榆神矿区古河道研究与时频分析技术

杨广宪

(中国煤炭地质总局地球物理勘探研究院，河北涿州 072750)

0 引言

榆神矿区位于陕北侏罗纪煤田的西北部，毛乌素沙漠东南缘，地貌单元以沙丘为主，地表基本被第四系风积沙所覆盖。受区域地质构造及水文地质条件控制，侏罗纪地层及含煤地层延安组富水性微弱，对煤矿安全开采及水环境基本没有影响。但延安组上覆岩层和新生界松散岩层富水性超强，尤其是延安组上部基岩顶部的萨拉乌素组地层，储存着丰富的地下水，是当地最主要的水源，对维护生态环境具有重要作用。由于萨拉乌素组地层与煤系地层间距小、变化大，煤矿开采面临着严重的突水威胁，同时也破坏地下水的平衡，影响当地脆弱的生态环境。因此研究水防治问题是该矿安全生产与生态保护的重大课题[1-8]。

陕北侏罗纪煤田所处构造单元为华北地台鄂尔多斯盆地分区，燕山运动以来区域构造稳定,以缓慢的地壳升降运动为主,在三叠纪末的沉积间断面之上,依次沉积了富县组、延安组、直罗组、安定组、洛河组等地层。燕山运动末期,鄂尔多斯盆地整体抬升,基岩沉积结束并伴随着白垩纪风、水等地质营力的强烈剥蚀。剥蚀后的基岩顶面本应趋于平坦,但线状水流对基岩顶面的剥蚀起到了加深作用，导致基岩地层被剥蚀后厚度极不均匀，形成剥蚀低谷，即古河道[9]，大量钻孔数据刻画了这种古地貌(图1)。

新近纪以来,基岩顶面向上依次沉积了新近系中新统保德组、第四系中更新统离石组、上更新统萨拉乌苏组沙层和全新统风积沙等松散岩层。

图1 古地貌与古河道的演变Figure 1 Paleogeomorphic and paleochannel evolutions

1 水文地质特征及古河道控水规律

榆神矿区受区域地质构造及水文地质条件控制，水源主要有新生界萨拉乌苏组松散岩层孔隙水和中生界基岩裂隙承压水两大类[10-11]。煤系地层上覆基岩顶部分布许多古河道，大量充填饱和沙土，横向上厚度不一，富水性差异较大，富水性强弱与填充厚度呈正相关关系，且古河道区域基岩层一般很薄，是煤矿安全开采和当地生态保护面临的难题。

煤矿开采时产生的冒落带、裂隙带，容易与上覆基岩层及萨拉乌苏组地松散岩层连通，发生水力联系，造成煤矿顶板涌水。以往榆神某矿区421盘区研究资料表明(图2)[12-13]，正常回采工作面一般涌水量为130～160m3/h，而在古河道区域，涌水量明显变大。统计数据显示，无沙层充填古河道地带涌水量增大26.4%～40.3%，有沙层充填的古河道地带涌水量增大约180%(表1)[12]。榆神矿区某煤矿2004年发生过此类灾害，正常生产时最大涌水量150m3/h，而突水时的涌水量高达500m3/h，矿井淹没，造成巨大经济损失[13]。

图2 榆神矿区某盘区工作面过古河道(据文献[12])Figure 2 Working face passes through paleochannel in a panel of Yushen mining area (after reference [12])

对于榆神矿区水防治问题，以往的研究成果和煤矿开采中的实际示例与数据，都证明了存在古河道的区域是最为危险的地带。所以查清矿区地质构造及水文地质特征，尤其是古河道的空间分布，对保障煤矿安全设计、安全生产及绿色发展，具有重要意义。

表1 工作面过古河道开采涌水量变化统计(据文献[12])

2 地震勘探-时频分析技术

针对榆神矿区的地质构造及水文地质问题，地震勘探技术取得了许多地质成果。但由于古河道分布不均匀，填充地层厚度差异较大，致使常规地震勘探技术对古河道的研究处于定性阶段。为了能够定量精细揭示古河道的空间分布，详细了解填充地层厚度变化，我们尝试应用时频分析技术对古河道进行了研究。

基于薄层反射在频率域具有特定频谱响应的理论[14]，在频率域中研究目的层段时，地震波不同频率的振幅代表不同厚度地层的响应，地震道的信息由不同厚度地层的响应叠合而成。对于薄地层、古河道等隐蔽性地质体，由于薄地层地震波的相互干涉作用，常规地震成像技术难以精细识别[15]。

