張慧利，趙 豫，沈 陽

(1.河南省地質局礦產資源勘查中心，河南省鄭州市，450053；2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(地球物理深部探測研究)，河南省鄭州市，450053)

0 引言

焦作煤田某煤炭勘查區(qū)獲得較大勘探成果，提交了約7億t煤資源儲量，其中利用地震勘探方法探明煤層的埋藏深度和分布范圍發(fā)揮了重要作用。地震勘探是利用人工激發(fā)的彈性波在巖石中的傳播來研究地質結構和巖性信息的一種方法。在地表，使用炸藥震源或可控震源激發(fā)地震波，其向地下傳播時遇到波阻抗不同的物性界面，地震波將發(fā)生反射與折射，在地表用檢波器接收這種地震波，繼而對其中的反射波進行分析，可獲得關于目的層埋藏深度及分布情況的信息[1]。

勘查區(qū)內地表為第四系黃土層覆蓋，局部地段下伏卵石層且埋藏較淺，鉆機成孔困難，同時區(qū)內村莊較多，僅采用常規(guī)炸藥獲得震源激發(fā)較好的煤層反射剖面較困難。經過分析，認為可將可控震源激發(fā)作為有效補充，為確保采集信息的一致性，對炸藥震源激發(fā)參數(激發(fā)井深、激發(fā)藥量)和可控震源激發(fā)參數(驅動幅度、震動臺數、震動次數、掃描長度、掃描頻率)進行充分實驗后確定了最佳采集參數[2]，獲得的炸藥震源和可控震源反射波時間剖面經鉆探驗證，解釋精度較高，體現(xiàn)了不同震源在同一地震勘探區(qū)中綜合應用的優(yōu)越性[3]。

1 區(qū)域地質概況

1.1 區(qū)域構造概況

焦作煤田位于北東向太行山背斜南翼和東西向武陟背斜北翼部位。地層走向一般為北東向、北東東向，傾向南東，地層傾角為8°～15°，局部傾角較陡[4]。薄壁斷層長約30 km，為南東盤下降正斷層，斷距超過1 km，構成煤田西北邊界。朱村斷層為盤古寺斷層東延部分，斷面傾向南西，斷距超過2 km，為焦作煤田西南邊界，耿黃斷層斷面傾向南東，為焦作煤田的東南邊界。焦作煤田構造綱要如圖1所示。

整個煤田以斷塊構造為特征，可按近東西走向的鳳凰嶺斷層和北西走向的峪河斷層為界分為3個部分，即鳳凰嶺斷層以南為南部，鳳凰嶺斷層和峪河斷層之間為中部，峪河斷層以東為北部。南部以走向近東西的褶皺和斷層為主，主要有平陵斷層和董村斷層，中部受北東向斷層(馬坊泉斷層)與北西向斷層(方莊斷層)共同作用，形成多個階梯狀小塊斷，北部發(fā)育有北東向斷層，主要是九里山斷層和西倉上斷層。

1.2 區(qū)域地層概況

根據鉆孔揭露，該區(qū)域分布有奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、石炭系、二疊系、新近系和第四系，地層自下而上分述如下。

(1)奧陶系中統(tǒng)馬家溝組。主要由中厚-巨厚層狀的灰?guī)r及白云巖組成。

(2)石炭系。為一套海陸交互相含煤建造，平均厚度為100 m左右。按地層沉積層序自下而上劃分為本溪組和太原組。本溪組(C2b)主要為灰色-灰黃色的泥巖、鋁土質泥巖，厚度為6～10 m，與下伏奧陶系地層呈平行不整合接觸關系。太原組(C2t)為一套海陸交互相沉積建造，沉積旋回明顯。主要由灰黑色泥巖、泥質粉砂巖、深灰色含生物碎屑石灰?guī)r、煤層及煤線互層組成，與下伏的本溪組呈整合接觸，是一2煤層的賦存層位。

