汪俊，徐子英，任衛(wèi)波

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州 510760；2.自然資源部 海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510760；3.廣東地下管網(wǎng)工程勘測(cè)公司，廣東 廣州 510075)

0 引言

地震剖面解釋多基于時(shí)間域剖面，而最終成果(如沉積厚度圖、地層結(jié)構(gòu)圖和地質(zhì)剖面圖等)須以深度域數(shù)據(jù)展示，其間涉及地震資料的時(shí)深轉(zhuǎn)換。速度數(shù)據(jù)主要來(lái)源包括：鉆孔速度資料和地震速度譜分析獲取的速度資料。

鉆孔經(jīng)濟(jì)成本高昂，即使在勘探程度高的含油氣盆地亦分布稀少，不足以精細(xì)描述勘探區(qū)三維空間內(nèi)的速度分布規(guī)律；聯(lián)合鉆孔速度和地震速度數(shù)據(jù)獲取勘探區(qū)較高精度的速度資料成為油氣勘探的常見(jiàn)方法[1-10]。海洋區(qū)域地震勘探覆蓋范圍廣，在無(wú)鉆井速度資料可用的情況下，利用地震速度資料開(kāi)展時(shí)深轉(zhuǎn)換工作成為唯一選擇。

由速度譜分析方法獲取的速度資料優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)并存，其缺點(diǎn)是分辨率相對(duì)較低，可靠性相對(duì)較差，尤其是在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域[2,8-9]和海盆深水區(qū)域[11]，其優(yōu)點(diǎn)是可以沿地震剖面密集地獲取速度資料，藉此不僅可以了解速度的縱向變化規(guī)律，還能分析速度的橫向分布特征。

與小區(qū)域高調(diào)查程度的油氣勘探不同，海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查一般無(wú)鉆井速度資料，二維地震測(cè)線網(wǎng)度相對(duì)稀疏(如1∶100萬(wàn)比例尺的測(cè)線網(wǎng)度為20 km×40 km)，勘探面積較大，無(wú)法像油田三維地震勘探一般形成高精度的地震速度體[2-10,12]。因此，海洋區(qū)域地震勘探時(shí)深轉(zhuǎn)換工作一般利用沿地震剖面獲取的速度譜資料，擬合一個(gè)適用于整條剖面甚至全區(qū)的折中時(shí)深轉(zhuǎn)換公式[13]，或者計(jì)算各個(gè)層位的地層速度，逐層進(jìn)行時(shí)深轉(zhuǎn)換[14]，即“常速度剝層法”。此兩種方法忽略了地層厚度變化以及巖性異常等地質(zhì)因素引起的速度橫向變化[15-17]。為考慮地層速度橫向變化，此前筆者基于沉積層“速度—深度”線性模型建立了針對(duì)深海盆沉積的時(shí)深轉(zhuǎn)換方案[18]，但該方案在理論上僅考慮沉積地層的壓實(shí)作用，僅適用于沉積環(huán)境穩(wěn)定、地層厚度較薄的區(qū)域。當(dāng)“速度—深度”線性模型無(wú)法滿足精細(xì)時(shí)深工作需求時(shí)，不得不尋求更加合適的時(shí)深轉(zhuǎn)換方案。

1 “時(shí)間—層速度”擬合公式選擇

當(dāng)沉積地層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，速度隨深度的增長(zhǎng)率減小(圖1a)，若轉(zhuǎn)換成速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，即在試驗(yàn)地震剖面 “時(shí)間—層速度”散點(diǎn)圖(圖1b)中，雙程走時(shí)0～3 s范圍內(nèi)層速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)亦符合指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，雙程走時(shí)超過(guò)3 s以后，層速度增長(zhǎng)率銳減。因此筆者考察了指數(shù)公式(式1)、冪函數(shù)(式2)和二次多項(xiàng)式(式3)3種擬合公式的數(shù)學(xué)性質(zhì)[19-20](圖2)。

V(t)=v0etβv0,

(1)

V(t)=atb+v0,

(2)

V(t)=at2+bt+v0。

(3)

式中：V是層速度；v0是初始速度；t是雙程走時(shí)；β是“速度—深度”線性模型中的速度增長(zhǎng)系數(shù)；a和b是冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式的兩個(gè)擬合參數(shù)。

指數(shù)公式(式1)是基于沉積層“速度—深度”線性模型[11,18]，該模型表明沉積地層的層速度隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)(圖2a)，顯然無(wú)法適應(yīng)試驗(yàn)地震剖面“時(shí)間—層速度”散點(diǎn)圖(圖1a)中顯示的隨時(shí)間增長(zhǎng)，層速度增長(zhǎng)率衰減的情形。

在冪函數(shù)(式2)中，當(dāng)擬合參數(shù)01時(shí)，該函數(shù)可適應(yīng)“時(shí)間—層速度”的指數(shù)增長(zhǎng)情形(圖2a)；當(dāng)擬合參數(shù)a>1，且0

