二维地震技术在河南省偃龙煤田勘查中的应用研究

袁 燕，蔡兰花，陈云峰

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450000)

河南省偃龙煤田位于基岩低山丘陵—黄土山坡向平原过渡地带，地形条件极为复杂，南部和东部以低山地貌为主，高差较大；北部则以丘陵向平原过渡地貌为主，地形起伏，多梯田，多冲沟。相对高差最大可达480 m。区内居民点、工业园区密集，公路较少，地震勘探施工难度大。南部和东部低山丘陵区或基岩浅埋难以施工填埋炸药的深井，或地震波激发条件极差的残积、坡积物人工卵砾石堆(层)覆盖；北部丘陵向平原过渡地带，为新生界覆盖区，主要岩性为黄土、砂质黏土，浅部普遍有2～3层钙质结核层存在，吸收地震波能量；全区新生界松散层由南向北逐渐增厚，厚度在0～140 m，而区内潜水位普遍较深，一般在80 m以下，远大于炸药井深，地震波激发条件差。由南向北会依次存在基岩浅埋或残积物覆盖地段和钙核层地段，浅层地震地质条件十分复杂恶劣，地震数据采集难度大[1-5]。

偃龙煤田西村煤矿勘查经历了普查、普查续作和详查三阶段地震勘探工作，为了取得较好的地震勘探效果，各阶段地震勘探都经历了的数据采集反复试验，在此基础上才取得了勘探成果，因而也积累了该区地震勘探数据采集经验。本文重点总结介绍该区不同地貌地表条件下，二维地震勘探各种激发方式、采集参数和最终勘探成果，可供读者参考。

1 地质概况

1.1 地层

本区属华北地层区，新生界主要分布在本区北部(深部)。区内中部和南部有二叠系大面积出露，浅部外围则有大面积石炭系、奥陶系和寒武系地质露头[6-8]。

(1)寒武系上统崮山组为白云质灰岩、白云岩，夹泥质条带灰岩等。厚度119～184 m。

(2)奥陶系中统马家沟组主要为浅灰、灰黄、深灰色隐晶—微晶质白云质灰岩、白云质灰岩、白云岩，平均厚46.35 m。

(3)石炭系中统本溪组由灰、深灰色铝土岩、铝土质泥岩、泥岩和薄煤层组成。本组厚一般7.53 m左右，与下伏奥陶系呈平行不整合接触。石炭系上统太原组由厚层状石灰岩、深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩及深灰色细—中粒砂岩和煤层组成。共含煤9层，可采煤层为一1煤层，位于该组底部，属局部可采薄煤层。本组厚度39.07～76.18 m，一般60 m左右，与下伏地层呈整合接触。分3段：①下部灰岩段。自本溪组顶界面至L4石灰岩顶界面，由深灰色厚层状石灰岩(L1、L2)及中厚层状石灰岩(L3、L4)、泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩和煤层(一1、一2、一3、一4)组成。该段厚度在15 m左右。②中部碎屑岩段。自L4灰岩顶界面至L7灰岩底界面，由深灰色泥岩、砂质泥岩、细—粗粒砂岩、L5、L6石灰岩及一5、一6、一7煤层组成。该段煤层均属不可采煤层，偶见可采点。该段厚度25 m左右。③上部灰岩段。自L7灰岩底界面至L9灰岩(或菱铁质泥岩)顶界面，以深灰、灰色石灰岩为主，间夹薄层深灰色泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩及薄煤层(一8、一9)，煤层均不可采。该段厚度在20 m左右。

(4)二叠系下统山西组由灰—深灰色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细、粗粒砂岩和煤层(二0—二5)组成，为本区主要含煤地层。其下部二1煤层为主要可采煤层。分3段：①二1煤层段。自L9灰岩(或菱铁质泥岩)顶界面至大占砂岩底界面，由泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细粒砂岩及二1煤层组成。砂岩一般具水平纹理、脉状及微波状层理，含菱铁质结核及星散状黄铁矿，泥岩、砂质泥岩中富含植物根部化石。该段厚度在20 m左右。②大占砂岩段。自大占砂岩底界面起，止于香炭砂岩底界面，由浅灰色细、中粒长石石英砂岩及深灰、灰黑色泥岩、炭质泥岩及煤层组成。本段以砂岩为主，底部大占砂岩，为二1煤层顶板砂岩。其岩性为长石石英砂岩，中厚层状，层面富含炭质及白云母片，泥硅质胶结，具交错层理，常相变为粉砂岩夹多层薄层砂质泥岩。该段厚度在30 m左右。③香炭砂岩段、从香炭砂岩底界面起，止于下石盒子组砂锅窑砂岩底界面，由灰色细、粗粒砂岩、砂质泥岩及泥岩和薄煤层(二4、二5煤层)组成。

