引言

古地貌恢复是通过相关技术，恢复盆地某一发育期的原始地貌形态，有助于揭示物源体系、沉积体系的发育特征与空间配置关系，对油气勘探具有重要的指导意义^[1]。

古地貌是受构造变形、沉积充填、差异压实、风化剥蚀等综合作用的结果^[2]。中国的古地貌研究始于20世纪70年代^[3]，随着相关技术的发展，古地貌恢复技术已逐渐从定性走向定量。近年来，国内外学者充分考虑构造变形、压实作用、剥蚀作用对古地貌的影响，针对古地貌精细恢复这一研究难点进行了多种尝试。1980年，Sclater和Christie在北海盆地开展工作时，假设孔隙度随深度指数衰减，建立了岩石压实公式^[4]，并被后人广泛应用于其他研究区地层的压实恢复研究。陈思等在酒泉盆地的古地貌研究中，运用平衡剖面原理进行构造恢复，精细恢复出挤压盆地的沉积期古地貌^[5]。加东辉等运用泥岩声波时差法，计算地层剥蚀量，精细恢复古地貌并研究其对沉积的控制作用^[6]。

精细古地貌恢复虽已取得长足进步，但需要进行繁琐的数据分析和运算工作，难以适应紧张高效的勘探节奏。因此，近年的研究成果多倾向采用残余厚度法或沉积厚度印模法进行简单的古地貌恢复，并与层序地层学、“源-汇”理论、储层精细刻画等研究领域相结合，应用于能源盆地的勘探实践^[7-8]。

1 区域地质概况

随着勘探程度的加深，渤海探区凸起区构造简单、规模大、埋深浅的披覆构造多已钻探，勘探重点逐渐转向中—深层隐蔽油气藏勘探。近年来，渤海海域在古近系隐蔽油气藏取得了重大突破，发现了多个由近源三角洲形成的构造-岩性和构造-地层复合油气藏，展示出良好的勘探前景^[9-10]。陡坡带下降盘紧邻生烃凹陷，油气运移通畅，古地貌形态有利于砂体的聚集，成藏条件优越，是渤海海域隐蔽油气藏勘探的新突破点^[11-12]。

渤海湾盆地Q构造位于石臼坨凸起东倾末端陡坡带(图 1)，毗邻秦南凹陷，是渤海海域规模最大的隐蔽型油气藏，目前共钻井6口，主力含油层位是沙一二段。目前已探明该构造是一个亿吨级的构造-岩性油气藏，研究构造对岩性体分布的控制作用尤为重要。储层预测是隐蔽油气藏精细勘探的核心与难点^[13-14]。含油气盆地的同沉积期古地貌决定了沉积体系的发育类型和展布特征，精细古地貌恢复有助于揭示物源体系、沉积体系的发育特征与空间配置关系，是储层物性与分布研究的重要组成部分^[15-16]。

然而，由于该构造位于陡坡带边界断层下降盘，受晚期构造运动影响，边界断层对古地貌恢复结果影响较大，古地貌恢复的精度直接制约着研究区储层研究的准确性。在前期的研究工作中，仅使用残余厚度法恢复同沉积期古地貌进行储层研究，显然不能满足岩性油气藏精细勘探的需要。

本次研究采用构造-沉积模拟法，在考虑上覆地层压实作用和晚期构造运动影响的基础上，对Q构造的沙一二期古地貌进行恢复，精细刻画陡坡带下降盘的同沉积期微古地貌特征，取得了良好的应用效果，有力指导了研究区的勘探评价。

2 构造-沉积模拟法原理 2.1 传统古地貌恢复方法的缺陷

古地貌恢复主要从构造恢复和地层厚度恢复两个方面着手^[17-18]。现阶段的主流盆地模拟技术可以充分考虑压实、剥蚀、古水深等因素，做到多参数的地层厚度恢复，却很少考虑构造运动对古地貌的影响作用^[19-21]。仅考虑地层恢复的古地貌恢复方法可以满足较大范围的盆地沉积演化分析的需要，却无法精确恢复边界断层下降盘的微古地貌。

