高原冻土复杂区二维地震勘探技术浅析

杨五辈

摘 要： 研究区平均海拔在4000m以上，近地表为季节性冻土层，其速度具有时变特点，随气温升高，冻土层融化，速度变低，反之速度升高，冻土层与永久冻土层之间存在溶蚀缝洞或者渗流层。从地质露头可以看出，近地表地层倾角比较陡，高寒、缺氧的自然环境，冻土固化的山前砾石堆积地表，复杂的地质结构，给地震勘探带来极大困难。本文针对研究区特点，结合高原冻土二维地震勘探实例，分析了该类地区地震勘探工程的主要难点，阐述了在资料采集、处理及解释中应采取的技术方法。文章在研究区获得了高品质的地震资料，为今后类似地区的地震勘探及其他物探方法奠定了基础。

关键词： 木里煤田； 高原； 冻土； 二维地震勘探

Abstract： The average altitude is 4 kilometer above sea level in research area， it is seasonal tundra near surface， the speed is time-varying， which become lower when tundra is melted as temperatures rise， otherwise， the speed become higher. There are dissolution holes or seepage layer between the tundra and the permafrost. From the outcrop， we can see that there are a lot of difficulties in research area， such as the steep dip Angle formation near surface， high-cold and anoxic natural environment， permafrost curing piedmont gravel is piled up on surface， and the complicated geological structure. In this paper， according to the characteristics of the study area， combining with an instance of the 2D seismic exploration in plateau permafrost area， we analyzed the main difficulties of seismic exploration project in this kind of area， elaborated the technical measures should be taken in data acquisition， processing and interpretation. The paper acquired the high quality seismic data in the study area， laid the foundation for seismic exploration and other geophysical exploration method of similar areas in the future.

Key words： Muli Coal Field；Plateau；Permafrost； the 2D Seismic Exploration.

木里煤田是青海省內的重要的煤炭产地，其资源储量约占全省总探明资源储量的70%以上[1]。煤类以炼焦用煤为主，自20世纪50年代发现木里煤田聚乎更矿区以来，矿区各井田均已达到勘探程度，部分井田建成了露天矿井。

伴随勘探的不断深入，仪器设备的更新换代，技术水平的不断提高，勘探经验的日积月累，复杂山区地震勘探技术已日趋成熟，其应用也在全国各地广泛展开。本文结合工程实例，分析了高原冻土区开展地震勘探的主要难点及相应的技术对策。

1. 工程区概况

1.1 自然环境

木里煤田地处青藏高原地带，冻土发育。工程区海拔高程在4000m～4300m之间，平均海拔4100m左右，该地区是典型的高寒、缺氧地区。年气温在-31.3℃～26℃，夜间气温均在0℃以下。用多数气体测试仪测试氧含量为14.5%～15.1%，大气压620Pa～660Pa（空气中的正常含氧量20.95%，正常大气压1013.25Pa）。以上环境条件，易导致高原突发性疾病，如果保护不当会严重危害施工人员健康，甚至危及生命。

1.2 地质构造

工作区位于木里煤田聚乎更矿区，聚乎更矿区呈NWW—SEE向展布，东西长约19km，南北平均宽约4km，面积约76km2，属于木里坳陷西段。受大通山和拖莱山的强挤压应力作用，木里坳陷逆断层发育，地层破碎严重，其沉积的地层从下至上主要有石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和第四系。其中，三叠系、侏罗系沉积保存完整，分布广泛。

区内中侏罗统含煤地层为木里组和江仓组，在区内分布广泛。大部分地区中侏罗统不整合于三叠系之上，仅有局部地区与下侏罗统整合接触。井田主要含煤地层为木里组，含下1和下2两层煤，厚度较大，全区发育，是主要的勘探对象。江仓组赋存于三露天，含上1和上2两层局部可采煤层。

聚乎更矿区总体上为一复式背斜构造，由一个大背斜和两个小向斜组成，其中北向斜分布有三井田、二井田和一露天三个井田，南向斜由四井田、一井田、三露天和二露天组成[2]（图1）。工作区处于聚乎更矿区南向斜东端，由于受矿区南北侧推覆构造向区内的推挤作用，形成褶皱和断裂构造。

2. 地震工作方法

2.1 技术难点

2.1.1施工难度大

海拔较高、空气稀薄、气温低，严重危害着施工人员的身心健康，施工季节性强。地表起伏大，地表主要为沼泽湿地，水坑密布，浅层条件对地震波的激发、接收都十分不利。车辆通行和人员行走不便，仪器设备搬运困难，给野外施工的后勤保障等都带来很大制约，造成工作效率低下。

