利用地震波形—振幅响应技术预测海相碎屑岩岩性组合——以北康盆地为例

赵 谦 周江羽* 张 莉 雷振宇 王龙樟 严聪聪

(①中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074；②国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州 510760)

·综合研究·

利用地震波形—振幅响应技术预测海相碎屑岩岩性组合
——以北康盆地为例

赵 谦①周江羽*①张 莉②雷振宇②王龙樟①严聪聪①

(①中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 430074；②国土资源部广州海洋地质调查局，广东广州 510760)

利用海相地层的沉积—地震响应关系结合地震波形—振幅响应技术可对砂、泥岩进行识别和精细解释，是低勘探程度地区海相地层岩性判别的重要手段。为此，选取北康盆地上渐新统—下中新统层序，以沉积—地震响应关系为基础，利用地震波形—振幅响应技术识别碎屑岩岩性组合。结果表明：①碎屑岩沉积过程与地震响应具有较好的耦合关系。②对于厚层砂、泥岩，地震反射界面较好地对应岩性界面，对于薄层砂、泥岩，地震波仅能大致确定砂、泥岩的厚度，地震反射界面与岩性界面不具有对应关系；砂、泥岩薄互层和岩性渐变的碎屑岩的地震响应特征容易产生多解性。③在厚度小于1/4波长的情况下，地质体顶、底面界面的反射波会产生干涉效应，该效应是波阻抗与岩层厚度共同作用的结果，因此应区别对待薄层砂、泥岩和厚层砂、泥岩以及砂泥岩薄互层的地震响应特征。④利用地震波形和振幅分析并结合视波阻抗差在剖面上建立的高精度地震剖面岩相展布，可以为烃源岩和储层预测提供可靠依据。文中方法可为南海海域等低勘探程度地区的岩性识别、烃源岩和储层预测提供可靠依据。

地震波形 振幅响应 碎屑岩 沉积过程 北康盆地

1 引言

地震响应是地震反射波对地下地质体性质的具体响应，是地下岩性识别研究的依据。识别砂、泥岩的方法很多，直接识别方法有钻井岩心取样、地质露头观察等方法；间接识别方法主要利用测井、录井资料结合地震资料进行分析，也能取得较好的效果，这些方法大多建立在大量钻井资料和岩心等资料的前提下。但是在低勘探程度地区，尤其是在没有井资料、只有少量二维地震资料的研究区，如何利用地震资料对地层中砂、泥岩进行有效识别，一直都没有一套完善和精确的系统方法。闫桂京等[1]讨论了地层岩性和地震波速度之间的联系，并尝试利用速度预测岩性。刘震等[2]提出了在低勘探程度地区预测烃源岩的方法。曹强等[3]、顾礼敬等[4]在低勘探程度地区利用地震属性对烃源岩厚度进行预测。彭达等[5]利用多属性分析方法对薄砂层的地震属性敏感性进行了定性分析，总结了扇三角洲薄砂层厚度与地震振幅的定性关系，取得了一定的效果。但这些方法都普遍存在一个问题，即只能在大的格局上粗略地预测砂、泥岩的分布范围和厚度，不能精细刻画砂、泥岩。安斯蒂[6]详细阐述了岩性和波阻抗的关系，但是还缺乏实际应用。陈志刚等[7]以及田玉昆等[8]利用新的地震反演方法识别了煤系地层中的薄砂层，刘依谋等[9]和曾洪流等[10]也对现有的地震技术方法进行了创新和拓展，这在地层精细解释方面具有较大的潜力，但是都依赖于丰富的地质资料和良好的地质条件，显然对于低勘探程度地区并不适用。研究表明，通过分析海相地层岩性和地震响应之间的关系，对不同岩性的波阻抗差异和物性差异进行对比，可建立碎屑岩岩性与地震响应的耦合关系。同时综合利用沉积过程—地震响应方法和波形分析方法识别海相泥岩，特别是对厚度为10～20m的砂、泥岩薄互层的识别，能取得非常好的效果。

