利用地震波形—振幅響應技術預測海相碎屑巖巖性組合
——以北康盆地為例

趙 謙 周江羽* 張 莉 雷振宇 王龍樟 嚴聰聰

(①中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢 430074；②國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510760)

·綜合研究·

利用地震波形—振幅響應技術預測海相碎屑巖巖性組合
——以北康盆地為例

趙 謙①周江羽*①張 莉②雷振宇②王龍樟①嚴聰聰①

(①中國地質大學(武漢)構造與油氣資源教育部重點實驗室，湖北武漢 430074；②國土資源部廣州海洋地質調查局，廣東廣州 510760)

利用海相地層的沉積—地震響應關系結合地震波形—振幅響應技術可對砂、泥巖進行識別和精細解釋，是低勘探程度地區海相地層巖性判別的重要手段。為此，選取北康盆地上漸新統—下中新統層序，以沉積—地震響應關系為基礎，利用地震波形—振幅響應技術識別碎屑巖巖性組合。結果表明：①碎屑巖沉積過程與地震響應具有較好的耦合關系。②對于厚層砂、泥巖，地震反射界面較好地對應巖性界面，對于薄層砂、泥巖，地震波僅能大致確定砂、泥巖的厚度，地震反射界面與巖性界面不具有對應關系；砂、泥巖薄互層和巖性漸變的碎屑巖的地震響應特征容易產生多解性。③在厚度小于1/4波長的情況下，地質體頂、底面界面的反射波會產生干涉效應，該效應是波阻抗與巖層厚度共同作用的結果，因此應區別對待薄層砂、泥巖和厚層砂、泥巖以及砂泥巖薄互層的地震響應特征。④利用地震波形和振幅分析并結合視波阻抗差在剖面上建立的高精度地震剖面巖相展布，可以為烴源巖和儲層預測提供可靠依據。文中方法可為南海海域等低勘探程度地區的巖性識別、烴源巖和儲層預測提供可靠依據。

地震波形 振幅響應 碎屑巖 沉積過程 北康盆地

1 引言

地震響應是地震反射波對地下地質體性質的具體響應，是地下巖性識別研究的依據。識別砂、泥巖的方法很多，直接識別方法有鉆井巖心取樣、地質露頭觀察等方法；間接識別方法主要利用測井、錄井資料結合地震資料進行分析，也能取得較好的效果，這些方法大多建立在大量鉆井資料和巖心等資料的前提下。但是在低勘探程度地區，尤其是在沒有井資料、只有少量二維地震資料的研究區，如何利用地震資料對地層中砂、泥巖進行有效識別，一直都沒有一套完善和精確的系統方法。閆桂京等[1]討論了地層巖性和地震波速度之間的聯系，并嘗試利用速度預測巖性。劉震等[2]提出了在低勘探程度地區預測烴源巖的方法。曹強等[3]、顧禮敬等[4]在低勘探程度地區利用地震屬性對烴源巖厚度進行預測。彭達等[5]利用多屬性分析方法對薄砂層的地震屬性敏感性進行了定性分析，總結了扇三角洲薄砂層厚度與地震振幅的定性關系，取得了一定的效果。但這些方法都普遍存在一個問題，即只能在大的格局上粗略地預測砂、泥巖的分布范圍和厚度，不能精細刻畫砂、泥巖。安斯蒂[6]詳細闡述了巖性和波阻抗的關系，但是還缺乏實際應用。陳志剛等[7]以及田玉昆等[8]利用新的地震反演方法識別了煤系地層中的薄砂層，劉依謀等[9]和曾洪流等[10]也對現有的地震技術方法進行了創新和拓展，這在地層精細解釋方面具有較大的潛力，但是都依賴于豐富的地質資料和良好的地質條件，顯然對于低勘探程度地區并不適用。研究表明，通過分析海相地層巖性和地震響應之間的關系，對不同巖性的波阻抗差異和物性差異進行對比，可建立碎屑巖巖性與地震響應的耦合關系。同時綜合利用沉積過程—地震響應方法和波形分析方法識別海相泥巖，特別是對厚度為10～20m的砂、泥巖薄互層的識別，能取得非常好的效果。

