南方典型煤田不同埋深小断层识别规律研究

戴世鑫胡盼董艳娇邢振邯李祥杨甫

1. 湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院,湖南湘潭 411201；2. 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,陕西西安 710021

“十三五”规划指出,以煤为主,多元发展的能源方针不会变。煤炭是我国的重要能源和工业原料,并且在今后相当长的一段时期内仍将是我国居支配地位的主要能源,是关系国家经济命脉的重要基础产业[1]。近年来,煤矿安全事故频发,如何确保煤炭资源的安全高效生产成为现阶段亟待解决的问题。南方煤系地层中普遍存在的断层,已成为煤矿开采中诱发矿井安全事故的最重要地质因素[2]。断层会对煤层的连续性造成破坏,且围岩强度低,极易破碎,可引发煤矿坍塌垮落事故；而水和瓦斯大量涌入断层破裂带,则会引发煤矿突水、煤与瓦斯突出等一系列严重地质灾害事故[3]。利用地球物理勘探手段探明南方煤田地下地质构造,是保证煤炭资源开采效率、保障工人人身安全的有效手段。

目前,国内外学者对小断层识别进行了大量研究。李玲等[4]采用Bahorich 等[5]提出的地震相干数据的应用方法,突出不相干地震数据,客观地自动解释小断层,提高了断层解释的效率和精度；Neves 等[6]利用常规地震属性以及相干、谱分解等技术对目标储层潜在裂缝和小断层进行了识别定位；张延庆等[7]在谱分解的相位数据体上,识别和解释出断距为10 ～15 m 的断层,更加清楚地认识油藏的地质特征,并分析油水关系、调整注采关系；王彦君等[8]利用断层模型正演、岩层地震属性及测井资料综合识别小断层,并将其应用于南美某盆地,取得了较好的应用效果；史军[9]用Petrel 软件中的蚂蚁追踪技术对埕岛油田主体断层重新进行解释,认为该技术对低级序断层的解释具有较好的效果；Giroldi 等[10]通过计算多波长的曲率属性体,丰富了不同波长信息下的小断层识别结果；师素珍等[11]采用地震属性和三维可视化分析,对顾桂矿区新生界发育的8 条活断层进行精确查明,为该区煤矿开采提供安全保障。

根据大量的实践,常规的地震剖面通常可以通过反射波同相轴错断、突增突减或消失、产状突变、出现特殊波等现象直接对断层进行识别[12]。对于落差小的断层来说,利用常规的断层识别规律往往很难进行判别,小断层的识别无疑成为地震资料解释中的一大难点[13-14]。前人的研究主要集中在落差5 m 以上的小断层识别,对落差5 m 以内的小断层识别极少[15-21]。本文主要围绕南方煤田落差为5 m 以内的小断层进行研究。

1 研究区概况

南方煤田(华东、华中、华南)成煤过程中,受基底和构造运动的影响,分布零散,同时构造相对复杂、褶皱和断裂发育、煤系沉积不稳定、范围小且煤层薄。这些特点都给勘探工作增加了难度。但南方煤田煤系地层赋存位置浅,为物探工作的开展提供了有利条件。

六盘水煤田位于晚二叠世上扬子聚煤沉积盆地的西部,出露地层以石炭系、二叠系和三叠系为主,含煤面积约8 200 km2。主要含煤地层为上二叠统龙潭组和长兴组[22-23]。研究区构造复杂,褶皱、断裂较发育(图1),南部和北部的构造线方向明显不同,主要发育NE 向和NW 向两组区域性断层,近SN 向和近EW 向的断层也有所分布,但数量较少。其中,具有继承性质的规模较大断层多为逆断层；小型断裂多为正断层。本文以该区小型断裂正断层为研究对象,采用物理模型技术,对不同埋深小断层识别规律进行研究。

图1 研究区地质构造纲要图Fig.1 Geological structure outline map of the study area

2 煤系地层模型设计

研究区的地质数据,通过收集资料、实地踏勘、调查获得。由于地层较多,因此需要分析各地层的岩性对矿区测井资料进行加权计算来建立研究区的地质数据库,包含煤系地层的产状、岩性、煤层厚度、层速度、密度和小断层分布等。煤田煤系地层模型物性参数见表1。

表1 煤田三维地震物理模型参数选取Tab.1 Parameter selection of coal field 3D seismic physical model

在实际介质与物理模型介质中,地震波的运动学特征(传播速度v)不同,会造成两者的物理参数(波长、时间、传播距离、频率等)也不同。将两种介质参数的比值称作模型比例因子,以γ表示。两者的速度、时间、距离、频率等参量有如下关系:

根据速度定义:

或

可推出速度、传播时间、波长、频率比例因子相互之间的关系:

