二维地震在新疆白干湖一带煤炭资源调查中的应用

王永怀，王平伟，邓国成，白晓飞，吴 侠，刘世响

(1.河南省地球物理空间信息研究院，河南 郑州 450009； 2.河南省地质物探工程技术研究中心，河南 郑州 450009)

研究区位于新疆若羌县白干湖一带(即新疆若羌县东南部)，方位170°，与若羌县直线距离为120 km，由若羌县经315国道到达伊吞布拉克镇，再从伊吞布拉克镇经简易砂子公路可到达研究区，交通较为便利。研究区自然环境恶劣，是新疆维吾尔自治区严重缺煤地区，煤炭供需矛盾突出。在分析研究周边盆地成煤规律及邻近矿区地质资料的基础上[1]，开展二维地震勘探是找煤勘查极为有效的方法，特别是在覆盖较为严重区域，对了解覆盖层厚度、构造形态等具有重要意义。

1 区域地质

研究区大地构造位置在东昆仑与阿尔金造山带交汇处，区内地质体较复杂，研究区内出露老地层以古元古界金水口群小庙岩组绢云石英片岩、硅质大理岩、板岩和千枚岩为主，中生代以来出露有第三纪的砂砾岩，第四系覆盖范围较广。区域上岩浆岩出露面积较大，在研究区的北侧出露较多，侵入期次为加里东期；区域上有色金属矿产较为丰富[2]，以钨锡矿床为主，此次选择的研究区地表被第四系覆盖，如图1所示。

图1 白干湖一带区域地质略图Fig.1 Outline of regional geology in Baigan Lake Area

2 研究区地质特征

2.1 地层

研究区内的地层从下到上依次划分为志留系、侏罗系、新近系、第四系，现由老至新介绍如下。

(1)古生界。志留系白干湖组(Sb)：分布于研究区中部，按岩石组合特征分为上、下2部分，白干湖组与上覆侏罗系大煤沟组、新近系中新统红石梁组呈角度不整合接触关系[3]。

(2)中生界。侏罗系中下统大煤沟组(J1-2d)：在研究区的西南角有少部分出露，岩性主要为灰白色、灰色、浅灰绿色、黄褐色细砂岩、中砂岩、含砾粗砂岩及炭质泥岩、煤层等。该地层共含煤4层，地层下部缺失，厚度不清。

(3)新生界。①新近系上新统红石梁组(N21h)：在研究区内大面积分布，岩性主要以灰色—砖红色薄—厚层粗—细粒钙质长石砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主。②第四系全新统(Qhapl)：广泛分布于研究区河谷、平原、山间洼地中，多为洪积扇、洪积锥，由砾石、砂砾、亚砂土、黏土组成。

2.2 构造

研究区整体为一向斜构造，该向斜位于研究区中南部，轴向NEE，轴长约12 km，两翼基本对称，向斜北翼较陡，倾角约为25°，南翼较缓，倾角约为20°。研究区解释了落差大于100 m的断层3条，3条断层均为逆断层。

2.3 煤层

根据收集的邻区地质资料可知，该区含煤地层为侏罗系中下统大煤沟组(J1-2d)，共含煤层4层，其中大部分可采或局部可采煤层有3层，可采煤层总厚度4.19～26.31 m，平均总厚度10.8 m[4]。

2.4 岩浆岩

研究区内未发现有岩浆岩活动。

3 地震地质条件分析

3.1 表、浅层地震地质条件

研究区位于阿尔金山脉南部，为山区地形，地形趋势为北高南低，海拔高度+3 900～+4 600 m，相对高差700 m，地形起伏大，属于中高山区，地形坡度在10°～30°，局部山体坡度65°～70°，地形切割强烈、沟谷发育，沟帮陡立，研究区大面积为第四系覆盖。

3.2 中、深层地震地质条件

该区含煤地层为侏罗系中下统大煤沟组(J1-2d)，在研究区的西南角有少部分出露，岩性主要为灰白色、灰色、浅灰绿色、黄褐色细砂岩、中砂岩、含砾粗砂岩及炭质泥岩、煤层等。煤层与围岩之间波阻抗适中，存在收集良好地震反射波的必要条件，推断该区中、深层地震地质条件一般。总体来说，详查区地震地质条件复杂。

