Characteristics of Geological Anomalies Shown on Seismic Time Sections
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摘要:
三维地震勘探相关技术随着近年来的快速发展，取得了比较丰富的成果。利用三维地震勘探技术在解释地下煤层赋存形态及其构造方面具有较为明显的优势，尤其是在解释地质异常区以及圈定其范围方面取得较好的效果。本文通过地震时间剖面上不同的特征表现，对采空区、陷落柱、煤层露头、岩浆岩侵入、火烧区、煤层冲刷带以及煤层分叉等较为常见的地质异常体进行解释、圈定，得到比较理想的地质成果。
Abstract:With the rapid development of three-dimensional (3D) seismic exploration technology in recent years, its application has demonstrated significant advantages in interpreting the form and structure of underground coal seams, particularly in identifying geological anomalies and delineating their extent. Common geological anomalies such as goafs, collapse columns, coal seam outcrops, magmatic rock intrusions, fire zones, coal seam scouring zones, and coal seam bifurcations were identified through the distinct characteristics observed in seismic time sections, yielding highly accurate geological interpretations.
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地震勘探就是通过人工方法激发反射波，分析研究反射波在地层中的传播情况，查明地下构造的一种探测方法[1]。地质异常就是指在地下岩层的成分、结构以及构造或者成因的次序和周边的环境有着比较明显差异的地质体或者是地质体的组合。煤矿中的地质异常通常是指采空区、陷落柱、煤层露头、岩浆岩侵入、火烧区、煤层冲刷带以及煤层分叉等[2-3]。
目前对于地质异常体解释的相关勘探技术已较为成熟，地震资料解释过程中结合已有的地质信息，同时利用不同地震属性进行综合分析，可以进一步降低单一解释的不确定性，从而提高解释成果的精度。当地下煤层中存在地质异常区时，其密度、速度、弹性参量等因素与周边产生差异，而这些差异会导致地震波的传播时间、振幅、相位、频率等发生变化。
地震属性分析则是针对地震信息异常，从不同的角度分析地震信息在空间、时间、频率域的变化，以此来获取不同的属性图件，为地质解释直接服务的信息，提高地震资料在构造、异常区等解释方面的能力[4]。
1. 数据采集与处理
地震数据采集是整个勘探工作的基础，采集数据质量的优劣关乎着后续一系列工作成果的精度。因此，数据采集施工需要进行精细组织，合理设计。数据采集施工之前，应该在详细踏勘的基础上，了解勘探区块的地震地质条件，同时收集勘探区块相关地质资料，针对性的制定施工设计。做好充分试验工作，进行激发和接收参数对比，选择最适宜的激发、接收因素，以获得高品质的地震数据。
地震数据处理的目的就是对采集的地震数据进行各种技术处理，得到“三高”的反射波数据，以便于进行地震资料解释工作[5]。地震数据处理依赖于地震原始数据采集的质量，处理的结果影响着解释成果的精度。因此，在正式处理前，需要对一系列的参数进行试验、调整，最终在不损害有效信号的前提下，全力压制各种干扰波，提高信噪比，得到高质量的地震数据处理成果。
2. 地质异常体
2.1 采空区
煤层开采后产生的空洞，由于重力原因，地层结构和构造局部发生形变，当地震波穿过这些变形的地质体时，就会产生与周边地质体不一样的波形以及能量的差异。
以陕西省榆林市某煤矿（2019年采区煤层开采）和山西省朔州市某煤矿（1995年采区煤层开采）采区为例，图1是通过三维地震勘探数据采集的原始数据，经过处理后得到的时间剖面。图1（a）为2019年煤层开采后数据采集、处理后得到的时间剖面及方差属性体，地震数据采集使用的仪器设备为428-XL数字地震仪。采空区边界处的煤层反射波在时间剖面上表现为反射波同相轴消失或者杂乱无章、频率降低，同时由于地层松软，速度相对较低，煤层采空区边界基本上清晰可见，方差属性体上采空区位置的颜色明显异于周边；图1（b）为1995年煤层开采后数据采集、处理得到的时间剖面及方差属性体，地震数据采集使用的仪器设备为SN368遥测数字地震仪。
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图 1 煤层采空区在地震时间剖面、方差体上的显示Figure 1. Display of mined-out area of the coal seam on the seismic time profile and variance cube煤层上方覆盖的岩层在垮落后，经过多年的积压、踏实，地层速度与上覆岩层垮落前相比较而言，还是相对较低，地震波反射时间上会有一定的延迟现象，采空区在地震时间剖面上，反射波同相轴具有向下凹陷的现象，并且能量变弱，采空区边界较为模糊[6]。因此在地震时间剖面上解释的同时，还需要利用巷道信息，再结合不同地震属性技术进行综合分析，以提高解释采空区边界的精度。
