希爾伯特-黃變換在淺海沉積體系地震精細識別刻畫中的應用

魯銀濤，曹曉初，冉偉民，欒錫武，許小勇，李東，楊濤濤，邵大力，魏新元

( 1. 中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州 310023；2. 中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266237；4. 中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100)

1 引言

淺海、海陸過渡相沉積體系一般發育復雜網狀水下分支河道系統，這類水下分支河道往往規模小、數量大、期次多、切割關系復雜，常規的地震資料較難識別這類沉積體系的邊界和空間展布特征。由于垂向、側向遷移快，沉積結構單元的空間展布特征復雜，對有利儲集體空間展布的刻畫存在較大困難[1-4]。現今對這類沉積體系的研究主要基于地震資料，所以對沉積體系的空間展布特征的刻畫很大程度地受限于地震資料的品質[5-7]。

希爾伯特-黃變換（HHT）是一種處理復雜的非線性、非平穩地震信號的工具[8-10]。針對復雜地震信號進行時頻分析，HHT 能夠有效提高地震資料分辨率、地震瞬時屬性、消除噪聲，對識別隱蔽型地質體、小型沉積體、小斷裂等具有很好的效果[11-12]，特別是對檢測地質體邊緣具有較高的實用性。HHT 通過經驗模態分解（EMD）方法將信號分解成有限個固有模態函數（IMF）分量之和，根據有效波和噪聲分布在不同的分辨尺度范圍內進行數據重構，提高地震資料品質；或者對IMF 分量進行希爾伯特變換求取其瞬時函數[12]，得到高品質地震屬性，識別地質體。

本文針對西納土納盆地淺海相沉積中的小型分支河道開展識別研究，旨在刻畫水下分支河道的平面展布特征。在常規三維地震資料的基礎上，通過HHT對三維疊后地震資料進行重新處理，提高了地震分辨率，有助于在地震剖面上識別河道的邊界；通過對HHT 變換后的三維地震提取瞬時地震屬性，河道的平面展布特征在屬性圖上更加清晰。與常規地震屬性對比，經過 HHT 的地震資料對沉積體系的精細刻畫研究提供了更高分辨率的地震數據。

2 區域地質背景

研究區位于馬來盆地與西納土納盆地交匯處（圖1）。晚始新世至早漸新世，研究區由于受印澳聯合板塊與歐亞板塊的相互擠壓，形成SE 向走滑運動，導致該區發生陸內斷陷作用[13-18]，發育一系列NW-SE 向地塹-半地塹，發育裂陷期沉積，沉積以湖相沉積為主，是烴源巖發育主要層系，研究區就位于該地塹-半地塹體系的東緣[19-21]；而后早漸新世-晚漸新世，構造作用很弱，發育后裂陷期沉積，以沉積河流相（砂巖為主）與湖相（泥頁巖為主）交互沉積地層為主，是儲層發育主要層系，期間發育的湖相泥巖是比較好的層間蓋層[22-25]；晚漸新世-中中新世，南海擴張停止導致該區域由前期拉張應力場改變為擠壓和壓扭應力場環境[26-27]。NW-SE 向的擠壓應力場重新激活了裂谷期的控盆斷裂并使其發生反轉，形成一系列NE-SW 方向的反轉構造[28-30]，使沉積地層向上抬升，發育大型不整合界面，發育反轉期沉積，主要由一系列海進海退旋回沉積組成，沉積環境從湖相到濱淺海相再到含煤層較多的海陸過渡相變化；中中新世后，構造相對穩定，發育后反轉期沉積，主要發育濱淺海相-海陸過渡相沉積[25-28]（圖1）。

圖1 研究區構造位置及綜合地層柱狀圖[13-20]Fig. 1 The location and comprehensive stratigraphic histogram of the study area [13-20]

本文研究目標主要集中在上新世-更新世的后反轉期沉積層，該時期構造活動穩定，發育濱淺海相沉積，水下分支河道發育，多期疊置特征復雜，是刻畫河道沉積結構單元的有利層段。

