油气勘探阶段的区域性构造研究对于盆地演化分析、层位划分、有利油气圈闭分析等具有重要意义^[1]。断裂是控制油气分布和聚集的重要因素, 决定着构造的规模和圈闭的形成, 是整个构造解释的关键, 其解释的合理性直接影响构造解释的精度^[2-3]。目前, 常用的断裂刻画技术方法主要有相干^[4]、边缘检测^[5]、地震曲率属性^[6]、优势频带相位分析^[7]、多属性融合^[8-9]、蚂蚁体追踪^[10-11]等。边缘检测技术对于识别地震剖面上引起同向轴微小错断或者扭曲的小断层更具指导意义^[5]; 地震曲率属性、优势频带相位分析适合于油田开发阶段微小断裂的识别和储层物性的分析^[12-13]; 多属性融合能够降低单一属性的多解性, 提高了对小断层的识别能力, 对储层预测更加准确^[14-15]; 蚂蚁体主要用于识别微小断层, 在研究裂缝空间分布规律方面具有显著优势, 但对大断层的识别能力不佳而且连续性差^{[5, 14]}。上述技术主要侧重于识别微小断裂, 但是在复杂断裂发育区, 尤其是走滑断裂带内, 无法准确判别断裂平面的连接关系, 不适用于区域性构造解释。在区域性构造研究中, 对断距小于地震分辨率或者地震响应只有同相轴扭曲或振幅微小变化的断层并不进行解释, 而相干技术可以有效识别断点清晰、规模较大的断层, 能够清晰地呈现出断层发育带的分布规律和延展形态^[5]。三维地震资料常规断裂解释方法主要通过解释一系列的剖面并结合水平切片来实现, 其实是一种三维地震资料的二维解释^[16], 解释效率较低, 准确度差, 且相干切片不能准确判定断层之间的连接关系。

本文针对长昌凹陷复杂且密集断裂解释困难、平面组合关系难以确定的问题, 开展了三维地震资料区域构造解释方法的研究。基于相干技术, 综合运用时间相干切片平面-剖面联合解释断层、沿层相干切片指导平面断层组合、断距定量分析验证重点断层之间的连接关系和三维可视化技术验证断层的空间组合4种技术手段的优势进行精细断裂解释, 提高了复杂密集断裂解释的效率和准确性。

相干技术主要采用对比相邻地震道间的振幅、相位、倾角等的相似性, 进行横向非均匀性预测。地层、岩性发生突变以及火山、断层等发育部位横向连续性差, 地震信号相似性差, 具有较低的相干值; 横向变化不明显、连续性好的地层或地质体, 地震信号相似性好, 往往对应较高的相干值。相干技术能够精细刻画地质异常体的边界, 已被广泛应用于构造识别、沉积相解释等油气勘探活动中^[17]。常规的三维地震资料解释中, 时间相干切片仅仅起到指示、引导的作用, 并没有直接参与到剖面的解释, 降低了时间切片的应用价值。

时间相干切片平面-剖面联合解释断层的指导思想是将时间相干切片的平面断层解释结果直接刻画到剖面中, 指导剖面断层解释, 实现时间相干切片和剖面一体化空间解释。对三维研究区提取相干体并做时间切片, 在目的层时窗内进行切片扫描, 选取断裂平面显示清晰的切片进行平面断裂解释。不同断层分别用不同颜色和不同名称进行定义, 在过断层的所有剖面上都会出现相应的投影点, 可以清晰区分每条断层的具体位置, 进而准确快速地解释剖面。这种解释方法能够避免人为意识对断层走向的干扰, 客观反映断层的延展规律, 解决了相邻剖面多条相似断层在解释中难以区分的难题, 极大地提高了断层解释的准确性。

同一时期的地层经过长期的热沉降、差异压实及各种地质作用等, 会发生弯曲, 形成厚度差异, 时间相干切片不能反映某一特定时期的地层分布, 也不能完全反映某一层位的断裂发育情况, 即时间切片存在“穿时”现象。利用时间相干切片平面-剖面联合一体化精细解释断层, 完成层位解释的情况下, 提取目的层顶界面反射层的沿层相干切片, 这样能够客观地反映目的层断裂平面分布特征, 还可以有效规避晚期微小断裂和基底构造的干扰, 有效指导断层的平面组合。

