典型地质构造的三维地震波形特征及断层的量化预测

魏 健 杜继国

(淮浙煤电有限公司顾北煤矿分公司,安徽省淮南市,232001)

1 引言

顾北煤矿位于淮南潘谢矿区中部,是国家发改委批准的淮南潘谢矿区总体规划中新建的矿井之一。顾北井田共有8层可采煤层,平均总厚达22.56 m,其中13-1#、11-2#、8#、6-2#和1#煤层为主要可采煤层,平均总厚20.25 m,地质资源量共有681054.4 kt,设计可采储量286228.3 kt,设计生产能力300万t/a,并预留600万t/a的配套设施。

通过将实际揭露的地质异常现象(包括断层、层滑及煤层变薄区)与三维地震时间剖面进行对比分析,对各种地质构造现象在时间剖面上的波形特征以及如何在时间剖面上确定断面和断层落差进行了详细阐述,使断层预测得到量化。以便今后更好地进行地质构造的量化预报工作。

2 典型地质构造三维地震波形特征对比分析

2.1 断层在三维地震时间剖面图上的表现形式

通过对大量实见构造与地震时间剖面的对比分析,认识了几种断层引起的时间剖面异常特征。一般来说,大中型断层通常会引起反射波同相轴错断,由于断层规模不同,表现为反射波组或波系的错断。由于断层错动引起断层两侧地层产状突变或断层面的屏蔽作用易造成反射波同相轴产状突变,时间剖面上出现空白带。反射波同相轴出现分叉、合并、扭曲、强相位转移、辅助波异常、反射波能量弱、波形异常、出现明显的绕射波、断面波等特殊波,这往往是由小断层或其它小构造造成的。以上这些都是在时间剖面上识别断层的标志。

(1)同相轴错断。煤层反射波同相轴发生错断,是断层特别是大中型断层在地震时间剖面上表现的基本形式,由于断层规模的不同,可表现为波组或波系的错断。所谓波组是指由邻近的两个或多个反射层形成的反射波,而由两个或多个反射波组构成的反射波系列则称为波系。由于断层面的屏蔽作用,在断层下盘经常出现产状突变、反射杂乱及三角空白带等,这时断层下盘的反射层中断点或产状突变点不能准确地反映断层面位置,就要依据上盘反射标准层中断点或产状突变点来确定,一般来说,三角空白带的斜边即是断层面。

至于断层落差,在时间剖面上错断的上、下盘反射波同相轴垂直深度差就是断层落差,计算公式为:

式中:△h——断层落差;

△to——断层上、下盘同相轴断点时差。

图1为1212(3)工作面带式输送机巷FS24断层实测剖面与地震时间剖面对比图。图1中T5反射波同相轴错断,断层面向下倾方向水平偏移8.3 m,在时间剖面上断层上、下盘错断点时间差为7 ms,计算时间剖面落差为6.3 m,与实见FS24断层落差6.5 m吻合。

图1 1212(3)工作面带式输送机巷FS24断层实测剖面与地震时间剖面对比图

(2)同相轴分叉、合并、扭曲。发生反射波同相轴扭曲往往是小断层引起的,但也要视具体情况具体分析,要根据反射波组特征结合地层岩性组合变化综合分析,层滑构造及煤层变薄区同样会引起反射波同相轴发生扭曲,有时仅仅是煤层产状的变化也能造成同相轴发生扭曲。在时间剖面上,反射波同相轴的分叉与合并往往是由于断层引起一盘煤层厚度变化或岩性组合发生变化造成的,当然,其它原因也能造成反射波同相轴的分叉与合并,但根据实际揭露资料分析,总是由于煤层变薄或岩性变化引起的。图2为11-2#煤层下采区FS56断层实测剖面与地震时间剖面对比图。其中,T4反射波同相轴发生分叉,同相轴分叉处与实见断层下盘断点较为一致,断层在时间剖面中表现为同相轴的分叉与合并现象计算断层落差较为困难,这是因为分叉处波形较乱。如果在距分叉稍远处反射波趋于正常时认为是断层一盘的正常煤层,这样与分叉前正常反射波同相轴就有一个时差,可以视为该处与断层另一盘的时差,据此可以计算出高差,再减去由于煤层倾角引起的高差即可认为是断层落差。本例中同相轴分叉处与测点△23反射波正常时差为11 ms,再减去由于煤层倾角引起的高差3.6 m,这样可以计算出断层落差为6.3 m,与实际揭露基本吻合。

