地震沉積學(xué)的概念

1、地震沉積學(xué)的概念、方法和技術(shù)董春梅張憲國林承焰（中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院山東東營257061）摘要簡單地講,地震沉積學(xué)是應(yīng)用地震信息研究沉積巖及其形成過程的學(xué)科,它是繼地震地層學(xué)、層序地層學(xué)之后的又一門新的邊緣交叉學(xué)科。其研究內(nèi)容、方法和技術(shù)與地震地層學(xué)、層序地層學(xué)和沉積學(xué)等其他學(xué)科都有所不同,地震沉積學(xué)最大的理論突破在于對地震同相軸穿時性的重新認(rèn)識。但它是沉積學(xué)的發(fā)展而不是替代,地震沉積學(xué)研究要以地質(zhì)研究為基礎(chǔ),在沉積學(xué)規(guī)律的指導(dǎo)下進(jìn)行。90°相位轉(zhuǎn)換、地層切片和分頻解釋是地震沉積學(xué)中的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。相位轉(zhuǎn)換使地震相位具有了地層意義,可以用于高頻層序地層的地震解釋;地層切片是

2、沿兩個等時界面間等比例內(nèi)插出的一系列層面進(jìn)行切片來研究沉積體系和沉積相平面展布的技術(shù);基于不同頻率地震資料反映地質(zhì)信息的不同,采用分頻解釋的方法,使得地震解釋結(jié)果的地質(zhì)意義更加明確。2005年2月,地震沉積學(xué)國際會議在美國休斯敦召開,繼地震地層學(xué)、層序地層學(xué)之后,地震沉積學(xué)作為一門新的學(xué)科越來越受到人們的關(guān)注。國外上世紀(jì)80年代開始出現(xiàn)地震沉積學(xué)這個名詞,但由于地震分辨率和研究手段的限制,沒有形成一套系統(tǒng)的理論體系和完整的學(xué)科,國內(nèi)近幾年雖然廣泛開展利用地震資料進(jìn)行沉積相、地層巖性識別的研究,但還沒有出現(xiàn)有關(guān)地震沉積學(xué)的系統(tǒng)研究。本文對這門新學(xué)科的有關(guān)概念、主要方法和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述。1有關(guān)地

3、震沉積學(xué)的概念在墨西哥灣北部中新世地層Tiger淺灘地區(qū)高頻層序研究中,曾洪流等人研究發(fā)現(xiàn),四級層序的地震響應(yīng)是一系列沉積界面的組合,包括層序頂?shù)准霸诘卣鹌拭嫔想y以識別的內(nèi)部界面1,常用的地震剖面簡單追蹤的方法已經(jīng)不能劃分這樣的四級層序邊界和體系域了。針對這種情況,曾洪流等人提出了基于地震沉積學(xué)的高頻層序解釋方法:首先在平面上分析低級層序（二、三級層序）地層格架中高分辨率沉積要素;然后在垂向上和三維視圖中研究高頻層序地層背景1。1998年曾洪流,Henry,Riola等首次使用了“地震沉積學(xué)"一詞2，認(rèn)為地震沉積學(xué)是利用地震資料來研究沉積巖及其形成過程的一門學(xué)科3。地震巖石學(xué)和地震地

4、貌學(xué)組成了地震沉積學(xué)的核心內(nèi)容1。將地球物理技術(shù)與沉積學(xué)研究相結(jié)合,二者聯(lián)合反饋進(jìn)行沉積相分析是近幾年地震沉積學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中推廣最快的一項(xiàng)技術(shù),但這只是地震沉積學(xué)應(yīng)用的一個方面。地震沉積學(xué)與地震地層學(xué)、層序地層學(xué)、沉積學(xué)等學(xué)科相關(guān),但是在概念、研究內(nèi)容、方法技術(shù)等方面都有所不同。從研究內(nèi)容上看,沉積學(xué)的研究范圍從微觀的巖石孔隙結(jié)構(gòu)、成巖作用等到宏觀的沉積相和沉積體系展布,地震地層學(xué)主要通過地震同相軸的接觸關(guān)系研究層序地層格架,而地震沉積學(xué)主要是在地質(zhì)規(guī)律（尤其是沉積環(huán)境及不同沉積環(huán)境下沉積相模式）的指導(dǎo)下利用地震信息和現(xiàn)代地球物理技術(shù)進(jìn)行地層巖石宏觀研究、沉積史、沉積結(jié)構(gòu)、沉積體系和沉積相平面展

