蘭曉雯

1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2）中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

地震屬性分析在高分辨率活斷層地震勘探中的應(yīng)用1

蘭曉雯1,2）

1）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京 100085

2）中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083

通過(guò)分析影響地震屬性的巖石物理特性及其在地震響應(yīng)上的特征，獲得地震波傳播過(guò)程中地震振幅、層速度與裂縫層密度、泊松比、縱橫波速度、孔隙度、壓力的關(guān)系。同時(shí)，結(jié)合地震屬性的分析技術(shù)，利用地震正演模擬的方法提高地震勘探數(shù)據(jù)解釋結(jié)果精確度和可信度，為高分辨率的活斷層地震勘探研究提供更為可靠的方法手段，提高了地震數(shù)據(jù)的處理解釋精度。

地震屬性 地震波傳播 正演模擬 活斷層

引言

高分辨率的地震勘探是未來(lái)活斷層探測(cè)的發(fā)展方向。由于裂縫的存在，造成了多種地震屬性的變化，測(cè)量這些地震屬性的變化可以檢測(cè)斷裂。隨著三維地震技術(shù)的發(fā)展，地震屬性技術(shù)在巖性和構(gòu)造解釋等方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。正演模擬可以幫助了解斷裂是如何影響反射振幅和頻率隨偏移距的變化。本文利用斷層附近已有的測(cè)井資料和鉆井資料，建立研究斷層的地質(zhì)綜合模型和巖石物理模型，通過(guò)斷裂地層的正演研究技術(shù)，研究斷裂造成的地震波場(chǎng)和振幅的變化特征。

正演模擬能夠直接提供斷裂模型的理論地震響應(yīng)特征，通過(guò)對(duì)理論地震響應(yīng)特征的分析，可以建立斷層地震響應(yīng)與裂縫性質(zhì)之間的關(guān)系，并把由此得到的結(jié)果直接應(yīng)用于地震資料的分析和解釋。通過(guò)對(duì)地層巖石物理參數(shù)的分析，同時(shí)利用地震波正演模擬方法獲得斷裂影響巖石物理屬性對(duì)地震響應(yīng)的影響，分析地震波傳播過(guò)程中地震振幅、層速度、走時(shí)差等屬性與裂縫層密度、泊松比、縱橫波速度、孔隙度之間的關(guān)系，從而提高地震勘探數(shù)據(jù)解釋結(jié)果精確度和可信度水平。

地層間的速度差異是形成地震剖面上反射震相的主要因素，根據(jù)活斷層勘探的鉆孔數(shù)據(jù)，城市隱伏活斷層一般為第四紀(jì)沉積，因?yàn)槌练e時(shí)間相對(duì)較短，是未經(jīng)膠結(jié)硬化的沉積物，沉積層土質(zhì)類(lèi)別主要包括有填土、砂土（礫石、粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂）、黏土、粉土等類(lèi)型，多為粘土、黏土、砂土的交互層，層與層之間的波阻抗差異小。其中填土、粘土等速度相對(duì)較低，而細(xì)砂、礫石等速度相對(duì)較高，同一巖性特征的地層隨著深度的增加速度增大。地震記錄中反射震相主要在粘土與礫石或細(xì)砂層的分界面上產(chǎn)生。由斷層因素引起地層屬性變化包括：地層裂縫引起的地層密度的變化、孔隙度的變化、泥質(zhì)含量變化，以及巖性的變化，同時(shí)斷裂也會(huì)造成破裂帶的各向異性。

1 影響地震屬性的主要巖石物理參數(shù)

地震波特性受到許多因素的復(fù)雜影響，諸如壓力、溫度、飽和度、流體類(lèi)型、孔隙度、孔隙度類(lèi)型等，這些因素常常是內(nèi)在關(guān)聯(lián)的，當(dāng)一個(gè)因素變化時(shí)，其它許多因素也同時(shí)發(fā)生變化。在將巖石物理信息應(yīng)用于地震解釋中時(shí)，必不可少的要進(jìn)行單一參數(shù)化影響的研究。

