高精度三维地震勘探技术在淮南矿区地质勘探中的应用

2022-11-22李云飞

中国金属通报 2022年10期

李云飞

淮南矿区经过40 多年勘探，勘探目标已由上部的13-1 矿层延伸到深部的A 组，原来的三维地震勘探限于当时的技术水平、地质任务、采集参数和设备性能等因素的影响，对深部矿层资料控制较差，使矿区的勘探精度在一定程度上受到了影响。高精度三维地震勘探技术的发展使地震勘探的分辨率、信噪比和精度大幅度的提高。它具有宽方位角、高覆盖次数、均匀炮检距道集、小空间采样间隔等优点，其核心思想是小面元、高覆盖次数。高精度地震资料能够提高资料成像效果，提高了小断层、小陷落柱等地质异常的识别精度，更清晰地反映了地层的构造特征。

1 地质概况

淮南矿田位于华北板块的南缘，整个矿田为一走向近东西的对称构造盆地。勘探区为全隐蔽式矿田，自上而下赋存有第四系、二叠系、石炭系、奥陶系。区内地层为二叠统山西组、石盒子组。勘探区位于背斜的南北两翼，构造较为复杂。下部背斜南翼采区地层走向北西向，倾向南西。断层走向多以北西向发育，斜切地层走向，主要发育断层倾向南西。上部背斜北翼采区地层走向近东西向，断层较为发育，多为近东西走向。

2 地震地质条件

测区地表比较平坦，一般海拔为22m。测区西北是塌陷区被水覆盖，区内有多处鱼塘、藕塘，测区村庄较多，另有预制场、瓦房窑厂及变电所等，公路与乡间道路交错。对测线布设、地震激发造成一定困难。本区地表地震地质条件较复杂。

研究矿区的潜水面大概为2m 左右，判定为浅层。砂质粘土聚集在地层下，为地震激发提供基本条件。研究现场资料发现，出现多种地震波频率。全区盖层为松散冲积层，主要矿层与顶、底板相比物性差异大，故矿层与顶板、底板分界面都是良好的反射界面，可形成较强的反射波,深部目的层受上部地层屏蔽影响反射波较弱。深层地震地质条件一般。

3 资料采集方法

资料采集使用法国428XL 数字地震仪，采用规则束状16 线10 炮观测系统，128×16 ＝2048 道数字检波器接收，道距10m，线距100m，炮距10m，炮排距80m，最大炮间距：1017.30m，CDP 网格5m×5m，叠加次数8×8 ＝64 次。该观测系统具有炮检距道集均匀、覆盖次数高、宽方位角等优点。

测线通过村庄，尽量按直线原则布设，如遇检波点无法埋置，采用特殊方法、小距离偏移检波点位置等方式通过。尽量减少丢炮，降低浅层缺口，必须在障碍物周边或村庄内有利位置布设炮点。工区内及边缘池塘连片，规模较大，影响炮检点的布置。采取距离鱼塘、养殖场30m ～50m内，深井、小药量激发，50m以外正常放炮。水塘水域布设检波器，水深小于1.5m处采用防水检波器接收，水深大于1.5m处，采用压电检波器接收，做好水上测量定位。

4 资料处理流程

针对本区实际情况，资料处理中对联片处理的空间进行了准确定位，采用了初至折射静校正、三次速度分析、DMO 叠加、叠前时间偏移等一系列措施，提高了各主要目的层反射波的信噪比、分辨率和连续性，最大限度保留了波的动力学特征，有利于对资料进行岩性解释,获得了质量较高的时间剖面。处理考虑了浅、深目的层反射波能量、频率变化较大等特点，采用低频目标处理技术，低频数据提高了深部资料信噪比。

针对该区三维地震资料的特点和处理目标，提出了有针对性的处理流程。

4.1 初至拾取

初至拾取的精度和密度对折射波静校正有比较大的影响。

4.2 叠前噪音衰减

针对叠前噪音的特点，用三维FK滤波消除面波和线性干扰。

4.3 折射静校正

采用折射静校正操作主要指为了避免因低降速带的地形、厚度、速度变化引发的波场形变，正常操作流程下可为叠加成像数据处理提供依据，折射静校正所发挥出的效果直接影响矿山地质测量精度。

