基于“層序矢量滑距”的生長斷層活動強度定量表征
——以珠江口盆地番禺低隆起M區為例

劉 勇 都小芳 胡 鵬 李熙盛 霍守東 徐 海

(①中國石油東方地球物理公司研究院烏魯木齊分院，新疆烏魯木齊 830016； ②中能電力科技開發有限公司，北京 100034；③國電新能源技術研究院海洋地質和水文研究室，北京 102209； ④中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳518054；⑤中國科學院地質與地球物理所油氣資源研究重點實驗室，北京 100029； ⑥中國石化石油勘探開發研究院，北京 100871)

1 引言

盆地層序的充填受海(湖)平面變化、物源供給、構造活動和氣候變化的綜合影響。在斷陷盆地中，構造作用對沉積、剝蝕過程的控制則更為直接和重要[1-3]。構造運動與幕內同沉積構造活動的時空差異性對盆地的可容納空間、沉積速率和沉積物源等具有深刻的影響[4]，對于油氣勘探與開發意義重大[5-7]。

生長斷層為沉積過程中發育的斷層，又稱同沉積斷層。它與沉積巖的沉積作用同時進行，隨著沉積時間的持續和沉積層的增厚，斷層的斷距也逐漸增大。斷層兩盤的沉積厚度不一致，下降盤相對比上升盤的沉積厚度大。生長斷層相關研究主要集中在幾何特征精細刻畫、動力學模擬及其對沉積作用的控制三個方面，且呈現出從靜態定性描述向動態定量分析的發展態勢[8-13]。目前定量研究生長斷層活動強度的方法可分為兩類：一類是基于二維地震反射剖面上單條斷層垂向投影點的標量描述法，主要包括生長指數法[14]、古落差法[15]、斷層活動速率法[16]、斷層位移長度關系法[17]和古滑距法[18]等；另一類是以分形幾何學為理論基礎，通過分析斷裂平面集的分形維數，輔助描述斷裂發育規律的方法。上述方法在一定程度上可揭示斷層的生長與活動規律，但并不能全面、準確地反映斷裂系統活動強度與時空差異性。為此，本文以珠江口盆地番禺低隆起珠江組下段(T50～T60地震反射層)內同沉積斷裂系統為研究對象，通過一系列的空間運算求取各層序發育時期不同斷裂系統的“層序矢量滑距”，揭示同沉積斷裂活動的變化規律。

2 地質概況

珠江口盆地位于南海北部陸緣的中部，為中、新生代斷陷盆地，可劃分為南部隆起帶、南部坳陷帶、中央隆起帶、北部坳陷帶和北部斷階帶五個次級構造單元。盆地經歷了四個構造演化階段：早白堊世裂前階段；晚白堊世—漸新世初裂谷階段；晚漸新世至早中新世沉降階段；中中新世至第四紀斷塊升降階段[19-21]。

番禺低隆起位于中央隆起帶中部，M區位于番禺低隆起南部，鄰近白云凹陷北坡，為隆起和坳陷的結合部位。新生代發育四組正斷層，即CFS1、CFS2、TFS1和TFS2，多為NWW、NW走向(圖1)，地震剖面上表現為順向和反向正斷層性質(圖2)。斷裂的長期活動影響著古地貌的形成，從而影響了同期砂體沉積的空間展布[22]。

圖1 番禺低隆起M區斷裂分布平面圖

新近系中新統珠江組下段底界T60(23.8Ma)為盆地裂陷和裂后的分界，頂界T50(18.5Ma)為一海侵面，被區域性海侵泥巖覆蓋。多幕構造活動導致珠江組下段沉積特征多變，可見上超、下超等特征(圖3)。珠江組下段可以識別出5個四級層序(SQ1～SQ5)及相應的6個層序界面(SB1～SB6)，層序厚度變化呈現不均勻翹傾現象。

圖2 番禺低隆起M區地震地質解釋剖面(測線位置見圖1)

圖3 珠江口組下段四級層序及界面地震反射特征剖面

3 斷裂活動定量表征方法

可以用斷距和方向表征斷裂活動特征。斷裂由古至今具有方向的疊加滑距，稱為“總矢量滑距”。如果消除后構造期的累加斷距，得到斷裂某一活動時期的滑距，即為“層序矢量滑距”。

定量表征不同層序期同沉積斷裂活動的思路為：以地震高頻層序界面解釋為基礎，獲取相對準確的斷面真傾角，求取“總矢量滑距”和“層序矢量滑距”，從而達到斷裂活動方向與強度的定量表征的目的，確定生長斷層的活化與休眠狀態，其主要步驟如下(圖4)。

(1)地震資料構造及層序界面解釋：利用地震資料開展層位與斷裂的構造解釋，并精細解釋高頻層序界面，定性分析各構造活動期層序界面與斷裂的整體特征，并將地震高頻層序界面與斷層多邊形數據作為輸入參數。

