基于方差相干體的斷層識(shí)別方法

汪 杰,汪 銳

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌330013;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037;3.中國(guó)海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

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基于方差相干體的斷層識(shí)別方法

汪 杰1,2,汪 銳3

(1.東華理工大學(xué) 核工程與地球物理學(xué)院，江西 南昌330013;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 國(guó)土資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037;3.中國(guó)海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，廣東 湛江 524057)

對(duì)斷層和斷裂帶的有效探測(cè)和識(shí)別是地震資料解釋中的重要環(huán)節(jié)。作為近些年興起的新技術(shù)，運(yùn)用地震數(shù)據(jù)體提取出能反映多種構(gòu)造信息的屬性體，在構(gòu)造復(fù)雜區(qū)的構(gòu)造沉積演化、斷裂系統(tǒng)組合研究中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。為了更加準(zhǔn)確和有效地對(duì)斷層與裂縫進(jìn)行識(shí)別，在相干和方差算法的基礎(chǔ)上，提出了方差相干體的概念。并以新疆某區(qū)塊實(shí)際資料為例，對(duì)比了方差和相干的多屬性融合技術(shù)與相干屬性體、方差屬性體相的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示：方差相干體技術(shù)能準(zhǔn)確地反映地層構(gòu)造形態(tài)和斷裂分布情況，對(duì)較大斷裂的識(shí)別有很好的效果；同時(shí)，對(duì)原始地震數(shù)據(jù)中的噪聲也具有很好的壓制作用。

地震屬性技術(shù)；方差相干體；斷層識(shí)別

1 引 言

斷層在油氣的運(yùn)移過(guò)程中既可能起通道作用，也可能起封堵作用。隨著勘探向更深層次發(fā)展，輸導(dǎo)體系的定量研究已成為油氣成藏研究的重要組成部分，其中斷層作為三大輸導(dǎo)體系之一，解釋上存在一定的難度。常規(guī)的斷層解釋方法周期長(zhǎng)，難度大，主觀性強(qiáng)，很大程度上依賴于解釋人員的經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)地質(zhì)知識(shí)的先驗(yàn)信息。然而，實(shí)際解釋中面臨的斷層系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，特別是復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的平面組合，難度更甚[1,2]。以地震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用地震數(shù)據(jù)體內(nèi)部某些已知的與斷層存在有關(guān)的特征信息對(duì)斷層進(jìn)行識(shí)別，不僅實(shí)現(xiàn)了斷層解釋的半自動(dòng)化和程序化，而且提高了斷層解釋的精度與效率。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和三維地震勘探技術(shù)的廣泛應(yīng)用，地震屬性技術(shù)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，并逐步發(fā)展成為了現(xiàn)代三維地震資料解釋的重要組成部分[3]。許多學(xué)者成功地從三維地震數(shù)據(jù)中提取了許多突出斷層信息的不連續(xù)屬性體。如相干體屬性技術(shù)、方差體屬性技術(shù)、傾角方位角屬性技術(shù)和邊緣增強(qiáng)屬性技術(shù)等[4-9]。其中相干體、方差體屬性分析技術(shù)的提出使得面向巖性的不連續(xù)邊界分析技術(shù)提高到了一個(gè)嶄新的水平，在斷層的識(shí)別中發(fā)揮著重要作用[10]。

斷層附近巖性的變化或不連續(xù)會(huì)造成地震響應(yīng)突變異常，進(jìn)而造成相干體技術(shù)與方差體技術(shù)在計(jì)算結(jié)果上產(chǎn)生差異。利用這些差異就能很好地進(jìn)行斷層解釋。方差相干體利用相干體和方差體的組合，在相干體的基礎(chǔ)上做方差計(jì)算，定量突出相干體中的低相干區(qū)域。本文以新疆某地區(qū)奧陶系地層數(shù)據(jù)為例，比較了方差相干技術(shù)與相干技術(shù)、方差技術(shù)在剖面和切片上的特征，總結(jié)了其顯示規(guī)律和特征，探究了該方法在斷層識(shí)別中的優(yōu)勢(shì)。

