引言

高分辨率的地震勘探是未来活断层探测的发展方向。由于裂缝的存在,造成了多种地震属性的变化,测量这些地震属性的变化可以检测断裂。随着三维地震技术的发展,地震属性技术在岩性和构造解释等方面得到了越来越广泛的应用。正演模拟可以帮助了解断裂是如何影响反射振幅和频率随偏移距的变化。本文利用断层附近已有的测井资料和钻井资料,建立研究断层的地质综合模型和岩石物理模型,通过断裂地层的正演研究技术,研究断裂造成的地震波场和振幅的变化特征。

正演模拟能够直接提供断裂模型的理论地震响应特征,通过对理论地震响应特征的分析,可以建立断层地震响应与裂缝性质之间的关系,并把由此得到的结果直接应用于地震资料的分析和解释。通过对地层岩石物理参数的分析,同时利用地震波正演模拟方法获得断裂影响岩石物理属性对地震响应的影响,分析地震波传播过程中地震振幅、层速度、走时差等属性与裂缝层密度、泊松比、纵横波速度、孔隙度之间的关系,从而提高地震勘探数据解释结果精确度和可信度水平。

地层间的速度差异是形成地震剖面上反射震相的主要因素,根据活断层勘探的钻孔数据,城市隐伏活断层一般为第四纪沉积,因为沉积时间相对较短,是未经胶结硬化的沉积物,沉积层土质类别主要包括有填土、砂土(砾石、粗砂、中砂、细砂、粉砂)、黏土、粉土等类型,多为粘土、黏土、砂土的交互层,层与层之间的波阻抗差异小。其中填土、粘土等速度相对较低,而细砂、砾石等速度相对较高,同一岩性特征的地层随着深度的增加速度增大。地震记录中反射震相主要在粘土与砾石或细砂层的分界面上产生。由断层因素引起地层属性变化包括:地层裂缝引起的地层密度的变化、孔隙度的变化、泥质含量变化,以及岩性的变化,同时断裂也会造成破裂带的各向异性。

1 影响地震属性的主要岩石物理参数

地震波特性受到许多因素的复杂影响,诸如压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙度类型等,这些因素常常是内在关联的,当一个因素变化时,其它许多因素也同时发生变化。在将岩石物理信息应用于地震解释中时,必不可少的要进行单一参数化影响的研究。

地震波速度和密度是地震勘探中的两项基本参数。速度和密度的变化反映了地震勘探中反射振幅的大小和极性。通过速度的变化可以判别介质属性的差异。 Castagna等(1993)得到的不同岩性的密度与速度的经验关系式为:

ρ=AvBP
(1)

式中,ρ为岩石的密度;vP为岩石的纵波速度,对于不同的岩性其系数AB有所不同。因此依据此关系式及其深度,可以利用速度和密度的关系近似判断地层的岩性。

岩石的地震属性受到矿物成分、孔隙度、孔隙形态、孔隙流体成分、胶结程度、分选程度、泥质含量等影响,也与其所处环境的压力、温度、地质年代等因素有关。通常岩石的骨架颗粒具有较低的可压缩性,而孔隙流体具有较高的可压缩性。影响岩石地震属性的因素比较多,而很多因素又互相交织在一起,Wang(2001)总结了一些地震特性与岩石特性之间的定性关系,如表1所示。

表1 地震特性与岩石特性之间的关系 Table 1 The relationship between seismic attributes and rock properties

纵横波速比与泊松比之间的关系也对地层岩性的分析有很大帮助,对于断裂带来说,引起其横波速度的因素有:岩石的破碎;破裂带岩性;泥质含量。Castagna(2000)得出了不同岩石的纵横波速度关系式:

vP=AvS+B
(2)

对于不同的岩性,其系数AB的取值不同。

对于不同的岩石,其泊松比分布范围是不同的。图1比较了不同岩性泊松比与纵横波速度之间的地震参数的关系(Avserth等,2005)。从图1可以看出,综合泊松比v和纵波速度vP就能很好的将含水和含气砂岩分开,而单纯使用纵波信息则不能很好地区分各种岩性,因此,在岩性分析中,综合纵波和横波信息比单纯使用纵波信息更为有效。

图 1 不同岩石的纵波速度与泊松比 Fig. 1P-wave velocity and Poisson ratio of different rocks

同时,地层的速度变化还有以下规律:①速度的变化与深度呈函数关系,与固结良好的砂岩相比,未固结砂岩的速度随深度变化要大;②随着孔隙度或粘土含量百分比的增加,速度都将降低,孔隙度引起的速度降低大约是粘土含量引起的2.5倍;③随着孔隙度或粘土含量百分数的增加,泊松比也增加;④泊松比随深度降低(Han等,2004)。

压力对地震特征的影响主要体现在以下4个方面(Avserth等,2005):①对岩石骨架的可恢复弹性影响;②由压实和固结造成的孔隙度永久损失;③超高压对成岩作用的阻碍;④由孔隙压力引起的孔隙流体属性变化。张永刚等(2008)应用岩心样品的实验数据,采用以下数学模型来描述速度与压力间的关系:

v=v0(1-Ae-CP)
(3)

