莱州湾某区块浅部地层地震反射异常原因探讨

刘双双，朱友生，周松望，刘剑涛，郝高建，陶 华

(中海油田服务股份有限公司 物探事业部， 天津 300451)

莱州湾某区块浅部地层地震反射异常原因探讨

刘双双，朱友生，周松望，刘剑涛，郝高建，陶 华

(中海油田服务股份有限公司 物探事业部， 天津 300451)

渤海莱州湾某区块采集的三维地震资料出现反射特征杂乱、同相轴连续性差等现象，对该区块浅部地层进行了电火花物探调查，并在地震资料异常区和非异常区分别选取1个位置进行钻孔，同时对海底面以下150 m范围内的土层进行连续的地质取样。通过对物探和地质资料的综合对比分析，判断造成研究区浅层地震资料反射异常与下述几个方面因素有关：(1)研究区处于莱州湾凹陷东部走滑断裂带内，浅部地层受深部断裂系统影响发育许多小断裂；(2)研究地层中富含大量的浅层气；(3)与邻近区块对比，所揭示浅部地层的土质性质十分异常，土层强度和剪切波速等均明显偏大。

异常反射；影响因素；地质构造；土质特性；浅层气

0 引言

物探调查中造成地震采集资料异常的原因很多，许多专家、学者对地层中存在的异常反射现象做过大量研究。总结前人的研究成果可知造成地层地震反射异常的原因大概有以下三个方面：(1)地层中包含有生物礁、火成岩或岩溶地貌等特殊的岩体[1-2]，(2)某些地区发育有复杂的断块构造等特殊地质构造[3-4]，(3)地层中富含有油、气等物质[5-6]。但是，以上研究多针对在较深部地层出现的地震反射异常，而在第四纪未成岩地层中研究的实例相对较少，且只与地层中富含的浅层气有关[7-9]。

渤海莱州湾某区块采集获取的三维地震资料出现反射特征杂乱、同相轴连续性差等现象，并且浅部地层地震资料形成空白反射(图1)。由于该区块油气赋存深度较浅，以上问题严重影响了对该区块海底地层油气的进一步勘探和评价。为了查清研究区内地震资料异常的原因，对该区浅部地层进行了电火花调查，并在异常区和正常区内分别选取一个点位进行工程地质钻孔取样，对取样样品进行了物理性质、力学性质和剪切波速等方面的试验分析。通过对物探和地质取样资料的综合解释分析，初步查清了造成区内浅层物探资料品质差的原因。

1 调查方法与成果

1.1 调查方法

本次调查采用物探和地质钻孔取样分析相结合的方法，从宏观和微观上探究造成研究区物探资料异常的根本原因。具体的调查实施方法如下。

1.1.1 中浅层剖面

中浅层地层剖面调查使用的是Geo-ReSource 6 kJ电火花系统，该系统使用Geo-Spark 800深海多电极电火花震源发射阵系统和Geo-Sense单道袖珍型阵列水听器。震源能量由Geo-Spark 6 kJ 固体脉冲电源支持的能量箱提供，触发电容箱每1.0 s触发一次，输出能量为1.0～3.0 kJ。模拟数据通过滤波器以500～2 000 Hz频率滤波。滤波后数据以160 ms扫描深度打印在热敏打印机上。

1.1.2 地质钻孔

在研究区内的地震资料异常区和非异常区分别布设1个钻孔取样点，编号为A和B(图1)。采用锤击连续取样方式获取海底面以下150 m深度范围内的土样，并在每1 m选取代表性的样品进行封装保存，在室内对上述样品进行物性、力学和剪切波速等一系列的试验、测试和统计分析研究，并将分析结果与物探资料相结合进行进一步分析对比。

1.2 解释成果

图2为解释得出的贯穿该区A、B两个钻孔的浅层物探电火花地层剖面。

图1 三维地震剖面与地质钻孔布置Fig.1 3D seismic profile and the layout for geological borings

图2 电火花解释剖面Fig.2 Interpreted sparker profile

通过对研究区内的钻孔取样样品土质资料综合分析，按照土质特性划分层位，并绘制出两孔位的钻孔柱状图(图3)，同时将钻进和取样编录过程中观察到的特殊现象记录汇总。

图3 钻孔柱状图及土质描述Fig.3 Histogram of borings and soil description

2 原因分析

2.1 地质构造背景

莱州湾凹陷位于渤海南部海域，是郯庐断裂带内一个北断南超的箕状凹陷，郯庐断裂从该凹陷东部通过，受其影响莱州湾凹陷内浅层断裂活动明显，并且在空间展布上复杂多变，有些区域形成了明显的破碎带。莱州湾凹陷共包括东部走滑构造带、西部走滑构造带、北部陡坡带、北洼、中央构造带、南洼和南部缓坡带等7个二级构造单元(图4)[10]。

