岩浆岩侵入煤层的地震属性识别技术

2021-01-30孟凡彬

煤田地质与勘探 2020年6期

吴斌，孟凡彬

岩浆岩侵入煤层的地震属性识别技术

吴斌1，孟凡彬2

(1. 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116；2. 中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

岩浆岩体严重影响井田的煤质、储量等，对采区工作面布置、巷道掘进及回采工作造成严重的影响，因而探测岩浆岩侵入煤层的范围对煤矿安全高效生产具有重大意义。在总结岩浆岩侵入体的地质特征基础上，建立岩浆侵入煤层地震地质模型，通过正演，对多种属性进行交互分析，发现主频能量属性与振幅类属性对岩浆岩反应较为敏感，并且随着岩浆岩厚度的逐渐增加能量类与振幅类属性逐渐降低。通过对QN煤矿103工作面高密度三维地震资料连井剖面10煤进行属性分析，发现频带宽度、中心频率、主振幅属性可以较好地识别岩浆侵入区。通过对勘探区10煤层进行频带宽度、中心频率和主振幅属性分析识别岩浆侵入区，其识别结果与钻孔实际揭露吻合较好，证明采用地震属性识别技术可以识别煤层岩浆岩侵入区范围。

岩浆岩；煤层；正演模拟；地震属性；高密度三维地震

岩浆岩体对含煤地层的侵入破坏，严重影响井田的煤质、储量等[1]，使连续完整的煤层被分割[2-7]，对采区工作面布置、巷道掘进及回采工作造成严重的影响。因此，利用地震勘探技术开展采区岩浆岩体预测方法的研究，不仅具有一定的理论意义，而且具有很大的实用价值[8]。

国内外对火成岩的研究比较广泛，识别技术也具有多种类型，一类是以钻井、测井资料为主的预测方法[9-14]；一类是以重磁电等资料为主的物探预测方法[15-17]。随着三维地震勘探的逐步普及，利用地震资料预测火成岩成为主要手段之一[18-24]，三维地震资料具有大面积密集采集信息的优势，利用地震信息可以从平面和立体角度研究地层的构造、岩性的变化。更进一步的是高密度三维地震资料具有高信噪比、高分辨率、高保真度的特点，在研究地层的构造、岩性的变化上必将显著提升其效果。

本文以QN煤矿103采区10煤层为例，采用理论分析、正演模型模拟和实际高密度三维地震勘探资料应用相结合的研究方法，系统地开展岩浆岩侵入对煤层的影响区域等基础研究，在此基础上，利用地震多属性分析方法和技术识别岩浆侵入煤层的影响区域。

1 岩浆侵入体的地质特征

1.1 岩浆岩侵入时受围岩性质的影响

1.2 岩浆岩侵入煤储层的选层性

岩浆岩侵入含煤地层时传递的热量、压力和挥发物质足以使煤发生质的变化，而围岩相对来说变化很小。煤的体积缩小为岩浆侵入提供初期通道。侵入后岩浆进一步吞蚀煤层，使煤层厚度发生明显变化。因此，在煤与其他岩石相比较时，岩浆首先选择煤层侵入。另外，岩浆侵入煤层主要取决于煤层的厚度和煤质[1]。

1.3 岩浆岩侵入的方式

岩浆岩侵入的产状又分为岩床、岩盆、岩盖、岩脉、岩株和岩基[26]。层状、树杈状、透镜状、细脉状和串珠状等侵入形状较为常见，侵入方式一般是顺地下某一软弱地带或断层一盘侵入含煤地层[8]。

1.4 研究区的岩浆侵入情况

QN煤矿103采区岩浆侵入较为严重，侵入区几乎覆盖整个采区，主要侵入10煤层。岩浆岩的侵入破坏了煤层的原生状态，使煤层焦化，减少了采区的资源储量；造成煤层变薄或完全被吞噬，不可采区增大，降低了煤层的稳定性。煤层被岩浆岩穿插，出现分叉合并，使煤层夹矸增多，煤层结构趋于复杂；同时岩浆岩沿煤层顶板侵入，使煤层顶板遭受破坏，降低了煤层顶板强度，增加了回采难度。

该区岩浆侵入规律性差，生产揭露情况往往与勘查确定范围出入较大。经生产揭露，10煤层岩浆岩分布范围较精查勘探的范围大，同时岩浆侵入的厚度变化大，在103工作面10煤层回采时发现，岩浆呈树枝状沿煤层中部和顶板侵入。

