基于数字检波器的奥灰内部溶洞地震成像技术研究

张宪旭

(中煤科工集团 西安研究院有限公司，西安 710077)

0 引言

国外碳酸岩油气藏开采量和储量都是第一，地质工作者对碳酸盐岩成像开展了大量的研究。近些年我国在碳酸盐岩油气藏勘探方法也取得了长足进步，特别是塔里木油田针对单点数字检波器高密度勘探技术的攻关[1]，提高了复杂构造中的孔缝洞地质异常体成像精度,使得我国碳酸盐岩溶洞型油气储量逐年提高[2-4]。

近些年，煤炭行业对奥陶系灰岩研究的投入不断增加，这是因为随着煤炭开采深度的增加，煤矿底板奥灰突水风险也随之大大增大，严重威胁着矿工的生命安全[5-7]。消除底板水害保障矿井的安全高效生产，迫切需要弄清楚奥陶系灰岩顶界面及其内部构造，而奥灰的精确成像是查明其构造，进行风险预测的前提[8-10]。近些年，国内煤炭相关研究单位联合生产部门,对奥灰陆续开展了全数字高密度三维地震勘探、高密度电法勘探、钻探和煤田水文地质等学科的研究[11-13]。特别是近些年在淮北地区全数字高密度地震勘探投入力度非常大，也是期望对奥灰成像有所突破，但由于煤层对地震波有强烈的屏蔽作用，其能量很难穿透煤层到达下伏地层，加之奥灰内部发育的岩溶大多数为尺度不大的孤立体，使得奥灰成像不能满足实际需求[14]。

基于此，笔者针对淮北地区某煤矿数字检波器采集的数据，结合奥陶系灰岩的沉积和剥蚀特点，总结出针对奥灰顶界面及其内幕的煤矿数字检波器地震资料成像方法，为煤矿解决底板奥灰水的难题提供更为精确可靠的地质信息。

1 奥陶系岩溶的特征

奥陶系岩溶的沉积环境决定着岩石的岩性、厚度、岩石微观结构和宏观形态；剥蚀环境决定着岩石的风化程度、剥蚀物的搬运距离和岩溶发育规模[15]。岩溶发育主要是由于地壳抬升，碳酸盐岩露出水面，接受大气降水和地表水共同作用发育岩溶。其典型产物有不整合面、石林、冲蚀沟、溶洞和溶蚀孔[16]。其中规模较大可以被地震所识别的有：①风化壳，一般发育规模较大，表面凹凸不平，岩性主要以角砾岩、古土壤、铝土矿等风化壳残积物为主；②古喀斯特作用面，作用面的厚度一般在几十米，在该深度之内是溶洞、陷落柱、地下暗河主要发育的场所，岩性主要为碳酸盐岩和岩溶残留物。

2 模型模拟与分析

对奥灰沉积模式、剥蚀模式和构造演化有了一定的掌握后，构建模型模拟半个盆地来对整个岩溶地貌和地震数据中的特征进行说明(图1)。根据数字模型模拟结果，对碳酸盐岩的典型地震响应特征进行总结。

2.1 模型构建

模型尺度为100 km×1 km(图1)，模型自下而上设计了两套灰岩，第一层纵波速度为5 300 m/s，密度为2.9 g/mm3；第二层的纵波速度为4 800 m/s，密度为2.5 g/mm3；灰岩与上覆地层之间模拟的是风化壳，风化壳以下100 m内是古喀斯特作用面，其中包含垂向的落水洞和水平溶洞，灰岩凹陷处填充铝土(纵波速度为3 800 m/s，密度为2.3 g/mm3)，煤系地层中设计了两层煤层(厚度分别为10 m和2 m，纵波速度为2 000 m/s，密度为1.6 g/mm3)；为了方便说明问题，模型模拟的是一套完整的奥灰剥蚀体系，从大的格局来展现风化壳、溶洞的地震响应特征。

2.2 碳酸盐岩的地震响应

对模型进行放炮模拟，经过处理得到偏移成像剖面(图2)，结合奥陶系的岩溶特征，对地震成像结果进行分析与总结。

1)风化壳。由于不整合面受到侵蚀，岩层的孔隙和裂隙较为发育，岩性也发生较大改变，因此与上覆地层的波阻抗差异较大，风化壳在地震剖面中振幅能量仅次于煤层反射，在宏观尺度上表现出同向轴弯曲和振幅横向变化，这是识别不整合的典型标志。

