双界面地震层拉平的古地貌恢复技术及应用——以鄂尔多斯盆地天环坳陷为例

刘永涛 刘池洋 周义军 黄 雷 毕明波 王秀珍

(①西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069； ②东方地球物理公司研究院长庆分院，陕西西安 710021)

0 引言

古地貌是指发育在不整合面之上的受侵蚀和剥蚀双重控制作用下形成的沟槽、残丘、古高地等正、负地貌单元的总称。碳酸盐岩区可以发育岩溶古地貌，碎屑岩区可以发育侵蚀古地貌。古地貌对油气的运移、聚集和成藏具有控制作用，因此，古地貌恢复一直是油气勘探中的重要研究内容之一。而主生、排烃期的古地貌形态对油气成藏影响更为直接，因而恢复含油气区生烃关键期的古地貌尤为重要。

古地貌恢复的方法主要有三类[1-2]： 第一类是根据地层厚度恢复古地貌，常用的有残余厚度法[3]与印模法[4]； 第二类是运用沉积学的方法恢复古地貌，早期运用岩性纵、横向上的变化定性识别古地貌[5]，近年来运用层序地层学或高分辨率层序地层学的方法恢复古地貌[6]； 第三类是依据地震或地质层拉平法恢复古地貌，包括平衡剖面恢复法[7-8]、地震层拉平法[9-11]、地质层拉平法[12-15]、地震切片分析法及地震属性法[16]等。残余厚度法和印模法主要是依据钻井、地震资料恢复古地貌，对于钻井少的含油气区，井间的古地貌形态难以准确刻画，古地貌恢复的精度不高，并且该类方法一般未考虑古地貌形成之后沉积地层的压实作用对于古地貌形态的影响。层序地层学法或高分辨率层序地层学法将地震资料和地质特征相结合，从宏观的沉积学角度对古地貌形态进行约束，恢复精度较高，但该类方法需要对比不同级次的基准面及旋回，对研究者的地质综合能力要求较高，工作量大，并且该类方法同样未考虑古地貌形成之后沉积地层压实作用的影响。在利用层拉平法恢复古地貌中，最常用的是地震层拉平法，但这类方法也存在一些问题： ①由于古地貌之上填充的地层横向变化大，造成地震速度变化大，拉平后的估算厚度与实际的地层厚度存在差异； ②地震拉平层位的选取是关键，如果选取的层位不合理，仍需考虑古地貌形成之后沉积地层的压实作用的影响。

为了落实古地貌形态、研究古地貌与油气成藏的关系，本文综合利用钻井、地震等资料，提出了一种基于地震层拉平技术恢复生烃关键期古地貌的新方法。应用该方法恢复了鄂尔多斯盆地天环坳陷中部生烃关键期(即早白垩世)的前侏罗纪古地貌形态，为本区侏罗系古地貌成藏认识的深化及井位部署提供了依据。

1 古地貌恢复

1.1 古地貌的形成与演化

古地貌可分为早期形成与后期演化两个阶段。构造抬升可以导致沉积地层暴露地表、遭受剥蚀。由于沉积地层抗风化能力的差异，剥蚀作用不均一，这就形成了古地貌的雏形。随后，构造沉降并接受新一轮沉积，由于沉降不均衡，可能剥蚀与侵蚀作用共存。最后全区接受沉积时，古地貌被填平补齐，标志着古地貌形成。

古地貌形成后，一方面受上覆沉积地层深埋及差异压实作用，形态发生变化；另一方面伴随着后期的构造运动及构造变形，形态也会发生变化。在不同的演化阶段，由于上覆地层压实作用及构造活动的差异，古地貌的形态也会有所不同。

1.2 古地貌恢复的主要研究内容

古地貌在形成与演化过程中，受到剥蚀、侵蚀、填平补齐、差异压实、构造运动及构造变形等因素的综合影响，这增加了古地貌恢复的难度。其中，构造作用对古地貌形态的影响最大，是首要考虑的地质因素。因此，古地貌恢复包括三个方面内容： ①古构造恢复； ②压实作用恢复； ③古地貌识别。在古地貌恢复的过程中，首先要明确是恢复哪个时期的古地貌，然后依据古地貌恢复精度的需求，选取合理的古地貌恢复方法。

