，南翼傾角較緩，約為10°。斷層F3和F4，二1煤層底板標高在-1 400～-2 650 m。其中，DZ132測線以南，二1煤層呈現(xiàn)褶皺形態(tài)，由1個背斜和1個向斜組成，其中背斜軸為南東向，兩翼傾角大體一致，約為5°；向斜軸近東西向，兩翼傾角大體在6°～10°。斷層F4和F5，二1煤層底板標高在-1 500～-2 200 m，其為一單斜，走向北東向，傾向南東，北部有二1煤層隱伏露頭線，二1煤層傾角約為4°。斷層F5和F8，二1煤層底板標高在-1 200～-2 700 m，大體為單斜形態(tài)，走向北東向，傾向南東，地層傾角在4°～9°，該區(qū)域發(fā)育有多組北西向斷層，對煤層賦存影響較大，多處煤層受到剝蝕，并形成隱伏露頭線。

圖4 研究區(qū)二1煤層底板埋深等值線Fig.4 Buried depth contours of Ⅱ1 coal seam floor in the study area

4.3 二1煤層分布范圍

二1煤層是此次研究的主要目的層，賦存于山西組中下部，大部分區(qū)域?qū)游环€(wěn)定，局部地段受到斷層或剝蝕作用影響，煤層變薄或者缺失。區(qū)內(nèi)二1煤層底板埋深2 000 m以淺的面積約232.22 km2，其中，埋深1 500 m以淺的面積約為29.33 km2，埋深1 500～2 000 m的面積約為202.89 km2。

4.4 斷層

研究區(qū)內(nèi)共解釋斷點70個，組合斷層16條，其中F1、F2、F3、F3-1、F4、F4-1、F5、F6、F7、F8、F9斷層為概查階段解釋斷層，根據(jù)普查工作成果對F4、F4-1、F5、F6、F7、F8斷層進行了重新解釋，其形態(tài)和可靠性均有了進一步的控制；F4-2、F10、F11、F12、F13斷層為普查階段新發(fā)現(xiàn)斷層。研究區(qū)內(nèi)斷層由北向南、由西向東分別描述如下。

(1)F1斷層。下降盤二1煤層反射波顯示較明顯，上升盤二1煤層波組反射不清晰。該斷層走向由南北向轉(zhuǎn)至北東向，傾向由東轉(zhuǎn)至南東，南端與F9斷層交匯，北端向區(qū)外延伸，該斷點落差大于400 m，傾角50°～55°。該斷層在區(qū)內(nèi)延伸18 100 m，有2條測線控制，斷點評級為2B，故F1斷層為較可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(2)F2斷層。該斷層走向由南北向轉(zhuǎn)至北東向，傾向由東轉(zhuǎn)至南東，南端與F9斷層交匯，北端向區(qū)外延伸，落差200～2 000 m，傾角55°～62°。該斷層區(qū)內(nèi)延伸16 100 m，有2條測線控制，斷點評級為1A+1B，故F2斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(3)F3斷層。該斷層傾向西，北段走向近南北向，向區(qū)外延伸，南段走向轉(zhuǎn)為北北東向與F9交匯。落差2 000～3 000 m，傾角46°～52°。該斷層區(qū)內(nèi)全長36 000 m，有4條測線控制，斷點評級為1A+3B，故F3斷層為較可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(4)F3-1斷層。該斷層在DZ128線剖面樁號4800處T2波組顯示有320 ms的錯斷，該錯斷較為明顯。該斷層傾向北西，走向北東向，北端與F3交匯。落差50～620 m，傾角55°左右。該斷層區(qū)內(nèi)全長為9 800 m，有1條測線控制，斷點評級為1A，故F3-1斷層為控制程度較差斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(4)F4-1斷層。該斷層傾向西，走向為近南北向，落差80～300 m，傾角62°～72°。該斷層全長為7 300 m，有2條測線控制，斷點評級為2A，故F4-1斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(5)F4斷層。該斷層傾向南東，走向為北東，落差200～900 m，傾角45°～68°。該斷層全長30 200 m，有6條測線控制，斷點評級為3A+2B+1C，故F4斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(6)F4-2斷層。該斷層位于斷層F4和F5，傾向北，走向為近東西向，落差210～320 m，傾角43°～54°。該斷層全長7 600 m，有2條測線控制，斷點評級為2A，故F4-2斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(7)F5斷層。DZ130線上F5斷層顯示如圖5所示。該斷層位于研究區(qū)中部，斷層傾向北，走向東西轉(zhuǎn)北東向，斷層西端無測線控制，落差100～800 m，傾角22°～65°，在DZ140、DZ143和DZ144線上下降盤的二1煤層反射波顯示較明顯，在上升盤二1煤層剝蝕。該斷層在區(qū)內(nèi)全長31 800 m，有8條測線控制，斷點評級為6A+2B，故F5斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

