三维地震勘探技术从20世纪90年代推广应用以来，以其探测煤层构造和地质体精度高、工程周期短而被矿山企业所接受，专门应用于详细查明地质小断层、小褶曲、陷落柱、采空区、冲刷带等^[1]。与二维地震勘探相比，三维地震勘探具有诸多优势，尤其三维构造精细化解释，明显提高了地震解释识别地下小地质构造及地震异常体的能力，完善和发展了三维高分辨率地震勘探技术^[2]，扩大了地震勘探的应用范围,为解决煤矿开采阶段所遇到的构造、煤层等地质问题提供了一种综合应用地质-地球物理资料的解释方法。

本文将这一技术应用到山东省曹县煤田张湾勘察区先期煤田开采地段范围的勘探工作中，发挥了三维地震勘探技术良好的应用价值。对加快张湾地区煤炭资源开发，将资源优势转化为能源优势，带动经济发展提供了有力的技术支撑，对体现三维地震勘探效率高，成本低的优势具有重要意义。

张湾井田勘察区域地层区划为华北地层大区（Ⅴ）晋冀鲁豫地层区（Ⅴ₄）的鲁西地层分区（Ⅴ₄⁸）。勘察区的大地构造位置属华北板块（Ⅰ）鲁西地块（Ⅱ）鲁西南潜隆起区（Ⅲ）菏泽-兖州隆起（Ⅳ）菏泽凸起（Ⅴ）内。该区含煤岩系为石炭纪-二叠纪月门沟群。勘查区内的构造形态呈现煤系地层总体走向NW、倾向SW的单斜构造形态，在其上发育有幅度不大的次一级向、背斜褶曲构造，次一级褶曲轴向NE，煤系的沉积基底为奥陶纪马家沟组，盖层自上而下有第四系和新近系。区内地层较简单，由下而上主要为奥陶系、石炭系、二叠系、古近系、新近系、第四系（图1）。

图  1  煤田勘察区域基岩地质构造图

了解近地表各因素在地震传播中的影响，是获得较好地震资料的关键所在^[3]。勘查区地处黄河冲积平原，地势平坦，海拔高度44～54 m左右，区内河流属黄河水系，灌溉渠纵横。施工区内村庄较多，村庄附近有鱼塘、养殖场、加工场等障碍物，给地震勘探野外数据采集带来一定的困难。新近系以来的地层厚度约为1 100 m。在地震时间剖面上易形成多个较强的反射波组，一定程度上反映了该地层砂泥互层在空间的展布。新近系以来的地层直接覆盖于煤系地层之上，与下伏地层相比，在沉积环境、岩石物理力学性质等方面都有很大的差异，其底界面是一良好的反射界面，勘探区主采煤层3煤层与其顶底板物性差异明显，能形成能量强、波形特征明显的反射波（T3波），构成了良好的深层地震勘探地质条件。

三维地震技术在煤田地质勘探中经过20多年的实际应用，技术已经非常成熟，可以有效地解决煤田勘探中地质构造、覆盖层厚度和煤层埋藏深度等问题。野外资料数据采集作为三维地震勘探的第一步，采集数据的质量直接影响到三维数据处理和地震资料的后期解释，最终影响地震勘探的效果和成果报告的质量^[4]。张湾勘查区先期开采地段三维地震勘探野外数据采集方法正确，技术措施得当，原始记录采集质量良好。

为了获得高质量的地震记录，项目组技术人员要对野外工作方法及采集参数进行充分地试验、优化，以选择适合测区具体条件的最佳施工方案，获得高质量的原始资料，确保地质任务的完成^[5]。针对研究区域的地表状况，勘探前选取不同埋藏深度、不同浅层结构进行试验^[6]。本次张湾勘探区试验较为充分，并针对区内地震地质条件的特点，在野外采集中采用了适宜的技术措施。

