煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响_杨晓东

第34卷第5期物　探　与　化　探Ｖｏｌ.34,Ｎｏ.5 2010年10月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ＆ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＯｃｔ.,2010　煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响杨晓东,杨德义(太原理工大学矿业工程学院,山西太原　030024)摘要:对典型陷落柱建立圆锥状陷落柱数学模型,采用波动方程法对陷落柱模型进行地震射线追踪和波场模拟。

模拟结果说明:由于陷落柱构造形态的特殊性,在陷落柱附近形成了正常煤层反射波、断陷点绕射波、延迟绕射波、延迟反射波及柱顶绕射波组成的纵波波场。

在此基础上,模拟野外放炮,然后对生成的单炮记录进行常规处理,形成叠加、偏移剖面。

通过对正演剖面和实际揭露资料分析,认为陷落柱特殊波的存在,是判别陷落柱构造的一个重要特征,但又造成了实际揭露陷落柱规模往往小于地震资料解释结果。

将研究结果用于实际勘查,效果较好。

关键词:地震勘探;陷落柱;特殊波;正演模拟中图分类号:Ｐ631.4 文献标识码:Ａ 文章编号:1000-8918(2010)05-0627-05 陷落柱是山西各大矿区主要的地质构造,也是采区三维地震勘探探测的主要目标之一。

近几年,潞安、晋城、阳泉矿区开展了大面积的采区三维地震勘探,而3～5年前的勘探成果目前陆续得到掘进验证。

验证情况表明,地震所解释的陷落柱构造异常大部分能得到验证,但也存在对一些断层、陷落柱误解及漏解情况;特别是陷落柱解释结果比实际揭露要大,有时平面摆动误差较大。

造成这种结果的原因除了山区地形、激发条件、资料处理外,与陷落柱有关的地震特殊波也是造成陷落柱解释精度下降的原因。

笔者就与陷落柱有关的特殊地震波,通过正演模拟,分析了其在地震时间剖面上对陷落柱构造异常的影响。

1　陷落柱模型的建立为了能够从理论出发,而又贴近实际地说明问题,以地形平坦的潞安矿区地质环境为背景,建立圆锥状陷落柱模型[1]。

模型区域大小为[0,1000]×[0,600],即长度1000ｍ,深度600ｍ;陷落柱围岩为第四系黄土层和石炭—二叠煤系地层。

表1为围岩地层参数,表2为陷落柱模型参数,陷落柱地震地质模型如图1所示。

表1　陷落柱围岩地层参数地层厚度/ｍ波速/(ｍ/ｓ)黄土2001800煤层上覆地层2003600煤层202000煤层下覆地层1803600表2　陷落柱模型参数地质体柱顶埋深/ｍ高度/ｍ在煤层中的直径/ｍ波速/(ｍ/ｓ)陷落柱2203801002000图1　陷落柱地震地质模型2　陷落柱模型波场特征采用美国ＧＸⅡ正演软件,应用波动方程法,在模型的(0,0)、(250,0)和(500,0)3个位置作为激发点,地表接收,道距10ｍ,共101道接收的排列,产生3个共炮点记录和地震射线路径。

地震射线路径不考虑第四系底界反射,仅考虑煤层顶和陷落柱的反射波、绕射波;同时考虑地震波传播过程中能量的衰减。

射线路径及波场模拟结果如图2、图3、图4所示。

2.1　不同炮点时的地震反射纵波波场从图2、图3可以看出,在远炮点(0,0)激发时,地表接收到的地震射线有4种路径:正常煤层反射收稿日期:2009-12-07物　探　与　化　探34卷ａ—近炮点;ｂ—远炮点;ｃ—炮点在柱顶上方图2　炮点在不同位置时的地震反射路径图3　炮点在不同位置时的地震绕射路径波、穿过陷落柱后在煤层发生反射的“透射—反射波”、煤层反射后穿过陷落柱体的“反射—透射波”及断陷点的绕射波。

在正常煤层反射波和“透射—反射波”之间有个较大的射线空白带。

“透射—反射波”及“反射—透射波”出现在陷落柱右侧,这是两种入射反射路径不对称的特征波,在时间上与正常煤层反射波相比有一个明显的时间延迟,这种入射波正常,而反射波因过陷落柱而延迟的波称之为“延迟反射波”[1]。

