地震屬性分析在高分辨率活斷層地震勘探中的應用1

蘭曉雯

1）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

2）中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083

地震屬性分析在高分辨率活斷層地震勘探中的應用1

蘭曉雯1,2）

1）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

2）中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083

通過分析影響地震屬性的巖石物理特性及其在地震響應上的特征，獲得地震波傳播過程中地震振幅、層速度與裂縫層密度、泊松比、縱橫波速度、孔隙度、壓力的關系。同時，結合地震屬性的分析技術，利用地震正演模擬的方法提高地震勘探數(shù)據(jù)解釋結果精確度和可信度，為高分辨率的活斷層地震勘探研究提供更為可靠的方法手段，提高了地震數(shù)據(jù)的處理解釋精度。

地震屬性 地震波傳播 正演模擬 活斷層

引言

高分辨率的地震勘探是未來活斷層探測的發(fā)展方向。由于裂縫的存在，造成了多種地震屬性的變化，測量這些地震屬性的變化可以檢測斷裂。隨著三維地震技術的發(fā)展，地震屬性技術在巖性和構造解釋等方面得到了越來越廣泛的應用。正演模擬可以幫助了解斷裂是如何影響反射振幅和頻率隨偏移距的變化。本文利用斷層附近已有的測井資料和鉆井資料，建立研究斷層的地質綜合模型和巖石物理模型，通過斷裂地層的正演研究技術，研究斷裂造成的地震波場和振幅的變化特征。

正演模擬能夠直接提供斷裂模型的理論地震響應特征，通過對理論地震響應特征的分析，可以建立斷層地震響應與裂縫性質之間的關系，并把由此得到的結果直接應用于地震資料的分析和解釋。通過對地層巖石物理參數(shù)的分析，同時利用地震波正演模擬方法獲得斷裂影響巖石物理屬性對地震響應的影響，分析地震波傳播過程中地震振幅、層速度、走時差等屬性與裂縫層密度、泊松比、縱橫波速度、孔隙度之間的關系，從而提高地震勘探數(shù)據(jù)解釋結果精確度和可信度水平。

地層間的速度差異是形成地震剖面上反射震相的主要因素，根據(jù)活斷層勘探的鉆孔數(shù)據(jù)，城市隱伏活斷層一般為第四紀沉積，因為沉積時間相對較短，是未經(jīng)膠結硬化的沉積物，沉積層土質類別主要包括有填土、砂土（礫石、粗砂、中砂、細砂、粉砂）、黏土、粉土等類型，多為粘土、黏土、砂土的交互層，層與層之間的波阻抗差異小。其中填土、粘土等速度相對較低，而細砂、礫石等速度相對較高，同一巖性特征的地層隨著深度的增加速度增大。地震記錄中反射震相主要在粘土與礫石或細砂層的分界面上產生。由斷層因素引起地層屬性變化包括：地層裂縫引起的地層密度的變化、孔隙度的變化、泥質含量變化，以及巖性的變化，同時斷裂也會造成破裂帶的各向異性。

1 影響地震屬性的主要巖石物理參數(shù)

地震波特性受到許多因素的復雜影響，諸如壓力、溫度、飽和度、流體類型、孔隙度、孔隙度類型等，這些因素常常是內在關聯(lián)的，當一個因素變化時，其它許多因素也同時發(fā)生變化。在將巖石物理信息應用于地震解釋中時，必不可少的要進行單一參數(shù)化影響的研究。

地震波速度和密度是地震勘探中的兩項基本參數(shù)。速度和密度的變化反映了地震勘探中反射振幅的大小和極性。通過速度的變化可以判別介質屬性的差異。 Castagna等（1993）得到的不同巖性的密度與速度的經(jīng)驗關系式為：

式中，ρ為巖石的密度；vP為巖石的縱波速度，對于不同的巖性其系數(shù)A和B有所不同。因此依據(jù)此關系式及其深度，可以利用速度和密度的關系近似判斷地層的巖性。

巖石的地震屬性受到礦物成分、孔隙度、孔隙形態(tài)、孔隙流體成分、膠結程度、分選程度、泥質含量等影響，也與其所處環(huán)境的壓力、溫度、地質年代等因素有關。通常巖石的骨架顆粒具有較低的可壓縮性，而孔隙流體具有較高的可壓縮性。影響巖石地震屬性的因素比較多，而很多因素又互相交織在一起，Wang（2001）總結了一些地震特性與巖石特性之間的定性關系，如表1所示。

