北極格陵蘭島東南部玄武巖區(qū)地震成像

吳其林 劉全穩(wěn)* 方中于 張 文 劉金鵬 張治中

(①廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名 525000；②中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部特普公司，廣東湛江 524057；③中海油國際公司，北京 100027)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，特別是2013年以來伴隨國際油價(jià)的節(jié)節(jié)攀升和世界各國對(duì)北極油氣資源的重視，美國、加拿大、俄羅斯、挪威、丹麥等環(huán)北極國家均出臺(tái)明確的北極國家戰(zhàn)略并積極向聯(lián)合國遞交北極主權(quán)申請(qǐng)，北極油氣勘探進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)繁榮時(shí)期[1]。研究區(qū)位于格林蘭島東南部，由于可供地質(zhì)綜合分析的資料較少，有限的二維地震、重力、磁力和大洋鉆探資料制約了對(duì)區(qū)域油氣資源的遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)。為此，進(jìn)行了覆蓋全區(qū)的海上大容量震源、變深度纜的寬頻二維地震資料采集。然而，受古近紀(jì)始新世、漸新世兩期玄武巖影響，以前處理的二維地震資料中深層地震成像較差，而中深層地震資料對(duì)區(qū)域烴源巖評(píng)價(jià)尤為重要。如何保護(hù)來自中深層的弱信號(hào)，恢復(fù)強(qiáng)噪背景下的中深層地震弱反射、深層不同時(shí)代地層界面等信息，成為地震資料中深層成像的難點(diǎn)[2-3]。

近年來，火山巖或鹽體區(qū)地震成像受到越來越多的重視。佘德平等[4]通過波動(dòng)方程波場數(shù)值模擬技術(shù)分析了火山巖區(qū)地震信號(hào)特征，得出低頻地震信號(hào)具有較強(qiáng)穿透高速薄玄武巖屏蔽層的能力，也具有降低粗糙表面產(chǎn)生繞射噪聲的能力；孫偉家等[5]從地震照明的角度研究了地震波頻帶與火山巖屏蔽的關(guān)系，認(rèn)為中低頻成分對(duì)火成巖屏蔽區(qū)的照明貢獻(xiàn)大，而高頻成分貢獻(xiàn)小。Sun等[6]利用完全彈性波動(dòng)方程模擬了近地表玄武巖分布對(duì)地震波傳播的影響并得出幾點(diǎn)重要結(jié)論：①玄武巖厚度小于波長1/2時(shí)，薄層玄武巖影響小于厚層玄武巖；②有限橫向長度的玄武巖比連續(xù)分布的玄武巖影響小；③煤層或地層遠(yuǎn)離玄武巖時(shí)影響??；④地震波傳播受玄武巖表面粗糙面影響小。符力耘等[7]在研究庫車坳陷高陡構(gòu)造地震成像時(shí)，在高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合測井資料與鹽體地質(zhì)結(jié)構(gòu)建立合理的偏移速度，應(yīng)用半解析的退化Fourier偏移算子進(jìn)行庫車崎嶇地表波動(dòng)方程基準(zhǔn)面靜校正和地震疊前偏移成像，極大改善了高波數(shù)波的成像效果。Zhou等[8]研究了澳大利亞昆士蘭中部玄武巖對(duì)煤層勘探的影響，結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖局部分布時(shí)，利用遠(yuǎn)炮檢距信息和疊前深度偏移(PSDM)可以改善玄武巖下地層成像，但玄武巖連續(xù)分布時(shí)，對(duì)玄武巖下地層成像較為困難。

本文通過聲波波動(dòng)方程數(shù)值模擬分析了兩個(gè)期次不同類型、不同厚度玄武巖地震屏蔽作用以及與低頻信號(hào)之間的關(guān)系，指引了后續(xù)以低頻保護(hù)為核心的寬頻地震資料處理，極大地提高了北極格陵蘭島東南部JMY地區(qū)玄武巖下地層成像質(zhì)量，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

1 玄武巖地震地質(zhì)特征

玄武巖為基性火山噴發(fā)巖，巖漿黏度小、流動(dòng)性大，噴溢地表易形成大規(guī)模熔巖流和熔巖被，也有呈侵入體的巖床等[9-13]。在北極格陵蘭島東南部JMY地區(qū)的玄武巖具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