4 二维地震试验

4.1 试验目的和意义

通过对地形、地表情况的分析及以往地震勘查经验的总结，该区进行二维地震勘查的难点在于：测区内海拔较高，多雨雪。此次施工采用可控震源进行激发，地表覆盖层对能量有一定的吸收作用，给地震勘查的野外施工及后期的资料处理带来了一定困难。针对上述难点及此次二维地震勘查要完成的地质任务，确定此次二维地震勘查野外资料采集过程中必须采用相应的技术措施保证较高的信噪比，确保单炮质量。通过试验可了解研究区的地震地质情况，选择适合研究区的施工参数，只有施工参数选择合适，才能取得良好的原始资料[5]。

4.2 试验原则

此次试验工作以单一因素变化为原则，根据研究区浅表、深层地震地质条件制定严密的试验方案，有针对性地进行激发因素和接收因素试验，提高原始记录的质量。

4.3 研究区内试验情况

根据研究区内地表条件和浅、深层地震地质条件，设计试验点2个，物理点40个、试验段1个，试验点均匀分布全区，并涵盖了勘查区不同浅表层地震地质条件的区域，见表1。

表1 试验点、段完成情况统计Tab.1 Statistics of completion of test points and sections

4.3.1 试验内容

研究区内地表基本为第四系所覆盖，结合研究区地震地质条件的特殊性，笔者在区内布设2个试验点，以保证全区参数选择的合理性，点试验内容包括扫描长度试验、震动次数试验、扫描频率试验及驱动电平试验[6]。

4.3.2 试验点1

试验点1位于DL1线16000桩号。

(1)震动次数试验。以扫描长度15 s、扫描频率6～85 Hz、驱动电平70%为基准，进行了震动次数分别为4次、6次、8次、10次、12次的对比试验。通过对比发现，震动4次时，单炮记录能量强，频率高，信噪比高，故选择震动4次作为试验点1的震动次数。其不同震动次数弹炮记录对比如图2所示。

图2 试验点1不同震动次数单炮记录对比Fig.2 Comparison of single shot records of different vibration times at test point 1

(2)扫描长度试验。以驱动电平70%、扫描频率6～85 Hz、震动台次2/4(2台震源，震动4次)为基准，进行了扫描长度分别为8、10、12、14、15、16 s的对比试验[7]。通过对比发现，扫描长度15 s单炮记录整体呈现出能量较强、频率较高、信噪比也较高的特点，最终确定此试验点的扫描长度为15 s。不同扫描长度单炮记录对比如图3所示。

图3 试验点1不同扫描长度单炮记录对比Fig.3 Comparison of single shot records with different scanning lengths at test point 1

(3)扫描频率试验。以扫描长度15 s、驱动电平70%、震动台次2/4(2台震源，震动4次)为基准，参考预查试验参数，进行了扫描频率分别为4～80、4～90、8～80、8～90、6～85 Hz的对比试验。通过对比发现，扫描频率6～85 Hz的单炮记录面貌，整体呈现出能量强、频率高、信噪比高的特点，因而确定扫描频率为6～85 Hz。不同扫描频率单炮记录对比如图4所示。

图4 试验点1不同扫描频率单炮记录对比Fig.4 Comparison of single shot records with different scanning frequencies at test point 1

(4)驱动电平试验。以扫描长度15 s、扫描频率6～85 Hz、震动台次2/4(2台震源，震动4次)为基准，参考预查试验参数，进行了驱动电平60%、70%的对比试验。通过对比发现，驱动电平70%时单炮记录面貌整体呈现能量强、频率高、信噪比高的特点[8]，故选择驱动电平70%作为试验点1的驱动电平参数。该点不同驱动电平弹炮记录对比如图5所示。

图5 试验点1不同驱动电平单炮记录对比Fig.5 Comparison of single shot records with different driving levels in test point 1

