雙界面地震層拉平的古地貌恢復技術及應用
——以鄂爾多斯盆地天環坳陷為例

劉永濤 劉池洋 周義軍 黃 雷 畢明波 王秀珍

(①西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069； ②東方地球物理公司研究院長慶分院，陜西西安 710021)

0 引言

古地貌是指發育在不整合面之上的受侵蝕和剝蝕雙重控制作用下形成的溝槽、殘丘、古高地等正、負地貌單元的總稱。碳酸鹽巖區可以發育巖溶古地貌，碎屑巖區可以發育侵蝕古地貌。古地貌對油氣的運移、聚集和成藏具有控制作用，因此，古地貌恢復一直是油氣勘探中的重要研究內容之一。而主生、排烴期的古地貌形態對油氣成藏影響更為直接，因而恢復含油氣區生烴關鍵期的古地貌尤為重要。

古地貌恢復的方法主要有三類[1-2]： 第一類是根據地層厚度恢復古地貌，常用的有殘余厚度法[3]與印模法[4]； 第二類是運用沉積學的方法恢復古地貌，早期運用巖性縱、橫向上的變化定性識別古地貌[5]，近年來運用層序地層學或高分辨率層序地層學的方法恢復古地貌[6]； 第三類是依據地震或地質層拉平法恢復古地貌，包括平衡剖面恢復法[7-8]、地震層拉平法[9-11]、地質層拉平法[12-15]、地震切片分析法及地震屬性法[16]等。殘余厚度法和印模法主要是依據鉆井、地震資料恢復古地貌，對于鉆井少的含油氣區，井間的古地貌形態難以準確刻畫，古地貌恢復的精度不高，并且該類方法一般未考慮古地貌形成之后沉積地層的壓實作用對于古地貌形態的影響。層序地層學法或高分辨率層序地層學法將地震資料和地質特征相結合，從宏觀的沉積學角度對古地貌形態進行約束，恢復精度較高，但該類方法需要對比不同級次的基準面及旋回，對研究者的地質綜合能力要求較高，工作量大，并且該類方法同樣未考慮古地貌形成之后沉積地層壓實作用的影響。在利用層拉平法恢復古地貌中，最常用的是地震層拉平法，但這類方法也存在一些問題： ①由于古地貌之上填充的地層橫向變化大，造成地震速度變化大，拉平后的估算厚度與實際的地層厚度存在差異； ②地震拉平層位的選取是關鍵，如果選取的層位不合理，仍需考慮古地貌形成之后沉積地層的壓實作用的影響。

為了落實古地貌形態、研究古地貌與油氣成藏的關系，本文綜合利用鉆井、地震等資料，提出了一種基于地震層拉平技術恢復生烴關鍵期古地貌的新方法。應用該方法恢復了鄂爾多斯盆地天環坳陷中部生烴關鍵期(即早白堊世)的前侏羅紀古地貌形態，為本區侏羅系古地貌成藏認識的深化及井位部署提供了依據。

1 古地貌恢復

1.1 古地貌的形成與演化

古地貌可分為早期形成與后期演化兩個階段。構造抬升可以導致沉積地層暴露地表、遭受剝蝕。由于沉積地層抗風化能力的差異，剝蝕作用不均一，這就形成了古地貌的雛形。隨后，構造沉降并接受新一輪沉積，由于沉降不均衡，可能剝蝕與侵蝕作用共存。最后全區接受沉積時，古地貌被填平補齊，標志著古地貌形成。

古地貌形成后，一方面受上覆沉積地層深埋及差異壓實作用，形態發生變化；另一方面伴隨著后期的構造運動及構造變形，形態也會發生變化。在不同的演化階段，由于上覆地層壓實作用及構造活動的差異，古地貌的形態也會有所不同。

1.2 古地貌恢復的主要研究內容

古地貌在形成與演化過程中，受到剝蝕、侵蝕、填平補齊、差異壓實、構造運動及構造變形等因素的綜合影響，這增加了古地貌恢復的難度。其中，構造作用對古地貌形態的影響最大，是首要考慮的地質因素。因此，古地貌恢復包括三個方面內容： ①古構造恢復； ②壓實作用恢復； ③古地貌識別。在古地貌恢復的過程中，首先要明確是恢復哪個時期的古地貌，然后依據古地貌恢復精度的需求，選取合理的古地貌恢復方法。

