应用混沌体层切片解释煤田陷落柱

杨晓东， 唐书恒， 王建青， 魏 巍

(1.山西省煤炭地质物探测绘院，山西晋中 030600； 2.中国地质大学(北京)，北京 100083 )

在目前的煤田三维地震勘探构造解释过程中利用地震属性体及属性切片预测和解释断层、陷落柱已成为构造解释中一种常规的关键性解释技术，特别是相干、方差、振幅、倾角等体属性及其顺层切片的利用，极大地提高了断层和陷落柱的识别精度和解释效率，提高了解释人员的工作效率和构造的准确性[1-4]，为煤矿的安全生产提供了可靠的地质依据。

在构造解释过程中，主要利用了相干、方差等对断层和陷落柱较敏感的地震属性[5-7]，在研究相干属性及其应用时一般都是基于地层为水平层状介质或倾角较小，没有考虑地层倾角对相干、方差属性计算结果的影响[8-9]，在地层倾角较大时，会造成相干属性分辨率降低，对此部分学者提出了提高相干属性分辨率的改进方法[10-13]。相干体算法主要有四代，基于互相关的算法、相似性算法、特征值法和几何结构张量算法。目前常用的为互相关法、多道相似和基于特征值的相干算法。本文提出的混沌体属性是基于几何结构张量(GST)算法提取出的描述地震数据体结构的度量属性，由于这种几何结构张量包含了反射界面的倾角和方位角信息，可以稳健地估算视窗内分析点的反射界面的倾角和方位角[14]，因此该属性在地层倾角较大时，属性的分辨率也较高。利用混沌属性在实际应用中已取得较好的效果，如预测陡坡带的小型砂砾岩体，检测小断层或裂缝带的，对隐伏陷落柱空间形态的解释及煤层采空区的识别等方面[15-20]。

1 混沌属性的原理

1.1 几何结构张量算法原理

地震数据具有结构特征，对其结构特征进行定量解释的一种有效方法就是梯度结构张量。该方法用梯度矢量来描述地质体的倾角和方位，用梯度张量矩阵的特征值来描述地震数据的结构特征[21-22]。其计算方法分为两步。第一步首先计算三维数据体中每一点u(x,y,z)的方向导数。

(1)

第二步使用方向导数构建梯度结构张量的协方差矩阵。

(2)

基于式(2)建立的梯度结构张量，由于只利用了一个物理点的信息，会受到分辨率和信噪比的影响，需要引入道的空间组合。由于高斯窗函数具有良好的分辨率，且其参数有很好的尺度性质，可以采用高斯窗函数对梯度张量进行平滑和滤波。

平滑后的梯度张量是一个半正定对称张量，其所有特征值都是实数并且大于等于零，可以用它的特征值构建结构属性[22]。

1.2 混沌属性的构建

求解梯度张量的协方差矩阵，可以得到3个特征值λ1，λ2和λ3，及其对应的特征向量。将所有的特征值按从大到小排序为λ1，λ2和λ3。根据3个特征值可以来构建不同的结构属性。

Randen定义了一个叫“混沌”的度量属性[22]，其度量公式：

(3)

在地震反射波信噪比高，连续性好的情况下，最大特征值较其他两个特征值大许多；在噪声较强、反射波不明显时，最大特征值和其他两个特征值的差别不大。因此可以通过Cchaos值的大小来反映反射波振幅和波形的变化。

2 应用实例

2.1 研究区地质背景

LB煤矿位于山西省晋城市沁水县境内，属于沁水煤田南部。区内沟谷发育，地形切割强烈，高差大，地表主要为基岩出露，地震激发条件较好。区内主要发育煤层为山西组3号煤层和太原组15号煤层，3号煤层厚5.75～6.88m，平均厚6.28m，属稳定全区可采厚煤层；15号煤层厚3.26～3.79m，平均厚3.52m，为稳定全区可采中厚煤层。总体构造形态为向北倾斜的单斜，在此基础上发育有次级的宽缓褶曲，地层倾角5°～10°，最大25°左右(图1)。断层及陷落柱较发育。本次勘探采用中间放炮10线10炮制规则束状观测系统，叠加次数35次，面元5m×10m。在处理中采用了高精度静校正技术、叠前去噪、球面扩散补偿、地表一致性振幅处理、反褶积串联处理技术、精细速度分析、叠前时间偏移技术等，获得了高信噪比的三维数据体(图2)，为下一步的属性提取、解释构造奠定了基础。

