吳 斌，孟凡彬

巖漿巖侵入煤層的地震屬性識(shí)別技術(shù)

吳 斌1，孟凡彬2

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2. 中國(guó)煤炭地質(zhì)總局地球物理勘探研究院，河北 涿州 072750)

巖漿巖體嚴(yán)重影響井田的煤質(zhì)、儲(chǔ)量等，對(duì)采區(qū)工作面布置、巷道掘進(jìn)及回采工作造成嚴(yán)重的影響，因而探測(cè)巖漿巖侵入煤層的范圍對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重大意義。在總結(jié)巖漿巖侵入體的地質(zhì)特征基礎(chǔ)上，建立巖漿侵入煤層地震地質(zhì)模型，通過(guò)正演，對(duì)多種屬性進(jìn)行交互分析，發(fā)現(xiàn)主頻能量屬性與振幅類屬性對(duì)巖漿巖反應(yīng)較為敏感，并且隨著巖漿巖厚度的逐漸增加能量類與振幅類屬性逐漸降低。通過(guò)對(duì)QN煤礦103工作面高密度三維地震資料連井剖面10煤進(jìn)行屬性分析，發(fā)現(xiàn)頻帶寬度、中心頻率、主振幅屬性可以較好地識(shí)別巖漿侵入?yún)^(qū)。通過(guò)對(duì)勘探區(qū)10煤層進(jìn)行頻帶寬度、中心頻率和主振幅屬性分析識(shí)別巖漿侵入?yún)^(qū)，其識(shí)別結(jié)果與鉆孔實(shí)際揭露吻合較好，證明采用地震屬性識(shí)別技術(shù)可以識(shí)別煤層巖漿巖侵入?yún)^(qū)范圍。

巖漿巖；煤層；正演模擬；地震屬性；高密度三維地震

巖漿巖體對(duì)含煤地層的侵入破壞，嚴(yán)重影響井田的煤質(zhì)、儲(chǔ)量等[1]，使連續(xù)完整的煤層被分割[2-7]，對(duì)采區(qū)工作面布置、巷道掘進(jìn)及回采工作造成嚴(yán)重的影響。因此，利用地震勘探技術(shù)開展采區(qū)巖漿巖體預(yù)測(cè)方法的研究，不僅具有一定的理論意義，而且具有很大的實(shí)用價(jià)值[8]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)火成巖的研究比較廣泛，識(shí)別技術(shù)也具有多種類型，一類是以鉆井、測(cè)井資料為主的預(yù)測(cè)方法[9-14]；一類是以重磁電等資料為主的物探預(yù)測(cè)方法[15-17]。隨著三維地震勘探的逐步普及，利用地震資料預(yù)測(cè)火成巖成為主要手段之一[18-24]，三維地震資料具有大面積密集采集信息的優(yōu)勢(shì)，利用地震信息可以從平面和立體角度研究地層的構(gòu)造、巖性的變化。更進(jìn)一步的是高密度三維地震資料具有高信噪比、高分辨率、高保真度的特點(diǎn)，在研究地層的構(gòu)造、巖性的變化上必將顯著提升其效果。

本文以QN煤礦103采區(qū)10煤層為例，采用理論分析、正演模型模擬和實(shí)際高密度三維地震勘探資料應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)地開展巖漿巖侵入對(duì)煤層的影響區(qū)域等基礎(chǔ)研究，在此基礎(chǔ)上，利用地震多屬性分析方法和技術(shù)識(shí)別巖漿侵入煤層的影響區(qū)域。

1 巖漿侵入體的地質(zhì)特征

1.1 巖漿巖侵入時(shí)受圍巖性質(zhì)的影響

1.2 巖漿巖侵入煤儲(chǔ)層的選層性

巖漿巖侵入含煤地層時(shí)傳遞的熱量、壓力和揮發(fā)物質(zhì)足以使煤發(fā)生質(zhì)的變化，而圍巖相對(duì)來(lái)說(shuō)變化很小。煤的體積縮小為巖漿侵入提供初期通道。侵入后巖漿進(jìn)一步吞蝕煤層，使煤層厚度發(fā)生明顯變化。因此，在煤與其他巖石相比較時(shí)，巖漿首先選擇煤層侵入。另外，巖漿侵入煤層主要取決于煤層的厚度和煤質(zhì)[1]。