在物源相对单一的情况下，海相碎屑岩地层受沉积环境的影响较其他因素更为突出，在岩性上主要表现为不同的水动力条件导致沉积物岩性的根本差异，即岩性和沉积环境具有较好的相关性。因此沉积过程—岩性—地震响应方法就是根据海相地层在不同沉积环境下的岩性差异，对地震剖面上的砂、泥岩进行精细刻画；波形分析方法就是在此基础上，结合物性与地震波动力学特征分析，在一个或几个波长范围内识别和刻画砂、泥岩，极大地提高了砂、泥岩的解释精度。

2 区域地质概况

北康盆地位于中国南海海域南部，为南沙中部海域大陆坡上的拉张性盆地，大地构造位置属于南沙地块的西南边，面积约为6.2×104km2，水深约为1000～2000m[11，12]。北康盆地以北与南薇东和南薇西盆地相邻，以南则以廷贾断裂为界和曾母盆地相连，东南与南沙海槽盆地相望，西部与西雅隆起和万安盆地相邻[13,14]。北康盆地内断裂主要以NE向和NW向为主，根据断裂带特征和盆地地层构造样式，北康盆地又分为东南隆起、东南坳陷、东北坳陷、中部隆起和西部坳陷等5个二级构造单元(图1)。其中西部坳陷的面积最大，但东北坳陷新生代沉积物厚度较大，断层控制作用明显[15]。盆地内基底主要以酸性火成岩和中性火成岩为主，主要盖层为中—上始新统到第四系。

图1 北康盆地区划图

自中中新世以来主体以浅海—半深海环境为主，构造运动不明显，岩性变化较为单一，下渐新统之前的地层由于受到构造运动破坏强烈，难以恢复古地形，利用上渐新统—下中新统进行泥岩相与地震响应耦合分析具有代表性，并能指导中、深部地层岩性识别和精细解释。

3 沉积环境—岩性—地震响应关系

地震响应是地震波对地下地质变化的响应，而对沉积岩来说，岩性变化实质上是沉积环境的变化。通过建立沉积环境—岩性—地震响应关系，结合地震反射动力学特征，可识别砂、泥岩(图2)。根据地层岩性特征进行正演模拟，并结合地震波形—振幅综合分析，可以有针对性地制作地震岩性—地震响应关系模板，利用该模板可有效地识别海相地层的岩性组合及岩相。

图2 利用地震波形—振幅响应技术分析碎屑岩岩性组合流程

碎屑岩的波阻抗值受碎屑岩的岩性、孔渗性、压力条件和密度等因素的影响，而岩性影响最大。对于海相碎屑岩来说，其沉积离不开水流的影响，因此碎屑岩岩性变化也与水动力条件息息相关。碎屑岩粒径d与碎屑岩波阻抗R的对应关系为

R=A(d)·B(φ)·C(f)·F(m)

(1)

式中：φ为碎屑岩的孔隙度；f为碎屑岩地层所受压力；A、B、C为系数；F(m)为拟合系数，以消除成岩和后生作用过程中各种因素的影响。

碎屑岩的粒径与所处水动力条件具有正相关关系，两者的映射关系为

d=H(v)

(2)

式中H为系数，其中v为水流速度。

碎屑岩岩性受水动力条件影响，当水动力条件较强时，砂岩岩性的变化速率比泥岩大得多，岩性变化引起波阻抗的相应变化，在理想地震剖面上最直观地表现为某一层段内部有利砂岩段振幅较大、有利泥岩段振幅较小。

对于海相地层来说，泥岩一般处于弱水—静水动力条件下，具有很大的沉积空间，在没有大的构造运动的前提下，即使沉积相带在后期过程中发生了变化，在纵、横向岩性都是渐变的，即波阻抗不会产生突变。

