復雜環境扇三角洲沉積結構探地雷達精細探測技術研究

凌建宇 錢榮毅 劉董壹 張 俊 王羽琛 張詩奇

(中國地質大學(北京)地球物理與信息技術學院，北京 100083)

0 引言

目前常規儲層勘探開發的難度很大，新興能源尚不能形成規模性的開發。以新疆準噶爾盆地瑪湖凹陷為代表的大型礫巖油氣藏的發現，掀起了扇三角洲等粗粒砂巖沉積的研究熱潮[1-2]。另一方面，預測非均質性強且砂體變化快的儲層和開發剩余油都需要對儲層構型進行精細刻畫，但其表征難度大，因而迫切需要精細解剖露頭和現代沉積，建立儲層精細原型地質模型[3-6]。目前針對扇三角洲沉積特征的研究方法主要包括露頭觀察、巖心分析、測井和地震探測等[7-10]。其中露頭觀察獲得的是淺地表、小范圍的信息，適用于研究淺部連續性較好的地層。巖心分析和測井可以得到非常準確、直觀的單點信息，但若要進行大范圍、高密度的取芯和鉆井，成本高且效率低。地震探測可以獲得連續的地下剖面，但粗粒沉積通常具有水動力條件復雜、結構多樣、橫向變化快和不均勻性強等特點，使砂礫巖體的地震成像品質差、精度低，無法建立準確的速度模型，出現地下分層不明確和地層深度不準確等問題[1,11-13]。為了獲得扇三角洲真實的內部結構，通常同時使用幾種研究方法，以彌補單一方法的局限性[13-15]。但是，為了精細刻畫扇三角洲儲層構型，明確構型的組合方式，需要建立定量地質知識庫，而以上方法存在獲取的地下信息不連續、效率低及分辨率低的問題。

探地雷達利用高頻電磁波快速獲得高分辨率連續地下剖面，能夠研究地層結構、砂體幾何形狀，并進行沉積構造對比和定量分析[16-18]。沉積地層在探地雷達剖面上表現為相應的反射特征，可據此預測相分布并重建古沉積環境[3]。埋藏于地下數千米的古代扇三角洲在成因及內部結構方面與淺地表的現代扇三角洲具有較高的相似性，因此可在一定程度上對二者的內部結構進行類比分析。對現代扇三角洲淺層結構的解剖和刻畫，可以為古代扇三角洲儲層建模提供高精度構型信息，從而達到提高建模精度、實現儲層精準預測的目的。

近年來，基于探地雷達的沉積結構精細調查研究取得了很好的結果。Bridge等[19]于1998年首次利用探地雷達對現代辮狀河沉積結構進行調查，獲得了河道砂壩和河道填充物的大規模層理幾何形狀； 隨后，探地雷達在沉積結構探測方面的應用遍布各類河流、海岸及湖泊沉積環境[20-24]。但是，文獻調研顯示，探地雷達鮮見應用于扇三角洲沉積結構的探測。

本文利用探地雷達精細研究青海省希里溝湖地區復雜環境下扇三角洲淺部沉積結構。設計采集實驗，對數據進行特征和屬性分析，闡明地形起伏、植被、鹽堿地和地下地層起伏對探地雷達數據的影響，進而提出野外數據采集的最優方案。同時，針對數據的道間距不一致、同相軸交叉和地形起伏等問題，分別提出距離歸一化、偏移和靜校正這三個關鍵處理方案。研究結果表明，探地雷達可以實現復雜環境下扇三角洲淺部沉積結構的高分辨率準確探測，獲得道壩間的組合規律及其規模的定量信息。

