地震混沌属性在煤矿陷落柱精细解释中的应用

2022-08-10宋利虎

工程地球物理学报 2022年4期

宋利虎

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

1 引言

陷落柱是我国煤田广泛存在的一种地质构造，且极富区域特色，在山西、河北地区分布较多，并以汾河沿岸、太行山东西麓矿区最为发育，比如阳泉矿区[1]。陷落柱的形成，是由于奥陶系灰岩(简称：奥灰)岩溶的发育和不断扩大，其上覆地层由蚀变逐渐发展到受重力作用而塌落下沉，随后陷落柱内被松散物所充填，由于填充物成份复杂且比较松散，煤层的接触边界两侧存在着明显的密度和速度差异，这就为利用地震勘探技术探测陷落柱提供了物性前提。

随着煤炭采区三维地震勘探的不断深入，国内许多相关专家、学者在煤矿陷落柱形成的力学机理、数值模拟、地震响应特征等方面进行了大量研究工作[2,3]。程建远等[4]、吴守华等[5]从数据处理方面分析了处理参数对陷落柱在地震剖面上异常特征的影响。王琦等[6]、王瑞杰[7]、李强等[8]利用相干、波形差异等属性分析技术对煤矿陷落柱进行了精细解释，取得了可喜的成果[9-11]；张兴平等[12]利用层间属性识别陷落柱。地震多属性分析技术在精细解释、刻画发育于煤层中的陷落柱方面具有较强的指导作用[13-15]。

地震混沌属性是基于局部构造张量特征值的相对大小、组合参数的确定来反映特殊地质体(如陷落柱等)的边界，利用混沌属性可以检测有序反射间杂乱或无反射的区域。混沌现象最早是美国气象学家Lorenz于1963年在分析天气预报模型时，首先发现空气动力学中的混沌现象，并用非线性动力学对该现象进行描述。1975年，混沌属性作为一个新的科学名词首先出现在科学文献中。2012年，吴朝容等[16]把混沌属性应用于小断层或裂缝发育带的检测；2016年，张永华等[17]把混沌属性应用于小型砂砾岩体的预测中，得出混沌属性能够有效突出特殊地质体的边界，刻画异常体的空间展布。本文将地震混沌属性技术应用于煤田陷落柱的精细解释中，以期提高陷落柱的解释精度和准确性，为煤矿安全生产提供地质保障。

2 陷落柱的地震地质特征

对现有资料整理分析，陷落柱的塌陷高度一般在200 m左右，小者有几米至十几米，大者可达到600 m。陷落柱的平面形态大多呈椭圆形，部分呈圆形，少量为不规则形状；直径也大小不等，一般在几十米至百米之间。垂直剖面形态大多表现为圆锥形、筒形、斜塔型、不规则形等[18]。

由于陷落柱内塌陷物大多呈无序、杂乱无章的分布，其胶结程度不一，陷落物与围岩(包括煤层)相比，密度和速度差异较大，波阻抗差异明显。因此，利用地震勘探技术解释陷落柱具有良好的地球物理基础。

地震数值模拟技术是指给定地下地震-地质模型的物性参数，采用合适的观测系统，计算出地震波场。地震波动方程数值模拟的方法主要有Flourier 变换法、Kirchhoff积分法、有限元法和有限差分法等。有限差分法计算速度快，效率高，本文采用有限差分法进行陷落柱的数值模拟，为陷落柱的地震属性解释提供理论依据。

实际煤田地质构造复杂，本文建立的地质-地震模型采用简单的层状水平地层模型，且假定陷落柱内部介质均匀。且煤矿中的陷落柱多从奥灰岩基底发育，其剖面形态多为圆锥形，煤层下部为太原组灰岩和泥砂岩交替互层。地质模型的地层按从上向下编的序号(1～9)，陷落柱序号为10。各层段顺序以及各围岩、煤层及陷落柱的速度、密度参数如表1所示。

表1 陷落柱模型参数[3]

为了更贴近实际地震勘探，本文采用基于声波方程的有限差分法进行正演模拟，道间距为2 m，采样率0.2 ms，采样时间0.5 s。震源子波为40 Hz的Ricker子波，纯纵波震源激发。

直径20 m的穿透煤层的直立陷落柱模型和正演的地震时间剖面如图1所示。对地震时间剖面上煤层反射波进行属性分析(见图2)，陷落柱处最大振幅属性为低值，相干系数值最低，即与正常围岩的相干性最差；从属性异常范围分析，异常的范围约为24 m，比模型中陷落柱的直径(20 m)要大。

图1 数值模拟陷落柱的地震反映特征

图2 直径20 m陷落柱的地震时间剖面与沿煤层属性

3 混沌属性的方法原理

地震混沌属性是构造属性体的一种，主要基于张性算法，通过对地震数据体中地震反射波倾角相似性计算，描述地层内地震反射波的反射特征及反射结构的连续性变化，以检测有序反射间的无反射带，突出地震杂乱反射相,使得异常体(如盐丘、陷落柱等)的异常区域被加强，易于识别。

假设地下空间任一点地震反射振幅在其附近有限区域沿x、y方向的视倾角为α和β，其与真倾角φ之间的关系为：

(1)