静校正方法：主要的静校正方法包括野外（一次）静校正、折射波静校正和层析静校正。

（1）野外（一次）静校正。野外进行专门的观测，如小折射、微测井、地形测量等，获得近地表模型中的控制点上的数据，并把这些数据外推或内插到各个点上；然后确定一个基准面或者是一个参考面，再根据地形线高程数据，计算出每一个炮点和检波点上的校正量。

（2）折射波静校正。折射波静校正方法需假设近地表模型由几个局部水平层构成，初至时间被认为是沿着折射界面传播的首波的起跳时间。初至拾取时间被分解成延迟时和折射层速度，再假设波在折射界面上的入射角是临界角，将延迟时转换成层厚度。由于延迟时和观测旅行时之间的关系是线性的，所以折射波静校正一般情况下是稳定的。折射静校正具体实现技术有许多种，但原理都基于基本的折射方程。折射波法大致分为以下几类：截距时间法、相遇法、波前法、延迟时法、海勒斯法、延迟时法、广义相遇法。

（3）层析静校正。层析成像静校正技术以折射波走时为观测数据，求取介质的速度分布，并把地质模型划分成网格单元，用地震层析成像反演使给定的初始速度模型逐步逼近于真实模型，并由最终速度模型计算出静校正量。

静校正应用效果：首先对观测系统进行质量检测，校正明显的炮偏，对工区所有山炮拾取初值，利用初至波层析成像技术反演近地表速度模型，设定基准面高程为22m，替换速度为1700m/s，即可计算炮点和检波点地表一致性层析静校正量。对该静校正进行长短波长分离，将短波长分量应用后，即可进行叠前处理、速度分析等操作，叠加后应用长波长分量，消除地表起伏对区域构造的影响。

4.4 振幅补偿

由于地震波的几何扩散、地表激发接收因素的影响，导致地震记录深浅能量、炮间、轨道间能量的不均衡，为后面的成像及解释反演带来困难。消除这些影响就需要进行振幅补偿处理。振幅补偿处理一般包括几何扩散补偿（或球面扩散补偿）技术和地表一致性振幅补偿技术。经过振幅补偿处理，单炮深浅能量、炮间能量、道间能量得到了均衡，即消除了地表、激发、接收等因素带来的能量上的差异。

4.5 地表一致性反褶积

地表一致性反褶积方法基于地表同一位置的滤波作用与地震波的入射角无关，无论深、中、浅层反射，其滤波作用均相同理论。在做好静校正、叠前去噪和能量补偿等处理环节的基础上，选用地表一致性反褶积来进一步消除因地表激发和接收等因素差异而带来的横向上的波形不一致问题，此反褶积可以从共炮点，共检波点，共偏移距，共CMP 道集四个分量进行统计，计算反褶积算子，使子波的形态与能量分布更趋于一致。

在实际处理中，一般将地表一致性反褶积与预测反褶积组合应用，达到既消除地表影响，又压制多次波及鸣震等可预测干扰波，同时提高分辨率的效果。

4.6 速度分析

速度是地震勘探的核心物理量，速度分析的精度直接决定了成像质量。本步骤的速度分析指叠加速度分析，其目的为获取工区均方根速度场。该速度场即可作为叠加速度直接对CMP 道集进行叠加，也可作为偏移的初始速度进行偏移计算，具有十分重要的作用。一般而言速度分析时通过生成速度谱，在速度谱上拾取速度，通过观察道集是否拉平来判断速度拾取是否准确。