2 方差相干體原理與計(jì)算方法

相干體技術(shù)對(duì)連續(xù)均勻地質(zhì)體的地震響應(yīng)計(jì)算數(shù)值較大，而對(duì)地質(zhì)體不連續(xù)處的地震響應(yīng)計(jì)算數(shù)值較小?；诖颂攸c(diǎn)，相干算法在尋找地下斷層帶和巖性突變帶具有很好的效果。方差體技術(shù)的思想來(lái)源于概率中的方差分析，它通過(guò)計(jì)算滑動(dòng)窗口內(nèi)地震道各個(gè)采樣點(diǎn)與平均值之差得到方差體, 從而突出由地質(zhì)體性質(zhì)的不連續(xù)性或異常性引起的地震反射的異常。方差相干體是一種將方差和相干結(jié)合起來(lái)的新算法，具體計(jì)算是先將地震數(shù)據(jù)體進(jìn)行相干計(jì)算，然后將得到的相干體進(jìn)行方差計(jì)算，從而得到方差相干體。

根據(jù)相干體的C3算法[11,12]，在三維數(shù)據(jù)體中，在分析時(shí)間t(單位：ms)的±K的垂直視窗內(nèi)，在由時(shí)間t的視傾角p和q(單位：°)決定的平面上，通過(guò)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)插值，生成的每一個(gè)樣點(diǎn)矢量組成一個(gè)新的數(shù)據(jù)矩陣的行和列。進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)，可生成協(xié)方差矩陣C[13]。此時(shí)，協(xié)方差矩陣的元素Cij可表示為：

(1)

由于該協(xié)方差矩陣是對(duì)稱的半正定矩陣，當(dāng)原始數(shù)據(jù)矩陣元素不全為零時(shí)，可以計(jì)算出它們的J個(gè)非負(fù)特征值?？傻肅3算法的相干值：

(2)

然后將得到的相干數(shù)據(jù)體代入方差算法[14,15]中計(jì)算：

(3)

(4)

(5)

這樣就由原始數(shù)據(jù)得到了方差相干數(shù)據(jù)體。

3 實(shí)際資料應(yīng)用與效果分析

本文采用的實(shí)際數(shù)據(jù)采集來(lái)自新疆某碳酸鹽巖地區(qū)，該地區(qū)奧陶統(tǒng)地層中發(fā)育大量斷層和裂縫，斷層基本以逆斷層為主，分布較為雜亂。在疊前時(shí)間偏移剖面中以同向軸錯(cuò)斷的直立斷層為主，規(guī)模較小。利用人工對(duì)該區(qū)域進(jìn)行構(gòu)造解釋難度較大，且?guī)в泻軓?qiáng)的主觀性。通過(guò)基于方差相干體斷層識(shí)別技術(shù)試圖快速有效地實(shí)現(xiàn)斷層的識(shí)別。與常規(guī)剖面解釋結(jié)果、方差體和相干體剖面對(duì)比分析，驗(yàn)證了方差相干體技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性。

3.1 斷層追蹤效果對(duì)比

圖1為原始地震剖面，該剖面上部整體以強(qiáng)振幅高連續(xù)平行～亞平行反射結(jié)構(gòu)為主，發(fā)育少量斷層，斷點(diǎn)清晰，斷面可追蹤；中部主要以弱振幅平行或亞平行連續(xù)同向軸為主，反射能量較弱，與上部之間為大范圍的平行不整合面，發(fā)育有大量直立斷層，斷距較小。下方反射能量減弱，分辨率降低，但仍可見(jiàn)少許連續(xù)同向軸，中部連續(xù)性變差，且發(fā)育微小層間斷層。圖中紅色斷層為先驗(yàn)地質(zhì)信息約束下主觀解釋的斷裂。

