三瞬屬性在南黃海第四紀地震地層分析中的應用

趙維娜，張訓華，吳志強*，密蓓蓓，陳珊珊

(1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071;4.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071)

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三瞬屬性在南黃海第四紀地震地層分析中的應用

趙維娜1，2，3，張訓華2，3，4，吳志強2，3，4*，密蓓蓓2，3，4，陳珊珊2，3，4

(1.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3.海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266071;4.國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島 266071)

摘要：淺剖和單道地震是大范圍研究新近紀以來沉積特征的主要技術方法，由于地震資料分辨率的限制，往往只能劃分大的沉積單元，不能識別亞相、微相等，而地震資料的瞬時屬性可以更加精細地刻畫地層信息。基于2013年在南黃海陸架獲得的單道地震資料，對南黃海中西部海域第四系進行了分析，并利用單道資料的三瞬屬性對地層進行地震地層單元劃分、沉積環境分析，總結出該區域不同沉積相的三瞬波阻特征。研究結果表明，在測線的Qc2鉆孔位置處，根據三瞬屬性在海底以下74.64 m深度內劃分了7個地震地層沉積單元，并劃分出多個亞相。它所反映的沉積相與該區已知Qc2鉆孔的地層對應度較高。瞬時相位較為清楚的顯示地下地層的接觸情況，更好地展示了地震層序在空間上的關系，解決了該測線在常規地震剖面上無法清晰、精細識別沉積相的問題。三瞬屬性的應用可以在缺少鉆井資料時提高在地震資料剖面劃分地層、識別接觸面的能力，為大陸架科學鉆探項目中未知井位選址提供參考。

關鍵詞：瞬時相位；瞬時振幅；瞬時頻率；第四系劃分

1引言

20世紀80年代以來，經過大量的基礎調查，南黃海第四系的研究得到快速發展。通過海底表層樣[1—2]、柱狀樣采集[3—5]及地球物理勘察[6—9]等方法，在南黃海地區獲得大量數據，許多學者詳細研究了晚更新世以來的沉積環境、沉積單元以及海進、海退事件[10—15]。第四紀南黃海海進、海退頻繁，區域內第四系并不連續，海進期地層基本完整，而海退期往往存在較大的侵蝕間斷。南黃海自晚上新世以來整體下降，第四紀經歷了8個高海面時期，河流物質供應以及海洋動力環境等多因素影響，直到全新世海進才形成現代的地貌格局。

由于鉆孔采樣、海底沉積物樣品及測年等資料調查范圍的局限性，淺剖與單道地震勘探是大范圍研究新近紀以來沉積特征的主要技術方法，具有縱向、橫向分辨率相對高，覆蓋范圍廣特點。但理論研究表明：只有當目標地質體的厚度達到或者超過地震子波波長1/4時，常規地震資料才能較好地揭示它的各項要素。例如大段砂、泥巖薄互層一般不能形成獨特的地震反射特征，受地震信息多解性的限制，僅在單道地震剖面上進行沉積地層序列識別，存在分析誤差大的缺陷，同時也浪費了地震信號中存在的大量其他信息。利用常規地震剖面通常只是一級沉積相劃分，往往不能達到亞相、微相等精細識別地層及沉積環境分析要求，若無鉆井資料，則限制了大范圍更精細的研究工作的開展。而三瞬屬性是從地震數據中提取的屬性，尤其是瞬時相位屬性，分辨率較高，可以實現沉積單元亞相及微相的識別。

基于此，本文開展了單道地震數據的三瞬屬性研究及應用等工作，這在中淺地層解釋方面的應用十分罕見。通過南黃海中西部單道地震數據三瞬屬性特征分析，研究沉積地層垂向分布結構，總結該區域層序中不同沉積相的波阻特征，并通過已知鉆井Qc2驗證，根據驗證后的地層序列，分析其沉積環境。據此方法，可追蹤屬性剖面，預測該測線對應區域其他位置地層信息，為全區地震層序與地層單元劃分、鉆探井位的部署提供更為精準的參考信息。

2區域地質背景

南黃海(圖1)位于我國大陸與朝鮮半島之間，是一開闊的淺海。西依我國山東和江蘇兩省，東部毗鄰朝鮮半島，北部以成山角與韓國半島長山串一線為界與北黃海相接，南面以啟東嘴與濟州島的連線和東海分界，是我國東部陸緣海的一部分[17]。海底地形東西呈不對稱分布，東陡西緩，地形由兩側向中央傾斜。海洋動力環境復雜，有長江、黃河以及其他中小河流的陸緣物質供應[18—21]，區內沉積了大量來自于周邊大陸的沉積物，南黃海的沉積是大陸和海洋共同作用的結果。

圖1　研究區域(據參考文獻[16]修改)Fig.1　Survey region (modified from reference[16])