3 數據和方法

3.1 地震資料特征

本次研究使用的三維地震數據為疊后時間域地震數據，主頻約30 Hz，主頻較低，頻帶較窄（圖2）。研究目的層上新統-全新統地層對應地震剖面上0.5 s以上層段，構造相對穩定，發育上新統-更新統海陸過渡相沉積，以水下分支河道為主（圖3）。該層段地震剖面主要呈平行-亞平行強弱相間的反射特征，夾弱反射地震反射體（圖4）。

圖2 原始地震資料頻譜（藍線）與HHT 變換后第一分量地震頻譜（紅線）對比（振幅歸一化處理）Fig. 2 Comparison between the spectrum of original seismic data (blue line) and the spectrum of the first component after HHT transformation (red line) （amplitude normalization）

圖3 研究區三維原始疊后地震資料0.3 s 等時切片（A 為振幅切片，B 為相干切片）Fig. 3 0.3 s isochronous slice of 3D original post stack seismic data in the study area (A is amplitude slice and B is coherent slice)

這些弱反射地震反射體為下分支河道，在地震剖面上表現為地震反射特征雜亂、不連續，且振幅變弱。水下分支河道底界在地震剖面上有明顯的河道下切侵蝕特征（圖4），呈“U”型、“V”型或“W”型的強振幅反射；而水道頂面為水平狀強振幅反射特征；水道內部為弱振幅-空白反射，頻率較低，這種反射特征可能與充填物有關，巖性較均一的沉積物導致波阻抗差異較小，不易形成波阻抗界面，所以整體呈較均一反射，呈弱振幅甚至空白反射。基于原始疊后地震資料，盡管識別出河道大致形態，但受限于地震資料分辨率影響，河道與圍巖的邊界仍刻畫不清，且多期河道發育交錯切割關系及其內部精細充填特征仍不明確，需要進一步提高地震資料分辨率進行精細特征研究。

3.2 希爾伯特-黃變換

希爾伯特-黃變換時頻分析方法是黃變換與希爾伯特變換的結合算法，黃變換可將原始信號自適應地分解成一系列本征模態函數分量（圖5），對這些本征模態函數分量進行希爾伯特變換就可以獲得有意義的瞬時頻率，從而給出頻率隨時間變化的精確表達[3-12,31-33]。由于相比較小波變換提取的分量，黃變換分解的本征模態函數分量在頻率成分方面更加純凈，是一種較優越的信號分解算法，黃變換被廣泛運用在信號處理中[3-12,31-33]。結合希爾伯特變換后，HHT 具有很好的時頻分辨能力，在地震屬性剖面提取方面的應用有助于對原始剖面中的細微構造特征或巖性界面進行較好的分辨和驗證，在含噪地震數據的噪聲剔除方面能夠進一步得到信噪比品質較好的地震剖面，有利于對地下地層的正確識別[3-7,11-12]。所以，HHT 變換現在被廣泛地運用在疊后地震資料處理上。

圖5 理論信號黃分解本征模態分量圖Fig. 5 Eigenmode component diagram of theoretical signal Huang transform

4 HHT 效果

經HHT 后，信號頻率有了明顯增高，主頻提高至50 Hz 左右，且頻帶寬度明顯增加（圖2）。經HHT的IMF1 分量具有高頻優勢，分辨率明顯增高，有助于表征薄層信息，特別能夠反映巖性變化的細節特征。在砂泥巖互層的淺海、海陸過渡相沉積體系下，HHT 后的地震數據能夠檢測薄層砂泥巖巖性變化的特征，能有效檢測沉積體的邊緣，區分水下分支河道和圍巖的邊界和砂泥巖沉積界面，為識別多期河道、刻畫河道橫向遷移、垂向疊置等特征提供了地震資料基礎。

