0 引言

花园煤矿床位于山东省济宁市金乡县境内，隶属金乡镇、高河镇及鱼山镇三镇管辖。花园煤矿床五采区岩浆岩活动比较强烈，几乎所有煤层都不同程度地受到岩浆岩侵入的影响，岩浆岩侵入煤层引起了煤层的焦化与缺失，造成煤质的改变，对煤炭资源造成较大的破坏（祝二亮，2014；汪雷等，2015； 李文豪等，2021）。先期形成的区域构造，控制着岩浆的侵入范围，但伴随着岩浆活动也会产生一些新的构造，这对煤矿的安全高效开采造成较大困难。因此，查明该区岩浆岩的侵入范围对煤炭安全高效开采具有重要意义。该区开展多次钻探及补充勘探进行岩浆岩分布预测，但钻探成本高，预测范围小，传统单一的预测手段已不能满足现阶段矿井设计与开发的要求（崔海峰等，2017；蒋旭梓等，2022； 贠鹏超等，2022）。近年来，随着煤炭安全高效开采对地质勘探程度要求的提高，三维地震勘探技术作为地质构造和岩性探测的有效手段，具有经济、快速、有效定位煤矿隐蔽致灾地质因素的特点，在煤田地质精细勘探中发挥着重要作用（吴仕勇等， 2019；李生虎，2022）。

三维地震勘探数据包含着地下丰富的构造和岩性信息，其中岩浆岩与煤系地层在地震数据中的波形特征、属性差异，均为基于地震数据预测岩浆岩奠定了基础（程建远等，2016；王琦，2018）。地震正演模拟数据可以直观地反映地质体的地震波特征，对实际岩浆岩地震波形识别具有较好的指导作用，有助于地震勘探中对信号的分析与理解（李江， 2021）。岩浆岩地震反射波在宏观上可以分为平板状、丘状、蘑菇状等地震相类型，实际工作中经常使用这些地震相特征对岩浆岩进行识别和描述，但是地震反射波同相轴的地质意义比较复杂，同时受地震数据采集、处理技术的影响，仅仅从实际地震剖面上无法全面、正确的认识其地震反射波特征（曹磊和蔡峰，2021）。岩浆岩地震预测问题属于岩性勘探范畴，目前在煤田岩性地震勘探领域，主要的探测手段包括地震属性技术和地震反演技术（孟艳慧，2015；Jun et al.，2017；冯校辉，2021）。当研究区具有较多测井资料时，建议使用反演方法（李江等， 2020）；当研究区钻井数目较少或缺乏测井资料时，建议综合使用地震相分析、谱分解等属性分析方法（索重辉等，2011；杨晓光等，2018）。针对研究区地质资料揭露的岩浆岩分布特征，结合本区三维地震勘探资料的优势，选用合理的地震探测方法进行岩浆岩预测研究，对提高该矿区岩浆岩勘探程度具有重要的作用。本文以济宁地区花园煤矿床三维地震勘探叠前时间偏移数据为基础，利用地震正演，地震相识别、属性解释等方法技术进行综合分析，对研究区内主采煤层中岩浆岩侵入范围进行了预测。

1 研究区域概况

济宁矿区煤田主体部分位于山东省济宁市境内，矿区内的地层自下而上依次为奥陶系、上石炭统本溪组、上石炭统—下二叠统太原组、下二叠统山西组、二叠系石盒子组、上侏罗统蒙阴组和第四系。该煤田为一轴向北东、向西南倾伏的不连续宽缓向斜构造。次一级褶曲发育，轴向也呈北东向。煤田北端局部有变陡现象。断层主要有北东—近南北向、北西西—近东西向及北东东向共3组，此外还有一北东东向逆断层组（图1）。下二叠统山西组为主要含煤地层，平均厚72 m，由灰白色砂岩、灰色粉砂岩、泥岩及煤层组成，自上而下有 2 煤、3 煤、3 下煤，其中3煤为主采煤层。

