全数字高密度三维地震勘探技术在黄土塬区的应用研究

刘斌

【摘 要】本文在描述黄土塬矿区地质概况的基础上，结合以往三维地震勘探成果资料，分析了在黄土塬区进行地震勘探的难点，提出了应用全数字高密度三维地震勘探技术的思路，并总结了勘探的难点。阐述了黄土塬区全数字高密度三维地震勘探设计、采集、处理与解释方法，并用解释成果证明了全数字高密度三维地震勘探在黄土塬区是可行的。

【关键词】高密度;三维地震;黄土塬

中图分类号： P631.4;TD15 文献标识码： A 文章编号： 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，我国煤矿采区高分辨三维地震勘探技术在淮南谢桥煤矿得到了巨大的成功，随后，三维地震勘探技术得到推广应用，经过二十多年的发展，煤田三维地震勘探技术已经成为煤矿采区构造勘探的主要手段。在实际应用上三维地震勘探的成果为建设高产高效矿井提供了有效的地质保障，获得了巨大的经济和社会效益。但在某些地震地质条件复杂区，构造解释成果与采区生产要求的控制精度还不相适应，究其原因主要有两个方面，一是由于在三维地震勘探中质量控制和技术应用不当所致;二是三维地震勘探的固有能力所至。同常规三维地震相比，高密度三维地震在数据采集上具有空间采样间隔小、均匀方位角及炮检距等优点，这有利于在资料采集和数据处理过程中保护有效信号，从而实现高保真度、高信噪比和高分辨率的勘探效果。

1 地质概况

研究区面积约1.6km2，位于准格尔煤田南部，属高原侵蚀性丘陵地貌，经过实际测量，地表标高在1108.71～1269.2m之间变化。总体来说，勘探边界南部、勘探区东北角、勘探区西北角被厚层黄土（砂土）覆盖，厚度一般大于20m，覆盖层土质干燥、松散，不利于地震波的激发和接收;勘探区中西部被风积沙、冲洪积物覆盖，厚度一般2～5m;新近系红层及基岩主要出露在大沟附近，勘探区北部坡地及勘探区中西部地区也有新近系红层直接出露于地表;勘探区中部被厚度不等的煤矸石覆盖，面积约0.36km2，最大厚度约100m，成孔难度大。

研究区含煤地层为石炭系上统太原组和二叠系下统山西组，含可采煤层5层，即4、5、6上、6、9号煤层。区内4煤层厚度在2.30～4.70m之间变化，标高在720～900m之间变化;区内5煤层厚度较小，不可采面积较大，煤层厚度在0～1.44m之间变化，标高在720～900m之间变化;区内6上煤层厚度较大，煤层厚度在10.05～15.77m之间变化，煤层厚度变化无明显规律，标高在670～840m之间变化;区内6煤层厚度在1.90m～6.24m之间变化，煤层厚度变化无明显规律，标高在640m～820m之间变化;区内9煤层厚度在0.85m～4.75m之间变化，煤层厚度变化无明显规律，标高在620m～760m之间变化。

2 以往三维地震资料分析

2009年在研究区采用8线10炮制束状观测系统进行过三维地震勘探工作，观测系统的基本参数为：单线72道接收、道距10m、中点激发、CDP网格5m×10m、叠加次数6（纵）×4（横）、最大炮检距475m、束线距200m。

通过以往试验单炮记录与剖面分析，原地震资料采集和地震时间剖面主要存在以下兩个方面问题：一是覆盖次数低，部分地段地震资料的信噪比较低、目的层的连续性较差，深层资料的频率低、分辨率差，煤层内小构造解释困难;二是面元大、排列长度小，除煤层反射波外，其余反射波（波组）特征不明显、断层切割深度难以判断。

