四川盆地超深地震大剖面勘探及深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究

胡 峰，梁順軍，張曉斌，彭業(yè)君，楊智超，龍思萍，王中海

（1.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探分公司，四川成都500643；2.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司西南物探研究院，四川成都500643）

早期的調(diào)查四川盆地基底-莫霍界面地質(zhì)構(gòu)造、地層結(jié)構(gòu)，常用勘探成本低的天然地震和非地震（電法、磁力及重力）勘探，因其精度低，只能宏觀反映基底或莫霍界面的起伏形態(tài)和深度，不能滿足深入研究的需求［1-3］。而地震勘探雖然分辨率高，但因成本投入高而極少使用。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力日益增強(qiáng)，和經(jīng)濟(jì)建設(shè)、防震救災(zāi)的迫切需求，近年來采用勘探精度高的人工地震方法研究地殼深部和莫霍界面構(gòu)造形態(tài)［4-5］，逐漸在全國開展應(yīng)用，并取得了良好的效果。

四川盆地西北部龍門山斷褶帶屬于強(qiáng)烈地震活動(dòng)帶，特別是“5·12”汶川特大地震給國家和人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失［6-7］。四川盆地中部屬于地臺(tái)區(qū)，地殼相對(duì)穩(wěn)定，但近十年來川中遂寧、內(nèi)江，川南瀘州、自貢、宜賓及重慶地區(qū)，4.5～6.0 級(jí)地震相繼發(fā)生，地震活動(dòng)頻繁。為研究基底和莫霍界面對(duì)四川盆地中部天然地震的影響和誘發(fā)因素，在四川盆地中部部署了一條龍門山山前帶到川中東部約200 km 的2009HN 超深地震大剖面、華鎣山北段部署了約80 km 的2018GJ 超深地震剖面，記錄長度26 s。經(jīng)室內(nèi)精細(xì)處理，獲得沉積蓋層、巖石圈及莫霍界面的深部地震信息，為研究四川盆地中部地殼結(jié)構(gòu)和地震誘發(fā)因素提供了可靠的基礎(chǔ)資料［8］。

1 超深層定義及深層地震勘探方法

1.1 地質(zhì)目標(biāo)中深層及超深層定義

資源勘探特別是油氣勘探中的深層目標(biāo)既有深度概念，還與鉆井能鉆達(dá)的極限深度值有關(guān)［9-10］。不同含油氣盆地由于地溫梯度、地層時(shí)代的差異，對(duì)深層的定義也不相同，目前關(guān)于深層的定義尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)對(duì)深層的定義，東部和中西部各異，就四川盆地而言，油氣勘探層系為白堊系—震旦系，淺層為白堊系—上三疊統(tǒng)須家河組，埋深2 000～4 500 m；中層為中三疊統(tǒng)雷口坡組—泥盆系，埋深4 500～6 500 m；深層為志留系—震旦系，埋深6 500～9 000 m。本文中四川盆地以大于油氣藏鉆探最大深度9 000 m 為界，超過9 000 m 地質(zhì)目標(biāo)的層位，定義為超深層。

1.2 深地震勘探方法簡介

在諸多地球物理方法中，地震探測(cè)在確定地質(zhì)體的空間分布范圍、埋藏深度、空間位置等方面優(yōu)勢(shì)明顯，使之成為探測(cè)地球深部結(jié)構(gòu)中最重要的方法。根據(jù)震源性質(zhì)，地震探測(cè)方法分為天然地震方法和人工震源方法。

1.2.1 寬頻天然地震觀測(cè)

通過寬頻地震儀記錄天然地震的地震波，利用地震波傳播的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，獲得臺(tái)站下方及其周圍的地球深部介質(zhì)參數(shù)，認(rèn)識(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造信息。天然地震方法主要包括體波、面波層析成像及橫波分裂成像等，利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)反演得到的地殼和莫霍界面結(jié)構(gòu)。天然地震方法震源激發(fā)能量強(qiáng)、探測(cè)尺度大，是大區(qū)域、大尺度地殼、地幔結(jié)構(gòu)的主要探測(cè)方式。

