二维地震技术在慈圣镇东煤炭资源勘查中的应用研究

王 雷,刘华晓

(河南省有色金属地质矿产局 第四地质大队,河南 郑州 450016)

二维地震勘探技术在确定油气储藏位置以及煤炭资源分布起到了重要作用[1-2],该技术在地面上设置一些测线,然后,沿测线进行地震勘探施工,对地震波信息进行采集,将该信息输入到计算机中,得到地震剖面图[3-5]。研究区位于河南省柘城县城北,属慈圣镇管辖,西自崔庄,东至何堂,南起岗王乡,北到杨寨,南北长7～11 km,东西长约7.6 km,勘查面积约60 km2。其地处豫东平原,总体地势北西高,南东低,平均海拔为+50 m。采用二维地震技术,勘查了慈圣镇东煤炭资源。研究为后期煤炭的开采提供技术支持。

1 研究区地质与地震地质条件

1.1 地质概况

1.1.1 地层

根据区域及邻区资料显示区内地层自下而上依次为:中奥陶统,上石炭统本溪组、太原组,下二叠统山西组、下石盒子组,上二叠统上石盒子组、石千峰组,新近系,第四系。

(1)奥陶系(O)。中奥陶统马家沟组(O2),下部主要是含燧石条带细晶白云岩和粉砂钙质泥岩;中下部为泥质白云质灰岩与石灰岩互层;中上部为白云岩、泥晶灰岩等;上部为角砾状微晶灰岩及泥晶白云岩、花斑状泥晶灰岩等,含角石、海绵骨针化石。厚约40 m。

(2)石炭系(C)。主要为上统本溪组(C2b)和太原组(C2t)。①本溪组(C2b)。下部为致密块状、鲕状铝土泥岩、含赤铁矿团块(山西式铁矿)等,有时夹黄铁矿层,为K1标志层,均厚20 m左右,上部岩性主要为深灰色泥岩。②太原组(C2t)。下部以燧石灰岩(K2)与本溪组地层分界,顶部以K3灰岩与山西组地层分界。主要由泥岩、砂质泥岩、灰岩(8～13层)和煤(一煤组)组成,并含大量的腕足类化石。厚度100～150 m。

(3)二叠系(P)。上统为石千峰组(P2sh)、上石盒子组(P2s),下统为下石盒子组(P1x)、山西组(P1s)。主要由砂岩、细砂岩、粉砂岩,砂质泥岩、泥岩、黏土岩和煤层组成。①山西组(P1s)。本组含煤1～4层,其中二2煤为区内的主要可采煤层,并含有大量的羊齿类化石,厚约76 m。②下石盒子组(P1x)。下部为浅灰色铝质泥岩,底部为鲕状铝质泥岩(K4),常见紫斑。含丰富植物化石,多为羊齿类。中部以浅灰色细砂岩、粉砂岩、泥岩为主,夹煤线及炭质泥岩,赋存三煤组。有岩浆岩侵入。上部为灰色砂质泥岩,薄层鲕状铝质泥岩夹煤线,炭质泥岩;本组地层厚约274 m。③上石盒子组(P2s)。下段顶部为灰色、中粗粒砂岩(K6),为区内重要标志层。中部以紫红色及灰色泥岩为主,最下部为一层具泥质条带及团块和层理的中细粒砂岩(K5),一般厚10 m左右。上段底部为中粗粒长石石英砂岩(K8),下部以泥岩为主,夹粉细砂岩;上部为灰色泥岩、砂质泥岩与粉细砂质互层。中部以深灰色泥岩及中细粒砂岩(K7)为主,夹薄煤线2层,称四煤组或五煤组。顶部常含铝质,具紫斑。本组地层厚约305 m。④石千峰组(P2sh)。中部为紫红色铝质泥岩、砂质泥岩夹薄层泥晶灰岩。上部为同生砾岩,以青灰色、灰褐色粉砂岩及细砂岩互层,夹泥岩、砂质泥岩及1～5层浅灰色砾屑灰岩、泥质砾屑灰岩。本组地层厚度426 m。