在二次多項(xiàng)式(式3)中，當(dāng)擬合參數(shù)a>0，且b>0時(shí)，該函數(shù)可適應(yīng)“時(shí)間—層速度”的指數(shù)增長(zhǎng)情形(圖2c)；當(dāng)擬合參數(shù)a<0，且b>0時(shí)，該函數(shù)可適應(yīng)“時(shí)間—層速度” 關(guān)系中層速度增長(zhǎng)率衰減的情形(圖2d)。不過(guò)應(yīng)注意，在第一種情形中，當(dāng)t>b/(2a)時(shí)，速度會(huì)隨時(shí)間減小，即出現(xiàn)所謂的“速度反轉(zhuǎn)”，顯然不符合沉積地層速度的變化規(guī)律。

將3種公式應(yīng)用于試驗(yàn)地震剖面上各種沉積類型的“時(shí)間—層速度” 關(guān)系擬合中，以檢驗(yàn)其適用性，并對(duì)比各擬合公式的適用程度(圖3)。CDP8421、CDP11781和CDP15781位置的“時(shí)間—層速度”剖面代表巨厚沉積區(qū)地層厚度變化的情形，CDP21381、CDP25221和CDP32261則代表沉積凹陷邊緣隆起和局部凹陷地層厚度變化的情形。在評(píng)估擬合結(jié)果時(shí)引入“擬合優(yōu)度”的概念[19]，即相關(guān)系數(shù)的平方(式4)，擬合優(yōu)度大于0且小于1，越接近1表示擬合程度越高：

(4)

圖1 試驗(yàn)地震剖面“深度—層速度”(a)和“時(shí)間—層速度”(b)散點(diǎn)圖

對(duì)比結(jié)果(圖3)表明，在巨厚沉積區(qū)(CDP8421、CDP11781和CDP15781)，指數(shù)公式的擬合優(yōu)度(<0.85)明顯劣于冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式(>0.94)，冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式的擬合優(yōu)度相近，二次多項(xiàng)式擬合程度略優(yōu)于冪函數(shù)；在沉積凹陷邊緣隆起和局部凹陷區(qū)域(CDP21381、CDP25221和CDP32261)，冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式的擬合優(yōu)度相近，大都在0.9以上，指數(shù)公式、和冪函數(shù)擬合優(yōu)度逐次增大。

由此可見(jiàn)，二次多項(xiàng)式在巨厚沉積區(qū)的“時(shí)間—層速度”關(guān)系擬合中的適用度最高，冪函數(shù)在試驗(yàn)地震剖面其它區(qū)域“時(shí)間—層速度”關(guān)系擬合中表現(xiàn)最好，而指數(shù)公式在試驗(yàn)地震剖面任何區(qū)域“時(shí)間—層速度”關(guān)系擬合中表現(xiàn)最差。

因此，筆者嘗試根據(jù)擬合優(yōu)度大小，在試驗(yàn)地震剖面不同區(qū)域分別應(yīng)用不同的擬合公式，以尋求整體擬合程度最優(yōu)的時(shí)深轉(zhuǎn)換方案。

2 多公式擬合時(shí)深轉(zhuǎn)換方案的應(yīng)用

試驗(yàn)地震剖面位于南海北部陸緣某海域，涵蓋了盆地巨厚沉積區(qū)(沉積地層厚度對(duì)應(yīng)的雙程走時(shí)普遍在3 s以上，最厚處達(dá)6 s以上)和沉積環(huán)境變化較大的陸—洋轉(zhuǎn)換區(qū)域(圖3)，沉積環(huán)境的變化較為復(fù)雜，是驗(yàn)證多公式擬合時(shí)深轉(zhuǎn)換方案有效性的理想?yún)^(qū)域。

2.1 均方根速度拾取與層速度計(jì)算

沿試驗(yàn)地震剖面拾取均方根速度的譜點(diǎn)間距為1 km，最終拾取共計(jì)173個(gè)均方根速度譜點(diǎn)(圖4)。應(yīng)用DIX公式[21](式5)，將每個(gè)譜點(diǎn)的均方根速度換算成層速度。

(5)

式中，Vr,i為底界均方根速度；Vr,i-1為頂界均方根速度；t0,i為底界反射時(shí)間；t0,i-1為頂界反射時(shí)間。

圖4 沿地震剖面的層速度及擬合參數(shù)分布

2.2 多公式擬合方案的確定

對(duì)173個(gè)“時(shí)間—層速度”剖面分別用指數(shù)公式、冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，以擬合優(yōu)度為依據(jù)在試驗(yàn)地震剖面不同區(qū)域分別應(yīng)用不同的擬合公式，以尋求整體擬合程度最優(yōu)的時(shí)深轉(zhuǎn)換方案。