图1 研究区3号煤层底板倾角平面图Figure 1 Isogram of coal No.3 floor dip angles in study area

图2 研究区主要煤层反射波地震时间剖面图Figure 2 Main coal seam reflection wave seismic time sectionsin study area

2.2 陷落柱地质特征

陷落柱是山西煤矿生产中常见的地质构造，是在地下溶洞垮塌的情况下，由上覆非可溶性岩层坍塌充填形成的。在华北地区的大部分煤田中，尤其是山西的各煤田，由于主要煤层距奥陶系可溶性灰岩较近，陷落柱分布十分广泛。陷落柱结构特殊，分布具有大小不等，常孤立出现，规律性差等特点，在平面上分布范围小、体积小。陷落柱岩性特征表现为岩石成分混杂，未胶结或弱胶结，无分选，岩石碎块呈棱角状，形状不规则，排列杂乱；在陷落柱柱体的边缘部位，常有一些不同规模的整体垮塌的岩块，其倾向均指向陷落柱中心，产状较陡。由于陷落柱岩性特征杂乱的特殊性，造成陷落柱存在的部位煤层反射波多为杂乱无章，振幅减弱、频率降低、波形紊乱，在混沌体属性中，陷落柱存在的部位混沌属性值增高，从而易于识别陷落柱。

2.3 研究区地震属性提取及分析

对研究区三维地震数据体进行了属性计算和提取，计算道数为米字型9道，计算时窗为9ms，倾角时差4ms。计算了倾角、方差、振幅、相似法相干、特征值法相干、倾角导向相干、混沌六种体属性。在对研究区3号煤层反射波进行层位对比、追踪、闭合后，沿3号煤层反射波的层位提取了顺层振幅、倾角、方差、相干等属性体的顺层切片(图3至图8)。

1)顺层倾角切片：在倾角属性切片上(图3)，红色区域为煤层倾角大于10°的区域，南北向出现的两个红色条带为区内一个背斜的两翼。在倾角属性上较明显的构造显示为东部的陷落柱异常，在属性平面上表现为一个圆形的异常圈闭；西部边界外的断层，也有一细条带状异常显示。这两个构造都位于区内地层倾角较小的地段，构造异常较明显。而在区中部和西部背斜两翼的大倾角地段及北西部边界附近，由于倾角较大，构造异常淹没在倾角异常带内。

图3 3号煤层反射波的顺层倾角切片Figure 3 Coal No.3 reflection wave dip angle bedding slices

2)顺层振幅切片：在顺层振幅切片上(图4)，西部的断层带及东部的陷落柱异常明显，都表现为振幅变弱，中部的振幅减弱区也较明显，但构造边界不清楚，无法确定是否为断层或陷落柱构造异常。由于振幅属性提取与地层倾角无关，因此，在振幅切片上可以大致将构造异常带圈出。由于影响振幅的因素较多，在振幅属性切片上，振幅减弱的地段不一定为构造引起，所以需要做进一步的排查，以免引起漏解释或误解释，且在振幅切片上，构造边界分辨率相对较低。

图4 3号煤层反射波的顺层振幅切片Figure 4 Coal No.3 reflection wave amplitude bedding slices

3)顺层方差切片：在方差属性切片上(图5)，同样出现三个方差异常的红色条带区域，均为煤层倾角大于10°的区域，特别是大于15°的区域方差异常值最高，与倾角属性异常相似。位于地层倾角较小地段的东部的陷落柱异常和西部的断层异常明显，在倾角较小的地段，一些表现为线性异常的小断层也较明显，总体上方差属性在倾角较小的地段，分辨率较高。

