复杂构造二维地震精细速度分析与应用

李红梅， 李建国， 马海兵， 孙 渊， 于光明

(1.山西省地球物理化学勘查院，山西 运城 044004；2.长安大学地测学院，西安 710054；3.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029)

0 引言

速度分析和时深转换是地震勘探研究最重要的环节之一，特别在复杂构造勘查区钻孔较少和已知地质资料不足的情况下，速度场的精度直接影响地震勘探的各个环节及最终勘探成果，在常规资料处理过程中,地层介质被假设成各向同性的。但在实际勘探中地层中广泛的存在着各向异性。地震波速度与地下介质特性、传播方向密切相关。分析地震速度的各向异性获取的速度谱具有高成像质量，高精度的特点。

一般进行时深转换时主要运用钻孔反算并采用全区插值的方式求取平均速度，用这种方法得到的深度平面图在钻孔分布均匀的勘探区较为可靠，而在勘探区内钻孔较少且分布不均匀，或者地层构造复杂、地形起伏剧烈、速度横向变化大等情况下获得的速度场误差较大，可信度低。地震资料处理拾取的速度谱为叠加速度谱，叠加速度全区均匀分布，为均方根速度，与层速度存在一定关系。应用已知钻孔速度作为原始参考资料，提取钻孔处标志层，进行各向异性速度分析获得高精度速度谱，依据两组速度建立函数关系，通过交汇拟合的方式进行校正得到拟合速度。用这种方法建立的高精度速度场能够克服远离钻孔处速度难以控制的问题，提高解释构造成图精度。

1 勘查区概况及地质地震特征

勘查区位于大同新生代断陷盆地西北部的怀仁块凹，测线大部分位于大同盆地平原地带(图1)，地表多为第四系覆盖。工区农田和企业密集，障碍物多，数据采集困难。观测系统采用直线加弯线的观测系统，中间激发、宽线接收，接收道数2×240道，线距10m，道距20m，炮距40m，覆盖次数2×60次，地震勘探共完成7条勘查线，主测线6条，网度1km，联络线1条，测线长度为76.95km，勘探面积103.8km2。

图1 勘探区构造及测线分布图Figure 1 Prospecting area structures andprospecting lines distribution

勘查区为一西断东超的断凹盆地，沉降中心位于西北部，基底埋深最深约3 000m，最浅处位于东南部，埋深约500m;地层起伏较大。新生代以来，受喜马拉雅运动的影响，区域构造应力场发生了转变，由中生代燕山运动形成的北西一南东向主压应力方向转变为北东一南西方向主压方向。在此应力作用下，盆地断裂构造活动十分活跃，除了在燕山期形成的断裂位置上发育继承性大断裂外，在盆地内了也发育了许多新的断裂。区内构造比较复杂，西部为一处多期活动的控盆边界型大断裂——口泉断裂，东部为怀仁凹陷与黄化梁陷隆之间的控制性断裂—里八庄断裂，区内还分布多条走向落差不一的断层。盆地基底构造地貌大多数被新生代沉积物所埋藏，地表除广泛分布有新近系—第四系松散堆积物之外，还发育有新近系和第四系基性火山岩。地层由老至新依次有：太古界集宁群右所堡组(Ar1-2y)、新近系保德组(N2b)、新近系静乐组(N2j)、第四系泥河湾组(Q1n)及峙峪组(Q3s)。勘查区钻孔较少，仅在工区中心位置有两个相距200m的钻孔DY-1及DY-3, 其它可用于资料分析与研究的地质成果也十分有限。

根据区内DY-1及DY-3井测井资料，进行了地震人工合成记录分析(图2)及层位标定(图3)。

①在1.55s反射波组：能量强，连续性好，波组特征稳定，有两个强相位和一个弱相位组成，在地震剖面中可连续追踪。和钻孔地质情况对比，该反射波组为集宁群片麻岩顶界面的反射(1 846m)，埋深1 792～1 846m处为砂质泥岩和泥岩互层，破碎严重，是此次发现的储气层，命名Tj。

②在1.0s左右的反射波组：能量较强，连续性较好，波组特征较稳定，由2～3个相位组成(地震剖面其它区段)，在地震剖面中可连续追踪，和钻孔对比为砾岩、砂岩、泥岩互层组成(深度约1 100m)，命名为Tb。而在该钻孔对应的是玄武岩。

图2 DY-1井合成地震记录Figure 2 Synthetic seismic record of well DY-1

图3 过井剖面图Figure 3 Cross well section

③在750ms左右的反射波组：能量较强，连续性较好，波组特征比较稳定，有两个较强的相位组成，在地震剖面中可连续追踪，和钻孔的新近系静乐组底部砾岩层、保德组顶相对应(深度699m)，命名为Tnj。

