陳若瑜 , 李 琦 胡俊杰 邵 威 葛東升 蔡 峰, 閆桂京, 李 清

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 海洋學(xué)院, 北京 100083; 2. 青島海洋地質(zhì)研究所, 山東 青島 266071)

地震波的速度是地震勘探中最重要的一個(gè)參數(shù)之一, 速度場(chǎng)是三維空間速度數(shù)據(jù)的集合體, 建立速度場(chǎng)就可以知道三維空間任一點(diǎn)的速度, 速度場(chǎng)研究對(duì)于地震勘探應(yīng)用中時(shí)深轉(zhuǎn)換、海底巖性和沉積構(gòu)造綜合解釋等具有重要作用[1]。

1 建立速度場(chǎng)的主要方法

目前獲得地震波傳播速度的方法主要有以下 5種[1-2]: (1)根據(jù)巖石樣品在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定; (2)根據(jù)垂直地震剖面(VSP) 測(cè)井得到層速度和平均速度;(3)通過(guò)聲波測(cè)井獲得層速度; (4)由準(zhǔn)確的層位標(biāo)定和鉆井地質(zhì)分層求取的偽平均速度; (5)通過(guò)地震資料處理時(shí)獲得的疊加速度資料換算均方根速度、層速度和平均速度。

其中巖石樣品測(cè)速、VSP 測(cè)井和聲波測(cè)井所獲得的速度精度高, 基本能反映地層的真實(shí)速度, 但由于在平面上受采樣點(diǎn)和鉆井位置的限制, 能獲得速度資料的點(diǎn)一般較少。相反, 疊加速度資料則在平面上分布密度很大, 能夠控制整個(gè)工區(qū)的速度變化。

目前國(guó)內(nèi)、外速度場(chǎng)建立方法一般采用以下 3種方法: (1)鉆井VSP速度資料, 擬合得到綜合速度,再進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換。此方法適合沉積穩(wěn)定, 速度橫向變化小的地區(qū); (2)多個(gè) VSP速度資料, 采用不同插值方法建立速度場(chǎng)。適合于鉆井較多的小范圍工區(qū);(3) 利用地震處理過(guò)程中獲取的地震疊加速度, 通過(guò)Dix公式得到層速度, 從而建立時(shí)深轉(zhuǎn)換速度場(chǎng)。此法適合于疊加速度準(zhǔn)確, 且構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單, 地層平緩的地區(qū)[3-4]。

2 沖繩海槽中部地層速度特征

2.1 地質(zhì)背景

沖繩海槽位于東海東緣的歐亞大陸板塊與西太平洋菲律賓海板塊碰撞聚合帶上, 是典型的“溝-弧-盆”弧后拉張盆地, 總體呈 NNE-NE-NEE(自北向南)走向, 引起國(guó)內(nèi)外地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注(圖 1)[5]。包括東海陸坡、沖繩海槽盆地、吐噶喇盆地和海槽東部火成巖隆起帶等地貌單元。Nash 等[6-7]最早對(duì)沖繩海槽東部的地震地層和構(gòu)造進(jìn)行詳細(xì)的研究, 將沖繩海槽地層劃分為 3大層組: 前沖繩盆地層組(由前中新世沉積巖、火成巖等構(gòu)成的聲學(xué)基底)、沖繩盆地層組(上中新統(tǒng)一更新統(tǒng)裂谷盆地充填沉積)、沖繩海槽層組(更新統(tǒng)一全新統(tǒng)上超沉積層)。

2.2 地層速度數(shù)據(jù)前處理

沖繩海槽中部速度場(chǎng)對(duì)于多道地震資料的時(shí)深轉(zhuǎn)換和研究區(qū)構(gòu)造沉積分析至關(guān)重要。由于該地區(qū)沒(méi)有鉆井資料約束, 利用二維地震數(shù)據(jù)處理過(guò)程中獲得的疊加速度數(shù)據(jù), 建立雙層模型并去除速度異常值, 為速度場(chǎng)建立奠定基礎(chǔ)。

圖1 沖繩海槽地理-構(gòu)造略圖Fig. 1 The frame of gengraphy and tectonics of the Okinawa trough