1 實驗區概況

希里溝湖位于青海省烏蘭縣正南7km處，湖面海拔約2934m，湖泊面積約20km2。扇三角洲位于希里溝湖西南部，向北展開，扇體形態規整，半徑約7.4km，展角為117.5°，總面積約50km2(圖1)。物源區海拔約3200m，扇面平均坡角為0.029°，自上而下呈現先緩、后陡、再緩的形態。順物源剖面呈楔形，切物源剖面呈上凸形態。扇三角洲上平原以粗礫石、中礫石沉積為主； 下平原以中細礫石、粗砂沉積為主； 內前緣整體沉積以砂質為主，細礫石次之，中礫石相對不發育； 外前緣以砂—泥沉積為主。扇體表面侵蝕地貌廣泛發育，為典型陣發性洪水成因扇，局部地形起伏劇烈，高程差可達2m； 扇面中下游開始出現植被，向下游逐漸全覆蓋； 扇面西北側是柯柯鹽湖水位下退后出露的地表，淺表鹽堿含量較高； 扇三角洲發育較多水道和壩體，地下地層起伏普遍(圖2)。上述地表和地下環境對探地雷達的探測深度、準確性和分辨率等有較大的影響。

圖1 希里溝湖扇三角洲形態

圖2 希里溝湖扇三角洲地區復雜環境照片(a)起伏地形； (b)植被； (c)鹽堿地； (d)內部地層起伏

2 扇三角洲探地雷達數據采集

2.1 探地雷達工作原理

探地雷達是以不同地層間電性差異為基礎的一種地球物理方法，工作原理見圖3。該系統通過發射天線向地下連續發射脈沖式高頻電磁波，當遇到存在介電常數差異的界面或目標體時，一部分電磁波會發生反射，另一部分繼續向地下傳播。接收天線接收并記錄反射波，通過連續發射和接收電磁波形成時間記錄剖面。根據記錄的反射波到達時間，以及電磁波在介質中的傳播速度，確定界面或目標體的深度； 同時根據反射波的形態、強弱及變化趨勢等因素判斷目標體的性質。

2.2 測線部署

本次實驗的主要目的是高分辨率地解剖扇三角洲淺部沉積結構，對水道和壩體的邊界進行亞米級精度的定位，并定量給出水道和壩體的尺寸信息，實現扇三角洲淺部儲層構型的精細表征。實驗共設計3條測線(L1、L2、L3)，位置見圖4，其中南北向測線L1順物源方向貫穿整個扇三角洲，測線長約6km； 東西向測線L2和L3，均與物源方向垂直，兩條測線分別沿礫質與砂礫質沉積的分界線及砂礫質與砂質沉積的分界線布設，長度分別為4.3、7.8km。

圖3 探地雷達探測原理示意圖

圖4 野外測線位置紫色、藍色、綠色圓點是地質解釋剖面中心點位置； 藍色和粉色線段分別是采集實驗剖面位置和靜校正示例測線位置

2.3 數據采集實驗

實驗采用pulseEKKO PRO型探地雷達，配備兩種頻率(100、50MHz)的天線。為了實現高質量的數據采集，在測區內選取了一條長1km的實驗測線(圖4中藍線)對兩種頻率的天線進行了對比測試。實驗結果表明，100MHz和50MHz天線的有效探測深度分別約為7m和13m。根據實地情況和目標探測深度，本次探測選用50MHz的天線，采用連續測量模式，每測量10m即在數據中進行標記。全程通過人抬天線以正常步行速度向前移動(圖5)。詳細采集參數見表1。

圖5 探地雷達野外數據采集情景照片

表1 探地雷達數據采集參數

2.4 數據采集影響因素分析

探地雷達數據質量主要受兩個因素的影響，即采集參數和實驗區環境，如地形起伏、植被、鹽堿地和地下地層起伏等會嚴重影響探地雷達探測深度和數據信噪比。在野外采集工作正式開始前，首先進行采集參數的優選試驗，以確定合適的采集參數。本次實驗主要分析實驗區環境產生的影響。