研究区为济宁矿区花园煤矿床五采区，区内构造复杂，断层及其发育。井田内岩浆岩一般分布在岩体附近或大的断裂发育地带，从基性至酸性岩浆岩均有。岩浆活动以多期侵入，长期活动为特点，其活动期可分为3期，早期发生在早中侏罗世，中期高峰集中在晚侏罗世—早白垩世，晚期活动高峰在晚白垩世—古新世。先期形成的区域构造，控制着岩浆的侵入范围，同时随着岩浆的活动也会产生一些小构造。本井田距张集岩体和马庙岩体较近，岩浆通过凫山、鱼山、嘉祥等大断裂侵入，通过断层带上升进入煤系地层中，岩浆的侵入范围主要分布在大的断裂带附近，受到区内断层的控制，岩浆运移过程中对围岩的巨大应力又导致了小断层的发育。根据区域钻孔揭露，岩浆岩侵入又有以下几点特征：岩脉垂直或斜交穿过煤层，对煤层影响不大，引起的煤变质和形成天然焦仅限于岩体的两侧；岩床顺层侵入，与煤层的接触面积大，对煤层的影响范围较大，使煤层被全部或部分吞蚀，或将煤层分为几个分层；岩浆顺煤层顶底板侵入，常常构成煤的直接顶底板，煤层部分被吞蚀，对煤层接触变质有一定的渐变性，即直接接触段变为天然焦，往远端依次为焦化煤至正常煤。

2 岩浆岩地震预测方法

2.1 岩浆岩正演模拟

为客观模拟岩浆岩在实际地震剖面上的反射特征，首先利用波动方程数值模拟方法对岩浆岩模型的叠前波场进行模拟，再对叠前波场进行偏移成像。正演模型设计如图2 所示（红色为岩浆岩），岩相类型包括岩床和沿墙。模拟单炮记录反映了来自浅、深两个区域的岩浆岩反射波，其中第一层岩浆岩厚度较小，反射波能量较弱，深部岩浆岩厚度较大，反射波能量较强，对于岩浆岩内部，反映出较为复杂的反射和绕射波场。图3a 为叠前时间偏移处理获得的岩浆岩反射波特征，火山口顶部的形态与地质模型较为接近，绕射波得到较好地收敛，地震剖面上岩浆岩的反射波与岩浆岩结构之间具有明确的对应关系，但岩浆岩内部构造得不到准确的反映。图3b 为叠前深度偏移处理获得的反射剖面特征，此时剩余绕射能量得到充分的收敛，地震剖面清晰地反映了岩浆岩的构造特征，岩浆岩内部构造也得到精确地成像，可以直接利用反射波同相轴的空间展布和几何关系可对岩浆岩分布进行准确描述。由此可见，岩浆岩结构和波场复杂，不同的处理方法获得的岩浆岩反射波特征差异较大，因此，高精度的处理成果是岩浆岩反射波特征正确识别的基础。

为了进一步研究岩浆岩侵入煤层的地震反射波场特征，依据研究区钻采资料揭露的岩浆岩地球物理参数特征（李莉等，2019），建立煤系地层等效地质模型进行地震正演模拟，从理论模型上认识煤岩层中的岩浆岩地震反射波特征。图4为含煤地层等效模型及正演剖面，煤层厚度4 m，可以看到能量较强的煤层反射波。图5为岩浆岩顺层侵入煤层之后的地质模型及其正演剖面，由于岩浆岩、煤、围岩地球物理性质的差异，岩浆岩侵入煤层之后反射波特征发生较大的变化，主要表现为反射波相位的变化，提取图4 与图5 中横向位置 300 m 处的地震数据，其波形特征见图6，煤层反射波为正相位起跳，而岩浆岩反射波为负相位起跳。可见，当煤层被岩浆完全侵蚀之后，正常煤层反射波将发生相位反转。

a—叠前时间偏移剖面；b—叠前深度偏移剖面

a—含煤地层模型；b—正演剖面

2.2 地震相识别

地震相分析主要是以地震波形变化特征进行统计分析和模式识别，直接利用地震波波形属性研究岩性是最理想的岩性预测方法（韩波和石俊岩， 2017）。通过岩浆岩地震正演模拟与岩浆岩反射波特征研究，可以较好的认识岩浆岩的地震响应特征，结合已知钻孔和巷道揭露岩浆岩信息，可以对岩浆岩的地震相有更清晰的认识。图7为巷道和钻孔资料揭露的岩浆岩在地震剖面上的反映，可以看出，对于沿煤层侵蚀的板状岩浆岩，其在地震剖面上表现出与煤层反射波波形相位相反的特征（图7a、b），结合正演模拟结果可对其进行准确识别与划分；对于大规模的岩浆岩侵蚀区，煤层反射波缺失，岩浆岩侵蚀区地震反射波表现出一定规模的连续性差、能量弱、频率异常等特征（图7c、d），结合钻孔揭露，可通过地震相差异进行识别。