④在520ms左右的反射波组：能量较强，连续性较好，波组特征比较稳定，由两个较强的相位组成，在地震剖面中可连续追踪，和钻孔的第四系底部亚粘土，新近系的顶部中砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩相对应(深度416m)，命名为Tq。

2 各向异性介质的高精度速度分析

常规地震资料处理都假设地球介质是各向同性的(速度不随传播方向发生变化)，把地震各向异性的影响归并到速度误差中去，在大地质尺度下这种近似是可以满足要求的。但地下介质普遍存在各向异性，随着勘探目标尺度越来越小，对地震资料的速度精度和成像质量的要求越来越高，如果忽略介质的各向异性,可能导致陡倾角信息丢失、地质体垂向深度和横向位置出现误差,因此在资料处理中一定要考虑速度的各向异性。

各向同性介质时距方程满足Dix双曲线规律，即：

(1)

其中，t0为零偏移距自激自收时间，x表示偏移距，vNMO是动校正速度。

当考虑地下层状介质的各向异性性质时，时距曲线不再满足双曲规律,而是含高阶4次项的非双曲时距方程，其数学表达如下：

(2)

式中：t0、x、vNMO的物理含义同上，η：为非椭圆各向异性参数，代表地层的垂直非均匀性和各向异性。

要实现对各向异性介质的高阶动校正, 需要获取各向异性参数和速度参数。速度场可以通过常规的速度分析利用中、近偏移距得到，各向异性参数需要采用高密度自动双谱拾取，通过一系列的插值，平滑，转化得到，最后用高阶动校正高密度非双曲线动校公式完成对道集的动校正 。通过引入各向异性参数，可以提高层状介质的旅行时计算精度和速度分析精度，保证成像点准确聚焦。图4给出了层状介质各向异性叠加速度分析的工作流程。

叠加速度的精度是决定叠加成像质量好坏的关键，提高叠加速度精度，进而使 CMP 道集最大限度地达到同相叠加，使地震剖面的同相轴连续性增强，达到提高叠加剖面信噪比和分辨率的目的。图5是分别采用各向同性速度分析方法和各向异性速度分析方法得到的叠加剖面， 可以看到应用各向异性速度得到的叠加剖面在断面的清晰度、陡倾角成像、反射界面的聚焦度方面效果更好，目的层成像有了明显的改善。各向异性速度谱精度较高， 图6为各向异性高精度速度谱与常用各向同性速度谱剖面对比图，各向同性处理中把由构造产生的各向异性的影响归并到速度误差中去，因此图中各向同性速度谱在有构造的位置速度谱发生速度变化，各向异性速度场分布更为均匀平滑，更符合地质沉积规律。

图4 层状介质各向异性速度分析的工作流程Figure 4 Workflow of layered media anisotropic velocity analysis

3 时深转换速度确定

速度谱采用各向异性速度分析得到的精细速度场，速度场的拟合主要步骤如下。

图5 各向同性速度叠加(左)与各向异性速度叠加(右)对比Figure 5 Comparison of isotropic velocity stacking (left) and anisotropic velocity stacking (right)

图6 各向异性高精度速度谱(上)与常用各向同性速度谱(下)对比Figure 6 Comparison of anisotropic high precision velocity spectrum (upper) and common isotropic velocity spectrum (lower)

①根据钻孔分层数据及合成记录情况计算各层位速度值；

②从速度谱上读取钻孔附近各层位点速度值；

③建立钻孔速度与叠加速度及时间的函数关系交汇拟合求取拟合速度(图7)；

④运用拟合速度场沿目的层提取时深转换速度进行高精度构造成图(图8)。

通过各向异性速度分析获得的高精度速度谱，对本区的构造进行解释(图8)：勘查区为一西断东超的断凹盆地，沉降中心位于西北部，地层起伏形态为东南高—西北低的单斜构造，走向北北东，区内断层13条；地层倾角最大28°，最小2°，平均为10°。目的层解释深度2 010m，经打孔验证实际埋深1 998m，误差率为1%，可见各向异性速度分析预测的埋深与实钻结果吻合较好。

图7 综合两钻孔进行速度拟合Figure 7 Integrated two boreholes velocity fitting

图8 根据速度谱进行拟合获得的速度平面图(左)及时深转换构造深度图(右)Figure 8 Velocity plan from velocity spectrum fitting (left) and time-depth conversion structural depth (right)

4 结语

综合考虑地下介质各向异性因素进行高精度速度分析，并用其叠加速度谱结合已知钻孔进行拟合，科学准确地建立全区均匀的速度场进行时深转换，这种方法能满足构造较复杂地区对地质勘探的需求,也解决了传统方法由于钻孔资料缺乏而导致速度场分布不合理、深度误差较大的问题，有效地提高了构造解释的精度，在实际工作中取得较好的勘探效果,具有良好的推广应用前景。