羌塘盆地凍土帶地震波傳播機理研究

摘要： 隨著勘探開發(fā)技術(shù)的不斷突破，羌塘盆地已成為中國重要的油氣資源潛力區(qū)。羌塘盆地位于青藏高原北部，復雜的地質(zhì)構(gòu)造、大風干擾及特有的常年分布的高原凍土和高寒、缺氧環(huán)境為地震勘探帶來了諸多挑戰(zhàn)。非均勻分布的高速凍土層會屏蔽地震波能量、畸變地震波走時、降低地震資料的信噪比和一致性，如何正確認識地震波在凍土中的傳播機理成為了高原地震勘探的關(guān)鍵問題。首先，針對羌塘盆地的凍土問題，利用高原專用的巖石物理測量設(shè)備現(xiàn)場測量野外凍土的巖石物理彈性參數(shù)，結(jié)合野外認識和實際二維地震反射剖面建立含凍土復雜構(gòu)造模型；其次，通過有限差分彈性波正演模擬研究凍土帶地震波場特征，發(fā)現(xiàn)凍土帶使面波更發(fā)育，影響地震波走時，當直達波場出現(xiàn)“蓋帽”特征時，凍土帶會屏蔽地震反射振幅，導致地震波反射振幅更弱；最后，通過含凍土與無凍土模型的逆時偏移剖面對比，發(fā)現(xiàn)凍土帶以下的地震反射成像能量更弱。凍土帶的地震傳播特征及機理研究結(jié)果為羌塘盆地凍土帶識別、野外地震數(shù)據(jù)采集、凍土帶能量補償和偏移成像等提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞： 羌塘盆地，凍土層，巖石物理，波場模擬，偏移成像

中圖分類號：P631 文獻標識碼：A DOI：10. 13810/j. cnki. issn. 1000-7210. 20230407

0 引言

青藏高原被稱為“世界屋脊”，學者們圍繞其復雜的演化歷史和地質(zhì)結(jié)構(gòu)開展了諸多研究[1]。羌塘盆地位于青藏高原北部[2]，面積約為20 萬km2[3-4]，形成于晚三疊世—中侏羅紀時期[5]，平均海拔為4300 m以上，最高海拔為5500 m。羌塘盆地北臨可可西里—金沙江縫合帶，南依班公湖—怒江縫合帶[6]，包含古生代至新生代地層，記錄了多次構(gòu)造事件[7]，擁有青藏高原最豐富的海相沉積[8]，是中國陸上新區(qū)占地面積最大、油氣勘探程度最低的中生代海相油氣盆地[9]。根據(jù)其“兩坳夾一隆”的特殊地質(zhì)構(gòu)造可以劃分為羌南坳陷、羌北坳陷和中央隆起三個一級構(gòu)造單元。其中，中央隆起帶的形成被認為與整個羌塘盆地的形成有密切聯(lián)系[10]。羌塘盆地發(fā)育在埋深5～15 km 的前震旦紀變質(zhì)基底之上[11]，基底呈現(xiàn)起伏狀態(tài)，盆地西部的基底出露地表，由西向東整體逐漸下降且被巖漿活動破壞[12]。

羌塘盆地有機巖發(fā)育程度高，生物質(zhì)來源豐富，有利于油氣生成和儲集，在油氣發(fā)展前景上備受矚目。近年來，諸多學者闡述了羌塘盆地構(gòu)造特征、地質(zhì)條件、古氣候等因素對盆地各區(qū)域的油氣意義。張琬越[13]研究了北羌塘半島湖地區(qū)的構(gòu)造變形特征，得出半島湖地區(qū)于早白堊世形成圈閉的結(jié)論，再結(jié)合布曲組生烴高峰期與圈閉形成區(qū)配置良好推測出半島湖地區(qū)有良好的油氣形成與儲藏條件。楊耀[14]通過分析南羌塘盆地的構(gòu)造演化特征等因素得出了盆地內(nèi)部富含有機質(zhì)的海相灰?guī)r被大型逆沖斷裂帶圈閉的結(jié)論，推測南羌塘盆地具有良好的油氣資源前景。

