地震属性技术在小陷落柱精细解释中的应用

2021-02-25叶红军李运肖刘润胜

能源与环保 2021年2期

叶红军，李运肖，刘润胜，皮伟

(1.河南省地球物理空间信息研究院，河南郑州 450009； 2.河南省煤田地质局，河南郑州 450016)

煤矿陷落柱是指煤层下覆碳酸盐岩等可溶性岩石被地下水溶蚀后产生空洞，引起上覆岩层冒落而成的柱状塌陷体[1-5]。陷落柱是一种灾害地质异常体，是岩溶水的导水通道，常常对煤矿的安全生产带来重大影响。因此，查明陷落柱的位置、地质特征至关重要。在地震勘探中，较大的陷落柱在时间剖面上反映明显，具体表现为反射波的突然中断、消失、扭曲及绕射等，易于识别[6-8]；小陷落柱则在时间剖面上呈现反射波能量弱、中断不明显甚至无中断，不易识别解释。本文通过对陷落柱的正演模拟及地震属性分析研究，对在常规时间剖面上没有识别出来的小陷落柱进行了精细解释，并得到工程实例验证，效果明显。

1 陷落柱地震响应特征

1.1 陷落柱模型地震模拟

(1)模型1。组建一个由5层地层组成的地质模型(图1)，设定陷落柱在煤层中的发育直径为80 m，煤层厚度为3 m，各围岩速度层、煤层及陷落柱的速度、密度参数见表1。

图1 陷落柱在煤层中的发育直径为80 m模型Fig.1 Development diameter of the collapse column in coal seam is 80 m model

表1 模型参数Tab.1 Model parameters

该模型基于克希霍夫波动方程理论建模未偏移叠加地震剖面如图2(a)所示。地震子波主频为75 Hz，煤层反射波在偏移之前同相轴发生扭曲，在2个断陷外侧，反射波的同相轴有不同程度的弯曲或向陷落中心倾斜的现象，常伴有小断层。经过F—K偏移后的地震时间剖面如图2(b)所示。偏移后，绕射波得到收敛，煤层反射波在陷落柱处突然中断或消失，陷落柱反应特征明显，便于识别。

图2 叠加地震剖面(模型1)Fig.2 An immigrated overlay seismic section(model Ⅰ)

(2)模型2。将模型1中的陷落柱直径由80 m调整为20 m，煤层厚度为3 m，其他各围岩速度层、煤层及陷落柱的速度、密度参数与模型1一致。该模型基于克希霍夫波动方程理论建模未偏移叠加地震剖面如图3所示，陷落柱地震响应特征同模型1类似，但强度有所减弱。

图3 陷落柱在煤层中的发育直径为20 m模型Fig.3 Development diameter of the collapse column in the coal seam is 20 m model

模型2未偏移叠加地震剖面如图4(a)所示，经过F—K偏移后的地震时间剖面如图4(b)所示。偏移后，绕射波基本上收敛消失，在陷落柱发育部位煤层反射波有细微变化，呈现出反射波同相轴连续性变差及弱能量弱震幅特征，这主要是由于煤矿采区CDP网格的限制，在10 m×10 m的网格中，仅有2～3道能对大小为20 m的煤层中陷落柱部位进行控制，再加上受采集处理因素影响，有效道较少，分辨率较低，致使界面绕射三维空间偏移不理想[9-12]。因此，小于20 m的陷落柱在煤层处的反射特征，仅能表现为一弱振幅特征。

图4 叠加地震剖面(模型2)Fig.4 An immigrated overlay seismic section(model Ⅱ)

从上述的陷落柱的地质模型正演结果可知，陷落柱的形成，是由于岩溶的发育和不断扩大，其周围地层由蚀变逐渐发展到受重力作用而塌落下沉[13-14]。随后陷落柱内被松散物所充填，由于填充物成分复杂且比较松散，并与煤层的接触边界两侧存在着明显的密度及速度差异，这是利用地震勘探技术探测陷落柱的基础[15-16]。同时，通过正演可知，较大陷落柱的地震响应在时间剖面上特征表现为：煤层反射波突然中断或消失，在剖面上反射波突然中断，在两断陷外侧，反射波的同相轴有不同程度的弯曲或向陷落中心倾斜的现象[17-18]；而较小陷落柱的地震响应在时间剖面上特征表现为：在偏移之前，异常波主要有绕射波；在偏移之后，绕射波不明显，但反射波的振幅比正常标准反射能量弱。

上述陷落柱的地震、地质特征，为进行煤矿陷落柱的分析、识别提供了理论基础。

1.2 陷落柱在时间剖面上的特征

较大陷落柱在时间剖面上的显示特征如图5所示。由图5可知，有些中间常有部分反射波，两侧像断点(图5(a))，单从一个剖面上看，像一个小型的地堑，但连续追踪解释后，发现会形成一个圆形的圈闭；有些则中间空白，反射波突然中断(图5(b))。

