基于方差相干体的断层识别方法

汪 杰,汪 锐

(1.东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌330013;2.中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037;3.中国海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，广东 湛江 524057)



基于方差相干体的断层识别方法

汪 杰1,2,汪 锐3

(1.东华理工大学 核工程与地球物理学院，江西 南昌330013;2.中国地质科学院矿产资源研究所 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室，北京 100037;3.中国海洋石油有限公司 湛江分公司研究院，广东 湛江 524057)

对断层和断裂带的有效探测和识别是地震资料解释中的重要环节。作为近些年兴起的新技术，运用地震数据体提取出能反映多种构造信息的属性体，在构造复杂区的构造沉积演化、断裂系统组合研究中发挥着越来越重要的作用。为了更加准确和有效地对断层与裂缝进行识别，在相干和方差算法的基础上，提出了方差相干体的概念。并以新疆某区块实际资料为例，对比了方差和相干的多属性融合技术与相干属性体、方差属性体相的应用效果。结果显示：方差相干体技术能准确地反映地层构造形态和断裂分布情况，对较大断裂的识别有很好的效果；同时，对原始地震数据中的噪声也具有很好的压制作用。

地震属性技术；方差相干体；断层识别

1 引 言

断层在油气的运移过程中既可能起通道作用，也可能起封堵作用。随着勘探向更深层次发展，输导体系的定量研究已成为油气成藏研究的重要组成部分，其中断层作为三大输导体系之一，解释上存在一定的难度。常规的断层解释方法周期长，难度大，主观性强，很大程度上依赖于解释人员的经验和有关地质知识的先验信息。然而，实际解释中面临的断层系统越来越复杂，特别是复杂断裂系统的平面组合，难度更甚[1,2]。以地震数据为基础，利用地震数据体内部某些已知的与断层存在有关的特征信息对断层进行识别，不仅实现了断层解释的半自动化和程序化，而且提高了断层解释的精度与效率。

近年来，随着计算机技术的飞速发展和三维地震勘探技术的广泛应用，地震属性技术得到了突飞猛进的发展，并逐步发展成为了现代三维地震资料解释的重要组成部分[3]。许多学者成功地从三维地震数据中提取了许多突出断层信息的不连续属性体。如相干体属性技术、方差体属性技术、倾角方位角属性技术和边缘增强属性技术等[4-9]。其中相干体、方差体属性分析技术的提出使得面向岩性的不连续边界分析技术提高到了一个崭新的水平，在断层的识别中发挥着重要作用[10]。

断层附近岩性的变化或不连续会造成地震响应突变异常，进而造成相干体技术与方差体技术在计算结果上产生差异。利用这些差异就能很好地进行断层解释。方差相干体利用相干体和方差体的组合，在相干体的基础上做方差计算，定量突出相干体中的低相干区域。本文以新疆某地区奥陶系地层数据为例，比较了方差相干技术与相干技术、方差技术在剖面和切片上的特征，总结了其显示规律和特征，探究了该方法在断层识别中的优势。

2 方差相干体原理与计算方法

相干体技术对连续均匀地质体的地震响应计算数值较大，而对地质体不连续处的地震响应计算数值较小。基于此特点，相干算法在寻找地下断层带和岩性突变带具有很好的效果。方差体技术的思想来源于概率中的方差分析，它通过计算滑动窗口内地震道各个采样点与平均值之差得到方差体, 从而突出由地质体性质的不连续性或异常性引起的地震反射的异常。方差相干体是一种将方差和相干结合起来的新算法，具体计算是先将地震数据体进行相干计算，然后将得到的相干体进行方差计算，从而得到方差相干体。

根据相干体的C3算法[11,12]，在三维数据体中，在分析时间t(单位：ms)的±K的垂直视窗内，在由时间t的视倾角p和q(单位：°)决定的平面上，通过数据样点插值，生成的每一个样点矢量组成一个新的数据矩阵的行和列。进行自相关和互相关，可生成协方差矩阵C[13]。此时，协方差矩阵的元素Cij可表示为：

(1)

由于该协方差矩阵是对称的半正定矩阵，当原始数据矩阵元素不全为零时，可以计算出它们的J个非负特征值。可得C3算法的相干值：

(2)

然后将得到的相干数据体代入方差算法[14,15]中计算：

(3)

(4)

(5)

这样就由原始数据得到了方差相干数据体。

3 实际资料应用与效果分析

本文采用的实际数据采集来自新疆某碳酸盐岩地区，该地区奥陶统地层中发育大量断层和裂缝，断层基本以逆断层为主，分布较为杂乱。在叠前时间偏移剖面中以同向轴错断的直立断层为主，规模较小。利用人工对该区域进行构造解释难度较大，且带有很强的主观性。通过基于方差相干体断层识别技术试图快速有效地实现断层的识别。与常规剖面解释结果、方差体和相干体剖面对比分析，验证了方差相干体技术的有效性和准确性。

3.1 断层追踪效果对比

图1为原始地震剖面，该剖面上部整体以强振幅高连续平行～亚平行反射结构为主，发育少量断层，断点清晰，断面可追踪；中部主要以弱振幅平行或亚平行连续同向轴为主，反射能量较弱，与上部之间为大范围的平行不整合面，发育有大量直立断层，断距较小。下方反射能量减弱，分辨率降低，但仍可见少许连续同向轴，中部连续性变差，且发育微小层间断层。图中红色断层为先验地质信息约束下主观解释的断裂。