4.3.3 试验点2

试验点2位于DZ13线5300桩号。

(1)扫描长度试验。以驱动电平70%、扫描频率6～85 Hz、震动台次2/4(2台震源，震动4次)为基准，进行了扫描长度分别为8、10、12、14、15、16s的对比试验(图6)。通过对比发现，各单炮记录面貌差异不大，整体呈现出能量强、频率高、信噪比高的特点，参考试验点1参数选取扫描长度15 s为试验点2的扫描长度[9]。

图6 试验点2不同扫描长度单炮记录对比Fig.6 Comparison of single shot records with different scanning lengths at test point 2

(2)扫描频率试验。以扫描长度15 s、驱动电平70%、震动台次2/4(2台震源，震动4次)为基准，进行了扫描频率分别为4～80、4～90、8～80、8～90、6～85 Hz的对比试验。通过对比发现，不同扫描频率的单炮记录面貌差异不大，整体呈现出能量强、频率高、信噪比高的特点，参考试验点1参数选取6～85 Hz作为试验点2的扫描频率[10]。

图7 试验点2不同扫描频率单炮记录对比Fig.7 Comparison of single shot records with different scanning frequencies at test point 2

(3)震动次数试验。以扫描长度15 s、驱动电平70%、扫描频率6～85 Hz为基准，进行了震动次数分别为4次、6次、8次、10次、12次的对比试验。通过对比发现，震动4次以上时单炮记录面貌差异不大，整体呈现出能量强、频率高、信噪比高的特点，参考试验点1参数选取震动4次作为试验点2的震动次数。

(4)驱动电平试验。以扫描长度15 s、扫描频率6～85 Hz、震动次数4次为基准，进行驱动电平60%、70%的对比试验。通过对比发现，单炮记录面貌差异不大，整体呈现出能量强、频率高、信噪比高的特点，参考试验点1参数，选取驱动电瓶70%作为试验点2的震动次数。

4.3.4 段试验

根据试验点确定的激发参数，在DZ13线4100—6060桩号之间进行了段试验。从试验段初叠时间剖面上来看，煤层反射波清晰、能量强、效果好，由北向南逐渐变深，为一单斜形态，说明试验选择的参数达到了试验的目的，利用此参数进行施工基本是可行的，可以完成设计要求的地质任务。试验段初叠时间剖面如图8所示。

图8 试验段初叠时间剖面Fig.8 Initial stacking time profile of test section

4.4 试验结论

(1)激发因素。扫描长度20 s；扫描频率20～120 Hz；震动台次2/10(2台震源震动10次)；驱动电平70%。

(2)接收因素。仪器为428XL遥测数字地震仪；检波器40 Hz，点状组合，挖坑埋置；采样间隔0.5 ms；记录长度3 s；观测系统道距10 m，炮距20 m，120道纵波反射波中点激发。

5 资料的解译

5.1 资料解释方法及流程

此次地震资料解释利用计算机和手工联合解释方法，首先将预查剖面录入解释系统，再利用计算机进行了层位闭合、层位追踪，断点解释和组合，并生成等时图，然后人工手动进行偏移。

5.2 时间剖面对比解释

5.2.1 主要反射波的对比追踪及交点闭合

交点闭合的根据是同一地点、不同方向的波剖面，对于同一反射层在水平叠加剖面上反射时间应是相等的。其作用是为了对同一反射层在全区进行纵横闭合，保证不同方向测线对同一反射层进行连续对比追踪，是资料解释正确与精度的根本保证。用水平叠加剖面对不同反射波在主测线与联络测线上直接进行闭合，要求闭合差小于1/4视周期，调查区煤层反射波视周期为25 ms，1/4视周期为6 ms，水平叠加剖面在资料处理过程中进行了严格的对比闭合，对超限点找出原因进行重新处理、及时修正，使全区的交点闭合差无一超限。