2.2.1 方法

沖繩海槽中部缺少 VSP以及其它測(cè)井資料, 能用于速度場(chǎng)建立的資料僅限于地震資料處理過(guò)程中獲得的疊加速度, 選擇 Dix公式法建立沖繩海槽中部速度場(chǎng)。

Dix 公式法是一種快速簡(jiǎn)便的方法, 計(jì)算量小,方便快捷, 便于實(shí)現(xiàn)。Dix公式層速度計(jì)算方法在宏觀上可以反映速度變化趨勢(shì), 具有數(shù)據(jù)分布較密、覆蓋面積大的優(yōu)勢(shì)[8-9]。可以對(duì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單地區(qū)得到較高的解釋精度。通過(guò) Dix公式[10]求取層速度。

式中,Vδ為均方根速度;Vn為層速度;t0為地震波雙程旅行時(shí)間。

2.2.2 速度參數(shù)選擇

為保證速度分析的科學(xué)性及合理性, 在選擇速度參數(shù)中建立了原始疊加速度數(shù)據(jù)庫(kù)和t0層為數(shù)據(jù)庫(kù)。

地震速度處理過(guò)程獲得的速度資料繁雜, 質(zhì)量參差不齊。首先對(duì)比所有速度資料, 選取其中質(zhì)量較好, 能夠反映地下真實(shí)地質(zhì)情況的速度點(diǎn), 建立原始疊加速度數(shù)據(jù)庫(kù)。

在對(duì)研究區(qū)合理的層位標(biāo)定和解釋基礎(chǔ)上, 選擇地震剖面上反射能量強(qiáng)、連續(xù)性好的層位, 用于獲得準(zhǔn)確的 T-D對(duì)數(shù)據(jù)。共選擇了 4個(gè)控制層, 建立t0面層位數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.2.3 雙層模型的選擇

地層速度的準(zhǔn)確性直接決定深度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和精度, 目前對(duì)地層速度的特征主要有 3種觀點(diǎn):(1)深水區(qū)與淺水區(qū)地層速度沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別[11]; (2)深水區(qū)地層受上覆海水的壓力作用很大, 同時(shí)代的等厚地層在深水區(qū)地層速度大[11]; (3)海水深度越大,地層速度越低[12]。

綜合研究發(fā)現(xiàn), 處于陸架區(qū)的地層速度較高,陸坡深水區(qū)地層速度偏低。相關(guān)學(xué)者[13]提出采用雙層模型法將海水層和沉積層剝離分析, 可以較好地消除海水對(duì)地層速度的影響。

研究區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沉積物主要為松軟堆積物、半深海軟泥沉積與濁流沉積。根據(jù)地層特點(diǎn), 速度場(chǎng)建立時(shí)采用雙層模型, 以去除海水層對(duì)沉積層速度的影響, 獲得相對(duì)合理的疊加速度(表1)。

2.2.4 速度異常值剔除

速度異常值的去除主要包括 3個(gè)方面: (1)參考前人研究的沖繩海槽中部速度值范圍, 去除明顯的速度異常值; (2) 速度是點(diǎn)與周圍介質(zhì)特性的平均反映, 并非該點(diǎn)地層變化規(guī)律的真實(shí)反映。因此, 在地層巖性組合相同、沉積環(huán)境類似的地震測(cè)線上, 相鄰速度具有一定的相似或漸變[14]。對(duì)比分析相鄰測(cè)線位置的速度值, 結(jié)合剖面解釋, 編輯和去除異常速度; (3)利用初步處理的數(shù)據(jù)生成三維點(diǎn)狀速度場(chǎng),發(fā)現(xiàn)并去除明顯為負(fù)值的異常點(diǎn), 圖中圈出海底面之上的點(diǎn), 可能與測(cè)線反向有關(guān)。統(tǒng)一剔除此類由采集系統(tǒng)或處理過(guò)程產(chǎn)生的異常值(圖2)。

表1 速度資料統(tǒng)一格式表Tab.1 The unified speed data

圖2 沖繩海槽中部速度異常值去除前后比較圖Fig. 2 Comparison before and after of Velocity anomaly in the middle Okinawa Trough

