車載可控震源在煤田地震勘探中的應用

祁全鵬 ,宋玉龍

(1．山東鴻潤勘測設計有限公司,濟南 250001; 2.山東省煤田地質局物探測量隊,濟南 250104)

0 引言

傳統的煤田勘探多采用三維地震勘探方法,使用小藥量炸藥做震源。但炸藥震源的使用受限制較多,從辦理手續到施工結束。需要長時間的審批及專業的管理,炸藥震源使用過程中需要打孔下藥,可能會破壞生態環境。而車載可控震源是直接將振動裝置裝載到卡車上,是勘探產生地震波的激發裝置,震源施工更為方便快捷。朱峰[1]等討論了可控震源在江蘇地區的采集效果及應用條件。陳玉達[2]等探討了可控震源技術的發展與應用。孫海川[3]分析了可控震源在煤田地震勘探中的應用情況。近年來,車載可控震源在煤田地震勘探中應用廣泛,無論是穿村過鎮時用于補炮還是在開闊地直接施工中都發揮了巨大的作用,為煤田地震勘探提供了一種綠色、環保、高效、高質的震源方法。本研究分析了車載可控震源在山東某煤田勘探中的應用實例,以優化震源參數,選擇合適的觀測系統,探討可控震源的應用效果,充分發揮車載可控震源的機動性特征。

1 車載可控震源方法原理

車載可控震源的激發裝置是利用長時間的可控掃描頻率機械振動產生地震波,可根據探測深度、分辨率及目標體需要調整掃描頻率等參數[4],而炸藥震源是瞬態激發,激發頻率不可控,部分頻率在數據采集過程中是不需要的。

車載可控震源地震勘探結果具有典型的幾何效應[5],可以精準地探測出地質構造的界線,尤其是在地層、煤層、斷裂、褶皺勘查精度上要比其他地球物理勘探方法更穩定。地震勘探對地下地質構造的探測深度跨度非常大,可以從數十米到幾十千米,廣泛應用于石油、天然氣、固體礦產資源及地質構造探查中。而車載可控震源是在淺層地震勘探,包括在城市活動斷層、工程地質勘查、城市地下空間探測、區域地質研究及地殼研究等方面,應用廣泛[6]。

2 應用實例

煤田勘探依托煤碳本身及周邊巖性的物理性質差異來勘探,而地震勘探主要利用煤層與周圍巖層之間的空間結構及機械性質差異引起不同的波阻抗進行探測。地下第四系地層結構一般是強風化層組成,與下伏地層的組成存在明顯波阻抗差異,因此理論上第四系底界面可形成較強的反射波但有的地區第四系厚度較薄或直接被風化剝蝕掉,很難獲得第四系底界面的反射波。如果主采煤層頂底板為厚層中、粗砂巖或其他高阻抗差異的巖性組成,與煤層之間形成明顯波阻抗界面,且煤層較厚的情況下產生較強的反射波,那么該波在地震時間剖面上會呈現出同相軸能量較強、連續性好、波形特征明顯等特點,是構造解釋的主要依據,可為地震探測煤田位置、埋藏深度及厚度提供前提條件。某勘探井田為全隱蔽的華北型石炭、二疊系煤田。新生界地層厚度大,鉆探揭露厚度631.70～780.00 m,平均714.73 m,呈東北部厚度小、向西南部厚度漸大(據本井田地震資料,井田西南部厚度超過800 m)。煤系以中、下奧陶統為基底,沉積了石炭系中統本溪組、上統太原組,二疊系山西組、石盒子組,其上被新近系及第四系所覆蓋,主要含煤地層為太原組與山西組。

某煤田勘探是在山東某煤礦采區千米以淺三采區開展的三維地震勘探,以進一步查明區內煤賦存深度、斷層具體位置、產狀、落差等信息及是否發育巖溶陷落柱。參照DZ/T 0300-2017《煤田地震勘探規范》,結合本區地質情況及特點,確定地震勘探承擔的地質任務如下:

查明區內落差大于等于5 m的斷層,其平面擺動誤差不大于15 m,盡量對落差在3～5 m的斷層進行解釋。查明區內10 m以上的褶曲,其平面擺動誤差不大于15 m。查明3煤、17煤賦存情況,解釋誤差不大于1.5%。查明直徑大于等于20 m的陷落柱,其平面位置擺動誤差不大于20 m。控制新生界的厚度,解釋誤差不大于2.0%,并對奧灰頂界面進行解釋。查明主要可采煤層露頭、3煤層分叉、合并區界線,解釋主要煤層厚度變化趨勢。

根據現場踏勘情況,工區附近的地面比較平整,障礙物較少,對于車載可控震源來說接地條件較好,有利于震源落板。工區附近大部分地方干擾源較少,周邊穿插經過的大路,來回經過的車輛產生的震動干擾是主要干擾源。潛水面在地表以下5 m左右,激發條件較好,車載可控震源的激發效果整體較好。

勘探采用河北北奧特車公司生產的可控震源車來激發地震波。施工之前經過充分震動參數試驗,優化施工參數,配置合理的觀測系統,確定震動采集參數為:震動70%的出力,掃描長度12 s,掃描頻率10～100 Hz,震動次數2次。觀測系統采用數字檢波器,20 m道距,20 m炮距,80次覆蓋次數,全排列接收,通過該參數激發,獲得的野外原始記錄品質較高。如圖1所示。

圖1 野外原始單炮記錄Fig.1 Original single shot records in the field

圖2為車載可控震源在工區某測線的處理剖面。地震反射波的對比是以地震時間剖面為基礎,從已知鉆孔與礦井已開拓巷道資料出發,根據相鄰地震道反射波的波形相似性、同相性、連續性、振幅、頻率特征及多波組之間的相互關系等多種參數進行對比與追蹤,從而大大提高波組對比的可靠性。在波的對比過程中,采用強相位對比與波組對比相結合、相鄰剖面與切片對比、剖面與切片聯合對比等手段,使對比解釋結果準確可靠,為進行構造解釋提供有利條件。T3波對應3煤層形成的反射波,表現為兩個正相位加一個負相位的復合波組,是3上煤層和3下煤層共同形成的復合反射波。該波能量強,連續性好,信噪比高,可全區連續追蹤,為本區的主要反射波,是構造解釋的主要依據。

圖2 現場處理的監控剖面Fig.2 Monitoring profile of the field processing

斷層解釋是地震資料解釋的關鍵,也是三維地震勘探的主要任務。斷層解釋經過了由粗到細、反復對比的過程。解釋過程中,以時間剖面為主,結合波形、變密度、雙極性等多種顯示方式,充分利用工作站解釋系統的縮放、多窗動態顯示、多參數顯示等方法,對斷層進行綜合解釋,揭示正極性剖面,注意負極性剖面相位的變化,結合水平切片對斷層進行判別,在解釋工作站上沿任意方向切取剖面,對斷層的延展情況進行檢查,準確地控制了各個斷層的性質、落差及位置。圖2中落差較大的斷層在時間剖面上表現為同相軸明顯錯斷,縱向上表現為多個反射波的錯斷,表現尤為清晰。

如圖3所示,剖面揭示的斷層位于勘探區西北部勘探邊界附近,走向北東,傾向南東,傾角70°,落差35～40 m,三維地震僅控制了該斷層的一小段,區內延展長度約180 m,縱向上自上而下分別錯斷了3煤層、6煤層及奧灰頂界面。在時間剖面上對該斷層進行評級,綜合評價為可靠斷層。與原構造方案相比,該斷層走向傾向與原斷層基本一致,平面位置南部向東平移了60 m左右,落差由原來的0～44 m調整為現在的35～40 m。區內延展長度由原來的200 m左右調整為現在的180 m。

圖3 F16斷層在時間剖面及平面圖上的顯示Fig.3 F16 fault in time section and plan

在資料初步解釋完成后,對比初步解釋成果與巷道的實際揭露情況,可控震源應用在三維地震勘探的勘探精度較高,較原構造方案解釋精度有了大幅度的提高。在精細化解釋中,對三維地震資料進行進一步處理,通過壓縮子波、拓寬頻帶等方法盡量提高煤層反射波的頻率,減少資料處理中的平滑修飾手段,盡量讓小斷層能在時間剖面上顯示出來。資料解釋過程中,對于時間剖面上微小的扭曲要仔細研究,確認形成原因。通過可控震源在實際勘探中的應用可知,其勘探精度及效果完全可以滿足煤田勘探的精度與準確性要求。

