三维地震属性在复杂山区中解释小断层及陷落柱的应用

胡莹

（中国煤炭地质总局 物测队，河北 邢台 054000）

0 引 言

小断层、陷落柱对煤炭资源开采有重要影响，利用三维地震勘探方法准确探查出小构造等地质异常是目前常用手段[1]。本文采用多种地震属性综合分析，解释小断层、陷落柱效果明显，对三维地震勘探具有指导意义。

1 研究区概况

1.1 位置与范围

研究区位于赵庄煤矿位于沁水煤田东南部，行政区划隶属于长治市长子县、高平市管辖。矿井工业广场位于长治市长子县境内，距离长子县约11 km。区内交通较便利，太（原） —焦（作） 铁路和长（治） —晋（城） 高速公路从井田东部穿过，龙（泉） —屯（留） 二级公路纵贯勘探区南北，勘探区内各村之间有简易公路相通。

三维勘探区中北部高西南部低，标高变化为981—1 095 m。

1.2 主要研究内容

小断层、陷落柱的方差体、相干体、谱分解及混沌属性异常解释。

1.3 研究思路及采用的技术

地震数据快速浏览：分析地震数据的品质、了解研究区的地质情况。

煤层解释：在地震资料好的地方采用自动追踪的方法，这样不仅提高了解释速度，而且也为属性分析提供准确的空间位置；在地震资料差的地方采用半自动与手动结合方法进行解释。

沿层属性提取：利用解释的层位，提取多种属性。

断层、陷落柱解释：通过沿层提取的多种属性（方差、谱分解、混沌等），利用三维可视化技术及三维地质建模技术对工区内各目的层断层、陷落柱进行精细解释。

2 煤层解释研究

通过分析地震资料品质，对地震的资料了解。通过在三维可视化环境中快速浏览地震数据，了解煤层的大致构造形态，同时了解在不同部位煤层的地震反射特征。根据煤层在不同部位的反射特征不同，采取不同的解释方法，达到快速准确解释煤层的目的。

2.1 煤层基本地震反射特征

通过对研究区进行频谱分析，可以看出地震资料的频带宽度在20 ～70 Hz，如图1 所示。地震资料的主频较高，地震资料品质较好，为煤层的准确解释提供了保障。

图1 频谱分析图Fig.1 Spectrum analysis diagram

通过三维可视化手段，从不同方向（Inline、CrossLine、时间切片、任意线等） 进行快速浏览地震数据体，了解工区内的煤层分布情况及煤层特点。

（1） 3 号煤层为一个强的波峰反射同相轴。埋深（丛基准面算起） 大部分为400 ～500 m，反射时间约为200 ～300 ms。煤层厚度在4 ～5.5 m。该煤层厚且稳定，与其顶底板之间物性差异显著，波阻抗差异大，形成波形突出，能量强，波形稳定，能够全区大范围连续追踪。

（2） 15 号煤层为一个较强的波峰反射同相轴。埋深（丛基准面算起） 大部分为500 ～650 m，反射时间约为300 ～400 ms。煤层厚度在2 ～5 m。能量较强，波形较稳定，在全区基本能够连续追踪。

2.2 煤层解释

3 号煤层为一个强的波峰反射同相轴，且在全工区稳定分布，因此在工区的大部分范围内可以通过三维自动追踪的方法来解释，剩下的局部通过半自动和手动解释相结合的手段，快速的准确完成3 号煤层的构造解释。

15 号煤层为一个波峰反射同相轴，该层在工区的中部反射能量强，且分布稳定适合自动追踪，但在北部和南部地震资料品质较差，不能自动追踪。

3 断层、陷落柱解释

断层对于煤层的开采非常重要，断层可以引起煤层与含水层的透水事故，也导致煤层破碎，裂隙增加，造成瓦斯气体的局部聚集，增加开采风险，另外断层还会影响机械开采时的巷道设计等。