(2)空間數據旋轉：為簡化計算并獲取斷面真傾角，可以將初始相對坐標系(線道號)進行一定角度 的旋轉得到新的相對坐標系，使得在新的坐標系下，三維地震數據主測線方向與斷裂系統走向相垂直。保持旋轉前后網格大小不變，產生新的線、道號，可將三維空間運算簡化到二維平面。具體實現過程如下：

圖4 生長斷層活動強度定量表征技術流程

①相對坐標系規定：規定在水平面上，以N為正北0°方向(SN為y軸)，E為正東方向(WE為x軸)，y軸順時針方向旋轉為正角度，旋轉后S′N′與斷層走向一致，其旋轉角度記為α(0°<α<90°)。同時，旋轉后的W′E′始終與S′N′垂直，垂直于水平面向下為z軸負半軸。相對坐標系規定為，在水平面上，順斷層走向為x軸，垂直斷層走向為y軸，以正北方向為0°，順時針方向旋轉為正角度。若x軸沿0°軸順時針旋轉角度在0°～180°之間時，規定其為x軸的正半軸； 若y軸沿0°軸旋轉的角度范圍在-90°～+90°之間時，規定為y軸的正半軸。垂直于水平面向下為z軸，水平面之下為z軸負半軸，水平面之上為z軸正半軸(圖5)。

②旋轉角α的確定：據斷裂系統走向信息，確定斷裂走向與正北方向的旋轉夾角α，得到旋轉后的相對坐標系S′N′—W′E′，且使W′E′(x軸)方向與斷層走向一致。通過旋轉獲得新相對坐標系下測線位置，獲取在該坐標系下垂直于斷裂走向新的線號，將由x、y、z三軸組成的三維空間數據計算簡化到為僅由z軸與y軸組成的二維空間，其中y軸數據dy為水平斷距；z軸方向的數據dz為層序界面上下盤的垂直位移。

圖5 相對坐標系旋轉示意圖(a)旋轉前； (b)旋轉后(0°<α<90°)

(3)“總矢量滑距”計算：沿斷裂傾向，頂底斷面間的位移距離為“總矢量滑距”。其表征的是斷裂演化至今的累加斷距。利用旋轉坐標系下的斷層多邊形、層序界面，根據空間幾何關系運算求取“總矢量滑距”的大小與方向。

在相對坐標系內，可以獲取斷裂垂直斷距dz與水平斷距dy，利用勾股定理計算“總矢量滑距”。具體步驟為:

③“矢量滑距”是水平斷距與垂直斷距以及斷層滑動方向的矢量合成(圖6)。

據“矢量滑距”定義，分別計算各層序界面處斷裂系統的“總矢量滑距”，為區分順向斷裂系統(斷層傾向與地層傾向一致)與反向斷裂系統(斷層傾向與地層傾向相反)的“總矢量滑距”，用紅、黑兩種顏色標識方向(紅色為負，黑色為正)，顏色的深淺表示斷裂系統累加斷距大小； 相同斷裂數據點集合的延伸方向代表了斷裂的走向。“總矢量滑距”的計算結果可以用二維圖形方式簡潔明了地展示三維空間內斷裂系統的展布方向與活動強度(圖7)。

(4)相同斷裂空間定位——“多重互相關”算法：

圖6 矢量斷距計算示意圖(a)順向斷裂，正滑距； (b)反向斷裂，負滑距

圖7 SB1界面“總矢量滑距”平面展布圖CFS為順向斷層，TFS為反向斷層

通常斷裂與層序界面并非垂直相交，同一斷裂面與層序頂、底的交線在空間上存在錯動，不能直接運用層序頂、底面“總矢量滑距”求取二者“層序矢量滑距”的差值。鑒于此，本文采用多重互相關算法對層序頂、底的所有斷點位置進行空間匹配與定位。具體算法如下：

假定沿某條測線兩個界面的“總矢量滑距”分別記為信號y00(d)和y01(d)，則有

y00(d)=x0(d)+n(d)

(1)

y01(d)=x1(d)+n(d)

(2)

式中：d為信號空間位置，包含三個參數，即空間相對坐標x與y及滑距大小；x0(d)、x1(d)為層序頂、底界面“總矢量滑距”的真實信號；n(d)為白噪聲。在信號處理方面，經常用自相關法和互相關法提高信噪比，本次采用互相關法求兩相似信號的距離差。從有用信號的角度來看，y00(d)和y01(d)在空間上距離相差d0。設信號采樣平面距離為D(道距的整數倍)，y00(d)和y01(d)的互相關函數為y010(τ)，y00(d)的自相關函數為y001(τ)，τ的取值為(-D，D)。則有

x0(d)n(d+τ)+x0(d+d0+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(3)

由相關性質可得x0(d)與n(d)的互相關系數值為0；當τ趨于無窮大時，n(d)自相關值為0。但是D在現實采樣中不可能趨于無窮大，故n(d)自相關值只能是比n(d)值更小，但不為0，而是逐漸趨于0，因此式(3)可寫成

y010(τ)=x1(d+d0)+n1(d)