在物源相對單一的情況下，海相碎屑巖地層受沉積環境的影響較其他因素更為突出，在巖性上主要表現為不同的水動力條件導致沉積物巖性的根本差異，即巖性和沉積環境具有較好的相關性。因此沉積過程—巖性—地震響應方法就是根據海相地層在不同沉積環境下的巖性差異，對地震剖面上的砂、泥巖進行精細刻畫；波形分析方法就是在此基礎上，結合物性與地震波動力學特征分析，在一個或幾個波長范圍內識別和刻畫砂、泥巖，極大地提高了砂、泥巖的解釋精度。

2 區域地質概況

北康盆地位于中國南海海域南部，為南沙中部海域大陸坡上的拉張性盆地，大地構造位置屬于南沙地塊的西南邊，面積約為6.2×104km2，水深約為1000～2000m[11，12]。北康盆地以北與南薇東和南薇西盆地相鄰，以南則以廷賈斷裂為界和曾母盆地相連，東南與南沙海槽盆地相望，西部與西雅隆起和萬安盆地相鄰[13,14]。北康盆地內斷裂主要以NE向和NW向為主，根據斷裂帶特征和盆地地層構造樣式，北康盆地又分為東南隆起、東南坳陷、東北坳陷、中部隆起和西部坳陷等5個二級構造單元(圖1)。其中西部坳陷的面積最大，但東北坳陷新生代沉積物厚度較大，斷層控制作用明顯[15]。盆地內基底主要以酸性火成巖和中性火成巖為主，主要蓋層為中—上始新統到第四系。

圖1 北康盆地區劃圖

自中中新世以來主體以淺海—半深海環境為主，構造運動不明顯，巖性變化較為單一，下漸新統之前的地層由于受到構造運動破壞強烈，難以恢復古地形，利用上漸新統—下中新統進行泥巖相與地震響應耦合分析具有代表性，并能指導中、深部地層巖性識別和精細解釋。

3 沉積環境—巖性—地震響應關系

地震響應是地震波對地下地質變化的響應，而對沉積巖來說，巖性變化實質上是沉積環境的變化。通過建立沉積環境—巖性—地震響應關系，結合地震反射動力學特征，可識別砂、泥巖(圖2)。根據地層巖性特征進行正演模擬，并結合地震波形—振幅綜合分析，可以有針對性地制作地震巖性—地震響應關系模板，利用該模板可有效地識別海相地層的巖性組合及巖相。

圖2 利用地震波形—振幅響應技術分析碎屑巖巖性組合流程

碎屑巖的波阻抗值受碎屑巖的巖性、孔滲性、壓力條件和密度等因素的影響，而巖性影響最大。對于海相碎屑巖來說，其沉積離不開水流的影響，因此碎屑巖巖性變化也與水動力條件息息相關。碎屑巖粒徑d與碎屑巖波阻抗R的對應關系為

R=A(d)·B(φ)·C(f)·F(m)

(1)

式中：φ為碎屑巖的孔隙度；f為碎屑巖地層所受壓力；A、B、C為系數；F(m)為擬合系數，以消除成巖和后生作用過程中各種因素的影響。

碎屑巖的粒徑與所處水動力條件具有正相關關系，兩者的映射關系為

d=H(v)

(2)

式中H為系數，其中v為水流速度。

碎屑巖巖性受水動力條件影響，當水動力條件較強時，砂巖巖性的變化速率比泥巖大得多，巖性變化引起波阻抗的相應變化，在理想地震剖面上最直觀地表現為某一層段內部有利砂巖段振幅較大、有利泥巖段振幅較小。

對于海相地層來說，泥巖一般處于弱水—靜水動力條件下，具有很大的沉積空間，在沒有大的構造運動的前提下，即使沉積相帶在后期過程中發生了變化，在縱、橫向巖性都是漸變的，即波阻抗不會產生突變。

