北极格陵兰岛东南部玄武岩区地震成像

吴其林 刘全稳* 方中于 张 文 刘金鹏 张治中

(①广东石油化工学院石油工程学院，广东茂名 525000；②中海油田服务股份有限公司物探事业部特普公司，广东湛江 524057；③中海油国际公司，北京 100027)

0 引言

进入21世纪，特别是2013年以来伴随国际油价的节节攀升和世界各国对北极油气资源的重视，美国、加拿大、俄罗斯、挪威、丹麦等环北极国家均出台明确的北极国家战略并积极向联合国递交北极主权申请，北极油气勘探进入了一个相对繁荣时期[1]。研究区位于格林兰岛东南部，由于可供地质综合分析的资料较少，有限的二维地震、重力、磁力和大洋钻探资料制约了对区域油气资源的远景评价。为此，进行了覆盖全区的海上大容量震源、变深度缆的宽频二维地震资料采集。然而，受古近纪始新世、渐新世两期玄武岩影响，以前处理的二维地震资料中深层地震成像较差，而中深层地震资料对区域烃源岩评价尤为重要。如何保护来自中深层的弱信号，恢复强噪背景下的中深层地震弱反射、深层不同时代地层界面等信息，成为地震资料中深层成像的难点[2-3]。

近年来，火山岩或盐体区地震成像受到越来越多的重视。佘德平等[4]通过波动方程波场数值模拟技术分析了火山岩区地震信号特征，得出低频地震信号具有较强穿透高速薄玄武岩屏蔽层的能力，也具有降低粗糙表面产生绕射噪声的能力；孙伟家等[5]从地震照明的角度研究了地震波频带与火山岩屏蔽的关系，认为中低频成分对火成岩屏蔽区的照明贡献大，而高频成分贡献小。Sun等[6]利用完全弹性波动方程模拟了近地表玄武岩分布对地震波传播的影响并得出几点重要结论：①玄武岩厚度小于波长1/2时，薄层玄武岩影响小于厚层玄武岩；②有限横向长度的玄武岩比连续分布的玄武岩影响小；③煤层或地层远离玄武岩时影响小；④地震波传播受玄武岩表面粗糙面影响小。符力耘等[7]在研究库车坳陷高陡构造地震成像时，在高品质地震数据基础上，结合测井资料与盐体地质结构建立合理的偏移速度，应用半解析的退化Fourier偏移算子进行库车崎岖地表波动方程基准面静校正和地震叠前偏移成像，极大改善了高波数波的成像效果。Zhou等[8]研究了澳大利亚昆士兰中部玄武岩对煤层勘探的影响，结果表明，当玄武岩局部分布时，利用远炮检距信息和叠前深度偏移(PSDM)可以改善玄武岩下地层成像，但玄武岩连续分布时，对玄武岩下地层成像较为困难。

本文通过声波波动方程数值模拟分析了两个期次不同类型、不同厚度玄武岩地震屏蔽作用以及与低频信号之间的关系，指引了后续以低频保护为核心的宽频地震资料处理，极大地提高了北极格陵兰岛东南部JMY地区玄武岩下地层成像质量，取得了良好的实际应用效果。

1 玄武岩地震地质特征

玄武岩为基性火山喷发岩，岩浆黏度小、流动性大，喷溢地表易形成大规模熔岩流和熔岩被，也有呈侵入体的岩床等[9-13]。在北极格陵兰岛东南部JMY地区的玄武岩具有以下几个特点。

(1)据邻区格林兰岛盆地露头资料和大洋钻探录井资料表明，第一期(始新统)玄武岩为多幕喷发相，以溢流相熔岩和喷发的角砾岩、火山灰、火山集块岩互层为特征，覆盖研究区绝大部分区域[12-13]。地震剖面上双程旅行时时间厚度差异大，但大部分在60ms左右。据区域资料，玄武岩速度为4600m/s，厚度约为138m。

(2)第二期(渐新统)玄武岩以溢流相厚层熔岩为特征，在研究区广泛分布，且厚度较大，地震剖面上双程旅行时厚度一般大于120ms，按照玄武岩熔岩的速度5500m/s计算，厚度一般大于330m。

