東海陸架盆地構(gòu)造劃分的高精度重磁解釋技術(shù)

姚 剛，董向欣，李麗麗，馬國慶，孟令順

1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200030 2.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026

0 引言

東海陸架盆地地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造活動性強(qiáng)、埋深大、改造強(qiáng)烈，地震勘探在揭示構(gòu)造方面得不到良好的反射資料。重磁數(shù)據(jù)具備面積廣、深度大、構(gòu)造界線異常變化明顯，且對于覆蓋區(qū)也有較好的應(yīng)用等特點(diǎn)，因此選擇重磁數(shù)據(jù)來劃分東海陸架盆地的構(gòu)造分布。以往重磁數(shù)據(jù)邊界識別大多是利用數(shù)據(jù)水平導(dǎo)數(shù)極值與垂直導(dǎo)數(shù)零值來進(jìn)行[1-6]，但是由于導(dǎo)數(shù)的數(shù)值隨著深度的增加呈現(xiàn)距離的三次方衰減，因此無法給出較深構(gòu)造的位置。均衡邊界識別濾波器利用了一階水平與垂直導(dǎo)數(shù)的比值來進(jìn)行，但是識別結(jié)果存在一定的發(fā)散性。本文提出增強(qiáng)型局部相位邊界識別法，利用一階水平和二階水平導(dǎo)數(shù)的比值來進(jìn)行構(gòu)造識別，可有效提高結(jié)果的分辨率，且未使用垂直導(dǎo)數(shù)，不會由于垂直導(dǎo)數(shù)計算而增大噪聲的干擾。歐拉反褶積法利用重磁異常及其導(dǎo)數(shù)在給定構(gòu)造指數(shù)的情況下計算構(gòu)造的位置信息[7-8]。構(gòu)造指數(shù)是描述地質(zhì)體形態(tài)的參數(shù)，在實(shí)際數(shù)據(jù)解釋中往往需依據(jù)數(shù)據(jù)特征來給定；由于會存在較大的人為誤差，從而造成反演結(jié)果的不準(zhǔn)確。本文提出優(yōu)化歐拉反褶積法，首先采用場分離技術(shù)獲得區(qū)域背景異常，然后利用剩余異常進(jìn)行歐拉反演，獲得地質(zhì)構(gòu)造的位置信息。該方法可將構(gòu)造指數(shù)作為未知數(shù)進(jìn)行求解，從而避免了人為給定的誤差，提高了計算結(jié)果的精度。

東海陸架盆地(25°22′N—33°38′N、120°50′E— 129°00′E)處于歐亞板塊、太平洋板塊及菲律賓板塊的匯聚部位，亞洲東部板塊活動邊緣；區(qū)域上包括兩盆三隆5個主要的一級大地構(gòu)造單元，由西向東依次為：閩浙隆起區(qū)、東海陸架盆地、釣魚島隆褶帶、沖繩海槽盆地和琉球隆褶區(qū)；平面上呈北北東向狹長帶狀展布[9-10]；是我國近海油氣資源豐富的新生代盆地，具有與國內(nèi)外海相地區(qū)基本類似的成盆、成烴、成藏的地質(zhì)環(huán)境與條件。該盆地形成于晚三疊世，晚侏羅世古太平洋板塊俯沖方向轉(zhuǎn)變后,中國東部進(jìn)入持續(xù)拉張背景[11-12]。在這種匯聚背景下，華南板塊以東的東海盆地發(fā)生了從中心向邊緣的躍遷。上新世初以來，伴隨歐亞和菲律賓板塊的碰撞,南琉球群島順時針旋轉(zhuǎn)45°～50°，使得沖繩海槽弧后盆地進(jìn)入強(qiáng)烈拉張階段，這一構(gòu)造過程至今還在持續(xù)中[13-16]。由于長期處于板塊俯沖的前緣，東海盆地平均熱流值高于全球活動大陸邊緣盆地平均值20 mW/m2，這一現(xiàn)象對于東海盆地乃至周緣盆地固、液礦物形成具有重要意義[17]。

本文采用增強(qiáng)型局部相位邊界識別技術(shù)和優(yōu)化歐拉反褶積法進(jìn)行東海陸架盆地構(gòu)造劃分，以提高識別結(jié)果的水平和垂直分辨率，降低噪聲和人為參數(shù)設(shè)定的干擾，并綜合兩種方法識別東海陸架盆地的構(gòu)造分布特征，為區(qū)域油氣勘探提供基礎(chǔ)資料。

1 方法原理

1.1 增強(qiáng)型局部相位邊界識別技術(shù)

局部相位(local pahse, LP)邊界識別技術(shù)根據(jù)重磁異常一階水平導(dǎo)數(shù)極值點(diǎn)和垂直導(dǎo)數(shù)零值點(diǎn)與地質(zhì)體邊界的對應(yīng)關(guān)系，采用水平與垂直導(dǎo)數(shù)的比值來獲得地質(zhì)體的邊界信息，其表達(dá)式為