2.2 陷落柱
陷落柱与其围岩之间存在着物性（电性、磁性、密度、弹性波速度等）的差异，这是形成地震异常反射波的基础条件，是地震勘探方法识别和解释陷落柱的前提[7]。
图2是数据采集、处理后得到的时间剖面及地震数据沿层切片，地震数据采集的仪器设备为ALLSEIS节点地震仪。在地震时间剖面上可以明显看出，在垂向上一般呈上小下大的反漏斗形状，具体的特征表现为：地震反射波的突然不连续或者能量突然变弱；地震反射波的同相轴发生扭曲，产状突变，陷落柱两端沉陷幅度一般不对称；地震反射波同相轴有分叉合并及圈闭现象[8]。陷落柱处层位速度较低，反射波出现延迟，同时在地震数据体沿层切片上的反应为能量突然变弱，颜色较周边发生变化，形成一个异常的闭合圈。
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图 2 陷落柱在地震时间剖面、沿层切片上的显示Figure 2. Display of collapsed column on the seismic time profile and rock slice2.3 煤层露头
在地震勘探资料解释中，针对煤层露头解释的基础，是地震时间剖面中煤层地震反射波与上覆地层的底界面出现角度不整合现象[9]。
新疆某煤矿图3（a）和内蒙古某煤矿图3（b）数据采集、处理后的时间剖面。新疆某煤矿三维地震勘探数据采集采用的设备为408 UL数字地震仪，内蒙古某煤矿三维地震勘探数据采集采用的设备为ARIES地震仪。
图3（a）可以明显看出煤层反射波逐渐向上发育，表明煤层赋存延伸至地表，由钻孔经过验证表明最终解释成果准确，钻孔65-5、65-6见T6、T9、T18煤，而钻孔65-11未见T6煤，只见T9、T18煤，且煤层埋藏深度比前两孔较浅。图3（b）可以看出煤层反射波延伸至新生界底界面反射波与之交合，钻孔12 A数据中并未见到T6煤。煤层赋存的露头位置和其上覆地层的不整合角度越大，在地震时间剖面上，煤层露头位置和角度不整合的位置越接近，对于最终解释煤层露头位置越准确；而当煤层上覆地层底界面与煤层之间的间距逐渐变小直至被剥蚀时，上覆地层的底界面反射波开始与煤层反射波亦是逐渐发生复合[9-10]。
2.4 岩浆岩侵入
图4是新疆某煤矿由于岩浆岩的侵入，地下煤层遭到破坏，通过数据采集、处理得到的时间剖面及均方根振幅属性体，地震数据采集采用的仪器设备为408 UL数字地震仪。
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图 4 岩浆岩侵入在地震时间剖面及均方根振幅上的显示Figure 4. Display of magmatic intrusion on the seismic time profile and RMS amplitude钻孔58在2煤层处实见岩浆岩，肉眼鉴定均为黑灰色略发暗绿色，条痕白色，致密细腻，比重较粉砂岩略轻，以暗色矿物为主，隐晶质结构。从时间剖面的变现特征来看，由于岩浆岩侵入煤层，致使有效反射波的能量变弱，反射波发生畸变。受此影响，下部煤层局部地区的反射波能量较弱，这是因为受上部煤层屏蔽影响以及局部煤层变成天然焦，导致煤层与其围岩之间的波阻抗差很小，并未形成较为连续的反射波[11]。反射波同相轴能量突然变弱，连续性遭到破坏，呈现断续出现，有效波的周期、相位均发生变化，与此同时还有速度增大的特点[12]。从均方根振幅地震属性体上可以看出，解释岩浆岩侵入的位置，其颜色明显异于周边，两者互相结合，可以提高解释精度。
2.5 火烧区
地下煤层通过燃烧之后，其上下围岩经过高温烘烤，煤层上下岩石的物理性质发生变化。图5是新疆某煤矿煤层燃烧，通过数据采集并处理后的时间剖面，地震数据采集采用的仪器设备为BOX无线遥测地震仪。
火烧区域的反射波能量变弱，中断，品质较差，并不能形成连续的反射波[13]。这是因为煤层燃烧后，岩层特征遭到破坏，同时裂隙较为发育，已经失去了层状的地震反射条件。
2.6 煤层冲刷带
煤层冲刷带是一种常见到的地质现象，是水流对煤层的冲蚀而成。图6是内蒙古某煤矿的时间剖面，地震数据采集采用的仪器设备为428-XL数字地震仪。
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图 6 煤层冲刷带在地震时间剖面及沿层切片上的显示Figure 6. Scour zone of the coal seam on the seismic time section and slice along the layer通过钻孔数据及巷道资料可知，4煤层有冲刷现象，时间剖面中4煤层反射波在冲刷带边界处振幅、频率发生变化，存在中断、变弱、消失的现象[14]，而且在平面上呈条带分布的特点，再结合地震数据体沿层切片的特征表现，提高解释煤层冲刷带边界的精度。在4煤层冲刷边界两边位置的反射波能量较弱，根据钻孔WJ05资料揭露确定为煤层冲刷变薄区。
2.7 煤层分叉
煤层分叉是指矿井单一煤层赋存中在横向上分成多个煤层的现象。它的形成与成煤时期的地壳运动、地理环境、植物堆积情况，以及沉积后受到地质构造破坏等因素有关。图7为山东某煤矿的时间剖面，地震数据采集采用的仪器设备为428-XL数字地震仪。
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图 7 煤层分叉在地震时间剖面及振幅属性上的显示Figure 7. Display of the coal seam bifurcation on the seismic time section and amplitude attributes3煤层有分叉现象，分为3-1和3-2煤层，钻孔25数据显示，孔下见到2层煤，命名为3-1和3-2煤层。煤层分叉处在地震时间剖面上表现为煤层反射波同相轴的分叉[15-16]。
