北極格陵蘭島東南部玄武巖區地震成像

吳其林 劉全穩* 方中于 張 文 劉金鵬 張治中

(①廣東石油化工學院石油工程學院，廣東茂名 525000；②中海油田服務股份有限公司物探事業部特普公司，廣東湛江 524057；③中海油國際公司，北京 100027)

0 引言

進入21世紀，特別是2013年以來伴隨國際油價的節節攀升和世界各國對北極油氣資源的重視，美國、加拿大、俄羅斯、挪威、丹麥等環北極國家均出臺明確的北極國家戰略并積極向聯合國遞交北極主權申請，北極油氣勘探進入了一個相對繁榮時期[1]。研究區位于格林蘭島東南部，由于可供地質綜合分析的資料較少，有限的二維地震、重力、磁力和大洋鉆探資料制約了對區域油氣資源的遠景評價。為此，進行了覆蓋全區的海上大容量震源、變深度纜的寬頻二維地震資料采集。然而，受古近紀始新世、漸新世兩期玄武巖影響，以前處理的二維地震資料中深層地震成像較差，而中深層地震資料對區域烴源巖評價尤為重要。如何保護來自中深層的弱信號，恢復強噪背景下的中深層地震弱反射、深層不同時代地層界面等信息，成為地震資料中深層成像的難點[2-3]。

近年來，火山巖或鹽體區地震成像受到越來越多的重視。佘德平等[4]通過波動方程波場數值模擬技術分析了火山巖區地震信號特征，得出低頻地震信號具有較強穿透高速薄玄武巖屏蔽層的能力，也具有降低粗糙表面產生繞射噪聲的能力；孫偉家等[5]從地震照明的角度研究了地震波頻帶與火山巖屏蔽的關系，認為中低頻成分對火成巖屏蔽區的照明貢獻大，而高頻成分貢獻小。Sun等[6]利用完全彈性波動方程模擬了近地表玄武巖分布對地震波傳播的影響并得出幾點重要結論：①玄武巖厚度小于波長1/2時，薄層玄武巖影響小于厚層玄武巖；②有限橫向長度的玄武巖比連續分布的玄武巖影響小；③煤層或地層遠離玄武巖時影響小；④地震波傳播受玄武巖表面粗糙面影響小。符力耘等[7]在研究庫車坳陷高陡構造地震成像時，在高品質地震數據基礎上，結合測井資料與鹽體地質結構建立合理的偏移速度，應用半解析的退化Fourier偏移算子進行庫車崎嶇地表波動方程基準面靜校正和地震疊前偏移成像，極大改善了高波數波的成像效果。Zhou等[8]研究了澳大利亞昆士蘭中部玄武巖對煤層勘探的影響，結果表明，當玄武巖局部分布時，利用遠炮檢距信息和疊前深度偏移(PSDM)可以改善玄武巖下地層成像，但玄武巖連續分布時，對玄武巖下地層成像較為困難。

本文通過聲波波動方程數值模擬分析了兩個期次不同類型、不同厚度玄武巖地震屏蔽作用以及與低頻信號之間的關系，指引了后續以低頻保護為核心的寬頻地震資料處理，極大地提高了北極格陵蘭島東南部JMY地區玄武巖下地層成像質量，取得了良好的實際應用效果。

1 玄武巖地震地質特征

玄武巖為基性火山噴發巖，巖漿黏度小、流動性大，噴溢地表易形成大規模熔巖流和熔巖被，也有呈侵入體的巖床等[9-13]。在北極格陵蘭島東南部JMY地區的玄武巖具有以下幾個特點。

(1)據鄰區格林蘭島盆地露頭資料和大洋鉆探錄井資料表明，第一期(始新統)玄武巖為多幕噴發相，以溢流相熔巖和噴發的角礫巖、火山灰、火山集塊巖互層為特征，覆蓋研究區絕大部分區域[12-13]。地震剖面上雙程旅行時時間厚度差異大，但大部分在60ms左右。據區域資料，玄武巖速度為4600m/s，厚度約為138m。

(2)第二期(漸新統)玄武巖以溢流相厚層熔巖為特征，在研究區廣泛分布，且厚度較大，地震剖面上雙程旅行時厚度一般大于120ms，按照玄武巖熔巖的速度5500m/s計算，厚度一般大于330m。