5、布的研究（圖1）。從研究方法技術(shù)上看,沉積學(xué)研究離不開對巖石的直接觀察和實(shí)驗(yàn)分析4,在沉積巖的研究中通過鏡下觀察及各種實(shí)驗(yàn)手段對巖石進(jìn)行微觀層次上的研究是沉積巖研究的一個很重要的內(nèi)容,對沉積環(huán)境的分析首先對野外露頭或者巖心進(jìn)行細(xì)致全面的觀察描述,包括對巖性、沉積構(gòu)造、古生物標(biāo)志、地球化學(xué)標(biāo)志等方面的全面描述。然后綜合各種相標(biāo)志,運(yùn)用沉積學(xué)原理,對古沉積環(huán)境作出正確的解釋5。地震地層學(xué)主要是在井點(diǎn)信息的約束下研究地震剖面上的反射結(jié)構(gòu)樣式,從中獲取層序地層信息,它的研究手段和研究內(nèi)容相對比較單一。地震沉積學(xué)在井資料、基礎(chǔ)地質(zhì)研究成果及地質(zhì)規(guī)律指導(dǎo)下更多的運(yùn)用地震資料和地震的研究方法，目前采用的關(guān)鍵

6、技術(shù)主要包括90。相位轉(zhuǎn)換技術(shù)、地層切片技術(shù)和分頻解釋技術(shù)等。:ayGOHIjLRickerCb)4OHzRieker803OHrRte.k需匸dm*-Ig-+JiriaLIl-AmpIi；itE申團(tuán)-地離同相抽反射結(jié)構(gòu)隨頻率變化的正漏模型結(jié)果2地震沉積學(xué)對地震地層學(xué)理論基礎(chǔ)的挑戰(zhàn)地震地層學(xué)是基于下面一個假設(shè):沉積層序的地震反射是沿有明顯聲阻抗差的地層界面產(chǎn)生的,因?yàn)榈貙咏缑娣从车葧r沉積界面,所以地震反射具有等時意義。Vail等指出“在自然界中,不存在形成的地震反射平行于巖性地層單元頂面的物理界面”6。這一假設(shè)是地震地層學(xué)進(jìn)行地震解釋的基礎(chǔ)。曾洪流和CharlesKerans在Permain盆

7、地King2domAbo儲層研究中發(fā)現(xiàn),在前積的碳酸鹽巖臺地邊緣和斜坡沉積中,主反射同相軸并不沿傾斜的地質(zhì)時間界面。通過對三角洲前積體中常見的平行傾斜界面模型進(jìn)行正演的結(jié)果6（圖2）可以看到:用60Hz的雷克子波可以清晰的反映出等時沉積界面的形態(tài)（圖2a）;子波頻率40Hz時，等時沉積界面的地震反射同相軸開始出現(xiàn)合并（圖2b）;當(dāng)頻率降低到30Hz時,地震同相軸形態(tài)已經(jīng)不再反映等時沉積界面形態(tài),而是與三角洲前積中的巖性界面形態(tài)一致（圖2c）,可見地震資料的頻率成分控制了地震反射同相軸的傾角和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)6。低頻地震資料中同相軸更傾向于具有巖性意義而不是時間意義。實(shí)際應(yīng)用的地震資料的主頻一般在3

8、5Hz以下，有些深層資料甚至低于20Hz,所以對于實(shí)際使用的地震資料而言,在巖性界面（或巖石物理界面）與沉積時間界面相交時,反射同相軸是穿時的。這一觀點(diǎn)否定了反射同相軸的嚴(yán)格等時性,動搖了地震地層學(xué)的研究基礎(chǔ)。3地震沉積學(xué)的研究方法和技術(shù)目前提高地震地層解釋精度的技術(shù)很多，如AVO分析、波阻抗反演等，但這些方法都是應(yīng)用于儲層預(yù)測研究的技術(shù),一般只有在復(fù)雜儲層評價中才做這些高成本的處理1;這些處理方法都存在很大的不確定性,必須依賴于地質(zhì)認(rèn)識（包括層序劃分、沉積相等）及井資料的約束;更重要的是這些處理都是基于巖性單元預(yù)測和含油氣單元預(yù)測的,最終的結(jié)果是對地層巖性和含油氣性的反映,并不能提供高頻等時

