碳酸鹽巖地震沉積學研究進展

吳其林, 侯志平, 劉存革, 陳國民, 于俊峰, 周小康, 曾 驛

(1.廣東石油化工學院石油工程學院，茂名 525000; 2.廣東石油化工學院廣東省非常規能源工程技術研究中心，茂名 525000；3.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，深圳 518000)

地震沉積學是在沉積學、地震地層學、層序地層學、地震儲層預測技術等學科基礎上發展起來的邊緣交叉學科[1-9]；簡單來講，地震沉積學是應用地震信息研究沉積巖及其形成過程的學科[10-17]。地震沉積學自1998年被提出后已經近20年，期間在國內外均取得較快發展，論文的數量和質量均有明顯提高，三維地震切片[13-17]、地震相分析[18-28]、分頻反演[29-31]、多色渲染技術(RGB、RGBA)[32-34]、地震多屬性[35-37]、波阻抗反演體[38]、速度體[39]等積極推動了地震沉積學的發展。

目前，地震沉積學論文中，主要集中在對碎屑巖地層的研究，而涉及碳酸鹽巖的研究較少?；诖耍砸褕蟮赖奶妓猁}巖地震沉積學相關論文為研究基礎，結合筆者近幾年的在碳酸鹽巖地震沉積學方面的探索，總結碳酸鹽巖地震沉積學特色和應用思路。

1 碳酸鹽巖地震沉積學

據百度學術統計，中國地震沉積學研究論文從1989至今，共發表339篇，其中高影響因子的論文250篇，多集中在中國石油勘探開發研究院等研究機構或大學，如圖1所示。學科已經發展深入到地質資源與地質工程(地層切片、分頻解釋、地震屬性、儲層預測、沉積微相等)、地質學、石油天然氣地質學、地球物理學、地理學和計算機科學。學者中朱筱敏、陳洪德位居前兩位，林暢松、顧家裕、朱如凱、侯明才等其他學者也有較多研究成果，其中朱筱敏教授成果數達557，引用頻次達9 158；陳洪德教授成果數達432，引用頻次達9 867(據百度學術數據)。

圖1 中國地震沉積學研究機構高影響因子發文量統計

地震沉積學的應用研究在碳酸鹽巖地區與碎屑巖地區有較大的不同。首先，碳酸鹽巖是內源沉積，碎屑巖為外源沉積，這種物源類型的差異決定了兩者的本質差別。在測井參數上表現在以下方面：一是碎屑巖的自然伽馬(GR)曲線區分砂泥巖的固有模式不能直接套用到碳酸鹽巖儲層發育區，因為GR區分碳酸鹽巖礁灘儲層與非儲層并不明顯；二是碳酸鹽巖地層與碎屑巖地層層速度差異大，碳酸鹽巖地層速度高一般遠大于相同深度的碎屑巖地層速度，據巖石物理分析和國內外實際鉆探巖心測試表明，沉積巖中正常成巖的碎屑巖儲層速度為1 800～4 000 m/s，而碳酸鹽巖速度范圍在差一般在2 500～6 100 m/s，因此兩者的速度差異一般在900 m/s以上；三是碳酸鹽巖地層在高速低頻的條件下縱向1/4波長的分辨率也會變得更低，提高儲層研究的質量，更有必要開展平面分析為特色的地震沉積學研究。

碳酸鹽巖地震沉積學也是以已有地質沉積信息(如巖心資料、薄片鑒定、錄井柱狀圖、野外地質剖面、確定的沉積相等信息)、測井信息(電阻率曲線、三孔隙度曲線、鉆時曲線、測井沉積相解釋等)、鉆井信息(鉆時曲線變化信息、井涌井漏信息等)和地震信息(不局限于外形、內部反射結構、連續性地震相分析、基于波形的神經網絡聚類分析、基于沉積相種子點信息的多屬性融合沉積相識別、波阻抗反演等)為基礎，以沉積學、層序地層學和地球物理學為指導，充分利用三維地震資料的空間體屬性優勢，開展碳酸鹽巖的沉積相、沉積體系、沉積演化研究的邊緣交叉學科。

