基于聲波時差法恢復延安地區白堊紀末期剝蝕量

謝 沖，張鳳奇，李艷霞，謝紅兵

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，陜西西安 710065；3.北京中科鑫宇科技發展有限公司，北京 100083）

地層剝蝕量恢復是研究含油氣盆地埋藏史、熱史和油氣成藏史的基礎工作，長期以來都是含油氣盆地分析的熱點和重點問題[1-2]。地層剝蝕現象在沉積盆地中普遍存在，對沉積盆地中油氣的生成、運移和保存具有重要影響[3-4]。適宜的構造運動有利于形成構造圈閉，成為油氣運移和聚集的有利場所；而強烈的構造運動則會造成地層嚴重剝蝕，破壞油氣的保存條件，從而會導致油氣泄漏。因此，恢復地層剝蝕量對研究盆地構造演化史和油氣成藏機理具有重要意義[2，5]。

延安地區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南緣，該地區內部構造簡單，少有斷層或鼻狀構造。目前各學者對延安地區的研究主要集中于沉積模式[6]、儲層物性特征[7-10]、巖相特征[11]、成藏模式[12]等方面，但對于剝蝕量恢復的研究較少。根據已有的研究表明，陜北斜坡自中生代以來，主要發生了四期不均勻抬升與剝蝕事件，分別是三疊世末期、早侏羅世末期、中侏羅世末期和白堊紀末期，前三期剝蝕量均較小，后一期剝蝕量較大[13]。前人分別采用聲波時差法、地層對比法[13]和鏡質體反射率法[14]對鄂爾多斯盆地四期不均勻抬升事件導致的地層剝蝕量進行了計算，但對延安地區白堊紀末期的地層剝蝕量至今仍缺乏精細研究。為此，本文利用60口井的鉆井、測井、錄井等資料，選取了聲波時差法定量恢復了延安地區白堊紀末期的地層剝蝕量，總結了延安地區剝蝕量分布規律。該研究成果可為該區油氣勘探及資源評價提供依據。

1 方法原理及其適用性

1.1 方法的選擇

目前，國內外能夠用于恢復地層剝蝕量的方法眾多[1，15-17]，歸納起來主要分為四類：（1）地球物理學類，包含聲波時差法[16，18-22]、孔隙度法等[23-24]；（2）地質學類，包含地層對比法[20，25-26]、沉積速率法、沉積波動分析法等[27-28]；（3）地熱學類，包含鏡質體反射率法[2-3，29-31]、流體包裹體法[32-35]、磷灰石裂變徑跡法等[36-38]；（4）地球化學類，包含天然氣平衡濃度法、宇宙成因核素法等[39]。

雖然恢復地層剝蝕量的方法眾多，但是這些恢復剝蝕量的方法往往有著自身的局限性，需要在一定的地質條件下才能夠進行操作應用。基于聲波時差法具有應用原理成熟可靠，獲取資料迅速，操作步驟簡單易行等特點，因此本文選擇應用聲波時差法對白堊系地層的剝蝕量進行估算。

1.2 聲波時差法及其原理

泥巖壓實外推法是MAGARA[40]在1976 年提出的一種方法，認為用泥巖聲波時差法恢復剝蝕量時聲波時差與地層埋深的關系可以用下式表征：

式中：Δt0-研究區的地表聲波時差值，理論值為600～650 μs/m，針對一個地區，可根據正常壓實趨勢線向上外推至地表求得；Δt-深度H 處的泥巖聲波時差值，μs/m；C-正常壓實曲線斜率；H-泥巖埋深，m。

聲波時差法的原理為：在地層有剝蝕的區域，當剝蝕面以上沉積物的厚度小于地層被剝蝕的厚度時，將剝蝕面以下泥巖的壓實趨勢線向上外延至古地表（原始地表）Δt0處，古地表與剝蝕面之間的距離為所求的剝蝕量[41]（圖1）。

圖1 聲波時差法推算地層剝蝕量原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the principle of calculating the amount of erosion by interval transit time method

1.3 適用條件

該方法的使用需要滿足一定的適用性要求。一般情況下，使用該方法的前提條件是剝蝕面上部的新地層對其以下殘留地層所施加的壓力應小于或等于被剝蝕地層在剝蝕前對殘留地層所施加的壓力，其目的是為了保證下部殘留地層的泥巖壓實曲線特征沒有受到破壞和改造。當剝蝕面上部新沉積的地層厚度大于下部殘留地層的厚度時，這種情況下可以依據上部新地層的壓實曲線斜率（C1）與下部殘留地層的壓實曲線斜率（C2）的關系來進行判定。