2 古构造恢复

2.1 地震与地质层拉平方法对比

地震层拉平技术是在层序地层学的基础上发展起来的，它是指在后期沉积地层的压实作用可以忽略的情况下，将代表沉积基准面、最大湖(洪)泛面或剥蚀夷平面的地震反射界面(参照面)拉平，进而考察下伏目标层的构造起伏形态，并认为该构造起伏形态代表了参照面形成时期目标层的古构造形态。

地震层拉平和地质层拉平有所不同，以往常存在混淆的现象。在区域构造研究时，可通过拉平某一特殊地质界面或该界面所对应的地震反射层位考察下伏目的层的构造变化特征。此种情况下，由于研究对象较为宏观，利用地震层拉平与地质层拉平技术会产生相似的效果。但在研究范围较小、研究对象为微观、具体的构造目标时，两者可能产生不同的效果。这是因为地震层拉平是在地震数据体上进行操作，拉平前、后地震剖面的长度并未发生变化；而地质层拉平是在地质剖面上进行操作，拉平前、后虽然保证了地层层长或面积基本不变，但地质剖面的长度会发生变化。

如图1所示，图1a～图1c是利用平衡剖面软件依据地质层拉平原理(层长或面积守恒)制作的构造演化剖面。其中，图1a为最终定型的地质剖面，图1b为去断层后的剖面，图1c为去褶皱后的剖面。构造剖面长度从大到小依次为图1c、图1b、图1a，构造变形过程是一个剖面长度不断缩短的过程。图1d、图1e是地震层拉平前、后的二维地震剖面，构造恢复前、后地震剖面的长度并未发生变化。因此，地质层拉平与地震层拉平相比，地质层拉平具有明确的地质含义，古构造恢复的精度更高。但在实际的应用中，地震层拉平的应用更为广泛[17-18]，这主要是因为地震层拉平具有简单易行的优势。

由此可见，对于精细的、具体的构造目标(如古地貌对应的不整合面)恢复古构造时，地震层拉平与地质层拉平存在差异。这种情况下，两者一般不可相互替代，只有在一定的地质条件约束下，才可以近似地利用地震层拉平技术代替地质层拉平进行古构造恢复。

2.2 适用条件分析

古构造恢复可以分为水平构造作用(伸展或挤压作用)恢复和垂向构造作用(抬升或沉降作用)恢复两个方面，由于两者构造运动方式的差异，利用地震层拉平与地质层拉平技术恢复古构造可能会产生不同的效果，下面以古地貌(不整合面)为目标具体分析。

图1 平衡剖面技术与地震层拉平技术在古构造恢复中的对比

2.2.1 水平构造作用恢复

水平构造作用会造成地层的伸缩。在二维地质剖面上，如果水平伸缩量很大，构造变形则需要通过大型断层和褶皱作用共同平衡应力。由于构造变形前、后地质剖面的长度变化大，地震层拉平和地质层拉平恢复的古地貌形态差异大，地震层拉平已不能替代地质层拉平。如果水平伸缩量很小，形成断层的规模和数量有限，主要是通过地层的褶皱作用来调节应变，这种情况下，地震层拉平技术可以近似地代替地质层拉平技术进行古地貌恢复。因为利用地质层拉平技术恢复剖面时，“去断层”前、后地层长度的变化量很小，可以忽略不计，“去褶皱”前、后纵向上地层的变化量相当，与地震层拉平技术的应用效果相似。

在实际的古地貌恢复中，一般常见的是面积约1km2的古地貌单元，形状规则时，长度和宽度都为1km。在研究区范围内，垂直构造走向上对比考察地层的长度与该地层的伸缩量，当地层的伸缩量为10m时，即该地层的长度与伸缩量相差两个数量级，这种变化对于古地貌单元形态的影响非常小，一般情况下可以忽略不计。换言之，当考察地层垂直于构造走向的长度是伸缩量的100倍以上时，地震层拉平技术可以近似代替地质层拉平技术进行古地貌恢复。

