單 蕊，張廣忠，王千遙，楊光明

高密度三維地震數(shù)據(jù)驅動的煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)綜合解釋方法與應用

單 蕊，張廣忠，王千遙，楊光明

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

淮北礦區(qū)主采煤層多存在巖漿巖侵入現(xiàn)象，且具有侵入煤層多、分布面積廣、侵入方式復雜等特點，常規(guī)地震勘探無法保證其解釋精度。針對該問題，以全數(shù)字高密度三維地震勘探數(shù)據(jù)體為基礎，對比分析不同巖漿巖侵入狀態(tài)的地震響應特征；綜合利用基于地層物性差異的地震多屬性分析技術、基于波形差異的地震相分析技術和基于阻抗差異的測井約束波阻抗反演技術，進行煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)的識別與解釋，精細雕刻其空間分布規(guī)律。研究表明：薄層巖漿巖侵入?yún)^(qū)以測井約束的波阻抗反演解釋精度高，厚層巖漿巖侵入?yún)^(qū)預測則綜合地震屬性分析與地震相分析結果。因此，根據(jù)礦區(qū)的煤層分布和巖漿巖侵入特征，綜合運用地震屬性技術、地震相技術與波阻抗反演技術，能有效刻畫出巖漿巖侵入煤層的分布范圍。

巖漿巖；高密度三維地震勘探；波阻抗反演；地震屬性；地震相

巖漿巖侵入破壞煤層結構，降低頂板強度，嚴重影響煤礦安全開采和井巷布設。國內外眾多學者研究發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入?yún)^(qū)是煤與瓦斯突出重點區(qū)域之一，準確圈定巖漿巖侵入不規(guī)則邊界，利于掌握巖漿巖侵入規(guī)律，有效防治巖漿巖侵入?yún)^(qū)附近煤與瓦斯突出[1-5]。諸多學者嘗試利用地震資料進行巖漿巖侵入范圍圈定。孫學凱等[5]嘗試利用地震相分析技術預測巖漿巖分布范圍，取得一定成果。吳海波等[4]利用正演模擬對煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)反射波特征進行系統(tǒng)分析，計算巖漿巖侵入?yún)^(qū)反射波特征變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入厚度的變化引起侵入?yún)^(qū)地震振幅和頻率的變化。吳海波等[6]提出利用多種地震屬性進行巖漿巖侵入?yún)^(qū)劃分，提高預測精度。戴方堯等[7]分別嘗試用雙測井曲線融合法得到擬密度曲線，實現(xiàn)多參數(shù)巖性反演，取得初步成果。劉鵬[8]、李江等[9]分別利用對巖漿巖敏感的電阻率曲線和伽馬曲線，重構密度曲線和聲波曲線進行反演，實現(xiàn)巖漿巖預測。崔大尉等[10]、趙立明等[11-12]綜合利用地震反演、地震相分析和譜分解3種方法解釋巖漿巖，取得了一定的成果。但是限于常規(guī)三維地震勘探獲取的地震數(shù)據(jù)分辨率限制，煤層下伏地層中異常地質體不能有效分辨，解釋成果不能完全滿足安全高效生產需求。

淮北礦區(qū)地震地質條件較復雜，主采煤層層數(shù)多，煤層厚度不穩(wěn)定且部分煤層受巖漿巖侵蝕，為提高勘探精度，礦區(qū)開展多次全數(shù)字高密度三維地震勘探，獲得良好的構造解釋效果[13-15]。全數(shù)字高密度地震數(shù)據(jù)具有寬頻帶、寬方位和高密度采樣的優(yōu)勢，包含有利于巖性解釋的低頻信息和利于構造解釋的高頻信息，為巖漿巖識別、預測奠定基礎[16-19]，如何利用這些信息研究巖漿巖不規(guī)則邊界、煤層頂?shù)装鍘r性識別等方面需要做更深層次工作[13]。