但由于震源定位、發(fā)震時(shí)刻確定都存在一定誤差，且觀測(cè)臺(tái)距離較大，使天然地震方法成像分辨率很低，垂向分辨率低達(dá)1～3 km。

1.2.2 人工地震觀測(cè)法

人工震源方法主要包括深地震探測(cè)技術(shù)和地震反射剖面技術(shù)，它們具有震源位置及起震時(shí)刻準(zhǔn)確，可對(duì)地殼和上地幔的速度結(jié)構(gòu)等物理屬性及殼內(nèi)物性界面進(jìn)行精細(xì)刻畫的能力。

1.2.2.1 深地震探測(cè)技術(shù)

深地震探測(cè)是研究深達(dá)幾十公里的地殼構(gòu)造的一種低頻地震勘探技術(shù)。其工作原理采用折射波法或反射波法，觀測(cè)系統(tǒng)采用了點(diǎn)式觀測(cè)或連續(xù)觀測(cè)［11］。由于勘測(cè)深度大，震源點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離可達(dá)數(shù)百公里，采集參數(shù)一般為：炮點(diǎn)距40～160 km不等, 接收點(diǎn)距4～6 km，排列長度100～220 km。多井組合激發(fā)，井深20～40 m 之間，藥量高達(dá)80～200 kg。可見該方法分辨率低，勘探地質(zhì)目標(biāo)尺度數(shù)百米及數(shù)公里。

1.2.2.2 地震反射剖面方法

地震反射剖面方法主要用于油氣勘探，利用地震反射剖面法探測(cè)油氣勘探以外的深部地質(zhì)目標(biāo)的方法，定義為深地震反射剖面法。其工作原理主要應(yīng)用地震反射波法，觀測(cè)系統(tǒng)采用連續(xù)觀測(cè)，具有接收點(diǎn)距小、探測(cè)深度范圍大、分辨率高、準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)，勘探地質(zhì)目標(biāo)尺度數(shù)米至數(shù)十米。利用深地震反射剖面探測(cè)方法，尋找和開發(fā)油氣藏，研究巖石圈的形成和演化、莫霍界面構(gòu)造、地球動(dòng)力學(xué)過程、淺中深構(gòu)造關(guān)系及地震災(zāi)害預(yù)測(cè)，具有其它方法無可替代的優(yōu)勢(shì)，是已被國際地學(xué)界公認(rèn)的主要技術(shù)手段和有效方法［12］。

2 四川盆地超深地震大剖面勘探進(jìn)展

四川盆地康納德界面和莫霍界面，埋藏深度均大于20 km。針對(duì)四川盆地超深地質(zhì)目標(biāo)進(jìn)行地震資料采集工程項(xiàng)目較少，現(xiàn)有的成熟地震探測(cè)方法，如觀測(cè)系統(tǒng)、激發(fā)接收方式等采集技術(shù)和參數(shù)，能否完全應(yīng)用于超深層地震探測(cè)，目前還處于探索階段。為了獲得四川盆地中部和盆周的基底—莫霍界面反射，近年來部署了兩條超深地震大剖面，即2009HN 測(cè)線和2018GJ 測(cè)線（圖1），記錄長度達(dá)26 s。

圖1 四川盆地深超地震大剖面位置

2009HN 測(cè)線位于四川盆地中部，滿覆蓋測(cè)線長度200 km。地震地質(zhì)條件好，地面出露地層白堊系K、侏羅系J 砂泥巖及少量第四系Q 河道礫石層，地下構(gòu)造形態(tài)平緩簡單，采用特殊觀測(cè)系統(tǒng)模式，即采用（小排列-小藥量-中間激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)+大排列-中藥量-中間激發(fā)）+（超大排列-大藥量-單邊激發(fā)聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)）采集方式，兩串檢波器垂直測(cè)線組合接收。2018GJ測(cè)線西段位于川中東北部，越過華鎣山北段, 滿覆蓋測(cè)線長度72 km。地表主要出露侏羅系地層泥巖、泥質(zhì)砂巖，地震地質(zhì)條件較好；測(cè)線東段位于華鎣山構(gòu)造北段，構(gòu)造頂部出露中下三疊統(tǒng)灰?guī)r，地震地質(zhì)條件相對(duì)較差。為了驗(yàn)證常規(guī)地震勘探方法能否獲得四川盆地中部基底-莫霍界面反射，2018GJ測(cè)線采用小排列-小藥量-中間激發(fā)觀測(cè)系統(tǒng)，單點(diǎn)數(shù)字檢波器接收。