3 速度場(chǎng)建立與應(yīng)用

在獲得的地層速度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上, 選擇 Dix公式建立研究區(qū)速度場(chǎng)。基本流程見(jiàn)圖3。

圖3 三維速度場(chǎng)建立流程圖Fig. 3 Major process for establishment of 3-D velocity field

3.1 速度場(chǎng)建立

建立速度場(chǎng)可利用4種數(shù)據(jù)類型: (1) DBS(數(shù)據(jù)庫(kù))時(shí)深表; (2)ASCII文件輸入時(shí)深函數(shù); (3)ASCII文件輸入平均速度或RMS速度或?qū)铀俣群瘮?shù); (4)數(shù)學(xué)方程計(jì)算的速度。

作者輸入 ASCII文件層速度函數(shù)建立速度場(chǎng),進(jìn)行層位數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、三維工區(qū)建立和導(dǎo)入數(shù)據(jù)生成速度場(chǎng)。其中, 層位數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后需觀察各層是否有串層現(xiàn)象; 工區(qū)建立時(shí)控制速度場(chǎng)范圍與工區(qū)相匹配(圖 4)。

圖4 沖繩海槽中部三維速度場(chǎng)Fig. 4 The three dimensional velocity field in the middle Okinawa Trough

正對(duì)該地區(qū)特點(diǎn), 以疊加速度為原始資料, 用雙層模型去除海水影響, 剔除速度異常點(diǎn)后, 采用Dix公式法建立沖繩海槽無(wú)井深水區(qū)速度場(chǎng), 可以得到較為可靠的宏觀速度分布規(guī)律。通過(guò)利用已解釋的層位數(shù)據(jù)的控制和約束(圖 5), 表明該速度場(chǎng)能客觀反映沖繩海槽地下地層較為真實(shí)的地質(zhì)情況[15]。

圖5 沖繩海槽中部解釋層位約束層速度Fig. 5 The explained horizon constraint velocity in the middle Okinawa Trough

3.2 變速成圖

有了研究區(qū)的速度場(chǎng)資料, 利用變速成圖方法,根據(jù)深度計(jì)算公式:

式中:H為深度;t為雙層時(shí)間;v為速度。

可對(duì)時(shí)間域等t0圖進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換獲得深度構(gòu)造圖, 以反映研究區(qū)地下深度域的構(gòu)造形態(tài)。

時(shí)深轉(zhuǎn)換, 把網(wǎng)格數(shù)據(jù)、層位、斷層、地震道從時(shí)間域轉(zhuǎn)換到深度域。有以下3種方法: (1)直接進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換; (2)通過(guò)速度場(chǎng)關(guān)聯(lián)到地震數(shù)據(jù), 沿層提取速度, 然后進(jìn)行層位計(jì)算, 完成時(shí)深轉(zhuǎn)換; (3)直接沿層提取速度, 關(guān)聯(lián)地震數(shù)據(jù), 再進(jìn)行層位計(jì)算,完成時(shí)深轉(zhuǎn)換。具體采用的是第一種方法, 直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換[17]。

根據(jù)地震剖面解釋的斷層和層位為基礎(chǔ), 導(dǎo)出斷層多邊形數(shù)據(jù)和層位數(shù)據(jù), 繪制時(shí)間域t0圖(圖6a)。需要注意的是, 在繪制成果圖件時(shí), 網(wǎng)格化間距、平滑系數(shù)和等值線間距都盡可能的小, 以突出對(duì)微幅度構(gòu)造的精細(xì)刻畫[18]。

利用速度場(chǎng)對(duì)時(shí)間域t0數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換, 可以得到相對(duì)應(yīng)的深度構(gòu)造圖(圖6b)。

