马家滩矿三维地震勘探技术应用

张玉军

（甘肃煤田地质局综合普查队，甘肃天水 741000）

0 引言

随着煤炭开发利用的不断提高，矿井生产对煤田三维地震勘探的要求越来越高，如何在地震地质条件复杂地区取得高质量三维地震勘探地质成果成为我们急需解决的问题。对此类问题，国内开展了许多相关的工作。徐成明、常锁亮、尹俊清等对复杂地区勘探方法做了相关研究［1-5］。借鉴前人总结的工作经验和方法，我们对宁夏马家滩矿区进行了三维地震勘探工作，总结了一些体会和应用实例，以供业内参考。

宁夏马家滩矿三维地震勘探区地处毛乌素沙漠西南边缘，是典型的地震地质条件复杂区。为查清区内地质构造和煤层赋存情况，采取有效的数据采集方法和有针对性的技术措施尤为重要。本文围绕生产前试验、野外数据采集技术方法、资料处理与解释等关键环节进行全面阐述。

1 地震地质条件

1.1 浅表层地震地质条件

勘探区属低缓的半沙漠丘陵地貌，地势东北部高，西南部低，海拔一般在1 430m 左右。地表为风积沙掩盖，多系风成垄状及新月形流动沙丘，间有植被固定或半固定沙丘。地表松散的沙土层不利于地震波的激发与接收。地面种种障碍物影响炮、检点正常布设，只能采取变观等恢复性措施加以弥补［6-8］。区内大部分地段浅部未见潜水层（仅在南部尚家圈和西部边界地势较低凹的局部地段做点试验时，井深16m 见到过地下潜水），岩性松散且复杂多变又极少含水的浅层地震地质条件，对地震波激发不利，勘探区浅表层地震地质条件复杂。

1.2 深层地震地质条件

勘探区含煤地层是中侏罗统延安组，其平均厚度358.81m，含煤层数多达30层，其中主要可采煤层为中厚或厚煤层，均属稳定煤层，与顶、底板围岩具有明显的物性差异，具备形成反射波的条件，这是有利的一面。然而，区内地质构造极为复杂，褶皱和断裂发育，煤系地层受断裂构造作用，空间产状变化剧烈，赋存形态及分布范围变化极大，部分区域倾角在35°～45°；主要可采煤层埋藏深度在北部不足百米，在东部和西部边界一带却深达千米。勘探区深层地震地质条件一般。

2 数据采集方法

2.1 点试验

针对激发因素主要进行了井深（2m、4m、6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m）、药量（1kg、2kg、3kg、4kg、6kg、8kg、10kg、12kg）、多井组合（2井、3井、4 井、6 井、8 井、10 井）和激发方式（中点、端点）的对比试验。

区内第四系广泛发育，上部为厚度不等的现代风积沙丘及沙土层；中部为冲淤积的黄沙土；底部为古河道、现代河床冲积的卵砾石类沙土。第四系岩性干燥松散，在此介质中放炮，震源能量损失严重，面波等低频成分发育。第四系底部为紫红色砂质黏土、粉砂及砂砾石，即古近系渐新统清水营组，相对较致密，有利于地震波激发。当炮井穿过第四系，进入古近系较致密且坚硬的岩层部位激发，有利于形成反射波从而突出有效波（图1）。勘探区北部、中部及西部沙土层厚，炮井深度一般达到16m，有效波明显；东部沙土层薄（一般2～3m）而砂砾石层却很厚，炮井深度达到16～18m（个别地段达到20m）有效波清晰；南部炮井深度达到16m 时，进入砂砾石层（个别地段含水）激发效果较好。此外，西部边界一带，炮井穿过表层松散的沙土层可进入黏土层（个别地段含水）目的层反射波突出（图1f）。虽然不同类别地段激发岩性不尽相同，成孔难易程度各异，但是，综合考滤浅表层地震地质条件的复杂性，全区激发井深一般为16m、药量为3kg，可获得较好记录。

图1 典型试验单炮记录Figure 1 Typical test single-shot records

通过分析试点资料，有效波具有能量较强，波形特征明显，易于辨认的特征。主频在45～55Hz。勘探区中部和南部，有效波出现在400～600ms 时间段（图1a），北部在400ms 以浅，东、西边界一带在600ms以深。

