三維地震勘探技術在水體覆蓋區域的應用

姜韞麒 孔令軍

（山東省煤田地質局物探測量隊，山東 濟南 250104）

地震勘探技術是煤田資源勘查必不可少的重要手段，對于尋找礦區資源、圈定采區范圍以及采區構造勘查來說都是最有成效的技術方法，已獲得廣泛認可與應用[1]。地震勘探具有勘探精度高、分辨率高、能直觀表現地下形態等特點，是目前煤礦找礦中最有效、最經濟的勘探方法[2]。

以新安煤礦找礦為例，詳細介紹地震勘探技術在煤礦找礦中的應用過程。該工作區位于水體覆蓋區域，主要可采煤層為3煤層，但煤層存在沖刷剝蝕現象，為圈定煤層的具體賦存范圍，為煤礦開采提供地質依據，決定采用地震勘探的方法進行查明。

1 工作區概況

工作區含煤塊段地質構造復雜，根據鉆孔資料揭露，存在煤層沖刷、剝蝕等現象，為進一步提高該采區斷層構造和煤層賦存情況的控制程度，確定煤層沖刷邊界，需采取三維地震手段對工作區進行勘探，以降低鉆探成本，滿足煤礦開采中巷道工作面布置的需要。

1.1 工作區地質特征

該區劃分為華北地層區、魯西地層區和濟寧地層區。該區為第四系覆蓋，經鉆探，第四系下為第三系、侏羅系、二疊系和石炭系。元古界、志留系、泥盆系、三疊系和白堊系均缺失。其中二疊系的山西組和石炭系的太原組為本區的主要含煤地層。

1.2 工作區地球物理特征

工作區地形平坦，交通方便，區內地勢平坦，地面標高+35 m左右。但區內地面大部為湖面、魚塘等水體覆蓋區域，地表條件復雜，給三維地震的施工帶來很大難度，因此表層地震地質條件復雜。該區水面以下巖性多為粘泥層，有利于地震波的激發，區內第四系厚度比較穩定，厚度平均123.31 m。第四系底界面與下伏上侏羅統蒙陰組地層相比，在沉積環境、巖石物理力學性質等方面都有很大的差異。其底界面是一良好的反射界面，但由于第四系厚度較薄，有效覆蓋次數低，該反射波品質較差，但界面兩側角度不整合明顯，基本可以全區連續追蹤，因此淺層地震地質條件一般。該區主要目的層為山西組的3（3上）煤層、太原組的12下煤層和16煤層。該區3煤層賦存地段厚度較大，一般在4 m左右，能形成較好的反射波。12下煤層與16煤層由于煤層較薄，同時在3煤層賦存地段其反射波受到上覆3煤層強反射層的屏蔽作用，很難形成全區可連續追蹤的反射波。另外，該區大面積受沖刷影響，3煤層變薄、缺失，未受沖刷影響的范圍較小。煤系上覆地層為侏羅紀地層，與煤系地層間距很小，一般為十幾米，且兩套地層間傾角相差很小，大大增加了反射波識別和對比解釋工作難度。因此，該區深層地震地質條件復雜。綜上所述，該區為魚塘水面施工，表層地震地質條件復雜，深部煤層變化較大，構造較復雜，綜合地震地質條件為特別復雜區。

2 野外數據采集

2.1 施工方法的設計

該區采用三維地震勘探工作方法，測線的布置設計應以盡量垂直地層走向為原則，同時檢波線的布置還要盡量順著魚塘的分布走向沿岸鋪設，最終設計西北-東南向測線共6條，采用12線8炮、中點發炮的觀測系統。

2.2 針對水體覆蓋區域的數據采集應對措施

由于工作區內魚塘遍布，除去魚塘堤壩，區內地面80%以上為水面覆蓋，與常規的地面三維地震勘探相比，野外施工的難度極大地增加，為此針對水體覆蓋區域的三維地震數據采集，采取了如下應對措施：

（1）提前對測區內魚塘分布進行踏勘，模擬變觀設計

測量對該區域進行實測，然后將魚塘水深及能否打孔放炮情況標注到工程布置圖中，同時利用MESA觀測系統設計軟件對這些不能打孔放炮的區域進行變觀設計。通過在這些區域周圍增加炮點，改變接收排列的方式進行合理的變觀設計，確保這些區域下覆蓋次數達到要求的疊加次數，確保地震資料的完整性和有效波的保真度。

（2）水上測量布點

水上測量采用全球定位系統GPS測量儀器，相較于傳統的全站儀，GPS具有靈活方便、測量精度高等優點[3]，更有利于水上測量人員進行靈活操作。本次水上測量分小組進行，每小組分配兩艘小船。進入水塘后，由一專職測量人員乘坐小木船進行測量，另一人同時向水中插設足夠長的竹竿，確保竹竿準確地插入測量點位置，并且要露出水面1 m以上，便于識別。每個竹竿上用不同顏色的布條分別代表炮線和檢波線，貼好測線號和樁號，以便區分。