(5)二叠系下统下石盒子组由砂岩、泥岩、砂质泥岩、薄煤层组成。砂岩一般为浅灰色、灰绿色细、中粒长石石英砂岩，泥、硅质胶结，交错层理发育。泥岩、砂质泥岩多为浅灰色、灰色，含铝土质，局部为铝质泥岩，底部一层铝土质泥岩具鲕状结构。本组含三、四、五共3个煤段，但一般其层位均为薄煤线或炭质泥岩，未见可采煤层。

(6)二叠系上统上石盒子组为泥岩、砂质泥岩、砂岩、薄煤层。本组泥岩一般为浅灰色含铝土质，局部可见鲕状结构。砂岩多为灰白色细、中粗粒长石石英砂岩，泥硅质胶结，交错层理发育，较坚硬。底部田家沟砂岩一般由3层中、粗粒长石石英砂岩组成，分选性差，为良好标志层。

(7)二叠系上统石千峰组下起于平顶山砂岩底界面，上止于金斗山砂岩底界面。总厚度约380 m，与下伏地层呈整合接触。根据岩性特征可划分为平顶山段和土门砂岩段。前者主要为灰白色粗粒石英砂岩，含少量长石及杂色矿物，硅质胶结，分选性差，含有石英岩细砾，局部夹灰绿色薄层泥岩。砂岩岩性坚硬，抗风化能力强，在地表常形成单面倾斜山脊；后者由紫红色、灰绿色泥岩、砂质泥岩、砂岩、同生砾岩及泥灰岩组成。

(8)三叠系下统刘家沟组岩性主要为灰紫、紫红色细砂岩、长石砂岩、石英砂岩、钙质粉砂岩，夹砂质黏土岩。为干旱气候下的河流相沉积。古近系陈宅沟组为砂质黏土岩、黏土质砂砾岩互层夹透镜状砂岩。第四系为亚黏土、黏土夹砾岩、粉砂质亚黏土、亚砂土、砂砾石、卵石等。

1.2 构造

区域构造位置位于华北地台南缘渑池—确山陷褶断束内，嵩山大背斜北翼。断裂发育，多呈高角度正断层，呈北西、北东、近南北向和近东西向展布[9]。

1.3 煤层

根据详查区南邻浅部勘查及生产矿井资料[10]，本区含煤地层为石炭系本溪组、太原组，二叠系下统山西组和上、下石盒子组。含煤地层总厚680 m；该区含煤7组计29层，煤层总厚15.89 m，含煤系数为2.34%。其中，二1煤层为全区可采煤层，太原组底部的一1煤和山西组的二2煤层为局部可采薄煤层，可采煤层总厚5.12 m，可采含煤系数为0.75%。

(1)二1煤层。位于山西组下部，区内煤厚0～14.25 m，一般厚3.96 m，煤层层位较稳定，厚度有一定变化，结构较简单，一般不含夹矸，局部含夹矸1～3层，岩性多为泥岩及炭质泥岩。属较稳定型煤层。为全区可采的厚煤层。

(2)一1煤层。位于太原组底部，L1灰岩之下，上距二1煤层70 m左右，下距奥陶系灰岩一般10 m，一1煤厚0.19～1.06 m，结构简单，偶含夹矸1～2层。属不稳定的零星小片可采薄煤层。

(3)二2煤层。位于山西组的中下部，下距二1煤约15 m，煤厚0.05～1.74 m，平均厚0.67 m，结构较简单，局部含夹矸一层。为不稳定的零星小片可采薄煤层。因其上有香炭砂岩，下有大占砂岩及二1煤层可用作对比标志。因此，一般对比可靠。