圖2為利用C3算法得到的相干體剖面?？梢钥闯稣w剖面的質(zhì)量較好，噪聲和其他雜亂反射的現(xiàn)象較少。圖中的高相干區(qū)域(黃色)與地震剖面中的強(qiáng)反射連續(xù)地層對(duì)應(yīng)情況很好，重點(diǎn)關(guān)注的是相干剖面中的欠相干或者不相干區(qū)域(紅色與藍(lán)色)，它們與地震剖面上的斷層或者裂縫并不能很好地對(duì)應(yīng)；圖3為經(jīng)過(guò)方差算法得到的方差體剖面，將其與地震剖面進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在地震剖面上同向軸較為連續(xù)的強(qiáng)反射區(qū)域在方差剖面上顯示的結(jié)果為低值(黃色)，而中部斷層較為發(fā)育的層段，方差剖面上多為藍(lán)色點(diǎn)狀或條狀顯示。對(duì)比圖2與圖3不難發(fā)現(xiàn)，相干體剖面上顯示的雜亂反射點(diǎn)明顯少于方差體剖面。盡管相干算法對(duì)噪聲的壓制強(qiáng)于方差算法，但是方差技術(shù)與相干技術(shù)在斷層的識(shí)別效果上的差異不是很大。剖面中斷層和巖石破碎帶主要沿同相軸分布，與原始剖面中的直立斷層分布規(guī)律并不能很好地對(duì)應(yīng)。

圖1 原始地震剖面Fig.1 Original seismic section (inline)

圖2 相干體剖面Fig.2 Section of coherency cubes attribute

圖4是為方差相干體剖面，即在先做了相干計(jì)算之后，在相干的基礎(chǔ)上再做方差，對(duì)地震波的平均效應(yīng)較強(qiáng)。剖面整體顯示為高值，只有在相干結(jié)果上出現(xiàn)低值的地方會(huì)出現(xiàn)方差高值。剖面連續(xù)性較差，其連續(xù)性取決于相干體的連續(xù)性。這是由方差的算法所決定的，方差是通過(guò)計(jì)算該點(diǎn)與周?chē)噜彽卣鸬赖臅r(shí)窗內(nèi)所有樣點(diǎn)平均主值之間的方差，然后再加權(quán)歸一化處理后獲得結(jié)果。所以方差計(jì)算對(duì)剖面的連續(xù)性影響不會(huì)太大。另外，方差相干剖面中對(duì)原始剖面中零散、雜亂的點(diǎn)有很好的過(guò)濾作用，對(duì)原始數(shù)據(jù)中的噪聲有很好的壓制作用。但同時(shí)也過(guò)濾了剖面的部分有用信息，造成對(duì)某些小斷層或大斷層細(xì)節(jié)刻劃的不足。

圖3 方差體剖面Fig.3 Section of variance cubes atribute

圖4 方差相干體剖面Fig.4 Section of variance-coherency cubes attribute cubes

3.2 斷層平面展布分析

圖5、圖6和圖7分別為相干體、方差體和方差相干體3 375ms的等時(shí)切片。從切片中都能看出：該區(qū)域發(fā)育大量北西向斷層及少量北東向斷層，斷層總體分布較雜亂，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這與該區(qū)獲得地質(zhì)和鉆探的先驗(yàn)信息相一致。按照斷層的分布規(guī)律可以將該區(qū)域的斷層分為A、B和C三個(gè)主要區(qū)域。其中，C區(qū)域的斷層發(fā)育程度較高；B區(qū)域相干程度較高，有少量小斷層發(fā)育，地層的連續(xù)性較高；A區(qū)域是介于B區(qū)域和C區(qū)域之間的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域內(nèi)斷層有所發(fā)育，但程度不高，可見(jiàn)幾條較大的斷層。對(duì)比圖5、圖6和圖7，可發(fā)現(xiàn)：由于相干方差體算法的平均效應(yīng)，切片中零散、雜亂的信號(hào)得到很好的壓制，同時(shí)也造成對(duì)小斷層細(xì)節(jié)刻劃得不足，但其對(duì)較大的斷裂和巖性差異區(qū)具有很好的突出效果。

