沖繩海槽中部無井區(qū)速度場建立及應用

陳若瑜 , 李 琦 胡俊杰 邵 威 葛東升 蔡 峰, 閆桂京, 李 清

(1. 中國地質(zhì)大學 海洋學院, 北京 100083; 2. 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071)

地震波的速度是地震勘探中最重要的一個參數(shù)之一, 速度場是三維空間速度數(shù)據(jù)的集合體, 建立速度場就可以知道三維空間任一點的速度, 速度場研究對于地震勘探應用中時深轉(zhuǎn)換、海底巖性和沉積構造綜合解釋等具有重要作用[1]。

1 建立速度場的主要方法

目前獲得地震波傳播速度的方法主要有以下 5種[1-2]: (1)根據(jù)巖石樣品在實驗室內(nèi)測定; (2)根據(jù)垂直地震剖面(VSP) 測井得到層速度和平均速度;(3)通過聲波測井獲得層速度; (4)由準確的層位標定和鉆井地質(zhì)分層求取的偽平均速度; (5)通過地震資料處理時獲得的疊加速度資料換算均方根速度、層速度和平均速度。

其中巖石樣品測速、VSP 測井和聲波測井所獲得的速度精度高, 基本能反映地層的真實速度, 但由于在平面上受采樣點和鉆井位置的限制, 能獲得速度資料的點一般較少。相反, 疊加速度資料則在平面上分布密度很大, 能夠控制整個工區(qū)的速度變化。

目前國內(nèi)、外速度場建立方法一般采用以下 3種方法: (1)鉆井VSP速度資料, 擬合得到綜合速度,再進行時深轉(zhuǎn)換。此方法適合沉積穩(wěn)定, 速度橫向變化小的地區(qū); (2)多個 VSP速度資料, 采用不同插值方法建立速度場。適合于鉆井較多的小范圍工區(qū);(3) 利用地震處理過程中獲取的地震疊加速度, 通過Dix公式得到層速度, 從而建立時深轉(zhuǎn)換速度場。此法適合于疊加速度準確, 且構造相對簡單, 地層平緩的地區(qū)[3-4]。

2 沖繩海槽中部地層速度特征

2.1 地質(zhì)背景

沖繩海槽位于東海東緣的歐亞大陸板塊與西太平洋菲律賓海板塊碰撞聚合帶上, 是典型的“溝-弧-盆”弧后拉張盆地, 總體呈 NNE-NE-NEE(自北向南)走向, 引起國內(nèi)外地質(zhì)學家的廣泛關注(圖 1)[5]。包括東海陸坡、沖繩海槽盆地、吐噶喇盆地和海槽東部火成巖隆起帶等地貌單元。Nash 等[6-7]最早對沖繩海槽東部的地震地層和構造進行詳細的研究, 將沖繩海槽地層劃分為 3大層組: 前沖繩盆地層組(由前中新世沉積巖、火成巖等構成的聲學基底)、沖繩盆地層組(上中新統(tǒng)一更新統(tǒng)裂谷盆地充填沉積)、沖繩海槽層組(更新統(tǒng)一全新統(tǒng)上超沉積層)。

2.2 地層速度數(shù)據(jù)前處理

沖繩海槽中部速度場對于多道地震資料的時深轉(zhuǎn)換和研究區(qū)構造沉積分析至關重要。由于該地區(qū)沒有鉆井資料約束, 利用二維地震數(shù)據(jù)處理過程中獲得的疊加速度數(shù)據(jù), 建立雙層模型并去除速度異常值, 為速度場建立奠定基礎。

圖1 沖繩海槽地理-構造略圖Fig. 1 The frame of gengraphy and tectonics of the Okinawa trough

2.2.1 方法

沖繩海槽中部缺少 VSP以及其它測井資料, 能用于速度場建立的資料僅限于地震資料處理過程中獲得的疊加速度, 選擇 Dix公式法建立沖繩海槽中部速度場。

Dix 公式法是一種快速簡便的方法, 計算量小,方便快捷, 便于實現(xiàn)。Dix公式層速度計算方法在宏觀上可以反映速度變化趨勢, 具有數(shù)據(jù)分布較密、覆蓋面積大的優(yōu)勢[8-9]?？梢詫嬙煜鄬唵蔚貐^(qū)得到較高的解釋精度。通過 Dix公式[10]求取層速度。

式中,Vδ為均方根速度;Vn為層速度;t0為地震波雙程旅行時間。

2.2.2 速度參數(shù)選擇

為保證速度分析的科學性及合理性, 在選擇速度參數(shù)中建立了原始疊加速度數(shù)據(jù)庫和t0層為數(shù)據(jù)庫。

地震速度處理過程獲得的速度資料繁雜, 質(zhì)量參差不齊。首先對比所有速度資料, 選取其中質(zhì)量較好, 能夠反映地下真實地質(zhì)情況的速度點, 建立原始疊加速度數(shù)據(jù)庫。

