石油地震资料在隐伏活断层探测中的应用——以松原活断层探测为例

尉　洋　沈　军*　于晓辉　吴晓歌

1)中国地震局兰州地震研究所， 兰州　730000 2)防灾科技学院， 河北三河　065201 3)西南石油大学， 成都　610500



石油地震资料在隐伏活断层探测中的应用
——以松原活断层探测为例

尉洋1，2)沈军1，2)*于晓辉2)吴晓歌3)

1)中国地震局兰州地震研究所， 兰州730000 2)防灾科技学院， 河北三河065201 3)西南石油大学， 成都610500

介绍了松原地区石油地震资料的主要特点和信息提取的基本方法。通过对松原地区不同界面的t0等值线资料和二维地震剖面的处理与分析， 综合平面与剖面的构造解释成果， 查明了研究区主要断层的展布特征， 为该地区主要断层活动性的初判提供了依据。利用深、 浅地震资料叠加的方式， 自下而上结合钻孔探测， 厘定了目标断层的活动时代。

活断层探测隐伏断层地震勘探松原

0　引言

1　研究方法

地震勘探方法是探测地下地质构造的有效手段， 对城市隐伏断层的定位主要采用地震反射波方法(刘保金等， 2002)。反射地震法是一种高分辨率探测细结构的方法， 按照探测目的层深度的不同， 又可分为浅层、 中深层和深层反射地震探测， 这些方法对于判别断层的浅部位置以及断层向深部的延伸状况起着不可替代的作用(方盛明等， 2002， 2006； 邓起东等， 2003， 2007)。但是， 深部探测费钱、 费时、 费力， 具体到对各探测城市而言， 深层探测做不做？怎么做？是1个需要仔细思量的问题， 要综合考虑以往的研究成果， 本地的地震强度、 经费投入情况和实施探测的客观条件来决策(汪一鹏， 2004)。松原市地处松辽盆地南部的油田区， 吉林油田在该区开展了大量的以储油构造探测为目标的地震勘探， 其详实的三维地震资料对于揭示白垩纪地层的构造及演化特征具有重要作用。这些资料不但可替代中深层反射地震勘探工作， 还可为该地区的活动断层探测提供重要依据。课题组分析处理了3幅覆盖研究区的不同时间界面(T04T1T2)的地震构造图和数条二维石油地震勘探剖面图以及二维测线分布平面图等资料(图1)， 得到了断层的平面展布及其在二维剖面上的主要特征， 为目标断层的定位及活动性初判提供了有效途径。

1.1界面等值线构造图

根据地震时间剖面上界面反射波到时(即t0时)可绘制与其对应的地层界面等值线构造图。等值线构造图可直观显示地下地层界面的起伏变化形态和相应地质时代的构造特征。研究区构造图的制作使用了经过三维偏移的数据体， 因此， 其反映的地下构造平面位置更为准确， 也便于同二维时间剖面进行构造比对分析和追踪解释。收集到的3幅等值线构造图由浅到深分别为T04反射界面(下白垩统嫩江组4段底面反射)、 T1反射界面(下白垩统嫩江组1段底面反射)和T2反射界面(下白垩统青山口组底面反射)。分别对3幅平面图进行空间配准， 赋予图像地理坐标， 并选取一定数量的控制点对配准后的底图做进一步的几何校正， 以此对底图资料的精度和质量加以控制。图1 给出了研究区T1反射界面的等值线构造图。由图可以看出， 地下隆起与凹陷边界处的等值线较为密集， 反映了该处的界面倾角变陡。 其中， 在构造迹线标记处多呈陡坎状， 等值线的延伸方向即为陡坎的走向。综合3幅不同时间界面构造图上对应构造的延伸变化， 将目标断层限定在具备一定连续性和延续性的主要构造迹线上， 作为剖面解释的重点分析对象。

图1　研究区石油地震资料分布图Fig. 1　Distribution map of petroleum seismic data in the study area.图中反映了T1界面(下白垩统嫩江组1段底面反射)等时线地震构造， 暖色区域为隆起区， 冷色区域为凹陷区；在平面图中， 等值线密集、 色调陡变处， 相应剖面显示断层两侧反射同相轴变化特征明显； 黑色线框为图3、 图4的位置