擬合結(jié)果表明(圖4)，在試驗(yàn)地震剖面的厚沉積區(qū)(CDP6501～21060)，二次多項(xiàng)擬合優(yōu)度與冪函數(shù)擬合優(yōu)度均在0.9以上，明顯優(yōu)于指數(shù)公式擬合優(yōu)度(多在0.7～0.9之間)，而二次多項(xiàng)擬合優(yōu)度略優(yōu)于冪函數(shù)擬合優(yōu)度，因此該區(qū)段的“時(shí)間—層速度”關(guān)系采用二次多項(xiàng)擬合方案；在試驗(yàn)地震剖面的沉積凹陷邊緣隆起區(qū)及陸坡—深海盆轉(zhuǎn)換區(qū)(CDP21061～30661)，二次多項(xiàng)擬合優(yōu)度與冪函數(shù)擬合優(yōu)度相當(dāng)(在0.8～0.9之間)，明顯優(yōu)于指數(shù)公式擬合優(yōu)度(大多在0.6～0.8之間)，而冪函數(shù)擬合優(yōu)度略優(yōu)于二次多項(xiàng)擬合優(yōu)度；在深海盆區(qū)(CDP30661～34000)，式3中的擬合優(yōu)度差別不大，擬合優(yōu)度在0.65～0.9之間，而冪函數(shù)擬合優(yōu)度相對(duì)最優(yōu)。因此，后兩段區(qū)域(CDP21061～34000)的“時(shí)間—層速度”關(guān)系采用冪函數(shù)擬合方案。

另外，將擬合優(yōu)度明顯低于相鄰區(qū)域的CDP點(diǎn)位視為異?！皶r(shí)間—層速度”剖面，給予剔除(本次試驗(yàn)剔除了31個(gè)異?！皶r(shí)間—層速度”剖面)，采用相鄰區(qū)域擬合曲線的折中曲線(技術(shù)上采用擬合參數(shù)線性插值)，以保證速度場(chǎng)平緩連續(xù)變化(圖4)。

2.3 時(shí)深轉(zhuǎn)換

Z(t)=a/(b+1)t(b+1)+v0t,

(6)

Z(t)=(a/3)t3+ (b/2)t2+v0t。

(7)

式中，Z是深度(從海底起算)；v0是初始速度；t是時(shí)間；a和b是冪函數(shù)和二次多項(xiàng)式的兩個(gè)擬合參數(shù)。

經(jīng)計(jì)算得出的深度域地震解釋資料(圖5)顯示，各地層界面基本保持了時(shí)間域剖面的形態(tài)。因速度隨時(shí)間增長(zhǎng)，沉積厚度隨時(shí)間加速增厚，厚沉積區(qū)的沉積厚度在3～15 km之間，相比剖面其余區(qū)域幾百米至3 km的沉積厚度，橫向差異比時(shí)間域剖面更顯著。

圖5 地震解釋資料的深度域剖面

3 討論

引入擬合優(yōu)度概念，在地震剖面不同區(qū)段采用相對(duì)適用的“時(shí)間—層速度”擬合公式，即“多公式擬合方案”。該方案是針對(duì)復(fù)雜沉積區(qū)地層時(shí)深轉(zhuǎn)換工作的一種嘗試，其優(yōu)點(diǎn)是兼顧了沉積地層速度的橫向變化和地層壓實(shí)作用之外的影響。

考慮到海洋區(qū)域地震勘探覆蓋范圍廣，涉及構(gòu)造環(huán)境更為特殊的區(qū)域[1-2,6-7,10,16,22]，如：陸坡崎嶇海底區(qū)[22]、復(fù)雜斷塊構(gòu)造區(qū)[1-2]和速度反轉(zhuǎn)區(qū)[10]。對(duì)于特殊構(gòu)造區(qū)的時(shí)深轉(zhuǎn)換工作，采用筆者的方案會(huì)造成較大誤差，還需采用針對(duì)性的方法，如在速度體建模時(shí)加入斷層格架及層位等地質(zhì)模型的約束[2,4,15]。

歸根結(jié)底，時(shí)深轉(zhuǎn)換工作最本質(zhì)的部分是可靠速度模型的建立，從人工地震資料處理原理出發(fā)，從根本上改進(jìn)速度模型的可靠性是最核心的也是難度最大的研究方向。由疊前深度偏移處理方法獲取的速度模型目前被認(rèn)為最可靠，不過(guò)其處理效率低成本高，并非性價(jià)比最高的手段。由疊前時(shí)間偏移等性價(jià)比較高的手段獲取的速度資料出發(fā)，通過(guò)公式擬合、地質(zhì)模型約束等手段提高速度模型可靠性是一個(gè)務(wù)實(shí)的研究方向。

4 結(jié)論

引入擬合優(yōu)度概念，在地震剖面不同區(qū)段采用相對(duì)適用的“時(shí)間—層速度”擬合公式，建立了沉積地層時(shí)深轉(zhuǎn)換工作的多公式擬合方案，結(jié)論如下：

1)相比基于“速度—深度”線性模型的指數(shù)公式，沉積地層多公式擬合方案適用范圍更廣，可應(yīng)對(duì)不同構(gòu)造環(huán)境沉積地層時(shí)深轉(zhuǎn)換工作；

2)“多公式擬合方案”實(shí)踐表明，在厚沉積區(qū)，二次多項(xiàng)次擬合的適用性最佳，在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)冪函數(shù)擬合的適用性最好。