(3)二疊系。為一套過渡相碎屑巖系，與下伏地層不整合接觸，平均厚度為418 m左右。按地層沉積層序自下而上劃分為山西組、下石盒子組和上石盒子組。山西組(P1s)為區(qū)內主要含煤巖系，由碎屑巖和煤層組成，厚度為49～97 m，本組內的A層鋁土和大占砂巖是判別二1煤層的重要標志層。 下石盒子組(P1x)厚度為232～337 m，底部為含礫中-粗粒長石石英砂巖(砂鍋窯砂巖)，灰色，正粒序，水平層理或斜層理，裂隙不發(fā)育，層面見有較多云母片，砂鍋窯砂巖中下部夾有少量不規(guī)則泥質團塊，底部見有泥礫，與下伏地層分界明顯，是重要的標志層。上石盒子組(P2s)底部為中粗粒石英砂巖(田家溝砂巖)，厚度為2.5～24 m。白色、淺灰色，正反粒序，層理不明顯，發(fā)育1～2組近垂直裂隙，由方解石填充，裂隙寬度為1～4 mm；頂底部長石含量較高時巖性為長石石英砂巖，斜層理發(fā)育，偶夾薄層泥巖。

(4)新近系。與上石盒子組不整合接觸，巖性以黃褐色、褐紅色粘土為主，巖性多為砂質粘土，含有數層礫石層，礫石成分以灰?guī)r為主，次為砂巖，礫徑約5 cm，磨圓度中等。

(5)第四系。普遍分布，與下伏地層新近系不整合接觸，巖性以黃褐色、黃色粘土和砂質粘土為主，軟塑性，與新近系角度不整合接觸，分界明顯。

2 采集參數的確定

震源參數的選取對于獲取高信噪比的原始記錄較為重要，在綜合考慮地表及地震地質條件的基礎上，本次地震勘探所使用的地震儀器為法國生產 408UL遙測數字地震儀器，采用多道數、長排列的接收方式，接收采用60 Hz 檢波器，每個檢波器串采用 4個檢波器以兩串兩并的方式組合在一起，作為接收道放在同一點上采集數據，能有效地增強反射信息的能量。

勘查區(qū)分別采用炸藥震源和可控源作為激發(fā)震源。在進行野外原始數據采集之前開展了充分的方法實驗，以選取最佳的采集參數。

2.1 炸藥激發(fā)參數實驗

嚴格按照單一因素變化的原則對炸藥激發(fā)的井深和藥量進行實驗，共采集了10個原始數據，具體實驗參數見表1。

表1 實驗參數

(1)井深實驗。藥量為3 kg，井深為8、10、12、13、14 、15、16 m。對比各炮記錄可以看出，12、13、14、15 m單炮記錄的目的層反射波同相軸顯示較好；8、10 m井深的單炮記錄目的層反射波同相軸顯示模糊，16 m井深的單炮記錄目的層顯示能量較弱，基于勘探效果，激發(fā)井深確定為12 m。井深實驗單炮記錄如圖2所示。

圖2 井深實驗單炮記錄

(2)藥量實驗。井深為12 m，藥量為1、2、3、4 kg。對比各炮記錄可以看出，藥量為3 kg單炮記錄的目的層反射波同相軸好于1、2 kg的單炮記錄；藥量為4 kg單炮記錄的目的層反射波同相軸反應效果與3 kg單炮記錄相近，考慮勘探成本，激發(fā)藥量確定為3 kg。藥量實驗單炮記錄如圖3示。

圖3 藥量實驗單炮記錄

2.2 可控震源激發(fā)參數實驗

在相同干擾背景下，采用相同排列接收，按照單一因素變化的原則實驗不同激發(fā)參數(驅動幅度、震動臺數、震動次數、掃描長度、掃描頻率)的激發(fā)效果。

(1)驅動幅度。驅動幅度俗稱出力，是可控震源一項關鍵參數。驅動幅度越大，震源給出的掃描信號也越強，但過大的驅動幅度容易引起掃描信號的強烈畸變。在實際生產中，需要考慮震源底板與地表的耦合情況，在底板與地面耦合性較好的情況下，可以適當加大震源驅動幅度[5-6]。本次采用2臺可控震源，設置條件為：掃描頻率15～95 Hz、掃描長度為12 s、疊加 12次，進行了可控震源驅動幅度對比實驗。分別實驗了60%、70%、80%的驅動幅度，隨著驅動幅度的增加，深層反射波能量和連續(xù)性隨之改善，但是 70%和 80%差別較小，在此采用70%的震源輸出力為宜。驅動幅度實驗單炮記錄如圖4所示。

圖4 驅動幅度實驗單炮記錄

(2)震動臺數。增加可控震源的臺數是加強向地下發(fā)射信號能量的常用手段，可以有效提高資料信噪比。設置掃描頻率為 15～95 Hz、掃描長度為12 s、驅動幅度為70%、垂直疊加次數為12次的條件下，進行了激發(fā)臺數對比實驗。分別實驗了單臺激發(fā)和雙臺激發(fā)，從對比記錄來看，單臺激發(fā)的能量較弱，在雙臺震源車激發(fā)記錄上反射層信息較清晰，因此，震源激發(fā)采用雙臺可控震源激發(fā)。震動臺數實驗單炮記錄如圖5所示。