(4)新近系、第四系(Q+N)。第四系为黄褐色粉砂亚砂土、亚黏土、黏土、细砂等,黏土中具铁锰质及钙质结核。厚950～1 025 m。

1.1.2 构造

研究区位于华北地台,黄淮盆坳永夏盆陷,商丘断隆白庙—河堤地堑之南。研究区及邻区重力异常显示为中间抬起的宽缓异常,石油地震成果也显示为中间抬起的宽缓背斜。区内构造简单,表现为一向南倾斜的单斜。向北上升过程中煤层尖灭在商丘断隆。

1.1.3 煤层

研究区含煤地层为石炭系太原组、二叠系山西组和上、下石盒子组。含煤6个煤组15～27层,其中二叠系山西组和下石盒子组为研究区主要含煤地层。

(1)二煤组。含煤2层,自下而上分别为二1、二2煤。二1煤局部可采,二2煤分布不太稳定,部分可采。经钻孔验证和地震时间剖面分析,二2煤层全区部分沉积缺失,分布不太稳定,平均厚1.25 m左右,预测二2煤层埋深小于1 800 m。

(2)三煤组。位于下石盒子组下部,含煤5层,自下而上分别为三1、三2、三3、三4、三5,其中三1、三2煤局部可采,三3、三4、三5煤偶而可采,各煤层平均可采厚度0.8～1.5 m。二2煤层在区内分布不太稳定,二2煤层赋存于山西组中下部,层位稳定,据钻孔资料和时间剖面分析对比,部分有二2煤层。煤层顶板为细中粒砂岩,厚度5.54～20.63 cm;底板为泥岩及砂质泥岩,厚度1.08～3.88 m。据邻区资料、区内钻孔揭露,二2煤层厚为1.25 m左右。煤层厚度无论沿走向或是倾向都有变化,煤层结构简单,偶尔含夹矸一层,多分布在二2煤层下部,厚0.05～0.50 m,夹矸岩性为泥岩或炭质泥岩及砂质泥岩。煤层稳定程度属较不稳定型。根据已有资料分析,煤层厚度的变化,在预查区范围内受沉积环境的影响,而在一定范围内则受后期构造挤压,使煤层产生塑性流变而发生变化。局部可见古河道冲刷使煤层变薄。

1.2 地震地质条件

(1)地表条件。研究区属黄淮冲积平原,为第四系全掩盖区,地势平坦,交通便利,有利于地震勘查施工,但区内居民点密集,并且村庄较大,这给野外施工增加了一定的难度。

(2)浅层地震地质条件。研究区地表为第四系松散沉积物覆盖,岩性多为黏土或砂质黏土。潜水位3.6～8.0 m,有利于轻便钻工具成孔及炸药激发。

(3)深层地震地质条件。研究区新生界主要由黏土、砂土夹薄层砂砾层等组成,平均速度为1 900 m/s,密度2.2 g/cm3,下伏基岩多为砂岩及粉砂岩,平均速度3 500 m/s,密度2.70 g/cm3,两地层之间存在明显的波阻抗差异,具有形成反射波条件,能形成T0反射波。二2煤层为厚度不稳定、结构简单的部分可采煤层,煤层与顶底板分层明显,存在显著的波阻抗差异,能形成较强的T2反射波,由于二2煤下部局部发育有二1煤,其间距较小,因而形成二2煤的复合反射波。

2 二维地震技术参数确定

2.1 技术参数

为了获得最佳效果的施工参数,省地质局物探队在认真分析以往资料的基础上和对工区的踏勘后,选取了2个试验点、1条试验线。地震研究工作的重点是提高原始记录的信噪比和分辨率,提高原始记录的质量,试验主要内容如下[6-9]。

2.1.1 井深试验

(1)试验点1。地下水位为6 m左右,以3 kg药量为基准,主要进行端点试验,原则是下倾放炮,上倾接收,其偏移距为120 m,分别进行14、13、12、11、10、9 m的井深激发试验,如图1所示。

图1 井深试验单炮记录Fig.1 Single shot record of well depth test

(2)试验点2。地下水位为4 m左右,同样以3 kg药量为基准,经过试验点1的试验情况,选取了端点和中间点2种激发方式的试验,端点偏移距为140 m,分别进行9、10、11、12、13、14 m的井深试验。通过对比最终发现12～14 m的单炮目的层稳定,反射强、连续性好的反射波组。

2.1.2 药量试验

对获得的最佳井深12～14 m,以0.5 kg药量为间隔进行1～4 kg的药量的试验,最终发现药量太小,反射波能量弱。药量太大,有效波频率低,经过对比,4 kg药量反映的有效波能量突出,信噪比高,如图2所示。