表1 地震特性與巖石特性之間的關系Table 1 The relationship between seismic attributes and rock properties

縱橫波速比與泊松比之間的關系也對地層巖性的分析有很大幫助，對于斷裂帶來說，引起其橫波速度的因素有：巖石的破碎；破裂帶巖性；泥質含量。Castagna（2000）得出了不同巖石的縱橫波速度關系式：

對于不同的巖性，其系數(shù)A和B的取值不同。

對于不同的巖石，其泊松比分布范圍是不同的。圖1比較了不同巖性泊松比與縱橫波速度之間的地震參數(shù)的關系（Avserth等，2005）。從圖1可以看出，綜合泊松比v和縱波速度vP就能很好的將含水和含氣砂巖分開，而單純使用縱波信息則不能很好地區(qū)分各種巖性，因此，在巖性分析中，綜合縱波和橫波信息比單純使用縱波信息更為有效。

圖1 不同巖石的縱波速度與泊松比Fig. 1 P-wave velocity and Poisson ratio of different rocks

同時，地層的速度變化還有以下規(guī)律：①速度的變化與深度呈函數(shù)關系，與固結良好的砂巖相比，未固結砂巖的速度隨深度變化要大；②隨著孔隙度或粘土含量百分比的增加，速度都將降低，孔隙度引起的速度降低大約是粘土含量引起的2.5倍；③隨著孔隙度或粘土含量百分數(shù)的增加，泊松比也增加；④泊松比隨深度降低（Han等，2004）。

壓力對地震特征的影響主要體現(xiàn)在以下4個方面（Avserth等，2005）：①對巖石骨架的可恢復彈性影響；②由壓實和固結造成的孔隙度永久損失；③超高壓對成巖作用的阻礙；④由孔隙壓力引起的孔隙流體屬性變化。張永剛等（2008）應用巖心樣品的實驗數(shù)據(jù)，采用以下數(shù)學模型來描述速度與壓力間的關系：

式中，v0是參考點速度，一般取高壓點作為參考值，A和C為系數(shù)。

孔隙率變化也是影響地震屬性的重要因素，砂巖速度-孔隙度趨勢的斜率高度變化，并且在很大程度上依賴于控制孔隙度的地質過程。速度-孔隙度-粘土含量的關系為：

式中，φ和C分別是以體積百分數(shù)表示的孔隙度和黏土含量；vP和vS是縱波和橫波速度，單位km/s。

在活斷層地震勘探中，由于對地層動力學性能測試大多只進行剪切波速和密度的測量，目前還沒有對第四紀層級地層各種特征地層的縱橫波速比與泊松比的統(tǒng)計結果。一般也沒有對地層的壓力、孔隙率進行測試的數(shù)據(jù)，因此只能參考地層的密度和層厚度來近似判斷，以區(qū)分不同巖性在相同壓力下的不同變化特征，或者采用以往數(shù)據(jù)或經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行判斷。第四紀沉積層土層孔隙率及孔隙比包括，砂土：25%—60%，0.30—0.90；粉土：30%—60%，0.40—1.20；粉質粘土30%—60%，0.40—1.20；黏土：30%—60%，0.40—1.20。從實際工程應用來看，可以依據(jù)斷裂造成的孔隙度、地層剪切波速、密度等地震屬性參數(shù)的變化進行綜合分析。

2 地震屬性數(shù)值分析方法

根據(jù)巖石物理實驗得到的壓力、溫度、飽和度、流體類型、孔隙度、孔隙度類型對地震屬性地層的密度和速度的影響規(guī)律，不同巖性地層的泊松比、縱橫波速度比等特征有所不同。但是通過巖石物理的方法在實驗室獲得的數(shù)據(jù)，尺度問題是將巖石物理方法推廣到實際應用中所面臨的一大挑戰(zhàn)，因此利用實際樣品在實驗室測量得到的數(shù)學關系存在著推廣難、物理成因解釋難的問題。然而利用理論模型與經(jīng)驗關系有機地結合，是一種比較理想的方法。

地層的巖石物理參數(shù)變化表現(xiàn)在地震響應上，主要是反射時間的變化和振幅強度的變化。為建立巖石物理參數(shù)與地震振幅之間的關系，利用巖石物理與地震響應的理論模型進行分析。通過分析影響地震屬性的巖石物理特性及其在地震響應上的規(guī)律，利用正演模擬方法建立地震屬性與地震響應之間的聯(lián)系，將理論數(shù)據(jù)與實際勘探數(shù)據(jù)之間進行對比分析，從而把地震屬性分析的方法應用于地震解釋當中，最終獲得較為精確的解釋結果。