或

式中,L、T分别为地震波传播的距离、时间；λ、f分别为地震波的波长、频率；下标R 和M 分别为实际和模型参量。

综合相似材料和煤系地层构造的特点,确定物理模型参数见表2。

表2 物理模型参数Tab.2 Physical model parameter

根据选取的煤田三维地震物理模型参数进行物理模型设计,严格按照研究区的地质条件以及空间长度比例1 ∶2 000 构建制作煤系地层地震物理模型[图2(a)],并进行模型剖面形态测试[图2(b)]。

图2 三维地震物理模型Fig.2 3D geophysical model

3 数据采集与处理

本次数据采集的仪器为大型全自动三维坐标定位系统。该系统是地震物理模型实验系统中的关键设备,系统仪器允许其在3 个方向(X、Y、Z)上移动,最大移动范围分别为2.2 m、2.2 m 和0.6 m,各方向的空间移动精度小于0.05 mm。实验仪器震源(换能器)参数为:主频最大可达240 kHz,纵波、子波波形为雷克子波。选取本仪器的优势在于,震源和接收器能够在三维空间内任意移动并精准定位,可按实验目的任意调节震源频率,为实验提供便利。为了使炮点、接收点与传播介质三者之间很好地耦合,加60 mm 水层作为覆盖层,可达到削弱面波干扰的目的,数据采集均在水中进行。由于水中横波在纵向上具有很好的衰/消减性,检波器接收主要以纵波数据为主,因此本研究确定模拟震源为纵波震源。

本次数据采集的测线位置在物理模型东西方向的中线处,为二维多次覆盖观测系统:道间距2 mm,炮间距4 mm,最小炮检距20 mm,每炮道数600,每测线炮数260,采样间隔为0.2 μs。在物理模型上采集的单炮数据原始记录如图3 所示。可以看出,浅层反射波能量突出,物理模型原始数据有许多干扰波,如水下采集池壁侧面反射波干扰、物理模型边缘不同介质分界面的绕射波干扰和各层分界面间的多次波干扰,但主要反射层面清晰可见。

图3 物理模型单炮记录Fig.3 Single shot record of physical model

为提高地震资料数据质量,需对干扰波进行压制。如图4 所示,对原始单炮记录进行频谱分析,可以看到主频在120 Hz 附近,优势频带范围在50 ～100 Hz,50 Hz 以下存在振幅相对较强的频率,150 ～200 Hz 也存在振幅相对较强的频率。利用带通滤波过滤干扰波,设置过滤低频范围为50 ～100 Hz,高频范围为150 ～200 Hz,保留优势频带,再测量地层反射层面地震波的视速度,来确定FK 滤波的扇形区域。经带通滤波和FK 滤波处理后,干扰波得到压制,各个地层反射波愈加明显。

图4 物理模型数据滤波处理Fig.4 Physical model data filtering processing

利用地震数据处理软件对采集的物理模型数据处理,经观测系统定义、FK 滤波、速度分析、动校正、叠加后得到叠加剖面图,如图5 所示。与构建的实际地球物理模型图对比可知,模型各层面基本吻合,可以用该模型开展小断层的正演模拟。

图5 模型叠加剖面Fig.5 Model superimposed section

4 小断层地震波识别

南方隐伏煤田虽然地质条件较复杂,煤层厚度相较北方煤田薄很多,但煤层与围岩仍然存在很大的物性差异。合理利用地震勘探技术手段,可以查清不同岩层之间的接触界面,达到了解构造并确定断层的目的。在野外进行实地地震勘探的过程中,地震资料的采集效果与震源频率、道间距、岩体弹性参数等条件相关,地震勘探取决于这些参数的合理设置。而本实验采用的仪器可按需求调节换能器主频,为识别小断层提供便利。经实地勘探,研究区主采煤层实际埋深分别为800 m、1 000 m 和1 200 m。在设计研究区地球物理模型的过程中,根据主采煤层埋深的不同,设计了3 组落差分别为5 m、3 m 和1 m 的小断层,如图6 所示。

图6 不同埋深小断层Fig.6 Small fault with different placing depth

4.1 小断层常规识别

震源频率与地震勘探的深度、精度有着密不可分的关系。设置不同的震源频率,可以观察实验室物理模型地震响应的区别,并为实际野外勘探参数的设置提供理论参考。在野外地震勘探中,最常使用的震源频率为60 ～80 Hz,所以设置实验室超声波震源主频为60 kHz(对应野外震源频率60 Hz),对煤系地层物理模型进行数据采集。

在震源频率为60 Hz 的条件下,对不同埋深的3 组小断层分步进行时窗分析,得到小断层响应情况如图7 所示。

由图7 可看出,当小断层埋深800 m 时,落差为5 m 的小断层反射波同相轴发生轻微弯曲,落差为3 m 和1 m 的小断层反射波同相轴没有任何变化；当小断层埋深1 000 m 和1 200 m 时,3 种落差的小断层反射波同相轴都没有任何反应。