3 資料處理與解釋

資料處理是可控震源地震勘探的重要一步,地震勘探應堅持把提高分辨率放在首位,充分利用地震波運動學及動力學特征,為順利進行人機聯作解釋與多元參數分析提供可靠的基礎資料。要做好三維處理的基本工作,重點把握好以下幾方面:空間屬性文件建立、三維靜校正、三維速度分析、保幅疊加及三維偏移。可控震源地震勘探比常規的炸藥震源三維地震勘探要復雜得多,震源的振幅、相位及時差等都需要做出相應的改變處理才能與炸藥震源的數據處理相匹配[7]。主要有以下幾方面:認真檢查野外震源與檢波點的具體位置是否對應,保證位置信息準確無誤。做好靜校正是地震資料處理的關鍵環節之一,做好折射靜校正,選取合理的基準面及充填速度,建立準確的空間屬性,提高靜校正精度。為有效提高地震資料的分辨率,合理選擇反褶積方法,提高子波頻率,拓寬子波頻帶。要有足夠準確的頻譜、速度譜分析資料,充分利用各種有利資料做好速度分析工作,確保剖面上波組特征明顯、構造清楚、斷層斷點歸位合理、斷面清晰。對于個別單炮面波干擾嚴重、目的層分辨率降低等問題,做好遠道動校正。對原始資料的分析與利用是極其重要的,根據原始單炮資料、多炮對比的具體情況,總結處理重點,結合地質任務實施處理技術。具體處理流程如圖4所示。

圖4 地震勘探數據處理流程Fig.4 Processing flow of seismic data

處理工作完成后,根據處理結果進行解釋工作,對整個勘探過程采集數據及處理結果進行最終的解譯及匯總,給出煤田的具體參數(如煤層的埋深、厚度、斷層位置大小等)。解釋工作的質量直接決定著勘探的最終成果。

4 試驗注意事項

在煤田勘探中要進行充分的試驗,以確保參數的實用性、準確性。根據勘探區地震地質條件,主要針對震源車震動出力、掃描頻率、震動時長及三維觀測系統的適應性進行試驗[8]。依據試驗結果選擇合適的激發因素及接收因素,確定適合本區地震數據采集的最佳施工參數及工作方法,取得較好的原始記錄,高質量完成三維地震勘探任務。

車載可控震源試驗注意事項如下:嚴格按照單一因素變化的原則確定試驗方案,選取可控整個工作區的合適試驗點,震源車輛通行占路范圍較大,對交通路段條件要求較高,需確保試驗點能讓車輛順利通過。試驗點地震地質條件要具有代表性,震源車在工作過程中需要將震動板壓在地上,如果試驗點地質條件沒有代表性,則會失去試驗點的作用[9]。如果測區范圍較大,需多選取試驗點進行試驗,以確保選取的參數能適應整個測區范圍的探測工作。堅持從已知到未知,從簡單到復雜,循序漸進的原則進行。車載可控震源有多種組合參數,使用不同的參數組合會產生不同的震源效果,在不同的試驗點選取合適的試驗參數,選擇震動出力、掃描長度、震動次數進行對比試驗。震源參數選取過程還需配合觀測系統,以達最優效果。通過試驗對比,在點試驗得出有效結論后再進行線束試驗,進一步驗證點試驗結論的適應性,總結出優化有效的車載震源試驗參數。

5 結論

車載可控震源在煤田三維地震勘探中的應用表明,在路況較好地區尤其是地面比較平整、利于車輛通行、障礙物少的地方,震源車的接地條件較好,車載震源的掃描頻率震動可以取得很好的激發效果。

車載震源在試驗充分的前提下創新優化震源震動出力、掃描頻率、震動時長,配合適當的觀測系統,完全可以滿足煤田勘探的精度及準確性要求,相比于其他震源,車載震源有更高效的效率、更簡單的操作、更安全的保存、更綠色環保的勘探,具有極高的性價比,是一種行之有效的物探方法。