北康盆地A井的岩性以及井旁地震响应(图3)表明，Ⅰ段以碎屑岩夹少量碳酸盐岩为主，其中碎屑岩以泥岩为主。由于碳酸盐岩波阻抗值较碎屑岩高很多，而泥岩波阻抗值相对低得多，由此在碳酸盐岩与泥岩之间产生较大的波阻抗差，是产生碳酸盐岩—碎屑岩界面强振幅地震反射的根本原因。碳酸盐岩内部连续性较高，与开阔台地稳定水动力条件等沉积环境相对应；泥岩内部以弱反射为主，泥岩内部连续性较高，对应于静水—弱水动力条件，沉积环境变化较小，沉积空间较大。Ⅱ段主要以砂、泥岩互层为主要特征，地震响应特征表现为中—高频、强振幅反射，强振幅反射能量来源于泥岩与砂岩之间较大的波阻抗差，高频、强振幅反射反映了水动力条件的循环变化。Ⅲ段为大套泥岩层段中夹砂层，由于泥岩内部波阻抗差很小，砂岩与泥岩波阻抗差相对较大，但远小于碳酸盐岩和碎屑岩之间的波阻抗差，地震响应特征表现为振幅较低、连续性较好，反映了中—弱水动力条件下的浅海碎屑岩沉积环境。此外，中始新统(T5)及以下地层岩性和井旁地震剖面的对应关系较差，这是由于后期成岩作用和构造运动对岩性的破坏较大，同时深层地层信噪比降低造成的。

4 地震波分析方法

地震波分析是根据地震波的运动学规律，对地震波的波形和振幅进行综合分析，以此反向推演地质体的空间展布规律，并与实际地质体相对照，以确定地质体和地震响应之间的耦合关系。根据泥岩层的厚度特征和波阻抗的过渡特征，主要分析调谐振幅与泥岩层段对应的耦合关系。

图3 北康盆地A井综合岩性及井旁地震响应

4.1 地震波形分析

地震波形分析方法就是根据不同岩石波阻抗之间的差异，建立砂岩和泥岩之间的波阻抗变化曲线，利用地震振幅与相位变化对岩性进行识别。通过建立振幅—波阻抗—沉积过程的相关关系，根据人工钻井拟合曲线、不同深度与不同岩性的波阻抗变化曲线、地震波形精细刻画等步骤，利用地震波运动学特征识别碎屑岩(图4)。

对于厚层砂岩和泥岩段，地震同相轴很好地对应岩性分界面(图4a、图4b)，由于砂岩和泥岩具有明显的波阻抗差，因此波峰和波谷对应岩性界面。正极性波峰对应地震波由低波阻抗岩层进入高波阻抗岩层，反射系数为正，反射波与入射波的相位都为正极性；负极性波谷对应地震波由高波阻抗岩层进入低波阻抗岩层，反射系数为负，反射波与入射波的相位相反(相差180°)，即“半波损失”。上述反射特征在研究区主要由两种沉积过程产生：一种是在沉积过程中由于沉积条件的显著变化，导致水动力条件等参数的变化进而引起岩性显著变化，不同岩性界面是良好的反射界面，可产生能量较强的反射波；另一种则是由沉积间断或剥蚀形成的不整合面，一般也是明显的波阻抗界面，如研究区中的T3和T4反射界面为不整合面，伴生一系列削截面等地震反射结构。

薄层砂岩和泥岩夹层的地震反射界面并不一定严格对应岩性界面，它实际上是薄层顶、底反射波干涉之后的地震响应[16-19](图4c、图4d)，与低阻抗差的厚层砂、泥岩具有相同的地震反射特征。烃源岩在沉积过程中水动力条件较弱或处于静水条件，相对来说，其沉积空间较大，大部分为饥饿沉积，并发育大套薄层砂岩和泥岩，如在海盆扩张时期(T4-T3)发育的凝缩层，具有厚度很小、高有机质的特点，是海侵最大时期的产物，该时期发育的薄层泥岩是良好的烃源岩。在陆相湖盆沉积过程中，物源和水动力条件还受季节性水流的影响，表现为中、深湖和中、深海盆发育砂、泥岩互层碎屑岩相(图4e)，此时地震反射界面与岩性变化不具有对应关系，在地震剖面上表现为类似于薄层的地震反射结构。

正序列砂体地震响应对应两个较强的反射界面(图4f)，分别对应两个明显的岩性界面，在地震变密度剖面上呈“黑橙黑红”反射样式，频率一般较低，对应阵发性水流产生的向上变细正序列，一般存在于深水浊积砂体等沉积环境中。