图4 莱州湾区域构造位置及构造单元[10]Fig.4 Regional location and the structural units in Laizhou Bay Sag[10]

区域构造位置显示研究区处于莱州湾凹陷东部走滑带内，前人研究成果表明该区域深部地层构造复杂多样，发育有大量的断层[10-11]。图5显示在A孔位附近浅部地层中也发育了多条断层，并发现有穹窿构造。浅部地层的这些复杂构造与该区域内深源构造系统息息相关，而由断裂系统形成的破碎带必然会对物探资料质量产生一定的影响。

图5 浅部地层揭示的断层Fig.5 The fault uncovered in the shallow strata

2.2 土质特性

2.2.1 波阻抗

地层波阻抗是指地层速度与地层密度的乘积，地震波在地层传播过程中要得到强反射，形成明显的反射界面，必须存在明显的波阻抗差。

2.2.1.1 天然密度

对A、B两孔位样品的天然密度进行统计，筛除同一层位中的数值异常点，并分别对两孔位中的黏性土和粒状土的天然密度进行对比，结果如图6所示。

从图中可以看出，两孔位无论是黏性土还是粒状土的天然密度在钻孔深度范围内均没有太大变化，数值在1.86～2.13 g/cm3之间变化，尤其对于A孔位置，其钻孔土质天然密度基本上在2.0～2.1 g/cm3之间变化，浮动区间很小。

2.2.1.2 剪切波速

分别在两孔位不同深度段选取13个样品点进行室内剪切波速测试，并将测试结果与周边邻近区块C和D钻孔资料进行分析对比(图7)。

对比结果显示B孔位剪切波速与周边邻近区块钻孔的剪切波速数值变化趋势基本一致，而异常反射区内的A孔位60 m以下大多数样品土体的剪切波速数值较大，远大于B孔位和周边邻近区块钻孔，且在该深度范围内剪切波速数值均在600 m/s左右，数值波动区间较小。

综合上述对两个钻孔位置土层的天然密度和剪切波速的对比结果，可以作出如下判断：A孔位从60 m至终孔深度范围内土体的天然密度和剪切波速数值均没有明显变化或者数值波动较小，说明该范围内土体性质变化不大，这很可能会造成地震波在上述深度范围内的土体中传播时波阻抗差变小，在物探资料上得不到较明显的反射界面，从而产生反射空白。

2.2.2 力学指标

将研究区内两钻孔取样样品的力学试验结果与周边邻近区块C和D钻孔进行对比分析时发现，研究区内两钻孔海底面以下20 m至终孔深度范围内土质的强度较大，最大抗压强度甚至达到了650 kPa(图8)，这在第四纪海底土层中是很罕见的。

图6 土质天然密度对比Fig.6 Comparison of soil natural density

图7 剪切波速对比Fig.7 Comparison of soil shear wave velocity

图8 力学试验结果对比Fig.8 Comparison of soil mechanics test results

图8中两条虚线为强度值的0.2线(所谓强度值的0.2线，是指土体在正常固结时的强度值剖面，即正常固结时土体的抗剪强度Su=0.2σ′，其中σ′为上覆土体的有效应力)。结果显示A、B两孔位土体的强度值均在正常固结强度剖面右侧，说明两孔位所揭露土层的实际强度大于正常固结的强度，均属于超固结土，并且物探解释资料显示调查区域内土层为穹窿构造，据此可以判断研究区内浅部土层可能是受到深层构造运动影响抬升逐渐剥蚀形成，与周边区域相同深度的地层相比年代较老。

较高强度的土体也可能影响或限制地震波的传播，使地震波在传播过程中能量较快衰减，从而出现反射空白现象。

2.3 浅层气

海底浅层气是指海床下1 000 m以浅聚集的有机气体，根据有机地球化学及实验地球化学分析，海底浅层气分为生物甲烷浅层气和热成甲烷浅层气两种类型，在地层中有多种赋存形态，物探资料以声学空白反射为主要特征[7-9]。

2.3.1 钻进现象

钻井资料显示，A、B两孔位在海底面以下20 m左右深度处均有少量的浅层气分布(图3)。在对A孔位101～139 m深度范围内土层进行钻进的过程中作业船边水中发现有大量气泡冒出(图9)，持续4 h左右，证明在该深度段地层中贮存有大量的浅层气。而在对B孔位较深部地层的钻井过程中未发现类似异常现象。

在纵向土层分布上，A孔位深部地层(62.7 m以下深度)主要以粒状土为主，粒状土层之上(26.6～62.7 m深度范围内)覆盖一层较厚的黏性土层；而B孔位深部地层(68.7 m以下深度)则整体以黏性土层为主，相比之下，A孔位的土层分布也更有利于浅层气的贮存，与钻井资料相呼应。