渤海含油气区新生代的盆地主要受伸展和走滑拉分作用影响^[22]，盆地类型以正断层主控的伸展盆地为主。在渤海地区的古地貌研究中，由于构造相对简单，不存在逆冲断层产生的地层叠置现象，通常选取残余厚度法(即层拉平法)进行快速、简易的古地貌恢复，即将某一沉积期地层的顶面拉平，将变形后的底面作为同沉积期古地貌进行研究。但是残余厚度法也有它的弊端，比如无法消除晚期发育断层对古地貌的影响，由于该方法直接、机械地拉平沉积地层的顶面，靠近断层处会产生畸变(图 2)；此外单一的层拉平法也无法消除上覆地层的压实作用。

2.2 构造-沉积模拟法的步骤

Q构造位于陡坡带下降盘，紧邻长期活动的边界断层并受其影响，现今的残余地貌形态不能精确反映同沉积期古地貌特征，简单的残余厚度法亦无法精确刻画同沉积期的隆凹格局。本次研究采用构造-沉积模拟法，对上覆地层进行构造恢复和地层恢复，恢复研究区沙一二期古地貌，消除晚期断层活动的影响，同时考虑上覆地层对沉积地层的压实作用，精细刻画了该区微古地貌的隆凹形态，主要步骤如下。

(1) 输入深度数据，建立研究区构造模型。

(2) 地层恢复：去除上覆地层的压实影响，主要影响因素为上覆地层厚度和孔隙度，下伏地层会因此产生回弹，厚度增厚。

(3) 构造恢复步骤1：在地层恢复的基础上进行断层恢复，选取适合渤海地区的断层变形机制，消除断层影响。

(4) 构造恢复步骤2：进行褶皱恢复，选取适合渤海地区底层变形特点的褶皱恢复机制，对沉积地层的顶面进行拉平，将变形后的底面作为该地层沉积期的古地貌进行研究；如图 3中黑色箭头所示，变形后的黄色层底面就是黄色层沉积期的古地貌。

(5) 以此类推，逐层剥去上覆地层、依次进行去压实、断层恢复和褶皱恢复，进行构造-沉积演化模拟和古地貌恢复。

2.3 地层恢复的原理和参数选取

沉积期后形成的新地层会对已形成的沉积地层产生压实作用，使其孔隙水排出，孔隙度变小。岩石的孔隙度会随着深度产生变化，根据平衡剖面原理，地层的骨架体积保持不变，岩石孔隙度减小后地层厚度也会产生相应地减薄。因此，对岩石的压实恢复其实是对其孔隙度的恢复。

本次研究假设孔隙度随着深度变化呈现指数衰减，参考Sclater和Christie于1980年在北海盆地研究时采用的岩石压实公式^[4]

$ \phi={{\phi}_{0}}{\rm e}^{-cz} $

(1)

式中：$\phi$—某一深度处地层的现今孔隙度，无因次；

${{\phi}_{0}}$—地表处的初始孔隙度，无因次；

$c$—孔隙度-深度系数，km$^{-1}$，$c$值可以通过已钻井数据求取；

$z$—深度，km。

经多年来国内外相关研究验证，认为式(1)能够满足构造演化的精度需求^[23-24]。

本次研究依据该区已钻井资料，估算不同地层的现今孔隙度$\phi$和孔隙度-深度系数$c$值(表 1)，建立数据库，对地层进行压实恢复。

将表 1中现今孔隙度$\phi$和$c$值数据代入式(1)，估算出上覆地层对沉积地层的压实效应，恢复出沉积地层受压实前的状态。经过去压实操作，残余的沉积地层会相应地增厚。