图1 岩溶模型Fig.1 Karst model

图2 模型地震剖面Fig.2 The seismic section of model

2)古喀斯特作用面。碳酸盐岩缝洞体系在地震剖面上总体表现为杂乱反射结构，内部由强弱相间形态不规则的同相轴组成，在风化壳以下0 ms～60 ms左右的古喀斯特作用面内主要表现为弱振幅反射或空白反射；岩溶发育带表现为能量较风化壳振幅弱的异常反射，垂向溶洞表现为串珠状反射结构，水平溶洞表现为沿水流方向连续性较弱的蚯蚓状反射；坍塌体和陷落柱表现为风化壳反射出现中断、下拉和变弱。

3 数字检波器的特点

数字检波器是基于微机电系统(MEMS)的新型数字加速度检波器，MEMS 数字检波器直接将模拟信号在检波器端数字化，降低了模拟信号由于传输过程导致的精度损失[17-18]，并且MEMS数字传感器的灵敏度高，记录微小信号的能力更强[19-20]。数字检波器相对于模拟检波器具有以下几点优势：

1)频率响应范围宽。在频率响应上，数字检波器的理论记录范围为0 Hz～500 Hz，可以真实记录低频信号和高频信号，反映实际信号的真实形态不发生畸变。

2)数据的动态范围大。数字检波器可记录的地震信号的动态范围为80 dB～90 dB，采集系统的动态范围达到120 dB，记录微小信号的能力更强。

3)抗电磁干扰能力强。由于数字检波器是MEMS芯片，从根本上摆脱了电磁干扰的影响，对电磁电干扰、空间射频干扰、突发脉冲干扰、工业干扰波(50 Hz交流电)有较强的抗干扰能力。

由图3(a)可知，数字检波器比模拟检波器在低频端具有无畸变的记录能力。对比在相同位置接收信号的数字检波器( 图3(a))和煤田地震勘探常用的60Hz 模拟检波器( 图3(b))的频谱图可以看出，数字检波器记录的数据振幅峰值达到1.4×106，模拟检波器数据的峰值只达到3×105，这说明了数字检波器对低频信号具有较好的记录能力和更大的动态范围。

图3 模拟与数字检波器数据的理论和实际频谱图Fig.3 The theoretical and practical spectrum of analog and digital geophone data(a)理论频谱；(b)实际频谱

4 实际数据地震成像

根据模型对奥陶系岩溶的模拟分析对岩溶在地震剖面中的响应特征有了一定的认识，这将对后续的数据成像和识别起着重要的指导作用。地震波中低频信号对地层有较强的穿透作用，是解决煤层对于下伏地层屏蔽作用的关键，因此在地震数据处理过程中，对低频信号的补偿和保护将是成像的前提。

4.1 实际数据地质情况

勘探区位于安徽省淮北地区某矿，区内地势平坦地表起伏较小，地面标高21 m～24 m，激发条件较好，属于地震地质条件较好的地区。勘探区位于华北石炭二叠纪聚煤区南缘，属于华北型聚煤期，为全隐伏煤田，主要含煤地层为二叠系上、下石盒子组、山西组，下伏石炭系太原组含煤数层但煤层较薄。古生代的加里东运动使地壳整体隆起沉积发生间断，使中奥陶统与中石炭统呈假整合接触关系。

奥灰全区分布，厚约500 m左右，其顶界面距下组煤一百五十多米，奥灰的上覆地层为本溪和太原组，其中太原组厚度一百多米，其岩性为灰岩与奥灰岩性差异不大。但是由于奥灰在加里东运动时期，长期接收过剥蚀，存在风化壳，波阻抗差异相对较大，是奥灰顶界面呈现的基础。

4.2 成像问题与难点

奥灰被剥蚀之后，其顶界面所形成风化壳会出现起伏不平的现象，在剥蚀区域内岩性相同的地层由于剥蚀程度不同会出现阻抗差异，不利于地震波形成有效反射。最为重要的因素是上覆煤层强烈的屏蔽作用，使得奥灰顶界面的反射能量较弱、连续性差、成像较为困难，风化壳以下的古喀斯特作用面中的溶洞、陷落柱或落水洞由于体积小成像更加困难。

数字检波器具有宽频带记录的特性，采集到的数据中能记录到更多的低频和高频信息，数据中的弱信号较常规检波器记录的信息更为丰富，但带来的缺点是记录的噪声能量更多。通过改进现有的处理流程，在去除噪声提高信噪比的同时保持数字检波器频带宽的优势，是解决煤层屏蔽下的奥灰弱反射信号成像问题的关键。

