三瞬属性在南黄海第四纪地震地层分析中的应用

赵维娜，张训华，吴志强*，密蓓蓓，陈珊珊

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；3.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071;4.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071)



三瞬属性在南黄海第四纪地震地层分析中的应用

赵维娜1，2，3，张训华2，3，4，吴志强2，3，4*，密蓓蓓2，3，4，陈珊珊2，3，4

(1.中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100；2.青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071；3.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室，山东 青岛 266071;4.国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室，山东 青岛 266071)

摘要：浅剖和单道地震是大范围研究新近纪以来沉积特征的主要技术方法，由于地震资料分辨率的限制，往往只能划分大的沉积单元，不能识别亚相、微相等，而地震资料的瞬时属性可以更加精细地刻画地层信息。基于2013年在南黄海陆架获得的单道地震资料，对南黄海中西部海域第四系进行了分析，并利用单道资料的三瞬属性对地层进行地震地层单元划分、沉积环境分析，总结出该区域不同沉积相的三瞬波阻特征。研究结果表明，在测线的Qc2钻孔位置处，根据三瞬属性在海底以下74.64 m深度内划分了7个地震地层沉积单元，并划分出多个亚相。它所反映的沉积相与该区已知Qc2钻孔的地层对应度较高。瞬时相位较为清楚的显示地下地层的接触情况，更好地展示了地震层序在空间上的关系，解决了该测线在常规地震剖面上无法清晰、精细识别沉积相的问题。三瞬属性的应用可以在缺少钻井资料时提高在地震资料剖面划分地层、识别接触面的能力，为大陆架科学钻探项目中未知井位选址提供参考。

关键词：瞬时相位；瞬时振幅；瞬时频率；第四系划分

1引言

20世纪80年代以来，经过大量的基础调查，南黄海第四系的研究得到快速发展。通过海底表层样[1—2]、柱状样采集[3—5]及地球物理勘察[6—9]等方法，在南黄海地区获得大量数据，许多学者详细研究了晚更新世以来的沉积环境、沉积单元以及海进、海退事件[10—15]。第四纪南黄海海进、海退频繁，区域内第四系并不连续，海进期地层基本完整，而海退期往往存在较大的侵蚀间断。南黄海自晚上新世以来整体下降，第四纪经历了8个高海面时期，河流物质供应以及海洋动力环境等多因素影响，直到全新世海进才形成现代的地貌格局。

由于钻孔采样、海底沉积物样品及测年等资料调查范围的局限性，浅剖与单道地震勘探是大范围研究新近纪以来沉积特征的主要技术方法，具有纵向、横向分辨率相对高，覆盖范围广特点。但理论研究表明：只有当目标地质体的厚度达到或者超过地震子波波长1/4时，常规地震资料才能较好地揭示它的各项要素。例如大段砂、泥岩薄互层一般不能形成独特的地震反射特征，受地震信息多解性的限制，仅在单道地震剖面上进行沉积地层序列识别，存在分析误差大的缺陷，同时也浪费了地震信号中存在的大量其他信息。利用常规地震剖面通常只是一级沉积相划分，往往不能达到亚相、微相等精细识别地层及沉积环境分析要求，若无钻井资料，则限制了大范围更精细的研究工作的开展。而三瞬属性是从地震数据中提取的属性，尤其是瞬时相位属性，分辨率较高，可以实现沉积单元亚相及微相的识别。

基于此，本文开展了单道地震数据的三瞬属性研究及应用等工作，这在中浅地层解释方面的应用十分罕见。通过南黄海中西部单道地震数据三瞬属性特征分析，研究沉积地层垂向分布结构，总结该区域层序中不同沉积相的波阻特征，并通过已知钻井Qc2验证，根据验证后的地层序列，分析其沉积环境。据此方法，可追踪属性剖面，预测该测线对应区域其他位置地层信息，为全区地震层序与地层单元划分、钻探井位的部署提供更为精准的参考信息。

2区域地质背景

南黄海(图1)位于我国大陆与朝鲜半岛之间，是一开阔的浅海。西依我国山东和江苏两省，东部毗邻朝鲜半岛，北部以成山角与韩国半岛长山串一线为界与北黄海相接，南面以启东嘴与济州岛的连线和东海分界，是我国东部陆缘海的一部分[17]。海底地形东西呈不对称分布，东陡西缓，地形由两侧向中央倾斜。海洋动力环境复杂，有长江、黄河以及其他中小河流的陆缘物质供应[18—21]，区内沉积了大量来自于周边大陆的沉积物，南黄海的沉积是大陆和海洋共同作用的结果。

