全數字高密度三維地震勘探技術在黃土塬區的應用研究

劉斌

【摘 要】本文在描述黃土塬礦區地質概況的基礎上，結合以往三維地震勘探成果資料，分析了在黃土塬區進行地震勘探的難點，提出了應用全數字高密度三維地震勘探技術的思路，并總結了勘探的難點。闡述了黃土塬區全數字高密度三維地震勘探設計、采集、處理與解釋方法，并用解釋成果證明了全數字高密度三維地震勘探在黃土塬區是可行的。

【關鍵詞】高密度;三維地震;黃土塬

中圖分類號： P631.4;TD15 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0194-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.085

Research on the Application of High-Density 3D Seismic Exploration Technology in Loess Area

LIU Bin

（Xian Research Institute， China Coal Technology Engineering Group， Xian Shaanxi 710011， China）

【Abstract】On the basis of describing the geological situation of the loess plateau mining area and combining with the previous 3-D seismic exploration data， this paper analyzes the difficulties in seismic exploration in the loess plateau area， puts forward the idea of applying full-digital high-density 3-D seismic exploration technology， and summarizes the exploration difficulties. This paper expounds the design， acquisition， processing and interpretation methods of all-digital high-density 3D seismic exploration in loess tableland area， and proves the feasibility of all-digital high-density 3D seismic exploration in loess tableland area with interpretation results.

【Key words】High Density; 3D Earthquake; Loess Plateau

0 引言

1994年，我國煤礦采區高分辨三維地震勘探技術在淮南謝橋煤礦得到了巨大的成功，隨后，三維地震勘探技術得到推廣應用，經過二十多年的發展，煤田三維地震勘探技術已經成為煤礦采區構造勘探的主要手段。在實際應用上三維地震勘探的成果為建設高產高效礦井提供了有效的地質保障，獲得了巨大的經濟和社會效益。但在某些地震地質條件復雜區，構造解釋成果與采區生產要求的控制精度還不相適應，究其原因主要有兩個方面，一是由于在三維地震勘探中質量控制和技術應用不當所致;二是三維地震勘探的固有能力所至。同常規三維地震相比，高密度三維地震在數據采集上具有空間采樣間隔小、均勻方位角及炮檢距等優點，這有利于在資料采集和數據處理過程中保護有效信號，從而實現高保真度、高信噪比和高分辨率的勘探效果。

1 地質概況

研究區面積約1.6km2，位于準格爾煤田南部，屬高原侵蝕性丘陵地貌，經過實際測量，地表標高在1108.71～1269.2m之間變化?？傮w來說，勘探邊界南部、勘探區東北角、勘探區西北角被厚層黃土（砂土）覆蓋，厚度一般大于20m，覆蓋層土質干燥、松散，不利于地震波的激發和接收;勘探區中西部被風積沙、沖洪積物覆蓋，厚度一般2～5m;新近系紅層及基巖主要出露在大溝附近，勘探區北部坡地及勘探區中西部地區也有新近系紅層直接出露于地表;勘探區中部被厚度不等的煤矸石覆蓋，面積約0.36km2，最大厚度約100m，成孔難度大。

研究區含煤地層為石炭系上統太原組和二疊系下統山西組，含可采煤層5層，即4、5、6上、6、9號煤層。區內4煤層厚度在2.30～4.70m之間變化，標高在720～900m之間變化;區內5煤層厚度較小，不可采面積較大，煤層厚度在0～1.44m之間變化，標高在720～900m之間變化;區內6上煤層厚度較大，煤層厚度在10.05～15.77m之間變化，煤層厚度變化無明顯規律，標高在670～840m之間變化;區內6煤層厚度在1.90m～6.24m之間變化，煤層厚度變化無明顯規律，標高在640m～820m之間變化;區內9煤層厚度在0.85m～4.75m之間變化，煤層厚度變化無明顯規律，標高在620m～760m之間變化。

2 以往三維地震資料分析

2009年在研究區采用8線10炮制束狀觀測系統進行過三維地震勘探工作，觀測系統的基本參數為：單線72道接收、道距10m、中點激發、CDP網格5m×10m、疊加次數6（縱）×4（橫）、最大炮檢距475m、束線距200m。