（1）當C2=C1時，下部地層的壓實率C2位于上部地層壓實率C1左側或在同一條直線上時可以使用聲波時差法恢復剝蝕量。

（2）當C2>C1時，可以使用聲波時差法恢復剝蝕量。

（3）當C2

從研究區鉆井資料可得，在白堊系上部新沉積的地層厚度在350 m 上下，其沉積厚度遠遠小于其已經被剝蝕掉的地層厚度。因此可以選用聲波時差法恢復剝蝕量。鄂爾多斯盆地延安地區地表聲波時差一般取600 μs/m[13，42]。

2 實例分析

2.1 鄂爾多斯盆地延安地區地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺的西部，面積約為25×104km2。依據盆地的現今構造形態，可將鄂爾多斯盆地劃分為六個一級構造單元，分別為北部的伊盟隆起、南部的渭北隆起、西部的天環坳陷和西緣逆沖帶、東部的晉西撓褶帶、中部的陜北斜坡（伊陜斜坡）。陜北斜坡作為盆地內最大的一個構造單元，面積約為9×104km2。延安地區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南緣，地跨陜西省延安市、志丹縣、延長縣、甘泉縣和富縣等地區，面積約為3.3×104km2。地面的平均海拔在1 000～2 000 m，相對高差在100～500 m。該地區內部構造簡單，地層相對平緩，為向西傾伏且傾角不到1°的單斜構造。

2.2 聲波時差法恢復剝蝕量

由于延安地區位于鄂爾多斯盆地的東部，而對于盆地東部地區來講，該地區白堊統的地層厚度較薄甚至已經被剝蝕，能夠制作的泥巖壓實曲線少且短，僅僅使用這些數據想要得到比較準確的白堊紀末期的剝蝕量是很難的，因為白堊系與它的下部地層（主要指代的是三疊系-侏羅系）之間存在著沉積間斷（不連續），但通過研究區的大量實際資料得到在該間斷期后的下白堊統沉積比較厚的地層區域，它的下部地層處于一個超補償的狀態。在間斷前下部地層在上部地層白堊系的荷載壓實作用下，壓實程度和現今地層目前的實際壓實情況已無太大差別，并且在后期也沒有遭到破壞。因此，恢復延安地區白堊紀末期的剝蝕量也可利用下部地層三疊系-侏羅系的泥巖正常壓實曲線進行求出[42]。使用聲波時差法恢復地層剝蝕量的關鍵是讀值和泥巖段的準確選取。結合鉆井、測井與錄井等資料，選擇延安地區60 口井的較純泥巖層，采集聲波時差數據進行制作泥巖壓實曲線。采集聲波時差數據時遵循以下3條原則：（1）讀取數據時應避免薄層泥巖段，應選取厚度大于5 m 的純泥巖段；（2）為了避免誤差，應讀取被選泥巖段聲波時差平均值；（3）讀取的泥巖段不能有明顯的井徑擴大現象，因為井徑擴大會造成聲波時差相應增大。

以WY1 井為例對單井恢復進行說明（圖2）。選取白堊系中的正常壓實段進行線性回歸擬合，將其泥巖壓實趨勢線向上外推與對數橫坐標相交于600 μs/m（600 μs/m 為地表聲波時差），將此點繼續向上順其延伸即為古地表（原始地表），現今殘留的下白堊統地層頂面到原始地表之間的垂直距離即為所求的地層剝蝕量，可以通過該單井恢復圖的深度縱坐標直接讀出剝蝕量值，為了確保求出的剝蝕量值正確合理，筆者使用了泥巖壓實曲線的聲波時差（AC）和埋深（H）方程式進行了計算，WY1 井泥巖壓實曲線的線性公式為y=-1.834 3x+874.89，其中：x-地表聲波時差；y-現今地表至古地表的厚度，將x=600 μs/m 代入y=-1.834 3x+874.89 計算后得到y 等于226 m，而WY1 井第四系地層厚度為240 m，兩者相加為466 m，即可計算得到WY1 井地層剝蝕量為466 m。相關系數為0.901 5，相關性較高。采用同樣的方法對研究區60 口探井的單井剝蝕量進行了恢復。

圖2 延安地區WY1 井地層剝蝕量估算Fig.2 Estimation of formation erosion of well WY1 in Yan'an area