1.2二维石油地震勘探剖面

地震剖面是地质剖面的地震响应； 地质信息的提取， 尤其是构造信息的提取是地震剖面解释的主要工作。按照地震剖面解释的一般方法， 首先是反射标准层的确定。确定地震反射标准层的方法一般包括2个方面， 其一， 是依据地震反射标准层的基本条件在剖面上自上而下地选择良好的反射层； 其二， 是结合各项地质资料给已选的反射波同相轴确定准确的地质层位(孙家振， 2002； 刘天佑， 2007)。依据平面解释结果中的主要构造迹线， 选取了研究区内针对性较强的横跨主要构造迹线的50多条地震剖面进行对比分析。利用石油工区钻井提供的地质分层数据和平均速度参数进行了时-深转换， 并把地质分层结果标定到时间剖面上， 从而确定了反射同相轴所对应的地质层位。在明确了标准层后， 再将断层、 构造、 不整合面等地质现象标记出来(姚姚， 2006)。从反射剖面来看， 大部分断层在时间剖面上的特征是显著的， 如： 1)反射波同相轴出现明显的中断与错位(图2a)； 2)反射波同相轴数目明显增减或消失， 波组间隔突然变化， 在断层的下降盘地层变厚， 而上升盘地层明显变薄， 甚至缺失(图2b)； 3)反射波同相轴出现强相位反转以及同相轴发生分叉、 合并、 扭曲等变化； 4)反射波同相轴产状和反射波能量突然变化(图2c， d)； 5)出现异常波(如绕射波、 断层面反射波等)； 6)断层引起的多个反射波组的一致性变化， 及断层向深部的延伸性。通过同一条断层在不同剖面上特征的追踪、 对比可将各剖面上所确定的地质现象在平面上与t0等值线构造图统一起来， 从三维的角度反映出地下构造的真实形态。

图2　断层剖面的典型特征Fig. 2　Typical characteristics of fault profiles.a 反射波同相轴明显中断与错位； b 断层的下降盘地层变厚而上升盘地层变薄； c 反射波同相轴反射波能量突然变化； d 反射波同相轴产状突然变化

1.3中深、 浅层地震资料的衔接

受石油地震勘探的深度区间和观测系统参数的限制， 在石油地震剖面200ms以上基本没有地层反射， 目标断层缺少向浅部延伸的证据。一些前第四纪断层尽管可在地震剖面上判别出来， 但要得到目标断层的浅部信息， 则需利用浅层地震勘探方法。为使浅层地震勘探资料能较好地与石油地震剖面资料的分析成果相结合， 浅层地震测线的布设过程主要从2个方面进行控制： 1)利用原图提供的地理坐标进行了空间配准后， 选取均匀分布在研究区内的多条剖面交点坐标对图像进行了几何校正， 从而为浅层地震勘探的布线工作提供了精度较为可靠的定位信息。2)在断层迹线绘制时特别考虑了断层产状对断层向上延伸至地表后造成的位置 “偏移”问题， 从而确保了在长度有限的浅层地震剖面上准确 “捕捉”到目标断层及其上断点。浅层地震勘探工作由中国地震局地球物理勘探中心实施， 经现场试验， 确定的观测系统参数为： 道间距2m和3m、 60Hz地震检波器150道接收、 15次CMP覆盖。数据采集使用SUMMIT数字地震仪， 采样率0.5ms， 记录长度2,048ms。地震波激发采用M615-18型可控震源， 扫描长度8s， 扫描频率范围30～180Hz， 采用上述的工作方法和采集参数获得了信噪比较高的浅层地震资料。

图3　扶余北断层综合探测图Fig. 3　Comprehensive detection map of the north Fuyu Fault.下部右侧所示区域见图1 黑框， 为该区域T2反射层等值线构造图， 其中蓝色虚线为目标断层迹线， 黑色长线为石油地震剖面线，棕色短线为浅层地震勘探测线； 白色虚线为来自前人资料的第二松花江断层推测迹线(李传友等， 1999； 杨清福等， 2010)， 在二维剖面的解释过程中并未发现该区域具可追踪的NW向断层的存在。上部依次排列该区域黑线所示二维剖面， 红色虚线为断层上断点连线迹线。下部左侧为其中1条石油地震剖面

2　资料应用

2.1目标断层的确定与定位

应用以上的研究方法在研究区内共确定了5条在剖面及平面资料上均有明显特征的断层。图3 给出了横跨扶余北断层的15条SN向石油地震剖面， 图中显示1条近EW向的断层在不同剖面上依次可见， 断层在剖面上的形态特征明显且具备连贯性， 可以确定为同一条断层在不同剖面上的显示。断层自西向东逐渐向N偏移， 并逐渐由明显的断层过渡为褶皱， 浅部地层由错断的形态转变为变形未断， 表明断层的规模自西向东逐渐变小， 断层活动性逐渐变弱。这1剖面特征在3幅不同反射界面的等值线图上表现为1组EW走向的密度明显增加的等值线组(图3 下右)， 并且由西向东逐渐平缓。通过将各剖面中T2、 T1、 T04层的中断位置向剖面图中依次投影， 比对各标记点与反射界面等值线平面图中的断层迹线， 可得到较好的对应关系， 再将各剖面上的断层点依据既有视倾角向地表延伸， 将延伸后的断层位置标记在平面图中， 便得到了扶余北断层在地表附近的位置。断层迹线显示， 扶余北断层是1条走向近EW、 长约23km的隐伏断层。