1.3 巖漿巖侵入的方式

巖漿巖侵入的產(chǎn)狀又分為巖床、巖盆、巖蓋、巖脈、巖株和巖基[26]。層狀、樹杈狀、透鏡狀、細(xì)脈狀和串珠狀等侵入形狀較為常見，侵入方式一般是順地下某一軟弱地帶或斷層一盤侵入含煤地層[8]。

1.4 研究區(qū)的巖漿侵入情況

QN煤礦103采區(qū)巖漿侵入較為嚴(yán)重，侵入?yún)^(qū)幾乎覆蓋整個(gè)采區(qū)，主要侵入10煤層。巖漿巖的侵入破壞了煤層的原生狀態(tài)，使煤層焦化，減少了采區(qū)的資源儲(chǔ)量；造成煤層變薄或完全被吞噬，不可采區(qū)增大，降低了煤層的穩(wěn)定性。煤層被巖漿巖穿插，出現(xiàn)分叉合并，使煤層夾矸增多，煤層結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜；同時(shí)巖漿巖沿煤層頂板侵入，使煤層頂板遭受破壞，降低了煤層頂板強(qiáng)度，增加了回采難度。

該區(qū)巖漿侵入規(guī)律性差，生產(chǎn)揭露情況往往與勘查確定范圍出入較大。經(jīng)生產(chǎn)揭露，10煤層巖漿巖分布范圍較精查勘探的范圍大，同時(shí)巖漿侵入的厚度變化大，在103工作面10煤層回采時(shí)發(fā)現(xiàn)，巖漿呈樹枝狀沿煤層中部和頂板侵入。

2 巖漿侵入煤層地質(zhì)地震模型正演

2.1 正演模型建立

通過(guò)地震與地質(zhì)資料的對(duì)比可見，由于巖漿巖入侵的厚度不同，有些區(qū)域巖漿巖的侵入引起的地震反射波的變化，表現(xiàn)為反射波能量減弱，同相軸凌亂，地震數(shù)據(jù)品質(zhì)變差。而有些地區(qū)巖漿巖侵入之后幾乎沒(méi)有引起煤層反射波的明顯變化，這就給地震資料解釋帶來(lái)較大的困難[9]。因此，研究巖漿巖的基本地震響應(yīng)特征，有利于從地震數(shù)據(jù)上識(shí)別巖漿巖，提高地震資料解釋精度。

將原生煤層、天然焦與巖漿巖設(shè)計(jì)在同一模型中，進(jìn)行正演模擬，分析正演模型反射波的地震響應(yīng)。正演模型如圖1所示，模型寬5 000 m，深600 m，地震子波為主頻50 Hz的雷克子波。模型中的物理參數(shù)見表1。

圖1 放大的煤層巖漿巖侵入正演模型

2.2 正演數(shù)值模擬

依據(jù)地震波在黏彈性介質(zhì)中傳播地震波場(chǎng)吸收衰減理論對(duì)地質(zhì)模型(圖1)進(jìn)行正演模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行主振幅、中心頻率、頻帶寬度、主頻能量等多屬性分析，其結(jié)果(歸一化后)如圖2所示。

采用交會(huì)分析技術(shù)對(duì)屬性與巖漿侵入厚度、巖漿侵入位置進(jìn)行研究，對(duì)正演數(shù)值模擬分析可知：

表1 正演模型物性參數(shù)

① 主頻能量與振幅類屬性對(duì)巖漿巖反應(yīng)較為敏感；而頻帶寬度、中心頻率、平均瞬時(shí)頻率屬性只有在巖漿巖厚度超過(guò)煤層厚度一半時(shí)才會(huì)有明顯的屬性異常。主要表現(xiàn)為頻帶寬度增高，振幅最大值、均方根振幅、中心頻率、主振幅、平均瞬時(shí)振幅降低，主頻能量減弱。

② 隨著巖漿巖的厚度加大能量類與振幅類屬性逐漸降低，當(dāng)巖漿巖全部吞蝕煤層，這些屬性值又有小幅度的增加。

③ 巖漿巖侵入的位置不同，其造成的屬性差異不同。同等厚度的巖漿巖的振幅類屬性與能量類屬性幅值從大到小的規(guī)律為：從煤層頂部侵入時(shí)、從煤層底部侵入時(shí)、從煤層中部侵入。

圖2 煤層巖漿巖侵入模型正演反射波屬性分析

3 研究區(qū)巖漿巖地震屬性解釋

根據(jù)正演，地震屬性對(duì)圈定巖漿巖分布區(qū)具有明顯的效果，現(xiàn)就鉆孔揭露資料與高密度三維地震資料進(jìn)行分析，進(jìn)一步探討地震屬性預(yù)測(cè)巖漿巖分布區(qū)的可行性。