2.4 构造恢复的原理和参数选取

在本次研究中，构造恢复可细分为断层恢复和褶皱恢复，以下对其恢复机制进行分别论述。

2.4.1 断层恢复的原理和参数选取

Q构造位于张性盆地边缘，它的构造变形应是一种同沉积变形，遵循平衡剖面的地层体积守恒原理，即断陷中的沉积物体积等于断层上盘在侧向上移开的体积，因此，上盘地层的变形与断面之间存在定量关系^[25]。

在本次研究应用的平台中，共有3种断层恢复机制可供选择：斜剪切算法、断层平行流算法和三角剪切算法。其中，斜剪切算法适用于伸展构造、反转构造和生长断层，断层平行流算法适用于褶皱冲断带、伸展区域及多模式地质背景区域，三角剪切算法能够预测圆形褶皱枢纽、下倾褶皱紧闭性和远离断层倾角的散布式变形^[21]。本文采用斜剪切算法对Q构造区的同沉积正断层进行恢复，通过现今断层的产状和断层上盘的变形情况，恢复出沉积地层未受到断层变形时的状态。本文仅对斜剪切算法的原理进行论述。

斜剪切算法假设断层下盘不动，仅上盘发生位移和形变，断层上盘先发生水平错动产生一个伸展空隙，上盘前端再发生垮塌，伸展空隙以上的质点沿着平行的倾斜面移动。该算法遵守平衡剖面原理，上盘的体积始终保持不变(图 4)。

2.4.2 褶皱恢复的原理和参数选取

去褶皱恢复应用于褶皱的几何形状可以被忽略的地区。有3种几何算法：线长去褶皱、简单剪切去褶皱和弯滑去褶皱。线长去褶皱容易理解，就是在平衡恢复过程中线长保持不变。简单剪切去褶皱是利用垂直剪切或斜剪切把岩层恢复到变形前的状态，适用于纵弯褶皱，该算法可以应用于伸展构造和盐丘构造中。弯滑去褶皱可以恢复由弯滑机制形成的褶皱，适用于横弯褶皱，该算法可以应用于褶皱冲断带、反转构造及盐丘构造^[21]。

Q构造位于伸展构造陡坡带下降盘，褶皱的几何形状相对简单，采用简单剪切去褶皱机制对沉积地层的形态进行恢复(图 5)。本次研究中的去褶皱恢复以沉积地层的顶面作为模板线，以水平地层作为基准面，采用垂直剪切角，沉积地层底面(即下伏层面)的质点与模板线上对应的质点产生相同的位移矢量，得出恢复后的下伏层面。

本次研究以现今残余地层形态为基础，充分考虑Q构造区的构造背景和钻井资料，对该构造进行压实恢复、断层恢复和褶皱恢复，恢复出沉积地层未受到晚期构造运动影响的状态，以此作为同沉积期古地貌，进行下一步储层研究工作。

3 应用实例 3.1 古地貌恢复

沙一二段是Q构造的主力生油层段，是储层研究的重点层段。在Q构造的评价历程中，最初采用残余厚度法对Q构造沙一二期进行古地貌恢复(图 6)，恢复出一个古凹陷，认为1井区、2井区和4井区位于同一沉积中心内，并具有相同的沉积体系。

1井、2井钻探成功后，在古凹陷的深部钻探4井以寻找厚度更大、更优质的储层。4井的钻探结果显示：4井钻遇了厚度更大的储层，储层物性明显不同于1井区、2井区(图 7)，1井区、2井区岩性组成以砂岩为主，分选较好，4井区以砾岩为主，分选较差。且1井区、2井区与4井区虽然处在同一断块中，但油水界面却不一致(图 8)，指示两者分属于不同的沉积体系。