羌塘盆地地下構(gòu)造復雜、褶皺斷層發(fā)育、地表縱、橫向結(jié)構(gòu)變化劇烈、多類干擾波發(fā)育給地震勘探帶了很大困難[15]，再加上盆地地表發(fā)育的凍土進一步加大了地震勘探的難度。凍土的形成通常與含水層相關(guān)，當氣溫下降至冰點后，由地層通過滲透作用吸收地面水形成的含水層會向凍土層轉(zhuǎn)化，使該區(qū)域淺表層地震波波速明顯增加[16]。研究和了解地震波在凍土帶的傳播機理，是提高羌塘盆地地震勘探精度的有效手段之一。羌塘盆地多年凍土分布廣泛，凍土的區(qū)域界限往往與溫度有關(guān)。氣候的變化會顯著影響凍土分布，20 世紀70 年代開始的氣溫攀升使青藏高原凍土面積減少。凍土活動層的厚度變化趨勢往往與年平均氣溫變化趨勢一致，隨著1981 年—2010 年的年平均氣溫整體上升，青藏高原凍土活動層的年平均厚度由2. 2 m 逐漸上漲至2. 8 m[17]。近年來，關(guān)于青藏高原凍土帶各類物性參數(shù)的研究與學術(shù)成果眾多，程國棟等[18]根據(jù)近年各方面學者的調(diào)查成果總結(jié)出了青藏高原多年凍土帶各類參數(shù)特征、凍土活動層各類參數(shù)特征、凍土熱狀況及變化特征、凍土的水文效應及凍土與碳循環(huán)的相關(guān)關(guān)系。

在凍土物探技術(shù)方面，中國在20 世紀50 年代后期便使用物探方法對多年凍土開展各類調(diào)查[19]。早期凍土物探工作主要以電磁法與探地雷達為主。探地雷達在探測地下0～5 m 范圍時，有分辨率高、效率高的特點[20]；電磁法在5 m 以下的探測則更具優(yōu)勢；瞬變電磁法更是因其探測深度大，接收設(shè)備布置靈活，測量方式多樣被廣泛應用，所以往往使用探地雷達探測凍土上限，使用電磁物探方法探測凍土下限。

許多學者也對地震波在凍土中的傳播機理開展了研究，仇浩淼等[21]研究了三相多孔彈性介質(zhì)中的體波傳播特征，分析了各項體積分數(shù)、顆粒形狀等因素對波動方程中參數(shù)的影響。周斌[22]分別建立了一維豎向振動的簡化模型以及瑞利波傳播的簡化模型，總結(jié)出了凍土中孔隙比、剪切模量等各類參數(shù)對一維豎向振動以及瑞利波傳播的影響特征。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上更深入認識了地震波在高原凍土帶的傳播機理。首先，總結(jié)了在高原低溫環(huán)境條件下的巖石物理測量成果，通過實際二維地震反射剖面建立了各類高原凍土環(huán)境的速度模型；其次，利用有限差分正演模擬，研究了各種激發(fā)、接收環(huán)境下凍土層對地震波傳播的影響；最后，對正演模擬結(jié)果進行偏移成像，進而認識高速凍土層對地震成像的影響。

1 羌塘盆地凍土層巖石物理測試

凍土層的彈性參數(shù)測試是建立凍土模型的關(guān)鍵。為適應羌塘盆地高寒環(huán)境下的巖石物理測量，研發(fā)了巖石物理測試裝備用于現(xiàn)場取芯、切割和表面耦合打磨，實現(xiàn)了高原現(xiàn)場制作標準巖芯樣。該套設(shè)備采集精度高、抗高原環(huán)境能力優(yōu)秀，同時耐低溫、攜帶方便。聲時測讀精度為0. 1 μs，聲幅準確度為3％，幅值分辨率為14 bit；所能測試最大巖樣直徑為5 cm，高為10 cm；所能測試最小巖樣直徑為2. 5 cm，高為10 cm；通過了海拔5000 m 以上環(huán)境壓力測試，其內(nèi)部的加熱器使其適用于?20℃以下的低溫環(huán)境。