圖5 震動臺數實驗單炮記錄

(3)震動次數。震動次數就是指可控震源的垂直疊加次數，通過將同一位置多次激發(fā)的記錄疊加在一起形成單炮地震記錄，主要是通過壓制隨機干擾，從而提高目的層的信噪比，使反射能量突出[7-10]。設置掃描長度 12 s、驅動幅度70%、掃描頻率 15～95 Hz，震動次數分別選用 8、10、12、14次進行對比。從對比記錄來看，隨著震動次數的增加，隨機噪聲得到壓制，12次震動時效果最好，因此確定震動次數為12次。震動次數實驗單炮記錄如圖6所示。

圖6 震動次數實驗單炮記錄

(4)掃描長度?？煽卣鹪丛谙蛳聜鞑呙栊盘柕臅r間即為掃描長度，掃描長度越長，累計的能量也越強，相應的信噪比也越高。在實際工作中，需要綜合考慮目標層的埋藏深度及施工效率，合理選擇掃描長度，另外，還需要避免相關虛像對單炮記錄的影響。由于12 s掃描長度已經可以滿足本次中淺部地震數據信噪比的要求，因此沒有再進行掃描長度的實驗。

(5)掃描頻率。掃描頻率的設置需要綜合考慮勘查區(qū)地層的頻率響應、干擾波發(fā)育情況、檢波器性質與采集參數等因素，主要是對掃描頻率最低(地震低頻信號)與掃描頻率最高(地震高頻信號)這2個參數進行選擇。地震低頻信號在識別隱伏目標體、地震反演與成像的精度中有重要作用，在深部地震勘探中采集數據的頻率越低越好。在煤炭勘探中，起始頻率 20 Hz 已經可以滿足中淺部勘探需求，頻率過低也會出現(xiàn)低頻干擾。因此，從提高中淺部地震勘探信噪比的角度出發(fā)，起始頻率的選擇還需考慮低頻噪聲的壓制效果。通過綜合考慮，勘查區(qū)可控震源的起始頻率設置為 15 Hz，當終止頻率小于 95 Hz 時，有效頻帶寬度隨著終止頻率的升高而升高，分辨率也隨之升高；當終止頻率超過95 Hz時，有效頻帶寬度基本不變，分辨率也沒有大的提升，但是高頻隨機干擾開始出現(xiàn)，因此掃描頻率設置為15～95 Hz。

2.3 觀測系統(tǒng)實驗

經過對激發(fā)參數的實驗，當炸藥震源激發(fā)時，確定采用井深12 m、藥量3 kg激發(fā)，單炮記錄上能夠獲得清晰的目的層反射波同相軸。按照此激發(fā)參數進行實驗段數據采集，對比分析后選擇合適的觀測系統(tǒng)。

觀測系統(tǒng)實驗布設時考慮到要抽取不同接收道進行對比，因此使用小道距、長排列進行，具體參數是10 m道距、20 m激發(fā)點距、180道(中間激發(fā)，兩邊接收)接收，主要分為兩大類進行。

(1)采用10 m道距、20 m激發(fā)點距，抽取不同接收道數進行對比，120道中間接收30次疊加如圖7所示，120道單邊接收30次疊加如圖8所示，144道中間接收36次疊加如圖9所示。

圖7 120道中間接收30次疊加

圖9 144道中間接收36次疊加

通過對比圖7～圖9可知，在10 m道距、20 m 激發(fā)點距抽取不同的接收道數的情況下，120道中間接收時淺部反射波顯示強度好于120道單邊接收，但2種觀測系統(tǒng)的目的層連續(xù)性及強度相似；144道(48+96道)接收的觀測系統(tǒng)，其顯示效果與120道中間接收的顯示效果相近，疊加次數高的時間剖面能量稍強。

(2)采用20 m道距、20 m激發(fā)點距，抽取不同接收道數進行對比，60道單邊接收30次疊加如圖10所示，72道單邊接收36次疊加如圖11所示，90道中間接收45次疊加如圖12所示。