陷落柱这种特殊地质现象的存在除了破坏煤层连续性，影响回采工作面布置及井巷围岩稳定性外,更主要的是作为奥陶系灰岩的岩溶水的导水通道，可能诱发矿井生产安全事故。

因此在解释中尽可能准确识别、解释断层和陷落柱是研究工作的重点。

3.1 断层、陷落柱解释流程

为了准确、快速的识别断层和陷落柱，采取了以下解释流程，如图2 所示。

图2 断层、陷落柱解释流程Fig.2 Interpretation process of fault and collapse column

3.2 关键技术

3.2.1 三维可视化技术

（1） 通过对地震数据全方位的浏览，快速直观了解全区断裂展布、构造形态。

（2） 综合显示地震数据、井数据、解释结果、属性数据，综合利用多种数据解释煤层。

（3） 三维可视化环境下直接解释层位、断层、陷落柱，能够实时监控层位解释的闭合情况、断层的空间组合关系，直接在三维空间中去掉异常值。

3.2.2 多属性综合研究技术

断层和陷落柱的解释是该项目的关键，常规剖面解释对于有效识别小断层和陷落柱有一定困难，而使用地震属性解释断层和陷落柱是近年来日益成熟的手段[2]。单一属性本身存在着一定的局限性，不能全面反映地质信息，因此采用多种属性联合解释的方式，快速有效解释该区的断层和陷落柱。

（1） 方差体属性。

方差体是相邻地震道空间差异性的反映,地震波横向连续性越差，方差值越大，可反映出由断层、异常地质体而引起的突变异常点[3]。

沿层方差体切片赋存的信息是某一沉积面（物理面） 的地震方差属性，利用它可以进行层间微断层、构造裂缝的识别，因此沿层方差属性技术是识别断层和陷落柱的有效手段之一。通过提取3号煤层和沿层方差属性，可以清晰的看到断层和陷落柱的分布情况，该区的断层和陷落柱主要分布在3 个区域，北部、中部和南部，其中，中部为一组近于东西走向的断裂带，断层陷落柱十分发育，如图3 所示。

图3 3 煤层沿层方差属性+ 断层、陷落柱解释结果Fig.3 No.3 coal seam variance attribute and interpretation result of fault and collapse column

（2） 谱分解。

谱分解技术是通过短时窗离散傅里叶变换（DFT） 将地震资料从时间域转换到频率域，得到振幅谱及相位11 谱调谐数据体的一项处理技术。应用LandMark 公司的谱分解软件，将该区主要目的层段的时间域地震资料转换为频率域振幅调谐体和相位调谐体。鉴于断层对相位的稳定性影响比较大，因此可用相位调谐体的频率切片识别断层[4]。由于断层及附近相位谱变得很不稳定，而在远离断层的位置相位谱表现比较稳定或呈渐变特征，因此应用相位调谐体频率切片比传统的相位属性能更加准确地识别和解释断层。

在应用谱分解处理的相位数据体及振幅数据体中，低频率切片反映断距相对较大的断层，而高频率切片主要反映断距相对较小断层。遵循由低频到高频，先相位后振幅，与相干体结合的解释思路，应用中低频切片解释主干断层，在此基础上应用中高频切片识别解释小断层。

通过谱分解处理后，可以看出谱分解同样清晰显示了该区的断裂特征（图4）。

图4 3 煤层谱分解+ 断层、陷落柱解释结果Fig.4 No.3 coal seam spectral resolution and interpretation result of fault and collapse column

（3） 混沌属性。

混沌属性是反映局部构造的混沌情况，断层发育的地方，地震波性表现的较凌乱，而构造平坦、没有断裂的地方，地震波表现的非常有规律，如图5 所示，这个属性虽然反映的断裂细节不如前3 种属性丰富，但同样反映了该区的总体断裂特征。

图5 3 煤层沿层混沌属性+ 断层、陷落柱解释结果Fig.5 No.3 coal seam chaotic attribute and interpretation result of fault and collapse column

通过以上几种属性的应用，可以看出这几种属性都清晰的反映出研究区的断裂特征，方差体反映的断裂和陷落柱最丰富[6]，其他几种次之，但其他属性在某些细节上是方差体和相干体属性的补充，从而最大限度的发掘了断层和陷落柱。

因此在实际应用中以沿层方差体和相干体属性为主，其他几种属性作为补充和参考来进行断层和陷落柱的解释。

首先对几种属性都能反映的大的断裂、陷落柱进行解释。

然后解释在方差体和相干属性上能清晰反映的断裂和陷落柱，用其他属性进行验证和确认。

最后解释在方差体和相干体上反映不明显，而在其他属性上反映明显的断层和陷落柱。解释完成后就形成了沿层断层多边形。

3.2.3 三维地质建模技术

通过解释的层位和断层多边形，可以建立三维地质模型。由于地质模型是一个三维空间概念[7]，因此在建立模型的过程，就是地震解释的合理性的检验，尤其是对断层的空间展布、断层的组合关系的检验。三维地质建模过程如下。

