楊廣憲，楊臣明

(中國煤炭地質總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

0 引言

淮南煤田位于華北板塊的南緣，秦嶺緯向構造帶北緣，東至華夏構造郯廬斷裂，西抵阜陽斷裂，整個煤田為一近東西走向的對稱構造盆地。受秦嶺緯向構造帶南北向壓應力的擠壓作用，總體呈北西西向延展的復向斜構造，并在復向斜南北兩翼發(fā)育了一系列走向壓扭性逆沖斷層，成復向斜兩翼的疊瓦式構造，甚至部分地層自立倒轉[1]。HDGD煤礦位于淮南盆地北部邊緣中段，可采煤層較多。井田中北部逆斷層、小斷層和微小地質體發(fā)育，受南北擠壓和東西拉伸應力影響，斷層以東西走向和南北走向為主，伴有北西方向的斷層，構造條件復雜。

1 技術難點

(1)經歷了拉伸(東西方向)和擠壓(南北方向)構造運動的改造，北部邊界斷層多、傾角大；速度橫向變化大，地震觀測窗口小，有效反射較弱，地震成像困難。

(2)受到相互垂直應力的影響，斷層呈現交叉垂直現象，且主斷層與地層傾向總體也存在垂直現象，常規(guī)地震勘探布線方式無法滿足測線垂直于構造走向的要求。

(3)可采煤層多，上組煤(包括13-1和11-2煤以上煤層)反射波頻率高、能量強、信噪比高。受到上部地層和上組煤屏蔽影響，中組煤(包括從4煤至8煤)和下組煤(3煤以下煤層)反射波頻率低、能量弱、信噪比低。

2 數據采集

在煤田三維地震勘探中，野外數據采集的質量直接決定了地震勘探的成敗[2]。

2.1 觀測系統(tǒng)選擇

2.1.1 全方位觀測系統(tǒng)

目前煤田三維地震勘探多采用窄方位角束狀觀測系統(tǒng)，其炮檢對方位數量主要集中在沿測線較窄的方位[3]。而全位觀測系統(tǒng)所采集的炮檢對方位數量在全方位上均勻分布，炮間距等于道間距，炮排距等于線間距，實現了正真的全三維數據采集。其優(yōu)勢在于：①可以從不同方向觀測目標地質體，使每個方向的目標地質體都能清晰成像；②一次只滾動一條線，實現在縱橫兩個方向上連續(xù)采樣，最大限度降低觀測系統(tǒng)噪音，有利于弱信號成像；③全方位采集能最大限度減小橫向上不同覆蓋次數的過渡帶，容易跨越地表障礙物和地下陰影帶；④相對窄方位觀測系統(tǒng)其成像分辨率更高，更有利于微小地質體成像；⑤有利于衰減相干噪聲；⑥衰減多次波的能力優(yōu)于窄方位角[4]。

2.1.2 “三小”高密度采集

面元的大小主要影響地震橫向分辨率。通常情況下，在一個方向上分辨一個小目標需要2～3個CDP[5]。即在三維地震勘探中，分辨一個微小地質體需要4～9個面元，目標地質體越小，需要更小的面元才能分辨。

對于傾斜目的層來說，能夠分辨目的層的直徑Dx取決于傾斜同相軸的最高無混疊頻率Fmax、同相軸的上一地層的層速度υint和地層傾角θ。對傾斜目的層的分辨可以表示為：

Dx=υint/(4Fmaxsinθ)

也就是說，大傾角地層需要更小的采集面元才能夠分辨。當然，小面元也就意味著小炮距激發(fā)和小道距接收。實踐證明，小道距、小炮距、小面元(“三小”)高密度采集有利于提高橫向分辨率；有利于大傾角地層和微小地質體成像[6-7]。

2.1.3 高覆蓋次數

理論上講，地震波的信噪比在小于0.5時，信號無法分辨；當信噪比從0.5升到1時，分辨能力可以提高2.5倍；但當信噪比大于2時，對于分辨能力改善意義就不大了[7]。對于多煤層勘探而言，由于上組煤的屏蔽，中、下組煤層信噪比很低，因此，提高覆蓋次數有利于中、下組煤弱反射信號成像。

綜上所述，針對該區(qū)的構造特點和地質任務，經過正演模擬論證，最終決定采用16線10炮全方位角觀測系統(tǒng)(如圖1)，炮間距和道間距都是10m，炮排距和線間距都是100m，覆蓋次數為64次(縱橫向均8次)，圖2為炮檢對玫瑰圖。