3方法與資料

復地震記錄道技術[22]是通過Hilbert變換得到該地震信號的瞬時相位、瞬時頻率及瞬時振幅等瞬時屬性(簡稱三瞬屬性)。三瞬屬性具有分辨率高、反映地震信號的局部變化情況的特點，通過分析振幅、頻率和相位特征的變化，可識別地層的接觸關系、巖性結構和巖相變化等信息。地震勘探工作者對地震信號的復地震道做了大量的研究[23—30]，并將地震瞬時屬性應用在巖溶勘察[31]、薄互層分析[32—33]、地震雷達工程[34—36]以及儲層預測[37—38]等方面。

瞬時相位是同向軸連續性的量度，當信號通過的介質是各向同性均勻存在時，它具有連續的相位；當信號的傳播途徑是有異常存在的介質時，在異常位置相位將發生顯著變化，顯示在剖面中是瞬時相位明顯不連續。瞬時相位與瞬時振幅無關，無論信號能量強弱，相位都能顯示出來，用來辨別地下異常和地下分層。通過瞬時相位，可以看出地層間的接觸關系，研究追蹤反射“平點”、超覆及尖滅等巖性圈閉，利用這一特性檢測異常變化，應用到小層的識別劃分及等時對比上，有很大的應用價值。瞬時頻率反映組成地層的巖性及層序變化，有助于識別地層。例如，含油氣薄儲集層在瞬時頻率剖面上將會出現主頻偏高、偏低現象，并且具有周期性顯示[39—40]；瞬時頻率的異常增高也是地層變薄的標志。瞬時振幅是地震波強度的量度，主要反映反射波能量上的變化，與該時刻信號總能量的平方根成正比，可以突出特殊巖層的變化，進而判斷出與巖性有關的地質體；不同頻率成分的瞬時振幅周期不同，瞬時振幅的高頻成分震蕩周期大，表現出強振蕩、不穩定，可以識別出較薄地層；瞬時振幅的低頻成分震蕩周期小，表現為弱振蕩、較穩定，反映的是較厚地層特征及較大級別層序地層單元特征[41]。同時在剖面中，通過跟蹤瞬時振幅同相軸，分析振幅振蕩周期變化及幅度差異，可劃定不同級別的地層沉積單元，為識別多個層序級別地層單元提供參考信息。

本文中使用的是Qc2鉆孔分析結果和2013年海洋地質研究所在南黃海采集的單道數據，其中WE2測線(測線兩端點坐標分別為34°17′51″N， 122°30′06″E和34°18′07″N， 122°03′58″E)與SN5(測線兩端點坐標分別為34°30′35″N， 122°14′12″E和34°06′22″N， 122°16′58″E)相互垂直且都經過Qc2鉆孔。南黃海Qc2孔(圖1，1984年由青島海洋地質研究所施工，孔位坐標為34°18′N，122°16′E，深度108.8 m)揭示了Olduvai亞時以來沉積地層，這一鉆孔地層層序完整，海進事件在中國東部陸架具代表性。根據處理后的高分辨率地震剖面(圖2，圖3)較精細標定200 ms以內地震地層層序比較困難，若無鉆孔信息，識別接觸面更是困難(文中所出現時間均為雙程旅行時)。

圖2　WE2單道地震測線Fig.2　WE2 single channel seismic line

圖3　SN5單道地震測線Fig.3　SN5 single channel seismic line

4地震地層單元三瞬屬性分析

將WE2、SN5高分辨率地震數據做瞬時屬性分析，本文沉積地層所使用時深轉換平均速度為1 680 m/s。圖4是WE2在鉆孔及其周邊位置地震信號，炮點號：1 491～1 511，數據分析時間區間：80～185 ms；圖5是SN5在鉆孔及其周邊位置的地震信號，炮點號：1 625～1 645，數據分析時間區間：80～185 ms。圖4、圖5中虛線表示本次在沉積相內部識別出的地層接觸面，在瞬時相位剖面上其分辨率明顯提高。文中以瞬時相位屬性為主，參考瞬時振幅及瞬時頻率，在85～185 ms之間依次識別出海相、陸相等7個沉積相并畫出多個次級接觸面，與Qc2(在WE2測線上炮點號：1 500，在SN5測線上炮號1 635)信息匹配良好。