本文在淮北礦區(qū)全數(shù)字高密度三維地震數(shù)據(jù)采集、處理及解釋基礎上，針對巖漿巖侵入煤層問題，首先對比分析巖漿巖侵入煤層地震剖面特征差異；利用基于巖石物理性質差異的地震多屬性分析技術和基于波形差異的地震相分析技術、基于波阻抗差異的測井約束反演方法，分別圈定了巖漿巖侵入煤層的范圍，并對比分析3種解釋方法，嘗試進行綜合應用。

1 研究區(qū)概況與煤層巖漿巖侵入特征分析

1.1 研究區(qū)地質概況

研究區(qū)位于淮北礦區(qū)，含煤地層為石炭–二疊系，可采煤層7層，主采煤層為上石盒子組下部32煤層、下石盒子組下部7、8煤層和山西組中段10煤層(圖1)。在賦存范圍內8煤厚度0~5.14 m，平均1.69 m。10煤層厚度1.00~7.97 m，絕大部分厚度穩(wěn)定在2~3 m，上距8煤層58~107 m。研究區(qū)煤層走向變化較大，構造較復雜，斷層較發(fā)育。

圖1 研究區(qū)煤礦煤系地層綜合柱狀圖

1.2 巖漿巖侵入地震響應特征分析

研究區(qū)內主采煤層原生沉積穩(wěn)定，但均有不同程度巖漿巖侵入，其中7、8和10煤層受影響程度最大，范圍最廣。巖漿巖沿著煤層內、煤層頂?shù)装鍑鷰r軟弱界面侵入，破壞了正常煤層結構，在煤層及圍巖內形成巖漿巖侵入體，對煤層厚度、結構、穩(wěn)定性、連續(xù)性有一定影響。物性特征的改變，引起地震反射波變化，如反射波缺失、錯亂[20]。礦區(qū)內煤層巖漿巖侵入方式復雜多變，不規(guī)則巖漿巖侵入在實際地震剖面中反映特征各異，同時巖漿巖厚度會影響時間剖面形態(tài)和相位識別。

a. 巖漿巖縱向穿煤層侵蝕 淮北YL區(qū)，燕山期早期巖漿巖活動強烈，巖漿巖厚度從數(shù)米至近百米變化，平均厚度30~40 m，侵入范圍廣、穿越煤層數(shù)多，其中侵入8煤面積最廣。巖漿巖產狀多為巖床和巖墻，其中巖床以沿煤層頂?shù)装迩秩霝橹鳎簩映霈F(xiàn)分叉、變薄甚至全部被吞蝕，地震時間剖面反射波特征變化明顯，主要表現(xiàn)為：

① 當巖漿巖穿過煤層時，會引起煤層同相軸發(fā)生明顯中斷，反射波相位反轉，并伴隨有微弱“假”牽引作用，形成構造假象(圖2a)。對應地質剖面圖2b，YA孔8煤頂板鉆遇巖漿巖，YB孔8煤底板鉆遇巖漿巖，厚度42 m，兩鉆孔處同相軸錯斷一個相位。

② 厚層巖床存在于兩層煤層之間時，影響地層間距，地震時間剖面主要表現(xiàn)為煤層同相軸時差的逐漸增大。

b. 巖漿巖橫向順煤層侵蝕 淮北QN區(qū)，燕山期晚期巖漿巖活動強烈，巖漿巖對10煤層侵入最嚴重，呈小型巖床狀產出，多為橫向順層侵蝕，煤層為巖漿巖主要侵入通道，巖漿巖平均厚度2 m。B孔鉆遇巖漿巖，厚度1.04 m，地震剖面表現(xiàn)為振幅相對弱，同相軸凌亂(圖2b)，而局部地區(qū)巖漿巖侵入之后沒有引起煤層反射波變化，如E孔巖漿巖厚度2.72 m，巖漿巖地震剖面識別多解性強。