2 古構造恢復

2.1 地震與地質層拉平方法對比

地震層拉平技術是在層序地層學的基礎上發展起來的，它是指在后期沉積地層的壓實作用可以忽略的情況下，將代表沉積基準面、最大湖(洪)泛面或剝蝕夷平面的地震反射界面(參照面)拉平，進而考察下伏目標層的構造起伏形態，并認為該構造起伏形態代表了參照面形成時期目標層的古構造形態。

地震層拉平和地質層拉平有所不同，以往常存在混淆的現象。在區域構造研究時，可通過拉平某一特殊地質界面或該界面所對應的地震反射層位考察下伏目的層的構造變化特征。此種情況下，由于研究對象較為宏觀，利用地震層拉平與地質層拉平技術會產生相似的效果。但在研究范圍較小、研究對象為微觀、具體的構造目標時，兩者可能產生不同的效果。這是因為地震層拉平是在地震數據體上進行操作，拉平前、后地震剖面的長度并未發生變化；而地質層拉平是在地質剖面上進行操作，拉平前、后雖然保證了地層層長或面積基本不變，但地質剖面的長度會發生變化。

如圖1所示，圖1a～圖1c是利用平衡剖面軟件依據地質層拉平原理(層長或面積守恒)制作的構造演化剖面。其中，圖1a為最終定型的地質剖面，圖1b為去斷層后的剖面，圖1c為去褶皺后的剖面。構造剖面長度從大到小依次為圖1c、圖1b、圖1a，構造變形過程是一個剖面長度不斷縮短的過程。圖1d、圖1e是地震層拉平前、后的二維地震剖面，構造恢復前、后地震剖面的長度并未發生變化。因此，地質層拉平與地震層拉平相比，地質層拉平具有明確的地質含義，古構造恢復的精度更高。但在實際的應用中，地震層拉平的應用更為廣泛[17-18]，這主要是因為地震層拉平具有簡單易行的優勢。

由此可見，對于精細的、具體的構造目標(如古地貌對應的不整合面)恢復古構造時，地震層拉平與地質層拉平存在差異。這種情況下，兩者一般不可相互替代，只有在一定的地質條件約束下，才可以近似地利用地震層拉平技術代替地質層拉平進行古構造恢復。

2.2 適用條件分析

古構造恢復可以分為水平構造作用(伸展或擠壓作用)恢復和垂向構造作用(抬升或沉降作用)恢復兩個方面，由于兩者構造運動方式的差異，利用地震層拉平與地質層拉平技術恢復古構造可能會產生不同的效果，下面以古地貌(不整合面)為目標具體分析。

圖1 平衡剖面技術與地震層拉平技術在古構造恢復中的對比

2.2.1 水平構造作用恢復

水平構造作用會造成地層的伸縮。在二維地質剖面上，如果水平伸縮量很大，構造變形則需要通過大型斷層和褶皺作用共同平衡應力。由于構造變形前、后地質剖面的長度變化大，地震層拉平和地質層拉平恢復的古地貌形態差異大，地震層拉平已不能替代地質層拉平。如果水平伸縮量很小，形成斷層的規模和數量有限，主要是通過地層的褶皺作用來調節應變，這種情況下，地震層拉平技術可以近似地代替地質層拉平技術進行古地貌恢復。因為利用地質層拉平技術恢復剖面時，“去斷層”前、后地層長度的變化量很小，可以忽略不計，“去褶皺”前、后縱向上地層的變化量相當，與地震層拉平技術的應用效果相似。

在實際的古地貌恢復中，一般常見的是面積約1km2的古地貌單元，形狀規則時，長度和寬度都為1km。在研究區范圍內，垂直構造走向上對比考察地層的長度與該地層的伸縮量，當地層的伸縮量為10m時，即該地層的長度與伸縮量相差兩個數量級，這種變化對于古地貌單元形態的影響非常小，一般情況下可以忽略不計。換言之，當考察地層垂直于構造走向的長度是伸縮量的100倍以上時，地震層拉平技術可以近似代替地質層拉平技術進行古地貌恢復。