2 野外工作方法

2.1 试验工作及结论

试验工作的重点放在激发参数试验上。此次试验工作经历时间比较长，分别进行了深井、炸药震源试验(试验了井深、井组合、大炸药量试验)和可控震源试验(先后进行了2～3 台18 t可控震源组合激发试验)，由点到线，在不同的线上作了段试验，效果较好。并提出了相关的生产参数：①观测系统：点距20 m，炮距20 m，120道接收，中间点激发。②在基岩出露去，半山坡区采用井深3.5 m，装药量0.8～1.0 kg；在黄土区采用井深12 m，装药量2 kg；资料差时采用12 m双井组合，总装药量4 kg。③生产过程遇资料变差时要试验改善，取得效果后方能生产。

2.2 数据采集方法

普查阶段数据采集采用接收点距20 m、激发点距20 m、48道接收的24次覆盖观测系统，偏移距100 m，排列一端激发(一般在地层下倾方向激发)。在目的层较深的北部，有效波信号较弱，为了进一步提高叠加次数，部分地段使用60道、72道接收，使叠加次数提高到30次以上；检波器组合为6个检波器(3个串联后，再并联)，沿线线性组合，组合距1.5 m，组合基距7.5 m；记录长度2 s，采样间隔1 ms，全通带接收；震源为炸药震源，井(坑)深、装药量根据试验结果，视不同地段具体情况而定：在测区南部采用浅坑炮激发，一般每个点2个坑，沿测线组合，组合距5 m，坑深挖到基岩为止，若在2 m之内挖不到基岩面，则用洛阳铲加深至打不动为止，装药量每坑0.6～0.9 kg；在浮土或碎石土较厚的地段采取挖坑与洛阳铲相结合的办法尽量加大井深，2～3坑(井)组合，单坑(井)装药量1～3 kg；在北部覆盖层更厚的地段，采用三轮车钻、洛阳铲相结合的手段，能上钻的地段用钻机，打深井(15 m)，不能用钻机的地段用洛阳铲打2～3井组合，单炮装药量4～8 kg，多数为6 kg；东部山上，采用坑炮激发，一般为2～3坑沿线性组合，坑深1.0～1.6 m，每点总装药量1～3 kg，重新补炮段装药量4.5 kg。

低(降)速带调查采用小折射方法。小折射选在测线附近地形平坦的位置，数据采集时，采用排列端点小药量(0.15～0.50 kg)、浅坑(0.5 m)激发，小排列(125～250 m)内不等小道距(0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、10.0 m)每道单个检波器接收，记录长度1 s，采样间隔0.5 ms。前期普查阶段小折射的做法是排列两端各放1炮，续作阶段的做法是在排列两端各放2炮，端点0偏移距1炮，在其延长线上隔一定的偏移距再放1炮，以期加强解释。

普查续作阶段的数据采集分为2部分：①生产前的试验；②施工南部加密的测线。试验工作集中在测区北部，由于试验未能取得较好的效果，而中止了北部的施工。南部加密的测线则按第一期普查南部测线数据采集的方法、参数施工。与第1期施工不同的是，仪器由SMMIT地震仪改为408UL数据采集系统，观测系统由原来的48道接收增加为60道接收，叠加次数由前期的24次叠加提高到30次叠加。详查工作在对以往工作进行了充分的总结分析，并结合本次所作的试验工作，确定本次地震勘探工作的参数见表1。

表1 详查工作地震勘探参数Tab.1 Seismic exploration parameters of detailed survey

3 资料处理与解释

3.1 资料对比处理

本次详查工作采用428XL数字地震仪，而普查续作阶段采用408UL型数字地震仪，2台仪器均属同一公司生产的同一系列仪器，性能指标相同，由于本次详查工作相比普查续作阶段，在激发方式上有了改变。因此，除了正常的点试验和段试验工作外，本次详查工作在普查的DZ16线上施工了1 km的地震测线进行对比试验工作。资料处理后与以往的剖面进行了对比，剖面特征基本上相同。DZ16线重复段剖面对比如图1所示。

图1 DZ16线重复段剖面对比Fig.1 Profile comparison of repeated section of DZ16 line

3.2 资料处理流程

资料处理流程[11-13]如图2所示。

图2 资料处理流程Fig.2 Data processing flow

3.3 资料解释

将地震数据转化为地震成果的过程为资料解释。解释人员需在熟悉本区地质条件的基础上，从分析区内地层序列及其岩性特征出发，进而细致分析研究地震时间剖面，分析反射波组与地质层位的对应关系，总结出目的层反射波的反射特征，而后进行目的层反射波对比追踪和构造解释，并将解释的成果编绘成图件[14-16]。