圖2所示模型為地震勘探坐標系下P波下行入射到水平彈性界面的散射情況。當水平界面為X軸時，P波從介質1入射到水平界面時的次生波與入射波能量關系遵循Zoeppritz方程。Zoeppritz方程從運動方程和虎克定律出發(fā)，推導各向同性介質（在給定點的空間任何方向，彈性特性恒定）中的彈性波方程。然后，利用連續(xù)方程（界面上的垂直和切向應力及應力分量相同）、平面波的解和斯奈爾定律（傳播角度和波速的關系）得到的方程計算反射 P波和S波及透射P波和S波的振幅。地震波的透射和反射滿足斯奈爾（Snell）定理。

圖2 地震波在底層界面上的反射和透射模型Fig. 2 The reflection and transmission model of seismic waves on the bottom interface

按照上述模型得到的Zoeppritz方程的具體表達式為（趙邦六，2007）：

式中，V1P和V2P，V1S和V2S分別為介質模型的上覆地層1和下伏地層2的縱橫波速度；ρ1和ρ2分別為介質模型的上覆地層1和下伏地層2的密度；α1，α2，β1和β2分別為反射P-P波，反射P-SV波，透射P-P波和透射P-SV波與法線的夾角；R1P1P，R1P1S，T1P2P和T1P2S分別是P-P波反射系數(shù)，P-SV波反射系數(shù)，P-P波透射系數(shù)和P-SV波透射系數(shù)。

由于此方程復雜，不能滿足實際工作中的計算要求，因此眾多學者對此進行了簡化（Aki等1980；Shuey，1985；鄭曉東，1991；楊紹國等，1994；Hilterman，1999）。

在上下層彈性參數(shù)變化不大，入射角小于 30°的前提下，各種公式均能滿足實際要求。而對于第四紀地層的勘探，上下層界面屬性差異不大，勘探剖面深度較淺，地震勘探時炮檢距不大，地震入射角一般均小于30°，因此，本文用Aki等（1980）給出的地震反射振幅與炮檢距的關系方程可以滿足需求。

該方程可以很好地滿足活斷層勘探中上下層彈性參數(shù)變化不大的地層。據(jù)此對地層屬性分析建立的地質模型進行地震屬性變化的正演模擬，能夠更清晰地分辨屬性差異，從而利用正演模擬并輔助地震數(shù)據(jù)的解釋將更為準確，為高分辨率的活斷層地震勘探研究提供更為可靠的方法手段，提高地震數(shù)據(jù)的處理解釋精度。

3 屬性參數(shù)變化地震響應分析與實例

通過以上分析可知，與地震響應密切相關的地層巖石物理屬性參數(shù)包括：地層密度、縱橫波速度，孔隙度、泊松比、縱橫波速度。利用巖石物理特征的分析和統(tǒng)計得到的地震屬性參數(shù)與地震響應之間的定量關系，同時應用地震正演模擬的方法，將數(shù)據(jù)的走時、振幅信息進行AVO（Amplitude Versus Offset）分析，對地震剖面細部特征進行分析處理，從而可確定地層結構特征。

為了研究斷層屬性及深度變化對地震響應的影響，這里給出一個簡單楔形薄層活斷層模型（圖3），模型中最上面一層為上地層，中間楔形地層為地層之間的裂縫地層，最下一層為下地層。為說明斷層深度和厚度對不同地震屬性的地質模型在地震響應上的變化，通過理論公式建立地震屬性參數(shù)與地震響應之間的聯(lián)系，從而獲得其影響規(guī)律。表2為斷層模型屬性表，由活斷層勘探獲得的經(jīng)驗數(shù)據(jù)建立，為了研究不同的地層屬性特征，分別給出了不同的斷層模型屬性進行正演模擬。其中，屬性1為高阻抗的地震屬性特征；屬性2為零阻抗的地震屬性特征；屬性3為低阻抗的地震屬性特征；底部為下地層。模擬中采用主頻為50Hz的雷克子波進行正演模擬。圖4為模擬結果。

圖3 地質模型示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the geological model