根据试验数据分析，勘探区存在的干扰波主要有以下几种类型：

（1）面波

面波的发育（近道至远道的呈扫帚状低频干扰）与表浅层疏松砂土、砂砾介质形成的低速带有关。其主频一般为10～14Hz，视速度一般为400～500m/s。面波与有效波在F～K 域差异性明显，资料处理中可以滤除。

（2）声波

声波是本区干扰波之一（图1a、c、d、f，由浅至深、分布在近道的高频线性干扰）。一般是由于钻孔深度难以加深、浅井激发所致。施工中，宜尽可能采取深井并且埋实激发。

（3）微震

微震为高频随机强干扰（图1b的远记录道干扰严重），可以采取避免有风放炮和挖坑埋置检波器的方法进行克服。

（4）工频干扰

勘探区东部有一高压输电线路，南部有采沙场动力用电线路，造成50Hz 工频干扰（图1a 中从零秒开始以恒定频率均匀跳动的地震道）。这种干扰利用陷手段可以滤除。

（5）其它随机干扰

各勘探线正在施工的钻机干扰，施工时提前做好协调，待停钻后方可放炮。另外，来源于地面行驶的车辆、行人、羊群等造成的随机干扰。放炮时应做好警戒、把握时机。

通过干扰波调查，了解其类型，分析其成因，以便采取相应措施予以压制，确保突出有效波［8-9］。

2.2 三维线束试验

在点试验基础上，选择三维线束第20束进行了线束试验。

1）激发因素、接收因素、仪器因素的选择同二维线试验。

2）观测系统采用8 线10 炮束状观测系统进行野外数据采集。西部和东部CDP 网格为10m（纵向）×10m（横向）；位于中部的尖儿庄背斜轴部煤层浅、断裂发育、构造复杂，在二煤底板标高1 150m 以浅范围，采取加密炮排（炮排距40m）和加密道距（道距10m）措施，形成5m（纵向）×10m（横向）的CDP网格，使背斜轴和断层能够得到较好控制。

观测系统类型：8线10炮束状观测系统。

叠加次数：6 次×4 次（纵向6 次，横向4 次）。CDP 网格：10m×10m～5m×10m。接收道距：10～20m。接收道数：48×8 =384 道。接收线数：8 条。接收线距：40m。炮线距：20～60m。炮排距：40～80m。纵向最大炮检距：单端940m，中点480m。纵向最小炮检距：0m。横向最大炮检距：310m。横向最小炮检距：10m。最大非纵炮检距：单端989.8m，中点571.4m。

经过资料处理，得到的时间剖面（图2）反映出杜窑沟断层以西和尖儿庄背斜轴部以及金家渠断层以东反射波连续性较好，地质层位清晰，易于追踪对比；金家渠断层下盘反射波能量较弱，这与断层下盘地层比较破碎有关。

图2 三维线束试验时间剖面Figure 2 3D swath test time section

3 资料处理与解释

3.1 目的层反射波标定

经过认真分析研究偏移数据体和叠加数据体的时间剖面，全区发育多组反射波。其中，能量强、信噪比高，连续性好、易于追踪对比的有两大波组，即上波组和下波组［10］。这两个波组层次分明，在全区发育基本稳定。

上波组和下波组之间一般约有210ms较稳定的层间距。这相当于中侏罗统延安组的上组煤与下组煤的层间距［11］。这两大波组反映的地质构造形态清晰，与煤系地层的沉积产状相一致。上波组一般有一个弱相位和两个强相位。第一相位能量弱，同相轴时断时续；第二、第三相位能量强，同相轴光滑，连续性好，可在全区追踪对比。下波组一般有一个强相位和一个弱相位，能量较强，同相轴连续性较好；基本可在全区追踪对比。

为了确定各组反射波的地质属性，主要利用钻孔测井曲线制作人工合成记录，并与相应的过井地震时间剖面进行匹配。当合成地震道与时间剖面地震道的波组特征（包括振幅、相位、频率以及波与波之间的间距）相一致后，便可确定各组波的地质属性，最终标定出各主要反射波的地质层位［12-13］。

