三维地震勘探在天然焦解释中的研究与应用

邹起阳，李武斐

（河南省地球物理空间信息研究院，河南郑州450009）

为查明河南某煤矿煤层底板及天然焦发育情况，进行了三维地震勘探。本文结合三维地震勘查成果，解释了勘探区的断层发育情况、煤层底板起伏以及天然焦发育的范围等，为进一步布设煤矿探矿工程提供可靠的依据。

该勘探区位于河南省商丘地区永城市。属于黄淮冲积平原中部，地势平坦，第四系全新统亚砂土夹粘土广泛分布，松散沉积物厚度稳定，地貌类型属堆积地形。

1 勘探区地质概况

1.1 地层

在区域地层划分上属华北地层区鲁西分区徐州小区，该井田为新生界所掩盖，钻孔揭露地层自下而上为：奥陶系、石炭系、二叠系、第三系和第四系。

二2煤层为本区主要可采煤层，赋存于山西组中部，煤层顶板岩性以砂质泥岩为主，其余为砂岩和粉砂岩；底部大部分为泥岩和砂质泥岩。大部分见可采煤层，部分断失或见天然焦和风化剥蚀。煤层厚度0.90~5.09m，平均2.67m。受岩浆侵入、断层、河流冲刷等影响有所变化，有局部变薄或增厚现象。

1.2 区域构造

永夏煤田位于华北板块内鲁西南隆起与华北坳陷东部交界处的永城断隆，基地构造为东西向的褶皱和平行轴向的压性断裂，后期受东部敥断裂的影响非常强烈。区内以北北东—北东向构造次之，近东西向及北西向构造次之，并伴有燕山期的岩浆活动。本区属于嵩（箕）徐（淮）东西向隆起带东部的伸展型构造区，区内构造以断裂为主，褶皱次之。

永城复背斜为区内的一级构造，是永城矿区的主要控煤构造，轴向近南北，轴部多为寒武—奥陶系地层，伴有岩浆活动。两翼地层走向和轴向基本一致，地层倾角10°~20°，东翼较西翼陡，近南北向和北北东向次一级褶曲较发育。

该研究区煤矿位于永夏煤田东部，褶曲发育，地层倾角约10°，局部受褶曲影响倾角变大，褶区加断层为本区的基本构造特点。构造复杂程度为较复杂（图1）。

图1 勘探区构造纲要图

2 三维地震数据采集

2.1 地震地质条件

（1）地表条件。勘探区位于豫东平原，地形区划属黄淮海冲积平原，地势平坦，全区被第四系全新统砂质粘土所覆盖，地势平坦，地面标高为+32~+36m，基本为耕地，沟坎较少，勘探区内乡村道路纵横，交通方便，有利于地震勘探野外施工，但勘探区内村庄较多，有些面积相当大，还有鱼塘、经济作物等给地震勘探工作带来较大的困难。

（2）浅层地震地质条件。勘探区由第三系、第四系地层所覆盖，潜水位7~8m左右，其下粘土及砂质粘土发育，具有良好的激发条件，浅层地震地质条件较好。

（3）深层地震地质条件。本次地震勘探的主要目的层有两个：新生界底界面、二2煤。新生界底界面多为粘土、砂质粘土、粉砂和砂，速度与密度较低，下伏基岩多为二叠系的泥岩、砂岩、泥砂岩等，具有速度与密度高的特点，两套地层存在明显的波阻抗差异，具有形成反射波的良好条件，在人工波场作用下可产生与该界面对应的反射波。二2煤层位于二煤组中部，厚度稳定，结构简单，具有速度低、密度低的特点，与高速度、高密度围岩（泥岩、砂质泥岩）相比具有显著的波阻抗差异，具有形成强反射波的良好条件，在人工波场作用下可产生波形稳定、能量强便于连续对比追踪的反射波，有1~2个相位组成，称之为T2波。

2.2 三维地震观测系统

根据地震勘探规范要求结合现有资料的分析，煤层走向近北东东，观测系统设计测线采用近北西西向布设。

选择10线8炮制规则线束状三维观测系统，它在每一个CDP点上各叠加道方向特性和炮检距分布较均匀，有利于提高信噪比。

采集参数：覆盖次数16次，接收线距40m，接收道距10m，横向炮点距20m，CDP网格：5m×10m。

3 三维地震资料解释

3.1 构造解释

共解释断层12条（表1）。12条均为正断层，部分断层落差较大，最大可达245m。所解释的落差大于或等于50m的断层2条，大于或等于10m小于50m的断层4条，大于或等于5m小于10m的断层1条，小于5m的断层4条。

表1 三维地震解释断层特征一览表

3.2 煤层底板形态

勘探区二2煤层总体形态为一单斜形态，煤层倾角在13°~22°。大部分倾角在13°~17°之间。在勘探区的西北部，由于受到断层的影响，二2煤层角度相对较大，可达22°。二2煤的埋深总体上西北部浅，最浅部底板值为-375m。由于受到断层的影响，煤层底板向东南部越来越深,最深部底板值为-1020m。

3.3 天然焦的识别

3.3.1 天然焦的成因分析

井田岩浆岩岩性以花岗岩—花岗斑岩类、闪长岩—闪长玢岩类、辉长岩—辉绿岩类，酸性至基性均有，种类繁多。其空间展布和形态特征受华力西晚期和燕山晚期两期构造运动控制。岩浆岩活动区以石盒子组和山西组地层为主要侵入对象，对矿区内煤系地层、煤层和煤质均有影响，对井田的水文地质条件也有影响。

从井田侵入体分布情况可以看出，岩浆体以侵入石盒子组和山西组地层为主，使其二2煤层大面积变为天然焦。对煤层、煤质影响较大。

在已知钻孔中，有多个孔穿见岩浆岩，从基性岩到酸性岩类均有发现。岩浆岩的侵入，对本区的矿产资源影响较大，各类岩浆岩均对煤层起穿插、吞蚀等破坏作用，并将接触带附近的煤烘烤变质成天然焦，大大降低了煤炭资源的利用价值。在本次勘探区内钻孔中，山西组仅西部4601孔穿见岩浆岩，岩体穿插位置为二2煤层，受其影响本孔二2煤层下部烘烤变质为天然焦。另4301孔因附近热液影响，二2煤层存在弱变质现象。

3.3.2 天然焦的地震反射特征及范围

由于天然焦与煤层在反射波上存在较大差异，煤层经过焦化后，密度变低，使强振幅的煤层反射波发生改变。这为三维地震勘探识别天然焦提供了理论基础。

在本次三维地震勘探中，在地震剖面上表现为二2煤反射波突然中断，凌乱或不正常错断。在振幅切片上，表现为低振幅、能量弱的特征。依据此特征，对岩浆岩侵入范围进行了圈定。同时勘探区钻孔3609二2煤下部见天然焦（图2），对于天然焦的反射特征也进行了验证。

图2 天然焦在时间剖面上的特征

4 结论

根据井田的地质特征，通过地质、物探、钻探、测井等资料综合分析，圈定了勘探区天然焦的范围。勘探区二2煤受岩浆侵入影响，天然焦范围主要在勘探区东南部。通过三维地震勘探圈定了天然焦的范围，为后续的采掘工作提供了依据。对井田开发建设，具有明显的意义。