2.3 連井對比

根據研究區部分單井聲波時差-深度回歸方程（表1）和恢復的剝蝕量圖（圖3），以南西-北東、北西-南東方向兩條剖面為例，南西-北東方向選取的單井FY2井、YY10 井、X57 井、Y311 井、YY3 井，求取的剝蝕量分別為791 m、897 m、1 038 m、1 371 m、1 453 m；北西-南東方向選取的單井YY2 井、YY508 井、YY509井、Y310 井、YY20 井，求取的剝蝕量分別為614 m、985 m、1 062 m、1 349 m、1 624 m；可以看出南西-北東方向的地層剝蝕量從791 m 增大到了1 453 m，北西-南東方向的地層剝蝕量從614 m 增大到了1 624 m，可以得到研究區剝蝕量自西向東是逐漸增大的，反映出延安地區剝蝕量呈現自西向東逐漸增大的趨勢。

圖3 聲波時差法恢復延安地區地層剝蝕量Fig.3 Recovery of strata erosion in Yan'an area by interval transit time method

表1 延安地區部分探井聲波時差-深度回歸方程Tab.1 Acoustic transit time-depth regression equation of some exploration wells in Yan'an area

2.4 剝蝕量平面分布特征

本文通過對延安地區60 口探井的單井剝蝕量估算分析，得到了該地區白堊紀末期的地層剝蝕總量。研究區白堊紀末期的剝蝕量具有以下規律：靠研究區西部邊界，剝蝕量由西向東是逐漸增大的，分布在400～1 800 m。剝蝕量較大的區域在清澗、延川、延長等東部區域及宜川的東南部區域，地層剝蝕量可高達1 300 m 以上，在志丹以西區域，地層剝蝕量逐漸降低，在400 m 以下，恢復結果反映出延安地區白堊紀末期東部遭受剝蝕較強，向西逐漸減弱的總體格局。

2.5 不同方法估算結果對比

本文估算結果與已有文獻相比較，延安地區白堊紀末期地層剝蝕的分布與強度與前人得出的結果較一致，即呈現由西向東剝蝕量逐漸增大的趨勢。如翁望飛等[42]利用聲波時差法計算得出鄂爾多斯盆地東部、東南部剝蝕量最大，為1 400 m 以上，且向西逐漸減小。黃志剛[43]利用聲波時差、EASY%Ro 等方法恢復了鄂爾多斯盆地東南緣中生代晚期以來的剝蝕量，認為其東部剝蝕量較大，最大可達到2 000 m 以上。陳瑞銀等[13]以地層對比法為主，結合聲波時差法，認為鄂爾多斯盆地地層剝蝕量由西往東是逐漸增大的，在東部地區剝蝕量達到1 200 m 以上。高勝利等[14]利用鏡質體反射率法恢復剝蝕量，認為鄂爾多斯盆地東部剝蝕量較大、東南部剝蝕量最大，達到1 400 m 以上。任戰利[44]利用鏡質體反射率法、流體包裹體法、磷灰石裂變徑跡法等方法研究了鄂爾多斯盆地的熱演化史，認為白堊紀沉積之后的剝蝕量在陜北斜坡較大，在1 000～2 000 m。從上述前人的研究成果來看，計算結果或大或小存在著一定的差異，但整體上都體現出該研究區在白堊紀末期的剝蝕量較大，且在該研究區的整體趨勢是西部剝蝕量較小，東部剝蝕量較大的特征。計算結果存在差異，分析其原因主要包括兩個方面。第一個原因是選取的剝蝕量恢復方法不同，學者分別采用了聲波時差法、EASY%Ro、地層對比法、鏡質體反射率法、流體包裹體法、磷灰石裂變徑跡法等方法對盆地東部的剝蝕量進行了恢復估算，不同方法之間存在優劣性，最后得出的計算結果也會稍有差異；第二個原因是巖層本身性質影響，聲波時差測井曲線幅度值的大小與地層的巖性、孔隙、密度等因素關系密切[42]，這些因素都會對聲波時差數據的準確性產生影響，從而會對最終的剝蝕量恢復結果產生影響。

3 結論

利用聲波時差法恢復延安地區白堊紀末期的地層剝蝕量，同時利用連井對比驗證，恢復結果是可信的。結果表明：鄂爾多斯盆地延安地區白堊紀末期的剝蝕強度大致可分為東部的強剝蝕區和西部的弱剝蝕區，主要分布在400～1 800 m。延安地區剝蝕量較大的區域在清澗、延川、延長等東部區域，地層剝蝕量在1 300 m 以上，由東往西剝蝕量逐漸降低，降低為400 m以下。反映出延安地區白堊紀末期的剝蝕強度呈現東部剝蝕較強，西部剝蝕程度較弱的特征。