图1　研究区域(据参考文献[16]修改)Fig.1　Survey region (modified from reference[16])

3方法与资料

复地震记录道技术[22]是通过Hilbert变换得到该地震信号的瞬时相位、瞬时频率及瞬时振幅等瞬时属性(简称三瞬属性)。三瞬属性具有分辨率高、反映地震信号的局部变化情况的特点，通过分析振幅、频率和相位特征的变化，可识别地层的接触关系、岩性结构和岩相变化等信息。地震勘探工作者对地震信号的复地震道做了大量的研究[23—30]，并将地震瞬时属性应用在岩溶勘察[31]、薄互层分析[32—33]、地震雷达工程[34—36]以及储层预测[37—38]等方面。

瞬时相位是同向轴连续性的量度，当信号通过的介质是各向同性均匀存在时，它具有连续的相位；当信号的传播途径是有异常存在的介质时，在异常位置相位将发生显著变化，显示在剖面中是瞬时相位明显不连续。瞬时相位与瞬时振幅无关，无论信号能量强弱，相位都能显示出来，用来辨别地下异常和地下分层。通过瞬时相位，可以看出地层间的接触关系，研究追踪反射“平点”、超覆及尖灭等岩性圈闭，利用这一特性检测异常变化，应用到小层的识别划分及等时对比上，有很大的应用价值。瞬时频率反映组成地层的岩性及层序变化，有助于识别地层。例如，含油气薄储集层在瞬时频率剖面上将会出现主频偏高、偏低现象，并且具有周期性显示[39—40]；瞬时频率的异常增高也是地层变薄的标志。瞬时振幅是地震波强度的量度，主要反映反射波能量上的变化，与该时刻信号总能量的平方根成正比，可以突出特殊岩层的变化，进而判断出与岩性有关的地质体；不同频率成分的瞬时振幅周期不同，瞬时振幅的高频成分震荡周期大，表现出强振荡、不稳定，可以识别出较薄地层；瞬时振幅的低频成分震荡周期小，表现为弱振荡、较稳定，反映的是较厚地层特征及较大级别层序地层单元特征[41]。同时在剖面中，通过跟踪瞬时振幅同相轴，分析振幅振荡周期变化及幅度差异，可划定不同级别的地层沉积单元，为识别多个层序级别地层单元提供参考信息。

本文中使用的是Qc2钻孔分析结果和2013年海洋地质研究所在南黄海采集的单道数据，其中WE2测线(测线两端点坐标分别为34°17′51″N， 122°30′06″E和34°18′07″N， 122°03′58″E)与SN5(测线两端点坐标分别为34°30′35″N， 122°14′12″E和34°06′22″N， 122°16′58″E)相互垂直且都经过Qc2钻孔。南黄海Qc2孔(图1，1984年由青岛海洋地质研究所施工，孔位坐标为34°18′N，122°16′E，深度108.8 m)揭示了Olduvai亚时以来沉积地层，这一钻孔地层层序完整，海进事件在中国东部陆架具代表性。根据处理后的高分辨率地震剖面(图2，图3)较精细标定200 ms以内地震地层层序比较困难，若无钻孔信息，识别接触面更是困难(文中所出现时间均为双程旅行时)。

图2　WE2单道地震测线Fig.2　WE2 single channel seismic line

图3　SN5单道地震测线Fig.3　SN5 single channel seismic line

4地震地层单元三瞬属性分析

将WE2、SN5高分辨率地震数据做瞬时属性分析，本文沉积地层所使用时深转换平均速度为1 680 m/s。图4是WE2在钻孔及其周边位置地震信号，炮点号：1 491～1 511，数据分析时间区间：80～185 ms；图5是SN5在钻孔及其周边位置的地震信号，炮点号：1 625～1 645，数据分析时间区间：80～185 ms。图4、图5中虚线表示本次在沉积相内部识别出的地层接触面，在瞬时相位剖面上其分辨率明显提高。文中以瞬时相位属性为主，参考瞬时振幅及瞬时频率，在85～185 ms之间依次识别出海相、陆相等7个沉积相并画出多个次级接触面，与Qc2(在WE2测线上炮点号：1 500，在SN5测线上炮号1 635)信息匹配良好。