同时还可以看到“透射—反射波”射线数目多于“反射—透射波”,在远道两种射线交叉。

从图4的波场中可以看出,在陷落柱右侧出现了反射波空白带,远道反射波出现了明显的时间延迟,最后3道由于射线交叉,反射波干涉,波形发生了明显变化。

由于激发点距离陷落柱较远,绕射波能量弱,尽管有断陷点的绕射波射线,但在波场中看不到。

为了突出显示绕射波场,在波场显示中使用了ＡＧＣ(300ｍｓ)控制,但仍然看不到绕射波场。

因此“透射波—反射”和“反射—透射波”是远炮点波场中陷落柱主要的特征波,只有大排列接收才能收到这种特殊波。

2.2　近炮点地震射线路径和波场情况当激发点在(250,0)处激发时,地表接收到的地震射线有三种路径(见图2ｂ、图3),即正常煤层反射波、“反射—透射波”及断陷点的绕射波。

同样在正常煤层反射波和“反射—透射波”之间有个较大的射线空白带,空白带向陷落柱中心靠拢。

由于“反射—透射波”射线主要有两种路径,在“反射—透射波”的近道处,射线交叉,反射波干涉。

从图3中可以看出,炮点不论近、远,还是在柱顶上激发,绕射波射线路径是一样的。

在两个绕射点的射线路径中,柱面以外的正半支绕射均为正常绕射,为非完整绕射波双曲线。

在柱面附近,由于“趋肤效应”,由绕射点出发的绕射波在柱面附近沿柱面滑行,当柱面弯曲时,其射线路径也为弯曲的。

当“趋肤效应”达到一定限度时,绕射线脱离柱面而进入陷落柱内,穿过陷落柱后,出射到地表。

在柱面内的绕射线经过陷落柱后出射到地表。

由于陷落柱为低速物质,经过陷落柱的绕射线产生明显的时间延迟,该绕射波称为“延迟绕射波”。

与正常绕射波双曲线所不同,陷落柱左侧断陷点的延迟绕射波记录在右侧,而右侧的断陷点延迟绕射波记录在左侧,其时距曲线仍为双曲线形。

这说明陷落柱断陷点的绕射波时距曲线有两个,一个为正常的非完整绕射双曲线,另一个为延迟绕射双曲线,这是陷落柱不同于其他地质体的最显著的特征之一。

在近炮点波场图(图4ａ)中,可以看到反射时间最早的为正常煤层反射波,与煤层反射波相切的为左侧断陷点的负半支绕射波;在射线空白带出现的是左侧断陷点的延迟绕射波,780桩号后则是延迟反射波;在正常绕射波下面为右侧断陷点的延迟绕射波;右侧断陷点绕射波不明显,主要是能量弱。

绕射波能量在远道强是由于ＡＧＣ的控制。

2.3　炮点在柱顶上时地震射线路径和波场情况激发点位于陷落柱正上方时(图2ｃ),射线路径·628·　5期杨晓东等:煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响相对要简单一些,即正常煤层反射波、陷落柱顶面反射(由于陷落柱顶面为弧度较大的曲面,实际为曲面绕射波)和对称分布于陷落柱两侧的断陷点绕射波、断陷点延迟绕射波。