北康盆地A井的巖性以及井旁地震響應(圖3)表明，Ⅰ段以碎屑巖夾少量碳酸鹽巖為主，其中碎屑巖以泥巖為主。由于碳酸鹽巖波阻抗值較碎屑巖高很多，而泥巖波阻抗值相對低得多，由此在碳酸鹽巖與泥巖之間產生較大的波阻抗差，是產生碳酸鹽巖—碎屑巖界面強振幅地震反射的根本原因。碳酸鹽巖內部連續性較高，與開闊臺地穩定水動力條件等沉積環境相對應；泥巖內部以弱反射為主，泥巖內部連續性較高，對應于靜水—弱水動力條件，沉積環境變化較小，沉積空間較大。Ⅱ段主要以砂、泥巖互層為主要特征，地震響應特征表現為中—高頻、強振幅反射，強振幅反射能量來源于泥巖與砂巖之間較大的波阻抗差，高頻、強振幅反射反映了水動力條件的循環變化。Ⅲ段為大套泥巖層段中夾砂層，由于泥巖內部波阻抗差很小，砂巖與泥巖波阻抗差相對較大，但遠小于碳酸鹽巖和碎屑巖之間的波阻抗差，地震響應特征表現為振幅較低、連續性較好，反映了中—弱水動力條件下的淺海碎屑巖沉積環境。此外，中始新統(T5)及以下地層巖性和井旁地震剖面的對應關系較差，這是由于后期成巖作用和構造運動對巖性的破壞較大，同時深層地層信噪比降低造成的。

4 地震波分析方法

地震波分析是根據地震波的運動學規律，對地震波的波形和振幅進行綜合分析，以此反向推演地質體的空間展布規律，并與實際地質體相對照，以確定地質體和地震響應之間的耦合關系。根據泥巖層的厚度特征和波阻抗的過渡特征，主要分析調諧振幅與泥巖層段對應的耦合關系。

圖3 北康盆地A井綜合巖性及井旁地震響應

4.1 地震波形分析

地震波形分析方法就是根據不同巖石波阻抗之間的差異，建立砂巖和泥巖之間的波阻抗變化曲線，利用地震振幅與相位變化對巖性進行識別。通過建立振幅—波阻抗—沉積過程的相關關系，根據人工鉆井擬合曲線、不同深度與不同巖性的波阻抗變化曲線、地震波形精細刻畫等步驟，利用地震波運動學特征識別碎屑巖(圖4)。

對于厚層砂巖和泥巖段，地震同相軸很好地對應巖性分界面(圖4a、圖4b)，由于砂巖和泥巖具有明顯的波阻抗差，因此波峰和波谷對應巖性界面。正極性波峰對應地震波由低波阻抗巖層進入高波阻抗巖層，反射系數為正，反射波與入射波的相位都為正極性；負極性波谷對應地震波由高波阻抗巖層進入低波阻抗巖層，反射系數為負，反射波與入射波的相位相反(相差180°)，即“半波損失”。上述反射特征在研究區主要由兩種沉積過程產生：一種是在沉積過程中由于沉積條件的顯著變化，導致水動力條件等參數的變化進而引起巖性顯著變化，不同巖性界面是良好的反射界面，可產生能量較強的反射波；另一種則是由沉積間斷或剝蝕形成的不整合面，一般也是明顯的波阻抗界面，如研究區中的T3和T4反射界面為不整合面，伴生一系列削截面等地震反射結構。

薄層砂巖和泥巖夾層的地震反射界面并不一定嚴格對應巖性界面，它實際上是薄層頂、底反射波干涉之后的地震響應[16-19](圖4c、圖4d)，與低阻抗差的厚層砂、泥巖具有相同的地震反射特征。烴源巖在沉積過程中水動力條件較弱或處于靜水條件，相對來說，其沉積空間較大，大部分為饑餓沉積，并發育大套薄層砂巖和泥巖，如在海盆擴張時期(T4-T3)發育的凝縮層，具有厚度很小、高有機質的特點，是海侵最大時期的產物，該時期發育的薄層泥巖是良好的烴源巖。在陸相湖盆沉積過程中，物源和水動力條件還受季節性水流的影響，表現為中、深湖和中、深海盆發育砂、泥巖互層碎屑巖相(圖4e)，此時地震反射界面與巖性變化不具有對應關系，在地震剖面上表現為類似于薄層的地震反射結構。

正序列砂體地震響應對應兩個較強的反射界面(圖4f)，分別對應兩個明顯的巖性界面，在地震變密度剖面上呈“黑橙黑紅”反射樣式，頻率一般較低，對應陣發性水流產生的向上變細正序列，一般存在于深水濁積砂體等沉積環境中。