圖4　WE2測線Qc2鉆孔位置地震信號Fig.4　Seismic signal of WE2 in the Core Qc2

圖5　SN5測線Qc2鉆孔位置地震信號Fig.5　Seismic signal of SN5 in the Core Qc2

雙程反射時間85 ms處是海底，85～105 ms區域的瞬時相位同相軸連續、成層性良好、中上部水平層理發育，底部呈現波狀，整體頻率較低，呈現強振幅，將其劃分為海相Ⅰ。在該時間段內，沉積環境穩定，但在瞬時相位90 ms、95 ms以及102 ms有明顯的接觸面存在，90 ms位置瞬時頻率明顯增高，體現沉積環境發生變化可繼續劃分為4個亞相，依次命名為Ⅰ1(85～90 ms)、Ⅰ2(90～95 ms)、Ⅰ3(95～102 ms)、Ⅰ4(102～105 ms)。若是只有常規單道剖面，則只能分辨該時間段是一個沉積相，無法識別出4個亞相。與Qc2鉆孔代表冰后期以來的海相沉積地層0～17.84 m段對應，它包括了整個全新世海相地層，沉積地層的分布和巖性特征主要受全新世以來的潮流動力因素控制，該層的上部以潮流砂為主，粒度相對較粗[42]，在鉆孔記錄中深4.2 m、16.08 m有兩個侵蝕接觸面對應瞬時剖面中的90 ms、102 ms。但95 ms處沉積環境變化的特征在Qc2鉆孔中并未找到與之相對應接觸面，可能的原因是人類活動的影響，使河流等的輸沙量增加或者相對與河道穩定相相關的沉積堆積的相對降低。根據鉆孔資料，4個亞相對應沉積相巖性由古至今依次為粉砂質黏土、黏土質粉砂、潮流砂及黏土。

雙程反射時間105～110 ms部分高頻成分位置出現強振幅，在瞬時相位圖中這一單元沉積特別復雜，說明該時段沉積動力較大識別為陸相Ⅱ。與Qc2鉆孔中的17.84～21.78 m之間的地層對應，屬于河流相。末次冰期盛冰期全球海平面比現在低約130 m[43]，整個南黃海出露成陸，其上河流、湖泊發育，在南黃海陸架上發育了寬闊的河道帶[42—44]，因此在相位圖中有同相軸下切，反射雜亂的現象，并且是多次下切，瞬時頻率在上下接觸面上出現高異常，中部較低。

雙程反射時間110～120 ms區域瞬時相位同相軸整體連續，將其劃分為海相Ⅲ，可對應Qc2鉆孔的21.78～29.07 m段的地層。

雙程反射時間120～124 ms區域瞬時相位圖中成層性極差，軸錯綜復雜，有小的透鏡結構呈現，瞬時頻率譜上表現為低頻信號，標定為陸相沉積Ⅳ，對應于Qc2孔中29.07～33.32 m沼澤相，該單元底部在淺地層剖面中出現的下切河道也可在瞬時相位圖中清晰辨別。

雙程反射時間124～157 ms區域瞬時相位整體呈現波狀層理，中部有塊狀結構呈現，將其劃分為淺海相Ⅴ，是在水動力條件強弱交替的情況下形成的。根據瞬時相位中的接觸關系，識別兩個接觸面，分別是130 ms和150 ms位置。將劃分出的3個亞相命名為Ⅴ(124～130 ms)、Ⅴ2(130～150 ms)、Ⅴ3(150～157 ms)。在Qc2孔深度33.22～62.05 m段的描述中，波狀紋層、透鏡狀層理及平行紋層交替出現，巖性以粉砂質黏土和泥質粉砂為主，中部主要是塊狀黏土?？踪Y料顯示深37.45 m和54.66 m處有侵蝕接觸面，分別對應已在時間剖面上的識別出的雙程反射時間130 ms及150 ms處接觸面，瞬時相位剖面中157 ms(62.05 m)附近的沉積相底部侵蝕槽成像清晰。

雙程反射時間157～160 ms區域在瞬時相位剖面中成層性較差，同相軸彎曲，有脈狀層理、透鏡狀層理發育等特點，劃為陸相沉積Ⅵ。與Qc2孔中對應62.05～63.70 m段的地層，這一地層中巖性以粉砂、細砂與粉砂質黏土為主，可見鐵結核，該段特征與雙程反射時間120～124 ms段特征相似，瞬時相位具有透鏡狀結構、低頻信號；區別在于該段的瞬時相位成層性稍優于雙程反射時間120～124 ms段。在前人的研究中將這一單元劃分為泛濫平原相[15]。

雙程反射時間160～174 ms區域同向軸連續、有水平層理發育，頻率較高，是非常明顯的海相沉積層，命名為Ⅶ。在瞬時相位剖面中雙程反射時間169 ms位置有一接觸面將此海相層一分為二，以Ⅶ1(160～169 ms)、Ⅶ2(169～174 ms)命名該亞相，兩個亞相接觸面處具有高值瞬時頻率。Qc2孔對應深度為63.70～74.64 m，以粉砂為主，還含有細砂、黏土與粉砂質黏土，鉆孔分析為中更新世明德-里斯間冰期早期形成的海相地層，同時鉆孔71.67 m(對應瞬時相位剖面中169 ms)處的侵蝕接觸面再次印證了瞬時相位對接觸面的識別能力。