（1） 断层组合确定。将解释的断层多边形，在三维空间显示出来。

对属于同一个断层的多边形进行重新分配，分配完成后，属于同一个断面的多边形分配在同一个断层中。

（2） 断面模型建立。利用分配的断层多边形建立起断面模型。

（3） 层面模型建立。利用断面模型和解释的层位数据，建立起层面模型，如图6 所示。

图6 三维地质建模Fig.6 Three-dimensional geological modeling

（4） 输出层位的断层多边形信息。由于解释的断层多边形是一个手工解释的断层多边形，如果要使这个多边形准确的反映断裂位置，又能够达到工业制图的标准，则需要大量的人工交互。而通过建立三维地质模型后，断层的空间组合关系更加清楚，断面是一个空间里比较光滑的面，断层与层位在空间的接触关系更加合理，因此，利用建立的三维地质模型输出断层多边形。

3.3 断层及陷落柱解释结果

通过前面多种技术的应用，该区3 号和15 号煤层2 层共解释断层40 条，陷落柱16 个，其中3号煤层断层40 条，陷落柱15 个；15 号煤层断层28 条，陷落柱15 个。

3.3.1 断层解释情况

工区内断层分布广泛，主要集中在北部、中部和南部3 个区域，其中断层的走向主要有北东—南西向和东西向两组，部分断层为北西—南东向。

工区内最大的1 条断层是龙沟西（LGX） 断层，位于工区的东南，由于地震资料的覆盖范围限制，龙沟西断层只有部分在地震资料上有显示，断层的中间部分不在地震资料覆盖范围内，如图7所示。

图7 Line 255Fig.7 Line 255

工区内主要断裂带位于工区中部，在1207 井和1303 连线的南部，为一贯穿工区东西的断裂带，断层和陷落柱十分发育，主要是近似于平行的走向为东西方向的两组断层。

工区内断层的延伸长度不大，大部分延伸长度在100~400 m，断层落差在3~20 m。

3.3.2 陷落柱解释情况

结合陷落柱的平面特征和剖面上地震反射特征，对工区内的陷落柱进行了解释，首先根据沿层属性确定可疑陷落柱的位置，然后再根据剖面上的地震反射特征进行确认。

（1） 陷落柱的平面特征。

陷落柱在平面上的展布特征主要表现为环状断层，有的是圆形，有的为椭圆形，因此通过该特征用沿层属性的方法就可以识别陷落柱在平面上的位置了，沿层属性上陷落柱的表现方式大部分为环形，但是大部分并不是一个闭合的环，而是一端开口或者两端开口的圆弧形。

（2） 陷落柱的剖面特征。

陷落柱的剖面形状，粗细变化不一，多呈不规则柱状体。因此陷落柱地震剖面上具有特殊的显示特征[9]。①标准反射波在小范围内突然中断并消失，这是陷落柱在地震时间剖面上的最基本特征；②标准反射波同相轴中断，代之以断续的弱反射同相轴;③标准反射波中断，中断波仍与标准反射波相似（图8）。

图8 陷落柱断续弱反射同相轴示意Fig.8 The discontinuous weak reflection phase axis of collapse column

通过研究发现研究区的陷落柱的主要形态为上小下大的圆锥状柱体，和上下粗细近同的圆筒状柱体，部分陷落柱的形态是上大下小的漏斗状柱体和两头小中间大的不规则状柱体和弯曲状柱体。最终通过用沿层属性与剖面相结合的方法，详细的解释了该工区的陷落柱，工区内陷落柱比较发育，主要分布在断裂发育部位。

4 结 论

通过对赵庄煤矿三维地震的解释研究，对该地区得出以下结论。

（1） 该区断裂比较发育，尤其是小断层、陷落柱十分发育。

（2） 高密度采集的地震资料能够有效揭示小断层和陷落柱。

（3） 通过沿层多属性综合研究、三维可视化技术、地质建模技术等几项关键技术的综合应用，可以有效的识别小断层和陷落柱。