圖2 巖漿巖不規(guī)則侵入?yún)^(qū)煤層反射波特征

2 全數(shù)字高密度三維地震勘探數(shù)據(jù)體分析

常規(guī)三維數(shù)據(jù)體是以窄方位角、常規(guī)檢波器和低覆蓋次數(shù)采集為基礎，全數(shù)字高密度三維地震采用寬方位角、數(shù)字檢波器全頻帶接收、小面元、高覆蓋次數(shù)采集為基礎[14]，因此，高密度地震地質資料有更高成像質量。對比地震時間剖面分析，如圖3a、圖3b中箭頭指示位置，常規(guī)資料同相軸小斷點錯動微弱，不易識別。高密度地震數(shù)據(jù)同相軸扭曲明顯，斷點清晰，位置明確。由頻譜分析曲線(圖3c)可知，高密度資料較常規(guī)資料頻譜能量有差異，頻率小于50 Hz和大于100 Hz時，高密度資料能量更強，能更大限度保留低頻和高頻信息。高密度資料采集到有效波較常規(guī)資料強，干擾波相差不大，且有效波值遠大于干擾波，高密度資料信噪比高于常規(guī)資料(圖3d)。全數(shù)字高密度資料既含有利用巖性解釋的低頻信息，又含有利用構造解釋的高頻信息，提高地震資料的信噪比和分辨率，更具有優(yōu)勢解決精細構造解釋和巖性分析。因此，為提高煤層巖漿巖侵入的解釋精度，并充分挖掘三維地震數(shù)據(jù)蘊含的信息。本文將基于研究區(qū)高密度三維地震數(shù)據(jù)體，綜合運用多屬性分析技術、地震相分析技術和測井約束波阻抗反演技術，開展煤層巖漿巖侵入的綜合解釋研究。

圖3 研究區(qū)全數(shù)字高密度與常規(guī)地震時間剖面對比

3 巖漿巖侵入?yún)^(qū)綜合對比解釋

由于巖漿巖侵入不確定性，常規(guī)巖漿巖解釋方法均有一定適應性和針對性[16]。巖漿巖與煤層物性差異是地震方法區(qū)分巖漿巖侵入帶的理論基礎，地震反演是巖性預測的核心技術，地震相分析技術和屬性分析技術可以作為輔助手段，但由于巖漿巖侵入方式多變，綜合運用上述技術能夠提高解釋的可信度。

3.1 地震屬性解釋與分析

地震屬性是目的層各種地質因素的綜合反映[6]。當巖漿巖侵入煤層，地震反射波的振幅，頻率等屬性發(fā)生不同程度變化。地震屬性分析技術通過提取地震數(shù)據(jù)層間屬性，對給定層位間的體屬性進行統(tǒng)計，計算結果通過平面表現(xiàn)，可有效突出和刻畫層內異常地質體特征[21-22]。多屬性聚類分析以地震屬性作為樣本數(shù)據(jù)，通過模式識別方法識別巖漿巖。

以YL區(qū)8煤底板為例，先在層位精細解釋基礎上，從高密度三維地震數(shù)據(jù)體提取振幅、頻率、相位等多種層間屬性，對地震屬性歸一化處理后優(yōu)選出對巖漿巖比較敏感的屬性組合，通過聚類分析，確定巖漿分布。圖4a為分頻振幅屬性，巖漿巖能量高于正常煤層，以綠色–紅色–紫色表示，正常煤層以藍色表示。圖4b為多屬性分析平面圖，綠色為正常煤層，紅色–黃色為巖漿巖侵入?yún)^(qū)域，正常煤層與巖漿巖存在明顯的差異。圖中黑色線為巖漿巖穿8煤層頂?shù)装暹吔缇€，與鉆孔信息吻合較好。

3.2 地震相分析

地震相分析主要是以波形變化特征進行統(tǒng)計分析和模式識別，直接利用地震波波形屬性研究巖性是最理想的巖性預測方法[23]。地震道波形是地震信號的總體變化規(guī)律，包括幾何參數(shù)(反射結構、幾何形態(tài))、物理參數(shù)(振幅、連續(xù)性、頻率)等各地震響應參數(shù)的綜合反映。地震相劃分與反射結構、幾何形態(tài)及連續(xù)性等波形宏觀形態(tài)最為密切。高密度數(shù)據(jù)采樣可以識別波形的細微差別，提高橫向分辨率，在細節(jié)上更加清晰，因此，更有利于識別煤層巖漿巖侵入引起的波形細微變化。