3.1 地震屬性特征

以17-18-4、2016-12、18-1、2015-3、2016-16等鉆孔(表2)連井高密度三維地震剖面為例，其中17-18-4、2016-12、2016-16三個(gè)鉆孔存在巖漿侵入煤層的情況，17-18-4、2016-12鉆孔巖漿巖從煤層頂部侵入，巖漿巖厚度均為0.4 m，2016-16鉆孔處巖漿巖從煤層中部侵入，巖漿巖厚度為1.7 m。18-1、2015-3孔處沒(méi)有巖漿侵入。對(duì)該連井剖面10煤層反射波進(jìn)行屬性分析，時(shí)窗選擇為10 ms，其屬性結(jié)果如圖3所示。

表2 連井剖面鉆孔煤層厚度統(tǒng)計(jì)

從圖3可以看出：

① 對(duì)于巖漿巖較厚區(qū)域(如2016-16鉆孔)，其地震反射波屬性明顯異于其他區(qū)域，表現(xiàn)為頻帶寬度、中心頻率增高，主振幅、平均瞬時(shí)振幅降低，主頻能量減弱。

② 對(duì)于巖漿巖較薄區(qū)域(如17-18-4鉆孔)，其頻帶寬度、中心頻率、主振幅屬性異于無(wú)巖漿侵入?yún)^(qū)，具體表現(xiàn)為巖漿侵入?yún)^(qū)其地震反射波的頻帶寬度加寬、中心頻率增高、主振幅降低。而平均瞬時(shí)振幅、平均瞬時(shí)頻率、主頻能量屬性無(wú)法分辨出巖漿巖較薄區(qū)。

可見頻帶寬度、中心頻率、主振幅屬性可以較好地識(shí)別巖漿侵入?yún)^(qū)，與鉆孔實(shí)際情況符合程度高，可以為巖漿侵入?yún)^(qū)的預(yù)測(cè)提供參考。因此，利用地震屬性識(shí)別巖漿巖具有可行性。

3.2 高密度三維地震屬性識(shí)別技術(shù)

基于前述地震地質(zhì)模型正演及研究區(qū)10煤層反射波連井剖面多屬性分析成果，10煤層巖漿侵入?yún)^(qū)與無(wú)巖漿侵入?yún)^(qū)在頻帶寬度、中心頻率、主振幅屬性有相對(duì)明顯的區(qū)分，巖漿侵入造成10煤層地震反射波頻帶寬度加大、中心頻率增大、主振幅降低。

3.2.1 識(shí)別結(jié)果

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)鉆孔巖漿侵入特點(diǎn)，對(duì)研究區(qū)高密度三維地震勘探資料中的10煤層地震反射波進(jìn)行主振幅、頻帶寬度、中心頻率屬性進(jìn)行提取分析，成果如圖4—圖6所示黑色鉆孔為無(wú)巖漿侵入鉆孔，洋紅色鉆孔為存在巖漿侵入的鉆孔，巖漿巖侵入?yún)^(qū)范圍為已有資料劃定。

圖3 QN煤礦103采區(qū)連井剖面10煤層反射波屬性分析

圖4 QN煤礦103采區(qū)10煤層反射波主振幅屬性平面圖

圖5 QN煤礦103采區(qū)10煤層反射波頻帶寬度屬性平面圖

圖6 QN煤礦103采區(qū)10煤層反射波中心頻率屬性平面圖

由圖4—圖6可知：研究區(qū)10煤層巖漿巖的分布極其復(fù)雜，地震屬性差異也不完全相同。地震屬性圖中顏色用以預(yù)測(cè)巖漿巖厚度，紅色為厚層，厚度大于1 m；黃色為薄層，厚度小于1 m；藍(lán)色為巖漿巖未侵入?yún)^(qū)。

3.2.2 識(shí)別精度分析

屬性預(yù)測(cè)結(jié)果與鉆孔實(shí)見情況符合程度見表3，頻帶寬度屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為67.9%，中心頻率屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為67.9%，主振幅屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為60.7%。

巖漿巖厚度識(shí)別結(jié)果與鉆孔實(shí)見情況符合程度見表4，頻帶寬度屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為53.85%，中心頻率屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為84.62%，主振幅屬性預(yù)測(cè)巖漿侵入的準(zhǔn)確度為53.85%。