图4　WE2测线Qc2钻孔位置地震信号Fig.4　Seismic signal of WE2 in the Core Qc2

图5　SN5测线Qc2钻孔位置地震信号Fig.5　Seismic signal of SN5 in the Core Qc2

双程反射时间85 ms处是海底，85～105 ms区域的瞬时相位同相轴连续、成层性良好、中上部水平层理发育，底部呈现波状，整体频率较低，呈现强振幅，将其划分为海相Ⅰ。在该时间段内，沉积环境稳定，但在瞬时相位90 ms、95 ms以及102 ms有明显的接触面存在，90 ms位置瞬时频率明显增高，体现沉积环境发生变化可继续划分为4个亚相，依次命名为Ⅰ1(85～90 ms)、Ⅰ2(90～95 ms)、Ⅰ3(95～102 ms)、Ⅰ4(102～105 ms)。若是只有常规单道剖面，则只能分辨该时间段是一个沉积相，无法识别出4个亚相。与Qc2钻孔代表冰后期以来的海相沉积地层0～17.84 m段对应，它包括了整个全新世海相地层，沉积地层的分布和岩性特征主要受全新世以来的潮流动力因素控制，该层的上部以潮流砂为主，粒度相对较粗[42]，在钻孔记录中深4.2 m、16.08 m有两个侵蚀接触面对应瞬时剖面中的90 ms、102 ms。但95 ms处沉积环境变化的特征在Qc2钻孔中并未找到与之相对应接触面，可能的原因是人类活动的影响，使河流等的输沙量增加或者相对与河道稳定相相关的沉积堆积的相对降低。根据钻孔资料，4个亚相对应沉积相岩性由古至今依次为粉砂质黏土、黏土质粉砂、潮流砂及黏土。

双程反射时间105～110 ms部分高频成分位置出现强振幅，在瞬时相位图中这一单元沉积特别复杂，说明该时段沉积动力较大识别为陆相Ⅱ。与Qc2钻孔中的17.84～21.78 m之间的地层对应，属于河流相。末次冰期盛冰期全球海平面比现在低约130 m[43]，整个南黄海出露成陆，其上河流、湖泊发育，在南黄海陆架上发育了宽阔的河道带[42—44]，因此在相位图中有同相轴下切，反射杂乱的现象，并且是多次下切，瞬时频率在上下接触面上出现高异常，中部较低。

双程反射时间110～120 ms区域瞬时相位同相轴整体连续，将其划分为海相Ⅲ，可对应Qc2钻孔的21.78～29.07 m段的地层。

双程反射时间120～124 ms区域瞬时相位图中成层性极差，轴错综复杂，有小的透镜结构呈现，瞬时频率谱上表现为低频信号，标定为陆相沉积Ⅳ，对应于Qc2孔中29.07～33.32 m沼泽相，该单元底部在浅地层剖面中出现的下切河道也可在瞬时相位图中清晰辨别。

双程反射时间124～157 ms区域瞬时相位整体呈现波状层理，中部有块状结构呈现，将其划分为浅海相Ⅴ，是在水动力条件强弱交替的情况下形成的。根据瞬时相位中的接触关系，识别两个接触面，分别是130 ms和150 ms位置。将划分出的3个亚相命名为Ⅴ(124～130 ms)、Ⅴ2(130～150 ms)、Ⅴ3(150～157 ms)。在Qc2孔深度33.22～62.05 m段的描述中，波状纹层、透镜状层理及平行纹层交替出现，岩性以粉砂质黏土和泥质粉砂为主，中部主要是块状黏土。孔资料显示深37.45 m和54.66 m处有侵蚀接触面，分别对应已在时间剖面上的识别出的双程反射时间130 ms及150 ms处接触面，瞬时相位剖面中157 ms(62.05 m)附近的沉积相底部侵蚀槽成像清晰。

双程反射时间157～160 ms区域在瞬时相位剖面中成层性较差，同相轴弯曲，有脉状层理、透镜状层理发育等特点，划为陆相沉积Ⅵ。与Qc2孔中对应62.05～63.70 m段的地层，这一地层中岩性以粉砂、细砂与粉砂质黏土为主，可见铁结核，该段特征与双程反射时间120～124 ms段特征相似，瞬时相位具有透镜状结构、低频信号；区别在于该段的瞬时相位成层性稍优于双程反射时间120～124 ms段。在前人的研究中将这一单元划分为泛滥平原相[15]。

双程反射时间160～174 ms区域同向轴连续、有水平层理发育，频率较高，是非常明显的海相沉积层，命名为Ⅶ。在瞬时相位剖面中双程反射时间169 ms位置有一接触面将此海相层一分为二，以Ⅶ1(160～169 ms)、Ⅶ2(169～174 ms)命名该亚相，两个亚相接触面处具有高值瞬时频率。Qc2孔对应深度为63.70～74.64 m，以粉砂为主，还含有细砂、黏土与粉砂质黏土，钻孔分析为中更新世明德-里斯间冰期早期形成的海相地层，同时钻孔71.67 m(对应瞬时相位剖面中169 ms)处的侵蚀接触面再次印证了瞬时相位对接触面的识别能力。