2.2.2 垂直构造作用恢复

在构造演化过程中，往往是在水平和垂直两个方向同时发生构造变形，在研究中通常将其分解为两个方向的构造变形分别考察。如果仅是考察地层垂直方向发生构造变形，地震层拉平技术和地质层拉平技术会产生相同的恢复效果，大致可分为两种情况：①区域性均一抬升或沉降作用，古地貌对应的不整合面只发生整体的上下移动，形态并未变化，地震层拉平技术和地质层拉平技术均可进行古地貌恢复；②差异抬升或沉降作用，即古地貌的形态已发生变化，由于水平方向上地层的长度并未发生变化，所以，在不考虑压实作用影响的前提下，地震层拉平技术和地质层拉平技术均可进行古地貌恢复。

3 差异压实恢复

古地貌在形成之后的演化过程中，差异压实作用将引起古地貌形态的变化，主要分为三种情况：①横向上，古地貌之上新沉积地层厚度在不同地貌区有着明显的区别，因而向下负荷的作用力不同，引起古地貌形态的改变；②古地貌上覆地层横向上也存在岩性的差异，导致向下负荷的作用力也存在差异，这同样会引起古地貌形态的改变；③上覆地层对古地貌进行压实作用后，如果后期遭受剥蚀，当再沉积的地层厚度不足以补偿前期的地层厚度时，若要进行压实作用校正，则需进行剥蚀厚度恢复。所以，压实作用恢复需要考虑不同的地质条件，而且涉及的因素很多，恢复结果的或然性也很强。

地震层拉平技术作为一种古地貌恢复的方法，在压实作用恢复方面无能为力。但在特殊条件下，在利用地震层拉平技术进行古地貌恢复的同时，可以不用再去做压实作用恢复的相关工作。这种特殊条件是：地质历史时期不存在较大的地层剥蚀，现今地震剖面上的地层厚度是压实作用最强阶段的结果。即使古地貌上覆地层后期剥蚀后存在砂体回弹作用[19]，但该作用对地层厚度的影响非常小，并不会引起下伏地层厚度的根本性变化。在满足此种条件的前提下，从正常埋深增温的演化角度看，压实作用最强的时期就是古地貌埋藏最深、古地温最高、烃源岩大量生烃和排烃的时期。如果能在地震剖面上找到生烃关键期对应的地震反射层位，只需拉平该地震反射层位，下伏的古地貌即可得到恢复，不用再去进行压实作用恢复。

因此，拉平生烃关键期对应的地震反射层位去压实作用需满足两个条件：①在地震剖面上能够找到生烃关键期对应的地震反射层位。如果后期该地震反射层位被剥蚀，则该方法不能使用；②适用于正常埋深增温生烃且只有一次生烃作用的地区。如果该区烃源岩具二次或多次生烃，则地震层位拉平不能进行去压实作用。

4 双界面地震层拉平的古地貌恢复技术

4.1 古地貌识别方法

当沉积间断时间较长，不整合面顶部地层剥蚀作用充分，上覆地层再对古地貌填平补齐时，这类古地貌高差不大，恢复起来难度不大；当沉积间断时间较短，不整合面顶部地层剥蚀作用不充分，上覆地层再对古地貌填平补齐时，这类古地貌一般高差较大，恢复起来难度大。

在古地貌顶部寻找填平补齐结束后距离古地貌最近的、具有广覆式沉积的地质界面，并且该界面是沉积转换面、湖(洪)泛面或特殊岩性等地质界面。在地震剖面上，将代表该界面的地震反射层位拉平，恢复当时的古沉积环境，在层序地层学理论指导下，结合井震标定及地震瞬时相位属性，刻画古地貌，这是目前能有效提高古地貌地震解释精度的方法之一。