图2 11-2#煤层下采区FS56断层实测剖面与地震时间剖面对比图

(3)同相轴稀疏、零乱、辅助波异常。相距较近的两个以上反射波组合在一起构成复合波。当地质结构较稳定时,复合波的干涉特征很少改变,容易识别,称为“波组”,相邻的稳定波组称为“波系”。小断层、煤层厚度的变化会造成波形、复合波甚至波组的异常,这些辅助波的异常是识别地质异常的标准。如图3所示,11-2#煤层反射波同相轴仅稍有扭曲,反射波能量稍弱,仅从11-2#煤层反射波情况很难判断有断层或其它构造存在,但我们注意到T11的辅助波同相轴稀疏,波形异常,可以推断该处存在构造,实际揭露该处断层落差达4.3 m。

图3 北一(11-2)上采区带式输送机上山FS109断层实测剖面与地震时间剖面对比图

2.2 变薄区在三维地震时间剖面图上的表现形式

煤层变薄区的形成有多种原因,沉积、断层、褶曲、层滑等都有可能形成煤层变薄区,在时间剖面上反映也是形式多样,较为复杂。同相轴分叉、扭曲、稀疏、出现空白带、辅助波异常等都是在时间剖面上识别煤层变薄区的标志。图4所示实例是一个煤层变薄区,T4反射波同相轴虽稍有扭曲,但主要表现在T4同相轴稀疏、出现空白带,反射波能量弱。

图4 1242(1)带式输送机巷变薄区实测剖面与地震时间剖面对比图

2.3 层滑在三维地震时间剖面图上的表现形式

层滑构造是一种独立的、特殊的构造型式,它是指岩层在受到构造应力的作用下,沿某些软弱的岩层面或层理面发生滑动的一种地质构造现象,目前顾北矿实际揭露的层滑构造可以分为断裂型层滑构造、低角度顺层滑动及揉皱型层滑构造三种,其在时间剖面上主要表现为同相轴分叉、同相轴稀疏、零乱、同相轴扭曲、辅助波异常等。

(1)同相轴分叉、合并。图5所示实例是一个揉皱型层滑构造,在时间剖面上表现为同相轴分叉,反射波形零乱。

图5 1212(3)工作面带式输送机巷F8断层实测剖面与地震时间剖面对比图

(2)同相轴扭曲、稀疏、零乱、辅助波异常。图6所示是一个断裂型层滑构造,其在时间剖面上都表现为同相轴稀疏、零乱,反射波能量弱。

图6 1222(1)工作面带式输送机巷F18断层实测剖面与地震时间剖面对比图

3 结论

(1)生产过程中宜将三维地震时间剖面与工作面平面图、实测剖面图(预留位置随着巷道掘进填图)相对应起来放在一张图上,一是方便通过时间剖面提前分析巷道前方构造情况 进行预测预报;二是将实际揭露构造情况与时间剖面进行对比分析,总结典型地质构造与地震波形特征对应关系,并进一步总结其规律,以便今后更合理的解释地震资料。发现异常波形区域纵横加密切地震时间剖面,对异常区域进行进一步的分析,并在月度地质预报中进行预报或及时给施工单位下达业务联系书。

(2)在时间剖面中确定断面,当同相轴错断时,主要依据上盘断点确定断面,断层落差依据时间剖面上断层上、下盘同相轴错断点时差进行计算;当同相轴没有错断而是发生扭曲、分叉、辅助波同相轴错断时,则根据同相轴扭曲点、分叉点、辅助波同相轴错断点确定断层面,断层落差也要根据不同情况采用不同方法进行计算。

(3)煤层变薄区在时间剖面上普遍特征是同相轴稀疏、出现空白带,反射波能量弱,有的出现辅助波形异常。

(4)层滑构造在时间剖面上主要表现为同相轴分叉、同相轴稀疏、零乱、同相轴扭曲、辅助波异常等,有时也存在同相轴错断现象。

(5)发生反射波同相轴扭曲、分叉往往是小断层引起的,但也要视情况具体分析,要根据反射波组特征结合地层岩性组合变化综合分析,层滑构造及煤层变薄区同样会引起反射波同相轴发生扭曲、分叉,有时仅仅是煤层产状的变化也能造成同相轴发生扭曲。这也正是时间剖面上反射波异常的多解性和不确定性

(6)小断层、煤层厚度的变化会造成波形、复合波甚至波组的异常,这些辅助波的异常通常也是识别地质异常的标准,这一点在分析三维地震时间剖面时非常重要、不容忽视。