2 岩浆侵入煤层地质地震模型正演

2.1 正演模型建立

通过地震与地质资料的对比可见，由于岩浆岩入侵的厚度不同，有些区域岩浆岩的侵入引起的地震反射波的变化，表现为反射波能量减弱，同相轴凌乱，地震数据品质变差。而有些地区岩浆岩侵入之后几乎没有引起煤层反射波的明显变化，这就给地震资料解释带来较大的困难[9]。因此，研究岩浆岩的基本地震响应特征，有利于从地震数据上识别岩浆岩，提高地震资料解释精度。

将原生煤层、天然焦与岩浆岩设计在同一模型中，进行正演模拟，分析正演模型反射波的地震响应。正演模型如图1所示，模型宽5 000 m，深600 m，地震子波为主频50 Hz的雷克子波。模型中的物理参数见表1。

图1 放大的煤层岩浆岩侵入正演模型

2.2 正演数值模拟

依据地震波在黏弹性介质中传播地震波场吸收衰减理论对地质模型(图1)进行正演模拟，对模拟结果进行主振幅、中心频率、频带宽度、主频能量等多属性分析，其结果(归一化后)如图2所示。

采用交会分析技术对属性与岩浆侵入厚度、岩浆侵入位置进行研究，对正演数值模拟分析可知：

表1 正演模型物性参数

① 主频能量与振幅类属性对岩浆岩反应较为敏感；而频带宽度、中心频率、平均瞬时频率属性只有在岩浆岩厚度超过煤层厚度一半时才会有明显的属性异常。主要表现为频带宽度增高，振幅最大值、均方根振幅、中心频率、主振幅、平均瞬时振幅降低，主频能量减弱。

② 随着岩浆岩的厚度加大能量类与振幅类属性逐渐降低，当岩浆岩全部吞蚀煤层，这些属性值又有小幅度的增加。

③ 岩浆岩侵入的位置不同，其造成的属性差异不同。同等厚度的岩浆岩的振幅类属性与能量类属性幅值从大到小的规律为：从煤层顶部侵入时、从煤层底部侵入时、从煤层中部侵入。

图2 煤层岩浆岩侵入模型正演反射波属性分析

3 研究区岩浆岩地震属性解释

根据正演，地震属性对圈定岩浆岩分布区具有明显的效果，现就钻孔揭露资料与高密度三维地震资料进行分析，进一步探讨地震属性预测岩浆岩分布区的可行性。

3.1 地震属性特征

以17-18-4、2016-12、18-1、2015-3、2016-16等钻孔(表2)连井高密度三维地震剖面为例，其中17-18-4、2016-12、2016-16三个钻孔存在岩浆侵入煤层的情况，17-18-4、2016-12钻孔岩浆岩从煤层顶部侵入，岩浆岩厚度均为0.4 m，2016-16钻孔处岩浆岩从煤层中部侵入，岩浆岩厚度为1.7 m。18-1、2015-3孔处没有岩浆侵入。对该连井剖面10煤层反射波进行属性分析，时窗选择为10 ms，其属性结果如图3所示。

表2 连井剖面钻孔煤层厚度统计

从图3可以看出：

① 对于岩浆岩较厚区域(如2016-16钻孔)，其地震反射波属性明显异于其他区域，表现为频带宽度、中心频率增高，主振幅、平均瞬时振幅降低，主频能量减弱。

② 对于岩浆岩较薄区域(如17-18-4钻孔)，其频带宽度、中心频率、主振幅属性异于无岩浆侵入区，具体表现为岩浆侵入区其地震反射波的频带宽度加宽、中心频率增高、主振幅降低。而平均瞬时振幅、平均瞬时频率、主频能量属性无法分辨出岩浆岩较薄区。

可见频带宽度、中心频率、主振幅属性可以较好地识别岩浆侵入区，与钻孔实际情况符合程度高，可以为岩浆侵入区的预测提供参考。因此，利用地震属性识别岩浆岩具有可行性。

3.2 高密度三维地震属性识别技术

基于前述地震地质模型正演及研究区10煤层反射波连井剖面多属性分析成果，10煤层岩浆侵入区与无岩浆侵入区在频带宽度、中心频率、主振幅属性有相对明显的区分，岩浆侵入造成10煤层地震反射波频带宽度加大、中心频率增大、主振幅降低。