式中,s为地震反射点沿视倾向方位的单位长度(单位m)。

在三维地震数据体中，将地震反射振幅作为一个三维空间变量，通过计算任意一点P(x,y,t)的地震反射振幅A(x,y,t)的梯度，求出地震反射同相轴的局部倾角和方位角。反射界面上任一点的法线方位可通过计算该点的梯度来得到：

(2)

如果地震反射能量强、信噪比较高，则地震反射振幅等值面是有序的，相邻点的振幅梯度的方向(即振幅变化最大的方向，为反射同相轴的法线方向)是有规律的。若地层间地震反射波信噪比低、反射杂乱，则振幅梯度就没有规律，是无序的混沌状。

从图3中可以看出，由于剖面(或反射界面)上噪声的存在，法线的方向局部变化很大。为了去除局部噪声的干扰，突出层间地震反射结构的总体特征，通常要对逐点计算的梯度作平滑。由于方向角度的周期环绕效应，常规的平均平滑方法不适用，这时要用特征向量计算方法。在给定范围内，计算出每个点的梯度向量，建立协方差矩阵C[19]：

图3 反射界面(黑色)及其法线方向(红色箭头)示意

(3)

其中，

(4)

式中，C为协方差矩阵；N为给定范围内的样点总数，求解计算出协方差矩阵最大特征值对应的特征向量，也就是某一点的梯度主方向。通过研究三个特征值{λmax,λmid,λmin}的相对大小，来分析反射界面倾角的变化规律。如图4所示，如果地层内地震反射波信噪比高、连续性好，则梯度向量对应协方差矩阵的最大特征值较其他两个特征值λmid,λmin大得多，即λmax≫λmid≈λmin，如图4(a)所示；若地震反射波紊乱，即反射界面的倾角变化大，没有一个主方向，则协方差矩阵的最大特征值与其他两个特征值差别不大，即λmax≈λmid≈λmin，如图4(b)所示。

图4 反射界面倾角变化与三个特征值之间的关系

因此，利用3个特征值之间的相互关系可以判别地震反射波振幅的分布规律和混乱程度。Trygve Randen给出了混乱性度量的定量公式[20]：

(5)

根据式(5)，当地震反射能量强、信噪比较高，振幅梯度有规律，则J值接近于-1；当地震反射波信噪比低、反射杂乱，振幅梯度就没有规律，则J值接近于0。

混沌体属性的计算步骤主要分为三步：①计算梯度向量；②计算局部梯度的协方差矩阵；③通过计算出的三个特征值来突出异常地质体的反映。

陷落柱在地震剖面上的特征主要表现为：标准反射波在小范围内突然中断或消失，变成断续的弱反射同相轴；同时振幅突然减弱、频率降低；反射波同相轴扭曲产状突变或分叉、相位转换等，与相邻道的相似性减弱。混沌属性能够利用反射界面的倾角变化，突出异常体的边界，并能较好地刻画异常体的空间展布，即利用地震混沌属性进行陷落柱解释是可行的。

4 应用效果

本文将混沌属性用于山西XY矿[21]陷落柱的精细解释中，从属性剖面、沿层属性、层间属性等多个方面对比分析了地震混沌属性应用于陷落柱精细解释的效果。

4.1 沿层属性分析

首先利用钻孔资料和测井成果，对本区的3#煤层反射波(即T3波)进行层位标定，然后进行精细层位追踪、解释、闭合，再应用插值后的层位提取混沌体的瞬时属性切片，如图5(a)所示，图中深紫色区域为反射波异常区域的特征反映，与本区3110综采工作面中实际揭露的陷落柱比较，陷落柱位置都有一定的异常反映，沿图5(a)中的红线切剖面，如图5(b)所示，图中蓝色椭圆圈出的区域实际回采工作中未见陷落柱异常，且结合混沌属性剖面，X35和X6陷落柱的异常反映为不规则的“柱状”，上下贯穿，而蓝色椭圆圈出的位置指示T3、T9波层位的异常反映，深部没有异常，这种异常不符合陷落柱发育特征，为“假异常”。

图5 实揭陷落柱在瞬时混沌属性切片和混沌属性剖面上的特征显示

4.2 层间属性分析

实际揭露的陷落柱在地震剖面、混沌属性剖面和层间属性的特征显示，从混沌体剖面和沿层切片上可以看出，混沌属性在陷落柱附近存在异常反映，但属性中还夹杂一些沿层的异常反映(如煤层结构变化等)，为了突出陷落柱在混沌属性中的异常反映，本文使用层间属性技术进行分析研究，地震层间属性属统计学特征范畴，对给定的两个层位间的地质体属性进行统计计算，将计算的结果在一个面上表现出来，突出和刻画层间内异常地质体的属性特征。

X61、X6、X83陷落柱在地震剖面、混沌属性剖面和层间属性中的特征如图6所示。从图6(c)中的10 ms时窗层间混沌属性对工作面内实揭陷落柱的反映较好，边界刻画较为清晰，且消除了其他层间异常。时窗过大会造成层间属性平均效应，一方面不易发现陷落柱异常，另一方面，甚至有可能夸大地质异常体的平面发育范围。