通過以往試驗單炮記錄與剖面分析，原地震資料采集和地震時間剖面主要存在以下兩個方面問題：一是覆蓋次數低，部分地段地震資料的信噪比較低、目的層的連續性較差，深層資料的頻率低、分辨率差，煤層內小構造解釋困難;二是面元大、排列長度小，除煤層反射波外，其余反射波（波組）特征不明顯、斷層切割深度難以判斷。

3 勘探難點

3.1 成孔問題

研究區的淺層地震地質條件分為以下四類：黃土覆蓋區、坡積物區、矸石堆積區、基巖出露區。

3.2 激發層位選擇問題

研究區黃土層厚度變化大，同一激發深度在相鄰激發點所取得的記錄品質差異較大。

3.3 接收條件選擇問題

進入冬季施工，天氣寒冷，可能施工時地面會上凍，而數字檢波器的尾椎相對較粗，埋置檢波器難度會增大。另外，排矸場可能影響接收效果。

3.4 同向疊加問題

不同激發條件下所得到的單炮記錄頻率差異較大，如何保證同向高分辨率疊加是處理面臨的難點。

4 觀測系統設計與數據采集

4.1 觀測系統設計

經過理論計算，本區的面元網格應不大于6.5m×6.5m、覆蓋次數不低于64次、最大炮檢距為675m、接收線距不大于60m、炮排距在淺部不大于70m。

從可能產生的采集腳印等方面進行了深入分析，最終選定了16L6S正交束狀觀測系統。觀測系統參數為：面元尺寸：5m（縱）5m（橫）;覆蓋次數：8次（縱）8次（橫）接收道數：96道/線×16線，112道/線×16線，128道/線×16線;道距：10m;炮點距：10m;接排線距：60m;最小炮檢距：5m;最大炮檢距：671m;束線滾動距離：60m（滾動一條線）。應用觀測系統分析軟件進行面元屬性分析，可以看出面元上方位角及炮檢距分布均勻（圖1）。

4.2 數據采集

4.2.1 成孔方式

矸石覆蓋區采用礫石鉆機成孔，黃土覆蓋區域采用洛陽鏟成孔，溝谷區域采用三輪鉆成孔。

4.2.2 激發層位

矸石覆蓋區成孔深度7m;黃土覆蓋區域成孔深度為進入紅土層2m、進入紅膠泥層1.5m，同時保證孔深不低于7m;溝谷區域成孔深度為進入紅土層2m，同時保證孔深不低于6m。

4.2.3 激發藥量

孔深大于12m時，激發藥量為3kg;其余藥量為2kg。

4.2.4 測網布置

以束為單位施工。按照南北方向布置測線，線束自西向東按序編號，依次為第一束、第二束……第三十五束，每束內有測線16條，每束與上一束重合1條接收線。

4.2.5 特殊觀測系統

勘探區內有墳地、鐵路、公路、高壓線、廠房，這些障礙物區域影響了炮點的正常布置，炮點在這些障礙物內時，采用恢復性放炮方法進行施工。在矸石覆蓋區域（正在施工的排矸區域除外），采用礫石鉆機成孔，同時采用在矸石堆周圍區域增加炮點的方式施工;在電廠、公路等區域施工時，不布置檢波器，采用恢復性放炮技術。

5 資料處理與解釋

5.1 資料處理

在試驗處理的基礎上確定了疊前各向異性時間偏移的處理流程。處理中靜校正工作、噪音衰減及子波一致性處理是關鍵。

5.1.1 靜校正

應用回轉波層析反演技術進行靜校正，該技術是把地表模型作為任意介質處理的彎曲射線回轉波初至反演方法。它對地表高差、低降速帶速度和折射界面不做限制。先建立一個初始模型，把地下分成網格單元，從震源到接受點的射線通過地下網格單元，每個單元的速度值是恒定的用射線追蹤計算模擬的初至時間，然后修改模型，使觀測和計算的初至時間差達到最小。反演的優化過程是通過對一個大規模的非線性最小二乘問題線性化并反復迭代求取近地表模型來實現的。它考慮了速度的垂向和橫向變化，認為地下介質是連續變化的，提出了彎曲射線模型，它能適應風化層速度變化，支持速度的橫向變化，這個模型是由物性參數不同的小單元組成，更適應地表結構較復雜的地區，它能使求取的校正量更加準確，波組連續性明顯改善。