從圖6 a、b兩圖可看出, 沖繩海槽中部構(gòu)造比較簡(jiǎn)單, 北西高南東低, 主要構(gòu)造為南東向的正斷層和巖漿侵入體, 地層整體從北西向南東增厚, 中部為鞍部。通過(guò)對(duì)比分析, 可看出同一位置的構(gòu)造形態(tài)有所差異, 如在下部隆起部位, 從深度構(gòu)造圖可看出, 是存在 3個(gè)高點(diǎn), 而時(shí)間域t0圖則相對(duì)粗糙,只呈現(xiàn)兩個(gè)高點(diǎn)。

圖6 沖繩海槽中部變速成圖Fig.6 Variable velocity mapping in the middle Okinawa Trough

海底深度、地層巖性與厚度以及壓實(shí)作用等在大陸坡上的差異性所引起的速度變化都會(huì)使得同一類圖件因?yàn)樘幚矸绞降牟煌憩F(xiàn)有所差異, 通過(guò)變速成圖獲得的深度構(gòu)造圖對(duì)海底形態(tài)的呈現(xiàn)更加精準(zhǔn), 相比于時(shí)間域t0圖, 深度構(gòu)造圖能更加真實(shí)的反映海底構(gòu)造的形態(tài), 從而提高了海底勘探精度。

3.3 速度場(chǎng)資料的地質(zhì)含義

速度場(chǎng)是由每一時(shí)刻、每一點(diǎn)上的速度矢量組成的物理場(chǎng)。

速度場(chǎng)可以提供豐富的速度基礎(chǔ)信息。從三維速度場(chǎng)數(shù)據(jù)體可提取疊加速度、平均速度、層速度等多種速度參數(shù), 可沿層(等t0圖)提取各反射層的疊加速度、平均速度、層速度等, 根據(jù)需要還可以提取任意點(diǎn)、任意測(cè)線的速度分析曲線。

下式可求每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上每層的層速度[16]:

式中:d為深度;t為偏移時(shí)間。

下圖為上、下兩層層速度平面圖(圖7)。

圖7 沖繩海槽中部層速度圖Fig. 7 Layer velocity figure in the middle Okinawa Trough

對(duì)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)體的深入分析, 可以了解研究區(qū)速度場(chǎng)宏觀上的變化規(guī)律, 并進(jìn)一步解釋其地質(zhì)含義。沖繩海槽中部地區(qū)速度場(chǎng)具有縱向上和橫向上的規(guī)律變化:

(1) 縱向上由淺到深, 速度隨地層埋深增加逐漸增大。淺層速度變化幅度較小(T12反射層平均速度反射層: 1 850～1 930 m/s, 幅度80 m/s), 深層速度變換幅度較大(T10反射層平均速度2 080～2 270 m/s, 幅度 190 m/s), 結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)分析可能與淺地層相對(duì)較平緩, 而深地層相對(duì)較陡有關(guān)。

(2) 橫向上速度表現(xiàn)主要受構(gòu)造形態(tài)(構(gòu)造埋深和演化)的控制, 同時(shí)還受巖性、地層壓實(shí)及流體作用等多因素綜合影響。構(gòu)造低部位的地層由于年代比周圍地層新, 層速度小于周圍的地層, 在層速度剖面上表現(xiàn)為一個(gè)“凹陷”, 同樣的構(gòu)造高部位地層的層速度, 大于周圍地層的速度, 在層速度剖面上表現(xiàn)為一個(gè)“凸起”[2]。

4 結(jié)論

以 Dix公式法為基礎(chǔ), 對(duì)多道地震數(shù)據(jù)處理中的疊加速度綜合處理, 結(jié)合雙層模型約束, 首次建立了沖繩海槽中部無(wú)井深水區(qū)速度場(chǎng)。

利用建立的速度場(chǎng)數(shù)據(jù)體提取層速度平面圖,了解沖繩海槽中部地區(qū)速度場(chǎng)具有縱向上和橫向上的規(guī)律變化; 變速成圖得到的構(gòu)造圖件與地質(zhì)認(rèn)識(shí)相一致, 實(shí)現(xiàn)了由地震資料反映海底構(gòu)造等地質(zhì)信息的目的。

致謝：本文得到中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所雷寶華和駱迪博士后的大力支持和幫助, 在此表示衷心的感謝。也感謝稿件審閱人提出的寶貴意見(jiàn)。

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