4.7 自动剩余静校正

自动剩余静校正是数据处理常规程序之一，属于反射波剩余静校正方法。自动剩余静校正是基于地表一致性假设的。检波器组在位置i 的延迟Gi 和震源在位置j 的延迟Sj，对所有相应的地震道都是相同的。通常，事先构成一个横型道，例如经过一般处理后的本道集的初步叠加道，或者是经过时移处理后的前一个道集的叠加道。将各道与模型道相关，而不是各道彼此之间相关。相关时可以在一个指定的时窗范围内进行，而不采用整道相关。时窗沿测线其位置和长度均可改变，并可事先适当地对数据进行提高信噪比的处理。

最后强调的是，剩余静校正所使用的是动校后数据集，为此希望动校正速度准确。但是速度分析又受静校正量的影响，而速度分析程序一般没有考虑静校正量的存在，这就有必要把速度分析与反射波剩余静校正组合起来进行重复使用，才能达到比较好的效果。

4.8 DMO 校正

DMO 校正即倾角时差校正，在目的层有倾角的情况下，CMP 道集不是真正的CDP 道集，倾角越大离散越大，DMO 校正的目的是消除倾角时差，实现部分偏移，是NMO 道集接近零偏移距，提高速度分析的精度和叠加成像的质量。

4.9 叠后随机噪音衰减

叠后时间偏移直接在叠加剖面上进行偏移操作，因此首先要保证叠加剖面的质量，为了进一步压制随机噪声，首先进行了叠后随机噪声衰减。

4.10 两步法叠后时间偏移

在时间域重叠后地震数据上进行的偏移为叠后时间偏移，比较常用的方法有频率-波数域法、有限差分法和克希霍夫积分法。其中频率-波数域法包括Stolt 法和相移法。根据伊尔马滋所述，相移法虽然偏移精度高，但效率较低。基于全工区横向不变的低速模型进行一次Stolt 法偏移，再利用剩余速度场进行有限差分法剩余偏移，这样的两步法偏移效果接近相移法偏移，且效率较高。

4.11 低频处理

低频处理适当提高深部地层反射波信噪比，针对A 组矿至奥灰段的断裂构造、陷落柱、溶洞等进行目标处理。有利于对深部矿层、灰岩顶板起伏形态及构造发育情况解释控制。反褶积拓展有效信号的频带，提高低频信号能量。低频信号也能够提高分辨率与成像精度、改善时间剖面质量，将低频信息进行有效拓宽，改善地震资料品质，提高深部反射波能量及连续性，有利于解释、识别深部反射波特征变化反应的地质异常。提高低频信号后下，深部目的层反射波能量有所加强，对下部目的层地质异常的解释更为有利。

5 资料解释流程

资料解释采用常规及低频两套数据体，利用Geoframe软件的强大功能，通过人机联作解释相结合的方法，结合微机版多功能解释软件进行综合分析。利用邻区钻孔测井资料做合成记录，与时间剖面对比，标定主要反射波对应的地质层位，在正确识别上述地震波的基础上，运用波的运动学和动力学特征，进行相位对比和波组波系对比。以垂直时间剖面为主，结合多种地震属性分析技术，充分分析巷道、钻孔等已知的地质资料，最终解释的成果构造控制较为可靠，总体构造形态较为明确，与实际地质情况吻合较好。

6 多属性地震解释

资料解释中运用多种属性解释方法进行综合解释，对细微构造及各种地质异常现象进行了有效识别。地震属性种类较多，本次运用的属性解释方法有：蚂蚁体、相干体、均方根振幅、构造体、谱分解和曲率体等。

6.1 方差体及构造体

地震方差体属性的基础是误差分析，主要通过相邻道地震信号的相似度属性描述地质构造资料。其在地震道特征描述以及目的层展布等方面已经取得了良好的应用效果。因此，地震方差体属性可以应用在构造解释中，由于对构造解释的精度要求越来越高，基于地震方差体属性能够表述出地质构造间不连续的断层与褶皱关系。方差体、构造体技术的核心是计算解释三维数据体中所有采样点的方差值，在一个时窗内计算某一数据道与其周围数据道平均值之间的方差，然后加权归一化后求出该点的值，它对相似性数据进行了压制，使不连续的数据更加明显；构造体是在考虑到数据体倾角属性的基础上的方差体，并保持振幅不变，使断裂特征更加突出。方差体水平切片对特殊地质体尤其是断层的分辨能力远高于普通的时间剖面。因此，方差体、构造体的水平切片可以很好的检测裂缝发育带、识别断层展布情况，对古河道、陷落柱等地质现象都有较好反映。通过对比相干体与构造体切片，可以看出，构造体切片对于小断层、裂隙发育带等细微构造的分辨力强于相干体。