3.2.1 识别结果

结合研究区地质钻孔岩浆侵入特点，对研究区高密度三维地震勘探资料中的10煤层地震反射波进行主振幅、频带宽度、中心频率属性进行提取分析，成果如图4—图6所示黑色钻孔为无岩浆侵入钻孔，洋红色钻孔为存在岩浆侵入的钻孔，岩浆岩侵入区范围为已有资料划定。

图3 QN煤矿103采区连井剖面10煤层反射波属性分析

图4 QN煤矿103采区10煤层反射波主振幅属性平面图

图5 QN煤矿103采区10煤层反射波频带宽度属性平面图

图6 QN煤矿103采区10煤层反射波中心频率属性平面图

由图4—图6可知：研究区10煤层岩浆岩的分布极其复杂，地震属性差异也不完全相同。地震属性图中颜色用以预测岩浆岩厚度，红色为厚层，厚度大于1 m；黄色为薄层，厚度小于1 m；蓝色为岩浆岩未侵入区。

3.2.2 识别精度分析

属性预测结果与钻孔实见情况符合程度见表3，频带宽度属性预测岩浆侵入的准确度为67.9%，中心频率属性预测岩浆侵入的准确度为67.9%，主振幅属性预测岩浆侵入的准确度为60.7%。

岩浆岩厚度识别结果与钻孔实见情况符合程度见表4，频带宽度属性预测岩浆侵入的准确度为53.85%，中心频率属性预测岩浆侵入的准确度为84.62%，主振幅属性预测岩浆侵入的准确度为53.85%。

由于各类地震属性与地下地质目标并非有一一对应关系，多种地质异常都可能导致某一属性出现相同变化，因而，属性预测与钻孔实见情况很难出现完全吻合。

表3 钻孔处岩浆岩地震属性识别结果与实际揭露吻合情况统计

表4 钻孔处岩浆岩厚度识别结果与实际揭露吻合情况统计

注：第一种情况为厚度小于1 m，处于橙黄色区域；第二种情况为厚度大于1 m，应处于橙红色区域。

4 结论

a.通过多属性对比分析，主频能量与振幅类属性相较于频带宽度、中心频率、平均瞬时频率属性对岩浆岩反应较为敏感，随着岩浆岩的厚度加大能量类与振幅类属性逐渐降低，当岩浆岩全部吞噬煤层，这些属性值又有小幅度的增加。

b.对于岩浆岩较厚区域，地震反射波频带宽度、中心频率增高，主振幅、平均瞬时振幅衰减，主频能量减弱。对于岩浆岩较薄区域，岩浆侵入区地震反射波的频带宽度加宽、中心频率增高、主振幅降低。

c.通过高密度三维地震资料提取地震属性用以预测岩浆岩侵入的效果较好，中心频率预测岩浆岩厚度的效果最佳。由于各类地震属性与地下地质目标并非有一一对应关系，多种地质异常都可能导致某一属性出现相同变化，因而，属性预测与钻孔实见情况很难出现完全吻合。

d.可以对多种属性值配以不同权重因子，合成为总数值加以比较分析，或者配上其他地质异常体的属性研究统合分析来提高预测精度。

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Seismic attribute recognition technology of magmatic rock intrusive coal seam

WU Bin1, MENG Fanbin2

(1.School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Research Institute of Coal Geophysical Exploration, China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou 072750, China)

Magmatic rock seriously affects the coal quality and reserves of the mine fields, has serious impact on the mining face layout, roadway excavation and mining work. Therefore, it is of great significance to detect the scope of magmatic rock intrusion into coal seam for safe and efficient production of coal mine. This paper summarizes the geological characteristics of magmatic intrusions, establishes the geological and seismic model of magmatic intrusion into coal seam. Through forward modeling, it is found that the main frequency energy attributes and amplitude attributes are more sensitive to magmatic rock reaction, and with the gradual increase of magmatic rock thickness, the energy and amplitude attributes gradually decrease. Through the attribute analysis of coal seam 10 in the actual high-density 3D seismic data, it is found that the frequency band width, central frequency and main amplitude attributes can better identify the magmatic intrusion area. Through the analysis of frequency band width, center frequency and main amplitude of coal seam 10 in the exploration area, it is found that the identification of magmatic intrusion area is in good agreement with borehole exposure, which proves that the seismic attribute identification technology can identify the magmatic rock intrusion area of coal seam.

magmatic rocks; coal seam; forward modeling; seismic attributes; high density 3D seismic exploration