由HHT 第一分量即高頻分量（IMF1）結果可見（圖6），雖然由于原始疊后地震資料弱振幅和空白反射范圍較大，導致了經HHT 后的第一分量也存在局部的空白反射和弱振幅反射帶，但是整體來看，經HHT后的IMF1 分量整體頻率有了明顯的提高，直觀上表現為地震反射同相軸的數量有了明顯的增加。比較原始疊后地震資料可見，在原始疊后地震資料上表現為空白反射的區域，有了強弱交替的地震反射波組出現，反映了砂泥巖巖性變化的特征。特別是在水道內部，由原始地震剖面上呈弱振幅-空白反射區增強為內部“V”型和“U”型充填反射特征，反映了河道內部多期充填變化過程。

通過對比原始疊后地震剖面和HHT 變換后的地震剖面，HHT 變換后的地震剖面無論是在地震反射連續性和頻率上都有了明顯的提高。對比過水下分支河道的地震剖面（圖6，圖7），HHT 后的地震剖面上，河道頂底面的強反射仍然清晰，同時，能夠追溯河道在橫向上的延伸范圍，可較清楚地識別河道內部層狀充填與河道邊緣楔狀反射特征，確定河道砂體尖滅位置。

圖6 過水下分支河道地震剖面HHT 第一分量結果Fig. 6 HHT first component results of underwater branch channel seismic profile

圖7 HHT 變換后地震剖面（b）與原始疊后地震剖面（a）河道內部充填細節對比（位置見圖4 和圖6）Fig. 7 Comparison of filling details between HHT transformed seismic profile (b) and original post stack seismic profile (a) (see Fig. 4 and Fig. 6 for location)

除了河道內部反射有了較大提高外，圍巖的反射特征也有了較大程度地提高，原始地震剖面上不連續的反射體能夠連續追蹤，同時，原本振幅較弱或者空白反射區域，代表巖性變化不大或者巖性較均一的層段，出現了高頻的地震反射體，說明這些層段和區域的巖性有細微的變化，符合淺海相、海陸過渡相沉積的特征。

5 水下分支河道地震剖面特征

利用HHT 后的地震剖面仔細追蹤上述地震剖面所橫切的河道，有明顯的底面侵蝕特征，通過主河道內部波組特征與相互間的切割交錯關系，能夠識別5 個不同期次河道發育特征反射體（圖8）。

圖8 河道地震剖面解釋成果圖與水道發育剖面模式Fig. 8 Interpretation results of channel seismic profile and the development model of channel

一般來講，水下分流河道與辮狀河道特征相似，具有垂向加積、側向遷移、透鏡體疊置等典型地震反射特征[2,17]。在橫切分流河道的地震剖面上，除有典型的侵蝕下切特征外，一般表現為雙向上超調整，或明顯的“底凹頂平”特征，期內部多為強振幅反射，為雙向上超充填地震相模式，頂部被上覆泥巖地層所覆蓋。在河道拐角部位，由于側向侵蝕，凹岸一側產生側向侵蝕，把泥砂帶到凸岸，由凸岸向凹岸傾斜向上發生堆積，砂巖超覆于泥巖之上，形成泥夾砂沉積，后期被上覆的泥巖所覆蓋，形成巖性圈閉，在地震剖面上表現為典型單項上超充填地震相。正是由于側向侵蝕的存在，使得水下分流河道側向遷移，并且頻繁改道。由于頻繁遷移，在水下分流河道分支交匯處，往往在若干個以泥巖為主的圍巖背景中發育多個透鏡體且相互疊置。透鏡體在地震剖面上表現為弱振幅-空白反射背景下的一段孤立的、能量向兩側迅速減弱的強振幅弧狀地震相。強振幅反射體代表河道砂體，弱振幅-空白反射體代表河道間的富泥質沉積[2]。