2.4.1 地形起伏和植被覆蓋的影響

通常情況下，扇三角洲地區普遍存在地形起伏。實驗區地表存在較多山洪引起的沖溝，最大深度可達2m(圖2a)。此外，由于扇體前緣靠近湖泊，水源較充足，植被發育良好，整個實驗區灌木叢遍布，高度可達1～2m(圖2b)。沖溝和植被使天線無法保持勻速前進，且收發天線的間距和離地高度在探測過程中也無法保持穩定，這在探地雷達數據中體現為相同長度的測線所采集的數據量不同及直耦波的起伏。圖6是地形起伏和植被覆蓋區探地雷達數據剖面(經DEWOW(去除超低頻干擾)和增益處理)，圖中可見每兩個標記點之間的距離是10m，若天線保持勻速前進，每兩個黃色標記之間的數據量應該是相同的，但圖中綠線明顯比紅線更長，即標記點F3與F4之間的數據量大于標記點F2與F3。相同長度的測線包含不同的數據量會導致探地雷達剖面中地下結構沿測線方向的尺寸和位置失真。同時，標記點F3與F4間藍色橢圓圈內的直耦波有起伏，這是由于經過沖溝時，抬天線的人前后距離未控制好，收發天線之間的間距變小，引起直耦波的走時變短。直耦波的起伏會引起探地雷達剖面中深部同相軸產生相同幅度的起伏，導致地層形態失真。

2.4.2 鹽堿地的影響

鹽堿地在研究區普遍存在，是鹽湖水位下退后出露地表的，可見明顯的鹽堿物(圖2c)，鹽堿地的存在對探地雷達的探測深度會產生較大限制。圖7所示是任意選取的一條過鹽堿地的數據剖面，該剖面經DEWOW和增益處理。由圖可見，高鹽堿區在剖面中表現為深部反射能量弱，且同相軸相對變細，即數據頻率變高。在約第400道(圖中紅色豎線)數據之前，數據的頻率較低，深部同相軸較清晰，此時對應的地面沒有鹽堿物； 第400道以后的數據頻率明顯變高，并且由于電磁波穿透鹽堿物時產生了較大的能量損耗，天線接收到的反射波能量明顯變弱，使深部同相軸較模糊。雖然數據后期經頻率濾波可在一定程度上改善成像質量，但其效果仍無法達到地面沒有明顯鹽堿物區域的水平。因此，野外測量應盡可能避開地面有明顯鹽堿物的區域。

2.4.3 地下地層起伏的影響

研究區地下發育較多水道和壩體，淺部地層起伏較普遍，形成了很多間距小、起伏變化快的傾斜地層。由于電磁波呈球面傳播，若探地雷達天線正好處于傾斜地層上方且前方近距離處存在另一傾斜地層，則接收天線會同時收到當前傾斜地層和下一傾斜地層反射回來的電磁波。圖8是地下存在傾斜地層的探地雷達數據剖面，具有下列特征：①傾斜地層的反射軸與真實地層的傾斜角度不一致； ②傾斜地層的長度被放大； ③相鄰兩傾斜地層的同相軸發生交叉。數據解釋時以上問題會導致對水道和壩體的形態及尺寸產生錯誤的認識，且同相軸交叉會掩蓋地下真實的反射信號，形成探測盲區，無法進行地質解釋。

圖6 地形起伏和植被覆蓋區探地雷達數據剖面F1～F6是標記點； 剖面右側的深度是基于速度為0.09m/ns的計算結果，圖7、圖8、圖10～15同

圖7 過鹽堿地探地雷達數據剖面

圖8 地下存在傾斜地層的探地雷達數據剖面

3 扇三角洲探地雷達數據處理

針對探地雷達數據中經常出現的問題，主要有三種解決方法：調整采集參數，調整測線，后期數據處理。前兩種方法是在野外數據采集過程中實現的，本文主要針對合理的野外數據采集情況下數據中仍存在的問題進行討論。

本次野外實驗數據的處理流程如圖9所示。下文重點研究距離歸一化、偏移和靜校正技術，因為這三種數據處理手段可以較好地解決探地雷達在復雜環境下進行沉積結構精細探測中的常見問題。