影响小断层识别分辨率的因素有许多,但主要的是地震波的震源主频、速度以及目标层位自激自收的时间等。偏移处理后的地震剖面横向分辨率为

式中,vint为目标层位速度；fm为目标层位地震波的震源主频。

对于地震勘探区域,煤层速度基本为定值。随着地震波主频的增加,相邻小断层间的分辨距离逐渐减小,即横向分辨能力逐渐提高；当目标层位地震波的震源主频fm=60 Hz 时,hr≈14 m。

而地震勘探的垂向分辨率极限,遵循雷克准则,即当两个子波的旅行时差大于子波主周期的1/2(约λ/4)时是可被分辨的,反之则无法分辨。故对于落差为1 ～5 m 的小断层,小断层处的煤层会产生细微的振幅变化,但不会有明显的同相轴错动,所以用肉眼无法对其进行识别。

4.2 小断层属性分析

由于在震源频率60 Hz 的条件下从地震波运动学的角度仅能识别埋深800 m、落差5 m 的小断层,因此要识别其他小断层,需要从地震波动力学的角度提取地震属性进行辅助。地震波在地层中的传播过程复杂,是地下地质结构的综合反映。地层中岩石物理性质不同,必然导致地震信号特征改变,进而导致提取的地震属性的相应变化。

地震属性的提取方法主要有3 种:瞬时提取法、沿层提取法和多道体属性提取法。本文采取沿层提取法进行地震属性提取,沿着解释目标层(煤层)开固定时窗,以埋深800 m、落差5 m 的小断层为中心进行时窗分析。当震源频率为60 Hz 时,选取时窗长度约为20 ms,提取时窗包含目标层(煤层)且尽可能不包含其他地层,在该时窗内提取小断层的地震波动力学相关属性(图8)。

图8 小断层的地震属性Fig.8 Seismic properties of small faults

当地震波在均匀介质中传播时,相位是连续的；在异常介质中传播时,在异常位置相位会发生显著变化。通常,断层是地质体异常现象,所以也会产生相应的变化。在上述地震属性中可明显看出,振幅包络、振幅一阶导数、振幅二阶导数和虚部4 种属性对小断层的特征响应敏感；而其他几种属性对小断层的识别能力较弱,异常响应形态不规律,所以不作考虑。

沿着目的层小断层进行属性提取与分析,提取振幅包络地震属性如图9 所示。通过对反射波的振幅包络属性分析可知,小断层处煤层反射波的振幅值相较其他部位煤层反射波的振幅小。可以看出,无论是落差为5 m 和3 m 的小断层,还是1 m的小断层,都会造成反射波振幅值的衰减,并且衰减程度随着断层落差的减小而减小。

图9 振幅包络Fig.9 Amplitude envelope

沿着目的层小断层提取振幅一阶导数地震属性如图10 所示。通过对比分析可知,3 组小断层部位煤层反射波的振幅一阶导数值,相比其他部位煤层反射波具有衰减特征,且随着埋深的增加衰减程度减弱。此图与振幅包络属性图一致,是振幅类属性,小断层异常特征相似。振幅的大小反映反射波的强弱程度,因为断层能够吸收能量和发散反射波能量,导致反射波能量变弱、振幅减小,故当振幅的变化趋势从降低变为升高时,最小值处可能存在着断层。因此,振幅属性常作为识别小断层的有效指标之一。

图10 振幅一阶导数Fig.10 Amplitude 1st derivative

沿着小断层目的层提取虚部地震属性如图11 所示。可以看出,该属性对于小断层构造反映比较敏感。落差为5 m 的小断层破碎带范围大,对地震波吸收明显；落差为1 m 的小断层的破碎带范围小,对地震波的吸收不明显；而对于埋深1 200 m、落差为1 m 的小断层,几乎无反映。可见,该属性异常响应随着断层的埋深和落差减小而减弱。

图11 振幅虚部（希尔伯特变换）Fig.11 Imaginary part of amplitude （Hilbert）

5 结 论

(1) 断层是一种影响煤矿安全高效工作的地质异常体。通过对南方典型煤田贵州省六盘水煤田建立煤系地层地震物理模型,结合地震波运动学和动力学属性特征成功解释了落差5 m 以内的小断层,与煤系地层地震物理模型模拟相吻合。

(2) 当震源频率选取60 Hz 时,地震成像较清晰,3 组小断层地震响应特征不明显,小断层的识别精度低。从地震波动力学的角度,提取小断层反应敏感的地震属性,对比分析得出:1 ～5 m 的小断层在振幅属性图上的反映较强烈,且落差越大,反映越清晰。