9、沉積界面信息。所以在地震沉積學(xué)研究中真正有意義的實(shí)用技術(shù)還比較少,地震沉積學(xué)研究中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括90°相位轉(zhuǎn)換技術(shù)、地層切片技術(shù)和分頻段解釋技術(shù)。（1）90°相位轉(zhuǎn)換技術(shù)。波形和測量振幅是地震相位譜的函數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)的地震處理通常把零相位的地震數(shù)據(jù)體作為提供給解釋者的最終結(jié)果。零相位數(shù)據(jù)體在地震解釋中具有很多優(yōu)點(diǎn),包括子波的對稱性、主瓣中心（最大振幅）與反射界面一致以及較高的分辨率等。但是只有海底、主要不整合面、厚層塊狀砂巖頂面等單一反射界面得到的地震反射零相位數(shù)據(jù)才具有這些優(yōu)點(diǎn)1。而且,零相位地震數(shù)據(jù)中波峰、波谷對應(yīng)地層界面,巖性地層與地震相位間不存在必然的關(guān)系,要建立地震

10、數(shù)據(jù)和巖性測井曲線間的聯(lián)系很困難,尤其是在許多薄地層互層的情況下。90°相位轉(zhuǎn)換的方法通過將地震相位旋轉(zhuǎn)90°將反射波主瓣提到薄層中心,以此來克服了零相位波的缺點(diǎn)。地震反射相對于砂巖層對稱而不是相對于地層頂?shù)捉缑鎸ΨQ,這使得地震反射的同相軸與地質(zhì)上的巖層對應(yīng),地震相位也就具有了巖性地層意義。這樣地震相位在一個波長的厚度范圍內(nèi)與巖性唯一對應(yīng)7,8。從秘魯Dorissa油田的實(shí)例（圖3）可以看到，經(jīng)過90°相位轉(zhuǎn)換后地層界面由藍(lán)軸（正相位）內(nèi)變到了零相位上,在層位追蹤時減小了視覺誤差造成的追蹤位置的不準(zhǔn)確,而且地震相位與巖性測井曲線更加吻合,使地震相位具有了巖性地層意

11、義。（2）地層切片技術(shù)。Brown等（1981）首先闡明通過三維地震的水平地震成像可以產(chǎn)生高分辨率的沉積相圖像9。荷蘭沉積學(xué)家WolfgangSchlager指出，三維地震提供了研究古代沉積形態(tài)平面展布的簡單方法,并將密西西比河三角洲的航拍照片與古代沉積在地震切片上的響應(yīng)進(jìn)行對比10。自20世紀(jì)90年代起,大量研究證實(shí)地震地貌學(xué)是沉積成像研究的有力工具。地震地貌成像是沿沉積界面（地質(zhì)時間界面）提取振幅,反映地震工區(qū)內(nèi)沉積體系的展布范圍。這樣的地震切片稱為地層切片,這與1996年P(guān)osamentier提出的等比例切片11比較類似。圖&卯嚨位轉(zhuǎn)按前后巖性別#與地靈同祖軸對應(yīng)關(guān)泵的對比馳TM

12、Z油田p圏4三甬洲沉.積悴丟在地辰勿片中的反映|據(jù)曾洪Hcnt?等.2001）利用切片識別沉積相的關(guān)鍵有兩個，一是通過單井沉積相來標(biāo)定地震相，建立二者的聯(lián)系;二是由單井相推斷研究區(qū)沉積環(huán)境,并建立此沉積環(huán)境下的一般沉積相模式,在沉積相模式的指導(dǎo)下將地震振幅的平面響應(yīng)轉(zhuǎn)化成沉積相的平面展布。圖4是曾洪流等在Tiger沿岸地區(qū)Vermilion50區(qū)塊做的地層切片11,利用研究區(qū)內(nèi)三口井井點(diǎn)位置的沉積相與地震振幅的關(guān)系建立起沉積相與地震相的對應(yīng)關(guān)系,通過這種標(biāo)定可以在切片中清楚地識別出中新統(tǒng)上部三角洲沉積體系的平面展布。傳統(tǒng)的切片方法包括等時切片和沿層切片（水平切片）,在大多數(shù)解釋軟件（如GeoF