(4)

式中：x1(d+d0)為x0(d)與x0(d+d0)的互相關函數；n1(d)為n(d)互相關函數。同樣

n(d+τ)+x0(d+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(5)

可寫成

y001(d)=x1(d)+n1(d)

(6)

從有用信號角度可知，y001(d)與y010(d)距離差為d0。從噪聲角度可知，n1(d)比n(d)更小。因此，y001(d)和y010(d)的信噪比比y00(d)和y01(d)的信噪比高，則更容易顯示出“總矢量滑距”的距離特性。

同理，為了消除“總矢量滑距”中的不確定量，提高“總矢量滑距”信號間的相關性，運用多重互相關通用公式計算，可以推導出y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地顯示y00(d)和y01(d)的距離特性。

設y0nn(d)為y00(n-1)(d)與y0(n-1)0(d)的互相關函數，y00n(d)為y00(n-1)(d)的自相關函數，則y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地顯示y00(d)與y01(d)的距離特性。因為y0n0(d)信噪比比y0(n-1)(d)的高，從而能更準確地測量出y00(d)與y01(d)的空間距離差d0。

通過多重互相關運算，得到互相關系數最高時的τ值時，便可求取同一斷裂斷點處平面投影的錯動距離d0與各自斷點的空間坐標位置，實現層序頂、底界面斷點的空間準確定位。

(5)“層序矢量滑距”的計算：據“多重互相關”計算定位信息，然后對層序頂、底面的“總矢量滑距”進行“匹配求差”運算，達到消除后層序期累加斷距的影響，實現對層序發育期斷裂系統活動強度的定量表征。

4 斷裂分析與古地貌演化

珠江口盆地番禺低隆起M區珠江組下段，發育CFS1、CFS2、TFS1和TFS2等四組斷裂。四級層序SQ1、SQ3和SQ5斷裂“層序矢量滑距”如圖8所示，反映了在多級次幕式(脈沖式)構造活動作用下，斷裂活動期次與活動強度具時空差異性，整體呈現強—弱—強的變化趨勢。

層序SQ1沉積時期，北部TFS-2反向斷裂活動較弱，南部反向斷裂TFS-1和中部的CFS-1、CFS-2斷裂活動強烈(圖8a)；

層序SQ3沉積時期，北部TFS-2和南部TFS-1反向斷裂基本不活動，中部CFS-1和CFS-2斷裂活動較強(圖8b)；

層序SQ5沉積時期， TFS-2斷裂活動強烈，而CFS-1、CFS-2和TFS-1斷裂的西部活動強烈，斷裂東部活動處于休眠狀態(圖8c)。

珠江組下段沉積時期斷裂活動的時空差異性控制著古地貌的形成。長期活動的同沉積斷裂成為古地貌上突變的斷裂坡折帶或斷坡帶，影響物源與沉積體系的展布[22-24]。

通過“層序矢量滑距”的計算，對坳陷期SQ1～SQ5各層序形成時期斷裂活動進行定量表征，進而恢復不同層序形成時的古地貌。結果表明：古地貌變化受控于四組斷裂系統，由早期的北高南低逐漸轉變為東北高、西南低。

由于層序SQ1與SQ2、SQ3與SQ4的斷裂系統活動具有較強的繼承性，因此僅分析層序SQ1、SQ3與SQ5的斷裂活動(圖8)與古地貌(圖9)特征，即可得出該區構造及沉積特點。

圖8 四級層序斷裂系統的層序矢量滑距平面展布圖(a)SQ1； (b) SQ3； (c)SQ5CFS為順向斷層，TFS為反向斷層

層序SQ1充填期，北部TFS-2反向斷裂活動較弱，水下低隆起古地貌主要分布于區內北部，物源來自東北方向(圖9a)；層序SQ3充填期，由于中部兩組順向斷裂(CFS-1、CFS-2)活動較強，尤其是CFS-1斷裂，導致水下低隆起開始分化(圖9b)，不再是一個完整的水下低隆起；至層序SQ5充填期，區內東部斷裂不活動，改變了古地貌原有格局，形成東隆西低特征(圖9c)，物源主要來自東部。

圖9 四級層序充填期古地貌恢復示意圖(a)SQ1； (b)SQ3； (c)SQ5

5 結論

(1)本文首次提出的“層序矢量滑距”的概念與計算方法，可以定量表征構造幕內“張性或弱扭張性”斷裂的活動情況。其在珠江口盆地番禺低隆起M區珠江組下段四級層序的應用中，很好地闡明了斷裂活動的時空差異性以及古地貌變化的原因。

(2)該計算方法適用于較小走滑位移的盆地，但對于區域性沉積補償盆地、牽引和逆牽引構造的適用性，有待于進一步研究。

感謝中海石油(中國)有限公司深圳分公司、中國石油集團東方地球物理公司凌云和謝結來及中國石化勘探開發研究院付志方和孫鈺等在資料、研究等方面給予的幫助。