(3)受晚期断层的影响，研究区第二期玄武岩纵向上升降明显，且受围岩结构影响其表面凹凸不平，环境温度和压力变化的不均导致玄武岩内部结构不均。

(4)第一期玄武岩与围岩的波阻抗差异相对较小，反射系数约为0.26；而第二期玄武岩与围岩的波阻抗差异大，反射系数高达0.55。

受上述地震地质条件的影响，结合地震波场特征，可知：①两期较厚的玄武岩地层对地震波场能量屏蔽作用较大，由于第二期玄武岩比第一期厚度大、熔岩含量比高和反射系数大，对地震波屏蔽作用明显比第一期玄武岩强；②多次波发育，除海底多次波发育外，两期玄武岩同海底的层间多次波也严重影响下伏地层成像；③地层的起伏及其粗糙的表面导致地震信号散射强。

2 理论模型分析

为了研究玄武岩屏蔽作用对地震波传播的影响，采用各向同性交错网格高阶有限差分法进行声波波动方程数值模拟，该方法具有计算速度快、占用内存少、效率高等特点[14]。

建立如图1所示的火山岩模型，包括一个海水层，两套高速、高密、高阻抗的玄武岩和三套沉积地层。研究区内海底有一定起伏，但大部分深度在1500m左右，部分海山区为1400m或更浅。由于海底崎岖不是影响地震成像的主要因素，因此将海底设计为水深1500m的水平面。第一期玄武岩地层厚度约为70～140m，西薄东厚，埋深在4100～4400m(以海平面起算)，速度为4600m/s，密度为2610kg/m3。第二期玄武岩地层较厚，厚度大部分在300m以上，受晚期断层改造在剖面上表现为同相轴的上下错动，埋深约为2900m，速度为5500m/s，密度约为2700kg/m3。

选用主频分别为30、20和10Hz的最大相位子波进行数值模拟。图2是主频为30Hz模拟数据叠加剖面，海底、第一期玄武岩和第二期玄武岩及地层界面1均为强反射界面，左侧的第二期玄武岩下可见两套较强层间多次波(黑色箭头所示)，多次波能量呈逐渐减弱的趋势，极性与第二期玄武岩反射相反；在第二期表面崎岖的玄武岩下基本见不到第一期玄武岩、界面2、界面3的反射波；而在右侧，仅有第一期玄武岩覆盖，可见界面2、第一期玄武岩界面、界面3的反射，在中部的斜坡带反射振幅明显弱于右侧的平缓带。

图3是主频为20Hz模拟数据叠加剖面，地震反射特征与图2较为接近，但也有差异，表现在强反射界面的轴变得“稍胖”，高频噪声减少，地层界面反射振幅稍有增大，有利于地层界面的真实成像。左侧第二期玄武岩强屏蔽效果仍然明显(黑色箭头所示)，玄武岩下的地层界面无法真实反映，而右侧的无第二期厚层玄武岩覆盖区的中、深层成像质量明显要高。

图1 火山岩地质模型

图2 子波主频为30Hz的模拟数据叠加剖面(未含鬼波)

图3 子波主频为20Hz的模拟数据叠加剖面(未含鬼波)

图4是主频为10Hz模拟数据叠加剖面，与图2、图3相比，频率更低、横向更加连续，右侧第一期玄武岩下的地层界面3振幅明显增强，说明在这种相对较薄的第一期玄武岩覆盖区域，低频信号的穿透力更强，有利于中深层地层成像。同时在剖面左侧，第二期玄武岩下的第一期始新统玄武岩界面成像质量有了较为明显的提高，可见弱振幅、低频、高连续的地震反射特征；地层界面2也有微弱显示，但不如第一期始新统玄武岩界面明显。

不同子波主频数值模拟结果表明，第二期渐新统玄武岩对地下中深层地层界面地震成像屏蔽作用较强。单靠大容量震源、斜缆采集对第二期厚层玄武岩下地层成像有一定困难；但有利于低频信号穿透只有第一期始新统玄武岩覆盖的区域。

图4 子波主频为10Hz的模拟数据叠加剖面(未含鬼波)

3 实际资料处理

前人研究表明，研究区同挪威的伏令盆地、莫尔盆地和法罗斯盆地为共轭盆地，主要发育中、新生界[15]。盆地构造演化分析表明，研究区中生代为内陆裂谷盆地，新生代发展为被动大陆边缘盆地，沉积环境也由中生代的陆相—局限海相—海陆过渡相向新生代的开阔海相转变[15]。由于处于油气远景评价阶段，重点是分析凸起、凹陷分布及其地层结构，特别是中生界侏罗系为主力烃源岩，是油气勘探远景的评价的重要参考指标，搞清其分布尤为重要。

受两期玄武岩分布和深水崎岖海底的双重复杂地震地质条件影响，中深层地层的波阻抗差小、地震信号弱的背景下，常规地震资料很难获得较好的中深层地震成像，导致中生界白垩系、侏罗系、三叠系成套波组淹没在噪声之中，严重影响了地层界面识别和追踪(图5a)。