從地震剖面上可識別，一期河道規模較大，河道寬度較大，下切深度也較深，呈一“V”字形態，說明改期是河道發育鼎盛期，建造了整個多期河道體系的格架。之后，二期河道在該處繼承性發育，對一期河道充填沉積具有侵蝕作用，發育較清晰的侵蝕底界。二期河道在寬度和深度上均較一期河道小很多，呈“U”型疊置在一期河道內。三期河道發生了明顯的側向遷移，向南改道，并且對一期河道和二期河道均有明顯的侵蝕，呈“V”型發育在一期河道充填內。三期河道由于向南遷移，侵蝕了二期河道的南部邊界，但是規模發生了較大程度的萎縮。四期河道向北遷移，呈“U”型，發育位置與二期河道相當，寬度也與二期河道相近，但深度較二期河道淺，對二期河道也有侵蝕作用，二者之間存在清晰界面；該期河道對三期河道北側有侵蝕作用，導致三期河道北側邊緣缺失。五期河道繼續向北遷移，是該多期河道體系的最末期，也是最北端的河道單元。改期河道寬度較小，呈“U”字型，對四期、二期、一期河道均有侵蝕作用，導致了二期、四期河道的北部邊緣缺失。

6 水下分支河道剖面展布特征

地震剖面上，水下分支河道初始發育在雙程走時（TWT）0.3 s 層段，通過等時切片可以展示上新統-全新統水下分支河道平面展布特征。0.3 s TWT 地震振幅和相干屬性等時切片上可觀察到，該時期水下分支河道呈復雜網狀：研究區中部發育一條相對大型的主水道，呈NE-SW 向展布，其他水道寬度較小，主要呈NE-SW、近E-W、NW-SE 向展布。基于HHT 后的地震數據體提取的地震屬性刻畫了水下分支河道沉積體系的細節特征，如水道的延續、水道的切割關系等（圖9）；另外，一些在原始地震數據上忽略的小型河道，在HHT 后的地震數據提取的地震屬性上被展現了出來。而且相干屬性體較振幅屬性更加清晰地刻畫了水下分支河道平面展布特征。

通過HHT 后的地震等時切片和相干切片可觀察到（圖9），上新統-全新統水下分支河道體系呈“多向、多支、多態”分布特征。“多向”是指河道具有多個延伸方向，如研究區中部河道以NE-SW 向為主；研究區北部以NW-SE 向為主；研究區南部觀察到一條近N-S 向河道。“多支”是指研究區內發育多條河道外，每條河道還具有多個分支，構成了研究區內的河道網格體系；“多態”是指河道的形態多樣，既有比較平直的河道，也發育曲率比較大的彎曲河道。這種大量水道發育特征說明該時期河道沉積體系非常發育，且可能具有多個源頭，反映該時期研究區可能發育于淺水、近源的沉積環境。

圖9 研究區三維地震HHT 變換第一分量0.3 s 等時切片（a 為振幅切片，b 為相干切片）Fig. 9 Isochronous slice of the first component 0.3 s of HHT transformation of 3D seismic data in the study area(a is amplitude slice and b is coherent slice)

7 結論

通過對研究區地震資料進行HHT，提高了地震分辨率，有助于識別海陸過渡相水下分支河道的邊界。HHT 后的地震剖面展示了沉積體內部反射特征；通過提取HHT 后的三維地震瞬時地震屬性，河道的平面展布特征更加清晰。與常規地震屬性對比，經過HHT 的地震資料對沉積體系的精細刻畫研究提供了更高分辨率的地震數據。

（1）HHT 第一分量整體頻率有了明顯的提高，提高了地震分辨率，解釋了沉積體系的內部細節特征和邊界特征，與原始地震資料相比，更能展示小型水下分支河道的平面展布特征和河道之間的相互切割關系。

（2）HHT 后的地震剖面上，研究區內的典型水下分支河道可識別出5 期發育過程，各期河道底界面具有明顯侵蝕特征，晚期河道侵蝕早期河道，具有多期疊置、側向遷移的特征。

（3）研究區上新統-全新統目的層發育大量水下分支河道，呈復雜網狀結構，具有“多向、多支、多態”的沉積體系特征。與海陸過渡相沉積環境相符，反映了沉積時期研究區可能發育于淺水、近源的沉積環境。

致謝：本文中所使用原始疊后地震數據來自于中油國際（新加坡）公司，在地震資料處理過程中，受到了中國石油杭州地質研究院各級領導的悉心幫助，在此一并感謝！