3.1 距離歸一化

由于地形起伏和植被的影響，天線不能保持勻速前進，導致相同距離采集到的數據量不同，在數據解釋時無法準確給出水道和壩體的寬度信息。為保證地下結構沿測線方向解釋結果的準確性，采用網格插值方法，使每10m距離包含相同的數據量。首先讀取100m的數據剖面中每10m距離包含的數據道數，以數據量最多的10m為基準，隨后對其余的90m數據分別進行網格插值，使每個10m距離內的數據量與該剖面中數據量最多的10m相同。圖10所示是距離歸一化前、后的數據剖面，可以看出，處理前F4與F5之間的距離(圖10a中紅色線條)較F5與F6之間距離(綠色線條)小； 處理后(圖10b)，相同的測線長度包含相同的數據量。可見經過距離歸一化處理后，地下結構的相對尺寸更加真實可靠，提高了后期地質解釋的準確性。

圖9 探地雷達數據處理流程

圖10 距離歸一化前(a)、后(b)探地雷達數據剖面

3.2 偏移處理

偏移處理主要針對探地雷達數據中的兩種情況：①地下存在點源異常體(如孤石)時，點異常在自激自收剖面中形成繞射雙曲線； ②地下地層傾斜時，自激自收剖面中同相軸位置與地層的真實位置存在偏差。

實驗區發育很多水道和壩體，且間距較小，一個水道或壩體類似于兩個傾向相反的傾斜地層的組合體。傾斜地層對探地雷達數據的影響已在前文進行了詳細說明。為了提高探地雷達數據剖面的分辨率，獲得地下目標區域的真實空間信息，需要進行偏移處理，將同相軸歸位到真實的位置。對本次采集的實驗數據，優選克希霍夫偏移方法，該方法通過將分散于雙曲線兩葉的能量匯聚于其頂部來提高剖面的空間分辨率[25-26]。對偏移前的數據剖面(圖8)進行偏移處理，結果見圖11。可以發現，圖8中紅色橢圓圈內同相軸交叉的情況在圖11中明顯減弱，反射波得到了很好的歸位和收斂。前期由于同相軸交叉而被掩蓋的反射信號經偏移處理后得以清晰體現(圖11中黃色箭頭所示)。此外，經偏移處理后的數據剖面可對水道和壩體的邊界進行準確定位(圖11中紅色曲線)，為后期地質解釋提供可靠信息。

圖11 圖8經偏移處理的數據剖面

3.3 靜校正

靜校正的主要目的是消除地形起伏對數據的影響。研究區扇面平均坡角為0.029°，測線長度達數千米，南北向測線整體存在約150m的高差； 東西向測線上有山洪形成的沖溝，導致局部地形起伏較大。因此，需要進行靜校正，即：將地形高差根據電磁波在地下介質中的傳播速度轉化為對應的旅行時，并從原始數據中減去(或加上)由于地形產生的旅行時，即可消除地形起伏的影響[27]。

選取一條經過植被覆蓋且存在較多沖溝的測線片段(位置見圖4粉色線條)，其探地雷達數據剖面見圖12a，靜校正后的剖面見圖12b。可見經靜校正后，剖面上時間零點的軌跡(圖12b中紅色曲線)與實際地表形態基本一致，表明地形影響被很好地消除了。地形起伏的影響消除后，同相軸的形態可較客觀地反映地下結構的形態和起伏。

圖12 靜校正前(a)、后(b)探地雷達數據剖面

4 地質解釋

通過對希里溝湖扇三角洲設計合理的探地雷達數據采集方案，并選取針對性的數據處理方法，取得了以下幾點地質成果： ①實現了地下13m深度內的沉積結構精細探測； ②探地雷達剖面整體分辨率較高，可清晰地識別構型組合方式； ③對水道和壩體邊界進行了亞米級精度的定位，并對水道和壩體尺寸進行了定量描述。下面以圖4中的三條測線(L1～L3)片段為例，分別從順物源方向及橫切物源方向對探測結果進行詳細展示。