4 地质成果

4.1 新生界厚度变化情况

由于本区大部分新生界厚度较小，在地震剖面难以得到有效的反射波，因此新生界等厚线图是根据已施工过的钻孔进行编制的，因此在厚度的变化情况可能存在一定的误差。新生界等厚线如图3所示。由图3可知，本区的新生界厚度由南往北逐渐变厚，厚度在0～140 m。

图3 新生界等厚线Fig.3 Cenozoic isopach line

4.2 二1煤层分布范围及煤层底板形态

二1煤层是本次勘查的主要目的层，赋存于山西组西部，大部分区域层位较稳定，属全区可采煤层。二1煤层底板形态总体走向北东，倾向北西的单斜构造，地层倾角在7°～17°，详查区东部，地层转折向南，走向接近南北向，倾向西，地层倾角在10°左右。煤层底板在北部发育有褶皱构造，但是由于北部测线较少，且获得的资料品质较差，因此北部存在的褶皱构造的可靠性相对较差。区内断层较发育，主要分布在详查区的中北部，详查区二1煤层底板标高在-250～-1 400 m。其中，二1煤层底板标高在-900 m以浅(埋深在1 200 m以浅)的面积约38.41 km2；二1煤层底板标高在-1 250～-900 m(埋深1 500～1 200 m)的面积约29.16 km2。二1煤层底板整体形态构造如图4所示。

图4 二1煤底板等高线平面Fig.4 Contour plan of Ⅱ1 coal floor

4.3 断层

全区共解释断点23个，其中A级断点8个，B级断点5个，C级断点9个，共解释断层8条，孤立断点4个。对详查区原普查阶段所解释的F2、F3、F4和F5断层进行了进一步的控制，本次重新命名为F2、F3、F7、F8，重新解释断层2条(F4、F5)。根据断层发育程度，详查区构造复杂程度为中等。

(1)F1断层。该断层是以往地质上确定的嵩山断层，是个较大的平推断层，断面倾向南西，为南西盘下降的正断层，垂直落差200～300 m，在区内延伸长度约为7 200 m。本普查区已有3条剖面跨越，相邻普查区有2条剖面跨越，其中4条剖面显示较好，表现为反射波同相轴错断，出现杂乱反射带，也可大致看出断层面的倾向，其断点评级为1A+3B。只是由于该区段地震地质条件复杂，有的地震剖面反射波特征不够明显，但是根据其他相关地质资料基本可以确定其上下盘关系。断点评级为1A+3B，其控制程度为可靠断层。F1断层在DZ32线上的显示如图5所示。

图5 F1断层在邻区详查区DZ84线上的显示Fig.5 Display of F1 fault on DZ84 line of detailed survey area in adjacent area

(2)F2断层。F2断层位于详查区西部，区内共有3条剖面对其进行控制，断层走向北西，倾向南西，落差北大南小(180～48 m)，在区内延伸长度为3 660 m，L3和L4线上断点处表现为反射波组错断，反射层深度突变，断层的存在较明显，L5线该段由于无法施工没有时间剖面显示，但是根据交点闭合的原则来确定L5线空白段两侧的T2反射波波组，仍然可以看出断点是存在的，断点评级为1A+1B+1C，该断层属较可靠断层。

(3)F3断层。该断层位于详查区西南部，断层有3条测线进行控制，为走向北北东，倾向北西西的正断层，落差0～90 m。断点显示清楚，反射波组明显错断，为A级断点；FPL4-3断点右侧T2波显示较差，但有DZ24线交点控制，断层两侧反映深度明显不同，解释断点为FPL4-1，属B级断点；DZ23线断点处显示相对清楚，其下盘反射波组较明显，上盘可根据交点闭合确定反射波组，该断点属C级断点。断点评级为1A+1B+1C，故该断层属较可靠断层。