两条同向倾斜断层相交, 会出现断距的直接传递、转换现象^[18], 导致断层连接处断距、断面发生急剧变化^[19-20], 这是判断是否存在连接断层的重要标志。如图 1a所示, 同向倾斜的断层F1相交于断层F2上盘, 则F2的上盘会在F1上盘的驱动力下再次下降, 两者耦合导致断层相交处出现断距、断面的突然加大现象; 反之, 断层F1相交于断层F2下盘, 则会出现断距、断面减小现象(图 1b)。相互无连接的同向倾斜断层的断距会有规律的增大、减小或者先增大后减小(图 2)。本文利用同向倾斜相交断层断距发生急剧变化这一重要标志验证重点断层之间平面连接关系, 确保断层组合的正确性。

图 1(Fig. 1)

图 1 同向倾斜的相交正断层断距在平面和剖面上的变化示意 a F1断层交于F2断层上盘; b F1断层交于F2断层下盘

图 2(Fig. 2)

图 2 同向倾斜的正断层连接关系的三维几何模型[18]

三维可视化技术的基本原理是通过对地震信号显示范围的调整和立体显示, 对三维空间中的异常体和地质构造作直观分析^[16]。该技术可以整体把握研究区的地质规律, 运用“透视”手段深入地层内部全面、立体地刻画地质体和构造。通过对偏移数据体作“椅状切割”可以全方位的检验已解释断层的发育情况、断切层位是否与实际地质情况相符合、各断层的组合关系是否合理、空间是否闭合, 进而验证断层解释方案的正确性。

长昌凹陷位于南海北部琼东南盆地中央坳陷带东端的深水区, 北与神狐隆起和顺德凹陷相邻, 南邻南部隆起, 西与宝岛凹陷相邻(图 3)。长昌凹陷总体呈近东西向展布, 面积约11 000 km², 整体水深在1 000~3 000 m^[21-22], 受区域性张扭应力的控制, 断裂发育复杂密集, 剖面上表现为断阶式、包心菜式和负花状等多种断裂样式, 同向下倾, 产状非常相似(图 4), 平面上呈现平行状或网格状特征^{[22, 24]}(图 5)。长昌凹陷以新生代沉积为主, 主要经历了古近纪裂陷阶段和新近纪裂后阶段两个构造演化期, 具有下断上拗的双层结构特征^{[23, 25]}, 古近系最大厚度近7 000 m。凹陷内裂陷构造层充填始新统(据推测, 未证实)、渐新统崖城组(E₃y)和陵水组(E₃l); 坳陷构造层充填中新统三亚组(N₁s)、梅山组(N₁m)、黄流组(N₁h), 上新统莺歌海组和更新统乐东组^[26]。2012年钻探XX井, 没有发现油气层, 但揭示了崖城组烃源岩和陵水组储层, 展示了长昌凹陷具有良好的勘探前景^[22]。

图 3(Fig. 3)

图 3 长昌凹陷研究区位置

图 4(Fig. 4)

图 4 长昌凹陷复杂密集断裂的剖面特征(位置为图 3中AB段)

图 5(Fig. 5)

图 5 研究区4 400 ms时间相干切片断裂平面分布

陵水组是长昌凹陷主要的勘探层系, 其顶界面T₆₀反射层为新近系与古近系间区域断坳转换面, 在地震剖面上表现为连续性好、中低频中强反射、与下伏地层局部具有削截不整合特征。利用地震合成记录和剖面反射特征确定T₆₀反射界面分布的时窗范围大致在3 000~5 400 ms, 在该时窗范围内进行时间相干切片扫描, 选取断裂分布清晰的切片, 运用时间相干切片平面-剖面联合解释断层。8条断层(F1~F8) 在剖面上相距很近, 且断层倾向和倾角相似, 分别用不同颜色定义, 在时间相干切片上进行断层解释, 解释前、后的结果如图 6a和图 6b所示; 平面断层解释后在如图 6c的剖面上投影出每条断层的位置, 进而准确快速地解释剖面断裂(图 6d)。

图 6(Fig. 6)

图 6 时间相干切片平面断层解释指导剖面断层解释结果 a研究区断层解释前4 400 ms时间相干切片; b研究区断层解释后4 400 ms时间相干切片; c研究区断层解释前Inline10 080剖面; d研究区断层解释后Inline10 080剖面

利用时间相干切片平面-剖面联合一体化解释方法完成长昌凹陷研究区平面、剖面断裂精细解释, 保证了平面和剖面解释的空间一致性。与解释前的时间相干切片相比(图 7a), 解释后的时间相干切片上可以清晰地看出断层展布范围、分布规律(图 7b)。该方法提高了复杂断裂的解释效率和准确性, 对深层品质较差的地震资料的大断裂解释具有指导意义。