张湾勘探区试验工作开展过程中主要根据踏勘情况，结合地质、地形图等以往地震地质资料，在有代表性的地段布置8个试验点，包括5个系统试验点和3个检核试验点，合计试验物理点90个，其点位按照一定的距离、地段分布并尽可能地布放在钻孔附近，进行激发和接收因素试验，了解三维区不同地段地震地质条件和有效波、干扰波的发育情况，选择最佳激发、接收方案以获得高信噪比、高分辨率的煤层反射波。试验还进行了最佳观测范围调查，野外铺设排列100道，道距20 m，排列长1 980 m，在大、小号采用最佳井深、药量各放1炮，确定了最佳观测范围。

为了掌握区内低速带厚度和速度的变化规律，在三维区共设计8个低速带调查点，与试验点在同一位置，采用生产井进行激发，确保在井内高速层有4个以上控制点、激发点至井口。通过对微测井、点试验及束线试生产等试验资料的分析，结合时间剖面对比分析，从固定增益、能量、信噪比、时频等因素考虑，同时利用KLSeis等多种软件对试验单炮品质及时间剖面进行定量分析，各软件分析结果相互验证，最终优选该区采用10～12 m井深，药量2.0～2.5 kg激发以满足本次三维地震勘探的地质任务要求。

通过理论计算和野外试验，张湾勘探区选择10线12炮束状观测系统的采集技术参数（表1），中点发炮，接收道数：90×10=900道；线距60 m，道距20 m，炮线距120 m；最大炮检距988.98 m；CDP网格10×10 m，迭加次数6（纵）×4（横）=24次；激发井深10～12 m，药量2.0～2.5 kg；4个60 Hz检波器2串2并面积组合接收。使用428XL型遥测数字地震仪，采样间隔0.5 ms，记录长度3.0 s。

本次三维地震勘探工作共完成束线14束，检波线72条，炮线165条，线束物理点为6 477个，试验、低速带调查物理点161个（全部合格）。施工面积23.00 km²，控制面积16.25 km²，总计物理点6 638个；物理点成品率99.94%。质量指标符合技术设计及勘探规范要求（表2）。

三维地震勘探是一种高密度采集、空间成像、归位准确的面积接收技术^[7]，其特点是利用炮点和接收点网格的灵活组合而获得分布均匀的地下数据点网格及较为均匀的覆盖次数，在各类能源采区勘探中取得了较好的应用效果，是煤田开采中较先进的勘探方法^[8]。其中三维地震数据处理对空间成像至关重要。

张湾井田三维地震数据处理中针对原始资料特点，叠前主要采用了保幅去噪技术、三维地表一致性振幅补偿、三维地表一致性反褶积、精细速度分析，叠后采用了具有吸收边界的有限差分法波动方程三维一步法偏移，并用钻井等实际资料进行了约束。去噪时在保证信噪比前提下，最大限度地提高了地震资料的分辨率，使目的煤层有效波主频范围达到50～60 Hz，获得了5 m×5 m×0.5 ms的高分辨三维数据体，对处理的成果三维数据体，按50×100 m的网格抽取地震时间剖面进行评价，其中Ⅰ类剖面13.548 km²，占83.372%，Ⅱ类剖面2.702 km²，占16.628%，无Ⅲ类剖面（图2）。

图  2  地表一致性反褶积效果对比图

根据三维地震勘探规范，综合利用三维地震勘探区及相邻采区地震资料、地质、钻井、采掘等资料，确定了通过地震垂直时间剖面、水平时间切片、沿层切片等的单独和组合使用，开展全三维地震资料解释^[9]。从所获三维地震数据体切出的垂直地震时间剖面上看（图3），张湾勘探区新近系地层与基岩分界面形成的反射波T_Q+N波与下伏地层的波相长、相消干涉明显，波形特征沿横向变化较大，在时间剖面上与下伏地层的不整合接触关系明显。在资料解释中，主要采用强相位对比方法，利用工作站进行有效波的手动和自动追踪，对三维偏移数据体、方差数据体和层位属性进行反复细致的对比、解释和检查。运用纵横时间剖面相结合、垂直时间剖面与水平时间切片、沿层切片相结合等综合解释手段，方法正确。

