应用地震技术在济宁矿区预测岩浆岩侵入范围

苏海龙, 李 江, 秦晓军, 孙永亮

(1. 济宁矿业集团花园井田资源开发有限公司,山东 济宁 272200;2. 中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西 西安 710077 )

关键字：岩浆岩侵入范围;叠前时间偏移:地震相;地震属性

0 引言

岩浆岩侵入使煤质发生了明显的改变,减少了储量,对煤炭资源造成较大的破坏[1-2]。岩浆岩侵入还破坏了煤层的结构和连续性,先期形成的区域构造,控制着岩浆的侵入范围,同时随着岩浆的活动又会产生一些新的构造,这对煤矿的安全高效开采造成较大困难,查明岩浆岩的侵入范围对煤炭开采具有重要意义。

岩浆岩侵入范围预测一直是地震勘探面临的一大难题,很多学者对岩浆岩的侵入范围预测做了一些研究。李江[3]通过正演模拟了岩浆岩侵入煤层地震波场的特征,并对岩浆岩成像进行了研究,可用于指导岩浆岩侵入区地震资料的处理解释。吴海波等[4]用正演模型模拟岩浆岩侵入的反射波特征,研究了岩浆岩侵入厚度变化引起煤层反射波振幅和频率变化的规律。单蕊等[5-6]利用地震相分析、地震属性、谱分解等方法综合解释岩浆岩侵入,取得了一定成果。李江等[7]通过对岩浆岩敏感的测井曲线重构反演,对煤层中岩浆岩侵入进行了预测。在地表条件和构造复杂地区,叠后时间偏移技术很难得到理想的成像效果[8]。岩浆岩侵入煤层造成构造横向变化大,地震波场比较复杂,绕射波发育,常规的叠后时间偏移不能保证反射波准确归位和绕射波能量收敛,因此地震剖面上存在很多杂乱波形信息,对于识别岩浆岩比较困难,这也造成很多解释成果不能完全满足生产需求。

济宁矿区地震地质条件复杂,地表障碍物多,煤层起伏形态大,断层非常发育,常规数据处理解释预测岩浆岩侵入范围比较困难。本文在采区三维地震数据处理解释基础上,针对岩浆岩侵入问题,采取叠前时间偏移技术[9],综合利用波形差异地震相识别、地震属性分析解释技术获得了区内岩浆岩侵入范围的预测成果,与钻孔巷道揭露信息吻合较好。

1 研究区域地质概况

研究区位于济宁HY井田,区内构造极其复杂,大小断层发育。下二叠统山西组为主要含煤地层,平均厚72 m,由灰白色砂岩、灰色粉砂岩、泥岩及煤层组成,组内自上而下有2煤、3煤、3下煤,其中3煤为主采煤层。井田内岩浆岩一般分布在岩体附近或大的断裂发育地带,从基性至酸性岩浆岩均有。岩浆活动以多期侵入、长期活动为特点,其活动高峰期主要有三期:早期发生在早中侏罗世;中期在晚侏罗世至早白垩世;晚期集中在晚白垩世至古近纪初。先期形成的区域构造,控制着岩浆的侵入范围,同时随着岩浆的活动又产生一些小构造。本井田距张集岩体和马庙岩体较近,岩浆通过凫山、鱼山、嘉祥等大断裂侵入,通过断层带上升进入煤系地层中。根据区域已有钻孔和采掘揭露,岩浆岩侵入有以下几点特征:岩脉垂直或斜交穿过煤层,对煤层影响不大,引起的煤变质和形成天然焦仅限于岩体的两侧;岩床顺层侵入,与煤层的接触面积大,对煤层的影响范围较大,使煤层被全部或部分吞蚀,或将煤层分为几个分层;岩浆顺煤层顶底板侵入,常常构成煤的直接顶底板,煤层部分被吞蚀,对煤层接触变质有一定的渐变性,即直接接触段变为天然焦,往远端依次为焦化煤至正常煤。

2 岩浆岩侵入范围预测方法

2.1 叠前时间偏移技术

对于地质构造复杂地区,当地层倾角较大或构造复杂时,基于水平层状介质和输入数据自激自收假设的水平叠加和叠后偏移处理方法无法解决构造成像问题。而叠前偏移技术摒弃了这些假设,利用叠前道集和速度场将各地震道数据偏移到真实的反射点,形成共反射点道集再进行叠加,从而提高了成像精度。在偏移方法的选取上,需要综合考虑偏移精度、偏移效率和保幅性,本次研究选用了 Kirchhoff 保幅叠前时间偏移方法,它具有偏移精度高,偏移效率高,保幅性好的特点。影响 Kirchhoff 偏移成像效果最主要的因素是偏移孔径,本次研究中对偏移孔径进行了大量测试分析(图1),偏移孔径过小,绕射波不能完全收敛,反射波不能有效归位,断点成像精度较差,但剖面同相轴连续性好,信噪比高;偏移孔径过大,断点绕射波能得到较好的收敛,有利于小断点精细成像,但过大的偏移孔径易造成反射波归位过量,偏移画弧现象严重,同相轴连续性变差,降低剖面的信噪比。综合考虑成像效果与信噪比,本次成像处理最终选择偏移孔径600 m。图2为本次 Kirchhoff 叠前时间偏移与水平叠加和叠后时间偏移典型剖面对比,可见叠前时间偏移获得更好的成像效果,为后续地震波形分析和地震属性分析解释提供了高质量的数据基础。