式中,v0是参考点速度,一般取高压点作为参考值,AC为系数。

孔隙率变化也是影响地震属性的重要因素,砂岩速度-孔隙度趋势的斜率高度变化,并且在很大程度上依赖于控制孔隙度的地质过程。速度-孔隙度-粘土含量的关系为: ;

vP=vP0a1φa2CvS=vS0b1φb2C
(4)

式中,φC分别是以体积百分数表示的孔隙度和黏土含量;vPvS是纵波和横波速度,单位km/s。

在活断层地震勘探中,由于对地层动力学性能测试大多只进行剪切波速和密度的测量,目前还没有对第四纪层级地层各种特征地层的纵横波速比与泊松比的统计结果。一般也没有对地层的压力、孔隙率进行测试的数据,因此只能参考地层的密度和层厚度来近似判断,以区分不同岩性在相同压力下的不同变化特征,或者采用以往数据或经验数据进行判断。第四纪沉积层土层孔隙率及孔隙比包括,砂土:25%—60%,0.30—0.90;粉土:30%—60%,0.40—1.20;粉质粘土30%—60%,0.40—1.20;黏土:30%—60%,0.40—1.20。从实际工程应用来看,可以依据断裂造成的孔隙度、地层剪切波速、密度等地震属性参数的变化进行综合分析。

2 地震属性数值分析方法

根据岩石物理实验得到的压力、温度、饱和度、流体类型、孔隙度、孔隙度类型对地震属性地层的密度和速度的影响规律,不同岩性地层的泊松比、纵横波速度比等特征有所不同。但是通过岩石物理的方法在实验室获得的数据,尺度问题是将岩石物理方法推广到实际应用中所面临的一大挑战,因此利用实际样品在实验室测量得到的数学关系存在着推广难、物理成因解释难的问题。然而利用理论模型与经验关系有机地结合,是一种比较理想的方法。

地层的岩石物理参数变化表现在地震响应上,主要是反射时间的变化和振幅强度的变化。为建立岩石物理参数与地震振幅之间的关系,利用岩石物理与地震响应的理论模型进行分析。通过分析影响地震属性的岩石物理特性及其在地震响应上的规律,利用正演模拟方法建立地震属性与地震响应之间的联系,将理论数据与实际勘探数据之间进行对比分析,从而把地震属性分析的方法应用于地震解释当中,最终获得较为精确的解释结果。

图2所示模型为地震勘探坐标系下P波下行入射到水平弹性界面的散射情况。当水平界面为X轴时,P波从介质1入射到水平界面时的次生波与入射波能量关系遵循Zoeppritz方程。Zoeppritz方程从运动方程和虎克定律出发,推导各向同性介质(在给定点的空间任何方向,弹性特性恒定)中的弹性波方程。然后,利用连续方程(界面上的垂直和切向应力及应力分量相同)、平面波的解和斯奈尔定律(传播角度和波速的关系)得到的方程计算反射P波和S波及透射P波和S波的振幅。地震波的透射和反射满足斯奈尔(Snell)定理。

图 2 地震波在底层界面上的反射和透射模型 Fig. 2The reflection and transmission model of seismic waves on the bottom interface

按照上述模型得到的Zoeppritz方程的具体表达式为(赵邦六,2007):

(5)
















-sinα1cos  β1sinα2cosβ2






















R1P1P
R1P1S
T1P2P
T1P2S














sinα1
cosα1
sin2α1
cos2β1







 cosα1sin  β1
cosα2sinβ2
 sin2α1VIP
VIS
cos2β1ρ2V2S2VIP
ρ1V1S2V2P
sin2α2ρ2V1PV2S
ρ1V1S2
cos2β2
 cos2β1VIS
VIP
sin2β1ρ2V2P
ρ1V1P
cos2β2ρ2V2S
ρ1V1P
sin2β2

式中,V1PV2PV1SV2S分别为介质模型的上覆地层1和下伏地层2的纵横波速度;ρ1ρ2分别为介质模型的上覆地层1和下伏地层2的密度;α1α2β1β2分别为反射P-P波,反射P-SV波,透射P-P波和透射P-SV波与法线的夹角;R1P1PR1P1ST1P2PT1P2S分别是P-P波反射系数,P-SV波反射系数,P-P波透射系数和P-SV波透射系数。

由于此方程复杂,不能满足实际工作中的计算要求,因此众多学者对此进行了简化(Aki等,1980;Shuey,1985;郑晓东,1991;杨绍国等,1994;Hilterman,1999)。

在上下层弹性参数变化不大,入射角小于30°的前提下,各种公式均能满足实际要求。而对于第四纪地层的勘探,上下层界面属性差异不大,勘探剖面深度较浅,地震勘探时炮检距不大,地震入射角一般均小于30°,因此,本文用Aki等(1980)给出的地震反射振幅与炮检距的关系方程可以满足需求。