(1)據(jù)鄰區(qū)格林蘭島盆地露頭資料和大洋鉆探錄井資料表明，第一期(始新統(tǒng))玄武巖為多幕噴發(fā)相，以溢流相熔巖和噴發(fā)的角礫巖、火山灰、火山集塊巖互層為特征，覆蓋研究區(qū)絕大部分區(qū)域[12-13]。地震剖面上雙程旅行時(shí)時(shí)間厚度差異大，但大部分在60ms左右。據(jù)區(qū)域資料，玄武巖速度為4600m/s，厚度約為138m。

(2)第二期(漸新統(tǒng))玄武巖以溢流相厚層熔巖為特征，在研究區(qū)廣泛分布，且厚度較大，地震剖面上雙程旅行時(shí)厚度一般大于120ms，按照玄武巖熔巖的速度5500m/s計(jì)算，厚度一般大于330m。

(3)受晚期斷層的影響，研究區(qū)第二期玄武巖縱向上升降明顯，且受圍巖結(jié)構(gòu)影響其表面凹凸不平，環(huán)境溫度和壓力變化的不均導(dǎo)致玄武巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均。

(4)第一期玄武巖與圍巖的波阻抗差異相對(duì)較小，反射系數(shù)約為0.26；而第二期玄武巖與圍巖的波阻抗差異大，反射系數(shù)高達(dá)0.55。

受上述地震地質(zhì)條件的影響，結(jié)合地震波場特征，可知：①兩期較厚的玄武巖地層對(duì)地震波場能量屏蔽作用較大，由于第二期玄武巖比第一期厚度大、熔巖含量比高和反射系數(shù)大，對(duì)地震波屏蔽作用明顯比第一期玄武巖強(qiáng)；②多次波發(fā)育，除海底多次波發(fā)育外，兩期玄武巖同海底的層間多次波也嚴(yán)重影響下伏地層成像；③地層的起伏及其粗糙的表面導(dǎo)致地震信號(hào)散射強(qiáng)。

2 理論模型分析

為了研究玄武巖屏蔽作用對(duì)地震波傳播的影響，采用各向同性交錯(cuò)網(wǎng)格高階有限差分法進(jìn)行聲波波動(dòng)方程數(shù)值模擬，該方法具有計(jì)算速度快、占用內(nèi)存少、效率高等特點(diǎn)[14]。

建立如圖1所示的火山巖模型，包括一個(gè)海水層，兩套高速、高密、高阻抗的玄武巖和三套沉積地層。研究區(qū)內(nèi)海底有一定起伏，但大部分深度在1500m左右，部分海山區(qū)為1400m或更淺。由于海底崎嶇不是影響地震成像的主要因素，因此將海底設(shè)計(jì)為水深1500m的水平面。第一期玄武巖地層厚度約為70～140m，西薄東厚，埋深在4100～4400m(以海平面起算)，速度為4600m/s，密度為2610kg/m3。第二期玄武巖地層較厚，厚度大部分在300m以上，受晚期斷層改造在剖面上表現(xiàn)為同相軸的上下錯(cuò)動(dòng)，埋深約為2900m，速度為5500m/s，密度約為2700kg/m3。

選用主頻分別為30、20和10Hz的最大相位子波進(jìn)行數(shù)值模擬。圖2是主頻為30Hz模擬數(shù)據(jù)疊加剖面，海底、第一期玄武巖和第二期玄武巖及地層界面1均為強(qiáng)反射界面，左側(cè)的第二期玄武巖下可見兩套較強(qiáng)層間多次波(黑色箭頭所示)，多次波能量呈逐漸減弱的趨勢，極性與第二期玄武巖反射相反；在第二期表面崎嶇的玄武巖下基本見不到第一期玄武巖、界面2、界面3的反射波；而在右側(cè)，僅有第一期玄武巖覆蓋，可見界面2、第一期玄武巖界面、界面3的反射，在中部的斜坡帶反射振幅明顯弱于右側(cè)的平緩帶。

圖3是主頻為20Hz模擬數(shù)據(jù)疊加剖面，地震反射特征與圖2較為接近，但也有差異，表現(xiàn)在強(qiáng)反射界面的軸變得“稍胖”，高頻噪聲減少，地層界面反射振幅稍有增大，有利于地層界面的真實(shí)成像。左側(cè)第二期玄武巖強(qiáng)屏蔽效果仍然明顯(黑色箭頭所示)，玄武巖下的地層界面無法真實(shí)反映，而右側(cè)的無第二期厚層玄武巖覆蓋區(qū)的中、深層成像質(zhì)量明顯要高。