孤店断层的确定方式与扶余北断层的确定方式类似， 由于孤店断层在3幅等值线平面图中均具有明显的等值线陡变特征， 结合跨断层的8条二维地震剖面可见一系列特征明显的断层依次对应在每条剖面上。其中1条切过孤店断层转弯处的SN向剖面也将这一特征反映在剖面上。利用与扶余北断层迹线绘制相似的方法， 得到1条全长近70km的折线状断层， 即孤店断层(图4)。

图4　孤店断层综合探测图Fig. 4　Comprehensive detection map of the Gudian Fault.图中所示区域见图1 黑框， 左侧为该区域T04反射层等值线构造图， 其中蓝色虚线为孤店断层迹线， 黑色长线为石油地震剖面线， 棕色短线为浅层地震勘探测线； 右侧依次排列该区域黑线所示二维剖面， 红色虚线为断层上断点连线迹线； 左下为其中1条SN向石油地震剖面

2.2目标断层活动性分析

采用浅层地震勘探方法得到了各目标断层的上部反射信息。在进行资料的分析解释时， 在纵向上， 利用时间剖面上同一双程走时对应同一深度这一特点， 将浅层地震勘探剖面与石油地震勘探剖面相叠加。在横向上， 利用浅层地震剖面各桩号坐标投影至石油地震剖面的相应桩号， 实现深、 浅剖面信息的 “叠合”。如图5所示：

图5　石油地震与浅层地震 “叠合”剖面Fig. 5　The stacked profile of deep and shallow seismic data.

剖面显示有2条显著的断层分别位于剖面北侧和中部。其中北侧断层为扶余北断层， 是此次研究区内通过石油资料确定的1条重要断层。剖面中的断层具有较为典型的 “下正上逆”特点(刘见宝等，2010)， 并在多个石油剖面上均具有可追踪的相似特征。但这一特征与松辽盆地中NE—NEE向断层的典型特征稍有不同(方立敏等， 2003)， 由于断层展布为近EW向， 剖面揭示其走滑特征更为明显。 作为隆起与凹陷区的边界， 扶余北断层的断面倾向在构造反转过程中发生了较为明显的转变， 由反转前的N倾转变为反转后的S倾， 并在浅部较软地层中形成反转褶皱构造， 故解释断层线在浅部以虚线表示。

中部断层为此次石油资料分析过程中发现的与扶余北断层近平行展布的次级断层江北断层。该断层同样在若干石油剖面上具备可追踪的相似特征， 但其正、 逆性质在剖面上的显示并不统一。 这一特征一方面与断层兼具走滑性质有关； 另一方面由于其位于隆起内部， 反转变形特征较前者稍弱， 逆冲的位移量相对较小， 未明显超过早期的正断位移量， 断层在多个剖面上整体特征表现为正断， 浅部稍有逆断特征。

(1)红岗断层(图6a)作为典型的松辽盆地反转构造、 盆地后期挤压作用形成的挤压构造叠加在早先的伸展裂陷作用下的半地堑、 地堑系统之上(宋鹰， 2010； 余中元等， 2015)， 在石油地震剖面上表现为深部正断， 浅部逆断的 “下凹上凸”特点， 断层两盘标志地层显示挤压反转造成的逆断位移超过了上部地层前期的正断位移却又小于下部地层前期的正断位移。随着断层向浅部的延伸， 反射同相轴逐渐由错断转变为变形， 在300ms处被1连续、 平整的强反射轴覆盖。利用钻孔标定的反射同相轴信息可知， 该强反射层为第四系底界， 剖面显示第四系未受断层扰动。因此可得出红岗断层为前第四纪断层的结论。

图6　深、 浅资料联合剖面图Fig. 6　Composite profiling map of deep and shallow seismic detetion data.a、 b、 c、 d分别为横跨红岗断层、 孤店断层、 江北断层和扶余北断层的石油地震剖面；1、 2、 3分别为黑框所示浅层地震勘探剖面， 剖面内的蓝色短线为钻孔探测示意

(2)孤店断层(图6b)在石油地震剖面上与红岗断层(图6a)相似， 也表现为 “下凹上凸”的剖面特征。但在浅部， 尤其是在300ms双程走时以上， 孤店断层向浅部延伸的特征成 “开放”状态， 石油地震资料在200ms以上依然显示断层两盘地层变化明显， 因此需要浅部探测予以揭示。图6-1即孤店断层在该处的浅层地震勘探剖面， 剖面显示断层上段100ms的反射同相轴仍存在扰动， 表明断层已错动第四纪地层。通过联合钻孔探测和年代数据， 最终得到该断层为晚更新世断层的结论。