图5 较大陷落柱在时间剖面上的显示特征Fig.5 Large collapse column shows the characteristics on time section

2 地震属性在解释陷落柱中的应用分析

较大的陷落柱(直径大于50 m)在时间剖面上有明显有特征，容易解释，而小陷落柱在时间剖面上特征不明显，极易漏掉。根据前面的正演可看出，它在属性上有一定的反映，如反射波能量变弱会在振幅属性上造成异常，特别在沿层属性中显示为圆形的圈闭。因此，可用属性技术对小陷落柱进行解释。

此次利用VVA和Geoframe提取出所有的属性，结合已知工区地质资料进行研究，比较、筛选出最有利于小陷落柱解释的属性，然后，利用其他一些工区，对这些属性识别陷落柱的能力进行验证，总结属性技术解释小陷落柱的方法。

研究区属山西某煤矿区，陷落柱较为发育。该区域浅深层地震地质条件较好，开展过三维地震勘探工作，主要勘探对象为3号煤，煤层结构简单，厚度稳定，获得的地震资料能量强、信噪比高，利于进行构造解释。

2.1 体属性

常用的体属性有相干体、方差体、曲率体属性。各种体属性的利用，主要利用其沿煤层的层位属性。其处理过程如下：先生成各种体，然后在体上沿3号煤层做层拉平，生成3号煤层的各种属性图。每种软件的各种算法不一致，同一种属性结果也不尽相同(图6)。

由图6可知，Geoframe软件的方差属性、VVA软件的方差属性和相干属性效果都较好，陷落柱异常反映清楚，无论是较大的，还是较小都有显示，在煤层顺层切片上表现为圆形或半圆形圈闭。VVA软件的曲率属性效果较差，虽然陷落柱在其上都有显示，但干扰较大，没有其他几种属性反映得明显、直观。

2.2 层面属性

本次利用Geoframe软件和VVA软件，生成3号煤层的各种属性。通过对这些属性效果的逐个分析，发现VVA软件的弯曲度属性、倾角属性、局部变化率属性、正值曲率属性，Geoframe软件的平均波峰数(Average Peak Value)、最大振幅(Maximum Amplitude)、正极性振幅和(Sum of Pos. Amplitudes)、均方根振幅(Rms Amplitude)、弧长(Arc Length)和平均能量(Average Energy)属性对陷落柱微小变化具有放大作用，易于对微小陷落柱的识别，其他属性效果不如这些属性。

图6 某研究区3号煤层属性Fig.6 Attribute map of No.3 Coal Seam in a research area

2.3 属性的选择与利用

体属性、层位属性都对小陷落柱有一定的反映。结合时间剖面和部分已知资料对比发现，体属性中，反映较好的属性为方差体、相干体；层面属性中，反映较好的属性为平均波峰数、最大振幅、弧长和平均能量。这4种效果基本一致，没有明显的差异。

属性利用时，如用一种属性，会因单一造成遗漏陷落柱或因噪声造成假像，引起假陷落柱；如利用多种属性，会造成解释工作量的增加[19-20]。最后，优先选择了3种属性，分别为：方差体属性、均方根振幅层间属性和弧长属性。在这3种属性都有反映的陷落柱，确定为可靠陷落柱；在一种属性中有反映、其他上面没反映的陷落柱，再返回到时间剖面上，认真分析[21-22]。

3 应用实例

山西某煤矿区已经进行过三维地震勘探工作，对陷落柱的解释主要依靠地震时间剖面及层拉平切片，经矿方采掘验证，部分陷落柱未被识别解释。对此，结合实际情况，对此地震资料进行了二次处理解释，并将前面提到的地震属性技术应用到解释工作中，以充分挖掘地震数据体中的属性特征。通过实际应用，构造变化较大，主要体现为小断层与小陷落柱的解释方面，将原来解释为小断层构造修改为了陷落柱，并新发现解释了多个陷落柱，部分成果已经矿方揭露证实，解释精度明显提高。

以前的技术对陷落柱的解释主要依靠时间剖面和层拉平切片，在层拉平切片上，只有较大的陷落柱有反映，较小的反映不出来，如X2、X3、X9、X10陷落柱，而在方差体顺层切片上大小陷落柱都有较好的反映(图7)。如X3陷落柱在时间剖面上表示为一边断开，另一边连续；X10陷落柱在时间剖面上层位没有中断，仅向下有点弯曲，同时下面的辅助相位断开(图8)。由于这个特征细微，以前的技术没能或都没敢解释成陷落柱。