在對研究區(qū)合理的層位標定和解釋基礎上, 選擇地震剖面上反射能量強、連續(xù)性好的層位, 用于獲得準確的 T-D對數(shù)據(jù)。共選擇了 4個控制層, 建立t0面層位數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 雙層模型的選擇

地層速度的準確性直接決定深度預測的準確性和精度, 目前對地層速度的特征主要有 3種觀點:(1)深水區(qū)與淺水區(qū)地層速度沒有本質(zhì)區(qū)別[11]; (2)深水區(qū)地層受上覆海水的壓力作用很大, 同時代的等厚地層在深水區(qū)地層速度大[11]; (3)海水深度越大,地層速度越低[12]。

綜合研究發(fā)現(xiàn), 處于陸架區(qū)的地層速度較高,陸坡深水區(qū)地層速度偏低。相關學者[13]提出采用雙層模型法將海水層和沉積層剝離分析, 可以較好地消除海水對地層速度的影響。

研究區(qū)內(nèi)第四紀沉積物主要為松軟堆積物、半深海軟泥沉積與濁流沉積。根據(jù)地層特點, 速度場建立時采用雙層模型, 以去除海水層對沉積層速度的影響, 獲得相對合理的疊加速度(表1)。

2.2.4 速度異常值剔除

速度異常值的去除主要包括 3個方面: (1)參考前人研究的沖繩海槽中部速度值范圍, 去除明顯的速度異常值; (2) 速度是點與周圍介質(zhì)特性的平均反映, 并非該點地層變化規(guī)律的真實反映。因此, 在地層巖性組合相同、沉積環(huán)境類似的地震測線上, 相鄰速度具有一定的相似或漸變[14]。對比分析相鄰測線位置的速度值, 結合剖面解釋, 編輯和去除異常速度; (3)利用初步處理的數(shù)據(jù)生成三維點狀速度場,發(fā)現(xiàn)并去除明顯為負值的異常點, 圖中圈出海底面之上的點, 可能與測線反向有關。統(tǒng)一剔除此類由采集系統(tǒng)或處理過程產(chǎn)生的異常值(圖2)。

表1 速度資料統(tǒng)一格式表Tab.1 The unified speed data

圖2 沖繩海槽中部速度異常值去除前后比較圖Fig. 2 Comparison before and after of Velocity anomaly in the middle Okinawa Trough

3 速度場建立與應用

在獲得的地層速度數(shù)據(jù)基礎上, 選擇 Dix公式建立研究區(qū)速度場?；玖鞒桃妶D3。

圖3 三維速度場建立流程圖Fig. 3 Major process for establishment of 3-D velocity field

3.1 速度場建立

建立速度場可利用4種數(shù)據(jù)類型: (1) DBS(數(shù)據(jù)庫)時深表; (2)ASCII文件輸入時深函數(shù); (3)ASCII文件輸入平均速度或RMS速度或?qū)铀俣群瘮?shù); (4)數(shù)學方程計算的速度。

作者輸入 ASCII文件層速度函數(shù)建立速度場,進行層位數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、三維工區(qū)建立和導入數(shù)據(jù)生成速度場。其中, 層位數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后需觀察各層是否有串層現(xiàn)象; 工區(qū)建立時控制速度場范圍與工區(qū)相匹配(圖 4)。

圖4 沖繩海槽中部三維速度場Fig. 4 The three dimensional velocity field in the middle Okinawa Trough

正對該地區(qū)特點, 以疊加速度為原始資料, 用雙層模型去除海水影響, 剔除速度異常點后, 采用Dix公式法建立沖繩海槽無井深水區(qū)速度場, 可以得到較為可靠的宏觀速度分布規(guī)律。通過利用已解釋的層位數(shù)據(jù)的控制和約束(圖 5), 表明該速度場能客觀反映沖繩海槽地下地層較為真實的地質(zhì)情況[15]。

圖5 沖繩海槽中部解釋層位約束層速度Fig. 5 The explained horizon constraint velocity in the middle Okinawa Trough

3.2 變速成圖

有了研究區(qū)的速度場資料, 利用變速成圖方法,根據(jù)深度計算公式:

式中:H為深度;t為雙層時間;v為速度。

可對時間域等t0圖進行時深轉(zhuǎn)換獲得深度構造圖, 以反映研究區(qū)地下深度域的構造形態(tài)。

時深轉(zhuǎn)換, 把網(wǎng)格數(shù)據(jù)、層位、斷層、地震道從時間域轉(zhuǎn)換到深度域。有以下3種方法: (1)直接進行時深轉(zhuǎn)換; (2)通過速度場關聯(lián)到地震數(shù)據(jù), 沿層提取速度, 然后進行層位計算, 完成時深轉(zhuǎn)換; (3)直接沿層提取速度, 關聯(lián)地震數(shù)據(jù), 再進行層位計算,完成時深轉(zhuǎn)換。具體采用的是第一種方法, 直接進行轉(zhuǎn)換[17]。

根據(jù)地震剖面解釋的斷層和層位為基礎, 導出斷層多邊形數(shù)據(jù)和層位數(shù)據(jù), 繪制時間域t0圖(圖6a)。需要注意的是, 在繪制成果圖件時, 網(wǎng)格化間距、平滑系數(shù)和等值線間距都盡可能的小, 以突出對微幅度構造的精細刻畫[18]。

利用速度場對時間域t0數(shù)據(jù)進行時深轉(zhuǎn)換, 可以得到相對應的深度構造圖(圖6b)。

從圖6 a、b兩圖可看出, 沖繩海槽中部構造比較簡單, 北西高南東低, 主要構造為南東向的正斷層和巖漿侵入體, 地層整體從北西向南東增厚, 中部為鞍部。通過對比分析, 可看出同一位置的構造形態(tài)有所差異, 如在下部隆起部位, 從深度構造圖可看出, 是存在 3個高點, 而時間域t0圖則相對粗糙,只呈現(xiàn)兩個高點。

圖6 沖繩海槽中部變速成圖Fig.6 Variable velocity mapping in the middle Okinawa Trough

海底深度、地層巖性與厚度以及壓實作用等在大陸坡上的差異性所引起的速度變化都會使得同一類圖件因為處理方式的不同而表現(xiàn)有所差異, 通過變速成圖獲得的深度構造圖對海底形態(tài)的呈現(xiàn)更加精準, 相比于時間域t0圖, 深度構造圖能更加真實的反映海底構造的形態(tài), 從而提高了海底勘探精度。

3.3 速度場資料的地質(zhì)含義

速度場是由每一時刻、每一點上的速度矢量組成的物理場。

速度場可以提供豐富的速度基礎信息。從三維速度場數(shù)據(jù)體可提取疊加速度、平均速度、層速度等多種速度參數(shù), 可沿層(等t0圖)提取各反射層的疊加速度、平均速度、層速度等, 根據(jù)需要還可以提取任意點、任意測線的速度分析曲線。

下式可求每個網(wǎng)格點上每層的層速度[16]:

式中:d為深度;t為偏移時間。

下圖為上、下兩層層速度平面圖(圖7)。

圖7 沖繩海槽中部層速度圖Fig. 7 Layer velocity figure in the middle Okinawa Trough

對速度場數(shù)據(jù)體的深入分析, 可以了解研究區(qū)速度場宏觀上的變化規(guī)律, 并進一步解釋其地質(zhì)含義。沖繩海槽中部地區(qū)速度場具有縱向上和橫向上的規(guī)律變化:

(1) 縱向上由淺到深, 速度隨地層埋深增加逐漸增大。淺層速度變化幅度較小(T12反射層平均速度反射層: 1 850～1 930 m/s, 幅度80 m/s), 深層速度變換幅度較大(T10反射層平均速度2 080～2 270 m/s, 幅度 190 m/s), 結合地質(zhì)特點分析可能與淺地層相對較平緩, 而深地層相對較陡有關。

(2) 橫向上速度表現(xiàn)主要受構造形態(tài)(構造埋深和演化)的控制, 同時還受巖性、地層壓實及流體作用等多因素綜合影響。構造低部位的地層由于年代比周圍地層新, 層速度小于周圍的地層, 在層速度剖面上表現(xiàn)為一個“凹陷”, 同樣的構造高部位地層的層速度, 大于周圍地層的速度, 在層速度剖面上表現(xiàn)為一個“凸起”[2]。

4 結論

以 Dix公式法為基礎, 對多道地震數(shù)據(jù)處理中的疊加速度綜合處理, 結合雙層模型約束, 首次建立了沖繩海槽中部無井深水區(qū)速度場。

利用建立的速度場數(shù)據(jù)體提取層速度平面圖,了解沖繩海槽中部地區(qū)速度場具有縱向上和橫向上的規(guī)律變化; 變速成圖得到的構造圖件與地質(zhì)認識相一致, 實現(xiàn)了由地震資料反映海底構造等地質(zhì)信息的目的。

致謝：本文得到中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所雷寶華和駱迪博士后的大力支持和幫助, 在此表示衷心的感謝。也感謝稿件審閱人提出的寶貴意見。

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