5.1.2 噪音衰減

針對本工區記錄中存在的各種干擾現象和特點，在系統試驗的基礎上，針對不同噪音采用了有針對性的噪音壓制技術。

對異常野值以及廢炮廢道，首先剔除無效的廢炮廢道，然后對超過閥值的異常振幅進行自動識別，并進行衰減，將其去除。

對應地滾波及外源干擾，應用十字排列域去噪技術進行衰減。該技術采用基于波動方程的模型法自適應地滾波衰減的方法，用發散線性的噪音進行建模，對于每個頻率/波數子集，根據信噪比信息，模型與數據進行自適應匹配，進行建模，最后從數據中減去地滾波。這種算法的優點是：考慮了群速度和相速度的差別;考慮地滾波的空間變化，即使偏移距不規則也適用;面波假頻部分也可以被更好的建模和去除;保幅性高，體波可被很好的保留而不受傷害;子波變換允許分成多個子集，從而可以在更窄的頻率域自適應彈性建模。

針對本工區中普遍存在的異常振幅噪音，在一定的頻率范圍內，對超過閥值的噪音進行自動識別，并進行衰減，將其去除剩余噪音衰減，在反褶積前，通過地滾波衰減，異常振幅衰減以及分頻噪音壓制等噪音衰減方法已經去除了大部分的噪音，但是在數據中仍然存在一些剩余的噪音，影響資料的信噪比，在反褶積之后進行剩余的噪音衰減。進一步提高資料的信噪比。

5.1.3 子波一致性處理

由于激發和接收在空間方向不斷變化，使記錄在空間方向上能量、頻率不均衡，需采用地表一致性能量、頻率補償方法進行補償。具體處理時，分別選擇矸石區和黃土區，黃土區和溝里水鉆炮集重復的小疊加段，求取子波算子。矸石區單炮200多炮，溝里水鉆單炮670炮。由于矸石區和水鉆炮集重疊部分很小，且為遠偏移距信息，主要考慮將矸石區向黃土區進行匹配以及將黃土區向水鉆炮集匹配。矸石區和黃土區頻率差異較小，不進行匹配。黃土區和溝里水鉆炮集頻率差異較大，需要進行匹配。

5.2 資料解釋

常規解釋：主要應用垂直地震時間剖面、水平時間切片進行層位、斷層及陷落柱的解釋，應用地震數據的振幅數據進行煤層厚度變化趨勢解釋。解釋順序為層位標定、波（波組）對比、層位解釋與構造解釋、時深轉換、振幅標定煤層厚度變化趨勢等。

屬性解釋：地震屬性多種多樣，選擇合適的屬性能夠完成肉眼不能分辨和識別的地震波變化情況，突出地下構造、裂隙、巖性及流體的變化。能夠較好反映構造及裂隙有關的地震屬性包括以下幾類：傾角屬性、振幅屬性、頻率屬性、相干屬性、甜點屬性、局部變化率屬性。屬性融合方法是為解決單一屬性預測儲層的多解性問題而提出來的，即將多種對裂隙、斷裂等地質異常敏感的屬性進行一定的數學運算，得到一個綜合屬性，綜合屬性比單一屬性具有更明顯的構造和裂隙識別效果。

6 地質成果

查明了勘探區內主采煤層的底板起伏形態;解釋出落差大于3m的斷層12條;查明了勘探區內奧灰頂界面起伏形態及構造發育情況，圈定了裂隙發育區;勘探區內主采煤層的厚度變化趨勢進行了預測，勘探區內的主采煤層中沒有發現煤層沖刷帶。預測了4號煤層上覆地層中中、粗粒砂巖及6上號煤層頂板中、粗粒砂巖的賦存范圍與厚度變化趨勢。

與原三維地震勘探成果相比較：高密度三維地震成果剖面上各煤層反射波清晰、小斷層顯示更加清楚，本次解釋比原三維地震勘探多解釋斷層9條;本次高密度三維地震勘探成果中，奧灰頂界面反射波清晰，解釋了奧灰頂界面裂隙發育區2個（圖2中的藍色區域）。

7 結論

全數字高密度三維地震勘探技術能有效提高地震資料的信噪比與分辨率。提高弱反射層的成像精度，預測奧灰頂界面的構造發育情況，為防治水工作提供了依據。

全數字高密度三維地震勘探技術在黃土塬區是可行的。