结合钻孔资料，通过分析全区时间剖面的波组特征，选择1203 钻孔进行地震道的正演合成，制作的人工合成地震记录如图3所示。并将过井时间剖面与之匹配，如图4所示。按照由浅至深顺序（出现在时间剖面上的T0值由小到大），上波组的一个弱相位和两个强相位依次命名为T2、T3、T4波；下波组第一强相位命名为T18波（图5）。

图3 1203钻孔人工合成地震记录Figure 3 Synthetic seismic records of 1203 well

图4 1203钻孔人工合成地震记录匹配时间剖面地震道Figure 4 Synthetic seismic records of 1203 well matched time section

图5 主要煤层反射波波组特征Figure 5 Characteristics of the main coal seam reflected waves

T2波：相当于中侏罗统延安组（J2y）2 煤与其顶底板围岩形成的反射波。

T3波：相当于中侏罗统延安组（J2y）3 煤与其顶底板围岩形成的反射波。

T4波：相当于中侏罗统延安组（J2y）4 煤与其顶底板围岩形成的反射波。

T18波：相当于中侏罗统延安组（J2y）18煤与其顶底板围岩形成的反射波。

3.2 资料处理

地震数据处理采用的关键技术：静校正、振幅补偿、叠前去噪、地表一致性预测反褶积、高精度速度分析、剩余静校正、DMO 叠加、叠后去噪、全三维偏移［14-15］。经过资料处理获得很高的信噪比和分辨率，三维数据体如图6所示。

图6 三维数据体Figure 6 3D data volume

3.3 褶曲和断层解释

对于时间剖面上已赋予了地质属性的T2、T3、T4、和T18波完成对比解释后，就可以进行褶曲、断层等地质构造解释，从而确定2、3、4、和18煤的空间构造形态。在时间剖面上，向斜呈下凹状，T0有最大值；背斜呈上凸状，T0有最小值。图7 是沿倾向（即东西向）切出的时间剖面，显示出尚家圈向斜，其斜轴部反射波T0值最大，而两翼T0值逐渐减小；尖儿庄背斜轴部反射波T0值最小，而两翼T0值逐渐增大，其西翼受金家渠断层破坏，与东翼呈不对称状。采用人机联作方法，纵横时间剖面相结合、垂直时间剖面与水平时间切片相结合等解释手段，完成了煤层反射波的追踪、对比解释。

图7 褶曲和断层在时间剖面上的反映Figure 7 Reflection of folds and faults on time section

3.4 煤层露头解释

经过分析已知地质资料，受区域地质构造作用，勘探区西北角煤层抬升变浅，遭受剥蚀而缺失，存在隐伏露头。在这一区域，煤层反射波在时间剖面上出现能量突然变弱、同相轴中断、消失的迹象，可解释为煤层的尖灭现象。反射波尖灭点在平面上的投影即煤层露头位置。经过追踪T2、T3、T4波的在时间剖面上的尖灭点，在勘探区西北角圈出了2煤、3煤、4煤露头范围，随即确定了无煤区边界。

4 成果与结论

查明了尖儿庄背斜、尚家圈背斜、尚家圈向斜和兔场背斜的展布形态。严密控制了勘探区控制了2 煤、3 煤、4 煤和18 煤的起伏形态和埋藏深度。勘探区上组煤在尚家圈背斜轴北部遭剥蚀而存在露头，圈定了2 煤、3 煤、4 煤的露头范围。区内主要可采煤层未受古河床、古隆起等影响。

新发现断层15 条，并对3 条已知断层（杜窑沟支断层、金家渠断层、马柳断层）进一步做了严密控制。查明断层18条，其中正断层2条、逆断层16条，落差大于100m 的断层3 条，落差10～100m 的断层7条，落差5～10m 的断层7 条，落差0～5m 的断层1 条。按控制程度评价，控制可靠断层17 条，控制较可靠断层1条。

本次三维地震勘探取得的地震地质成果可以作为矿井建设和生产的重要依据，为类似地震地质条件地区开展勘查工作提供借鉴。