图  3  三维地震数据体时间剖面

本区3煤层存在分叉、合并、剥蚀现象，剥蚀现象在时间剖面上能清晰地反映出来，受地震勘探分辨率的限制，分叉间距小到一定程度，在地震时间剖面上分辨不出来2层煤的反射波（图4）。利用理论模型提取反射波动力学参数，从参数曲线(图5)可以发现，煤层结构的变化对应着反射波的能量突变。这可以作为煤层分叉点的解释依据，在实际应用中有重要意义。该区3煤层合并区有ZW-22和ZW-23、ZW17和ZW18、ZW-15和ZW-1共3对钻孔分别位于3煤层分叉区与合并区，3煤层合并的面积约7.58 km²，3煤层厚度为7.55～8.95 m；3煤层分叉的面积约8.67 km²，分叉后的3_上煤层厚度4.85～5.39 m，3_下煤层厚度1.83～2.92 m。

图  4  煤层合并在时间剖面上的显示图

图  5  煤层反射波动力学参数曲线

断层解释是本次三维地震勘探的主要任务之一，对所有地震资料在时间剖面上能够分辨的断点，经过了由粗到细反复对比的过程，解释中充分利用工作站解释系统的缩放、多窗口动态显示、多参数显示等方法对断点进行识别解释。断层在时间剖面上一般表现为同相轴的错断或终止、反射波组间距突变现象、同相轴的形状和产状变化等，反射层次丰富时表现为纵向上多个反射波的错断，在水平切片上切不到的一盘无能量显示（图6）。

图  6  断层面产状在时间剖面上的显示图

根据性质、落差及空间展布规律，时间剖面有明显错断的，共追踪解释断层26条；还发育有19条落差在5 m左右的小断层，其表现在时间剖面上多为同相轴的扭动，按断层落差分类该区落差≥20 m的断层6条，20 m≥落差≥10 m的断层13条，落差为5～10 m的断层7条，落差为0～5 m的断层19条（表3）。

依据《煤炭煤层气地震勘探规范》的有关标准，对落差大于5 m的26条断层按其控制程度进行了评价，其中可靠断层21条，较可靠断层5条（表4）。

该区北部主要由煤系地层因构造的隆起而风化剥蚀造成，剥蚀面与上伏地层呈不整合接触。煤层的倾角与上伏地层倾角不一致，在时间剖面上可看到煤系地层反射波与新近系底界面有明显的不整合面现象（图7）。

图  7  煤层隐伏露头在地震时间剖面上的显示图

根据张湾井田三维地震勘探数据体，对ZKW2号钻孔进行了3煤层深度预测（表5），通过施工完成的钻孔和地震勘探对比分析，该钻孔地震解释绝对误差9.10 m，误差率只有0.8%，充分证明了三维地震勘探的有效性，同时地震预告ZKW2号孔处于2条断层之间的断块上，并且靠近断层，断层在该孔附近落差较小，反映在时间剖面是同相轴扭曲。

张湾勘探区查明了主采煤层3煤层的底板起伏形态，在次一级向、背斜的两翼上，地层倾角局部达9°左右。圈定局部3煤层剥蚀带，查明落差5 m以上的断层26条，解释了3煤层宏观结构及3煤层厚度变化趋势，控制了3煤层隐伏露头及其分布范围，资料解释手段丰富，地质成果可靠，较好地完成了本次勘探的地质任务。说明现代技术的发展使三维地震勘探方法更完善、手段更充分、应用更广泛、效果更显著。无论是构造复杂区还是地表复杂区，三维地震勘探都取得了其他勘探手段无法得到的效果，多参数、多方法的应用使解释分辨力进一步提高^[10-11]。