图2为利用C3算法得到的相干体剖面。可以看出整体剖面的质量较好，噪声和其他杂乱反射的现象较少。图中的高相干区域(黄色)与地震剖面中的强反射连续地层对应情况很好，重点关注的是相干剖面中的欠相干或者不相干区域(红色与蓝色)，它们与地震剖面上的断层或者裂缝并不能很好地对应；图3为经过方差算法得到的方差体剖面，将其与地震剖面进行对比发现，在地震剖面上同向轴较为连续的强反射区域在方差剖面上显示的结果为低值(黄色)，而中部断层较为发育的层段，方差剖面上多为蓝色点状或条状显示。对比图2与图3不难发现，相干体剖面上显示的杂乱反射点明显少于方差体剖面。尽管相干算法对噪声的压制强于方差算法，但是方差技术与相干技术在断层的识别效果上的差异不是很大。剖面中断层和岩石破碎带主要沿同相轴分布，与原始剖面中的直立断层分布规律并不能很好地对应。

图1 原始地震剖面Fig.1 Original seismic section (inline)

图2 相干体剖面Fig.2 Section of coherency cubes attribute

图4是为方差相干体剖面，即在先做了相干计算之后，在相干的基础上再做方差，对地震波的平均效应较强。剖面整体显示为高值，只有在相干结果上出现低值的地方会出现方差高值。剖面连续性较差，其连续性取决于相干体的连续性。这是由方差的算法所决定的，方差是通过计算该点与周围相邻地震道的时窗内所有样点平均主值之间的方差，然后再加权归一化处理后获得结果。所以方差计算对剖面的连续性影响不会太大。另外，方差相干剖面中对原始剖面中零散、杂乱的点有很好的过滤作用，对原始数据中的噪声有很好的压制作用。但同时也过滤了剖面的部分有用信息，造成对某些小断层或大断层细节刻划的不足。

图3 方差体剖面Fig.3 Section of variance cubes atribute

图4 方差相干体剖面Fig.4 Section of variance-coherency cubes attribute cubes

3.2 断层平面展布分析

图5、图6和图7分别为相干体、方差体和方差相干体3 375ms的等时切片。从切片中都能看出：该区域发育大量北西向断层及少量北东向断层，断层总体分布较杂乱，结构较为复杂，这与该区获得地质和钻探的先验信息相一致。按照断层的分布规律可以将该区域的断层分为A、B和C三个主要区域。其中，C区域的断层发育程度较高；B区域相干程度较高，有少量小断层发育，地层的连续性较高；A区域是介于B区域和C区域之间的区域，这个区域内断层有所发育，但程度不高，可见几条较大的断层。对比图5、图6和图7，可发现：由于相干方差体算法的平均效应，切片中零散、杂乱的信号得到很好的压制，同时也造成对小断层细节刻划得不足，但其对较大的断裂和岩性差异区具有很好的突出效果。

图5 3 375 ms相干体等时切片Fig.5 Time slice of coherency cubes attribute on 3 375 ms

图6 3 375 ms方差体等时切片Fig.6 Time slice of variance cubes atribute on 3 375 ms

图7 3 375 ms方差相干等时体切片Fig.7 Time slice of variance-coherency cubes atribute on 3 375 ms

4 结论与展望

本文在相干体和方差体计算的基础上，提出了方差相干体的概念。运用实际地震数据计算，将其对断层和裂缝的识别效果与原始数据剖面、相干体和方差体进行对比分析。得到以下认识：

1)方差相干体属性技术对断层的识别结果与常规剖面解释和地质资料信息相符合，能准确地反映地层构造形态和断裂分布情况。

2)方差相干体属性技术的应用效果较相干体或者方差体来说，对细节的保留较差。尽管对那些较为细小断层的细节显示不清晰。但方差相干体对差异较大的破碎区域和断层具有很好的突出效果。

3)方差相干体的计算结果对噪声引起的异常具有很好的滤波效果。相比于常规的相干体或者方差体，剖面上由于噪声引起的杂乱现象较弱，从而突出了剖面中差异区域。

4)方差相干体的计算过程具有较强平均效应，这是方差和相干算法的本身性质所决定的。所以方差相干体剖面对部分有用信息的过滤后，可能会造成微小断层和裂缝信息的保留存在不足。寻找某些对细节保留较好的多种属性体融合的计算技术将会对微小断层和裂缝细节的刻划更加真实和精确。

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Fault Identification Method Based on Variance-coherence Cubes

Wang Jie1,2, Wang Rui3

(1.SchoolofNuclearEngineeringandGeophysics,EastChinaInstituteofTechnology,NanchangJiangxi330013,China; 2.InstituteofMineralResourcesChineseAcademyofGeologicalSciences,MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,Beijing100037,China; 3.ZhanjiangFiliale,CNOOCChinaLtd.,ZhanjiangGuangdong524057,China)

Detection and identification of faults and fractured belts are the most important issues in seismic data interpretation. As a new technique in recent years, the using of seismic attributes abstracted from seismic data which reflects many kinds of structural information plays a more and more important role in the structural interpretation. In order to identify the faults and fractures more accurately and effectively, the concept of the variance cohereny cube in the foundation of cohereny and variance algorithm is presented. By taking the actual data of an area in Xinjiang as an example and comparing the application effect with coherency cubes attribute and the variance cubes attribute, the results show that the variance coherency cube technique can accurately reflect the stratigraphic structure and the distribution of the fault. Although the details of small fault are not clear, the variance coherency cube technique can effectively identify the large fault. At the same time, this method has a good effect on the suppression of the noise.

seismic attribute technology; variance-coherency cube; fault identification

1672—7940(2016)01—0046—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.008

国家科技支撑计划项目(编号：2011BAB04B01)；中国地质调查项目(编号：12120114053301)

汪 杰(1989-)，男，硕士研究生，主要从事地震资料处理与解释研究工作. E-mail: who_wangjie@163.com

P631.3

A

2015-09-18