图4 北康盆地上渐新统—下中新统主要砂、泥岩组合岩性—地震响应变密度显示

4.2 地震振幅分析

前人研究表明，无法单凭地震反射特征判别地层厚度小于λ/4(λ为波长)的地层顶、底界面特征[20-23]。调谐振幅是在高波阻抗差的岩性界面上，当岩层厚度小于λ/4时由地震波干涉产生的(不同于真振幅的)干涉振幅，其大小不完全反映地层波阻抗差。利用振幅的调谐效应能有效识别砂、泥岩薄层和含气砂岩。

影响地震波振幅的因素有两类。一类是非地质因素，主要有激发和接收条件、波前扩散、介质的吸收、透射损失等，一般来说激发和接收条件对地震记录的影响是不变的，波前扩散、介质的吸收、透射损失等体现了地震波的传播机制对振幅的影响，经由非地质因素衰减补偿等相对振幅处理，可以消除非地质因素的影响。第二类是地质因素，主要与反射系数有关，它是由地质因素引起的，因为相对振幅只与反射系数有关，而反射系数又与岩性、孔隙中的流体成分有关，因此相对振幅中包含的地质因素是利用振幅信息进行岩性解释和烃类检测的基础[24]。

除了上述两类影响地震波振幅的因素以外，地震波自身的干涉效应也会影响地震波振幅，在薄层中尤为明显。对地震子波而言，不能分辨地层顶、底板反射的地层称为薄层，薄层厚度Δh满足

(3)

式中λ为地震波的波长。

砂、泥岩互层的形成一般伴随沉积环境的大动荡，其典型表现样式为上、下两套砂岩夹一套泥岩薄层。一般来说是早期高能量态的沉积环境由于环境变迁，水平面升高，沉积物可容纳空间增大，处于欠补偿沉积环境，后期又发生构造隆升的产物。在泥岩厚度大于λ/4时，反射界面与岩性界面对应较好；在泥岩厚度小于λ/4时，反射界面就不能代表真实的岩性界面(图6a)，在变密度剖面上显示为“橙黑红”的地震响应特征。此外，低饱和度的含气砂岩在泥岩围岩中也具有类似的地震响应特征。

图5 地震波在薄层中传播的干涉原理[24,25]

砂岩透镜体与泥岩薄层的地震响应表现为在变密度剖面上极性相反(图6b)，当砂岩厚度足够大时，地震振幅反映了真实的岩性波阻抗差，反射界面与实际岩性界面对应。当砂岩厚度等于λ/4时，振幅达到最大。在砂岩厚度小于λ/4时，波形变化不指示砂岩厚度变化，其波形与厚层粉砂岩和泥岩组合的波形相同，代表季节性水动力条件的沉积环境变化或突发性洪泛结果，此时振幅变化反映了砂岩厚度变化，表现为振幅大幅降低，在变密度剖面上显示为“灰红黑”的地震响应特征。

常规的地震响应分析基于理想条件下的单套岩层与围岩的波阻抗差异，由于沉积环境的季节性变迁、气候性水流变化等因素，海相地层的空间展布样式并非单一的岩性变化，有时表现为多套厚度很小但波阻抗差明显的砂、泥岩互层，此时振幅是由多套砂、泥岩互层产生的干涉振幅，与单套薄层的干涉振幅又有所不同[19]。多套砂、泥岩互层形成的视阻抗差并非地层的真实阻抗差，而是多套砂、泥岩互层的综合阻抗差(图6c)。当多套砂、泥岩互层的厚度等于λ/4时，振幅达到峰值，在多套砂、泥岩互层的厚度从λ/4逐渐减小的过程中，会产生狭小的空白振幅。基于上述特性，在实际岩性解释中可以避免视振幅造成的误差。

若砂、泥岩互层中纯泥岩与砂岩总厚度的比值不同，则地层的视阻抗差也不同，导致地震反射振幅差异(图6d)。当泥岩围岩中夹砂、泥岩互层时，随着含泥率的增加振幅逐渐减小。特别地， 当含泥率分别为0和1时，振幅变化分别与砂岩和泥岩的情况相同。