煤层分叉后，煤层间距越大，时间剖面上的反射波分叉点距实际煤层分叉点越接近，反之亦然。振幅属性上，煤层分叉线两侧颜色差异较大，分叉边界较为清晰。两者结合，可以进一步提高最终解释成果的准确性。
3. 结论
随着地震勘探相关技术的快速发展，在地震数据解释的基础上，结合不同地震属性技术，可使地质异常体的解释及其范围圈定的精度越来越高。通过后期的巷道揭露证明，对于地质异常体边界范围的控制精度较为准确。然而项目施工的各个环节对于最终的资料解释精度有着重要影响。
（1）野外数据采集工作是整个项目的基础，它决定着后续工作的精确度。野外施工时严格要求，选定最适合的施工参数进行生产，获得高品质的原始资料。
（2）数据处理工作则要根据实际的地震地质条件，选取合适的处理参数获得高质量的数据处理成果。
（3）资料解释时，仔细分析相关资料，把物探资料和已知地质资料相结合，根据各种地质异常体在地震时间剖面上的显示特征，并参考多种地震属性体，提高最终资料解释的精度[6]。
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图 1 煤层采空区在地震时间剖面、方差体上的显示
Figure 1. Display of mined-out area of the coal seam on the seismic time profile and variance cube
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图 2 陷落柱在地震时间剖面、沿层切片上的显示
Figure 2. Display of collapsed column on the seismic time profile and rock slice
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图 4 岩浆岩侵入在地震时间剖面及均方根振幅上的显示
Figure 4. Display of magmatic intrusion on the seismic time profile and RMS amplitude
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图 6 煤层冲刷带在地震时间剖面及沿层切片上的显示
Figure 6. Scour zone of the coal seam on the seismic time section and slice along the layer
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[1] 陆基孟. 地震勘探原理(上册)[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2006. LU J M. Principles of seismic exploration (vol. 1)[M] . Dongying: China University of Petroleum Press, 2006. (in Chinese).
[2] 张向鹏, 聂荣花. 地震勘探技术在解释地质异常体的应用分析[J]. 工程地球物理学报, 2013, 10(4): 465-471. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7940.2013.04.007. ZHANG X P, NIE R H. Application analysis of seismic exploration technology in interpreting geological anomaly bodies[J]. Engineering Geophysics, 2013, 10(4): 465-471. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7940.2013.04.007. (in Chinese).
[3] 张向鹏. 特殊地质异常体在地震时间剖面的特征[J]. 科技视界, 2014, (2): 113-115. ZHANG X P. Characteristics of special geological anomalies in seismic time section[J]. Technology Horizons, 2014, (2): 113-115. (in Chinese).
[4] 衡亮. 地震属性技术的研究和应用[J]. 化工管理, 2017, (6): 131. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2017.06.118. HENG L. Research and application of seismic attribute technology[J]. Chemical Engineering Management, 2017, (6): 131. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2017.06.118. (in Chinese).
[5] 李振春, 张军华. 地震数据处理方法[M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2004. LI Z C, ZHANG J H. Seismic data processing method[M]. Dongying: China University of Petroleum Press, 2004. (in Chinese).