四川盆地為華南揚(yáng)子地臺(tái)西部，屬于大型克拉通沉積盆地，地層及速度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此，四川盆地沉積蓋層—莫霍面的各層系的反射特征是穩(wěn)定的。若地震剖面特征發(fā)生較大的變化，在處理方法和技術(shù)相同的條件下，主要是受地震采集參數(shù)（覆蓋次數(shù)、最大炮檢距、藥量及井深等）和地表地震地質(zhì)條件的影響。

從兩條超深地震勘探單炮記錄資料（圖2）可以看出，地震時(shí)間0～5 s 內(nèi)沉積蓋層反射均能得到較好資料品質(zhì)，同相軸反射清晰，層間信息豐富，淺井小藥量分辨率更高（圖2c）；6～9 s 基底—地殼內(nèi)部反射界面可見反射信息，但信噪比低，深井大藥量激發(fā)更有利于地震波能量下傳（圖2b、圖2d），長排列接收遠(yuǎn)偏移距信息更豐富，同相軸更連續(xù)；13～15 s莫霍界面反射時(shí)窗，原始單炮記錄信噪比極低，難見有效反射，但大藥量激發(fā)單炮記錄可見雜亂能量帶。

圖2 四川盆地深超地震勘探新老單炮資料對(duì)比

對(duì)比兩條超深大剖面效果（圖3），6 s 以上沉積蓋層均能得到較好反射，滿足油氣勘探需求。6 s以下記錄，2009HN超深層反射明顯好于2018GJ線，獲得沉積蓋層、巖石圈及莫霍界面的深部地震信息，表明要得到好質(zhì)量超深層反射，應(yīng)該設(shè)計(jì)有針對(duì)性的采集參數(shù)，做到“有的放矢”。

圖3 兩條超深地震大剖面對(duì)比（疊前偏移時(shí)間剖面）

3 超深地震反射剖面與非人工地震剖面比較

沉積蓋層（基底）、康納德界面、莫霍界面在超深地震大剖面、寬頻天然地震S 波速度剖面和大地深測(cè)二維電阻率反演剖面都有響應(yīng)（圖4），前兩者均能反映出四川盆地中部地殼三大界面“基底、康納德界面、莫霍界面”，后者分辨率低，莫霍界面不易于識(shí)別。地震剖面分辨率更高，地殼三大層（沉積蓋層、基底—康納德界面、康納德界面—莫霍界面）內(nèi)部構(gòu)造細(xì)節(jié)更精確，在射洪與潼南之間，超深地震大剖面上莫霍界面為不連續(xù)界面，反射同向軸錯(cuò)斷，可解釋為具有地質(zhì)意義的逆沖斷層，而大地深測(cè)S波速度剖面為連續(xù)光滑的界面。因此超深地震剖面采集技術(shù)，可用于超深層巖石圈探測(cè)，能獲得四川盆地的深部莫霍界面有效地震反射信息，具有天然地震和非地震勘探方法所不具備的勘探精度，為研究地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征及地球物理性質(zhì)等學(xué)科，提供了豐富詳實(shí)的基礎(chǔ)資料。

圖4 超深地震反射剖面與非人工地震剖面比較

4 超深地震反射剖面的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究

通過地震相分析深地震反射剖面反射特征和疊加地震縱波速度剖面（圖5、圖6），獲得了四川盆地中部沉積蓋層—莫霍界面間地震反射層系，全景式地再現(xiàn)了四川盆地中部巖石圈結(jié)構(gòu)具明顯的3個(gè)界面、4大層系，即沉積蓋層、上地殼和下地殼、上地幔。各大層構(gòu)造形態(tài)變化大，相互制約。根據(jù)速度剖面和地震反射特征，以莫霍界面為界，將四川盆地中部巖石圈分為三層，即沉積蓋層、上地殼和下地殼。