(4)F4断层。该断层位于详查区中部，断层有2条线(L3、L5)对其进行控制，走向北西，倾向南西，断层性质为正断层，落差在0～243 m，在区内延伸长度为2 850 m。L3线上断点两侧的反射波组不清晰不连续，仅根据其与主测线的交点来确定反射波组，因此该断点评为C级断点；在L5线上的断点两侧反射波波组相对较清晰连续，波组错断较明显，基本能够确定断层的上下盘关系，评价为B级断点。断点评级为1B+1C，该断层属控制程度较差的断层。

(5)F5断层。该断层位于详查区中部，断层有4条线(DZ15、DZ16、L3和L5)对其进行控制，走向北西，倾向北东，断层性质为正断层，落差在0～245 m，在区内延伸长度为2 450 m。DZ15线上断点两侧反射波组清晰连续，断层特征反映明显，属A级断点；DZ16线断层下盘反射波组能量强，连续性好，下盘可根据交点闭合来确定反射波组位置，属B级断点；L3线上断点两侧的反射波组不清晰不连续，仅根据其与主测线的交点来确定反射波组。因此，该断点评为C级断点；在L5线上的断点两侧反射波波组相对较清晰连续，借助于主测线的交点也基本能够确定断层的上下盘关系，评价为C级断点；断点评级为1A+1B+2C，该断层属控制程度较差的断层。

(6)F6断层。该断层位于工区东北部，断层只有2个断点(FPL1-1、FPL2-1)控制，为走向北西的正断层，倾向南西，落差北大南小(268～120 m)，在区内延伸长度为3 900 m。两剖面质量较差，断层显示不够清楚，FPL1-1断点的确定依据是：断层东、西侧分别有DZ4线和DZ8线剖面控制层位深度，按时间剖面显示的反射层的产状趋势，解释为断层；FPL2-1断点的确定依据与FPL1-1相似，均属C级断点。断点评级为2C，故该断层为控制程度较差断层。

(7)F7断层。该断层位于详查区的东南部，临近详查区的边界，该断层为走向南西，倾向北西的正断层，落差在0～135 m，在区内延伸长度为150 m，仅有1个断点，该断层为普查续作阶段所解释的F5断层(由DZ04和DZ08控制)，本次详查所布设的DZ07线没有该断层的反映，但是由于DZ04线落差相对较大，因此将其解释为1个断层，同时DZ08线原有的断层解释为1个孤立断点。

(8)F8断层。该断层位于详查区的东南部，临近工区边界，该断层为走向北东，倾向北西的正断层，落差27～106 m，在区内延伸长度为3 150 m，该断层有3条剖面进行控制，分别为DZ02、DZ04和DZ07，3条剖面上对该断层的反映都比较明显，断点显示如图6所示，均属A级断点，该断层的为可靠断层。

图6 F8断层在DZ07线上的显示Fig.6 Display of F8 fault on DZ07 line

5 结论与建议

(1)在基岩浅埋低山丘陵—丘陵斜坡向平原过渡地带，二维地震勘探激发方式不能满足要求，需要因地制宜综合使用多种激发方式。①基岩浅埋山区：浅坑小药量多点激发，坑深到基岩，压实厚埋炸药。②浮土或碎石土覆盖山区：深坑(井)中药量多点激发，坑(井)深到基岩。③新生界厚覆盖层区：单井大药量单点激发，井深15 m。井深小于15 m时，一律2～3坑(井)组合激发。

(2)综合利用普查、普查续作和详查3个阶段地震勘探资料，勘探网度达到了500 m×750 m，满足了详查工作要求，取得的主要地质成果：①查明了区内地层构造形态，二1煤层构造形态大体为向北倾斜的单斜层。解释推断断层8条，可靠和较可靠的断层各2条，控制程度较差的断层4条，全部为正断层，其中落差小于100 m的断层1条，落差100～200 m的断层3条，落差大于200 m的断层4条，断裂平面位置误差不大于150 m。②基本确定了主要可采煤层分布范围及埋深变化，主要可采煤层二1煤全区都有分布，未发现隐伏露头，该煤底板标高为-250～-1 400 m，南浅北深，煤系地层倾角7°～17°，走向近东西，为向北倾斜的单斜构造。

(3)由于本区浅层地震地质条件复杂多变，低速带厚度和速度不稳定，难以利用T2反射波的振幅频率等特征预测煤层厚度变化趋势，缺少二1煤层厚度预测成果，有待进一步研究。