2.2.2 垂直構造作用恢復

在構造演化過程中，往往是在水平和垂直兩個方向同時發生構造變形，在研究中通常將其分解為兩個方向的構造變形分別考察。如果僅是考察地層垂直方向發生構造變形，地震層拉平技術和地質層拉平技術會產生相同的恢復效果，大致可分為兩種情況：①區域性均一抬升或沉降作用，古地貌對應的不整合面只發生整體的上下移動，形態并未變化，地震層拉平技術和地質層拉平技術均可進行古地貌恢復；②差異抬升或沉降作用，即古地貌的形態已發生變化，由于水平方向上地層的長度并未發生變化，所以，在不考慮壓實作用影響的前提下，地震層拉平技術和地質層拉平技術均可進行古地貌恢復。

3 差異壓實恢復

古地貌在形成之后的演化過程中，差異壓實作用將引起古地貌形態的變化，主要分為三種情況：①橫向上，古地貌之上新沉積地層厚度在不同地貌區有著明顯的區別，因而向下負荷的作用力不同，引起古地貌形態的改變；②古地貌上覆地層橫向上也存在巖性的差異，導致向下負荷的作用力也存在差異，這同樣會引起古地貌形態的改變；③上覆地層對古地貌進行壓實作用后，如果后期遭受剝蝕，當再沉積的地層厚度不足以補償前期的地層厚度時，若要進行壓實作用校正，則需進行剝蝕厚度恢復。所以，壓實作用恢復需要考慮不同的地質條件，而且涉及的因素很多，恢復結果的或然性也很強。

地震層拉平技術作為一種古地貌恢復的方法，在壓實作用恢復方面無能為力。但在特殊條件下，在利用地震層拉平技術進行古地貌恢復的同時，可以不用再去做壓實作用恢復的相關工作。這種特殊條件是：地質歷史時期不存在較大的地層剝蝕，現今地震剖面上的地層厚度是壓實作用最強階段的結果。即使古地貌上覆地層后期剝蝕后存在砂體回彈作用[19]，但該作用對地層厚度的影響非常小，并不會引起下伏地層厚度的根本性變化。在滿足此種條件的前提下，從正常埋深增溫的演化角度看，壓實作用最強的時期就是古地貌埋藏最深、古地溫最高、烴源巖大量生烴和排烴的時期。如果能在地震剖面上找到生烴關鍵期對應的地震反射層位，只需拉平該地震反射層位，下伏的古地貌即可得到恢復，不用再去進行壓實作用恢復。

因此，拉平生烴關鍵期對應的地震反射層位去壓實作用需滿足兩個條件：①在地震剖面上能夠找到生烴關鍵期對應的地震反射層位。如果后期該地震反射層位被剝蝕，則該方法不能使用；②適用于正常埋深增溫生烴且只有一次生烴作用的地區。如果該區烴源巖具二次或多次生烴，則地震層位拉平不能進行去壓實作用。

4 雙界面地震層拉平的古地貌恢復技術

4.1 古地貌識別方法

當沉積間斷時間較長，不整合面頂部地層剝蝕作用充分，上覆地層再對古地貌填平補齊時，這類古地貌高差不大，恢復起來難度不大；當沉積間斷時間較短，不整合面頂部地層剝蝕作用不充分，上覆地層再對古地貌填平補齊時，這類古地貌一般高差較大，恢復起來難度大。

在古地貌頂部尋找填平補齊結束后距離古地貌最近的、具有廣覆式沉積的地質界面，并且該界面是沉積轉換面、湖(洪)泛面或特殊巖性等地質界面。在地震剖面上，將代表該界面的地震反射層位拉平，恢復當時的古沉積環境，在層序地層學理論指導下，結合井震標定及地震瞬時相位屬性，刻畫古地貌，這是目前能有效提高古地貌地震解釋精度的方法之一。

4.2 雙界面地震層拉平技術原理

據上述可知，地震層拉平技術應用于古地貌恢復的條件可以概括為：①空間上，在垂直于構造走向上，當研究區內地層長度是該地層水平伸縮量100倍以上時，可以利用地震層拉平技術近似代替地質層拉平技術進行古地貌恢復；②時間上，研究區烴源巖為正常增溫生烴類型，滿足最強生烴期與最大埋深期一致、且不具有二次或多次生烴作用時，不用做壓實作用恢復。