圖5 DZ130線上F5斷層的顯示Fig.5 Display of the F5 fault on the DZ130 line

(8)F6斷層。該斷層傾向南東，走向為北東向，落差80～200 m，傾角62°～65°。該斷層全長1 500 m，研究區(qū)內(nèi)有2條測線控制，斷點評級為2A，故F6斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(9)F7斷層。該斷層位于F5斷層和F8斷層，走向由北東向，傾向南東，落差100～740m，傾角27°～66°。該斷層區(qū)內(nèi)全長15 700 m，研究區(qū)內(nèi)有9條測線控制，斷點評級為6A+3B，F(xiàn)7斷層為可靠正斷層。

(10)F8斷層。該斷層位于工區(qū)的西南部，傾向為南東向轉(zhuǎn)北東向，走向為北東向轉(zhuǎn)北西向，落差300～1 500 m，傾角37°～63°。該斷層全長53 200 m，有10條測線控制，斷點評級為7A+2B+1C，故F8斷層為較可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(11)F9斷層。該斷層傾向北，走向近東西向，落差大于150 m，傾角45°。該斷層區(qū)內(nèi)全長18 000 m?？梢姸?煤層反射波呈現(xiàn)明顯的錯動，波組錯動后，下降盤二1煤層反射波顯示較明顯，上升盤二1煤層發(fā)生剝蝕。區(qū)內(nèi)僅有1條測線控制，由于測線控制較少，故F9斷層為控制程度較差斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(12)F10斷層。該斷層走向近東西向，傾向近北，落差40～80 m，傾角55°～68°。該斷層被F7斷層錯斷，全長為4 300 m，在F7斷層以北，煤層上盤發(fā)生剝蝕。區(qū)內(nèi)有3條測線控制，斷點評級為2A+1B，故F10斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(13)F11斷層。該斷層走向近東西向，傾向近北，落差70～240 m，傾角20°～43°。該斷層全長為7 500 m，該斷層被F7斷層錯斷，在F7斷層以北，煤層上盤發(fā)生剝蝕，與F10斷層形成一個無煤區(qū)。區(qū)內(nèi)有3條測線控制，斷點評級為1A+2B，故F11斷層為較可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(14)F12斷層。該斷層走向南東向，傾向南西，落差30～190 m，傾角35°～53°。該斷層被F7斷層錯斷，全長為10 100 m，在F7斷層以北，煤層上盤發(fā)生剝蝕，與F11斷層形成1個地壘，局部煤層底板埋藏深度較淺，標高在-1 300～-1 650 m。區(qū)內(nèi)有7條測線控制，斷點評級為4A+2B+1C，故F12斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

(15)F13斷層。該斷層位于研究區(qū)東南部，走向近北西向，傾向北東，落差100～150 m，傾角38°～52°。該斷層全長2 900 m。區(qū)內(nèi)有2條測線控制，斷點評級為2A，故F11斷層為可靠斷層，斷層性質(zhì)為正斷層。

4.5 鉆孔優(yōu)化建議

選擇反射波連續(xù)性好、信噪比高的目的層所在地段進行鉆孔優(yōu)化。按一定網(wǎng)度布設(shè)，并避開村莊等障礙，依據(jù)此對該區(qū)設(shè)計鉆孔進行了優(yōu)化。部分鉆孔施工結(jié)束后，及時根據(jù)鉆探結(jié)果對地震工作成果進行了校正。以ZK13602圖示說明，孔經(jīng)優(yōu)化后，其位于DZ136線樁號為24845處，優(yōu)化后的鉆孔，預(yù)測新生界底界深度為1 220 m，二1煤底板深度為1 405 m，終孔深度為1 455 m，終孔層位為C2t，優(yōu)化后鉆孔在時間剖面上的顯示如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后ZK13602鉆孔在時間剖面上的顯示Fig.6 Display diagram of ZK13602 borehole on the time profile after optimization

5 結(jié)論

豫北地區(qū)內(nèi)黃煤礦構(gòu)造復(fù)雜，通過二維地震連續(xù)剖面圈定含煤地層有利分布區(qū)。經(jīng)鉆探驗證，取得較好效果，取得以下成果。

(1)初步查明新生界覆蓋層的厚度，局部受到斷層及老地層的影響，厚度變化較大。

(2)初步查明區(qū)內(nèi)煤系地層基本構(gòu)造輪廓：二1煤層底板整體呈單斜形態(tài)，走向北東，傾向南東，地層傾角大體在4°～15°，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，發(fā)育有多條斷層，研究區(qū)內(nèi)含煤地層被多組北東向斷層分割為多個斷塊，同時局部發(fā)育有多條北西向次級斷層。研究區(qū)內(nèi)共解釋斷點70個，組合斷層16條，工作區(qū)構(gòu)造程度屬復(fù)雜。初步控制主要煤層的隱伏露頭位置。

(3)了解主要煤層的分布范圍。區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域?qū)游环€(wěn)定，局部地段受到斷層或剝蝕作用影響，煤層變薄或者缺失。二1煤底板埋深2 000 m以淺的面積共有232.22 km2，資源潛力巨大。