以地質信息為研究目標，不限于地球物理技術方法本身而開展的有利于沉積環境和沉積相的描述都可以納如地震沉積研究的范疇。顯然，碳酸鹽巖地震沉積學繼承了地層地層學、層序地層學和地震沉積學的理論基礎，但又有自身的特殊性，因此發展具有碳酸鹽巖地質沉積研究的特色的方法顯得的尤為重要。如圖2所示，根據曾洪流等[1-7,10,13-14]、朱筱敏等[17]、吳其林等[38-39]、Catuneanu等[40]提出的學科發展歷史和學科關系，梳理了碳酸鹽巖地震沉積學的發展歷史。

圖2 碳酸鹽巖地震沉積學學科發展歷史[1-17, 38]

碳酸鹽巖地震沉積學也是發展中的學科，依賴于其他學科的發展與進步。現代碳酸鹽巖沉積學研究進展較快，對大巴哈馬灘[41-42]、澳大利亞的大堡礁[43-44]、南海生物礁[45]等的研究都推進碳酸鹽巖礁灘沉積相研究的進展。其中，大巴哈馬灘是全球研究孤立臺地灘體沉積演化的重要參照物；澳大利亞的大堡礁是研究現代大規模珊瑚礁生長、發育、演化和消亡重要案例地；南海西沙生物礁灘的研究為打開南海生物礁灘油藏寶庫提供了一把鑰匙。這一系列現代生物礁灘的研究將為古代生物礁灘模式的描述提供更為精確到參考樣式，為正演模擬地下碳酸鹽巖礁灘儲層提供了重要依據。

目前，中國關于碳酸鹽巖地震沉積學的研究論文相對較少。吳其林等[38]開展了珠江口盆地 H 區塊碳酸鹽巖儲層地震沉積學應用研究，利用疊前彈性波阻抗體開展地層切片識別生物礁、灘儲層，較早將地震沉積學引入到碳酸鹽巖地層中。

杜浩坤[46]開展了川西孝泉-新場構造中三疊統雷口坡組地震沉積學研究，采用非等厚時窗的地震沉積切片方法，成像效果顯著，且在基于去燥優化地震剖面技術(EMD)后的波形聚類方法基礎上開展窄時窗切片也得到了優質成果。

2 碳酸鹽巖地震沉積學應用現狀

地震沉積學應用在碳酸鹽巖發育區進行沉積分析已取得較大進展[23-24,38-39,44-51]。

2.1 基于地震相和數值模擬技術的地震沉積學研究應用

Huang等[23]、黃悍東等[24]在研究四川盆地川東褶皺帶建南-龍駒壩地區碳酸鹽巖礁灘預測中運用地震沉積學理論，分析生物礁灘相模式與地震響應的關聯性，將地震相控非線性隨機反演引入地震沉積學識別全區生物礁，取得較大進展。

姚清洲等[47]研究了塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖縫洞型油氣藏中長寬均為20 m的正演模擬，結果表明該區域的縫洞型油氣藏既可以表現為典型的 “串珠狀”地震反射，也可以出現雜亂弱反射的地震特征，這種剖面特征在很大程度上限制了地震沉積學平面解釋，也為該區域開展地震沉積學帶來了極大的挑戰。為此，姚清洲等嘗試應用地震趨勢異常識別開展碳酸鹽巖縫洞型儲層的預測。

楊平等[48]基于聲波方程數值模擬，探討了縫洞體的位置、形態、物性、內部結構等多種因素對地震反射特征的影響，明確了縫洞體的反射振幅主要受其寬度、總孔隙度和內部結構因素的綜合影響，認為應用現行技術很難將這些因素的影響區分開，直接研究縫洞體的容積是儲層定量描述的現實途徑。

2.2 基于地層屬性切片的地震沉積學應用

吳其林等[38]在南海珠江口盆地H區塊中新世碳酸鹽巖沉積區開展地震沉積學應用研究，利用三維疊前彈性阻抗反演體進行地層切片分析，在彈性阻抗切片平面圖上劃分了不同相帶其屬性特征值，并在研究區碳酸鹽巖臺地-斜坡-陸棚沉積體系中識別出臺地邊緣礁、臺內礁、臺內灘為有利儲集相帶(圖3)，這克服了常規疊后剖面難以在高速、高密、低頻碳酸鹽巖沉積區儲層精細描述的困難，是國內較早利用三維疊前地震彈性阻抗反演體開展碳酸鹽巖地震沉積分析的文章，也為碳酸鹽巖發育區利用疊前數據開展地震沉積學研究提供了一種思路。

圖3 彈性阻抗切片與地層切片轉換的沉積相[38]