在滿足地震層拉平技術應用于古地貌恢復的前提條件下，本文提出了一種古地貌恢復的新方法，主要步驟為：①先拉平生烴關鍵期對應的地震反射層位，去除后期構造變形對于古地貌形態的影響，計算拉平層至古地貌填平補齊結束期對應的地震反射層位之間的地層厚度；②再拉平古地貌填平補齊結束期對應的地震反射層位，對不整合面(古地貌)進行精細解釋，恢復該時期的古地貌形態，計算該拉平層與不整合面之間的地層厚度；③將以上兩次計算的地層厚度值相加，即利用地層厚度反映古地貌的相對高低，恢復生烴關鍵期的古地貌形態。

如圖2所示，A界面代表生烴關鍵期對應的地震反射層位，B界面代表填平補齊結束期對應的地震反射層位，即特殊巖性界面的地震反射層位，C界面(不整合面)為古地貌對應的地震反射層位，D界面為烴源巖對應的地震反射層位。A與B之間的地層厚度(H1)反映了拉平A界面時B界面的古構造形態，即恢復了關鍵生烴期B界面的古構造形態。B與C之間的地層厚度(H2)反映了拉平B界面時C界面的古構造形態，即恢復了填平補齊結束期C界面的古地貌形態。恢復關鍵生烴期的古地貌形態，即計算A與C之間的地層厚度(H3)。由于H1、H2、H3之間存在H3=H1+H2的關系，因此，只要將H1和H2相加，即恢復了生烴關鍵期的古地貌形態。

圖2 生烴關鍵期的古地貌恢復原理示意圖

4.3 地震拉平層位選取原則

首先，調研研究區成果，明確主生排烴期對應的地質時間，并在地震剖面上確定該時間段所對應的時窗范圍，在該時窗范圍內尋找能夠代表湖(海)泛面、沉積基準面或剝蝕夷平面的地震反射層位，將該地震反射層位作為生烴關鍵期所對應的地震拉平層位。

其次，選取古地貌填平補齊結束期對應的地震反射層位，即選取特殊巖性界面。在距離古地貌較近、且具廣覆式沉積的地層中，選取能代表沉積基準面或層序轉換面的地震反射層位作為該時期的拉平層位。特殊界面如煤層或泥巖反射層為最佳的選取對象。

以上兩個拉平層位的選取遵循以下原則：①確實經歷過近似廣覆式沉積演化階段；②具有“等時”的含義；③在地震剖面上易于連續追蹤、識別。

4.4 注意事項

由于該方法選取了兩個地震拉平層位恢復古地貌，因此，本文將其稱為“雙界面”地震層拉平的古地貌恢復技術。與以往常規方法相比，該方法有三大優點：①將地震與鉆井資料緊密結合，并依據層序地層學理論解釋古地貌，能提高解釋精度；②恢復了生烴關鍵期的古地貌形態，由于該時期的古地貌形態與油氣成藏關系密切，有利于后期區帶綜合評價及井位部署工作；③操作性強，簡單易行，不用進行壓實作用恢復，提高了工作效率和古地貌恢復的精度。但在實際應用中應注意以下兩點：一是古地貌的精細識別為該方法的靈魂，古地貌的精細解釋是該方法中最為關鍵的環節；二是該方法恢復的古地貌只是相對古地貌，并不能反映生烴關鍵期真正的古地貌(不整合面)埋深。如果要恢復絕對古地貌，還需進行古水深校正等其他相關工作。