圖1 16線10炮觀測系統(tǒng)示意圖Figure 1 A schematic diagram of 16 lines and 10 shots field setup

圖2 炮檢對玫瑰圖Figure 2 Rose diagram of shot-geophone pairs

2.2 采集技術措施

2.2.1 采用數字檢波器接收

數字檢波器是加速度檢波器，具有寬頻帶線性幅頻響應特點，，頻帶范圍為0～800Hz振幅誤差小(為±0.25%)[8]。其數字檢波器記錄的動態(tài)范圍遠遠大于地震信號的頻率，而普通模擬檢波器(速度檢波器)有固定的主頻和頻帶記錄范圍，只有近主頻范圍的信號會得到加強，反之削弱，超出其頻帶范圍的信號衰減嚴重。圖3是數字檢波器與普通速度檢波器的振幅與相位響應對比，可見，數字檢波器在地震信號的有效頻帶范圍內具有相同的響應特征，更容易無失真地記錄低頻信號和高頻弱信號。

圖3 數字檢波器與普通速度檢波器振幅響應 對比(上)和相位響應對比(下)Figure 3 Comparison of digital geophone and ordinary velocity geophone amplitude response (upper) and phase response (lower)

本區(qū)主要可采煤層共5層，受上部煤層屏蔽影響，8煤以下反射波高頻信號很弱，需要動態(tài)范圍大、靈敏度高的檢波器；同時，下組煤埋藏深，煤層反射波主頻低，數字檢波器更容易無失真地記錄主頻小于10Hz的低頻信號。

2.2.2 單點、單分量采集技術

傳統(tǒng)地震勘探在野外采用多檢波器組合壓制相干規(guī)則噪音，這種方法可提高信噪比，與此同時，它也帶來資料頻率和保真度方面的損失，在壓制噪音的同時，也降低了地震信號的動態(tài)范圍。本區(qū)構造復雜，小斷層和微小地質體發(fā)育，采用單點激發(fā)和接收有利于提高資料縱橫向分辨率，增加小斷層、微小地質體的解釋精度[9]。雖然這樣降低了野外壓制干擾波的能力，但可以充分利用全方位角高密度采集的優(yōu)勢，在室內消除規(guī)則干擾，同時，利用高覆蓋次數提高微弱信號的信噪比。

2.2.3 激發(fā)巖性與藥量選擇

解釋小斷層，查清下組煤的構造，需要地震波具有高頻率、大能量。但是藥量大，激發(fā)能量雖得到增強，但激發(fā)子波的主頻就會降低[10]。人工激發(fā)地震波場的強弱和激發(fā)頻率與激發(fā)藥量、激發(fā)藥型、激發(fā)耦合和激發(fā)有效能量下傳緊密相關[11]。在耦合沒有問題的情況下，好的激發(fā)層位中激發(fā)的地震子波能量強、主頻高。

針對不同地表優(yōu)選物理點設計井深，確保炸藥能夠安放在最優(yōu)的激發(fā)層位中，同時悶井激發(fā)，確保能量能夠向下傳遞。適當加大藥量，采用2kg大藥量激發(fā)。

3 數據處理

地震數據處理是搞好復雜構造條件下多煤層勘探的關鍵一環(huán)。全方位數字高密度地震資料信息十分豐富，其地震資料處理涉及到能量補充、噪音衰減、靜校正、動校正和偏移成像等各個環(huán)節(jié)，下面介紹其中的噪音衰減、靜校正和疊前時間偏移技術。

3.1 基于空間子集的規(guī)則噪音衰減技術

在實現地震反射波無假頻采樣的同時，高密度地震數據也實現了對某些規(guī)則噪音的無假頻采樣。這種連續(xù)干擾波場，在地震數據集中特征明顯，易于分辨和識別[12]。全方位角高密度地震技術具有空間采樣均勻、對稱、波場不失真的特點，為三維空間域信號、噪聲波場分離技術的有效實施創(chuàng)造了有利條件。即便如此，也不可能實現各個方向都連續(xù)采樣。為了彌補垂直接收線方向上單炮記錄空間采樣的不足，用垂直接收線的多個炮記錄，按炮點到接收線的距離進行互換，模擬空間采樣均勻炮集，即正交子集，然后進行去噪。去噪后再返回各炮記錄，這是空間子集波場分離去噪的技術實質[13]。利用高密度資料空間子集3D-FK波場分離法對面波和主要線性干擾進行有效分離，實現傳統(tǒng)采集資料難以達到的保真去噪效果。