相1、相2、相3分別代表巖溶區域；相6、相7分別代表咸化瀉湖；相4、相5代表潮坪

杜浩坤[46]開展了放在窄時窗情況(儲層尺度)下的地震相分析，采用波形聚類、多屬性聚類、分頻技術、EMD時頻分析。特別是提出的基于EMD波形聚類方法，克服了單純波形聚類在窄時窗內易受噪音干擾的影響。圖4(a)為原始數據0～10 ms時窗的波形聚類結果;圖4(b)為其10～20 ms時窗的波形聚類結果；圖4(c)為EMD處理后的重構數據0～10 ms時窗的波形聚類結果，圖4(d)為10～20 ms時窗的EMD波形聚類結果。整體而言，圖4(c)、圖4(d)結果明顯優于圖4(a)、圖4(b)，表現出基于EMD的波形聚類方法對其進行了小時窗的地震相分析成像優勢。

姜華等[49]提出基于對哈拉哈塘地區某三維地震區的古河道進行識別和刻畫。精細刻畫出志留系底界面與奧陶系吐木休克組底界面2個重要沉積間斷期發育的河道體系并總結其特征。研究結果表明，志留系底界面發育高曲度的穩定曲流河，而吐木休克組底界面發育典型的曲流河。兩期河道發育期哈拉哈塘地區均處于相對平緩的地貌背景。通過古河道的識別可知，在吐木休克組沉積前該區域曾發生短暫暴露性沉積間斷而非傳統認識的直接發育的淹沒臺地型水下沉積間斷，從而為吐木休克組底界面下發育的古巖溶儲層提供更合理的成因背景解釋。

熊冉等[50]利用地震沉積學理論利用譜反演處理后的地震資料90°相移后在塔里木盆地英買32區塊蓬萊壩組識別白云巖隔夾層，預測了該區隔夾層平面分布。譜反演處理能有效提高地震資料對薄層的識別能力，且90°相位化后的地震同相軸與隔夾層有較好的對應關系；野外地質建模明確了隔夾層平面分布規律，且與鉆井資料有較好的對應關系，能有效指導地層切片對井下隔夾層空間的分布預測。預測結果表明,隔夾層呈北西-北東向條帶狀分布于研究區的東北部,控制著研究區剩余油的分布。

曾洪流等[51]應用地震沉積學對中國西部深層古老海相碳酸鹽巖進行分析，將巖心、測井和三維地震資料的綜合解釋納入地震沉積學研究流程，定性恢復碳酸鹽巖沉積古地貌，定量預測白云巖儲集層厚度(圖5)。

圖5 分頻振幅主因子分析定量計算龍王廟組儲集層厚度[51]

2.3 基于地層速度切片的地震沉積學應用

筆者及同事在國家“十二五”期間開展南海珠江口盆地中新統碳酸鹽巖地震沉積研究時就注意到碳酸鹽巖地層速度的特殊性，并進行了碳酸鹽巖頂底地層約束下的速度加密拾取和基于網格層析的速度迭代進行碳酸鹽巖三維體的速度精細刻畫和地層切片研究，并刻畫出研究區有利的儲層發育區，展現此技術的優勢[39]。

圖6為利用碳酸鹽巖地層頂底地層界面加以約束提取層速度切片，西部低于4 200 m/s深藍色至藍色低速層為碳酸鹽巖和碎屑巖陸棚混積層，不屬于碳酸鹽巖臺地；而東部大于4 400 m/s的綠色-黃色-橙色部分為碳酸鹽巖臺地(以北部HZ28-4A井北西-南東紅色虛線為界)。在碳酸鹽巖臺地上，大于4 800 m/s的高速層碳酸鹽巖泥微晶灰巖致密層集中在東北部、中部與南部的局部，約占整體圖像的1/3；而在3 800～4 200 m/s以層速度圖中部HZ33-3A井和南部的HZ34-1A井可見綠色圈閉的低速區為有利油氣勘探目標。

3 碳酸鹽巖地震沉積學發展趨勢

在外國，關于碳酸鹽巖地震沉積學的研究主要集中在碳酸鹽巖地震地貌學，Handford等[52]、David等[53]、Bachtel等[54]、Posamentier[55]、Zeng等[56]、Saqab等[57]、Rankey[58]、Basso等[59]和Tesch等[60]發表了較多相關文章。

