三维地震勘探技术在甘肃河西地质条件复杂的大倾角地区的应用

杨 超，李治中，刘海涛

（1.甘肃煤田地质局一四九队，甘肃 兰州 730020；2.西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075）

河西走廊是甘肃省重要的工农业生产基地，但长期以来，地方能源供需矛盾突出。为进一步提高勘探程度，企业决定进行一采区三维地震补充勘探工作，一方面能为矿井开采提供基础的地质资料，另一方面能优化生产矿井采区的设计及规划、合理布置巷道及回采工作面，从而在矿山高效安全生产以及提高资源回收率等方面，提供科学的地质依据。

1 矿区地质概况

勘探区地处甘肃省山丹县东南部，位于祁连山北缘，属河西走廊大马营冲洪积倾斜平原，全区为第四系黄土层所覆盖，为全掩盖矿田。区内地层由老到新为中寒武统香山群（∈2xn）、中石炭统羊虎沟组（C2y）、上石炭统太原组（C3t）、下二叠统大黄沟群（P1dh）、中侏罗统窑街组（J2y）、中侏罗统新河组（J2x）、上侏罗统苦水峡组（J3k）、新近系、第四系。勘探区为双纪矿田，主要含矿地层为中侏罗统窑街组（J2y）和上石炭统太原组（C3t）；其中窑街组为主要含矿地层，太原组为次要含矿地层；窑街组不整合覆盖于下二叠统大黄沟群之上，其主要可采矿层二层（组）位于该组地层下部。勘探区总体为一走向北东45°、倾向北西、倾角36°左右的单斜构造，在倾向上有小起伏，在走向上有明显的波状弯曲，构造程度为中等偏复杂，主要构造为中部901孔和J902孔控制的无矿或薄矿层区，西南部的冲刷带，以及东北部F9和F10断层。

2 勘探区地震地质条件

2.1 表层地震地质条件

勘探区位于祁连山北缘，属河西走廊大马营冲积倾斜平原，地势南西高，向北东方向渐低，为平坦的倾斜平原，交通较为便利。该区表层地震地质条件较好。

2.2 浅层地震地质条件

本区浅层为1m～2m的黄土层，其以下为灰、灰黄色砂砾石层，砂砾石厚度24.80m～104.46m。机械成孔难度大，易塌孔且成本高，激发井深无法保证，只能采用浅井、多井组合激发，加之区内潜水位较深。因此，该区浅层地震地质条件较差。

2.3 深层地震地质条件

本区赋存的主要可采矿层是第二层，矿层与其顶底板围岩之间波阻抗差异明显，可以形成较强的矿层反射波。但因该区地层倾角大，矿层结构、矿层层间距及厚度变化较大，属地震勘探难区。故深层地震地质条件较差。

综上所述：本区地表条件较为有利，但浅层和深层地震地质条件较差。因此，本区应属地震地质条件复杂地区。

3 地质任务

本次采区三维地震勘探的主要地质任务是：①查明勘探区落差大于8m的断层，断层平面摆动误差不大于30m；②进一步控制主要层起伏形态及底板标高，解释误差不大于1.5%；③进一步圈出无矿或薄矿区边界；④解释区内主要矿层的厚度变化趋势。

4 施工参数的选择

4.1 观测系统参数

由于勘探的地质任务要求较高，同时受测区浅层地震条件及地层倾角大等因素影响，为了更好的完成勘探地质任务，采用10线10炮制规则束状观测系统进行施工，保证CDP面元内具有较宽的三维观测方位角和不同炮检距的均匀分布。采用5m×10m的CDP网格以及30次的高叠加次数完全能够满足空间采样定理及对小构造的控制要求，从而确保对规模较小断层及其他构造的解释。

4.2 激发条件

激发是影响地震记录的主要因素，激发条件主要指激发孔深、药量和组合孔数。激发的有效波必须具备宽频带，高信噪比和良好的重复性。而影响该区激发的难点在于激发孔深，区内1m～2m以下为砂砾石层，成孔困难且易塌孔，以往二维地震勘探采用多井组合的坑炮，激发层位于1m～2m的黄土层中，不仅激发介质松散且易井喷，能量衰减快、噪音干扰强，难以取得理想的激发效果。针对黄土层下砂砾石层，本次三维地震勘探采用汽车钻成孔，但在实际成孔时发现，在穿入砂砾石层1m以下时极易塌孔，最终通过大量试验工作确定了浅井、小药量、多井组合的激发参数。激发参数：井深穿透黄土层至砾石层中1m左右，6井组合，药量为单井1kg；可确保激发能量，又不易产生井喷，确保工程质量和人员施工安全。

4.3 接收条件

巨厚的砂砾石层对地震波的接收，具有一定的屏蔽作用，因此本次施工采用5个60Hz检波器纵向线性组合，以加强有效波，压制干扰波，取得了较好的记录效果。

5 勘探成果分析及探采验证情况

本次三维地震地震勘探，共解释组合断层5条，落差均大于8m，其中落差大于20m断层2条，落差大于50m断层1条；进一步标定了二层底板标高及起伏形态；圈定了3块无矿或薄矿层区的边界；基本控制了二层隐伏露头。经解释分析，勘探区地层整体特征以断块升降为主，基本为一走向北东、倾向北西的单斜构造，其间发育有宽缓的次级褶曲构造。区内地层倾角在20°～45°之间，构造复杂程度属复杂地区。

图1 利用GEO Frame解释系统解释的断层等构造在平面上的显示

DF6断层位于测区中南部边界处，走向N43°W，落差0m～12m，该断层切割采区1121工作面，巷道掘进到该断层附近出现大量涌水，通过矿方的揭露验证，地震解释的断层性质、空间位置与实际揭露情况吻合良好，由此为矿方避开了该断层带，避免了由于地质条件不清而带来的损失，并为1121工作面的合理布置提供了可靠地地质依据。

图2为采区最大的薄矿层区，位于902孔背斜的南翼，由902孔和J901孔揭露，该无或薄矿层区在本次三维地震时间剖面上有直观的反映，进一步控制了其分布范围，面积约0.13km2，在巷道掘进阶段部分地段已得到矿方验证。

图2 无或薄Ⅲ在时间剖面上的反映

6 结语

近年来三维地震勘探在矿井设计和生产中取得了显著效益，但是距离矿山建设和生产的标准要求还有一定距离，就本次探采对比来看，由于该区地质条件复杂，地层倾角大，层薄且不稳定，造成三维地震勘探成果与实际情况还存在一定差距，主要表现在两方面：一是对小构造的遗漏比较严重，主要是5m以下的断层；二是部分区域时深转换存在一定误差，尤其是构造复杂地段矿层底板等高线解释和实际出入较大。但就目前矿山生产可利用的相关地质资料来看，采区三维地震勘探是矿山精细化地质勘查的必要手段。尤其在地质条件复杂地区，为矿山的合理设计、采区的合理划分及巷道、工作面的合理布置提供了积极的指导意义。目前该矿井处于巷道掘进阶段，对地震解释的断层及无矿区大多还未验证，今后要加强同矿方的资料交流，更好的为矿方提供后续服务、指导矿井生产。