[6] 耿晓兵. 三维地震勘探技术在解释采空区的应用分析[J]. 中国科技信息, 2022, (19): 98-100. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8972.2022.19.zgkjxx202219032. GENG X B. Application analysis of 3D seismic exploration technology for interpreting goaf areas[J]. China Science and Technology Information, 2022, (19): 98-100. DOI: 10.3969/j.issn.1001-8972.2022.19.zgkjxx202219032. (in Chinese).
[7] 王宪峰. 煤田陷落柱的特征浅析[J]. 山西煤炭, 2011, 31(12): 69-70. DOI: 10.3969/j.issn.1672-5050.2011.12.026. WANG X F. Analysis of the characteristics of coal field collapse column[J]. Shanxi Coal, 2011, 31(12): 69-70. DOI: 10.3969/j.issn.1672-5050.2011.12.026. (in Chinese).
[8] 李劲松, 左杰海, 封云杰, 等. 三维地震勘探在赵庄煤矿陷落柱探查中的应用[J]. 煤矿开采, 2015, 20(5): 15-18. LI J S, ZUO J H, FENG Y J. Application of 3-d seismic exploration in detecting collapse column in Zhaozhuang Colliery[J]. Coal Mining Technology, 2015, 20(5): 15-18. (in Chinese).
[9] 张宏, 谢文伟. 地震勘探中煤层隐伏露头的解释精度[J]. 中国煤炭地质, 2016, 28(3): 65-69. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1803.2016.03.13. ZHANG H, XIE W W. Interpretation accuracy of coal seam hidden outcrops in seismic exploration[J]. China Coal Geology, 2016, 28(3): 65-69. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1803.2016.03.13. (in Chinese).
[10] 王树威. 三维地震勘探技术在新疆某矿区煤层露头预测中的应用[J]. 现代矿业, 2019, 35(8): 24-26. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6082.2019.08.008. WANG S W. Application of 3D seismic exploration technology in coal seam outcrop prediction in a mining area in Xinjiang[J]. Modern Mining, 2019, 35(8): 24-26. DOI: 10.3969/j.issn.1674-6082.2019.08.008. (in Chinese).
[11] 陈鸣祺, 宋春华. 岩浆岩侵入对地震资料解释的影响分析[J]. 内蒙古煤炭经济, 2018, (6): 159-160. DOI: 10.3969/j.issn.1008-0155.2018.06.084. CHEN M Q, SONG C H. Analysis of the influence of magmatic intrusion on seismic data interpretation[J]. Inner Mongolia Coal Economy, 2018, (6): 159-160. DOI: 10.3969/j.issn.1008-0155.2018.06.084. (in Chinese).
[12] 单蕊, 张广忠, 王千遥, 等. 高密度三维地震数据驱动的煤层岩浆岩侵入区综合解释方法与应用[J]. 煤田地质与勘探, 2020, 48(6): 72-79. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.010. SHAN R, ZHANG G Z, WANG Q Y, et al. High-density 3D seismic data-driven comprehensive interpretation of magmatic intrusion zones in coal seams and their applications[J]. Coal Geology & Exploration, 2020, 48(6): 72-79. DOI: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.010. (in Chinese).
[13] 苏彦丁. 煤层火烧区探测中物探技术的应用与探索[J]. 勘察科学技术, 2016, (4): 62-64. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3946.2016.04.017. SU Y D. Application and exploration of geophysical exploration technology in coal fire area detection[J]. Site Investigation Science and Technology, 2016, (4): 62-64. DOI: 10.3969/j.issn.1001-3946.2016.04.017. (in Chinese).
[14] 韩少明. 地震勘探资料解释煤层冲刷带的应用效果[J]. 华北国土资源, 2017, (3): 39-41. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7487.2017.03.014. HAN S M. Application of seismic exploration data to interpretation of coalbed erosion zone[J]. Huabei Natural Resources, 2017, (3): 39-41. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7487.2017.03.014. (in Chinese).
[15] 赵国辉. 张双楼矿区煤层分叉合并规律分析[J]. 化工管理, 2014, (18): 113. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2014.18.101. ZHAO G H. Analysis of coal seam bifurcation and merger law in the Zhangshuanglou mining area[J]. Chemical Engineering Management, 2014, (18): 113. DOI: 10.3969/j.issn.1008-4800.2014.18.101. (in Chinese).
[16] 刘磊, 李伟, 杜玉山, 等. 基于Stacking集成学习的分频地震属性融合储层预测方法[J]. 石油地球物理勘探, 2025, 59(1): 12-22. DOI: 10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2024.01.002. LIU L, LI W, DU Y S, et al. Frequency Division Seismic Attribute Fusion Reservoir Prediction Method Based on Stacking Ensemble Learning[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2024, 59(1): 12-22. DOI: 10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2024.01.002. (in Chinese).
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