(3)江北断层(图6c)在石油剖面上表现为深部存在明显的正断特征， 浅部为多组横向不连续的反射同相轴并持续到200ms左右。利用浅层地震剖面(图6-2)为断层上段特征 “盖帽”， 得到断层浅部地层较为连续、 平整， 根据浅层地震的定位结果布设排钻对断层上断点进行了探测， 探测结果及年代数据显示， 该断层为早中更新世断层。

(4)扶余北断层(图6d)在石油地震剖面上同样显示为早期正断后以逆断性质为主的特征， 且正断时期倾向与后期逆断倾向相反。剖面显示断层南侧地层折曲变形明显且较为破碎， 断层北侧则为相对厚度大且产状近水平的连续沉积层。断层在浅部同样存在 “开放”式特征， 部分石油剖面显示其上覆地层存在扰动。根据布设在该断层上的浅层地震剖面(图6-3)和钻孔及年代信息可知， 扶余北断层为晚更新世断层。

3　讨论与结论

与其他城市隐伏断层的探测相比， 松原地区的探测工作对石油地震资料的依赖程度更高， 一方面受限于隐伏区的地表覆盖， 另一方面也得益于油田地区详实的勘探资料。

(1)通过对以上石油地震资料的分析， 利用资料对地下构造的真实反映， 从平面和剖面2个方向上准确获得了扶余北断层、 江北断层和孤店断层3条目标断层及大安、 红岗断层的展布及延伸信息， 并将浅部资料与深部资料叠加， 联合提取构造信息， 获得断层由深至浅的发育情况， 再由联合钻孔探测获得浅部断层的扰动层位， 通过年代数据厘定了断层活动的时代。

(2)石油资料在明确目标断层的同时也对前人资料中部分推测断层的存在性提出了质疑， 如图3 中的右下图所示， 白色虚线即为前人推测的第二松花江断层中段所在位置。通过对跨第二松花江的多条石油地震剖面解释成果的分析， 沿江可能并不存在NW向断层， 其基底上的疑似断层特征也不具备连续性和可追踪性。因此， 这也为否定所谓 “第二松花江断层”的存在提供了直接的证据。

(3)叠加构造样式是拉张与挤压2种应力综合作用的结果， 断层下部的正断层剖面特征在早期断陷期造成， 后期的反转过程中， 不同走向展布的断层对反转期应力方向的变化在剖面上的响应各具特征： 既有红岗、 大安、 孤店这类典型的下正上逆型NE向断层， 也有扶余北这类规模较小， 断层面随走滑特征变化的近EW向断层， 同时也有江北断层这类逆冲位移分量较小， 但具有明显挤压变形特征的次级断层。

(4)对于城市活断层探测过程中遇到的隐伏活动褶皱的形式， 其活动时代利用小间距排钻的方式很难有效 “捕捉”到， 间距稍大的控制性钻孔在把握褶皱的变形层位和形变量上更有效。

致谢在本文撰写过程中关于石油地震资料的清绘和处理问题与吉林油田勘探研究院进行了讨论， 浅层地震勘探的参数问题向中国地震局地球物理勘探中心的石金虎高级工程师进行了请教； 审稿专家提出了宝贵意见： 在此一并表示感谢。

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Abstract

THE APPLICATION OF PETROLEUM SEISMIC DATA TO THE BURIED ACTIVE FAULT DETECTION——A CASE STUDY OF ACTIVE FAULTS SURVEYING IN SONGYUAN CITY

YU Yang1，2)SHEN Jun1，2)YU Xiao-hui2)WU Xiao-ge3)

1)LanzhouInstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Lanzhou730000，China2)InstituteofDisasterPrevention，Sanhe，Hebei065201，China3)SouthwestPetroleumUniversity，Chengdu610500，China

active fault surveying， buried fault， seismic exploration， Songyuan City

2015-04-14收稿， 2015-12-04改回。

中国地震局教师基金(2012001)、 财政部重大专项 “我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价”、 国家自然科学基金(41372216)、 中央高校基本科研业务费专项资金创新团队资助计划项目(ZY20120102)与国家国际科技合作专项项目(2012DFR20440K02)共同资助。
*

沈军， 研究员， E-mail: shenjuneq@qq.com。

P315.2

A

0253-4967(2016)02-423-11

尉洋， 男， 1989年出生， 2013年毕业于防灾科技学院地质学专业， 现为中国地震局兰州地震研究所在读硕士研究生， 主要从事活动构造方面的研究， E-mail： yuyang_eq@126.com。

doi:10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.02.015