圖4 北康盆地上漸新統—下中新統主要砂、泥巖組合巖性—地震響應變密度顯示

4.2 地震振幅分析

前人研究表明，無法單憑地震反射特征判別地層厚度小于λ/4(λ為波長)的地層頂、底界面特征[20-23]。調諧振幅是在高波阻抗差的巖性界面上，當巖層厚度小于λ/4時由地震波干涉產生的(不同于真振幅的)干涉振幅，其大小不完全反映地層波阻抗差。利用振幅的調諧效應能有效識別砂、泥巖薄層和含氣砂巖。

影響地震波振幅的因素有兩類。一類是非地質因素，主要有激發和接收條件、波前擴散、介質的吸收、透射損失等，一般來說激發和接收條件對地震記錄的影響是不變的，波前擴散、介質的吸收、透射損失等體現了地震波的傳播機制對振幅的影響，經由非地質因素衰減補償等相對振幅處理，可以消除非地質因素的影響。第二類是地質因素，主要與反射系數有關，它是由地質因素引起的，因為相對振幅只與反射系數有關，而反射系數又與巖性、孔隙中的流體成分有關，因此相對振幅中包含的地質因素是利用振幅信息進行巖性解釋和烴類檢測的基礎[24]。

除了上述兩類影響地震波振幅的因素以外，地震波自身的干涉效應也會影響地震波振幅，在薄層中尤為明顯。對地震子波而言，不能分辨地層頂、底板反射的地層稱為薄層，薄層厚度Δh滿足

(3)

式中λ為地震波的波長。

砂、泥巖互層的形成一般伴隨沉積環境的大動蕩，其典型表現樣式為上、下兩套砂巖夾一套泥巖薄層。一般來說是早期高能量態的沉積環境由于環境變遷，水平面升高，沉積物可容納空間增大，處于欠補償沉積環境，后期又發生構造隆升的產物。在泥巖厚度大于λ/4時，反射界面與巖性界面對應較好；在泥巖厚度小于λ/4時，反射界面就不能代表真實的巖性界面(圖6a)，在變密度剖面上顯示為“橙黑紅”的地震響應特征。此外，低飽和度的含氣砂巖在泥巖圍巖中也具有類似的地震響應特征。

圖5 地震波在薄層中傳播的干涉原理[24,25]

砂巖透鏡體與泥巖薄層的地震響應表現為在變密度剖面上極性相反(圖6b)，當砂巖厚度足夠大時，地震振幅反映了真實的巖性波阻抗差，反射界面與實際巖性界面對應。當砂巖厚度等于λ/4時，振幅達到最大。在砂巖厚度小于λ/4時，波形變化不指示砂巖厚度變化，其波形與厚層粉砂巖和泥巖組合的波形相同，代表季節性水動力條件的沉積環境變化或突發性洪泛結果，此時振幅變化反映了砂巖厚度變化，表現為振幅大幅降低，在變密度剖面上顯示為“灰紅黑”的地震響應特征。

常規的地震響應分析基于理想條件下的單套巖層與圍巖的波阻抗差異，由于沉積環境的季節性變遷、氣候性水流變化等因素，海相地層的空間展布樣式并非單一的巖性變化，有時表現為多套厚度很小但波阻抗差明顯的砂、泥巖互層，此時振幅是由多套砂、泥巖互層產生的干涉振幅，與單套薄層的干涉振幅又有所不同[19]。多套砂、泥巖互層形成的視阻抗差并非地層的真實阻抗差，而是多套砂、泥巖互層的綜合阻抗差(圖6c)。當多套砂、泥巖互層的厚度等于λ/4時，振幅達到峰值，在多套砂、泥巖互層的厚度從λ/4逐漸減小的過程中，會產生狹小的空白振幅。基于上述特性，在實際巖性解釋中可以避免視振幅造成的誤差。

若砂、泥巖互層中純泥巖與砂巖總厚度的比值不同，則地層的視阻抗差也不同，導致地震反射振幅差異(圖6d)。當泥巖圍巖中夾砂、泥巖互層時，隨著含泥率的增加振幅逐漸減小。特別地， 當含泥率分別為0和1時，振幅變化分別與砂巖和泥巖的情況相同。