]。

(1)

Pil=

(2)

式中：Pil為增強(qiáng)型局部相位邊界識別結(jié)果；mean為取算數(shù)平均值。根據(jù)位場條件的拉普拉斯方程可知，式(2)中的二階垂直導(dǎo)數(shù)可采用如下的水平導(dǎo)數(shù)來計算：

(3)

因此，增強(qiáng)型局部相位邊界識別技術(shù)不需要垂直導(dǎo)數(shù)的計算，可有效地降低噪聲的干擾。

通過棱柱體產(chǎn)生的重力異常(g)來試驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性。地下埋藏2個深度分別為15和20 m的棱柱體I和棱柱體II，在理論重力異常中加上5%的高斯噪聲，疊加異常如圖1a所示，其中白色虛線為地質(zhì)體在地表水平位置的投影。圖1b為總水平導(dǎo)數(shù)邊界識別結(jié)果，該方法能清晰地獲得淺部地質(zhì)體的范圍，但較深地質(zhì)體的邊界模糊。圖1c為常規(guī)局部相位邊界識別結(jié)果，可以看出該方法能同時識別不同深度地質(zhì)體的邊界，但結(jié)果發(fā)散，不易于解釋。圖1d為增強(qiáng)型局部相位邊界識別結(jié)果，可以看出該方法能更加清晰和收斂地識別邊界，易于解釋。

1.2 優(yōu)化歐拉反褶積法

常規(guī)歐拉反褶積方程的表達(dá)式為

(4)

a.原始重力異常；b. 總水平導(dǎo)數(shù)計算結(jié)果；c. 局部相位邊界識別結(jié)果；d. 增強(qiáng)型局部相位邊界識別結(jié)果。圖1 不同方法的邊界識別結(jié)果Fig.1 Edge detection results by different methods

式中：(x,y,z)為已知的觀測點(diǎn)坐標(biāo)；(x0,y0,z0)為待求的場源體中心坐標(biāo)；B為未知背景場值；N為構(gòu)造指數(shù)，不同地質(zhì)構(gòu)造對應(yīng)特定的構(gòu)造指數(shù)。

為了避免構(gòu)造指數(shù)誤差所帶來的影響，提出優(yōu)化歐拉反褶積法。通過頻譜分析手段獲得目標(biāo)體的異常f-B，從而表達(dá)式改寫為

(5)

通過場分離手段獲得背景異常B，將構(gòu)造指數(shù)N與位置參數(shù)一起作為未知數(shù)進(jìn)行反演，能更有效地完成異常的解釋工作。在實(shí)際數(shù)據(jù)計算中將重磁異常組合為矩陣進(jìn)行聯(lián)合反演。

通過上下疊加圓柱體產(chǎn)生的重力異常試驗(yàn)方法的應(yīng)用效果。淺部地質(zhì)體埋深均為10 m，深部地質(zhì)體埋深約為70 m，兩組深淺異常體分別位于距離剖面起點(diǎn)60和120 m處，其引起的重力異常及模型如圖2所示。

對比常規(guī)歐拉反褶積法和優(yōu)化歐拉反褶積法的反演結(jié)果(圖3)，反演得到的位置參數(shù)采用“+”表示。圖3a為構(gòu)造指數(shù)為0.5時反演得到的結(jié)果，可

以看到結(jié)果發(fā)散，深度為4 m處存在集中的反演結(jié)果，與真實(shí)值差距較大。圖3b為構(gòu)造指數(shù)為1.0時反演得到的結(jié)果，可以看出結(jié)果的集中深度為8 m。圖3c為構(gòu)造指數(shù)為1.5時的反演結(jié)果，可以看出結(jié)果相對集中在9 m，但依舊存在一定的誤差。構(gòu)造指數(shù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系著反演結(jié)果的精度，異常體不規(guī)則以及異常之間的相互疊加均會造成構(gòu)造指數(shù)的改變；因此，對于未知地區(qū)，構(gòu)造指數(shù)是難以判定的，此時只能用單一規(guī)則模型的理論構(gòu)造指數(shù)(圖3a、b、c中的構(gòu)造指數(shù))代替。由于異常的相互疊加，理論構(gòu)造指數(shù)情況反演結(jié)果仍存在較大的誤差。圖3d為優(yōu)化歐拉反褶積法結(jié)果，其中，反演得出的構(gòu)造指數(shù)為1.3±0.2，其平均深度為(9.6±1.2)m，與真實(shí)值接近，且集中。

a. 圓柱體模型產(chǎn)生的疊加重力異常；b. 圓柱體模型。圖2 圓柱體模型及其重力異常Fig.2 Horizontal cylinder model and gravity anomaly

a. N=0.5，常規(guī)歐拉反褶積法；b. N=1.0，常規(guī)歐拉反褶積法；c. N=1.5，常規(guī)歐拉反褶積法；d. 優(yōu)化歐拉反褶積法。圖3 歐拉模型反演結(jié)果Fig.3 Inversion results of model by Euler deconvolution methods