圖5 3 375 ms相干體等時(shí)切片F(xiàn)ig.5 Time slice of coherency cubes attribute on 3 375 ms

圖6 3 375 ms方差體等時(shí)切片F(xiàn)ig.6 Time slice of variance cubes atribute on 3 375 ms

圖7 3 375 ms方差相干等時(shí)體切片F(xiàn)ig.7 Time slice of variance-coherency cubes atribute on 3 375 ms

4 結(jié)論與展望

本文在相干體和方差體計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了方差相干體的概念。運(yùn)用實(shí)際地震數(shù)據(jù)計(jì)算，將其對(duì)斷層和裂縫的識(shí)別效果與原始數(shù)據(jù)剖面、相干體和方差體進(jìn)行對(duì)比分析。得到以下認(rèn)識(shí)：

1)方差相干體屬性技術(shù)對(duì)斷層的識(shí)別結(jié)果與常規(guī)剖面解釋和地質(zhì)資料信息相符合，能準(zhǔn)確地反映地層構(gòu)造形態(tài)和斷裂分布情況。

2)方差相干體屬性技術(shù)的應(yīng)用效果較相干體或者方差體來(lái)說(shuō)，對(duì)細(xì)節(jié)的保留較差。盡管對(duì)那些較為細(xì)小斷層的細(xì)節(jié)顯示不清晰。但方差相干體對(duì)差異較大的破碎區(qū)域和斷層具有很好的突出效果。

3)方差相干體的計(jì)算結(jié)果對(duì)噪聲引起的異常具有很好的濾波效果。相比于常規(guī)的相干體或者方差體，剖面上由于噪聲引起的雜亂現(xiàn)象較弱，從而突出了剖面中差異區(qū)域。

4)方差相干體的計(jì)算過(guò)程具有較強(qiáng)平均效應(yīng)，這是方差和相干算法的本身性質(zhì)所決定的。所以方差相干體剖面對(duì)部分有用信息的過(guò)濾后，可能會(huì)造成微小斷層和裂縫信息的保留存在不足。尋找某些對(duì)細(xì)節(jié)保留較好的多種屬性體融合的計(jì)算技術(shù)將會(huì)對(duì)微小斷層和裂縫細(xì)節(jié)的刻劃更加真實(shí)和精確。

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Fault Identification Method Based on Variance-coherence Cubes

Wang Jie1,2, Wang Rui3

(1.SchoolofNuclearEngineeringandGeophysics,EastChinaInstituteofTechnology,NanchangJiangxi330013,China; 2.InstituteofMineralResourcesChineseAcademyofGeologicalSciences,MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,Beijing100037,China; 3.ZhanjiangFiliale,CNOOCChinaLtd.,ZhanjiangGuangdong524057,China)

Detection and identification of faults and fractured belts are the most important issues in seismic data interpretation. As a new technique in recent years, the using of seismic attributes abstracted from seismic data which reflects many kinds of structural information plays a more and more important role in the structural interpretation. In order to identify the faults and fractures more accurately and effectively, the concept of the variance cohereny cube in the foundation of cohereny and variance algorithm is presented. By taking the actual data of an area in Xinjiang as an example and comparing the application effect with coherency cubes attribute and the variance cubes attribute, the results show that the variance coherency cube technique can accurately reflect the stratigraphic structure and the distribution of the fault. Although the details of small fault are not clear, the variance coherency cube technique can effectively identify the large fault. At the same time, this method has a good effect on the suppression of the noise.

seismic attribute technology; variance-coherency cube; fault identification

1672—7940(2016)01—0046—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.008

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011BAB04B01)；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào)：12120114053301)

汪 杰(1989-)，男，碩士研究生，主要從事地震資料處理與解釋研究工作. E-mail: who_wangjie@163.com

P631.3

A

2015-09-18