地震波速度和密度是地震勘探中的兩項(xiàng)基本參數(shù)。速度和密度的變化反映了地震勘探中反射振幅的大小和極性。通過(guò)速度的變化可以判別介質(zhì)屬性的差異。 Castagna等（1993）得到的不同巖性的密度與速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式為：

式中，ρ為巖石的密度；vP為巖石的縱波速度，對(duì)于不同的巖性其系數(shù)A和B有所不同。因此依據(jù)此關(guān)系式及其深度，可以利用速度和密度的關(guān)系近似判斷地層的巖性。

巖石的地震屬性受到礦物成分、孔隙度、孔隙形態(tài)、孔隙流體成分、膠結(jié)程度、分選程度、泥質(zhì)含量等影響，也與其所處環(huán)境的壓力、溫度、地質(zhì)年代等因素有關(guān)。通常巖石的骨架顆粒具有較低的可壓縮性，而孔隙流體具有較高的可壓縮性。影響巖石地震屬性的因素比較多，而很多因素又互相交織在一起，Wang（2001）總結(jié)了一些地震特性與巖石特性之間的定性關(guān)系，如表1所示。

表1 地震特性與巖石特性之間的關(guān)系Table 1 The relationship between seismic attributes and rock properties

縱橫波速比與泊松比之間的關(guān)系也對(duì)地層巖性的分析有很大幫助，對(duì)于斷裂帶來(lái)說(shuō)，引起其橫波速度的因素有：巖石的破碎；破裂帶巖性；泥質(zhì)含量。Castagna（2000）得出了不同巖石的縱橫波速度關(guān)系式：

對(duì)于不同的巖性，其系數(shù)A和B的取值不同。

對(duì)于不同的巖石，其泊松比分布范圍是不同的。圖1比較了不同巖性泊松比與縱橫波速度之間的地震參數(shù)的關(guān)系（Avserth等，2005）。從圖1可以看出，綜合泊松比v和縱波速度vP就能很好的將含水和含氣砂巖分開(kāi)，而單純使用縱波信息則不能很好地區(qū)分各種巖性，因此，在巖性分析中，綜合縱波和橫波信息比單純使用縱波信息更為有效。

圖1 不同巖石的縱波速度與泊松比Fig. 1 P-wave velocity and Poisson ratio of different rocks

同時(shí)，地層的速度變化還有以下規(guī)律：①速度的變化與深度呈函數(shù)關(guān)系，與固結(jié)良好的砂巖相比，未固結(jié)砂巖的速度隨深度變化要大；②隨著孔隙度或粘土含量百分比的增加，速度都將降低，孔隙度引起的速度降低大約是粘土含量引起的2.5倍；③隨著孔隙度或粘土含量百分?jǐn)?shù)的增加，泊松比也增加；④泊松比隨深度降低（Han等，2004）。

壓力對(duì)地震特征的影響主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面（Avserth等，2005）：①對(duì)巖石骨架的可恢復(fù)彈性影響；②由壓實(shí)和固結(jié)造成的孔隙度永久損失；③超高壓對(duì)成巖作用的阻礙；④由孔隙壓力引起的孔隙流體屬性變化。張永剛等（2008）應(yīng)用巖心樣品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用以下數(shù)學(xué)模型來(lái)描述速度與壓力間的關(guān)系：

式中，v0是參考點(diǎn)速度，一般取高壓點(diǎn)作為參考值，A和C為系數(shù)。

孔隙率變化也是影響地震屬性的重要因素，砂巖速度-孔隙度趨勢(shì)的斜率高度變化，并且在很大程度上依賴(lài)于控制孔隙度的地質(zhì)過(guò)程。速度-孔隙度-粘土含量的關(guān)系為：

