三維地震勘探技術在復雜地質條件下的應用

（山西晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司，山西 晉城 048200）

1 地質概況及地球物理特征

1.1 地質概況

山西晉煤集團晉圣億欣煤業有限公司井田位于太行山脈南段西麓，沁水煤田的南部邊緣。受區域構造的影響，井田內發育寬緩褶曲，地層走向總體上為NE-NEE，傾向NW，地層產狀平緩，傾角一般為3°～10°，地貌為剝蝕中山區，溝谷縱橫發育。井田內東部構造簡單，褶曲寬緩、地層平緩；中西部斷層發育，構造較復雜，地層總體走向變化不大。以往勘探工作確定的主要內容包括：繪制施測了區域1：10000的地形地質圖，完成了普查勘探區1/25000的地形地質測量。并確定了區域礦產資源C+D級儲量375820萬t，其中C級儲量163339.2萬t等。

本次三維地震勘探的主要地質任務為：

（1）查明勘探區內落差≥10 m斷層的性質。

（2）查明勘探區內直徑≥30m的陷落柱，盡可能解釋直徑小于30m的陷落柱。

（3）初步查明勘探區內2#、15#煤層底板的起伏形態。

1.2 地球物理特征

（1）淺層地震地質條件

勘探區域的淺層地層結構可統述為以下三種類型：

①薄黃土覆蓋區。主要集中于村莊附近及山梁平緩區域；

②坡積物區。主要集中于山梁斜坡處，賦存松散，對地震波的激發與接收存在不利的影響；

③基巖出露區。主要集中于勘探區內的溝谷區域。

（2）深層地震地質條件

本次勘探的主要煤層為2#、15#煤層，煤層平均間距為96.58 m。其中，2#煤層沉積穩定，傾角較小，煤層平均厚度為1.35 m；15#煤層平均厚度為2.27 m。2#煤層埋深較淺，埋藏深度在10～270 m之間，勘探區內三盤區中部露頭，存在風氧化現象，受面波、淺層折射波等干擾嚴重，可形成斷續對比追蹤的反射波組（T2波）；15#煤層受到2#煤層的屏蔽作用，其煤層反射波（T15波）的連續性易受到影響。區內可采煤層參數見表1。

表1 區內可采煤層參數

2 數據采集參數的確定

2.1 試驗儀器

地震儀器選取428XL數字地震儀，采樣間隔為0.5 ms，記錄長度為1s，前放增益12db；檢波器的選取規格為自然頻率60 Hz，單串4個。地質成孔工具選取為輕便洛陽鏟、輕便風鉆。

2.2 點位選擇

根據勘探區的地勢特征，試驗測點主要選擇在基巖出露區、坡積物和亂石等具有區域地質特征代表性的地段[1]，試驗共布置5個試驗點，各試驗點的位置分布見圖1，試驗點工程量統計見表2。

圖1 試驗點位置分布

表2 試驗點工程量統計

2.3 試驗內容

對試驗點1中的基巖出露地段進行波場調查試驗，激發條件試驗的選取地段包括基巖出露地段、坡積物地和薄黃土覆蓋地段，通過試驗，確定出的施工參數如下：

（1）基巖出露地段

采用風鎬成孔，井深3m，單井、藥量1kg，封孔激發。

（2）黃土覆蓋地段

采用洛陽鏟成孔至基巖面，風鎬成孔至基巖內2m，單井、藥量1kg封孔激發。

（3）坡積物地段

采用風鎬成孔，井深5m，單井、藥量1kg，封孔激發。

3 觀測系統

根據目的層埋深及地質構造特點，擬選用16線4炮24次覆蓋規則束狀觀測系統進行施工觀測，以線束為單位進行施工，中點放炮[2]，每束線與上一束線重合8條接收線，觀測系統的參數選擇見表3。

表3 觀測系統參數

4 野外工程量

本次野外勘探設計面積為4.01 km2，選用16線4炮24次覆蓋規則束狀觀測系統進行施工觀測，每束炮線4條，炮線距40m，炮點間距為50m，CDP網格大小為5 m×10 m。野外工程量統計見表4。