順物源方向，從L1線中湖岸線附近(過圖4中紫色圓點)的數據剖面(圖13)可以看出，頂積層剝蝕形成的前積結構得到了高質量表征，見圖13中綠色區域所示。

橫切物源方向，扇三角洲下平原區域，通過分析L2線與L1線交叉處(過圖4中綠色圓點)的剖面(圖14)可以看出，水道與壩體呈現側向拼接關系，水道2為卸載遷移型水道，壩2為遷移型壩體，水道與壩的結構關系說明扇三角洲下平原水道和壩體遷移頻繁。此外，由于壩2對水流的阻礙作用，水道發生分支，最終形成了壩2上方的兩個水道(水道1和水道2)的構型組合方式。通過對探地雷達數據剖面進行精細解釋，拾取水道和壩體邊界的電磁波雙程旅行時，再利用共中心點道集數據求取該區域電磁波速度，可對水道和壩體的邊界進行亞米級精度的定位。

橫切物源方向，在扇三角洲內前緣區域，通過分析L3線中扇體東北側(過圖4中藍色圓點)的數據剖面(圖15)，可以清晰識別出水道和壩體形態，水道與壩體的側向拼接以及水道間的垂向疊置關系得到清晰的呈現。同時，可以推測得到以下結論：壩1頂部的水道1是由小規模的洪水剝蝕作用形成的； 壩1與壩2早期為一個整體，由于陣發性洪水形成了深度達9m的水道2，因為通常情況下內前緣區域水動力較弱，難以形成大深度的水道； 水道3與水道4分別形成于兩次洪水活動，在剖面上表現為垂向疊置的組合方式。根據圖15的解釋結果并考慮圖4中藍色圓點所處位置，可見附近區域出現多條洪水形成的沖溝，可知該區域的沉積結構受洪水影響較大。

圖13 希里溝湖扇三角洲湖岸線順物源方向構型樣式(圖4中L1線紫色圓點位置)

圖14 希里溝湖扇三角洲下平原橫切物源方向構型樣式(圖4中L2線綠色圓點位置)

圖15 希里溝湖扇三角洲內前緣橫切物源方向構型樣式(圖4中L3線藍色圓點位置)

進一步，對上述剖面中水道和壩體尺寸進行定量描述，結果見表2和表3。通過對比分析可知，內前緣區域的水道寬深比相對較大，壩體寬高比相對較小，這是因為該內前緣區域受洪水影響較大。因此，進行扇三角洲儲層結構建模時應充分考慮洪水的作用。受洪水活動影響較大的前緣區域，其中規模較大的儲層構型會被破壞并帶入分選和磨圓較差且雜基含量高的沉積物，不利于形成大規模的優質儲層。綜上所述，受洪水影響較小的前緣區域具有形成大規模優質儲層的潛力，應將其作為儲層建模的重點。

表2 下平原水道及壩體規模統計

表3 內前緣水道及壩體規模統計

5 結論

以沖積扇、扇三角洲為主的粗粒沉積扇體具有巨大的油氣勘探潛力。利用探地雷達可進行快速、高分辨率的連續探測，精細解剖扇三角洲淺部沉積特征。本文利用探地雷達對青海希里溝湖扇三角洲內部結構進行探測，針對復雜環境下采集的探地雷達數據進行距離歸一化、偏移和靜校正處理，有效提高了探測結果的可靠性。通過對比處理后的探地雷達數據剖面進行精細解釋，實現了水道和壩體邊界亞米級精度的定位，并進一步對水道和壩體尺寸進行了定量描述，闡明了洪水對扇三角洲儲層結構和儲層規律的影響。最終獲取的現代扇三角洲淺部精細沉積結構，為埋深數千米的古代扇三角洲儲層建模提供了必要的精細構型組合規律和定量地質信息。