2.1.2表层速度结构变化大

区内表层岩性变化不大，但特定地表条件受到气候的影响使得表层速度结构变化较大。春季和冬季气温低，季节性冻土砾石层处于冰冻状态，速度达到2500m/s，而夏`秋季随气温升高，季节性冻土层解冻，速度逐渐变低，速度一般不超过1000m/s。由此可以看出，该区低速层速度具有随着气温变化而变化的特点。高速层速度比较稳定，一般不小于3000m/s。低、降速带变化剧烈，难以建立准确的表层结构。

2.1.3地层倾角大

目的层过浅（接近露头部位），地层倾角在50°～70°，往往存在多次反射波—折射波干涉嚴重，对有效反射波散射严重，影响资料品质，特别是当目的层埋藏较浅时对煤层反射波的干涉更为严重。这种大倾角的特点给地震数据采集和资料的处理解释带来很大困难。

2.1.4地层地质构造复杂

区内正断层和逆断层发育，断层密度大，以逆断层分布为主，在压扭逆断层、逆冲断层的作用下，地层具有明显的双层结构，且局部出现直立，受逆掩断层的屏蔽，下盘反射波能量变弱。为构造解释及后续时深转换带来了很大的困难。

2.2 主要的技术措施

2.2.1前期保障

针对该区域的特殊地表和恶劣的自然条件，采取了一系列的保障措施，使得地震勘探工作能顺利开展。首先，通过详细的工区踏勘，优化测线部署，配备适合高原作业的机械化设备，以最大限度地降低作业人员的劳动强度；其次，严格按照高原作业要求进行人员选拔和作业知识、高原病预防与救治的培训，使得每个人都成为兼职的医疗急救师；最后，在施工过程中精心准备各项应急物资，特别是高原病防治药物器材，劳动保护用品等，确保人员身心健康。特别强调的是要优选施工设备、优化施工方法、选择施工季节，降低对环境的影响。

2.2.2数据采集

①道距的设计。对复杂盆地及山体区复杂的地震地质条件和探测技术问题，比如：各类多次波，侧面波的干扰等，针对这些问题提出了一系列解决的方案[3]，对这次野外激发参数的选择提供很大的参考价值。该区域高徒地质构造非常发育，在这样的区域，要使陡倾角地层较好的成像，道距的设计要能够满足对高陡倾角地层反射的充分采样。在偏移成果剖面上，高陡倾角地层反射波道间时差不大于最高混叠频率波长的一半才可以较好地成像，这样可以根据地层倾角和上覆地层的速度推算空间采样间隔的公式（1）。

（1）

根据公式（1）可以算出，不同地层倾角对空间采样间隔的要求。式中为道距长度，为上覆地层速度，经速度调查可以知道地质露头地层的速度。为倾斜地层的最高无混叠频率，为近地表地层倾角，通过该区地质条件计算出合理的道距。

②接受参数的分析。工区地表类型主要有草场、山体、冲沟、河流、沼泽等多种地貌，高精度勘探强调地震信息的频带宽度，由于模拟检波器动态范围小，与仪器相比，存在“小口对大口”的不匹配现象，即便采用中高频检波器接收，也存在“高频不够，低频不足”的问题，因此，模拟检波器自身的局限性，致使在提高分辨率方面受到很大的限制。根据该区的地表条件和地质任务的要求（目的层浅，分辨率要求高），采用数字检波器。其特点有：响应频带宽、动态范围大、在整个数据传输中不受电磁污染、野外操作方便。

③冻土层中激发。疏松的砾石层对地震波的激发十分不利，而且对地震波的吸收衰减非常严重，同时针对表层速度结构变化大，选择在冻土层中激发，可以避开松散砾石层和强波阻抗界面的影响，从而增加了地震波的下传能量，降低了近地表的散射干扰，使得地震资料的信噪比大大提高（图2）。为此，针对该区施工的季节性特点，选取冬季施工。

2.2.3数据处理

①多次波的干涉处理。往往存在多次反射波—折射波干涉严重，特别是当目的层埋藏较浅时对煤层反射波的干涉更为严重。处理切除时采取炮炮计算切除量和去线性干扰模块。首先识别和分析干扰的波形特征和分布特征，然后在记录中根据信号和噪声特征进行信噪分离，最后对干扰进行压制或者剔除并恢复有效信号能量，从而提高数据的信噪比[4]。

②针对性静校正。静校正问题是资料处理中首先要解决的问题，它是后续其它处理技术应用的基础，也是改善资料品质的关键。对比试验高程、单炮记录初至折射、初至层析静校正方法。本次勘探野外采用道距小，为建立高精度表层模型提供了更多的信息，更有利于提高静校正的精度。通过不同静校正在单炮资料和剖面的对比认识，优选效果最佳的静校正方法。借鉴以往复杂地区的静校正处理思路与经验，在应用野外静校正的基础上，采用分频迭代剩余静校正技术，逐步提高静校正精度，解决静校正问题