4.2 双界面地震层拉平技术原理

据上述可知，地震层拉平技术应用于古地貌恢复的条件可以概括为：①空间上，在垂直于构造走向上，当研究区内地层长度是该地层水平伸缩量100倍以上时，可以利用地震层拉平技术近似代替地质层拉平技术进行古地貌恢复；②时间上，研究区烃源岩为正常增温生烃类型，满足最强生烃期与最大埋深期一致、且不具有二次或多次生烃作用时，不用做压实作用恢复。

在满足地震层拉平技术应用于古地貌恢复的前提条件下，本文提出了一种古地貌恢复的新方法，主要步骤为：①先拉平生烃关键期对应的地震反射层位，去除后期构造变形对于古地貌形态的影响，计算拉平层至古地貌填平补齐结束期对应的地震反射层位之间的地层厚度；②再拉平古地貌填平补齐结束期对应的地震反射层位，对不整合面(古地貌)进行精细解释，恢复该时期的古地貌形态，计算该拉平层与不整合面之间的地层厚度；③将以上两次计算的地层厚度值相加，即利用地层厚度反映古地貌的相对高低，恢复生烃关键期的古地貌形态。

如图2所示，A界面代表生烃关键期对应的地震反射层位，B界面代表填平补齐结束期对应的地震反射层位，即特殊岩性界面的地震反射层位，C界面(不整合面)为古地貌对应的地震反射层位，D界面为烃源岩对应的地震反射层位。A与B之间的地层厚度(H1)反映了拉平A界面时B界面的古构造形态，即恢复了关键生烃期B界面的古构造形态。B与C之间的地层厚度(H2)反映了拉平B界面时C界面的古构造形态，即恢复了填平补齐结束期C界面的古地貌形态。恢复关键生烃期的古地貌形态，即计算A与C之间的地层厚度(H3)。由于H1、H2、H3之间存在H3=H1+H2的关系，因此，只要将H1和H2相加，即恢复了生烃关键期的古地貌形态。

图2 生烃关键期的古地貌恢复原理示意图

4.3 地震拉平层位选取原则

首先，调研研究区成果，明确主生排烃期对应的地质时间，并在地震剖面上确定该时间段所对应的时窗范围，在该时窗范围内寻找能够代表湖(海)泛面、沉积基准面或剥蚀夷平面的地震反射层位，将该地震反射层位作为生烃关键期所对应的地震拉平层位。

其次，选取古地貌填平补齐结束期对应的地震反射层位，即选取特殊岩性界面。在距离古地貌较近、且具广覆式沉积的地层中，选取能代表沉积基准面或层序转换面的地震反射层位作为该时期的拉平层位。特殊界面如煤层或泥岩反射层为最佳的选取对象。

以上两个拉平层位的选取遵循以下原则：①确实经历过近似广覆式沉积演化阶段；②具有“等时”的含义；③在地震剖面上易于连续追踪、识别。

4.4 注意事项

由于该方法选取了两个地震拉平层位恢复古地貌，因此，本文将其称为“双界面”地震层拉平的古地貌恢复技术。与以往常规方法相比，该方法有三大优点：①将地震与钻井资料紧密结合，并依据层序地层学理论解释古地貌，能提高解释精度；②恢复了生烃关键期的古地貌形态，由于该时期的古地貌形态与油气成藏关系密切，有利于后期区带综合评价及井位部署工作；③操作性强，简单易行，不用进行压实作用恢复，提高了工作效率和古地貌恢复的精度。但在实际应用中应注意以下两点：一是古地貌的精细识别为该方法的灵魂，古地貌的精细解释是该方法中最为关键的环节；二是该方法恢复的古地貌只是相对古地貌，并不能反映生烃关键期真正的古地貌(不整合面)埋深。如果要恢复绝对古地貌，还需进行古水深校正等其他相关工作。