为了进一步论证Q构造1井区、2井区和4井区的储层和沉积体系展布特征，解决快速古地貌恢复结果与已钻井储层分布的矛盾，本次研究使用了构造-沉积模拟法精细恢复了Q构造区沙一二期古地貌(图 9)。对比残余厚度法的恢复结果可以发现，新方法雕刻的微古地貌特征更加精细，可以更细致地反映沙一二期的隆凹格局。更为重要的是，在新恢复的古地貌图上，沉积中心也发生了改变，沙一二期具有两个沉积中心，并于1井区、2井区和4井区之间出现了一个古凸起，这一特点响应了实钻结果中1井区、2井区与4井区的储层差异和油水界面不一致。

3.2 地震、地质特征对古地貌的响应 3.2.1 储层岩性特征对古地貌的响应

对比新方法恢复的古地貌与Q构造已钻井资料，两个井区体现为两种不同的沉积特征：1、2井区储层岩性以砂砾岩、含砾砂岩、细砂岩为主，少量生屑灰岩，分选、磨圆较好，体现为缓坡带沉积的特征，为辫状河三角洲沉积，响应了相对平缓的古地貌特征。4井区储层岩性以砾岩为主，分选、磨圆较差，体现出山缘陡坡迅速堆积的沉积特征，为扇三角洲沉积，响应了相对陡峭、落差较大的古地貌特征。

3.2.2 可容纳空间差异对古地貌的响应

新的恢复结果显示：1、2井区沉降量为2~50 m，4井区的沉降量为100~250 m，相较之下，4井区具有更大的可容纳空间，分别对应了辫状河三角洲和扇三角洲的沉积环境，也响应了1、2井区数十米和4井区百余米的储层规模。此外1、2井区与4井区之间的古凸起，也对两个沉积体系起到了很好的分隔作用。

3.2.3 地震属性特征对古地貌的响应

运用地震属性可以更好地反映储层的横向变化。在勘探实践中，通常将地震属性与其他研究方法结合，精细刻画储层的岩性边界。1、2井区与4井区沙一二段储层在地震剖面上具有不同反射特征，振幅、频率、反射结构上均存在明显差异。为了定量刻画两个井区不同的地震反射特征，以油层顶面向下50 ms开时窗，提取有利波形聚类属性如图 10所示。

从属性图上可以看到：1、2井区与4井区中间可以识别出明显的岩性边界，来自不同方向的扇体分别堆积在两个井区所在的凹陷中。对比古地貌恢复结果，构造-沉积恢复法恢复的沉积期古凹陷形态与地震属性的形态非常类似。

依据对Q构造沉积体系特征取得的新认识，在扇三角洲的边部、4井区古凹陷的边缘设计了5井，在沙一二段钻遇扇三角洲砾岩，验证了储层预测结果，获得了百余米的油层发现。

构造-沉积恢复法在应用中存在一些需要注意的问题：

(1) 构造恢复工作量较大，本次研究只选取4条断距较大的边界断层进行恢复。构造恢复会造成断面两侧和延伸线上的噪点，因此该技术更适用于断距较大、构造特征相对简单的地区，不适用于复杂的花状构造。

(2) 目前平台尚没有释放专门适用于走滑断层恢复的运算机制，因此构造-沉积恢复法仅适于在正断层和逆断层发育的地区推广应用。

4 结论

(1) 选取符合工区特征的机制对褶皱、断层进行恢复，同时消除了上覆地层压实作用的影响，取得了较传统方法更为精细的古地貌恢复结果。

(2) 运用构造-沉积模拟法恢复Q构造区古地貌，古地貌响应了两个井区油水界面差异、岩性特征差异、可容纳空间差异和地震属性差异。通过与实钻结果对比，该区同沉积期古地貌对沉积体系的类型和展布起到了重要的控制作用。

(3) 构造-沉积模拟法可以消除晚期断层活动的影响，在陡坡带下降盘沉积体系和储层研究中应用效果良好。该技术可作为储层研究和岩性边界精细刻画的重要组成部分，对类似构造类型的隐蔽油气藏勘探研究具有一定的借鉴意义。