图1 Kirchoff叠前时间偏移孔径测试

图2 叠加偏移剖面对比图

2.2 地震相分析

地震相分析主要是以波形变化特征进行统计分析和模式识别,直接利用地震波波形研究岩性是最理想的岩性预测方法。根据煤层和岩浆岩地震信号响应特征——煤层正相位起跳而岩浆岩负相位起跳:当岩浆岩与煤层间距较大时,两者均形成能量较强的反射波;当间距减小时,煤层反射波和岩浆岩反射波发生复合,复合波可能正相位叠加或者正负相位抵消,体现在剖面上就是反射波能量变强或者变为空白;当岩浆岩完全侵入煤层,只保留岩浆岩反射波,反射波相位发生反转;巨厚岩浆岩顶底一般形成强反射,内部为弱反射;岩浆岩斜穿过煤层时会造成煤层反射波中断、反射波凌乱等特征。根据这些反射波特征,在地震剖面上寻找解释相应的异常(图3),将这些异常区域圈定,预测岩浆岩侵入范围。

图3 岩浆岩侵入范围地震相特征

2.3 地震属性分析

地震属性是指地震资料提取或数学变换后导出用于表征地震波几何形态、运动学特征、动力学特征和统计学特征。当地下岩层的物理性质发生改变,地震属性随之变化。地震属性分析技术通过提取地震数据层间信息,进行统计,计算结果在平面上可以有效突出层内异常地质体特征。由于煤和岩浆岩在地质特征和地球物理特征上都存在明显的差异,这种差异体现在地震波的时间、频率、振幅强度和相位特征上,这为地震属性预测岩浆岩分布范围奠定了基础。本次属性分析解释中计算了可采煤层附近的振幅、频率、曲率类等各种地震属性,通过对比各种属性之间的相关性和差异性,进而优选出对岩浆岩反映敏感的属性聚类分析,以此进行岩浆岩侵入范围预测。经过属性优选,本区对岩浆岩反应较为敏感的地震属性有瞬时频率、最大振幅属性和弧长属性(图4)。图4(a)为瞬时频率属性,以黄色—蓝色—红色表示,黄色为正常煤层,红色反映岩浆岩侵入特征。图4(b)为最大振幅属性,以绿色—黄色—红色表示,绿色代表正常煤层,黄色和红色反映岩浆岩侵入异常。图4(c)为弧长属性,以青色—绿色—红色表示,青色为煤层,越接近红色,岩浆岩特征越明显。图中异常区均对岩浆岩有一定的反映,特别是B6钻孔附近已揭露的大片岩浆岩侵蚀区,地震属性对其反应尤为明显。

图4 地震属性平面图

3 岩浆岩侵入范围预测成果

本次岩浆岩解释运用叠前时间偏移技术,综合地震相识别和地震属性分析预测结果,对岩浆岩的侵入范围进行了预测。全区共解释大小不等的岩浆岩侵入区23处(规模较大的部分区域编号为Y1～Y6,见图5)。其中Y1区域位于工区西部处于凫山断层和凫山支断层之间,面积约0.11 km2,该区域岩浆岩沿着两大断层断裂带顺煤层侵入,造成煤层大面积缺失,Y1区域西部B4钻孔取心资料揭露该处为天然焦。Y2、Y4区域附近巷道揭露为岩浆岩。Y3区域处于凫山断层下盘,解释为岩浆岩沿断裂带顺煤层侵入。Y5区域位于工区中部,面积约0.15 km2,该区域B6钻孔揭露为岩浆岩,厚度约37 m。Y6区域位于凫山之断层A、B之间。总体来看,本区岩浆岩主要表现为沿断层破碎带向煤层顺层侵入,在大断裂附近岩浆岩较发育,局部地区岩浆岩零星分布。

图5 岩浆岩侵入范围预测图

4 结论

(1)岩浆岩结构空间变化大,对地震反射波影响复杂,常规处理同相轴特征识别困难。经叠前时间偏移处理,岩浆岩反射波和绕射波收敛,成像质量得到提高,地震相特征在地震剖面上可以有效识别,属性提取效果得到保证。

(2)地震相波形聚类分析和地震属性分析综合解释是行之有效的方法,两者相互印证提高了岩浆岩侵入范围预测的可靠性,为煤矿的安全高效开采提供了支撑。