时频分析技术是近年来成熟起来的地震勘探技术，现正逐渐成为研究复杂区域的一种有价值的后期处理技术。传统的地震处理技术可提供的分辨率为20m+，频谱分解可提供10m或更高的分辨率。因此，对于分析薄地层，描述如古河道、暗礁等隐蔽性地质体，应用时频分析技术效果显著[16-18]。

小波变换是时频分析技术的核心，它克服了传统傅里叶变换的缺陷，对非平稳地震信号进行频谱分解。基本思路是将地震信号分解成有限长会衰减的小波基，这个基函数的时间窗是变化的，通过对地震信号经行频谱分解，对不同频率信息进行处理。采用长的时间窗，可得到精确的低频信息，采用短的时间窗，可得到精确的高频信息。

对于地震信号f(t),其小波变换定义为

(1)

式(1)中:WT(a,τ)为连续小波变换系数；a为尺度因子；τ为平移因子；ψ(t)为小波基函数。

(2)

从式(1)可以看出,随着尺度因子a的变化 ,其窗口的大小和形状都在改变,从而可以适应不同频率的要求。

以小波变换理论为核心，围绕时窗设计和基函数选择，出现了多种如离散傅里叶变换、连续小波变换、t-f连续小波变换、S-变换等时频分析技术。不同类型的时频分析技术，时频分辨率也不同，具有各自的优缺点[19]。

在实际工作中，不同领域的地震信号形态千差万别。地震地质条件不同，采集的地震波信号特征不同，差异较大。选择何种时频分析技术，应根据与实际信号测试来选择[20]。这与子波处理技术中，子波的设计和选择要兼顾时间、频率响应同理。Heisenberg测不准原理指出，使用时间分辨率和频率分辨率的乘积做为时频分辨率的度量值标准，这个度量值应大于2，窗函数为高斯函数簇时达到时频分辨率的极限。

3 时频分析技术揭示古河道

在榆神矿区某地震资料应用处理中，经过测试分析，选择t-f连续小波变换时频分析技术，对测区三维地震数据体进行应用研究。

对于地震信号f(t)，其t-f连续小波变换的过程是：

谱分解计算分两步完成[21-23]：第一步先求取连续小波变换系数，其表达式：

WT(a,τ)=

(3)

第二步是在连续小波变换系数结果的基础上，进行一次两个空间的映射，即是由时间-尺度平面到时间-频率平面的映射，映射关系为

(4)

(5)

t-f连续小波变换能够保持不同频率成分的振幅特性，对邻近窗口的频率，不会出现振幅交叠、均化的情况，尤其对高频信号，振幅能量得到完整保持，克服了连续小波变换的能量衰减。能生成任意地震波组上准确频率的时间-频率图，对较高频率地震数据效果最好[21-23]。高刚等人研究指出，它具有更好的时频聚焦性，在全频带范围内都有较高的时间、频率分辨率，对非平稳地震信号的各种频率分量特征具有更强的分辨能力。

时频分析技术是常规地震勘探技术成果的后期处理技术，对前期常规处理要求较高。处理中应保持地震信号的振幅特征稳定，最大能力拓宽目的层区域的有效频带，尽量改善地震波的信噪比，尤其是高频段的信噪比。

榆神某矿区以往钻探、水文地质工作表明，区内煤层上覆松散岩层、萨拉乌苏组沙层存在堆积厚度较大区域，松散岩层厚度是萨拉乌苏组沙层与基岩风化层厚度之和。采用水文钻孔抽水试验数据，进行了区内富水性分区。这些数据成果表明，该矿区煤层上覆地层中存在古河道分布，松散岩层、沙层厚度差异较大，富水性强弱不同(表2)[24]。

表2 钻孔(部分)及水文抽水试验数据统计(据文献[24])

以往工作成果显示，该矿区存在充填含水沙层的古河道，古河道自西向东展布，发育于矿区中东部很大区域，主要分布两条古河道。沙层西部薄、中东部厚，富水性与沙层厚度呈正相关关系，沙层在钻孔2-5处最厚102.7m，在钻孔8-1处最薄3.0m。对古河道只能粗略揭示，细节及支流分布无法精细反映，成果精度一般(图3)[24]。

图3 以往钻探、抽水试验反映的沙层厚度和富水性分布(据文献[24])Figure 3 Previous drilling, pumping test revealed sand layer thicknesses and water yield properties distribution (after reference [24])

该矿区三维地震数据经t-f连续小波变换处理后，得到不同频率时频分析成果。图4为处理前后及不同频率的沿层瞬时振幅切片图，其中①为常规处理成果沿层瞬时振幅切片图，平面上隐约呈现古河道特征，与以往成果相吻合，但无法分清其细节特征；②、③、④是频率为30Hz、50Hz、70Hz的时频分析技术得到的沿层瞬时振幅切片图，很显然，分频平面图上呈现了丰富、清晰的古河道特征信息，其中低频反映厚度较大松散岩层的响应，高频反映厚度较薄松散岩层的响应。尤其在70Hz频率平面图上，古河道更加清晰，细节更加丰富，一些支流古河道也清晰显现出来，表明时频分析技术能显著提高对古河道的分辨能力。