图5 3号煤层反射波的顺层方差切片Figure 5 Coal No.3 reflection wave variance bedding slices

4)顺层相干切片(相似性算法)：在相干属性切片上(图6)，与倾角和方差属性一样，同一部位出现三个相干异常的蓝色条带区域，都为煤层倾角较大的区域，与方差属性异常显示基本一致。总体上相似性算法相干属性切片在倾角较小的地段，分辨率也较高。

图6 3号煤层反射波的顺层相干切片(相似性算法)Figure 6 Coal No.3 reflection wave coherent bedding slices(similarity algorithm)

5)顺层倾角导向相干切片(相似性算法)：在倾角导向相干切片上(图7)，由于在计算相干的时候引入了倾角扫描参数，蓝色条带区域的异常有所减弱，能够体现出一些构造异常，但是分辨率较低，无法准确识别构造。但在倾角较小的地段，出现了一定程度的相干噪音。原因为地层倾角在全区变化较大引起，总体上顺层倾角导向相干切片分辨率也较低。

图7 3号煤层反射波的顺层倾角导向相干切片Figure 7 Coal No.3 reflection wave dip angle orientedcoherent bedding slices

6)顺层相干切片(特征值算法)：在特征值算法的相干切片上(图8)，倾角较大区域的异常区范围有所减小，异常范围集中在地层倾角大于15°的区域。说明特征值算法的相干可以减小倾角带来的影响，分辨率比相似性算法较高。但是在倾角大于15°的区域分辨率扔较低，无法准确识别构造。基于特征值算法的相干属性在倾角较大区域分辨率也较低。

图8 3号煤层反射波的顺层相干切片(特征值算法)Figure 8 Coal No.3 reflection wave coherent bedding slices(eigenvalue algorithm)

7)顺层混沌属性顺层切片：在混沌属性切片上(图9)，没有出现倾角较大地段的属性异常条带，蓝色区域为煤层反射波正常区域，红色为混沌值较大区域，属性异常边界明显，断层和陷落柱构造显示清楚，属性的分辨率和信噪比都较高。说明混沌属性不受地层倾角影响，能够有效快速地指示出陷落柱(或断层)等构造异常，为解释人员提供了一种较好的构造解释手段。

图9 3号煤层反射波的顺层混沌切片Figure 9 Coal No.3 reflection wave chaotic body bedding slices

2.4 地震属性剖面特征分析

为了更好的说明混沌属性在地层倾角较大地段解释构造的有效性，下面通过构造在时间剖面上的显示特征及属性值的变化情况来进一步说明。在地层倾角较大地段(图10)，可以看出陷落柱位置处的方差、相干、振幅、倾角等属性相对正常煤层反射波属性值变化较小，甚至与正常煤层射波属性值一样。而混沌属性值则相对变化较大，在正常反射波处混沌属性值几乎没有变化，而在陷落柱所处位置，混沌属性异常值明显变大，具有较高的分辨率；在地层平缓地段(图11)，陷落柱所在位置处不同属性的异常值相对变化基本一致，都具有较高的属性分辨率。

图10 倾角较大处陷落柱地震属性剖面特征Figure 10 Subsided column seismic attribute section featuresin strata dip angle larger segment

图11 地层平缓处陷落柱地震属性剖面特征Figure 11 Subsided column seismic attribute section featuresin strata inclination gentle segment

3 结论

1)方差、基于相似性算法和特征值算法的相干及倾角地震属性在地层倾角大于10°，特别是倾角大于15°时，地震属性顺层切片上会出现属性异常带，造成属性分辨率降低，不易对陷落柱构造的识别。

2)基于倾角导向的相干属性在一定程度上可以减小地层倾角对属性计算结果的影响，但由于不同地段地层倾角不一致，也会带来相应的噪音，造成分辨率降低。

3)混沌体作为一种描述地层结构的地震属性，其计算结果受地层倾角的影响小，在地层倾角大于15°时的地区对于煤田陷落柱(断层)的解释具有较高的分辨率，可以作为构造解释中一种优选属性，结合方差、相干等属性开展构造解释。