5.2.2 断点解释与组合

(1)断点解释。在水平叠加时间剖面上，依据反射波同相轴的错断、分叉、合并、扭曲、强相位转换等特征来进行断点解释。

(2)断点评级标准。①A级断点：断点两侧反射波信噪比高，连续性好，同相轴错断、分叉、合并、扭曲等清晰可靠；断点在两相邻剖面上，表现相似的特征，有规律性变化。②B级断点：断点两侧反射波追踪较可靠，断点较清晰；断点一侧反射波追踪可靠，断点较清晰。③C级断点：断点两侧反射波信噪比低，连续性差，对比不甚可靠，断点不清，但在平面上展布有一定的规律。

根据上述评级标准，调查区共解释断点5个，其中A级断点4个，C级断点1个，将时间剖面上解释的断点组合到平面上，依据如下原则：①在平面上，依据相邻测线的同一断点有相似性，产状基本相同或有规律变化，并结合区域构造特征来进行断点组合；②同一断层各处的断距是相近的或沿走向方向有规律地变化；③平面上组合不合理的断点，再回到剖面上，分析剖面的多解性，重新解释，平剖结合，反复对比，使断层得到最佳解释与组合。

(3)断层评级标准。①可靠断层：断层由2条或2条以上相邻地震测线控制，A级断点不低于50%，A+B级断点不低于75%，断面产状、性质明确，落差变化符合地质规律；②较可靠断层：断层由2条或2条以上相邻地震测线控制，A+B级断点不低于60%，断面产状、性质较明确；③控制较差断层：达不到上述要求者。根据上述标准，此次共解释断层3条，DF1断层为可靠断层，DF2断层及DF3断层为控制较差断层。

6 解译结果

6.1 主要煤层底板形态

根据此次地震勘查表明，在断层DF2以东主要煤层底板形态总体呈现为由NE向SW扬起的向斜形态，两翼基本对称，向斜北翼较陡，倾角约25°，南翼较缓，倾角约20°。主要煤层底板标高在+2 500～+3 800 m，主要煤层埋藏最浅处位于研究区的西南边界，煤层埋深1 800 m，底板标高为+2 500 m，最深处位于研究区的北部DZ13线大桩号附近，煤层埋深为600 m，底板标高为+3 800 m。

6.2 褶曲

研究区内主要褶曲为一向斜构造，该向斜位于研究区中南部，轴向NEE，轴长约12 km，两翼基本对称，向斜北翼较陡，倾角约为25°，南翼较缓，倾角约为20°，向斜由NE向SW扬起。

6.3 断层

研究区共解释断点5个，其中A级断点4个，C级断点1个，根据这些断点，组合断层3条。

(1)DF1断层。位于研究区的中部，为逆断层，走向NEE，倾向NNW，区内延展长度为20 km，此次地震勘查有2条地震测线(DZ13、DZ21线)对其控制，断点评级为2A，为可靠断层(图9)。

图9 DF1断层在DZ13线时间剖面上的显示Fig.9 Display of DF1 fault on DZ13 time section

(2)DF2断层。位于研究区的东南部，为逆断层，走向NS，倾向E，倾角45°，落差200～500 m，区内延展长度为6 km，此次地震勘查只有1条地震测线(DL1线)对其控制，断点评级为A，为控制较差断层(图10)。

图10 DF2断层在DL1线时间剖面上的显示Fig.10 Display of DF2 fault on DL1 time profile

(3)DF3断层。位于研究区的南部，为逆断层，走向NEE，倾向NNW，倾角45°，落差200～400 m，区内延展长度为12 km，此次地震勘查有2条地震测线(DZ13、DZ21线)对其控制，断点评级为A+C，为控制较差断层(图11)。

图11 DF3断层在DZ13线时间剖面上的显示Fig.11 Display of DF3 fault on DZ13 time section

7 结论

本文选取白干湖一带覆盖区为研究区，从区域地质特征、研究区地质特征入手，在详细了解研究区地质背景的基础上，运用二维地震勘探方法，在该区进行了扫描长度试验、震动次数试验、扫描频率试验及驱动电平试验，得出了区内的最优激发因素和接收因素，通过对主要资料的解译，得出了煤层的顶、底板标高，并且详细解译了影响煤层变化的主要构造特征。