式中，φ和C分別是以體積百分?jǐn)?shù)表示的孔隙度和黏土含量；vP和vS是縱波和橫波速度，單位km/s。

在活斷層地震勘探中，由于對(duì)地層動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試大多只進(jìn)行剪切波速和密度的測(cè)量，目前還沒(méi)有對(duì)第四紀(jì)層級(jí)地層各種特征地層的縱橫波速比與泊松比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。一般也沒(méi)有對(duì)地層的壓力、孔隙率進(jìn)行測(cè)試的數(shù)據(jù)，因此只能參考地層的密度和層厚度來(lái)近似判斷，以區(qū)分不同巖性在相同壓力下的不同變化特征，或者采用以往數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。第四紀(jì)沉積層土層孔隙率及孔隙比包括，砂土：25%—60%，0.30—0.90；粉土：30%—60%，0.40—1.20；粉質(zhì)粘土30%—60%，0.40—1.20；黏土：30%—60%，0.40—1.20。從實(shí)際工程應(yīng)用來(lái)看，可以依據(jù)斷裂造成的孔隙度、地層剪切波速、密度等地震屬性參數(shù)的變化進(jìn)行綜合分析。

2 地震屬性數(shù)值分析方法

根據(jù)巖石物理實(shí)驗(yàn)得到的壓力、溫度、飽和度、流體類(lèi)型、孔隙度、孔隙度類(lèi)型對(duì)地震屬性地層的密度和速度的影響規(guī)律，不同巖性地層的泊松比、縱橫波速度比等特征有所不同。但是通過(guò)巖石物理的方法在實(shí)驗(yàn)室獲得的數(shù)據(jù)，尺度問(wèn)題是將巖石物理方法推廣到實(shí)際應(yīng)用中所面臨的一大挑戰(zhàn)，因此利用實(shí)際樣品在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的數(shù)學(xué)關(guān)系存在著推廣難、物理成因解釋難的問(wèn)題。然而利用理論模型與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系有機(jī)地結(jié)合，是一種比較理想的方法。

地層的巖石物理參數(shù)變化表現(xiàn)在地震響應(yīng)上，主要是反射時(shí)間的變化和振幅強(qiáng)度的變化。為建立巖石物理參數(shù)與地震振幅之間的關(guān)系，利用巖石物理與地震響應(yīng)的理論模型進(jìn)行分析。通過(guò)分析影響地震屬性的巖石物理特性及其在地震響應(yīng)上的規(guī)律，利用正演模擬方法建立地震屬性與地震響應(yīng)之間的聯(lián)系，將理論數(shù)據(jù)與實(shí)際勘探數(shù)據(jù)之間進(jìn)行對(duì)比分析，從而把地震屬性分析的方法應(yīng)用于地震解釋當(dāng)中，最終獲得較為精確的解釋結(jié)果。

圖2所示模型為地震勘探坐標(biāo)系下P波下行入射到水平彈性界面的散射情況。當(dāng)水平界面為X軸時(shí)，P波從介質(zhì)1入射到水平界面時(shí)的次生波與入射波能量關(guān)系遵循Zoeppritz方程。Zoeppritz方程從運(yùn)動(dòng)方程和虎克定律出發(fā)，推導(dǎo)各向同性介質(zhì)（在給定點(diǎn)的空間任何方向，彈性特性恒定）中的彈性波方程。然后，利用連續(xù)方程（界面上的垂直和切向應(yīng)力及應(yīng)力分量相同）、平面波的解和斯奈爾定律（傳播角度和波速的關(guān)系）得到的方程計(jì)算反射 P波和S波及透射P波和S波的振幅。地震波的透射和反射滿(mǎn)足斯奈爾（Snell）定理。

圖2 地震波在底層界面上的反射和透射模型Fig. 2 The reflection and transmission model of seismic waves on the bottom interface

按照上述模型得到的Zoeppritz方程的具體表達(dá)式為（趙邦六，2007）：

式中，V1P和V2P，V1S和V2S分別為介質(zhì)模型的上覆地層1和下伏地層2的縱橫波速度；ρ1和ρ2分別為介質(zhì)模型的上覆地層1和下伏地層2的密度；α1，α2，β1和β2分別為反射P-P波，反射P-SV波，透射P-P波和透射P-SV波與法線(xiàn)的夾角；R1P1P，R1P1S，T1P2P和T1P2S分別是P-P波反射系數(shù)，P-SV波反射系數(shù)，P-P波透射系數(shù)和P-SV波透射系數(shù)。

由于此方程復(fù)雜，不能滿(mǎn)足實(shí)際工作中的計(jì)算要求，因此眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)化（Aki等1980；Shuey，1985；鄭曉東，1991；楊紹國(guó)等，1994；Hilterman，1999）。