图6 不同岩性组合的地震响应特征

5 应用

在缺少其他地质资料、少井甚至无井资料控制的低勘探程度地区，利用地震资料划分层序地层，一般认为在三级层序及以下具有较好的效果，通过对层序的控制实现对岩性的大体识别，但精度显然不高；利用地震相分析方法分析沉积相和微相，在沉积体系和空间结构的控制等方面上具有明显优势，但是沉积相不能完全代表岩相，更不能代表岩性组合，因此很难精细识别岩性。研究表明，利用海相地层的沉积—地震响应关系结合地震波形—振幅响应技术可对砂、泥岩进行识别和精细解释，是低勘探程度地区海相地层岩性判别的重要手段。

本文选取上渐新统—下中新统层序，以沉积—地震响应关系为基础，利用地震波形—振幅响应技术识别碎屑岩岩性组合(图7)。自中新世以来，北康盆地整体上处于半深海—深海环境，构造变化对沉积环境的影响较小，由于整体处于海平面之下，且沉积范围宽阔，避免了由于矿物富集效应产生的波阻抗异常，而物源的单一性也有效避开了不同物源沉积矿物的差异。因此，北康盆地海相碎屑岩的波阻抗与密度、孔隙度和压力等因素有关，同时还受碎屑岩不同成岩阶段的控制。

海相碎屑岩的密度变化一般与岩性变化对应较好，在一定范围内，碎屑岩粒度增大导致密度也增大。在勘探早期密度是影响碎屑岩波阻抗的主要因素，基于此可以区分海相碎屑岩的波阻抗差异，进而推断出密度相对值及其对应的岩性组合。孔隙度也是影响碎屑岩波阻抗的因素，孔隙中的流体及岩石骨架均有相应的波阻抗值，利用体积分异法可以将岩石分为纯孔隙层和纯岩石骨架层，以此为模型建立含孔隙流体的碎屑岩波阻抗模型，只有孔隙度达到一定值以后，才能对碎屑岩的波阻抗产生显著影响。基于上述分析，孔隙度对北康盆地碎屑岩波阻抗的影响并不明显。在一般情况下，压力并不会直接改变碎屑岩的波阻抗，而是由于压力的作用导致海相碎屑岩的密度、孔隙度和渗透率等发生变化，进而影响到波阻抗。在一定深度范围内，压力对砂岩和泥岩的波阻抗影响趋势线基本相向，可以认为在成岩阶段压力的增加不会引起两者波阻抗差的异常变化；在压力继续增大的过程中，地层压力与地热都会对碎屑岩波阻抗产生很大影响，导致砂岩和泥岩的波阻抗变化趋势相差明显，两者容易产生较大偏差，因此选取合适深度的地层作为研究对象很重要。为了避免压力、孔隙度以及不同成岩阶段对波阻抗的影响，选取适当的层段预测碎屑岩岩性组合，可以明显提高预测精度，同时也可以减少多解性。

分析表明，北康盆地的地层在整体上以浅海—中、深海相的碎屑岩为主，少有或未见碳酸盐岩，其地震、地质特征表现为：①下中新统A段的地震反射波的旁瓣较大，地震反射界面明显，且与地质界面具有良好的对应关系，能较好地反映岩性变化。整体上岩性变化有序，其中泥岩反射特征明显，对于砂岩而言，尽管不能具体确定砂岩类型和物性等特征，但整体上能大体对其进行刻画；②下中新统B段的地震反射波的旁瓣较小，反映了岩性的快速变化，但由于单层泥岩厚度小于1/4地震子波的波长，因此地震反射界面并不完全对应岩性界面，但能大致确定单套泥岩的厚度范围(约10～30m)；③下中新统C段呈波阻抗渐变引起的地震反射特征，整体上旁瓣较大，虽然地震反射界面对应岩性界面，但具多解性，在解释时应引起注意；④下中新统D段地震波旁瓣较大，地震振幅小，主要反映了砂、泥岩互层和渐变碎屑岩的干涉效应，地震反射界面反映了实际岩性突变界面，可以大致识别富含泥岩层段，虽然不能判别泥岩的具体发育位置及其波阻抗值，但仍可识别烃源岩和砂体。