5 應用效果

5.1 研究區概況

中生代鄂爾多斯盆地為疊加在古生代華北克拉通之上的內陸湖盆[20-21]。晚三疊紀末期(即印支運動晚期)鄂爾多斯盆地整體抬升，受地表剝蝕和河流侵蝕雙重作用的影響，在三疊系頂面形成了千溝萬壑的古地貌景觀[22]。早—中侏羅世，盆地主體沉降、接受沉積，侏羅系底部富縣組與延安組延10段地層對古地貌進行填平補齊，延安組延9段及以上地層具有廣覆式沉積的特點。在拉平TK反射層(白堊系底界)地震剖面上(圖3)，可見富縣組和延10段地層對三疊系延長組頂部地層的削截、超覆現象，且充填地層受橫向上差異壓實作用的影響，不整合面(TJ，代表古地貌)和最大湖泛面(TJ9，填平補齊層頂面)具有相似的起伏形態。

圖3 鄂爾多斯盆地TK反射層拉平地震剖面

研究區位于天環坳陷中部，構造平緩。勘探實踐表明，該區前侏羅紀古地貌(T/J不整合面)與中生界油藏關系密切，在古地貌的高地、殘丘及古斜坡等有利位置已發現多個“小而肥”的古地貌油藏。如何有效提高侏羅系古地貌油藏的勘探成功率是本區亟待解決的關鍵問題之一。區內地表黃土厚度不大，地震資料品質普遍較好，中生界時窗范圍內地震主頻為30～40Hz。二維地震測線以近SN和EW方向為主，測網密度為 1km×2km～2km×4km，能夠滿足古地貌精細解釋的需要。

5.2 適用條件判斷

區內構造平緩，只發育數量極少量的小型逆斷層，垂直斷距一般小于20m。選取一條垂直于構造走向的二維地震剖面進行平衡剖面恢復，先將地震剖面轉化為地質剖面，然后分別去斷層和去褶皺。恢復結果表明，恢復前地質剖面長度為39.0km，恢復后地質剖面長度為39.3km，考察地層水平縮短量為0.3km，縮短率約為0.8%(圖4a、圖4b)。另外，將該地震剖面進行層拉平(圖4c、圖4d)，發現拉平地震剖面上考察地層的構造形態與平衡剖面恢復結果的構造形態極其相似，這表明了地震層拉平技術能用于該地區考察地層的古構造恢復。

研究區延長組長7段發育一套暗色頁巖，俗稱張家灘頁巖，這套頁巖為侏羅系古地貌油藏的源巖。早白堊世中晚期，長7段泥、頁巖埋深達到最大，古地溫達到最高，開始大量生烴和排烴[23]。晚白堊世至古近紀早期，本區整體抬升，下白堊統上部大約500m的地層剝蝕殆盡[24]。古近紀晚期至今，該區局部接受沉積，但沉積地層的厚度較小，均小于500m，長7段源巖沒有發生二次生烴作用。

圖4 平衡剖面恢復與地震層拉平技術古地貌恢復結果對比

因此，該區考察地層(T/J不整合面，對應TJ地震反射層)的長度是水平縮短量的近170倍，且生烴關鍵期(對應Tk地震反射層)與最大埋深期相對應，滿足地震層拉平技術用于古構造恢復的前提條件。

5.3 地震拉平層位的選取

鄂爾多斯盆地延長組沉積期湖盆經歷了發展—鼎盛—萎縮—消亡期四個演化階段[25]，形成了4個層序，即層序Ⅵ～Ⅸ(表1)。其中長10段—長8段沉積期為湖盆的發展階段，主要發育一套湖進型的砂泥巖地層；長7段沉積期為湖盆發育的鼎盛階段，發育一套大面積分布的暗色頁巖；長6段—長3段沉積期為湖盆的萎縮階段，主要發育一套湖退型的砂泥巖地層；長2段—長1期為湖盆的消亡期，主要發育河流相沉積。長2段—長1段地層大部分已剝蝕或缺失，因而在長3段地層之上形成了千溝萬壑的古地貌景觀。

表1 鄂爾多斯盆地中生界地層層序劃分表

5.4 生烴關鍵期古地貌恢復

首先，在層位標定的基礎上，精細解釋TK、TJ9、TT7地震反射層，并保證地震解釋層位在全區范圍內閉合(圖5a)； 其次，在時間域地震剖面上，拉平TK反射層，考察TJ9反射層的古構造起伏形態(圖5b)，建立精細速度場，計算兩者之間的地層厚度； 然后，再拉平TJ9反射層，在拉平地震剖面上重新進行井震標定，充分結合鉆井分層信息，依據層序地層學理論精細解釋不整合面(古地貌)，即TJ反射層(圖5c)； 同時，利用瞬時相位地震屬性對不整合面(古地貌)進行輔助解釋(圖5d)，并建立TJ9與TJ反射層之間的速度場，將兩者之間的時間厚度轉化為地層厚度； 最后，將TK與TJ9反射層、TJ9與TJ反射層之間的構造形態相疊加，即地層厚度相加，就是生烴關鍵期的古地貌形態(圖5e)。