③精细速度分析与切除。本区波场复杂，叠加速度纵横向差异大，不同速度对构造形态的成像影响很大，在速度分析中，项目组将首先调查速度变化规律，建立速度场的轮廓；针对资料速度特点，通过试验，优化速度谱参数，提高速度谱的质量，提高速度拾取的准确性；在资料信噪比较低，速度谱质量差，叠加速度难以准确拾取时，采用常速扫描与变速扫描相结合的方式，确定叠加速度场。同时进行限炮检距叠加试验，根据叠加成像效果，精细反复调整切除参数，力争达到最佳叠加效果。

④叠前偏移技术。地震勘探的目标之一是落实地下构造形态，偏移归位是实现这一目标最为关键的环节。本区构造复杂、断裂发育，如何作好偏移归位将是处理的重点之一。也是处理与解释密切结合的关键点。本次偏移归位方法重点是叠前时间偏移技术的研究

2.2.4资料解释

①层位标定。层位标定是提高钻井符合率基础，根据以往的经验，大量制作合成记录，对掌握全区的反射波形与地质属性、层位变化情况以及平均速度的影响十分有益。同时大量的自然电位、电阻率、速度及各种曲深时转换，结合合成记录和地震剖面进行分析，是一种好方法。标定的关键是子波、极性、速度等几个问题。

②模型验证。根据地质特点和构造图，建立构造解释模型，用来验证解释成果的合理性。

力求符合地质规律，多种地震信息验证，地质录井、测井等资料，为正确的划分断块提供了依据，成图后，随时取得钻井反馈信息，反复认识，不断修正成果图。多层作图，不仅限于标准层作图，还要对含煤层系附近及层间都要作图，这样有利于正确地反映有利层系或含煤层系的形态。

③精细的构造解释。精细的解释和反复处理密切相关，且涉及面很广，精细解释成果是勘探工作的最终目的，也是重要环节。不串层，不串相位，断点把握准，水平、叠偏对照。经过精细解释，在查明小断层、小断块、小构造及复杂的隐蔽煤圈闭中都能见到良好的效果。

3. 应用成果

本次二维地震勘探，共完成测线7条，主测线5条，联络线2条，剖面总长16.34km。由于施工方案合理，技术措施方法得当，野外施工严格，原始记录质量较好；目的层齐全，信噪比高，地质现象清晰，断层、褶皱都有明显地反映，取得了丰富的地质成果（图4）。一年来的资料应用，证实了本次研究取得了良好的地质效果。对煤层底板的深度和起伏形态进行了很好的控制，对本区的地质构造条件提出了客观的评价。

①查明了控煤构造为两个走向北西西、倾向南西德单斜构造。两单斜构造以F2为界，在东部呈南、北分布，逐渐演变到西部上下重叠。主要含煤层段在平面、立体空间的展布，较好的控制了主要煤组的分布范围及埋深。确证了F2与F27之间存在一组新的煤层，北部深部有见煤可能性。

②解释断层5条，其中控制原有的3条断层F2、F27、F28，新发现2条断层DF16、DF30，断点9个。其中断距大于100m的断层5条（F2、F27、F28、DF16、DF30），断距大于100m的断点5个（df9、df10、df12、df26、F1），断距小于50m的4个（df13、df14、df15、df26-1）（图4）。

4. 總结与认识

通过本次高原冻土带二维地震项目的成功实施，可以得到以下结论和认识：

（1）完善的保障措施，是高原冻土带地震勘探得以顺利实施的基础和保障。

（2）在地形起伏较大、气候变化较大等高原地区进行地震探测时，野外数据采集采用冻土中激发、抗噪高的灵敏度数字检波器、缩小道距、增加覆盖次数，在提高资料成像效果方面初显优势。

（3）资料处理重点解决地表、地层等引起的静校正问题。针对地层大倾角的具体情况，采用了叠前时间偏移方法，很好地解决了该区构造复杂地震成像困难的问题。

参考文献：

[1] 岳红.青海省木里煤田预测区圈定及资源潜力评价[J].中国煤炭地质，2011：23（12）：11-14.

[2] 王佟，刘天绩，邵龙义等.青海木里煤田天然气水合物特征与成因[J].煤田地质与勘探，2009：37（6）：26-30.

[3] 王妙月.我国地震勘探研究进展[J].地球物理学报.1997：40（增刊）：257-265.

[4] 张奋轩，曹新领.地震勘探在地层倾角较大地区的应用初探[J]. 中国煤炭地质，2008：20（2）：49-52.

[5] 甘肃煤田地质局一四九.青海省天峻县聚乎更煤矿区二、三露天详查地震勘探[G].2007.