圖1 火山巖地質(zhì)模型

圖2 子波主頻為30Hz的模擬數(shù)據(jù)疊加剖面(未含鬼波)

圖3 子波主頻為20Hz的模擬數(shù)據(jù)疊加剖面(未含鬼波)

圖4是主頻為10Hz模擬數(shù)據(jù)疊加剖面，與圖2、圖3相比，頻率更低、橫向更加連續(xù)，右側(cè)第一期玄武巖下的地層界面3振幅明顯增強(qiáng)，說明在這種相對(duì)較薄的第一期玄武巖覆蓋區(qū)域，低頻信號(hào)的穿透力更強(qiáng)，有利于中深層地層成像。同時(shí)在剖面左側(cè)，第二期玄武巖下的第一期始新統(tǒng)玄武巖界面成像質(zhì)量有了較為明顯的提高，可見弱振幅、低頻、高連續(xù)的地震反射特征；地層界面2也有微弱顯示，但不如第一期始新統(tǒng)玄武巖界面明顯。

不同子波主頻數(shù)值模擬結(jié)果表明，第二期漸新統(tǒng)玄武巖對(duì)地下中深層地層界面地震成像屏蔽作用較強(qiáng)。單靠大容量震源、斜纜采集對(duì)第二期厚層玄武巖下地層成像有一定困難；但有利于低頻信號(hào)穿透只有第一期始新統(tǒng)玄武巖覆蓋的區(qū)域。

圖4 子波主頻為10Hz的模擬數(shù)據(jù)疊加剖面(未含鬼波)

3 實(shí)際資料處理

前人研究表明，研究區(qū)同挪威的伏令盆地、莫爾盆地和法羅斯盆地為共軛盆地，主要發(fā)育中、新生界[15]。盆地構(gòu)造演化分析表明，研究區(qū)中生代為內(nèi)陸裂谷盆地，新生代發(fā)展為被動(dòng)大陸邊緣盆地，沉積環(huán)境也由中生代的陸相—局限海相—海陸過渡相向新生代的開闊海相轉(zhuǎn)變[15]。由于處于油氣遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)階段，重點(diǎn)是分析凸起、凹陷分布及其地層結(jié)構(gòu)，特別是中生界侏羅系為主力烴源巖，是油氣勘探遠(yuǎn)景的評(píng)價(jià)的重要參考指標(biāo)，搞清其分布尤為重要。

受兩期玄武巖分布和深水崎嶇海底的雙重復(fù)雜地震地質(zhì)條件影響，中深層地層的波阻抗差小、地震信號(hào)弱的背景下，常規(guī)地震資料很難獲得較好的中深層地震成像，導(dǎo)致中生界白堊系、侏羅系、三疊系成套波組淹沒在噪聲之中，嚴(yán)重影響了地層界面識(shí)別和追蹤(圖5a)。

聲波波動(dòng)方程數(shù)值模擬表明，低頻信號(hào)有利于穿透玄武巖，進(jìn)而提升下伏地層成像質(zhì)量。如何在噪聲、多次波夾雜的背景下做好中深層低頻信號(hào)保護(hù)和挖潛的寬頻地震資料處理，是提升火山巖下成像質(zhì)量、進(jìn)而搞清中生界各地層反射界面、波組特征及其分布規(guī)律的基礎(chǔ)。

針對(duì)研究區(qū)特殊的地質(zhì)背景，地震采集時(shí)使用了大容量震源+變深度纜的寬頻采集(氣槍容量為6280in3，是常規(guī)氣槍的132%)；同時(shí)采用截止頻率更低的前置濾波器保護(hù)低頻信息(低截止頻率2Hz@6dB，常規(guī)為3Hz@6dB)。

目前，針對(duì)海洋變深度纜寬頻地震資料處理的研究較多[16-23]，選擇一套合理的處理流程進(jìn)行大容量震源背景下變深度纜的寬頻處理尤為重要。首先，基于改進(jìn)型多次波模型預(yù)測法+多域變換剩余繞射多次波壓制法+AVO近道多次波壓制法的組合應(yīng)用，水層多次波得到有效衰減。其次，對(duì)于海上二維地震資料，鬼波壓制是低頻信號(hào)恢復(fù)的關(guān)鍵，選用基于波場分離的鬼波壓制方法，即從數(shù)據(jù)本身出發(fā)，利用有效信號(hào)與鬼波在不同域的差異，通過走時(shí)估算子波變化，在給定時(shí)窗內(nèi)完成濾波；其最大的優(yōu)點(diǎn)是考慮子波時(shí)空變特性，數(shù)據(jù)整體鬼波壓制效果突出[24-27]。

