復雜沉積區(qū)地震剖面時深轉(zhuǎn)換的多公式擬合方案及應用

汪俊，徐子英，任衛(wèi)波

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.自然資源部 海底礦產(chǎn)資源重點實驗室，廣東 廣州 510760；3.廣東地下管網(wǎng)工程勘測公司，廣東 廣州 510075)

0 引言

地震剖面解釋多基于時間域剖面，而最終成果(如沉積厚度圖、地層結(jié)構(gòu)圖和地質(zhì)剖面圖等)須以深度域數(shù)據(jù)展示，其間涉及地震資料的時深轉(zhuǎn)換。速度數(shù)據(jù)主要來源包括：鉆孔速度資料和地震速度譜分析獲取的速度資料。

鉆孔經(jīng)濟成本高昂，即使在勘探程度高的含油氣盆地亦分布稀少，不足以精細描述勘探區(qū)三維空間內(nèi)的速度分布規(guī)律；聯(lián)合鉆孔速度和地震速度數(shù)據(jù)獲取勘探區(qū)較高精度的速度資料成為油氣勘探的常見方法[1-10]。海洋區(qū)域地震勘探覆蓋范圍廣，在無鉆井速度資料可用的情況下，利用地震速度資料開展時深轉(zhuǎn)換工作成為唯一選擇。

由速度譜分析方法獲取的速度資料優(yōu)點與缺點并存，其缺點是分辨率相對較低，可靠性相對較差，尤其是在復雜構(gòu)造區(qū)域[2,8-9]和海盆深水區(qū)域[11]，其優(yōu)點是可以沿地震剖面密集地獲取速度資料，藉此不僅可以了解速度的縱向變化規(guī)律，還能分析速度的橫向分布特征。

與小區(qū)域高調(diào)查程度的油氣勘探不同，海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查一般無鉆井速度資料，二維地震測線網(wǎng)度相對稀疏(如1∶100萬比例尺的測線網(wǎng)度為20 km×40 km)，勘探面積較大，無法像油田三維地震勘探一般形成高精度的地震速度體[2-10,12]。因此，海洋區(qū)域地震勘探時深轉(zhuǎn)換工作一般利用沿地震剖面獲取的速度譜資料，擬合一個適用于整條剖面甚至全區(qū)的折中時深轉(zhuǎn)換公式[13]，或者計算各個層位的地層速度，逐層進行時深轉(zhuǎn)換[14]，即“常速度剝層法”。此兩種方法忽略了地層厚度變化以及巖性異常等地質(zhì)因素引起的速度橫向變化[15-17]。為考慮地層速度橫向變化，此前筆者基于沉積層“速度—深度”線性模型建立了針對深海盆沉積的時深轉(zhuǎn)換方案[18]，但該方案在理論上僅考慮沉積地層的壓實作用，僅適用于沉積環(huán)境穩(wěn)定、地層厚度較薄的區(qū)域。當“速度—深度”線性模型無法滿足精細時深工作需求時，不得不尋求更加合適的時深轉(zhuǎn)換方案。

1 “時間—層速度”擬合公式選擇

當沉積地層厚度達到一定程度時，速度隨深度的增長率減小(圖1a)，若轉(zhuǎn)換成速度隨時間的變化關系，即在試驗地震剖面 “時間—層速度”散點圖(圖1b)中，雙程走時0～3 s范圍內(nèi)層速度隨時間的變化趨勢亦符合指數(shù)增長規(guī)律，雙程走時超過3 s以后，層速度增長率銳減。因此筆者考察了指數(shù)公式(式1)、冪函數(shù)(式2)和二次多項式(式3)3種擬合公式的數(shù)學性質(zhì)[19-20](圖2)。

V(t)=v0etβv0,

(1)

V(t)=atb+v0,

(2)

V(t)=at2+bt+v0。

(3)

式中：V是層速度；v0是初始速度；t是雙程走時；β是“速度—深度”線性模型中的速度增長系數(shù)；a和b是冪函數(shù)和二次多項式的兩個擬合參數(shù)。

指數(shù)公式(式1)是基于沉積層“速度—深度”線性模型[11,18]，該模型表明沉積地層的層速度隨時間呈指數(shù)增長(圖2a)，顯然無法適應試驗地震剖面“時間—層速度”散點圖(圖1a)中顯示的隨時間增長，層速度增長率衰減的情形。