图2 药量试验单炮记录Fig.2 Record of single shot of charge test

根据试验点1、试验点2得出的试验效果和参数,做了一条试验段,经过初叠处理,得出的时间剖面反射波能量强,连续性好,波形稳定。试验段时间剖面如图3所示。

图3 试验段时间剖面Fig.3 Time profile of test section

2.1.3 试验结论

通过以上试验点和试验线资料的分析对比,结合设计要求以及本项目施工经验,综合技术经济合理原则,得出以下试验结论。

(1)激发因素。井深12～14 m,药量4 kg(遇到障碍物可适当减少,但不能低于2 kg)。

(2)接收因素。采用主频为60 Hz的2串2并4个检波器接收。组合基距采用堆放插置。使用Image多道数字地震仪,采样间隔为1 ms,记录长度为3 s。

(3)观测系统。道距20 m;炮距20 m;96道接收;叠加次数48次;激发方式为端点激发;偏移距140 m。

2.2 工程布置及设计工作量

为完成地质任务,物探采用二维地震的方法。

2.2.1 二维地震测线布置原则

因预查工作中二维地震测量得出的主测线间距为2 000 m,对一些构造和部分区段煤层分布界线未能完全控制,此次勘查主测线进行加密,加密后主测线线距1 000 m,达到研究要求。

2.2.2 设计工作量

全区共布置主测线3条,剖面总长度16.04 km,测线物理点800个,试验物理点50个,总计物理点850个,二维地震设计工作量见表1。

表1 设计工作量Tab.1 Design workload

2.2.3 野外工作量完成情况

本次共完成二维地震勘查测线3条,地震剖面总长度17.51 km,完成试验物理点38个,试验记录全部合格。生产物理点821个,其中甲级记录707张,甲级率86%;乙级记录114张,乙级率14%;废品记录0张,废品率0%。全区共计完成物理点859个,符合设计和《煤炭煤层气地震勘探规范》的要求。地震实物工作量见表2。

表2 地震实物工作量Tab.2 Physical workload of earthquake

3 资料处理

3.1 预处理

预处理地震数据处理中非常关键的基础工作,在本次资料处理时给予了足够的重视并采取了有力的措施[10-12]。

(1)研究区空间属性(检波点、炮点高程、炮点位置、接收排列等)在野外施工时已按一定格式输入计算机并存入了磁盘,输入后进行了反复核对,确保准确无误。处理中将软盘数据直接转换成处理系统的空间属性格式即可,保证后续处理快速、准确。

(2)对单炮记录逐炮显示,进行不正常道、炮的剔除以及声波、面波和高、低频不规则干扰波等的切除,保证单炮记录有较高的信噪比。

(3)振幅恢复、滤波、参数反复调试,对比效果,选择最佳参数。

3.2 静校正

静校正是地震资料处理的一个重要环节,关系到剖面的信噪比和分辨率,可分为3部分:野外静校正、初至折射静校正、剩余静校正。时间剖面剩余静校正前后如图4所示。

图4 时间剖面剩余静校正前后Fig.4 Before and after residual static correction of time profile

3.3 反褶积

由于大地的滤波作用,震源激发的尖脉冲经地层传播而被检波器记录下来的反射波形已不是一理想的脉冲,而是一个混合相位波形。也就是说由于大地滤波的作用,降低了时间分辨率,不仅造成时间上的延迟,而且对地震波的振幅特性和相位特性均有影响,为此需要做反褶积。本次处理采用了地表一致性反褶积,提高反射波频率,拓宽频带。

3.4 速度分析

速度参数是地震数据处理中一个非常重要的物性参数,直接影响叠加效果和后期解释的精度。针对地震地质条件,速度分析时采取了以下措施:①速度分析点均匀分布,研究区速度谱密度为200 m,在反射波品质优良及波阻抗齐全的地段,适当加密;②拾取速度谱时,在测线交点处检查速度选择的合理性;③拾取速度谱时,为拾取最佳速度,采用交互式速度分析法、同窗显示道集动校正效果和叠加效果;④速度谱分析共进行3次,提高叠加和偏移效果。