以YL區(qū)8煤底板為例，首先建立合理的層段，在目標層段中使用神經網(wǎng)絡技術對地震道波形的橫向變化進行對比分類，建立地震道神經網(wǎng)絡樣本數(shù)據(jù)。按照模型道對數(shù)據(jù)精細分類，形成平面離散的地震相，并根據(jù)擬合度對地震道進行分類，分類結果如圖5所示。結合鉆井地質信息，初步得出與地質相對應的地震相圖，地震相是特定沉積相或地質體的地震響應(圖5a)。通過與鉆孔資料標定分析，圖5中紅色為巖漿巖侵入?yún)^(qū)，藍色為正常煤層，巖漿巖侵入面積占煤層賦存面積的38%，巖漿巖侵入造成YL區(qū)內可采煤炭資源量降低。圖中白色線為巖漿巖穿8煤層頂?shù)装暹吔缇€，與屬性分析結果互相印證。

圖4 屬性解釋巖漿巖不規(guī)則侵入?yún)^(qū)邊界

圖5 地震相分析分類結果

QN研究區(qū)層狀巖漿巖侵入體或侵入體邊緣地段，巖漿巖厚度較薄，巖漿巖反射波與煤層反射波完全重疊，地震信號總體變化程度可靠性受限。通過上述方法未能實現(xiàn)有效的分析，分類結果不可信，采用地震波阻抗反演技術能夠有效地克服該問題。

3.3 測井約束反演與巖漿巖侵入預測

地震反演是巖性預測的核心技術，利用反演結果可以更精細研究各煤層中巖漿巖侵入范圍和厚度變化規(guī)律[20,24]。首先對比分析正常煤層、巖漿巖(天然焦)及煤層頂?shù)装逦镄圆町悾ㄟ^鉆孔和剖面對比識別巖漿巖，分析巖漿巖測井響應特征。針對常規(guī)聲波曲線不能明顯區(qū)分巖漿巖和圍巖問題，進行測井曲線融合，計算出能反映巖漿巖和圍巖測井曲線。以測井曲線作為約束和先驗信息進行反演，通過波阻抗反演將地震信息轉化為巖性信息；在巖性數(shù)據(jù)體上識別巖漿巖的頂?shù)捉缑?，在鉆孔數(shù)據(jù)約束下進行厚度校正，得到巖漿巖厚度預測值。

a. 厚層巖漿巖侵入?yún)^(qū)范圍預測 利用該方法研究YL區(qū)8煤層巖漿巖侵入范圍和厚度變化規(guī)律。圖6a為過井地震反演波阻抗剖面，紅色為阻抗高值，代表巖漿巖侵入?yún)^(qū)，藍綠色為阻抗低值，T8層位附近為8煤層，反演剖面能清晰刻畫穿8煤層巖漿巖空間分布特征。結合鉆孔資料，同時以地震屬性分析和地震相分析結果綜合解釋，區(qū)內8煤下部巖漿巖厚度在2~50 m，平均厚度25 m，巖漿巖主要侵入研究區(qū)東北部，以層狀巖床展布(圖6b)。

b.薄層巖漿巖侵入?yún)^(qū)范圍預測 QN研究區(qū)薄層巖漿巖，測井約束反演亦能有效刻畫巖漿巖分布規(guī)律。圖7a為過井地震反演波阻抗剖面，紅色為阻抗高值，代表巖漿巖侵入?yún)^(qū)，藍綠色為阻抗低值，T10層位附近為10煤層，反演剖面能清晰刻畫10煤巖漿巖空間分布特征。圖7b為反演數(shù)據(jù)計算巖漿巖厚度平面分布，勘探區(qū)內10煤60%以上區(qū)域為不可采區(qū)，巖漿巖平面呈片狀或樹枝狀展布，侵蝕厚度0.6~3.2 m，平均厚度1.9 m，中間向四周逐漸變薄趨勢，最厚處位于C孔附近，反演結果與測井吻合較好。