通过对Qc2孔单道地震数据三瞬属性的研究，总结出该孔不同地层所对应的三瞬属性特征(表1)。

表1　不同沉积相的三瞬属性特征

综上所述，根据单道地震瞬时相位剖面特征，参考瞬时频率和瞬时振幅划分的沉积相，与Qc2钻孔信息对比发现两者对应较好，完成了常规地震剖面WE2、SN5浅部较困难的精细识别工作。根据接触面的关系继续完成了对大的沉积单元的再次划分，实现亚相、微相等精细识别地层及沉积环境分析要求。

5结论

(1)从瞬时相位剖面中清晰的识别出7个主要的地震地层单元以及9个亚相，与该区已知井位的地层对应度较高，实现了从分辨率较差的地震剖面弱反射波中识别地层单元。瞬时相位较为清楚的显示地下地层的接触情况，更好的展示了地震层序在空间上的关系，在沉积地层接触面上瞬时频率有异常增高或降低，基于单道地震信号的三瞬属性对沉积相中接触面具有较强的识别能力。

(2)利用三瞬属性对地质体识别、地层层序划分具有重要意义，通过这一方法提高了在单道地震剖面上划分地层、识别接触面的能力。在无钻井及缺少浅剖资料区，以瞬时相位为主，参考瞬时振幅和瞬时频率，利用已知地层信息分析未知区域。可实现对预选井位处地层信息预分析，辨别钻孔有利区，为钻探井位的部署提供准确的参考信息。

(3)三瞬属性对地震资料信噪比要求较高，所用资料应先进行高分辨率处理。不同沉积相的三瞬属性呈现不同特征，海相单元的瞬时相位同相轴连续，大部分呈水平层理；陆相单元瞬时相位成层性差，同相轴杂乱。但此三瞬属性特征仅来源于Qc2钻井，如需得到更加精准的特征，还需要对大量井位进行分析总结。

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Application of three instantaneous attributes in the analysis of Quaternary seismic strata in the southern Yellow Sea

Zhao Weina1，2，3， Zhang Xunhua2，3，4， Wu Zhiqiang2，3，4， Mi Beibei2，3，4， Chen Shanshan2，3，4

(1.CollegeofMarineGeosciences，OceanUniversityofChina，Qingdao266100，China; 2.QingdaoInstituteofMarineGeology，Qingdao266071，China; 3.LaboratoryforMarineMineralResources，QingdaoNationalLaboratoryforMarineScienceandTechnology，Qingdao266071，China；4.KeyLaboratoryofMarineHydrocarbonResourceandEnvironmentalGeology，MinistryofLandandResources，Qingdao266071，China)

Abstract:Single channel seismic and shallow profiles are the main methods to research sedimentary features with a wide range since Cenozoic. Because of the limited resolution of seismic data， only larger sedimentary units can be recognized. It is difficult to divide the sub-facies and micro-facies. However， three instantaneous attributes can be more refined to describe the formation information. Based on the data obtained in 2013， which is belong to the Southern Yellow Sea， is used to analyze the Quaternary， recognize the seismic stratigraphic units， talk about the sedimentary environment and summarize the wave characteristics with instantaneous attributes. The research results show that the layer which is in 74.64 m depth below the seafloor are divided into 7 seismic stratigraphic sedimentary units and more sub-units at the Core Qc2 in the WE2 line according to the three instantaneous attributes. The instantaneous phase displays the contract of stratum clearly and the relationship of sequence in space better， solving a worse recognition in the seismic profile. The Quaternary sedimentary based on instantaneous attributes’ partition matches well with Core Qc2， which is in the same location. The study found that the application of three instantaneous attributes could enhance the ability to identify the contact surface in the profiles with the absence of drilling data and provide reference to well location of the plan in the Chinese continental scientific drilling．

Key words:instantaneous phase; instantaneous amplitude; instantaneous frequency; the Quaternary division

收稿日期：2015-07-29；

修订日期：2016-01-27。

基金项目：大陆架科学钻探项目(GZH201100202)；国家重点基础研究发展规划项目(2013CB429701)。

作者简介：赵维娜(1988—)，女，山东省新泰市人，主要从事海洋地球物理研究工作。E-mail:ouczwn@163.com *通信作者：吴志强(1964—)，男，河北省青县人，研究员，主要从事海洋油气地球物理勘探研究工作。E-mail:wuzq_1964@163.com

中图分类号:P738.4

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)07-0117-09

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