研究区内有已知钻孔ZK01、ZK02、ZK04、ZK06、ZK08、ZK10,见煤孔位为ZK01、ZK02、ZK06。根据见煤孔深度,求出研究区的速度,由于孔的分布有限,通过这几个孔很难求出全区的平均速度,所以本工区时深转换速度是利用钻孔求出的速度和叠加速度谱上读取的每一时间段叠加速度,最后求出的平均速度。经计算研究区新生界速度为2 000 m/s;二2煤速度为2 100～2 400 m/s,如图5所示。各时间段用的平均速度见表3。

表3 求取的时深转换平均速度Tab.3 Average speed of time depth conversion obtained

图5 本次速度谱Fig.5 This velocity spectrum

3.5 处理成果质量评述

经过处理人员的精心处理,取得了较好的效果,多条测线目的层反射波(T0、T2)信噪比较高、波组特征明显。时间剖面的分类标准[13-16]如图6所示。

图6 时间剖面的分类标准Fig.6 Classification standard of time profile

全区地震勘查共完成地震测线3条,通过精细的处理工作,获得时间剖面总长17.51 km。其中,Ⅰ类剖面10.22 km,Ⅱ类剖面长5.61 km,Ⅰ、Ⅱ类剖面长15.83 km,占90.4%。Ⅲ类剖面长1.68 km,占9.6%,如图7所示。

图7 时间剖面分类Fig.7 Classification of time profile

4 资料处理

时间剖面解释从主测线与联络线入手,分析反射波组特征,确定时间剖面中反射波组T2波(二2煤反射波)和T0波(新生界反射波),然后依据交点闭合方法在水平叠加剖面上纵横联网解释对比,完成时间剖面的初步解释。

4.1 地质层位的确定

地震资料的解释首先要确定反射波的地质层位。此次研究反射波地质层位的确定主要靠周边钻孔资料,借助联络线和主测线的闭合点和辅助相位的关系,并与上次预查的时间剖面,综合分析此次研究的地震资料和已经施工的钻孔资料,最终确定其地质层位。

4.2 波组特征

研究区地震勘查所追踪的目的层反射波为二2煤形成的反射波T2波和新生界形成的反射波T0波。T2波常由1～2个强相位组成,能量强、波形稳定、基本可连续对比追踪。新生界覆盖层较厚,与下伏砂岩有较大的波阻抗差,形成的T0波能量强,可连续对比追踪,如图8所示。

图8 T0、T2波在时间剖面上的显示Fig.8 T0,T2 wave display on time profiles

(1)T0波。所有剖面的多数地段,T0波显示突出,一般以1～2个强相位连续出现,易于识别。另一特点是T0波反映的地层产状近似水平,出现在1 s附近,与下伏反射层呈较为明显的角度不整合接触。尤其是在测线D250、D290线上这种特征显示明显。

(2)T2波。由于地震解释存在着多解性与探索性,原来解释的能量强、连续性好、能对比追踪的层位被当成是二2煤层反射的T2波来解释,经后期钻孔资料和时间剖面二次分析后,发现那一层不是二2煤层引起的反射波,很可能是下面地质层位引起的强反射波。研究区T2波的二次确定主要根据钻孔的见煤情况和见煤孔附近的时间剖面特征来确定的,从钻孔资料分布范围和见煤情况来分析,二2煤层在研究区分布不均匀,部分沉积缺失,研究区T2波的特征在时间剖面上断断续续,主要是以一个相位出现,并且有的地段反射较强,有的地段稍弱。

4.3 本次反射波地质层位的确定

(1)T0波反映的反射界面产状近似水平,与下伏地层呈角度不整合接触,出现时间在1.0 s附近,经计算深度约1 000 m左右,与周边钻孔和区内ZK01钻孔新生界厚度基本吻合:这些钻孔的地震时间剖面上,T0波特征与研究区相似。因此,将T0波解释为来自新近系底板的反射。

(2)T2波地质层位解释。经研究区钻孔资料、临区钻孔资料和时间剖面综合分析,未见煤孔为二2煤沉积缺失,因此通过所有资料综合分析,对原来解释的二2煤层产生的T2反射波进行修改,并最终做出了二次解释,重新确定T2反射波层位。

4.4 构造解释

在煤层地震勘查中,控制断裂构造和褶皱形态是主要地质任务之一。解释断点的依据很多,但在煤田勘探中最常用的依据是波系、波组或标准波的错断、终止、扭曲、产状突变。断点确定后,再根据断点特征和地质规律组成断层。褶皱形态则依据剖面和等高线平面图上标志层的起伏变化即可确定。