4.3 数据处理关键步骤

针对奥灰成像的难题，结合数字检波器的特点，对常规数据处理流程进行了改进。其目标是保护数字检波器的频带宽的优势，达到对煤层下伏奥灰的精确成像的要求。

1)噪声压制。由于数字检波器具有宽频和大动态范围接收的特点，实际数据在记录有效信号的同时也记录了更多的噪声，因此有效对噪声压制的同时保持弱信号不受影响，是奥灰成像的第一步。噪声衰减方法需要选择从原理上保幅的模块，谨慎测试模块参数，保证在有效压制噪声的同时保护弱信号。例如对于低频面波干扰，采用自适应相干噪声压制方法，根据其主频与视速度参数，在面波的优势频段内构建模型，用神经网络算法将数据与噪声模型相匹配，采用减法对面波进行压制。

图4 数字检波器滤波前后单炮对比图Fig.4 Comparison of the digital geophone raw shot and shot after filtered(a)数字检波器单炮;(b)滤波后的单炮

2)低频保护。数字检波器最大优势之一是可以无损的记录低频信息(图3(a))。通常煤矿常规检波器是60 Hz的模拟检波器，它相当于一个0 Hz～60 Hz的高通滤波器，它的优势是可以对低频的面波噪声进行有效地压制以达到提高信噪比的目的。但煤层下伏的反射由于煤层的屏蔽作用，高频数据衰减严重，其下伏地层的反射频率较低，常规检波器也会因为高通效应而将反射能量一并去除。图4(a)为工区内实际数字检波器单炮数据，单炮数据中700 ms是奥灰顶的反射，其能量较强，连续性较好。由于实验工区内的模拟检波器的单炮数据搜集不到，为了有效说明低频分量的对奥灰成像的贡献，使用0 Hz～60 Hz的高通滤波器对单炮数据进行滤波，用来说明缺失低频信息的模拟检波器与数字检波器对奥灰反射波的记录效果。从图4可以看出，经过滤波后奥灰顶部反射同相轴(红色箭头所指之处)几乎消失，说明低频能量穿透性强可以将煤层下伏奥灰反射带回到地表，而模拟检波器因为其本身的高通效应而无法记录。因此对数字检波器记录到的低频信息的保护,是解决该矿煤层下伏奥陶系灰岩成像的关键。数据处理过程中，需要对低频进行严格的保护与补偿，具体过程需要注意：①使用带通滤波器时需要仔细做频带扫描测试来确定低通和低截参数，保障有效的反射信号不损失；②低频噪声选用保幅的预测相减法去除，禁止使用低频截断方法；③提高分辨率时不能追求主频的提升舍弃低频能量。

3)振幅补偿。数据除了常规处理过程中的球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿之外，还需要对地震波在地下传播过程中由于地层吸收、散射等原因造成的地震波能量衰减进行补偿。在处理过程中使用Q补偿方法，构建补偿系数体，对被吸收衰减的高频能量做一定的补偿。

4)振幅保真。振幅保真对构造解释影响较小，但奥陶系灰岩内部地层结构，除了原生的层状结构外，后期岩溶发育的地质产物，如果溶洞、暗河和陷落柱等都是孤立的地质体，由于其尺度大多都小于地震波长，其成像是主要依靠能量更弱的绕射波和散射波来成像，而且在煤层屏蔽作用下地层的反射能量本身很弱，其溶洞和陷落柱的绕射波能量更弱，弱振幅的保真就非常重要。在处理过程中，去噪环节选择原理方法上保幅的模块，谨慎调试模块参数，认真做质量控制，去除噪声的同时避免伤及绕射波的振幅；在振幅补偿过程中，使用Q补偿技术，补偿高频能量；在提高分辨率环节，使用较大的反褶积步长和较弱的参数保证弱振幅的保持。

5)速度精确求取。常规的速度求取是在道集上进行，速度拾取网格一般在100 m×100 m左右，这是因为受限于垂向速度分析密度的限制，速度拾取的密度不会过大。而且人工直接拾取速度的方式受人为因素影响大，误差相对较大求取精度不高，因此需要更先进的速度求取方法来改进。水平速度拾取是依据地层在层内速度差别较小的前提，假设在水平方向速度变化是连续的，在垂向速度谱求取方式的基础之上，使用水平层位控制，在一定时窗范围内求取延迟时或速度误差，使用层约束速度反演技术对速度进行更新，使得地层速度沿着地层趋势变化的情况下逐道拾取，在保证速度符合地质规律的同时提高速度拾取精度。水平速度拾取需要在初始偏移剖面上拾取层位信息，速度拾取的前提是初始剖面上有可以连续追踪的地层反射同相轴。由于数字检波器记录到了奥灰顶部的低频反射，使得开展更为精确的水平速度拾取成为可能。其速度求取过程和速度更新结果见图5，在速度谱上手动拾取速度得到初始的速度剖面(图5(a))，其速度结构与地层的构造关联不大。在初始偏移结果之上(图5(b))，拾取奥灰顶界面地层层位，构建地质层位模型，在层位约束下拾取水平速度剩余延迟谱，进行层析速度反演对速度进行更新。经过4轮速度更新之后，速度场的变化趋势与煤系地层单斜构造相符(图5(c))，速度精度得到提升。从速度更新前后偏移剖面对比(图5(b)和图5(d))来看，由于速度精度的提升奥灰顶界面的成像质量得到改善，特别是图中箭头所指处同相轴的连续性变好。

