南方煤系地层小断层地震物理模型研究

戴世鑫, 董艳娇, 胡盼, 李祥, 邢振邯, 杨甫. 2025. 南方煤系地层小断层地震物理模型研究. 地质通报, 44(5): 858-871. doi: 10.12097/gbc.2022.06.031
引用本文: 戴世鑫, 董艳娇, 胡盼, 李祥, 邢振邯, 杨甫. 2025. 南方煤系地层小断层地震物理模型研究. 地质通报, 44(5): 858-871. doi: 10.12097/gbc.2022.06.031
DAI Shixin, DONG Yanjiao, HU Pan, LI Xiang, XING Zhenhan, YANG Fu. 2025. Seismic physical model of small fault in southern coal-bearing strata. Geological Bulletin of China, 44(5): 858-871. doi: 10.12097/gbc.2022.06.031
Citation: DAI Shixin, DONG Yanjiao, HU Pan, LI Xiang, XING Zhenhan, YANG Fu. 2025. Seismic physical model of small fault in southern coal-bearing strata. Geological Bulletin of China, 44(5): 858-871. doi: 10.12097/gbc.2022.06.031

南方煤系地层小断层地震物理模型研究

  • 基金项目: 国家重点研发计划《煤矿隐蔽致灾地质因素动态智能探测技术研究》(编号:2018YFC0807801)、国家重点研发计划子课题《低渗透油藏CO2注入及地质封存中的迁移转化规律和岩石力学响应》(编号:2018YFB0605503)、国家自然科学基金项目《南方复杂地质条件煤田小断层物理模型地震波识别方法研究》(批准号:51804112)、自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放基金(编号:KF2021-5)
详细信息
    作者简介: 戴世鑫(1983− ),男,博士,副教授,从事地质、地球物理勘探研究。E−mail:hnkjdsx@126.com
    通讯作者: 董艳娇(1997− ),女,硕士,从事煤田地质、地球物理勘探研究。E−mail:1747001353@qq.com
  • 中图分类号: P631.4

Seismic physical model of small fault in southern coal-bearing strata

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  • 研究目的

    针对南方煤田煤系地层岩性特征和地质构造分布,目前依靠传统方法,识别落差≤5 m小断层存在极大的局限性且难度较大,而地震物理模型是目前最有可能实现系统研究小断层的技术手段。

    研究方法

    以南方煤田——贵州省六盘水煤田为例,根据对研究区的实地勘探与资料收集,设计地震物理模型。由于小断层的制作难度及特殊性,采用特有的空间尺寸比例1∶2 000,速度比为1∶1.74,首次在国内实现对不同埋深5 m、3 m和1 m小断层的构建,从而制作完成了南方煤系地层小断层地震物理模型,对地震数据进行采集,并对模型原始地震数据进行分析及处理,得到模型叠加剖面。

    研究结果

    可以通过相似比原理选取特定比例因子,进行原料配比,完成包含落差≤5 m小断层地震物理模型的制作,为后续采集地震数据对煤田小断层进行识别及研究小断层波场特征提供试验平台。

    结论

    本次研究建立了一套适用于南方煤田小断层识别的地震物理模型实验体系,验证了相似比原理与小断层模型构建的可行性,突破了传统方法难以识别小断层的技术局限。该模型为研究小断层的波场特征、地震响应机制及后续小断层精细识别提供了实验平台与理论支撑,对提升南方煤系构造精细解释能力具有重要意义。

  • 加载中
  • 图 1  山脚树矿区构造纲要图(地层代号注释同表1

    Figure 1. 

    图 2  物理模型初步设计图

    Figure 2. 

    图 3  模型最终设计图

    Figure 3. 

    图 4  物理模型的制作

    Figure 4. 

    图 5  煤层9个断层的尺寸参数

    Figure 5. 

    图 6  起伏地表的物理模型

    Figure 6. 

    图 7  模型制作后的剖面形态测试

    Figure 7. 

    图 8  模型制作后的平面形态测试

    Figure 8. 

    图 9  现场采集示意图

    Figure 9. 

    图 10  物理模型原始单炮记录

    Figure 10. 

    图 11  物理模型FK滤波

    Figure 11. 

    图 12  叠加剖面

    Figure 12. 

    图 13  模型偏移剖面

    Figure 13. 

    图 14  震源频率60 Hz不同埋深小断层响应

    Figure 14. 

    表 1  煤田三维地震物理模型参数

    Table 1.  Three-dimensional seismic physical model parameters of the coalfield

    层数 地层 综合岩性 厚度/m 密度加权平均/(g·cm−3) 层速度/(m·s−1
    第一层 永宁镇组(T1yn 白云质灰岩 585 2.393 4530
    第二层 飞仙关组第二段(${\mathrm{T}}_{1}f^{2} $ 细砂岩 385 2.434 4290
    第三层 飞仙关组第一段(${\mathrm{T}}_{1}f^{1} $ 泥质粉砂岩 155 2.442 4580
    第四层 长兴组、龙潭组 含煤粉砂岩 103.23 2.519 4350
    第五层 2.82 1.75 3000
    第六层 含煤粉砂岩 123.95 2.567 4420
    第七层 峨眉山玄武岩组(P1e) 火成岩 550 3.009 5540
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    表 2  几种相似比组合

    Table 2.  Several combination of similarity ratio

    参数γγγγγ
    比例模型比例因子模型比例因子模型比例因子模型比例因子模型比例因子
    12345
    空间长度1∶100001∶200001∶100001∶50001∶1000
    时间1∶100001∶100001∶50001∶50001∶1000
    速度1∶11∶21∶11∶11∶1
    频率10000∶110000∶15000∶15000∶11000∶1
    采样率1∶100001∶100001∶100001∶50001∶1000
    适合情况面积中面积大、埋深大面积中、频率高面积小面积小
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    表 3  物理模型比例参数

    Table 3.  Scale parameters of physical model

    比例因子模型野外物 理 模 型 大 小/mm
    尺度L1 m2000 m
    速度V1 m/s1.74 m/s1200500500
    时间T1.74 s2000 s水层深60 (无地表)41 (加地表)
    频率f240 kHz208 Hz模拟区块/m
    采样率t0.2 us0.23 ms纵向横向
    采样点40964096240010001000
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    表 4  相似模拟材料

    Table 4.  Similar simulation materials

    地层模拟材料
    砂岩砂与环氧树脂
    煤层环氧树脂与硅橡胶
    灰岩石灰粉与环氧树脂
    泥岩滑石粉与环氧树脂
    起伏地表普通硅酸盐水泥、砂、石膏粉、水
    模型左侧、右侧边界环氧树脂、橡胶、稀释剂与除泡剂等
    基底有机玻璃
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    表 5  物理模型测量参数

    Table 5.  Physical model measurement parameters

    层位 层名 试块密度/
    (g·cm−3)
    试块纵波
    速度/(m·s−1)
    转换实际纵波
    速度/(m·s−1)
    转换实际
    密度/(g·cm−3)
    1 地表 1.082 1256
    2185 1.883
    2 细砂岩 1.1525 2433 4233 2.005
    3 粉砂岩 1.183 2625 4568 2.058
    4 含煤粉
    砂岩
    1.1604 2492 4336 2.019
    5 煤层 1.122 1785 3106 1.952
    6 含煤粉
    砂岩
    1.1695 2561 4456 2.035
    7 玄武岩 1.602 2857 4971 2.787
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出版历程
收稿日期:  2022-06-21
修回日期:  2023-04-17
刊出日期:  2025-05-15

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