5 应用效果

5.1 研究区概况

中生代鄂尔多斯盆地为叠加在古生代华北克拉通之上的内陆湖盆[20-21]。晚三叠纪末期(即印支运动晚期)鄂尔多斯盆地整体抬升，受地表剥蚀和河流侵蚀双重作用的影响，在三叠系顶面形成了千沟万壑的古地貌景观[22]。早—中侏罗世，盆地主体沉降、接受沉积，侏罗系底部富县组与延安组延10段地层对古地貌进行填平补齐，延安组延9段及以上地层具有广覆式沉积的特点。在拉平TK反射层(白垩系底界)地震剖面上(图3)，可见富县组和延10段地层对三叠系延长组顶部地层的削截、超覆现象，且充填地层受横向上差异压实作用的影响，不整合面(TJ，代表古地貌)和最大湖泛面(TJ9，填平补齐层顶面)具有相似的起伏形态。

图3 鄂尔多斯盆地TK反射层拉平地震剖面

研究区位于天环坳陷中部，构造平缓。勘探实践表明，该区前侏罗纪古地貌(T/J不整合面)与中生界油藏关系密切，在古地貌的高地、残丘及古斜坡等有利位置已发现多个“小而肥”的古地貌油藏。如何有效提高侏罗系古地貌油藏的勘探成功率是本区亟待解决的关键问题之一。区内地表黄土厚度不大，地震资料品质普遍较好，中生界时窗范围内地震主频为30～40Hz。二维地震测线以近SN和EW方向为主，测网密度为 1km×2km～2km×4km，能够满足古地貌精细解释的需要。

5.2 适用条件判断

区内构造平缓，只发育数量极少量的小型逆断层，垂直断距一般小于20m。选取一条垂直于构造走向的二维地震剖面进行平衡剖面恢复，先将地震剖面转化为地质剖面，然后分别去断层和去褶皱。恢复结果表明，恢复前地质剖面长度为39.0km，恢复后地质剖面长度为39.3km，考察地层水平缩短量为0.3km，缩短率约为0.8%(图4a、图4b)。另外，将该地震剖面进行层拉平(图4c、图4d)，发现拉平地震剖面上考察地层的构造形态与平衡剖面恢复结果的构造形态极其相似，这表明了地震层拉平技术能用于该地区考察地层的古构造恢复。

研究区延长组长7段发育一套暗色页岩，俗称张家滩页岩，这套页岩为侏罗系古地貌油藏的源岩。早白垩世中晚期，长7段泥、页岩埋深达到最大，古地温达到最高，开始大量生烃和排烃[23]。晚白垩世至古近纪早期，本区整体抬升，下白垩统上部大约500m的地层剥蚀殆尽[24]。古近纪晚期至今，该区局部接受沉积，但沉积地层的厚度较小，均小于500m，长7段源岩没有发生二次生烃作用。

图4 平衡剖面恢复与地震层拉平技术古地貌恢复结果对比

因此，该区考察地层(T/J不整合面，对应TJ地震反射层)的长度是水平缩短量的近170倍，且生烃关键期(对应Tk地震反射层)与最大埋深期相对应，满足地震层拉平技术用于古构造恢复的前提条件。

5.3 地震拉平层位的选取

鄂尔多斯盆地延长组沉积期湖盆经历了发展—鼎盛—萎缩—消亡期四个演化阶段[25]，形成了4个层序，即层序Ⅵ～Ⅸ(表1)。其中长10段—长8段沉积期为湖盆的发展阶段，主要发育一套湖进型的砂泥岩地层；长7段沉积期为湖盆发育的鼎盛阶段，发育一套大面积分布的暗色页岩；长6段—长3段沉积期为湖盆的萎缩阶段，主要发育一套湖退型的砂泥岩地层；长2段—长1期为湖盆的消亡期，主要发育河流相沉积。长2段—长1段地层大部分已剥蚀或缺失，因而在长3段地层之上形成了千沟万壑的古地貌景观。