13、rame,Land2mark的Openworks,Discovery等）中都提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)工具。等時切片（時間切片）是沿某一固定地震旅行時對地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行切片顯示,切片方向是沿垂直于時間軸的方向12;沿層切片（水平切片）是沿某一個沒有極性變化的反射界面的切片,它更傾向于具有地球物理意義13,即沿著或平行于追蹤地震同相軸所得的層位進(jìn)行切片;而地層切片則是以追蹤的兩個等時沉積界面為頂?shù)?在頂?shù)组g等比例內(nèi)插出一系列的層位,沿這些內(nèi)插出的層位逐一生成切片。從勝利樂安油田的例子（圖5）中可以看到,地層切片技術(shù)考慮了沉積速率隨平面位置的變化,比時間切片和沿層切片（水平切片）更加合理而且更接近于等時沉積界

14、面14。（3）分頻解釋技術(shù)。地震沉積學(xué)與地震地層學(xué)的最大不同在于它認(rèn)識到地震同相軸既不簡單的反映等時界面也不單純反映巖性界面,而是受到地震資料頻率的控制6,不同頻段的地震數(shù)據(jù)反映的地質(zhì)信息是不同的。低頻資料中反射同相軸更多的反映巖性界面信息而高頻資料中反射同相軸更多的反映等時沉積界面信息（圖6）。£囹弓沿層切片勻地層切片泉理對比i勝利樂宣汕口'地震沉積學(xué)中使用的分頻解釋技術(shù)實(shí)際上是一種分頻段解釋的方法,它是基于“地震資料的頻率成分控制了地震反射同相軸的傾角和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)”6這一認(rèn)識。按照褶積理論,地震道是聲阻抗剖面中反射系數(shù)序列與地震子波褶積的結(jié)果15。根據(jù)傅立葉法則,這一過

15、程在頻率域中等價于子波頻譜和反射系數(shù)序列頻譜的褶積，見公式1。S（3）=W（3）XG（3）式中：3=2nf,f為頻率,W（3）為子波頻譜,G（3）為測井資料得出的反射系數(shù)頻譜,S（3）為地震頻譜。從圖7的比較可以看出地震資料中的高頻成分與測井高頻層序劃分吻合的更好6。因此,對地震資料進(jìn)行分頻處理,從原始地震資料中提取高、中、低不同頻段信息經(jīng)過振幅增益后,針對不同的需要選用相應(yīng)頻段的地震數(shù)據(jù)體,如利用高頻數(shù)據(jù)體進(jìn)行等時沉積界面解釋等。通過上面的闡述不難發(fā)現(xiàn),90。相位轉(zhuǎn)換技術(shù)、地層切片技術(shù)、分頻解釋技術(shù)這三項(xiàng)地震沉積學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)都是基于一點(diǎn)認(rèn)識：地震反射同相軸不是嚴(yán)格等時的,其地質(zhì)意義與地震資料

16、的頻率有關(guān),當(dāng)巖性界面與等時沉積界面相交時會發(fā)生反射同相軸穿時的現(xiàn)象。也E7良射系埶軌譜子菠:普和地靂頻誥間的關(guān)系（據(jù)曾洪痂M皿，4結(jié)論通過上述分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）地震沉積學(xué)認(rèn)為地震反射同相軸不是等時的,當(dāng)巖性界面與等時沉積界面相交時會發(fā)生同相軸穿時現(xiàn)象。地震頻率成分控制了反射同相軸的傾角和內(nèi)部反射結(jié)構(gòu),低頻地震資料中同相軸更傾向于具有巖性界面的意義而不是時間界面意義,這一認(rèn)識動搖了地震地層學(xué)研究的前提假設(shè),是地震沉積學(xué)最大的理論突破。（2）地震沉積學(xué)借助于地震手段進(jìn)行井間沉積相和地層巖性預(yù)測,這代表了未來的發(fā)展方向;與地震地層學(xué)、層序地層學(xué)和沉積學(xué)相比較,它在概念、研究內(nèi)容、研究方法技術(shù)上都