因此，構(gòu)造指數(shù)會由于異常體的疊加而發(fā)生變化，當(dāng)存在背景異常且多個地質(zhì)體同時存在時，構(gòu)造指數(shù)本身發(fā)生變化后不單一，如采用單一的構(gòu)造指數(shù)進(jìn)行反演，則反演結(jié)果精度較低；采用優(yōu)化歐拉反褶積法的反演策略，即計算構(gòu)造指數(shù)的方式更加合理，且計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2 東海陸架盆地重磁構(gòu)造劃分

通過合作單位廣州海洋局、中國地質(zhì)調(diào)查局提供的1∶100萬和1∶50萬的海域重磁異常圖進(jìn)行拼接、濾波以及網(wǎng)格化處理，獲得整個東海盆地的1∶100萬(118°E—132°E、23°N—40°N)重磁數(shù)據(jù)(圖4)。

a. 自由空氣重力異常；b. 航磁異常。圖4 東海地區(qū)重磁異常 Fig.4 Gravity andaeromagnetic anomalies of East China Sea

a. 重力邊界識別結(jié)果；b. 磁力邊界識別結(jié)果。圖5 重磁增強(qiáng)型局部相位邊界識別結(jié)果Fig.5 Edge detection results of gravity and magnetic data by improved local phase edge detection method

東海陸架盆地由一系列二級坳陷與隆起組成，平面展布具有東西分帶、南北分段的特征。東西向由西至東依次為西部坳陷帶、中央隆起帶和東部坳陷帶。西部坳陷帶由北而南依次為：虎皮礁隆起、長江凹陷、錢塘凹陷和福州凹陷；中央隆起帶為漁山東隆起；東部坳陷帶即浙東坳陷帶(福州凹陷、西湖凹陷和釣北凹陷)。

采用增強(qiáng)型局部相位邊界識別濾波技術(shù)對重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得地質(zhì)構(gòu)造的位置信息，結(jié)果如圖5所示。增強(qiáng)型局部相位邊界識別方法結(jié)果的極大值表征構(gòu)造的位置信息。為了驗(yàn)證識別結(jié)果，利用重磁異常聯(lián)合的優(yōu)化歐拉反褶積法計算構(gòu)造的分布，結(jié)果如圖6所示。

圖6 重磁優(yōu)化歐拉反褶積處理結(jié)果Fig.6 Optimized Euler deconvolution results of gravity and magnetic data

根據(jù)重磁增強(qiáng)型局部相位邊界識別結(jié)果和優(yōu)化歐拉反褶積結(jié)果來劃分地區(qū)斷裂分布，并將其與已有地質(zhì)斷裂進(jìn)行對比，采用棕色線來標(biāo)注重磁解釋新增加斷裂，結(jié)果如圖7所示。

通過重磁數(shù)據(jù)劃分出斷裂200多條，與地質(zhì)斷裂重合率超過70%，且推斷出新的斷裂31條(棕色標(biāo)注)。通過斷裂結(jié)果可以看出：東海陸架盆地呈現(xiàn)北東走向；且由于地區(qū)經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動，所以整個東海陸架盆地是由多個小型凹陷組成的，凹陷與隆起帶之間存在平移斷層進(jìn)行分隔。斷裂位置的厘定對于分析區(qū)域構(gòu)造背景和判定油氣潛力具有重要的價值。

3 結(jié)論

1)本文提出增強(qiáng)型局部相位邊界識別法和優(yōu)化歐拉反褶積法來劃定東海盆地的構(gòu)造分布。增強(qiáng)型局部相位邊界識別法利用一階和二階水平導(dǎo)數(shù)的比值來進(jìn)行邊界的識別，其能有效地均衡不同深度地質(zhì)構(gòu)造的效應(yīng)，提高了深部構(gòu)造的分辨率，能更加清晰和準(zhǔn)確地獲得地質(zhì)構(gòu)造的位置信息；優(yōu)化歐拉反褶積法避免了構(gòu)造指數(shù)選取誤差的影響，從而能更加準(zhǔn)確地計算地質(zhì)體的位置信息。

2)理論模型表明增強(qiáng)型局部相位邊界識別法能更加清晰和準(zhǔn)確地劃分地質(zhì)體的邊界，優(yōu)化歐拉反褶積法可有效地去除背景異常的干擾，獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

3)依據(jù)重磁增強(qiáng)型局部相位結(jié)果和優(yōu)化歐拉反褶積結(jié)果劃定了東海陸架盆地構(gòu)造分布，劃分結(jié)果與已知地質(zhì)構(gòu)造吻合，且新推斷出31條隱伏斷裂，為分析區(qū)域構(gòu)造背景和評估油氣潛力提供了基礎(chǔ)資料。

謹(jǐn)以此文紀(jì)念時代楷模黃大年教授。

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