a—岩浆岩侵入煤层模型；b—正演剖面

a—煤层反射波；b—岩浆岩反射波

2.3 属性预测

由于煤和岩浆岩在地质特征和地球物理特征上都存在明显的差异，这种差异体现在地震波的时间、频率、振幅强度和相位特征上，这为基于地震属性预测岩浆岩分布范围奠定了基础。因此，利用反映岩浆岩内部对地层物理特征变化敏感的不同地震属性，可作为预测岩浆岩侵入范围的有效手段。本研究在精细层位解释的基础上，计算包含煤层在内的一定厚度（时间剖面上显示为时间）“层”的各种地震属性，找出各种属性之间的相关性和差异性，结合工区钻孔揭露资料分析不同属性所反映的地质信息，进而优选出对岩浆岩反映敏感的属性，以此进行岩浆岩侵入范围预测。经过属性优选，瞬时频率地震属对研究区岩浆岩反应较为敏感（图8），图中红色显示的异常区均对岩浆岩有一定的反映，特别是 B6 钻孔附近已揭露的大片岩浆岩侵蚀区，地震属性异常直观的反映了其平面展布范围。

3 岩浆岩范围综合预测

研究区岩浆岩预测以地震时间剖面为基础，通过地震反射波特征分析初步识别岩浆岩侵蚀区，结合钻孔揭露资料进行验证，获得岩浆岩“点”的分布特征。通过属性分析，优选出对岩浆岩侵蚀区反映敏感的瞬时频率、振幅等属性，通过属性异常获得岩浆岩“面”上的分布特征。基于由点到面的分析思路，研究区共解释大小不等的岩浆岩侵入区23处 （规模较大的侵蚀区编号为 Y1~Y6，见图9）。其中 Y1 区域位于研究区西部，面积约 0.11 km²，该区域岩浆岩沿着两大断层断裂带顺煤层侵入，造成煤层大面积缺失，Y1 区域西部 B4 钻孔取心资料揭露该处为天然焦。Y2、Y4区域附近巷道揭露为岩浆岩。 Y3区域为岩浆岩沿断裂带顺煤层侵入。Y5区域位于研究区中部，面积约 0.15 km²，该区域 B6 钻孔揭露为岩浆岩，厚度约 37 m。Y6 区域位于研究区南部，为岩浆岩沿断裂带顺煤层侵入。总体来看，研究区岩浆岩主要表现为沿断层破碎带向煤层顺层侵入，在大断裂附近岩浆岩较发育，局部地区岩浆岩零星分布，地震勘探预测范围与钻孔揭露一致，精确的反映了研究区煤系地层中的岩浆岩侵蚀情况。

a—沿煤层顶板侵入的地震相特征；b—岩浆岩完全侵入煤层的地震相特征；c—B6孔处巨厚岩浆岩吞蚀地震相特征；d—B4孔天然焦地震相特征

4 结论

（1）岩浆岩地震反射存在较为复杂的映射关系，对岩浆岩反射波正演模拟，可以较好的认识岩浆岩的地震响应特征，结合已知钻孔和巷道揭露岩浆岩信息，可以对岩浆岩的地震相有更清晰的认识。当煤层被岩浆完全侵蚀之后，正常煤层反射波将发生相位反转；对于大规模的岩浆岩侵蚀区，煤层反射波缺失，岩浆岩侵蚀区地震反射波表现出一定规模的连续性差、能量弱、频率异常等特征。

（2）研究区岩浆岩结构空间变化大，对地震反射波影响复杂，通过地震属性和地震相分析两者相互印证，增加了解释的可靠性，可以有效地预测采区的岩浆岩侵入情况，本次地震预测范围与钻孔揭露一致，精确的岩浆岩预测成果为煤矿的安全高效开采提供支撑。

参考文献