由于各類地震屬性與地下地質(zhì)目標(biāo)并非有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，多種地質(zhì)異常都可能導(dǎo)致某一屬性出現(xiàn)相同變化，因而，屬性預(yù)測(cè)與鉆孔實(shí)見情況很難出現(xiàn)完全吻合。

表3 鉆孔處巖漿巖地震屬性識(shí)別結(jié)果與實(shí)際揭露吻合情況統(tǒng)計(jì)

表4 鉆孔處巖漿巖厚度識(shí)別結(jié)果與實(shí)際揭露吻合情況統(tǒng)計(jì)

注：第一種情況為厚度小于1 m，處于橙黃色區(qū)域；第二種情況為厚度大于1 m，應(yīng)處于橙紅色區(qū)域。

4 結(jié)論

a.通過(guò)多屬性對(duì)比分析，主頻能量與振幅類屬性相較于頻帶寬度、中心頻率、平均瞬時(shí)頻率屬性對(duì)巖漿巖反應(yīng)較為敏感，隨著巖漿巖的厚度加大能量類與振幅類屬性逐漸降低，當(dāng)巖漿巖全部吞噬煤層，這些屬性值又有小幅度的增加。

b.對(duì)于巖漿巖較厚區(qū)域，地震反射波頻帶寬度、中心頻率增高，主振幅、平均瞬時(shí)振幅衰減，主頻能量減弱。對(duì)于巖漿巖較薄區(qū)域，巖漿侵入?yún)^(qū)地震反射波的頻帶寬度加寬、中心頻率增高、主振幅降低。

c.通過(guò)高密度三維地震資料提取地震屬性用以預(yù)測(cè)巖漿巖侵入的效果較好，中心頻率預(yù)測(cè)巖漿巖厚度的效果最佳。由于各類地震屬性與地下地質(zhì)目標(biāo)并非有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，多種地質(zhì)異常都可能導(dǎo)致某一屬性出現(xiàn)相同變化，因而，屬性預(yù)測(cè)與鉆孔實(shí)見情況很難出現(xiàn)完全吻合。

d.可以對(duì)多種屬性值配以不同權(quán)重因子，合成為總數(shù)值加以比較分析，或者配上其他地質(zhì)異常體的屬性研究統(tǒng)合分析來(lái)提高預(yù)測(cè)精度。

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Seismic attribute recognition technology of magmatic rock intrusive coal seam

WU Bin1, MENG Fanbin2

(1.School of Resources and Geosciences, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China; 2.Research Institute of Coal Geophysical Exploration, China National Administration of Coal Geology, Zhuozhou 072750, China)

Magmatic rock seriously affects the coal quality and reserves of the mine fields, has serious impact on the mining face layout, roadway excavation and mining work. Therefore, it is of great significance to detect the scope of magmatic rock intrusion into coal seam for safe and efficient production of coal mine. This paper summarizes the geological characteristics of magmatic intrusions, establishes the geological and seismic model of magmatic intrusion into coal seam. Through forward modeling, it is found that the main frequency energy attributes and amplitude attributes are more sensitive to magmatic rock reaction, and with the gradual increase of magmatic rock thickness, the energy and amplitude attributes gradually decrease. Through the attribute analysis of coal seam 10 in the actual high-density 3D seismic data, it is found that the frequency band width, central frequency and main amplitude attributes can better identify the magmatic intrusion area. Through the analysis of frequency band width, center frequency and main amplitude of coal seam 10 in the exploration area, it is found that the identification of magmatic intrusion area is in good agreement with borehole exposure, which proves that the seismic attribute identification technology can identify the magmatic rock intrusion area of coal seam.

magmatic rocks; coal seam; forward modeling; seismic attributes; high density 3D seismic exploration

請(qǐng)聽作者語(yǔ)音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進(jìn)行交流

P631.42

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.06.009

1001-1986(2020)06-0064-08

2020-10-15；

2020-11-03

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題(2018YFC0807803)

National Key R&D Program of China(2018YFC0807803)

吳斌，1996年生，男，安徽宣城人，碩士研究生，從事煤田地震勘探理論與方法研究. E-mail：2016372561@qq.com

吳斌，孟凡彬. 巖漿巖侵入煤層的地震屬性識(shí)別技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(6)：64–71.

WU Bin，MENG Fanbin. Seismic attribute recognition technology of magmatic rock intrusive coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(6)：64–71.

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)