图4 时频分析技术处理前后沿层瞬时振幅切片图Figure 4 Bedding instantaneous amplitude slices before and after time-frequency analysis technological processing

该矿区地表西部高东部低，整体较平缓，地貌单元可划分为沙丘沙地和河谷地貌二种类型(图5)。应用时频分析技术，突破性解释了榆神矿区煤层上覆地层古地貌的精细成像，定量揭示了古河道的详细分布(图6)，精细定量揭示了煤层上覆地层的地质构造及水文地质特征。

图5 榆神矿区某测区地表地貌Figure 5 A prospecting area surface landforms in Yushen mining area

图6 时频分析技术揭示基岩顶古地貌及古河道分布(T0图)Figure 6 Time-frequency analysis technology revealed basement top paleogeomorphic and paleochannel distributions (T0)

地质成果有：矿区存在南北两条主要古河道，自西向东展布，西窄东宽，河道两边发育多条树状支流。北部古河道规模较大，由西向东基本贯穿整个矿区，区内主河道长约4 500m，宽约350m，两面支流很多，总面积约3.32km2。南部古河道规模较小，由矿区中部向东展布，区内主河道长约2 450m，宽约240m,支流较少，总面积约0.7km2(图7)。

图7 时频分析技术揭示基岩顶古地貌及古河道分布Figure 7 Time-frequency analysis technology revealed basement top paleogeomorphic and paleochannel distributions

古河道内既充填厚度较大的萨拉乌苏组含水沙层，也存在一定厚度的基岩风化层，构成了煤层上覆完整松散岩层，蓄积了大量的地表水。应用时频分析技术，获得了完整松散岩层的厚度空间分布，厚度变化大，为25～135m，古河道内较厚，其它区域较薄，最厚处位于钻孔4-3附近，约135m，最薄处位于钻孔2-2、6-4附近，约25m。由以往成果可知，煤层上覆松散岩层厚度与含水量呈正相关关系，即松散层岩厚度与矿采危险程度呈正相关关系。应避开古河道区域，安全开采、保水开采(图8)。

图8 时频分析技术揭示完整松散岩层厚度Figure 8 Time-frequency analysis technology revealed complete loose strata thickness

应用时频分析技术，精细定量控制了煤层上覆松散岩层的厚度分布；精细定量控制了基岩顶界面的起伏变化形态；尤其突破性、高精度揭示了基岩顶界面的多条古河流分布形态及变化规律，甚至古河流的支流分布形态也得到清晰揭示，其松散岩层厚度、基岩顶界面标高及分布规律与以往钻探数据成果一致。

4 结论

1)陕北侏罗纪煤田受区域地质构造及水文地质条件控制，煤系地层上覆基岩厚度变化较大，松散层厚度不均匀，富水性强弱差异大。存在多条古河道，填充的松散岩层厚度越大，富水性越强，对煤矿生产安全及当地脆弱的水生态环境带来严重影响。因此，精细获取煤系上覆地层的地质构造及水文地质特征信息，是解决保水采煤要求的必要条件。

2)常规地震勘探技术受其分辨率的限制，只能定性获取煤系上覆地层的地质构造特征，无法定量精细揭示基岩顶界面的地形地貌及古河道的分布。

3)时频分析技术具有较高的时频分辨率，对揭示薄地层、古河道等隐蔽性地质体具有显著的优势。对榆神矿区及相似地区，t-f连续小波变换时频分析技术具有较好的适应性，时频分辨率较高，是获取煤系上覆地层地质构造及水文地质特征信息的有效技术，实际应用研究取得了突破性成果。

4)地震勘探时频分析技术所取得的突破性成果，表明该技术对古河道的研究具有经济、准确、精细的特点，对解决水防治问题具有重要的应用价值。

5)陕北侏罗纪煤田，煤质好、埋藏浅、储量丰富，地质构造简单，是国家建设的重要能源基地。榆神矿区属内陆干旱区，水资源贫乏，生态环境脆弱。因此需要因地制宜、适度开发、科学开采、保水开采。

6)榆神矿区水防治是一个复杂的地质问题，在整个陕北煤田具有广泛性。通过科技投入、进行更加深入的技术研究工作，获取更高精度、更全面地质构造及水文地质数据，对全面解决陕北侏罗纪煤田煤层上覆地层的水防治问题，具有深远的意义。