图 7(Fig. 7)

图 7 研究区4 400 ms时间相干切片解释前(a)、后(b)对比

在T₆₀沿层相干切片的指导下, 结合断层在沿层相干切片上的投影点, 可以快速完成研究区断层的平面组合, 与断层的剖面解释相互验证。沿层相干切片(图 8a)与平面组合后的断层(图 8b)能够很好地吻合, 确保了断层解释准确。

图 8(Fig. 8)

图 8 研究区目的层沿层相干切片(a)及其与断层叠合结果(b)

在研究区断层F4上连续取采样点P1~P13(图 9), 定量分析各点断距的变化规律。由F4断层各采样点断距分析图(图 10)可以看出, 采样点P3, P7和P9处断距显著增大, 而这3个采样点恰好位于断层F27, F26, F16与断层F4连接之后, 充分说明断层连接后断距有位移的传递或者转换(图 11)。采样点P11, P12和P13断距逐渐规律性地减小, 没有出现断距显著增大的现象, 说明断层F30与断层F4没有连接。利用断距定量分析的方法对研究区重点断层进行逐一验证, 确保断层平面组合的准确性, 为后期圈闭的精细搜索奠定基础。

图 9(Fig. 9)

图 9 研究区F4断层采样点分布

图 10(Fig. 10)

图 10 研究区F4断层各采样点断距分析

图 11(Fig. 11)

图 11 断层F26与F4连接前(a)、后(b)剖面上断距的变化

在三维显示中导入层位解释结果, 结合剖面断层解释结果, 在三维空间生成立体断面。根据空间立体显示(各个角度旋转观察), 有利于查清断层在空间上的分布规律和特征, 验证断层的空间组合与切割关系, 进而对研究区的构造格局有更直观的了解。图 12a和图 12b分别显示了研究区三维偏移数据体“椅状切割”特征与三维空间展布特征。图中, 4条主干断层(F1, F2, F3和F4) 空间展布形态趋势完整, 且3条断层(F1, F2和F3) 空间搭接关系合理, 未出现剖面断层解释错乱的情况。断面与层面的交线反映了断层在平面上的展布特征。断层空间趋势和形态的完整性验证了断层剖面和平面解释的合理性, 体现了三维构造解释的技术优势。

图 12(Fig. 12)

图 12 研究区三维偏移数据体“椅状切割”特征(a)与三维空间展布特征(b)

利用基于相干技术的综合断裂解释方法, 完成了长昌凹陷三维研究区陵水组顶面T₆₀反射层断裂系统的精细解释。有效识别了延伸大于1 km, 断距大于30 ms断裂之间的平面组合关系, 显著提高了解释效率, 指导了深层主干断裂的解释。发现研究区主要发育北西向伸展-走滑复合断裂以及北东向伸展大断裂, 总计解释出4条主干断裂(图 12), 次级断裂约160条, 断裂延伸长度为2~29 km, 断距变化较大, 倾角约为55°~80°。断裂在平面上呈现网格状、平行状分布, 并且新发现一个14 km²的断块圈闭。凹陷内晚渐新世至早中新世形成的北西向伸展-走滑复合断裂沟通烃源, 发育大型似花状断裂带, 其继承性控制了多个断块、断鼻构造圈闭的发育情况, 而且该断裂带靠近凹陷中心, 将是下一步有利勘探区。

在长昌凹陷断裂复杂密集发育的区域, 充分利用三维地震数据体丰富的信息, 采用时间相干切片平面-剖面联合解释断层, 能够实现平面和剖面一体化空间解释, 极大地提高剖面断层解释的准确性以及平面和剖面断层解释的一致性; 断距定量分析能够避免人为经验的干扰, 客观地判定不同断层间的平面组合关系。基于相干技术, 综合应用时间相干切片平面-剖面联合解释断层, 沿层相干切片指导平面断层组合, 断距定量分析验证断层之间的连接关系和三维可视化技术验证断层的空间组合4种技术的优势, 能够准确高效地进行三维工区断裂精细解释, 精确落实复杂密集断裂的延续性和组合关系, 为后期圈闭精细搜索和油气运移研究奠定坚实的构造基础。该综合解释方法具有普遍适用的特点, 对其它区域性复杂断裂的解释具有指导意义, 对地震资料品质差、信噪比低的深层大断裂的解释有一定的参考价值。