6)叠前时间偏移。由于奥陶系灰岩内部的地质体(如溶洞和地下暗河)都是属于岩性突变且孤立的地质异常体，叠后偏移无法满足其成像要求，需要更先进的方法才能对奥灰风化壳、陷落柱以及溶洞等特殊的地质体进行精确成像。叠前时间偏移是复杂构造成像有效的方法，能适应奥陶系内部因为岩溶发育，其内部速度横向变化较大的情况，成像方法使得孤立于灰岩内部的地质异常体的绕射波能量得以收敛，溶洞特有的“串珠状”反射发生了从无到有的根本性改变。

图5 速度精确拾取Fig.5 Accurate pick-up of velocity(a)初始速度；(b)初始速度偏移剖面；(c)更新后速度；(d)速度更新后偏移剖面

图6 模拟检波器与数字检波器的常规处理结果Fig.6 The conventional processing results of analog geophone and digital geophone(a)模拟检波器;(b)数字检波器

4.4 奥陶系顶界面和内部成像效果对比

1)模拟检波器与数字检波器的效果对比。研究区域内在2003年做过一次常规三维勘探，与本次勘探区域部分重合。两次勘探其主要的区别为：2003年勘探使用的是60 Hz的模拟检波器，2015年勘探使用的是数字检波器。由图6可以看出，数字检波器采集的数据深部的奥灰顶界面清晰的展现出来，这是由于低频信息可以穿透煤层的屏蔽并返回地表，被宽频带的数字检波器记录下来，而60 Hz的常规检波器无法有效记录低频信息，导致深部奥陶系顶界面无法成像。

2)常规处理与奥陶系灰岩目标处理效果对比。从关键处理方法可以知道，其流程与常规处理主要区别为流程着重从保幅的角度出发，选择有针对性的噪声衰减办法,对数据中的低频能量和弱信号做严格的保护，并采用较为先进的速度求取方法和叠前时间偏移方法进行成像。对比常规和目标处理效果(图7)，常规处理剖面中奥灰内部呈现能量较弱的空白区，而奥灰目标处理的剖面中奥灰顶界面反射之下30 ms(0 m左右),出现了一个能量较强的串珠状反射异常，符合溶洞主要发育在奥陶系古喀斯特作用面内，风化壳以下60 ms以内，孤立异常体的地质特征，因此将该串珠解释为奥陶系灰岩内部的溶洞反射。

5 结论

1)数字检波器记录的地震数据频宽比模拟检波器(60 Hz)宽，低频信息丰富。由于煤层屏蔽作用奥灰反射能量很弱，而低频信息具有穿透性比较强的特性，数字检波器记录的数据使得奥灰弱反射成像成为可能，从实际数据对比上来看，模拟检波器采集的数据中奥灰顶界面无法成像，而数字检波器成像良好，说明了低频数据对煤层下伏地层成像的重要性。

图7 常规处理结果与奥灰目标处理结果Fig.7 Conventional processing results and target treatment results of Ordovician limestone(a)常规处理结果；(b)目标处理结果；(c)常规处理结果放大；(d)目标处理结果放大

2)岩溶的发育与古地表环境密切相关，溶洞或陷落柱发育与地层岩性和水动力有密切关系，岩溶一般以组合形式出现。在地震数据中，奥灰顶界面呈现较强反射且反射通常呈现起伏形态，在剥蚀面以下几十毫秒内溶洞、陷落柱和坍塌体呈现串珠状反射特征或孤立异常反射，这些都成为识别奥陶系灰岩不整合面、溶洞、陷落柱和塌陷区域的重要标志。

3)奥灰顶界面的成像使得奥灰地层速度精确求取成为可能，速度拾取的精度提升使得叠前时间偏移方法的优势得以体现。通过研究区域实际数据的常规成像结果与奥灰目标处理对比可以看出，叠前偏移对奥灰顶界面的成像更加清晰，在奥灰顶界面以下的古喀斯特作用区域得到“串珠状”溶洞成像。