在冪函數(shù)(式2)中，當擬合參數(shù)01時，該函數(shù)可適應“時間—層速度”的指數(shù)增長情形(圖2a)；當擬合參數(shù)a>1，且0

在二次多項式(式3)中，當擬合參數(shù)a>0，且b>0時，該函數(shù)可適應“時間—層速度”的指數(shù)增長情形(圖2c)；當擬合參數(shù)a<0，且b>0時，該函數(shù)可適應“時間—層速度” 關系中層速度增長率衰減的情形(圖2d)。不過應注意，在第一種情形中，當t>b/(2a)時，速度會隨時間減小，即出現(xiàn)所謂的“速度反轉(zhuǎn)”，顯然不符合沉積地層速度的變化規(guī)律。

將3種公式應用于試驗地震剖面上各種沉積類型的“時間—層速度” 關系擬合中，以檢驗其適用性，并對比各擬合公式的適用程度(圖3)。CDP8421、CDP11781和CDP15781位置的“時間—層速度”剖面代表巨厚沉積區(qū)地層厚度變化的情形，CDP21381、CDP25221和CDP32261則代表沉積凹陷邊緣隆起和局部凹陷地層厚度變化的情形。在評估擬合結(jié)果時引入“擬合優(yōu)度”的概念[19]，即相關系數(shù)的平方(式4)，擬合優(yōu)度大于0且小于1，越接近1表示擬合程度越高：

(4)

圖1 試驗地震剖面“深度—層速度”(a)和“時間—層速度”(b)散點圖

對比結(jié)果(圖3)表明，在巨厚沉積區(qū)(CDP8421、CDP11781和CDP15781)，指數(shù)公式的擬合優(yōu)度(<0.85)明顯劣于冪函數(shù)和二次多項式(>0.94)，冪函數(shù)和二次多項式的擬合優(yōu)度相近，二次多項式擬合程度略優(yōu)于冪函數(shù)；在沉積凹陷邊緣隆起和局部凹陷區(qū)域(CDP21381、CDP25221和CDP32261)，冪函數(shù)和二次多項式的擬合優(yōu)度相近，大都在0.9以上，指數(shù)公式、和冪函數(shù)擬合優(yōu)度逐次增大。

由此可見，二次多項式在巨厚沉積區(qū)的“時間—層速度”關系擬合中的適用度最高，冪函數(shù)在試驗地震剖面其它區(qū)域“時間—層速度”關系擬合中表現(xiàn)最好，而指數(shù)公式在試驗地震剖面任何區(qū)域“時間—層速度”關系擬合中表現(xiàn)最差。

因此，筆者嘗試根據(jù)擬合優(yōu)度大小，在試驗地震剖面不同區(qū)域分別應用不同的擬合公式，以尋求整體擬合程度最優(yōu)的時深轉(zhuǎn)換方案。

2 多公式擬合時深轉(zhuǎn)換方案的應用

試驗地震剖面位于南海北部陸緣某海域，涵蓋了盆地巨厚沉積區(qū)(沉積地層厚度對應的雙程走時普遍在3 s以上，最厚處達6 s以上)和沉積環(huán)境變化較大的陸—洋轉(zhuǎn)換區(qū)域(圖3)，沉積環(huán)境的變化較為復雜，是驗證多公式擬合時深轉(zhuǎn)換方案有效性的理想?yún)^(qū)域。

2.1 均方根速度拾取與層速度計算

沿試驗地震剖面拾取均方根速度的譜點間距為1 km，最終拾取共計173個均方根速度譜點(圖4)。應用DIX公式[21](式5)，將每個譜點的均方根速度換算成層速度。

(5)

式中，Vr,i為底界均方根速度；Vr,i-1為頂界均方根速度；t0,i為底界反射時間；t0,i-1為頂界反射時間。

圖4 沿地震剖面的層速度及擬合參數(shù)分布

2.2 多公式擬合方案的確定

對173個“時間—層速度”剖面分別用指數(shù)公式、冪函數(shù)和二次多項式進行擬合，以擬合優(yōu)度為依據(jù)在試驗地震剖面不同區(qū)域分別應用不同的擬合公式，以尋求整體擬合程度最優(yōu)的時深轉(zhuǎn)換方案。