(3)受晚期斷層的影響，研究區第二期玄武巖縱向上升降明顯，且受圍巖結構影響其表面凹凸不平，環境溫度和壓力變化的不均導致玄武巖內部結構不均。

(4)第一期玄武巖與圍巖的波阻抗差異相對較小，反射系數約為0.26；而第二期玄武巖與圍巖的波阻抗差異大，反射系數高達0.55。

受上述地震地質條件的影響，結合地震波場特征，可知：①兩期較厚的玄武巖地層對地震波場能量屏蔽作用較大，由于第二期玄武巖比第一期厚度大、熔巖含量比高和反射系數大，對地震波屏蔽作用明顯比第一期玄武巖強；②多次波發育，除海底多次波發育外，兩期玄武巖同海底的層間多次波也嚴重影響下伏地層成像；③地層的起伏及其粗糙的表面導致地震信號散射強。

2 理論模型分析

為了研究玄武巖屏蔽作用對地震波傳播的影響，采用各向同性交錯網格高階有限差分法進行聲波波動方程數值模擬，該方法具有計算速度快、占用內存少、效率高等特點[14]。

建立如圖1所示的火山巖模型，包括一個海水層，兩套高速、高密、高阻抗的玄武巖和三套沉積地層。研究區內海底有一定起伏，但大部分深度在1500m左右，部分海山區為1400m或更淺。由于海底崎嶇不是影響地震成像的主要因素，因此將海底設計為水深1500m的水平面。第一期玄武巖地層厚度約為70～140m，西薄東厚，埋深在4100～4400m(以海平面起算)，速度為4600m/s，密度為2610kg/m3。第二期玄武巖地層較厚，厚度大部分在300m以上，受晚期斷層改造在剖面上表現為同相軸的上下錯動，埋深約為2900m，速度為5500m/s，密度約為2700kg/m3。

選用主頻分別為30、20和10Hz的最大相位子波進行數值模擬。圖2是主頻為30Hz模擬數據疊加剖面，海底、第一期玄武巖和第二期玄武巖及地層界面1均為強反射界面，左側的第二期玄武巖下可見兩套較強層間多次波(黑色箭頭所示)，多次波能量呈逐漸減弱的趨勢，極性與第二期玄武巖反射相反；在第二期表面崎嶇的玄武巖下基本見不到第一期玄武巖、界面2、界面3的反射波；而在右側，僅有第一期玄武巖覆蓋，可見界面2、第一期玄武巖界面、界面3的反射，在中部的斜坡帶反射振幅明顯弱于右側的平緩帶。

圖3是主頻為20Hz模擬數據疊加剖面，地震反射特征與圖2較為接近，但也有差異，表現在強反射界面的軸變得“稍胖”，高頻噪聲減少，地層界面反射振幅稍有增大，有利于地層界面的真實成像。左側第二期玄武巖強屏蔽效果仍然明顯(黑色箭頭所示)，玄武巖下的地層界面無法真實反映，而右側的無第二期厚層玄武巖覆蓋區的中、深層成像質量明顯要高。

圖1 火山巖地質模型

圖2 子波主頻為30Hz的模擬數據疊加剖面(未含鬼波)

圖3 子波主頻為20Hz的模擬數據疊加剖面(未含鬼波)

圖4是主頻為10Hz模擬數據疊加剖面，與圖2、圖3相比，頻率更低、橫向更加連續，右側第一期玄武巖下的地層界面3振幅明顯增強，說明在這種相對較薄的第一期玄武巖覆蓋區域，低頻信號的穿透力更強，有利于中深層地層成像。同時在剖面左側，第二期玄武巖下的第一期始新統玄武巖界面成像質量有了較為明顯的提高，可見弱振幅、低頻、高連續的地震反射特征；地層界面2也有微弱顯示，但不如第一期始新統玄武巖界面明顯。

不同子波主頻數值模擬結果表明，第二期漸新統玄武巖對地下中深層地層界面地震成像屏蔽作用較強。單靠大容量震源、斜纜采集對第二期厚層玄武巖下地層成像有一定困難；但有利于低頻信號穿透只有第一期始新統玄武巖覆蓋的區域。

圖4 子波主頻為10Hz的模擬數據疊加剖面(未含鬼波)

3 實際資料處理

前人研究表明，研究區同挪威的伏令盆地、莫爾盆地和法羅斯盆地為共軛盆地，主要發育中、新生界[15]。盆地構造演化分析表明，研究區中生代為內陸裂谷盆地，新生代發展為被動大陸邊緣盆地，沉積環境也由中生代的陸相—局限海相—海陸過渡相向新生代的開闊海相轉變[15]。由于處于油氣遠景評價階段，重點是分析凸起、凹陷分布及其地層結構，特別是中生界侏羅系為主力烴源巖，是油氣勘探遠景的評價的重要參考指標，搞清其分布尤為重要。

受兩期玄武巖分布和深水崎嶇海底的雙重復雜地震地質條件影響，中深層地層的波阻抗差小、地震信號弱的背景下，常規地震資料很難獲得較好的中深層地震成像，導致中生界白堊系、侏羅系、三疊系成套波組淹沒在噪聲之中，嚴重影響了地層界面識別和追蹤(圖5a)。