3 勘探难点

3.1 成孔问题

研究区的浅层地震地质条件分为以下四类：黄土覆盖区、坡积物区、矸石堆积区、基岩出露区。

3.2 激发层位选择问题

研究区黄土层厚度变化大，同一激发深度在相邻激发点所取得的记录品质差异较大。

3.3 接收条件选择问题

进入冬季施工，天气寒冷，可能施工时地面会上冻，而数字检波器的尾椎相对较粗，埋置检波器难度会增大。另外，排矸场可能影响接收效果。

3.4 同向叠加问题

不同激发条件下所得到的单炮记录频率差异较大，如何保证同向高分辨率叠加是处理面临的难点。

4 观测系统设计与数据采集

4.1 观测系统设计

经过理论计算，本区的面元网格应不大于6.5m×6.5m、覆盖次数不低于64次、最大炮检距为675m、接收线距不大于60m、炮排距在浅部不大于70m。

从可能产生的采集脚印等方面进行了深入分析，最终选定了16L6S正交束状观测系统。观测系统参数为：面元尺寸：5m（纵）5m（横）;覆盖次数：8次（纵）8次（横）接收道数：96道/线×16线，112道/线×16线，128道/线×16线;道距：10m;炮点距：10m;接排线距：60m;最小炮检距：5m;最大炮检距：671m;束线滚动距离：60m（滚动一条线）。应用观测系统分析软件进行面元属性分析，可以看出面元上方位角及炮检距分布均匀（图1）。

4.2 数据采集

4.2.1 成孔方式

矸石覆盖区采用砾石钻机成孔，黄土覆盖区域采用洛阳铲成孔，沟谷区域采用三轮钻成孔。

4.2.2 激发层位

矸石覆盖区成孔深度7m;黄土覆盖区域成孔深度为进入红土层2m、进入红胶泥层1.5m，同时保证孔深不低于7m;沟谷区域成孔深度为进入红土层2m，同时保证孔深不低于6m。

4.2.3 激发药量

孔深大于12m时，激发药量为3kg;其余药量为2kg。

4.2.4 测网布置

以束为单位施工。按照南北方向布置测线，线束自西向东按序编号，依次为第一束、第二束……第三十五束，每束内有测线16条，每束与上一束重合1条接收线。

4.2.5 特殊观测系统

勘探区内有坟地、铁路、公路、高压线、厂房，这些障碍物区域影响了炮点的正常布置，炮点在这些障碍物内时，采用恢复性放炮方法进行施工。在矸石覆盖区域（正在施工的排矸区域除外），采用砾石钻机成孔，同时采用在矸石堆周围区域增加炮点的方式施工;在电厂、公路等区域施工时，不布置检波器，采用恢复性放炮技术。

5 资料处理与解释

5.1 资料处理

在试验处理的基础上确定了叠前各向异性时间偏移的处理流程。处理中静校正工作、噪音衰减及子波一致性处理是关键。

5.1.1 静校正

应用回转波层析反演技术进行静校正，该技术是把地表模型作为任意介质处理的弯曲射线回转波初至反演方法。它对地表高差、低降速带速度和折射界面不做限制。先建立一个初始模型，把地下分成网格单元，从震源到接受点的射线通过地下网格单元，每个单元的速度值是恒定的用射线追踪计算模拟的初至时间，然后修改模型，使观测和计算的初至时间差达到最小。反演的优化过程是通过对一个大规模的非线性最小二乘问题线性化并反复迭代求取近地表模型来实现的。它考虑了速度的垂向和横向变化，认为地下介质是连续变化的，提出了弯曲射线模型，它能适应风化层速度变化，支持速度的横向变化，这个模型是由物性参数不同的小单元组成，更适应地表结构较复杂的地区，它能使求取的校正量更加准确，波组连续性明显改善。