为了利用地震波形—地震振幅响应关系识别地震岩性组合，选取北康盆地M剖面的T3-T4海相地层进行岩性识别(图8)。根据地震反射波形分析，北康盆地M剖面主要反映了三次大规模的沉积间断过程，对应于T3、T4和T5等3个主要的地层界面，且都为碎屑岩沉积。通过对比地震波形和振幅拟合视阻抗差曲线，并根据视阻抗差曲线将剖面地层划分为三大类岩相，即砂岩相(含砂率>80%)、砂、泥岩互层相(含砂率为20%～80%)和泥岩相(含砂率<20%)，其中砂岩和泥岩的地震反射振幅较大，且振幅在横向上变化小，波形相对单一，砂、泥岩互层的地震反射振幅表现出多样性和渐变性，波形变化也较为复杂，整体上旁瓣较大。根据地震波形特征和振幅差异，识别了A段砂岩透镜体和B段泥岩尖灭线的地震反射特征；在排除其他地质因素的干扰下，它们都具有波形向某一方向或两边同时尖灭的特征，在一定厚度内地震反射振幅随岩层厚度的增加而增大，当达到一定厚度后地震同相轴分叉，振幅变化不明显。因此地震M剖面精确地反映了岩相展布规律，在此基础上可进行烃源岩或储层精细描述。

图7 北康盆地下中新统岩性地震解释

图8 北康盆地M剖面地层岩相解释

6 结论

(1)沉积过程—岩性—地震响应分析表明，泥岩的发育环境对应于低能环境，是弱水动力条件下的产物，构造运动对其沉积的破坏性较小。在纵向上泥岩的波阻抗差较小，在横向上岩性连续性高，泥岩内部明显表现为弱振幅、连续性好的反射特征。根据上述反射特征结合钻井岩心分析认为，碎屑岩沉积过程与地震响应具有较好的耦合关系。

(2)地震波形分析方法能在一个或数个波长范围内对地震反射波进行分析。对于厚层砂、泥岩，地震反射界面较好地对应岩性界面，而对于薄层砂、泥岩，地震波仅能大致确定砂、泥岩的厚度，地震反射界面与岩性界面不具有对应关系；砂、泥岩薄互层和岩性渐变的碎屑岩的地震响应特征容易产生多解性，降低了岩性解释的精度。

(3)地震振幅分析指出，在厚度小于λ/4的情况下，地质体顶、底面界面的反射波会产生干涉效应，该效应是波阻抗与岩层厚度共同作用的结果。砂、泥岩互层在地震剖面上出现视波阻抗差和狭小空白反射带，含泥率不同地层的地震振幅也不同。因此应区别对待薄层砂、泥岩和厚层砂、泥岩以及砂、泥岩薄互层的地震响应特征。

(4)对于浅海—中、深海沉积环境，沉积物主要以碎屑岩为主，利用沉积—地震响应关系进行砂、泥岩识别时，岩性的渐变过程对应的地震反射特征具有多解性，在分析时应足够警惕。利用地震波波形和振幅分析并结合视波阻抗差在剖面上建立的高精度地震剖面岩相展布，可以为烃源岩和储层预测提供可靠依据。

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*湖北省武汉市洪山区鲁磨路388号中国地质大学资源学院，430074。Email：zjy522@163.com

本文于2016年12月8日收到，最终修改稿于2016年8月27日收到。

本项研究受中国地质调查局南海某部油气资源调查重点项目(DD20160211)和国家自然科学基金项目(41372112)联合资助。

1000-7210(2017)06-1280-10

赵谦,周江羽,张莉,雷振宇,王龙樟,严聪聪.利用地震波形—振幅响应技术预测海相碎屑岩岩性组合——以北康盆地为例.石油地球物理勘探，2017,52(6):1280-1289.

P631

A

10.13810/j.cnki.issn.1000-7210.2017.06.019

(本文编辑：刘勇)

赵谦 硕士研究生，1991年生；2015年获中国地质大学(武汉)资源勘查工程(油气方向)专业学士学位；现为中国地质大学(武汉)矿产普查与勘探专业在读硕士，主要从事地震资料处理、地震沉积学技术方法研究。