圖10 60道單邊接收30次疊加

圖11 72道單邊接收36次疊加

圖12 90道中間接收45次疊加

通過對比圖10～圖12可知，在20 m道距、20 m激發(fā)點距抽取不同的接收道數的情況下，每種觀測系統(tǒng)獲得的剖面顯示效果較10 m道距在垂向分辨率上均稍強；疊加次數高時獲得的時間剖面能量較強，45次疊加時間剖面的反射波同相軸連續(xù)性及能量要好于36次、30次疊加的時間剖面。

經過實驗確定觀測系統(tǒng)后，在同一地段分別進行了炸藥震源激發(fā)和可控震源激發(fā)對比段數據的采集，經過精細數據處理，獲得了較好的目的層反射波時間剖面，對比段不同震源激發(fā)反射剖面如圖13所示。

通過對比不同激發(fā)震源采集的對比段剖面可知，采用炸藥震源和可控震源激發(fā)所獲得的地震反射剖面在波組連續(xù)性及一致性方面相似，不同震源激發(fā)數據疊加后剖面如圖14所示。

圖14 不同震源激發(fā)數據疊加后剖面

圖14為對比段(同一位置，采用不同震源激發(fā))數據疊加在一起的處理結果，在頻譜、相位和探測深度等方面具有一致性，獲得的地震剖面信噪比較高、能量較強，為在該勘查區(qū)綜合利用不同震源激發(fā)的地震資料提供了技術支持。

2.4 生產參數的確定及應用

在充分實驗的基礎上，使用法國生產的408UL數字地震儀進行采集原始數據，設置參數為采樣間隔1 ms、記錄長度2.5 s、前放增益12 db，每道4個60 Hz檢波器采用兩串兩并的方式組合在一起，同點埋置；觀測系統(tǒng)設置參數為20 m道距、20 m激發(fā)點距、96道接收、48次疊加。

當炸藥激發(fā)時，采集參數設定為井深12 m、(小于8 m時采用雙井組合激發(fā))藥量3 kg(過村莊可適當減小藥量)?？煽卣鹪醇ぐl(fā)時，采集參數設定為掃描長度12 s、掃描頻率15～95 Hz、驅動幅度70%、震動臺次2×12次進行激發(fā)。

勘查區(qū)北部淺表層地震地質條件復雜，為了保證采集數據的質量，炸藥激發(fā)采取12 m雙井組合，單井藥量3 kg，由于部分地段淺表層深度在1～2 m附近存在厚礫石層，手搖鉆和機械鉆均無法成孔，為保證地震勘探剖面資料的完整性，采用2臺M18-612可控震源車進行施工，炸藥震源和可控震源在同一地震測線上聯(lián)合施工獲得的地震反射波時間剖面如圖15所示。

圖15 不同震源聯(lián)合施工剖面

由圖15可以看出(圖中彩色線條為解釋目的層)，地震反射剖面分辨率較高，反射波組一致性較好，目的層可連續(xù)追蹤，能滿足本次地震勘探的任務要求，說明炸藥震源和可控震源在地震勘探數據采集中可聯(lián)合使用。

3 應用效果

在焦作煤田某煤炭勘查區(qū)進行地震勘探時，不同激發(fā)震源的綜合應用使該勘查區(qū)獲得了高信噪比、高保幅度的反射波時間剖面，勘探結果查明了區(qū)內二1煤層總體構造形態(tài)，構造復雜程度屬中等，總體構造形態(tài)為走向北東、傾向南東的單斜構造，區(qū)內部分存在小的褶皺[11-15]?？辈閰^(qū)含煤地層傾角約5°～25°，埋深約450～1 700 m，依據地震反射剖面解釋的二1煤層深度與鉆孔揭露的二1煤層埋藏深度誤差在2%以內。驗證鉆孔位置分布如圖16所示，二1煤層埋深解釋誤差見表2。

表2 二1煤層埋深解釋誤差

圖16 驗證鉆孔位置分布

4 結論

通過本次研究，在利用地震勘探方法獲取煤炭資源的工作中得到以下結論。

(1)煤炭勘探受復雜環(huán)境的影響，當常規(guī)炸藥震源的應用受到限制時，通過使用不同震源激發(fā)，可以獲得頻率相近、地震記錄面貌相似的反射波，有效目的層探測深度內反射波振幅均較強，地震剖面成像清晰、勘探精確度高，表明炸藥震源和可控震源在勘探區(qū)可聯(lián)合應用。

(2)在確定采用不同震源施工前，要有充分的采集參數實驗，確保數據采集的一致性。

(3)本次充分的實驗參數為后期的勘探成果奠定了堅實基礎，也為相同地震地質條件下的煤炭地震勘探采集參數提供了一定的參考價值。