声波波动方程数值模拟表明，低频信号有利于穿透玄武岩，进而提升下伏地层成像质量。如何在噪声、多次波夹杂的背景下做好中深层低频信号保护和挖潜的宽频地震资料处理，是提升火山岩下成像质量、进而搞清中生界各地层反射界面、波组特征及其分布规律的基础。

针对研究区特殊的地质背景，地震采集时使用了大容量震源+变深度缆的宽频采集(气枪容量为6280in3，是常规气枪的132%)；同时采用截止频率更低的前置滤波器保护低频信息(低截止频率2Hz@6dB，常规为3Hz@6dB)。

目前，针对海洋变深度缆宽频地震资料处理的研究较多[16-23]，选择一套合理的处理流程进行大容量震源背景下变深度缆的宽频处理尤为重要。首先，基于改进型多次波模型预测法+多域变换剩余绕射多次波压制法+AVO近道多次波压制法的组合应用，水层多次波得到有效衰减。其次，对于海上二维地震资料，鬼波压制是低频信号恢复的关键，选用基于波场分离的鬼波压制方法，即从数据本身出发，利用有效信号与鬼波在不同域的差异，通过走时估算子波变化，在给定时窗内完成滤波；其最大的优点是考虑子波时空变特性，数据整体鬼波压制效果突出[24-27]。

图5a为以前处理的地震叠后偏移剖面，图5b为新处理的鬼波压制后的地震剖面。新资料在隆起区中深层低频信号得以恢复，中生界反射波组关系更清楚，且具有上、下明显的能量差别，即强振幅、低频、中连续一套波组(图中椭圆所示)被另一套弱振幅、中—高频、低连续的波组覆盖，有利于地震界面的识别和划分。在老资料上难以识别火山侵入岩位置和规模，在新资料上变得清楚。

凹陷区新老资料对比表明，图5a中的老资料中深层反射特征复杂，多解性强，椭圆虚线圈中的深层强反射怀疑是绕射，地层产状也不太合理。图5b展示的新资料中深地层波组清楚，层次感强，易于地震资料解释。

图5c为图5b的解释后的剖面，在剖面右侧凹陷区内部的侏罗系表现为一套中强振幅、低频、中连续波组，为陆相的三角洲—湖相沉积，可见前积反射特征，与上覆地层呈角度不整合关系，这与前人的研究结果不谋而合[15]。

图5 研究区老资料(a)、新资料(b)及其解释(c)剖面对比新、老资料两条测线相距4.5km

对比老资料和新资料的频谱(图6)可以看出，老资料0～10Hz信号衰减严重，振幅低于-10dB，频带为8～115Hz(以-20dB为参照)，主频为53Hz；新资料处理结果在2～10Hz频段信息丰富，振幅大于-10dB，频带为2～115Hz(-20dB)，主频为56.5Hz。频谱分析表明，无论是低频端、频宽还是主频，新资料都具优势，这也体现在中深层成像上。由于处理过程中考虑到了噪声背景下的优化鬼波压制，因此在新资料中深层成像上有效信号、波组层次及其接触关系更清晰。

图6 中深层老资料(a)和新资料(b)频谱对比

由于中深层中生界的地震成像得到明显改善，改变了前人对该区侏罗系烃源岩薄而分布不清的认识，认为凹陷中侏罗系烃源岩双程时间厚度超过1.5s，极大提高了对该区的油气勘探远景评价，为下一步勘探提供了依据(图5c)。

4 结论及讨论

(1)基于声波波动方程数值模拟结果表明，北极格陵兰岛东南部JMY地区的低频信号对玄武岩层屏蔽层的穿透能力较强，且有较强的抗吸收和散射能力，是提高中深层成像的有效信号。

(2)实际资料处理结果表明，基于波场分离鬼波压制技术为核心的宽频处理技术有利于中深层低频信号的恢复，对研究区提高玄武岩下地层成像效果明显。

(3)中深层中生界的地震成像得到明显改善后，改变了前人对该区侏罗纪烃源岩薄而分布不清的认识，认为凹陷中侏罗系烃源岩双程时间厚度超过1.5s，极大地提升了该区油气勘探潜力，为进一步勘探提供了依据。

本文得到了中海油研究总院张树林首席、姜慧超高级工程师的指导，得到了中海油服物探事业部特普公司但志伟总工程师、孙雷鸣副总工程师、薛涛工程师、张健男工程师及项目组其他同事的支持和帮助，在此一并表示感谢！