2.3.2 土体饱和度Sr

土体饱和度是指土体中含水量占土体孔隙的百分比[12]，它是衡量土体孔隙中含水量的指标。对于完全饱和土，Sr等于1或者接近1；如果Sr小于1，说明土体孔隙中含气，土体属于不饱和土。所以土体饱和度也是证明土体孔隙中含气的一个重要指标。

图9 在A孔位钻进过程中观察到水中冒出的气泡Fig.9 Bubbles observed in water while boring A was being drilled

分别计算A、B两孔位黏性土和粒状土的土体饱和度(图10)，结果显示：对于A、B两孔位揭露的黏性土层，其土体饱和度均大于0.9，说明黏性土层均为饱和土；对于粒状土层，A孔位60.0 m深度以下土层的饱和度均小于0.9，最低甚至达到了0.63，说明该孔位60.0 m以下揭露的粒状土层为非饱和土，土层孔隙中填充了一定量气体。

图10 土体饱和度对比Fig.10 Comparison of soil saturation

综上，无论是宏观上的钻井资料还是微观上的土体饱和度数据均显示在A孔位60 m以下深度地层中存在大量浅层气，这也是造成该位置物探资料出现空白反射的一个重要原因。

3 结论

通过对研究区内浅层物探资料和地质资料的分析研究，可以判断造成研究区内浅部地层物探资料异常的原因主要包括如下几个方面：

(1)研究区处于莱州湾东部走滑断裂带附近，钻孔A位于该构造带顶部。研究区浅部地层中发育有许多小断裂和拖曳构造，上述构造是受到深源断裂系统的影响而逐渐形成的。

(2)钻孔资料显示研究区内浅部地层土体性质明显异于临近区块。地层间较小的波阻抗差以及异常大的土体强度均会阻碍地震波在地层中的传播、反射，也必然会对物探资料产生一定影响。

(3)研究区地层中存在大量浅层气。由于A孔位于断裂带区域内，所以A孔60 m以下地层中的气体主要来源很可能是深部断裂带中的逃逸气体；B孔位的土体类型和土层分布不利于浅层气的贮存，因此在此深度地层中不含气或含气量较小，物探资料显示也相对较好。

本次研究所采用的通过对浅部地层综合分析解释来初步分析深部地层地震资料异常原因的方法和实践达到了预期目的，取得了较好的效果，为该区块后续开展物探精细调查作业提供了技术支持和指导，避免了调查的盲目性，进而为该区油气储量的进一步评价作出了一定贡献。该探索实践也可以作为以后解决相关类似问题的参考和借鉴。

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DiscussiononseismicanomalousreflectioninshallowstrataintheLaizhouBay

LIU Shuang-shuang, ZHU You-sheng, ZHOU Song-wang, LIU Jian-tao, HAO Gao-jian, TAO Hua

(Geophysical-ChinaOilfieldServicesLimited,Tianjin300451,China)

Reflection feature and seismic event continuity appeared in 3D seismic acquisition data was cluttered and poor in one study region of the Laizhou Bay. The sparker investigation was carried out in shallow strata and two geological borings were drilled in the abnormal and normal region respectively, at the same time, the strata were sampled entirely from 0 m to 150 m below the seabed. Through comprehensive comparison and analysis of the geophysical data and geotechnical data, it is clear that anomalous seismic reflection in shallow strata of the study region relates to various influence factors below: (1) The study region is in the eastern Laizhou Bay Sag strike-slip zone, and therefore many small faults which were affected by the fault system were developed in the shallow strata.(2) An amount of shallow gas was revealed in the shallow strata.(3) Comparing with the shallow strata of nearby region, the soil characteristic was anomalous in the study region; the soil strength and shear wave velocity were significantly larger.

anomalous reflection; influence factor; geological structure; soil characteristic; shallow gas

刘双双，朱友生，周松望，等.莱州湾某区块浅部地层地震反射异常原因探讨[J].海洋学研究,2017,35(3):34-41,

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.005.

LIU Shuang-shuang，ZHU You-sheng，ZHOU Song-wang, et al. Discussion on seismic anomalous reflection in shallow strata in the Laizhou Bay[J].Journal of Marine Sciences,2017,35(3):34-41,doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.005.

2016-01-21

2016-10-10

刘双双(1984-),男,河北唐山市人,工程师,主要从事海洋工程地质勘察方面的工作和研究。E-mail：liushsh6@cosl.com.cn

P539.1;P736

A

1001-909X(2017)03-0034-08

10.3969/j.issn.1001-909X.2017.03.005