圖5a為以前處理的地震疊后偏移剖面，圖5b為新處理的鬼波壓制后的地震剖面。新資料在隆起區(qū)中深層低頻信號(hào)得以恢復(fù)，中生界反射波組關(guān)系更清楚，且具有上、下明顯的能量差別，即強(qiáng)振幅、低頻、中連續(xù)一套波組(圖中橢圓所示)被另一套弱振幅、中—高頻、低連續(xù)的波組覆蓋，有利于地震界面的識(shí)別和劃分。在老資料上難以識(shí)別火山侵入巖位置和規(guī)模，在新資料上變得清楚。

凹陷區(qū)新老資料對(duì)比表明，圖5a中的老資料中深層反射特征復(fù)雜，多解性強(qiáng)，橢圓虛線圈中的深層強(qiáng)反射懷疑是繞射，地層產(chǎn)狀也不太合理。圖5b展示的新資料中深地層波組清楚，層次感強(qiáng)，易于地震資料解釋。

圖5c為圖5b的解釋后的剖面，在剖面右側(cè)凹陷區(qū)內(nèi)部的侏羅系表現(xiàn)為一套中強(qiáng)振幅、低頻、中連續(xù)波組，為陸相的三角洲—湖相沉積，可見前積反射特征，與上覆地層呈角度不整合關(guān)系，這與前人的研究結(jié)果不謀而合[15]。

圖5 研究區(qū)老資料(a)、新資料(b)及其解釋(c)剖面對(duì)比新、老資料兩條測線相距4.5km

對(duì)比老資料和新資料的頻譜(圖6)可以看出，老資料0～10Hz信號(hào)衰減嚴(yán)重，振幅低于-10dB，頻帶為8～115Hz(以-20dB為參照)，主頻為53Hz；新資料處理結(jié)果在2～10Hz頻段信息豐富，振幅大于-10dB，頻帶為2～115Hz(-20dB)，主頻為56.5Hz。頻譜分析表明，無論是低頻端、頻寬還是主頻，新資料都具優(yōu)勢，這也體現(xiàn)在中深層成像上。由于處理過程中考慮到了噪聲背景下的優(yōu)化鬼波壓制，因此在新資料中深層成像上有效信號(hào)、波組層次及其接觸關(guān)系更清晰。

圖6 中深層老資料(a)和新資料(b)頻譜對(duì)比

由于中深層中生界的地震成像得到明顯改善，改變了前人對(duì)該區(qū)侏羅系烴源巖薄而分布不清的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為凹陷中侏羅系烴源巖雙程時(shí)間厚度超過1.5s，極大提高了對(duì)該區(qū)的油氣勘探遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)，為下一步勘探提供了依據(jù)(圖5c)。

4 結(jié)論及討論

(1)基于聲波波動(dòng)方程數(shù)值模擬結(jié)果表明，北極格陵蘭島東南部JMY地區(qū)的低頻信號(hào)對(duì)玄武巖層屏蔽層的穿透能力較強(qiáng)，且有較強(qiáng)的抗吸收和散射能力，是提高中深層成像的有效信號(hào)。

(2)實(shí)際資料處理結(jié)果表明，基于波場分離鬼波壓制技術(shù)為核心的寬頻處理技術(shù)有利于中深層低頻信號(hào)的恢復(fù)，對(duì)研究區(qū)提高玄武巖下地層成像效果明顯。

(3)中深層中生界的地震成像得到明顯改善后，改變了前人對(duì)該區(qū)侏羅紀(jì)烴源巖薄而分布不清的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為凹陷中侏羅系烴源巖雙程時(shí)間厚度超過1.5s，極大地提升了該區(qū)油氣勘探潛力，為進(jìn)一步勘探提供了依據(jù)。

本文得到了中海油研究總院張樹林首席、姜慧超高級(jí)工程師的指導(dǎo)，得到了中海油服物探事業(yè)部特普公司但志偉總工程師、孫雷鳴副總工程師、薛濤工程師、張健男工程師及項(xiàng)目組其他同事的支持和幫助，在此一并表示感謝！