通過對Qc2孔單道地震數據三瞬屬性的研究，總結出該孔不同地層所對應的三瞬屬性特征(表1)。

表1　不同沉積相的三瞬屬性特征

綜上所述，根據單道地震瞬時相位剖面特征，參考瞬時頻率和瞬時振幅劃分的沉積相，與Qc2鉆孔信息對比發現兩者對應較好，完成了常規地震剖面WE2、SN5淺部較困難的精細識別工作。根據接觸面的關系繼續完成了對大的沉積單元的再次劃分，實現亞相、微相等精細識別地層及沉積環境分析要求。

5結論

(1)從瞬時相位剖面中清晰的識別出7個主要的地震地層單元以及9個亞相，與該區已知井位的地層對應度較高，實現了從分辨率較差的地震剖面弱反射波中識別地層單元。瞬時相位較為清楚的顯示地下地層的接觸情況，更好的展示了地震層序在空間上的關系，在沉積地層接觸面上瞬時頻率有異常增高或降低，基于單道地震信號的三瞬屬性對沉積相中接觸面具有較強的識別能力。

(2)利用三瞬屬性對地質體識別、地層層序劃分具有重要意義，通過這一方法提高了在單道地震剖面上劃分地層、識別接觸面的能力。在無鉆井及缺少淺剖資料區，以瞬時相位為主，參考瞬時振幅和瞬時頻率，利用已知地層信息分析未知區域?？蓪崿F對預選井位處地層信息預分析，辨別鉆孔有利區，為鉆探井位的部署提供準確的參考信息。

(3)三瞬屬性對地震資料信噪比要求較高，所用資料應先進行高分辨率處理。不同沉積相的三瞬屬性呈現不同特征，海相單元的瞬時相位同相軸連續，大部分呈水平層理；陸相單元瞬時相位成層性差，同相軸雜亂。但此三瞬屬性特征僅來源于Qc2鉆井，如需得到更加精準的特征，還需要對大量井位進行分析總結。

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Application of three instantaneous attributes in the analysis of Quaternary seismic strata in the southern Yellow Sea

Zhao Weina1，2，3， Zhang Xunhua2，3，4， Wu Zhiqiang2，3，4， Mi Beibei2，3，4， Chen Shanshan2，3，4

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.QingdaoInstituteofMarineGeology，Qingdao266071，China; 3.LaboratoryforMarineMineralResources，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266071，China；4.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourceandEnvironmentalGeology，MinistryofLandandResources，Qingdao266071，China)

Abstract:Single channel seismic and shallow profiles are the main methods to research sedimentary features with a wide range since Cenozoic. Because of the limited resolution of seismic data， only larger sedimentary units can be recognized. It is difficult to divide the sub-facies and micro-facies. However， three instantaneous attributes can be more refined to describe the formation information. Based on the data obtained in 2013， which is belong to the Southern Yellow Sea， is used to analyze the Quaternary， recognize the seismic stratigraphic units， talk about the sedimentary environment and summarize the wave characteristics with instantaneous attributes. The research results show that the layer which is in 74.64 m depth below the seafloor are divided into 7 seismic stratigraphic sedimentary units and more sub-units at the Core Qc2 in the WE2 line according to the three instantaneous attributes. The instantaneous phase displays the contract of stratum clearly and the relationship of sequence in space better， solving a worse recognition in the seismic profile. The Quaternary sedimentary based on instantaneous attributes’ partition matches well with Core Qc2， which is in the same location. The study found that the application of three instantaneous attributes could enhance the ability to identify the contact surface in the profiles with the absence of drilling data and provide reference to well location of the plan in the Chinese continental scientific drilling．

Key words:instantaneous phase; instantaneous amplitude; instantaneous frequency; the Quaternary division

收稿日期：2015-07-29；

修訂日期：2016-01-27。

基金項目：大陸架科學鉆探項目(GZH201100202)；國家重點基礎研究發展規劃項目(2013CB429701)。

作者簡介：趙維娜(1988—)，女，山東省新泰市人，主要從事海洋地球物理研究工作。E-mail:ouczwn@163.com *通信作者：吳志強(1964—)，男，河北省青縣人，研究員，主要從事海洋油氣地球物理勘探研究工作。E-mail:wuzq_1964@163.com

中圖分類號:P738.4

文獻標志碼：A

文章編號：0253-4193(2016)07-0117-09

趙維娜，張訓華，吳志強， 等. 三瞬屬性在南黃海第四紀地震地層分析中的應用[J]. 海洋學報， 2016， 38(7):117-125， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.011

Zhao Weina， Zhang Xunhua， Wu Zhiqiang， et al. Application of three instantaneous attributes in the analysis of Quaternary seismic strata in the southern Yellow Sea[J]. Haiyang Xuebao， 2016， 38(7):117-125， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.07.011