表1 鄂尔多斯盆地中生界地层层序划分表

5.4 生烃关键期古地貌恢复

首先，在层位标定的基础上，精细解释TK、TJ9、TT7地震反射层，并保证地震解释层位在全区范围内闭合(图5a)； 其次，在时间域地震剖面上，拉平TK反射层，考察TJ9反射层的古构造起伏形态(图5b)，建立精细速度场，计算两者之间的地层厚度； 然后，再拉平TJ9反射层，在拉平地震剖面上重新进行井震标定，充分结合钻井分层信息，依据层序地层学理论精细解释不整合面(古地貌)，即TJ反射层(图5c)； 同时，利用瞬时相位地震属性对不整合面(古地貌)进行辅助解释(图5d)，并建立TJ9与TJ反射层之间的速度场，将两者之间的时间厚度转化为地层厚度； 最后，将TK与TJ9反射层、TJ9与TJ反射层之间的构造形态相叠加，即地层厚度相加，就是生烃关键期的古地貌形态(图5e)。

在上述基础上制作相应的平面图。首先，利用TK与TJ9反射层之间的地层厚度反映古构造的相对高低，即反映生烃关键期延9段底界的古构造形态(图6)；其次，利用TJ9与TJ反射层之间的地层厚度反映古地貌的相对高低，即反映填平补齐结束期的古地貌形态；最后，将TK与TJ9反射层、TJ9与TJ反射层之间的地层厚度值相加，即为生烃关键期古地貌的形态(图7)。

图8是以往利用印模法恢复的相对古地貌，即主要利用钻井资料计算延10段+富县组的地层厚度以镜像映射古地貌的起伏形态。该方法的基本原理与拉平TJ9地震反射层、考察TJ反射层的地震层拉平法相同。相比印模法，双界面地震层拉平技术提高了古地貌恢复的精度。利用不同古地貌位置和油气情况的10口检验井检查成图效果，发现已知钻井位置恢复的地层厚度与实际钻井的厚度误差小于3.1m(表2)，而印模法恢复结果误差为0～21.2m。

对比图6、图7可知，虽然生烃关键期延9段底界与不整合面(古地貌)的古构造形态差异较大，但总体上都具有西低东高趋势。对比图7、图8可知，图8代表了古地貌形成阶段的起伏形态，图7代表了生烃关键期古地貌的古构造形态，两者的古构造形态具有一定的继承性，图7的古构造形态是由图8的古地貌演化而来。图8主要由古高地、斜坡、古河道及支沟等古地貌单元构成，图7则表现为西低东高的宏观古构造背景下，研究区中南部存在两个局部古隆起。

图5 生烃关键期古地貌恢复流程

(a)时间域地震剖面； (b)生烃关键期恢复的TJ9古构造形态地震剖面； (c)填平补齐结束期古地貌形态地震剖面； (d)填平补齐结束期古地貌形态瞬时相位属性剖面； (e) 生烃关键期恢复的古地貌形态地震剖面

图6 生烃关键期延9段底界古构造图(上)

根据近年来探井、评价井分布(图6～图8)可知，图8中古高地、斜坡、古河道及支沟等古地貌单元油流井均有分布，这种特征导致侏罗系古地貌成藏主控因素不明确，难以实现油气有效勘探与开发。图6、图7中水井和油流井分别位于工区西部和东部，分布规律明显，表明生烃关键期的古构造趋势控制着油气运移的主要方向，即油气主要从西向东、由构造低部位向构造高部位运移。绝大多数油流井位于工区中南部两个古隆起之上及周邻位置，表明生烃关键期古地貌的古构造高部位是油气聚集成藏有利部位。

表2 延10段—富县组地层厚度恢复结果误差统计表

图7 生烃关键期不整合面古构造图(上)及TK层拉平地震剖面(下)

图8 印模法恢复的古地貌图(上)及TJ9层拉平地震剖面(下)

6 结束语

古构造恢复、差异压实恢复与古地貌识别是古地貌恢复的主要研究内容。本文将地震层拉平技术应用于古地貌恢复的各个环节，提出了一种古地貌恢复的新方法。由于该方法选取了两个关键地震反射层位进行层拉平恢复古地貌，因此，将其称为双界面地震层拉平的古地貌恢复技术。与以往常规方法(印模法)相比，该方法恢复的古地貌精度更高，且恢复的古地貌与油气运移、聚集及成藏的关系更为密切，能在古地貌油藏的勘探开发中发挥更为积极的作用。