5 地质成果

5.1 新生界厚度变化趋势

研究区新生界底界面多数地段是一个强的反射界面,以此界面求得的新生界厚度是比较可靠的。研究区新生界厚度变化较小,从新生界等厚线图中可看出,厚度从西南向东北逐步变薄,在勘查区西南部最厚(约1 025 m),东北部最薄(约925 m)。

5.2 二2煤层分布范围和底板形态

(1)二2煤层分布范围。地震时间剖面上T2波解释为来自二2煤层的反射波。T2波存在及分布范围基本代表二2煤层分布范围。因此,研究区二2煤部分存在,其余为沉积缺失。

(2)二2煤层底板形态。从二2煤层底板等高线图上可以看出,研究区二2煤层构造形态较为简单,仅一条近南向北的DF1断层从区内穿过,煤层分布不均匀,在区中部地段为沉积缺失,基本形态为一从西南向东北抬升的单斜。其埋深从西南向东北逐渐变浅,只在局部地段略有起伏,二2煤层底板标高为-1 100～-1 600 m,煤层倾角3°～5°。区内有1条断层,走向NNE、倾向SEE从区内穿过的DF1断层,经过原L30线、L20线、L10线。

5.3 断裂构造

从本勘查区第一次解释的二2煤底板成果可知。研究区二2煤层构造相对比较简单。勘查内发现2条断层即DF1、DF2断层,5个断点:其中预查区2个,为FPD230-1和FPD230-3位置均在D230线上;研究区3个分别为D230线、L30线、L20线上的FPD230-3、FPL30-4 、FPL20-5断点。经二次解释后勘查内只发现有1条断层即DF1断层,2个断点即FPD230-1和FPD230-3,位置均在D230线桩号1720和6100附近。

(1)本勘查区在L30线桩号7630附近,T2波出现明显错断,错断时间0.1 s,T0波无明显错断,如图9所示。

图9 L30线时间剖面DF1断层特征Fig.9 DF1 fault characteristics of L30 time profile

(2)在L20线桩号8730附近,T2波出现明显错断,错断时间为0.065 s,如图10所示。在L10线桩号4350附近T2波发生错断。通过交点对比DF1断层上下盘T2波反射层位闭合良好,但由于研究区目的层部分地段沉积缺失反射波不连续,时强时弱,时有时无,所以对我们解释的断层位置存在多解性。通过三个断点相连,组成DF1断层。在L30测线附近断层落差为120 m左右,在L20测线附近落差为110 m左右,在L10测线附近落差为70 m左右。根据断层的特征划分,该断层为一基本正断层,区内延展长度9 km,其走向为NNE向,倾向SEE,倾角61°,落差50～100 m,从南向北有变小的趋势。

图10 L20线时间剖面DF1断层特征Fig.10 DF1 fault characteristics of L20 time profile

6 地质成果

(1)全区地震勘查共完成地震测线3条,通过精细的处理工作,获得时间剖面总长17.51 km。共计完成试验物理点38个,记录全部合格。生产线物理点821个,其中甲级记录707张,甲级率为86%;乙级记录114张,乙级率为14%;废品记录0张,废品率为0%。全区共计完成物理点859个。甲级率超过了《煤炭煤层气地震勘探规范》对原始记录品质的要求。

(2)按照《煤炭煤层气地震勘探规范》的标准,对本次所获得的时间剖面进行了评级,在获得的时间剖面长17.51 km中,其中Ⅰ类剖面10.22 km,Ⅱ类剖面长5.61 km。Ⅰ、Ⅱ类剖面长15.83 km,占90.4%,Ⅲ类剖面长1.68 km,占9.6%。为资料解释打下了坚实的基础。经资料解释,取得如下地质成果:①明确了覆盖层厚度及变化情况,研究区新生界西南部较厚,东北部稍薄,厚度为925～1 025 m。②查明了工作区构造轮廓。通过二次分析解释成果,共解释断层1条,即DF1断层;孤立断点2个,分别为FPD230-1、 FPD230-3断点。③查明了二2煤层的构造形态及分布范围,二2煤层底板形态总体为一走向近东西向,倾向南的单斜,二2煤底板标高在-1 100～-1 600 m。