表4 野外工程量統計

5 資料處理和解釋

5.1 資料處理

采用法國GEOVECTEURPLUS V6.1軟件、國產GRISYS地震數據處理軟件對本次地震勘探的數據進行處理，資料主要處理參數見表5，地震資料處理流程見圖2。

圖2 地震資料處理流程

表5 資料處理參數

5.2 資料解釋

資料解釋是地震勘探中的關鍵環節，是將地震成果轉換為地質成果的重要過程。本次地震勘探數據采用Geoframe 3.8版本解釋軟件系統進行分析，地震資料的解釋以100%偏移數據體為主，另結合疊加數據體及方差體、順層切片等地震屬性進行綜合對比解釋，主要解釋部分包括構造解釋及異常區解釋[3]。

（1）構造解釋

①褶曲解釋

煤系地層的構造狀態通過時間剖面T15波的起伏情況進行描述。在時間剖面圖上，T15波上凸的區域范圍代表背斜構造，T15波下凹的區域范圍代表向斜構造[4]，背斜、向斜構造在時間剖面圖上的顯示分別見圖3、圖4。

圖3 背斜在時間剖面上的反映

圖4 向斜在時間剖面上的反映

②斷層的解釋

煤系地層的斷點特征通過T15波的運動學和動力學特征進行解釋，反射波的錯斷點、扭曲點代表斷層斷點。可作為反映斷層在地震剖面的表現形式，在反射波的錯斷點、扭曲點的兩側，可以清晰地對波阻特征進行比對，確定斷層分布情況，斷點在時間剖面上的反映見圖5。

圖5 斷點在時間剖面上的反映

圖6 陷落柱在時間剖面上的反映

圖7 異常區在時間剖面上的反映

③陷落柱的解釋

同正常地層相比，陷落柱體內的地層在連續性、產狀等方面具有諸多明顯的不同之處，這種差異是形成異常地震波的重要因素。一般而言，陷落柱的賦存范圍及其大小可根據繞射波、延遲繞射波、側面波等特征波形進行判定識別[5]，陷落柱在時間剖面上的反映見圖6。

陷落柱在本區時間剖面上具有如下四點特征：

a、反射波同相軸中斷，其中斷點可作為陷落柱邊界的反映；

b、反射波同相軸扭曲，產狀發生突變，扭曲點是陷落柱的邊界；

c、反射波相位轉換，代表反射波同相軸極性發生轉變；

d、反射波振幅減弱時，會出現圈閉現象。

（2）異常區的解釋

本區異常區在地震時間剖面上主要表現為地震反射波同相軸能量明顯減弱、反射波出現扭曲、連續性變差等現象。出現的原因可能是煤層埋藏淺，以及地震地質條件復雜等因素。異常區在時間剖面上的反映見圖7。

6 地質成果

在本次試驗勘探中，初步查明了2#煤層、5#煤層的賦存深度及底板的起伏形態，基本探明了勘探區內褶曲、斷層及陷落柱的數量。其中，包括2個大于10m的褶曲（S1、S2），8條斷層（F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8），以及3個直徑大于30m的陷落柱（X1、X2、X3）；在查明的勘探區內，解釋了6處2#煤層異常區（XV一盤區兩處，XV三盤區4處）和11處的15#煤層異常區（XV一盤區5處，XV三盤區6處）。其中，2#煤層異常區受煤層露頭影響較大，15#煤層異常區為薄煤區的可能性較大。推測引起異常的主要原因為地震地質條件復雜。本區異常區在時間剖面上總體表現為反射波能量突然變弱、連續性變差等。

7 結語

在本次地震勘探工作中，基本完成了設計地質勘探任務，基本查明了勘探測區2#煤層、15#煤層的埋深和起伏形態和勘探區內褶曲、斷層及陷落柱的數量、特征。本次地震勘探未發現區內有采空區。在勘探過程中，由于地質環境及工程技術局限，存在著諸多影響勘探精度的因素，主要體現為以下兩點：

1）部分勘探試驗區煤層賦存較淺且厚度變化大，地震反射波波形穩定性一般，因對區域斷層的解釋可能存在一定漏失與誤判。

2）由于三維地震勘探技術的局限性，2#煤層地震勘探精度在部分地段信噪比出現降低的情況，對該區域的解釋精度也會隨之降低。