(6)
RP(θ)≈ 1
2
(1-4 v2S
v2P
sin2θ) Δρ
ρ
+ sec2θ
2
ΔvP
vP
-4 v2S
v2P
sin2θ ΔvS
vS

在上面的关系方程中,vSvPρσ均为介质上下层的平均值,而ΔvSΔvPΔρΔσ则为它们各自的差。

该方程可以很好地满足活断层勘探中上下层弹性参数变化不大的地层。据此对地层属性分析建立的地质模型进行地震属性变化的正演模拟,能够更清晰地分辨属性差异,从而利用正演模拟并辅助地震数据的解释将更为准确,为高分辨率的活断层地震勘探研究提供更为可靠的方法手段,提高地震数据的处理解释精度。

3 属性参数变化地震响应分析与实例

通过以上分析可知,与地震响应密切相关的地层岩石物理属性参数包括:地层密度、纵横波速度,孔隙度、泊松比、纵横波速度。利用岩石物理特征的分析和统计得到的地震属性参数与地震响应之间的定量关系,同时应用地震正演模拟的方法,将数据的走时、振幅信息进行AVO(Amplitude Versus Offset)分析,对地震剖面细部特征进行分析处理,从而可确定地层结构特征。

为了研究断层属性及深度变化对地震响应的影响,这里给出一个简单楔形薄层活断层模型(图3),模型中最上面一层为上地层,中间楔形地层为地层之间的裂缝地层,最下一层为下地层。为说明断层深度和厚度对不同地震属性的地质模型在地震响应上的变化,通过理论公式建立地震属性参数与地震响应之间的联系,从而获得其影响规律。表2为断层模型属性表,由活断层勘探获得的经验数据建立,为了研究不同的地层属性特征,分别给出了不同的断层模型属性进行正演模拟。其中,属性1为高阻抗的地震属性特征;属性2为零阻抗的地震属性特征;属性3为低阻抗的地震属性特征;底部为下地层。模拟中采用主频为50Hz的雷克子波进行正演模拟。图4为模拟结果。

图 3 地质模型示意图 Fig. 3Schematic diagram of the geological model
表2 地质模型属性表 Table 2 Seismic attribute sheet of the geological model

由图4可见,对于不同深度的断层,其振幅特性表现出不一样的变化规律,即使地层的岩性相同,由于地层厚度的变化,也会引起振幅特征的差异。另外,通过对不同的地层属性参数的变化规律可以看出,模型Ⅰ中断层属性为高阻抗的地层,其振幅随偏移距变化特征为:零偏移距振幅强且为正极性,随着偏移距的增大,振幅呈减少趋势,当入射角足够大时会发生极性反转;模型Ⅱ为近零阻抗差的断层介质,其振幅特征为:零偏移距振幅趋近于零,表现为弱振幅,随着偏移距的增大振幅逐渐增强;模型Ⅲ为低波阻抗的断层介质,其振幅特征为:零偏移距振幅较强,呈现负极性,振幅随着偏移距的增大,振幅而逐渐增强,具有典型的负截距、负梯度振幅异常。

根据对南口孙河地震勘探数据的分析和处理,对其进行了精确的剖面解释。图5为精确解释后建立的地质模型模拟的单炮记录与实际单炮记录的对比。模拟剖面分为网格2m,时间采样间隔0.25ms,道间距2m,子波频率30Hz。


(a)模型Ⅰ;(b)模型Ⅱ;(c)模型Ⅲ
图 4 断层界面厚度对地震振幅特征的影响 Fig. 4The influence of fault thickness on seismic attributes

图 5 模拟记录与实际地震记录的对比 Fig. 5Comparison of the seismic modeling profile (a) to the real seismic record data (b)

通过图5模拟记录与实际记录的对比可以看出,模拟结果清晰地表现出了实际地震记录中的几条主要反射震相,其时间也基本一致,同时断层导致的绕射和同相轴的缺失以及能量的衰减均清晰反映。

综上所述,通过模拟结果与实际记录的对比,并应用前文分析的方法和结论,可以量化断层的各项属性参数,得到一个较为精确的地震剖面解释结果。同时,利用地层地震属性参数影响速度变化规律的特征分析结果,加以正演模拟分析,可以更为准确的对地震勘探数据结果进行分析解释。

4 问题与建议

在浅层活断层探测中,由于第四纪地层沉积层的岩土物理特性数据相对比较少,因此在利用经验公式进行属性差异特征分析确定岩性方面,其适用性还有待进一步研究。建议对活断层地层属性特征进行深入广泛的分析研究,并对大量的第四纪沉积地层的分层界面岩石特征进行总结分类。

在活断层地震勘探中,由于地层的压力、孔隙度数据缺乏,在实际勘探解释时可应用性不强。而泊松比信息则可以利用经验公式并参考纵横波速度等信息进行分析预测,可以加以利用。

由于裂缝和断层面会造成地震波传播的各向异性和散射特征,因此,通过各向异性介质波场模拟分析裂隙对地震响应的影响,也能够更为明确地得出断裂因素对地震响应的变化情况,在未来的研究中可加强这方面的分析和应用。

参考文献
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