圖6 不同巖性組合的地震響應特征

5 應用

在缺少其他地質資料、少井甚至無井資料控制的低勘探程度地區，利用地震資料劃分層序地層，一般認為在三級層序及以下具有較好的效果，通過對層序的控制實現對巖性的大體識別，但精度顯然不高；利用地震相分析方法分析沉積相和微相，在沉積體系和空間結構的控制等方面上具有明顯優勢，但是沉積相不能完全代表巖相，更不能代表巖性組合，因此很難精細識別巖性。研究表明，利用海相地層的沉積—地震響應關系結合地震波形—振幅響應技術可對砂、泥巖進行識別和精細解釋，是低勘探程度地區海相地層巖性判別的重要手段。

本文選取上漸新統—下中新統層序，以沉積—地震響應關系為基礎，利用地震波形—振幅響應技術識別碎屑巖巖性組合(圖7)。自中新世以來，北康盆地整體上處于半深海—深海環境，構造變化對沉積環境的影響較小，由于整體處于海平面之下，且沉積范圍寬闊，避免了由于礦物富集效應產生的波阻抗異常，而物源的單一性也有效避開了不同物源沉積礦物的差異。因此，北康盆地海相碎屑巖的波阻抗與密度、孔隙度和壓力等因素有關，同時還受碎屑巖不同成巖階段的控制。

海相碎屑巖的密度變化一般與巖性變化對應較好，在一定范圍內，碎屑巖粒度增大導致密度也增大。在勘探早期密度是影響碎屑巖波阻抗的主要因素，基于此可以區分海相碎屑巖的波阻抗差異，進而推斷出密度相對值及其對應的巖性組合。孔隙度也是影響碎屑巖波阻抗的因素，孔隙中的流體及巖石骨架均有相應的波阻抗值，利用體積分異法可以將巖石分為純孔隙層和純巖石骨架層，以此為模型建立含孔隙流體的碎屑巖波阻抗模型，只有孔隙度達到一定值以后，才能對碎屑巖的波阻抗產生顯著影響。基于上述分析，孔隙度對北康盆地碎屑巖波阻抗的影響并不明顯。在一般情況下，壓力并不會直接改變碎屑巖的波阻抗，而是由于壓力的作用導致海相碎屑巖的密度、孔隙度和滲透率等發生變化，進而影響到波阻抗。在一定深度范圍內，壓力對砂巖和泥巖的波阻抗影響趨勢線基本相向，可以認為在成巖階段壓力的增加不會引起兩者波阻抗差的異常變化；在壓力繼續增大的過程中，地層壓力與地熱都會對碎屑巖波阻抗產生很大影響，導致砂巖和泥巖的波阻抗變化趨勢相差明顯，兩者容易產生較大偏差，因此選取合適深度的地層作為研究對象很重要。為了避免壓力、孔隙度以及不同成巖階段對波阻抗的影響，選取適當的層段預測碎屑巖巖性組合，可以明顯提高預測精度，同時也可以減少多解性。

分析表明，北康盆地的地層在整體上以淺海—中、深海相的碎屑巖為主，少有或未見碳酸鹽巖，其地震、地質特征表現為：①下中新統A段的地震反射波的旁瓣較大，地震反射界面明顯，且與地質界面具有良好的對應關系，能較好地反映巖性變化。整體上巖性變化有序，其中泥巖反射特征明顯，對于砂巖而言，盡管不能具體確定砂巖類型和物性等特征，但整體上能大體對其進行刻畫；②下中新統B段的地震反射波的旁瓣較小，反映了巖性的快速變化，但由于單層泥巖厚度小于1/4地震子波的波長，因此地震反射界面并不完全對應巖性界面，但能大致確定單套泥巖的厚度范圍(約10～30m)；③下中新統C段呈波阻抗漸變引起的地震反射特征，整體上旁瓣較大，雖然地震反射界面對應巖性界面，但具多解性，在解釋時應引起注意；④下中新統D段地震波旁瓣較大，地震振幅小，主要反映了砂、泥巖互層和漸變碎屑巖的干涉效應，地震反射界面反映了實際巖性突變界面，可以大致識別富含泥巖層段，雖然不能判別泥巖的具體發育位置及其波阻抗值，但仍可識別烴源巖和砂體。