5.1.2 噪音衰减

针对本工区记录中存在的各种干扰现象和特点，在系统试验的基础上，针对不同噪音采用了有针对性的噪音压制技术。

对异常野值以及废炮废道，首先剔除无效的废炮废道，然后对超过阀值的异常振幅进行自动识别，并进行衰减，将其去除。

对应地滚波及外源干扰，应用十字排列域去噪技术进行衰减。该技术采用基于波动方程的模型法自适应地滚波衰减的方法，用发散线性的噪音进行建模，对于每个频率/波数子集，根据信噪比信息，模型与数据进行自适应匹配，进行建模，最后从数据中减去地滚波。这种算法的优点是：考虑了群速度和相速度的差别;考虑地滚波的空间变化，即使偏移距不规则也适用;面波假频部分也可以被更好的建模和去除;保幅性高，体波可被很好的保留而不受伤害;子波变换允许分成多个子集，从而可以在更窄的频率域自适应弹性建模。

针对本工区中普遍存在的异常振幅噪音，在一定的频率范围内，对超过阀值的噪音进行自动识别，并进行衰减，将其去除剩余噪音衰减，在反褶积前，通过地滚波衰减，异常振幅衰减以及分频噪音压制等噪音衰减方法已经去除了大部分的噪音，但是在数据中仍然存在一些剩余的噪音，影响资料的信噪比，在反褶积之后进行剩余的噪音衰减。进一步提高资料的信噪比。

5.1.3 子波一致性处理

由于激发和接收在空间方向不断变化，使记录在空间方向上能量、频率不均衡，需采用地表一致性能量、频率补偿方法进行补偿。具体处理时，分别选择矸石区和黄土区，黄土区和沟里水钻炮集重复的小叠加段，求取子波算子。矸石区单炮200多炮，沟里水钻单炮670炮。由于矸石区和水钻炮集重叠部分很小，且为远偏移距信息，主要考虑将矸石区向黄土区进行匹配以及将黄土区向水钻炮集匹配。矸石区和黄土区频率差异较小，不进行匹配。黄土区和沟里水钻炮集频率差异较大，需要进行匹配。

5.2 资料解释

常规解释：主要应用垂直地震时间剖面、水平时间切片进行层位、断层及陷落柱的解释，应用地震数据的振幅数据进行煤层厚度变化趋势解释。解释顺序为层位标定、波（波组）对比、层位解释与構造解释、时深转换、振幅标定煤层厚度变化趋势等。

属性解释：地震属性多种多样，选择合适的属性能够完成肉眼不能分辨和识别的地震波变化情况，突出地下构造、裂隙、岩性及流体的变化。能够较好反映构造及裂隙有关的地震属性包括以下几类：倾角属性、振幅属性、频率属性、相干属性、甜点属性、局部变化率属性。属性融合方法是为解决单一属性预测储层的多解性问题而提出来的，即将多种对裂隙、断裂等地质异常敏感的属性进行一定的数学运算，得到一个综合属性，综合属性比单一属性具有更明显的构造和裂隙识别效果。

6 地质成果

查明了勘探区内主采煤层的底板起伏形态;解释出落差大于3m的断层12条;查明了勘探区内奥灰顶界面起伏形态及构造发育情况，圈定了裂隙发育区;勘探区内主采煤层的厚度变化趋势进行了预测，勘探区内的主采煤层中没有发现煤层冲刷带。预测了4号煤层上覆地层中中、粗粒砂岩及6上号煤层顶板中、粗粒砂岩的赋存范围与厚度变化趋势。

与原三维地震勘探成果相比较：高密度三维地震成果剖面上各煤层反射波清晰、小断层显示更加清楚，本次解释比原三维地震勘探多解释断层9条;本次高密度三维地震勘探成果中，奥灰顶界面反射波清晰，解释了奥灰顶界面裂隙发育区2个（图2中的蓝色区域）。

7 结论

全数字高密度三维地震勘探技术能有效提高地震资料的信噪比与分辨率。提高弱反射层的成像精度，预测奥灰顶界面的构造发育情况，为防治水工作提供了依据。

全数字高密度三维地震勘探技术在黄土塬区是可行的。