3.4 討論

上述研究可以發(fā)現(xiàn)，地震相分析和地震多屬性分析方法均可以大尺度規(guī)模了解地震波形變化規(guī)律，二者強調某一層段內地震道總體形態(tài)變化，對厚層嚴重侵入體分類結果可信，能有效識別巖漿巖穿煤層邊界。而薄層層狀侵入體或侵入體邊緣地段，巖漿巖厚度較薄，反射波能量較弱，且?guī)r漿巖反射波與煤層反射波完全重疊，地震信號總體變化程度可靠性受限。通過上述方法未能實現(xiàn)有效的分析，多解性較強，分類結果不可信，采用地震波阻抗反演技術能夠有效地克服該問題。

巖漿巖與煤層物性差異較大，阻抗差異明顯，測井約束反演能為厚層縱向穿層和薄層橫向順層侵蝕巖漿巖解釋提供更精細的預測，適用性廣，但是反演精度同樣受地震資料分辨率限制。

圖6 YL區(qū)巖漿巖厚度預測

4 結論

a.巖漿巖結構空間變化大，對地震反射波影響復雜，同相軸特征差異識別困難。全數(shù)字高密度資料信噪比和分辨率較高，高精度地震成像資料是正確識別巖漿巖反射波特征的基礎，為多屬性分析和地震相分析方法提供數(shù)據(jù)支撐。全數(shù)字高密度資料含有更豐富的高頻和低頻信息，更具有優(yōu)勢解決精細構造解釋和巖性分析，是測井約束反演預測的有效保證。

b.多屬性分析和地震相分析技術在厚層巖漿巖侵入?yún)^(qū)是行之有效的方法，兩者相互印證，增加解釋的可靠性。測井約束反演適應性更廣，亦能夠精細雕刻薄層巖漿巖橫向分布規(guī)律，有效預測巖漿巖厚度。以測井約束反演結果為主，輔助屬性分析、地震相分析結果，并綜合鉆孔地質資料，能有效分析預測巖漿巖空間展布特征。

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High density 3D seismic data-driven comprehensive interpretation method of magmatic intrusion zones in coal seams and its application

SHAN Rui, ZHANG Guangzhong, WANG Qianyao, YANG Guangming

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

Magmatic rock intrusion is present in most of the main coal seams in Huaibei mining area, is characterized by multi-layer intrusion, wide spatial distribution and complex intrusion modes, etc. Conventional seismic exploration can’t guarantee the interpretation accuracy. Focused on the problem, the seismic response characteristics of different magmatic intrusive modes are compared and analyzed based on the high density 3D seismic exploration. The seismic multi-attributes analysis technology based on rock physical property difference, the seismic facies analysis technology based on waveform difference and the log constrained impedance inversion technology based on impedance difference are comprehensively utilized to identify and interpret the magmatic intrusive area, and the spatial distribution are carved in detail. The results show that the log constrained impedance inversion has high precision in thin layered magmatic intrusive area, and the prediction of thick layered magmatic intrusive area can rely on seismic attribute analysis and seismic facie analysis.Therefore, according to the coal seam distribution and the characteristics of intrusive magmatic rock, the seismic attribute technology, seismic facies technology and seismic impedance inversion technology can be used comprehensively to effectively depict the distribution of magmatic rock in coal seam.

magmatic rocks; high density 3D seismic exploration; impedance inversion; seismic attributes; seismic facies

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P315.8；P631

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.010

1001-1986(2020)06-0072-08

2020-11-04；

2020-11-16

國家重點研發(fā)計劃課題(2018YFC0807804，2018YFC0807806)

National Key R&D Program of China (2018YFC0807804，2018YFC0807806)

單蕊，1984年生，女，山東單縣人，副研究員，從事地震資料解釋研究工作. E-mail：shanrui@cctegxian.com

張廣忠，1967年生，男，山東曹縣人，研究員，從事地震資料解釋研究工作. E-mail：zhangguangzhong@cctegxian.com

單蕊，張廣忠，王千遙，等. 高密度三維地震數(shù)據(jù)驅動的煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)綜合解釋方法與應用[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(6)：72–79.

SHAN Rui，ZHANG Guangzhong，WANG Qianyao，et al. High density 3D seismic data-driven comprehensive interpretation method of magmatic intrusion zones in coal seams and its application[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：72–79.

(責任編輯 聶愛蘭)