表2 地質模型屬性表Table 2 Seismic attribute sheet of the geological model

由圖4可見，對于不同深度的斷層，其振幅特性表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，即使地層的巖性相同，由于地層厚度的變化，也會引起振幅特征的差異。另外，通過對不同的地層屬性參數(shù)的變化規(guī)律可以看出，模型Ⅰ中斷層屬性為高阻抗的地層，其振幅隨偏移距變化特征為：零偏移距振幅強且為正極性，隨著偏移距的增大，振幅呈減少趨勢，當入射角足夠大時會發(fā)生極性反轉；模型Ⅱ為近零阻抗差的斷層介質，其振幅特征為：零偏移距振幅趨近于零，表現(xiàn)為弱振幅，隨著偏移距的增大振幅逐漸增強；模型Ⅲ為低波阻抗的斷層介質，其振幅特征為：零偏移距振幅較強，呈現(xiàn)負極性，振幅隨著偏移距的增大，振幅而逐漸增強，具有典型的負截距、負梯度振幅異常。

根據(jù)對南口孫河地震勘探數(shù)據(jù)的分析和處理，對其進行了精確的剖面解釋。圖5為精確解釋后建立的地質模型模擬的單炮記錄與實際單炮記錄的對比。模擬剖面分為網(wǎng)格 2m，時間采樣間隔0.25ms，道間距2m，子波頻率30Hz。

圖4 斷層界面厚度對地震振幅特征的影響Fig. 4 The influence of fault thickness on seismic attributes

圖5 模擬記錄與實際地震記錄的對比Fig. 5 Comparison of the seismic modeling profile (a) to the real seismic record data (b)

通過圖5模擬記錄與實際記錄的對比可以看出，模擬結果清晰地表現(xiàn)出了實際地震記錄中的幾條主要反射震相，其時間也基本一致，同時斷層導致的繞射和同相軸的缺失以及能量的衰減均清晰反映。

綜上所述，通過模擬結果與實際記錄的對比，并應用前文分析的方法和結論，可以量化斷層的各項屬性參數(shù)，得到一個較為精確的地震剖面解釋結果。同時，利用地層地震屬性參數(shù)影響速度變化規(guī)律的特征分析結果，加以正演模擬分析，可以更為準確的對地震勘探數(shù)據(jù)結果進行分析解釋。

4 問題與建議

在淺層活斷層探測中，由于第四紀地層沉積層的巖土物理特性數(shù)據(jù)相對比較少，因此在利用經(jīng)驗公式進行屬性差異特征分析確定巖性方面，其適用性還有待進一步研究。建議對活斷層地層屬性特征進行深入廣泛的分析研究，并對大量的第四紀沉積地層的分層界面巖石特征進行總結分類。

在活斷層地震勘探中，由于地層的壓力、孔隙度數(shù)據(jù)缺乏，在實際勘探解釋時可應用性不強。而泊松比信息則可以利用經(jīng)驗公式并參考縱橫波速度等信息進行分析預測，可以加以利用。

由于裂縫和斷層面會造成地震波傳播的各向異性和散射特征，因此，通過各向異性介質波場模擬分析裂隙對地震響應的影響，也能夠更為明確地得出斷裂因素對地震響應的變化情況，在未來的研究中可加強這方面的分析和應用。

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Application of Seismic Attribution Analysis in the Shallow Seismic Prospecting Methods to Active Fault Detection

Lan Xiaowen1,2)
1) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2) School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Based on the relationship between physical properties of rocks and seismic attributes, this paper analyzes the influential factors on the seismic amplitude and the wave velocity, which include density, Poission’s ratio, P-wave velocity, S-wave velocity, porosity and pressure. By using seismic modeling method, seismic responding feature of the geological model were obtained. This technique can improve the accuracy and reliability of high-resolution seismic data interpretation, which is helpful for the high-resolution seismic data interpretation of active faults.

Seismic attribute; Seismic wave propagation; Seismic modeling; Active fault

蘭曉雯，2010. 地震屬性分析在高分辨率活斷層地震勘探中的應用. 震災防御技術，5（4）：484—492.

中國地震局地殼應力研究所基本科研業(yè)務專項（No. ZDJ2010-2 and ZDJ2009-14）

2010-07-23

蘭曉雯，女，生于1978。在讀博士，助理研究員。主要研究領域：地震波場正演模擬、地震勘探數(shù)據(jù)處理、地震工程。E-mail: lan_xiaowen@sina.com