（3）水上成孔

相對于陸地勘探，水上成孔的難度極大地增加，是水上地震勘探的難點之一。因此要制定專門用于水上成孔的機船，船只的正中間設計一個孔洞，作為一個簡易的鉆井平臺。成孔時打孔人員使用與陸地相似的鉆井設備在機船上面進行打孔操作，打到預定深度后用塑料管將孔口罩住，以便于下放TNT成型炸藥，保證測區內不會大面積空炮。

（4）水上檢波器的插置

由于一般的數字檢波器都沒有防水的功能，因此本次專門采用特制的防水檢波器，考慮到湖底淤泥可能較厚，本次把檢波器尾椎加長了50～80 cm。鋪設檢波器時由放線班使用專門制造的插檢波器的夾子工具，把檢波器插入水下的淤泥中，并保證檢波器插直插緊。同時，把檢波線與大線連接的一端拉出水面并系在竹竿上，以方便與大線連接。

（5）利用工作站及時進行資料處理，嚴格遵循“三邊”原則，邊施工，邊處理，隨時了解施工效果及出現的問題，并及時修正施工參數，對所遇到的問題進行及時處理。以現場處理的數據體作為質量監控依據，從而更科學、更有說服力。

2.3 原始資料效果分析

通過采取一系列的水上施工質量保障措施，最終得到了較好的原始資料：

（1）由于勘探區內地形復雜，局部炮點分布不均，覆蓋次數有所變化，但本區的三維原始資料總體質量較好，初至波較清晰。測區內總體激發條件較好，原始單炮的信噪比較高，反射波層次豐富清晰，從原始單炮上可以清晰地識別出。在區內煤層沖刷及變薄區塊，反射波能量較弱。如圖1。

圖1 原始典型單炮

（2）通過對原始單炮進行頻譜分析，有效頻帶約為10～120 Hz，主要目的層的主頻約20～80 Hz，可見本區原始資料的頻帶較寬。

（3）本區原始單炮的主要干擾波是隨機噪聲、面波和聲波。針對主要干擾，處理時采取加強疊前多域組合去噪的方法進行處理；針對個別品質稍差的單炮，采用保幅隨機噪音及低頻壓制模塊單獨進行凈化處理，可以得到良好的效果。

3 地質成果

對采集得到的原始數據進行處理，將處理完成的三維數據體（如圖2）加載在GeoFrame 解釋工作站上，采用人機聯作解釋系統，進行層位自動追蹤、任意方向時間剖面閉合、水平切片斷點分析、斷層立體追蹤、圖形縮放、不同方式顯示等手段對三維地震資料進行整體解釋[4]，最終解釋成果方案見圖3。最終圈定了煤層的沖刷范圍，控制了區內構造及煤層厚度的變化。

圖2 處理得到的偏移數據體

圖3 3煤層解釋成果方案平面示意圖

3.1 煤層賦存范圍的圈定

該區的主要目的為查明3上煤層的賦存情況，標定沖刷邊界，以滿足采區工作面布置的需要。在時間剖面中，3上煤層賦存區域內3上煤層反射波表現為兩個正相位夾一個負相位的復合波組，即兩個黑色夾一個白色反射軸（圖4），當3上煤層沖刷變薄或者消失時，該復合波組變為一條單一的反射波。分析解釋3上煤層賦存范圍時，綜合分析該復合反射波特征變化情況，可作為判斷3上煤層賦存范圍的有力依據。另外，由于3上煤層正常賦存時，煤層厚度較厚，形成強反射波，會對下賦12、16煤層的層位反射波造成屏蔽作用；而3上煤層變薄、消失區域，失去屏蔽作用，下賦層位的反射波會變強（圖5），可根據下賦層位反射波的強弱變化反推測3上煤層正常賦存范圍。

圖4 可采范圍內的3煤層反射波

圖5 3上煤層反射波會對下賦煤層反射波造成屏蔽作用

綜合分析：該區大部分地段3上煤層被沖刷，只有局部地段有3上煤層賦存，該區3上煤層賦存面積約占全部勘探面積的30%。總體為一個呈走向近南北、傾向西的單斜構造，褶曲形態較為簡單。

3.2 煤層的厚度變化

由圖3可知，該區3煤層賦存區域內3上煤層厚度基本未受沖刷影響，面積約0.30 km2，煤層厚度為正常沉積厚度，一般為4 m左右，為較穩定厚煤層（圖4）。沖刷邊界煤層厚度急劇變化，從正常煤層厚度很快變為0.7 m厚度（圖5），在時間剖面上顯示為單一的正相位反射波。

4 結語

本次采用三維地震勘探方法對新安煤礦3煤層可能賦存的工作區進行勘探工作。從設計、數據采集到資料處理、解釋，每一環節都進行了充分的論證和質量把關。相較于以往的陸地施工，本次三維地震勘探全部為湖區施工，施工條件極其復雜。但由于采用了正確有效的施工方法，獲得了品質較高的地震資料。最終圈定了可采煤層的覆存范圍，獲得了較為準確的地質成果，為煤礦安全開采和成本的節約提供了有利地支持。