圖5 2009HN地震反射大剖面及地質(zhì)解釋

圖6 疊加地震縱波速度剖面及地質(zhì)解釋

4.1 沉積蓋層

在2009HN 地震反射大剖面上，四川盆地中部新生界—古生界—元古界南華地層的反射特征清楚，能量強(qiáng)、成層性好、頻率較高，同相軸能連續(xù)追蹤對(duì)比。四川盆地中部經(jīng)歷的桐灣、加里東、東吳、印支、燕山、喜山等主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在2009HN 地震反射大剖面上均有反映，以升降運(yùn)動(dòng)為主，形成低角度的不整合，沉積蓋層速度4.0～6.3 km/s。

4.2 康納德界面

康納德界面是上地殼與下地殼的重要分界面。上地殼稱為硅鋁層（或花崗巖層）,下地殼稱為硅鎂層（或玄武巖層）。四川盆地中部是否存在康納德界面，一直沒有定論［12］。通過地震相和巖石相分析，從北西到南東，在深度10～25 km 范圍內(nèi)，有一明顯分界線呈波浪起伏抬升，上、下反射層波形特征差異明顯（圖7），上層為平行或亞平行的中—強(qiáng)反射, 反射特征較穩(wěn)定，其頻率較沉積蓋層反射的相對(duì)低，同相軸連續(xù)性較好，速度結(jié)構(gòu)在6.4～6.7 km/s 變化。下層為雜亂或雪花的弱反射，反射特征不穩(wěn)定，反射層斜交和雜亂，褶皺、斷裂發(fā)育，同相軸連續(xù)性較差，具有“穿刺”現(xiàn)象，與圍巖反射特征存在明顯差異，與上地殼反射呈“角度不整合”，速度結(jié)構(gòu)在6.5～7.5 km/s 變化。初步分析認(rèn)為，四川盆地中部存在康納德界面，其康納德界面埋藏深度15～25 km，基底至康納德界面之間上地殼厚度8～18 km。

圖7 康納德界面上、下地殼地震反射特征

4.3 莫霍界面

上世紀(jì)50年代采用重磁電物探方法，已證實(shí)四川盆地莫霍界面存在，但因勘探方法精度低，其埋藏深度、起伏形態(tài)及規(guī)模存在較大的不確定性。地震反射剖面表明地殼與地幔存在較大密度及速度差異，存在明顯波阻抗界面，為莫霍界面的研究提供了有利的地球物理參數(shù)基礎(chǔ)，從北西到南東，莫霍界面構(gòu)造形態(tài)總體趨勢(shì)是下傾的單斜，呈波浪起伏下傾，深度變化36～68 km。在下傾單斜背景上，莫霍界面斷裂發(fā)育，斷裂性質(zhì)為逆沖斷層，主要斷裂有安縣斷裂、綿陽斷裂、中江斷裂、三臺(tái)斷裂、遂寧斷裂及潼南斷裂，其中安縣斷裂是龍門山斷裂帶最西邊的隱伏斷裂，傾向NW，是控制四川盆地中部西端的邊界斷層。因該剖面測(cè)線較短，控制四川盆地中部東端的莫霍界面邊界斷層，目前尚不能確定。

5 結(jié)論

（1）超深層地震勘探技術(shù)是在油氣勘探方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，也是解決深部地質(zhì)問題和探測(cè)巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)的有效途徑。采用物探方法對(duì)超深層、莫霍界面進(jìn)行調(diào)查，深地震反射剖面方法精度高于深地震探測(cè)法和寬頻天然地震觀測(cè)法，地震勘探精度高于非地震（重力、磁力、電法）勘探精度。

（2）應(yīng)用地震勘探多次覆蓋疊加技術(shù)，采用“小藥量-小排列”、“中藥量-大排列”與“大藥量-超大排列”的聯(lián)合采集方式，通過常規(guī)地震資料處理流程和方法，可以獲得較高質(zhì)量的超深層及莫霍界面地震反射資料。

（3）四川盆地中部莫霍面斷裂發(fā)育，對(duì)天然地震誘發(fā)有一定控制作用。