西部低于4 200 m/s深藍色至藍色低速層為碳酸鹽巖和碎屑巖陸棚混積層；東部大于4 400 m/s的綠色-黃色-橙色部分為碳酸鹽巖臺地(以北部HZ28-4A井北西-南東紅色虛線為界)

圖7 印尼漸新世-中新世Kujung 1孤立碳酸鹽巖臺地地震地貌圖[55]

其中，Posamentier[55]采用三維地震成像為手段分析了離散分布的塊礁群合并生長成為碳酸鹽巖臺地演化的過程，在地震切片圖中分析了直徑為 60～120 m 小型塊礁合并成為1～6.5 km直徑為孤立臺地的演化特征，并立體展示了被晚期Tuban泥巖包圍和覆蓋的Kujung 1號碳酸鹽巖臺地(約4 km寬)地震地貌特征(圖7)；在縱向上連續提取地震振幅切片，由臺地底部向上以28、44、60 ms的間距提取的切片進行分析，結果表明早期的小塊塊礁分散分布-中期逐漸合并為中等規模塊礁-后期的大規模合并成碳酸鹽巖臺地，在頂部切片上可見臺地頂部礁間潮汐水道。

Zeng等[56]探討了以三維地震資料為基礎的奧陶系頂部不整合面的地震地質成像，立體刻畫了碳酸鹽巖古巖溶區的喀斯特峰叢、落水洞和地表河位置，并在剖面上圈定了具有垮塌特征的溶洞位置(圖8)。該研究結合了測井資料、錄井(巖心)資料、單井沉積相解釋、地震剖面解釋，最終在平面進行了綜合解釋。塔里木盆地奧陶系的喀斯特地貌特征可同桂林的喀斯特現象可類比，體現了地震地貌學在研究區工作的可行性。

圖8 塔里木盆地奧陶系頂巖溶古地貌[56]

Saqab等[57]利用三維地震屬性進行了孤立碳酸鹽巖建造體的研究，特別是在表現中新世早期3種光譜分解成分(20、40和60 Hz)的顏色混合成像，將孤立的碳酸鹽巖臺地建造進行了精細刻畫。如圖9所示，澳大利亞西北大陸架和現今大堡礁(GBR)的早-中新世古沉積相相似，說明地震沉積沉積切片和現代生物礁發育可進行類比分析，提升了古碳酸鹽巖生物礁體的可解釋性以及有利儲層分布的確定性。

圖9 澳大利亞西北大陸架早-中新世古沉積生物礁體與現今大堡礁對比[60]

Tesch等[60]利用地震地貌學對澳大利亞西北大陸架地下Browse盆地漸新世至中新世開展的碳酸鹽巖斜坡進行了系統研究，提出一種基于碳酸鹽巖斜坡-河道系統參數化及其穩定性評價新方法，揭示了該系統的基本性質沉積物輸送受他源和自源控制的影響，描述了如何重建三維地震資料的構造和相對海平面，并量化了相對海平面變化對年進積作用的影響系統。

4 展望

碳酸鹽巖地震沉積學是一門綜合的邊緣交叉學科，其發展必然受相關學科發展的帶動，展望其發展方向具體如下。

(1)現代碳酸鹽巖沉積學的快速發展，相類型、相模式更加貼合實際生產的古地層碳酸鹽巖沉積相分布規律；“將今論古”的碳酸鹽巖沉積發育類比分析是重要的發展方向。通過類似沉積地區的沉積相及沉積模式的關聯性對比，有利于預測古碳酸鹽巖沉積區有利儲層發育的位置和展布，也反向推動了碳酸鹽巖現代沉積科學研究的進程。

(2)地球物理學科的發展必然推動的學科的發展，地球物理學科目前在地震采集、處理和解釋的工具、方法、軟件更新都較為快速，特別是涉及到有利于識別地震相的技術得到快速發展，基于神經網絡的波形分析已經發展的第5代，速度研究已經由常規的疊加速度轉層速度發展到全波形速度反演，勢必提高碳酸鹽巖地層速度識別精度，進而提供了更多識別碳酸鹽巖沉積相的可能。寬頻處理技術很大程度上增強了碳酸鹽巖橫向變化識別的可能性以及平面邊界識別的可能性。

(3)數值模擬技術的發展，使得碳酸鹽巖生物礁灘的分布及堆砌模式得以恢復，有利于恢復古地層碳酸鹽巖生物礁灘的堆砌模式。