擬合結(jié)果表明(圖4)，在試驗地震剖面的厚沉積區(qū)(CDP6501～21060)，二次多項擬合優(yōu)度與冪函數(shù)擬合優(yōu)度均在0.9以上，明顯優(yōu)于指數(shù)公式擬合優(yōu)度(多在0.7～0.9之間)，而二次多項擬合優(yōu)度略優(yōu)于冪函數(shù)擬合優(yōu)度，因此該區(qū)段的“時間—層速度”關系采用二次多項擬合方案；在試驗地震剖面的沉積凹陷邊緣隆起區(qū)及陸坡—深海盆轉(zhuǎn)換區(qū)(CDP21061～30661)，二次多項擬合優(yōu)度與冪函數(shù)擬合優(yōu)度相當(在0.8～0.9之間)，明顯優(yōu)于指數(shù)公式擬合優(yōu)度(大多在0.6～0.8之間)，而冪函數(shù)擬合優(yōu)度略優(yōu)于二次多項擬合優(yōu)度；在深海盆區(qū)(CDP30661～34000)，式3中的擬合優(yōu)度差別不大，擬合優(yōu)度在0.65～0.9之間，而冪函數(shù)擬合優(yōu)度相對最優(yōu)。因此，后兩段區(qū)域(CDP21061～34000)的“時間—層速度”關系采用冪函數(shù)擬合方案。

另外，將擬合優(yōu)度明顯低于相鄰區(qū)域的CDP點位視為異常“時間—層速度”剖面，給予剔除(本次試驗剔除了31個異常“時間—層速度”剖面)，采用相鄰區(qū)域擬合曲線的折中曲線(技術上采用擬合參數(shù)線性插值)，以保證速度場平緩連續(xù)變化(圖4)。

2.3 時深轉(zhuǎn)換

Z(t)=a/(b+1)t(b+1)+v0t,

(6)

Z(t)=(a/3)t3+ (b/2)t2+v0t。

(7)

式中，Z是深度(從海底起算)；v0是初始速度；t是時間；a和b是冪函數(shù)和二次多項式的兩個擬合參數(shù)。

經(jīng)計算得出的深度域地震解釋資料(圖5)顯示，各地層界面基本保持了時間域剖面的形態(tài)。因速度隨時間增長，沉積厚度隨時間加速增厚，厚沉積區(qū)的沉積厚度在3～15 km之間，相比剖面其余區(qū)域幾百米至3 km的沉積厚度，橫向差異比時間域剖面更顯著。

圖5 地震解釋資料的深度域剖面

3 討論

引入擬合優(yōu)度概念，在地震剖面不同區(qū)段采用相對適用的“時間—層速度”擬合公式，即“多公式擬合方案”。該方案是針對復雜沉積區(qū)地層時深轉(zhuǎn)換工作的一種嘗試，其優(yōu)點是兼顧了沉積地層速度的橫向變化和地層壓實作用之外的影響。

考慮到海洋區(qū)域地震勘探覆蓋范圍廣，涉及構(gòu)造環(huán)境更為特殊的區(qū)域[1-2,6-7,10,16,22]，如：陸坡崎嶇海底區(qū)[22]、復雜斷塊構(gòu)造區(qū)[1-2]和速度反轉(zhuǎn)區(qū)[10]。對于特殊構(gòu)造區(qū)的時深轉(zhuǎn)換工作，采用筆者的方案會造成較大誤差，還需采用針對性的方法，如在速度體建模時加入斷層格架及層位等地質(zhì)模型的約束[2,4,15]。

歸根結(jié)底，時深轉(zhuǎn)換工作最本質(zhì)的部分是可靠速度模型的建立，從人工地震資料處理原理出發(fā)，從根本上改進速度模型的可靠性是最核心的也是難度最大的研究方向。由疊前深度偏移處理方法獲取的速度模型目前被認為最可靠，不過其處理效率低成本高，并非性價比最高的手段。由疊前時間偏移等性價比較高的手段獲取的速度資料出發(fā)，通過公式擬合、地質(zhì)模型約束等手段提高速度模型可靠性是一個務實的研究方向。

4 結(jié)論

引入擬合優(yōu)度概念，在地震剖面不同區(qū)段采用相對適用的“時間—層速度”擬合公式，建立了沉積地層時深轉(zhuǎn)換工作的多公式擬合方案，結(jié)論如下：

1)相比基于“速度—深度”線性模型的指數(shù)公式，沉積地層多公式擬合方案適用范圍更廣，可應對不同構(gòu)造環(huán)境沉積地層時深轉(zhuǎn)換工作；

2)“多公式擬合方案”實踐表明，在厚沉積區(qū)，二次多項次擬合的適用性最佳，在構(gòu)造活動區(qū)冪函數(shù)擬合的適用性最好。