聲波波動方程數值模擬表明，低頻信號有利于穿透玄武巖，進而提升下伏地層成像質量。如何在噪聲、多次波夾雜的背景下做好中深層低頻信號保護和挖潛的寬頻地震資料處理，是提升火山巖下成像質量、進而搞清中生界各地層反射界面、波組特征及其分布規律的基礎。

針對研究區特殊的地質背景，地震采集時使用了大容量震源+變深度纜的寬頻采集(氣槍容量為6280in3，是常規氣槍的132%)；同時采用截止頻率更低的前置濾波器保護低頻信息(低截止頻率2Hz@6dB，常規為3Hz@6dB)。

目前，針對海洋變深度纜寬頻地震資料處理的研究較多[16-23]，選擇一套合理的處理流程進行大容量震源背景下變深度纜的寬頻處理尤為重要。首先，基于改進型多次波模型預測法+多域變換剩余繞射多次波壓制法+AVO近道多次波壓制法的組合應用，水層多次波得到有效衰減。其次，對于海上二維地震資料，鬼波壓制是低頻信號恢復的關鍵，選用基于波場分離的鬼波壓制方法，即從數據本身出發，利用有效信號與鬼波在不同域的差異，通過走時估算子波變化，在給定時窗內完成濾波；其最大的優點是考慮子波時空變特性，數據整體鬼波壓制效果突出[24-27]。

圖5a為以前處理的地震疊后偏移剖面，圖5b為新處理的鬼波壓制后的地震剖面。新資料在隆起區中深層低頻信號得以恢復，中生界反射波組關系更清楚，且具有上、下明顯的能量差別，即強振幅、低頻、中連續一套波組(圖中橢圓所示)被另一套弱振幅、中—高頻、低連續的波組覆蓋，有利于地震界面的識別和劃分。在老資料上難以識別火山侵入巖位置和規模，在新資料上變得清楚。

凹陷區新老資料對比表明，圖5a中的老資料中深層反射特征復雜，多解性強，橢圓虛線圈中的深層強反射懷疑是繞射，地層產狀也不太合理。圖5b展示的新資料中深地層波組清楚，層次感強，易于地震資料解釋。

圖5c為圖5b的解釋后的剖面，在剖面右側凹陷區內部的侏羅系表現為一套中強振幅、低頻、中連續波組，為陸相的三角洲—湖相沉積，可見前積反射特征，與上覆地層呈角度不整合關系，這與前人的研究結果不謀而合[15]。

圖5 研究區老資料(a)、新資料(b)及其解釋(c)剖面對比新、老資料兩條測線相距4.5km

對比老資料和新資料的頻譜(圖6)可以看出，老資料0～10Hz信號衰減嚴重，振幅低于-10dB，頻帶為8～115Hz(以-20dB為參照)，主頻為53Hz；新資料處理結果在2～10Hz頻段信息豐富，振幅大于-10dB，頻帶為2～115Hz(-20dB)，主頻為56.5Hz。頻譜分析表明，無論是低頻端、頻寬還是主頻，新資料都具優勢，這也體現在中深層成像上。由于處理過程中考慮到了噪聲背景下的優化鬼波壓制，因此在新資料中深層成像上有效信號、波組層次及其接觸關系更清晰。

圖6 中深層老資料(a)和新資料(b)頻譜對比

由于中深層中生界的地震成像得到明顯改善，改變了前人對該區侏羅系烴源巖薄而分布不清的認識，認為凹陷中侏羅系烴源巖雙程時間厚度超過1.5s，極大提高了對該區的油氣勘探遠景評價，為下一步勘探提供了依據(圖5c)。

4 結論及討論

(1)基于聲波波動方程數值模擬結果表明，北極格陵蘭島東南部JMY地區的低頻信號對玄武巖層屏蔽層的穿透能力較強，且有較強的抗吸收和散射能力，是提高中深層成像的有效信號。

(2)實際資料處理結果表明，基于波場分離鬼波壓制技術為核心的寬頻處理技術有利于中深層低頻信號的恢復，對研究區提高玄武巖下地層成像效果明顯。

(3)中深層中生界的地震成像得到明顯改善后，改變了前人對該區侏羅紀烴源巖薄而分布不清的認識，認為凹陷中侏羅系烴源巖雙程時間厚度超過1.5s，極大地提升了該區油氣勘探潛力，為進一步勘探提供了依據。

本文得到了中海油研究總院張樹林首席、姜慧超高級工程師的指導，得到了中海油服物探事業部特普公司但志偉總工程師、孫雷鳴副總工程師、薛濤工程師、張健男工程師及項目組其他同事的支持和幫助，在此一并表示感謝！