在上述基礎上制作相應的平面圖。首先，利用TK與TJ9反射層之間的地層厚度反映古構造的相對高低，即反映生烴關鍵期延9段底界的古構造形態(圖6)；其次，利用TJ9與TJ反射層之間的地層厚度反映古地貌的相對高低，即反映填平補齊結束期的古地貌形態；最后，將TK與TJ9反射層、TJ9與TJ反射層之間的地層厚度值相加，即為生烴關鍵期古地貌的形態(圖7)。

圖8是以往利用印模法恢復的相對古地貌，即主要利用鉆井資料計算延10段+富縣組的地層厚度以鏡像映射古地貌的起伏形態。該方法的基本原理與拉平TJ9地震反射層、考察TJ反射層的地震層拉平法相同。相比印模法，雙界面地震層拉平技術提高了古地貌恢復的精度。利用不同古地貌位置和油氣情況的10口檢驗井檢查成圖效果，發現已知鉆井位置恢復的地層厚度與實際鉆井的厚度誤差小于3.1m(表2)，而印模法恢復結果誤差為0～21.2m。

對比圖6、圖7可知，雖然生烴關鍵期延9段底界與不整合面(古地貌)的古構造形態差異較大，但總體上都具有西低東高趨勢。對比圖7、圖8可知，圖8代表了古地貌形成階段的起伏形態，圖7代表了生烴關鍵期古地貌的古構造形態，兩者的古構造形態具有一定的繼承性，圖7的古構造形態是由圖8的古地貌演化而來。圖8主要由古高地、斜坡、古河道及支溝等古地貌單元構成，圖7則表現為西低東高的宏觀古構造背景下，研究區中南部存在兩個局部古隆起。

圖5 生烴關鍵期古地貌恢復流程

(a)時間域地震剖面； (b)生烴關鍵期恢復的TJ9古構造形態地震剖面； (c)填平補齊結束期古地貌形態地震剖面； (d)填平補齊結束期古地貌形態瞬時相位屬性剖面； (e) 生烴關鍵期恢復的古地貌形態地震剖面

圖6 生烴關鍵期延9段底界古構造圖(上)

根據近年來探井、評價井分布(圖6～圖8)可知，圖8中古高地、斜坡、古河道及支溝等古地貌單元油流井均有分布，這種特征導致侏羅系古地貌成藏主控因素不明確，難以實現油氣有效勘探與開發。圖6、圖7中水井和油流井分別位于工區西部和東部，分布規律明顯，表明生烴關鍵期的古構造趨勢控制著油氣運移的主要方向，即油氣主要從西向東、由構造低部位向構造高部位運移。絕大多數油流井位于工區中南部兩個古隆起之上及周鄰位置，表明生烴關鍵期古地貌的古構造高部位是油氣聚集成藏有利部位。

表2 延10段—富縣組地層厚度恢復結果誤差統計表

圖7 生烴關鍵期不整合面古構造圖(上)及TK層拉平地震剖面(下)

圖8 印模法恢復的古地貌圖(上)及TJ9層拉平地震剖面(下)

6 結束語

古構造恢復、差異壓實恢復與古地貌識別是古地貌恢復的主要研究內容。本文將地震層拉平技術應用于古地貌恢復的各個環節，提出了一種古地貌恢復的新方法。由于該方法選取了兩個關鍵地震反射層位進行層拉平恢復古地貌，因此，將其稱為雙界面地震層拉平的古地貌恢復技術。與以往常規方法(印模法)相比，該方法恢復的古地貌精度更高，且恢復的古地貌與油氣運移、聚集及成藏的關系更為密切，能在古地貌油藏的勘探開發中發揮更為積極的作用。