从波场图上看(图4ｃ)柱顶反射波、煤层反射波及2个断陷点的4支绕射波对称分布在陷落柱的两侧。

负半支绕射波极性明显与别的绕射波不同。

3　模拟野外放炮分析通过上面的分析可知,当陷落柱存在时,与陷落柱有关的特殊波有“延迟反射波”、延迟绕射波、柱顶反射波。

为了模拟“延迟反射波”和延迟绕射波对资料处理和解释的影响情况,按照野外常规的采集方法,进行了模拟放炮。

观测系统采用端点放炮, 12次叠加,道距10ｍ,排列24道、48道及大排列72道接收的3种观测方法。

对模拟放炮记录进行了常规资料处理,流程为加载属性,抽道集,动校,叠加,偏移,最终形成叠加和偏移剖面。

通过测试不同的偏移速度来观测特殊波对陷落柱解释的影响。

3.1　叠加剖面上陷落柱特殊波特征图5为3种接收排列的叠加剖面。

在叠加剖面上,陷落柱中心附近的绕射波、延迟绕射波(或反射波)、柱顶绕射波都比较清楚。

随着接收排列越大,延迟绕射波的能量越强,范围越大,对正常煤层反射波的振幅影响也越大。

因此,这些特征波对识别陷落柱构造十分有利。

然而在24道小排列接收叠加剖面上,煤层反射波振幅变化范围为ＣＤＰ391～ＣＤＰ411,正好为模型中煤层陷落范围,72道大排列接收叠加剖面煤层反射波振幅变化范围为ＣＤＰ381～ＣＤＰ421,煤层反射波异常范围比陷落柱在煤层中的范围大了一倍,因此,在实际施工中宜用小排列接收。

ａ—近炮点;ｂ—远炮点;ｃ—炮点在柱顶上方图4　炮点在不同位置时的地震反射纵波波场ａ—24道;ｂ—48道;ｃ—72道图5　不同道数排列的叠加剖面·629·物　探　与　化　探34卷　3.2　偏移剖面上陷落柱特殊波特征通过对图5的叠加剖面分别用低于叠加速度、叠加速度、高于叠加速度的3种偏移速度进行偏移。

从图6和图7可以看出,正常绕射波在速度恰当时(叠加速度)得到了收敛;无论偏移速度大小,陷落柱下部的延迟绕射波均不能收敛到断陷点处,而且煤层反射波的陷落柱中心(小排列接收)或下部(大排列接收)出现了扭曲或弯曲的能量较强的同相轴,诸如强相位转换、同相轴分叉合并、同相轴弯曲等判别陷落柱构造的现象。

对所有偏移剖面,断陷点ＣＤＰ391和ＣＤＰ411附近的煤层反射波振幅均受到不同程度的改造,这就使得断陷点位置出现一定程度的模糊,从而影响陷落柱解释的大小和位置。

特别是72道排列影响大于24道;偏移速度大于叠加速度,影响较大。

一般断陷点位于强相位转换开始及结束处,煤层波分叉合并处和煤层波振幅突变处。

4　生产验证实例地震解释结果显示陷落柱在煤层中的直径是50ｍ,而图8显示的巷道揭露直径仅为30ｍ。

煤层反射波异常范围大于实际陷落柱直径,因此,有可能是陷落柱特殊波模糊了断陷点的位置。

图9所示陷落柱的地震解释与巷道揭露基本一致,为验证较准确的一个陷落柱。

陷落柱表现的典型特征是煤层反射波同相轴出现分叉合并现象,断陷点位置处在煤层波分叉合并处。

图10所示陷落柱地震解释直径55ｍ,实际揭露陷落柱直径40ｍ,陷落柱平面摆动误差达30ｍ,推测原因可能是陷落柱所在位置煤层倾角较大,陷落柱偏移归位误差大,还有就是陷落柱特殊波在偏移时对断陷点的影响。

图6　24道不同偏移速度的偏移剖面图7　72道不同偏移速度的偏移剖面·630·　5期杨晓东等:煤田陷落柱特殊波对陷落柱解释的影响图8　已揭露陷落柱在偏移时间剖面上的反映图9　已揭露陷落柱在偏移时间剖面上的反映图10　已揭露陷落柱在偏移时间剖面上的反映5　结论(1)在叠加和偏移剖面上,陷落柱的地震特殊波是判断陷落柱是否存在的重要特征,尽管特殊波的存在对陷落柱断陷点造成一定程度的扭曲和模糊,但在定性判断构造是否为陷落柱时为我们提供了重要的判别依据。

(2)由于陷落柱特殊波的存在,造成断陷点附近的正常反射波振幅改变,解释陷落柱时范围应该适当小于煤层反射波异常范围。

(3)在实际施工时应尽量使用小排列接收,偏移速度不宜过高,宜通过测试选择叠加速度附近的偏移速度。

(4)笔者仅考虑了一种模型,对于陷落柱规模较小的情况,陷落柱所处位置为向斜、背斜、单斜的情况,还有陷落柱陷落多个煤层的情况及陷落柱内速度与围岩速度变化不大时的情况等没有做模型分析,这些情况将会导致陷落柱的波场更加复杂,解释也将更加复杂,有待于进行更深入的研究。