在上下層彈性參數(shù)變化不大，入射角小于 30°的前提下，各種公式均能滿(mǎn)足實(shí)際要求。而對(duì)于第四紀(jì)地層的勘探，上下層界面屬性差異不大，勘探剖面深度較淺，地震勘探時(shí)炮檢距不大，地震入射角一般均小于30°，因此，本文用Aki等（1980）給出的地震反射振幅與炮檢距的關(guān)系方程可以滿(mǎn)足需求。

該方程可以很好地滿(mǎn)足活斷層勘探中上下層彈性參數(shù)變化不大的地層。據(jù)此對(duì)地層屬性分析建立的地質(zhì)模型進(jìn)行地震屬性變化的正演模擬，能夠更清晰地分辨屬性差異，從而利用正演模擬并輔助地震數(shù)據(jù)的解釋將更為準(zhǔn)確，為高分辨率的活斷層地震勘探研究提供更為可靠的方法手段，提高地震數(shù)據(jù)的處理解釋精度。

3 屬性參數(shù)變化地震響應(yīng)分析與實(shí)例

通過(guò)以上分析可知，與地震響應(yīng)密切相關(guān)的地層巖石物理屬性參數(shù)包括：地層密度、縱橫波速度，孔隙度、泊松比、縱橫波速度。利用巖石物理特征的分析和統(tǒng)計(jì)得到的地震屬性參數(shù)與地震響應(yīng)之間的定量關(guān)系，同時(shí)應(yīng)用地震正演模擬的方法，將數(shù)據(jù)的走時(shí)、振幅信息進(jìn)行AVO（Amplitude Versus Offset）分析，對(duì)地震剖面細(xì)部特征進(jìn)行分析處理，從而可確定地層結(jié)構(gòu)特征。

為了研究斷層屬性及深度變化對(duì)地震響應(yīng)的影響，這里給出一個(gè)簡(jiǎn)單楔形薄層活斷層模型（圖3），模型中最上面一層為上地層，中間楔形地層為地層之間的裂縫地層，最下一層為下地層。為說(shuō)明斷層深度和厚度對(duì)不同地震屬性的地質(zhì)模型在地震響應(yīng)上的變化，通過(guò)理論公式建立地震屬性參數(shù)與地震響應(yīng)之間的聯(lián)系，從而獲得其影響規(guī)律。表2為斷層模型屬性表，由活斷層勘探獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立，為了研究不同的地層屬性特征，分別給出了不同的斷層模型屬性進(jìn)行正演模擬。其中，屬性1為高阻抗的地震屬性特征；屬性2為零阻抗的地震屬性特征；屬性3為低阻抗的地震屬性特征；底部為下地層。模擬中采用主頻為50Hz的雷克子波進(jìn)行正演模擬。圖4為模擬結(jié)果。

圖3 地質(zhì)模型示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the geological model

表2 地質(zhì)模型屬性表Table 2 Seismic attribute sheet of the geological model

由圖4可見(jiàn)，對(duì)于不同深度的斷層，其振幅特性表現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律，即使地層的巖性相同，由于地層厚度的變化，也會(huì)引起振幅特征的差異。另外，通過(guò)對(duì)不同的地層屬性參數(shù)的變化規(guī)律可以看出，模型Ⅰ中斷層屬性為高阻抗的地層，其振幅隨偏移距變化特征為：零偏移距振幅強(qiáng)且為正極性，隨著偏移距的增大，振幅呈減少趨勢(shì)，當(dāng)入射角足夠大時(shí)會(huì)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)；模型Ⅱ?yàn)榻阕杩共畹臄鄬咏橘|(zhì)，其振幅特征為：零偏移距振幅趨近于零，表現(xiàn)為弱振幅，隨著偏移距的增大振幅逐漸增強(qiáng)；模型Ⅲ為低波阻抗的斷層介質(zhì)，其振幅特征為：零偏移距振幅較強(qiáng)，呈現(xiàn)負(fù)極性，振幅隨著偏移距的增大，振幅而逐漸增強(qiáng)，具有典型的負(fù)截距、負(fù)梯度振幅異常。