6.2 利用曲率解释

曲率是曲面在某点的褶皱程度的度量。曲率属性是一种新的地震资料解释方法，它的原理是利用底层的弯曲程度进行矿层分析和构造解释，通过对地质体的曲率变化进行分析，能够有效识别裂缝、断层、弯曲和褶皱等地质构造。曲率属性对构造形态的变化非常灵敏，可以反映出目的层细微的变化。当地层中存在地质异常或者断层时，它的曲率属性就会发生突变。它对大的断裂系统的分布有较好的反映，对裂隙发育带和小断层的反映也相当明显。

6.3 蚂蚁追踪技术

蚂蚁体追踪技术基于蚁群算法实现对断裂的识别和追踪。该算法的基本原理是模拟蚂蚁在食物和巢穴之间根据可吸引蚂蚁的信息素浓度寻求最佳的路径。在地震数据中，“蚂蚁”根据振幅及相位之间的差异，沿着最可能的裂缝和断层移动，完成对二者的刻画。蚂蚁追踪解释技术具有直观、快速、客观、精度高等优点。它使边界特征得到增强，特殊地层的不连续性也更为突出，可以对细微构造进行更加精细的识别，断层尖灭位置也可以很好的反映出来。

6.4 振幅属性

反射系数的大小和反射系数的组合决定了地震振幅的大小，因此，地震振幅反映了相应地层的物性变化。振幅的平面变化会反应出对应目的层岩性的变化情况，可以作为判断特殊岩性体存在的依据。还可以在钻探资料的约束下，利用矿层反射波振幅数值预测矿层厚度变化趋势。反射波的均方根振幅，其沿层切片可以有效识别岩浆岩侵蚀、矿层厚度变化、地层沉缺等岩性变化情况。采空区会严重影响反射波的品质，利用振幅属性可以圈定反射波品质变差带，识别采空区。

6.5 谱分解技术

谱分解方法是将地震数据处理成频率切片，将地震数据体从时间域转化到了频率域。它提供了一种在频率域对地震数据进行分析、解释的新途径。从本质上说，将频谱分解算法（如傅立叶变换）应用到地震反射数据后，地震信息就转换为频率信息。地震数据经谱分解后,可以生成振幅谱和相位谱。振幅谱能够识别地层的时间厚度变化情况,相位谱可以检测地质体横向上的不连续性变化，因此谱分解技术相比常规地震技术可以得到更精细的地质体成像。解释人员通过不同频率的数据信息，能够识别出常规解释中可能忽略的地层信息和构造特征。

DFT 谱分解技术是通过短时窗离散傅里叶变换将地震资料从时间域转换到频率域，得到振幅谱和相位谱调谐数据体的一项技术。断层对相位的稳定性影响较大，可以用相位调谐体的切片识别断层。频率变化从25Hz ～80Hz，间隔15Hz。利用谱分解技术可以相应圈定出各种矿层的地质异常范围。

7 地质成果

查明了区内新生界厚度变化，控制了A 组、C3I 组灰岩及奥灰顶界面起伏形态及底板标高，预测了A 组矿层下至奥灰地层之间发育的3 个地震波低速异常带，解释了主要矿层落差5m 及以上断层，利用属性识别技术解释了各矿层厚度变化趋势。根据多属性及振幅变化特征解释，未发现溶洞、直径20m 以上的陷落柱以及火成岩侵入等其它地质构造的异常现象。