3.2 弱信號同相處理

數字檢波器動態(tài)范圍大、靈敏度高、相頻特征響應穩(wěn)定，其寬頻、弱信號的地震信息有利于對中、下組煤弱反射信息的分析研究。關鍵是如何利用數字高密度小面元高覆蓋次數的技術優(yōu)勢提升高頻弱信號的信噪比和邊緣檢測能力。

在傳統(tǒng)處理技術的基礎上，利用分頻剩余靜校正、高密度雙譜速度分析校正等技術，逐步改善高頻弱信號的同相處理水平，最終實現反射波同相疊加[13]。

3.3 疊前時間偏移技術

疊前時間偏移技術取消了輸入數據為零炮檢距的假設，避免了NMO校正疊加所產生的畸變，輸入數據包含了各個炮檢距的信息[14]，適用于大傾角和縱橫向速度變化較大的情況下偏移成像，是目前偏移歸位成像處理較理想的偏移方法。影響疊前時間偏移效果的三大因素是偏移速度、偏移傾角和偏移孔徑[15]。HDGD煤礦逆斷層發(fā)育，橫向速度變化大，構造復雜。求取偏移速度時，從DMO速度入手，采用逐次迭代的辦法，反復逼近，力求偏移速度準確；選擇偏移傾角時，根據疊后偏移剖面并結合實際鉆孔資料；在偏移孔徑選擇上，要建立在試驗的基礎上，充分考慮到地層傾角的因素，確保盡更多信息參與偏移，改善大角度地層偏移成像質量。

4 應用效果

通過一系列針對性的技術措施，疊加剖面反射層次齊全、特征清楚，偏移成果剖面信噪比高、地質現象清楚、斷層和構造特征明顯，取得較好的地質效果。

圖4是13-1煤層局部方差體切片，圖中顯示，HDGD煤礦的斷裂系統(tǒng)以近東西、南北為主，伴有北西方向的次一級斷層，東西方向斷層將南北方向斷層切割，錯斷明顯。

HDGD煤礦構造復雜，受南北擠壓和東西拉伸應力的影響，地層傾角大，伴生小斷層多。圖5是過逆斷層的聯絡線680線疊前時間偏移剖面，可見，復雜構造成像清楚、斷層反應明顯、斷面清晰，小斷塊和微幅構造成像清楚。

圖4 13-1煤局部方差體屬性切片Figure 4 Coal No.13-1 local variance cube attribute slices

圖5 聯絡線(CL680線)偏移剖面Figure 5 Cross line (line CL680) migration section

5 結論

本次三維地震勘探通過全方位角數字三維地震勘探方法，提供了一種解決復雜構造條件下多煤層地震勘探問題的思路，研究結果表明：

(1)利用全方位觀測系統(tǒng)采集地震資料，可以從不同方向觀測目標地質體，使個方向的目標地質體都能清晰成像，解決不同方向構造成像問題；

(2)數字檢波器頻帶寬、動態(tài)范圍大，能夠接收到下組煤的微弱反射信號，輔之以高密度、高覆蓋次數，通過合適的處理方法，可以提高中、下組煤層反射波的信噪比，是解決多煤層地震勘探的重要思路；

(3)數字檢波器記錄頻帶寬，使用數字檢波器單點接收，采用小道距、小炮距、高密度和高覆蓋次數技術采集地震資料，能夠使小斷層和微幅構造成像更加清晰；

(4)全方位角高密度地震數據為室內利用三維波場分離法將有效波和規(guī)則干擾分離打下堅實的基礎，通過3D-FK能夠成功消除規(guī)則干擾波，成果數據更保真；波場凈化徹底的高密度地震數據更有利于疊前時間偏移成像，是解決復雜構造成像的一種手段。

復雜構造條件下多煤層地震勘探是目前勘探界的難題，全方位角數字高密度三維地震勘探是一種好手段，給我們提供了一種解決多煤層復雜構造地震勘探的新思路。相信在不遠的將來，隨著該技術的不斷完善，最終成為煤田地質勘探的重要手段。

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