為了利用地震波形—地震振幅響應關系識別地震巖性組合，選取北康盆地M剖面的T3-T4海相地層進行巖性識別(圖8)。根據地震反射波形分析，北康盆地M剖面主要反映了三次大規模的沉積間斷過程，對應于T3、T4和T5等3個主要的地層界面，且都為碎屑巖沉積。通過對比地震波形和振幅擬合視阻抗差曲線，并根據視阻抗差曲線將剖面地層劃分為三大類巖相，即砂巖相(含砂率>80%)、砂、泥巖互層相(含砂率為20%～80%)和泥巖相(含砂率<20%)，其中砂巖和泥巖的地震反射振幅較大，且振幅在橫向上變化小，波形相對單一，砂、泥巖互層的地震反射振幅表現出多樣性和漸變性，波形變化也較為復雜，整體上旁瓣較大。根據地震波形特征和振幅差異，識別了A段砂巖透鏡體和B段泥巖尖滅線的地震反射特征；在排除其他地質因素的干擾下，它們都具有波形向某一方向或兩邊同時尖滅的特征，在一定厚度內地震反射振幅隨巖層厚度的增加而增大，當達到一定厚度后地震同相軸分叉，振幅變化不明顯。因此地震M剖面精確地反映了巖相展布規律，在此基礎上可進行烴源巖或儲層精細描述。

圖7 北康盆地下中新統巖性地震解釋

圖8 北康盆地M剖面地層巖相解釋

6 結論

(1)沉積過程—巖性—地震響應分析表明，泥巖的發育環境對應于低能環境，是弱水動力條件下的產物，構造運動對其沉積的破壞性較小。在縱向上泥巖的波阻抗差較小，在橫向上巖性連續性高，泥巖內部明顯表現為弱振幅、連續性好的反射特征。根據上述反射特征結合鉆井巖心分析認為，碎屑巖沉積過程與地震響應具有較好的耦合關系。

(2)地震波形分析方法能在一個或數個波長范圍內對地震反射波進行分析。對于厚層砂、泥巖，地震反射界面較好地對應巖性界面，而對于薄層砂、泥巖，地震波僅能大致確定砂、泥巖的厚度，地震反射界面與巖性界面不具有對應關系；砂、泥巖薄互層和巖性漸變的碎屑巖的地震響應特征容易產生多解性，降低了巖性解釋的精度。

(3)地震振幅分析指出，在厚度小于λ/4的情況下，地質體頂、底面界面的反射波會產生干涉效應，該效應是波阻抗與巖層厚度共同作用的結果。砂、泥巖互層在地震剖面上出現視波阻抗差和狹小空白反射帶，含泥率不同地層的地震振幅也不同。因此應區別對待薄層砂、泥巖和厚層砂、泥巖以及砂、泥巖薄互層的地震響應特征。

(4)對于淺海—中、深海沉積環境，沉積物主要以碎屑巖為主，利用沉積—地震響應關系進行砂、泥巖識別時，巖性的漸變過程對應的地震反射特征具有多解性，在分析時應足夠警惕。利用地震波波形和振幅分析并結合視波阻抗差在剖面上建立的高精度地震剖面巖相展布，可以為烴源巖和儲層預測提供可靠依據。

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*湖北省武漢市洪山區魯磨路388號中國地質大學資源學院，430074。Email：zjy522@163.com

本文于2016年12月8日收到，最終修改稿于2016年8月27日收到。

本項研究受中國地質調查局南海某部油氣資源調查重點項目(DD20160211)和國家自然科學基金項目(41372112)聯合資助。

1000-7210(2017)06-1280-10

趙謙,周江羽,張莉,雷振宇,王龍樟,嚴聰聰.利用地震波形—振幅響應技術預測海相碎屑巖巖性組合——以北康盆地為例.石油地球物理勘探，2017,52(6):1280-1289.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.019

(本文編輯：劉勇)

趙謙 碩士研究生，1991年生；2015年獲中國地質大學(武漢)資源勘查工程(油氣方向)專業學士學位；現為中國地質大學(武漢)礦產普查與勘探專業在讀碩士，主要從事地震資料處理、地震沉積學技術方法研究。