根據(jù)對(duì)南口孫河地震勘探數(shù)據(jù)的分析和處理，對(duì)其進(jìn)行了精確的剖面解釋。圖5為精確解釋后建立的地質(zhì)模型模擬的單炮記錄與實(shí)際單炮記錄的對(duì)比。模擬剖面分為網(wǎng)格 2m，時(shí)間采樣間隔0.25ms，道間距2m，子波頻率30Hz。

圖4 斷層界面厚度對(duì)地震振幅特征的影響Fig. 4 The influence of fault thickness on seismic attributes

圖5 模擬記錄與實(shí)際地震記錄的對(duì)比Fig. 5 Comparison of the seismic modeling profile (a) to the real seismic record data (b)

通過(guò)圖5模擬記錄與實(shí)際記錄的對(duì)比可以看出，模擬結(jié)果清晰地表現(xiàn)出了實(shí)際地震記錄中的幾條主要反射震相，其時(shí)間也基本一致，同時(shí)斷層導(dǎo)致的繞射和同相軸的缺失以及能量的衰減均清晰反映。

綜上所述，通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)際記錄的對(duì)比，并應(yīng)用前文分析的方法和結(jié)論，可以量化斷層的各項(xiàng)屬性參數(shù)，得到一個(gè)較為精確的地震剖面解釋結(jié)果。同時(shí)，利用地層地震屬性參數(shù)影響速度變化規(guī)律的特征分析結(jié)果，加以正演模擬分析，可以更為準(zhǔn)確的對(duì)地震勘探數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析解釋。

4 問(wèn)題與建議

在淺層活斷層探測(cè)中，由于第四紀(jì)地層沉積層的巖土物理特性數(shù)據(jù)相對(duì)比較少，因此在利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行屬性差異特征分析確定巖性方面，其適用性還有待進(jìn)一步研究。建議對(duì)活斷層地層屬性特征進(jìn)行深入廣泛的分析研究，并對(duì)大量的第四紀(jì)沉積地層的分層界面巖石特征進(jìn)行總結(jié)分類(lèi)。

在活斷層地震勘探中，由于地層的壓力、孔隙度數(shù)據(jù)缺乏，在實(shí)際勘探解釋時(shí)可應(yīng)用性不強(qiáng)。而泊松比信息則可以利用經(jīng)驗(yàn)公式并參考縱橫波速度等信息進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，可以加以利用。

由于裂縫和斷層面會(huì)造成地震波傳播的各向異性和散射特征，因此，通過(guò)各向異性介質(zhì)波場(chǎng)模擬分析裂隙對(duì)地震響應(yīng)的影響，也能夠更為明確地得出斷裂因素對(duì)地震響應(yīng)的變化情況，在未來(lái)的研究中可加強(qiáng)這方面的分析和應(yīng)用。

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Application of Seismic Attribution Analysis in the Shallow Seismic Prospecting Methods to Active Fault Detection

Lan Xiaowen1,2)
1) Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China
2) School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China

Based on the relationship between physical properties of rocks and seismic attributes, this paper analyzes the influential factors on the seismic amplitude and the wave velocity, which include density, Poission’s ratio, P-wave velocity, S-wave velocity, porosity and pressure. By using seismic modeling method, seismic responding feature of the geological model were obtained. This technique can improve the accuracy and reliability of high-resolution seismic data interpretation, which is helpful for the high-resolution seismic data interpretation of active faults.

Seismic attribute; Seismic wave propagation; Seismic modeling; Active fault

蘭曉雯，2010. 地震屬性分析在高分辨率活斷層地震勘探中的應(yīng)用. 震災(zāi)防御技術(shù)，5（4）：484—492.

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所基本科研業(yè)務(wù)專(zhuān)項(xiàng)（No. ZDJ2010-2 and ZDJ2009-14）

2010-07-23

蘭曉雯，女，生于1978。在讀博士，助理研究員。主要研究領(lǐng)域：地震波場(chǎng)正演模擬、地震勘探數(shù)據(jù)處理、地震工程。E-mail: lan_xiaowen@sina.com