基于“层序矢量滑距”的生长断层活动强度定量表征——以珠江口盆地番禺低隆起M区为例

刘 勇 都小芳 胡 鹏 李熙盛 霍守东 徐 海

(①中国石油东方地球物理公司研究院乌鲁木齐分院，新疆乌鲁木齐 830016； ②中能电力科技开发有限公司，北京 100034；③国电新能源技术研究院海洋地质和水文研究室，北京 102209； ④中海石油(中国)有限公司深圳分公司，广东深圳518054；⑤中国科学院地质与地球物理所油气资源研究重点实验室，北京 100029； ⑥中国石化石油勘探开发研究院，北京 100871)

1 引言

盆地层序的充填受海(湖)平面变化、物源供给、构造活动和气候变化的综合影响。在断陷盆地中，构造作用对沉积、剥蚀过程的控制则更为直接和重要[1-3]。构造运动与幕内同沉积构造活动的时空差异性对盆地的可容纳空间、沉积速率和沉积物源等具有深刻的影响[4]，对于油气勘探与开发意义重大[5-7]。

生长断层为沉积过程中发育的断层，又称同沉积断层。它与沉积岩的沉积作用同时进行，随着沉积时间的持续和沉积层的增厚，断层的断距也逐渐增大。断层两盘的沉积厚度不一致，下降盘相对比上升盘的沉积厚度大。生长断层相关研究主要集中在几何特征精细刻画、动力学模拟及其对沉积作用的控制三个方面，且呈现出从静态定性描述向动态定量分析的发展态势[8-13]。目前定量研究生长断层活动强度的方法可分为两类：一类是基于二维地震反射剖面上单条断层垂向投影点的标量描述法，主要包括生长指数法[14]、古落差法[15]、断层活动速率法[16]、断层位移长度关系法[17]和古滑距法[18]等；另一类是以分形几何学为理论基础，通过分析断裂平面集的分形维数，辅助描述断裂发育规律的方法。上述方法在一定程度上可揭示断层的生长与活动规律，但并不能全面、准确地反映断裂系统活动强度与时空差异性。为此，本文以珠江口盆地番禺低隆起珠江组下段(T50～T60地震反射层)内同沉积断裂系统为研究对象，通过一系列的空间运算求取各层序发育时期不同断裂系统的“层序矢量滑距”，揭示同沉积断裂活动的变化规律。

2 地质概况

珠江口盆地位于南海北部陆缘的中部，为中、新生代断陷盆地，可划分为南部隆起带、南部坳陷带、中央隆起带、北部坳陷带和北部断阶带五个次级构造单元。盆地经历了四个构造演化阶段：早白垩世裂前阶段；晚白垩世—渐新世初裂谷阶段；晚渐新世至早中新世沉降阶段；中中新世至第四纪断块升降阶段[19-21]。

番禺低隆起位于中央隆起带中部，M区位于番禺低隆起南部，邻近白云凹陷北坡，为隆起和坳陷的结合部位。新生代发育四组正断层，即CFS1、CFS2、TFS1和TFS2，多为NWW、NW走向(图1)，地震剖面上表现为顺向和反向正断层性质(图2)。断裂的长期活动影响着古地貌的形成，从而影响了同期砂体沉积的空间展布[22]。

图1 番禺低隆起M区断裂分布平面图

新近系中新统珠江组下段底界T60(23.8Ma)为盆地裂陷和裂后的分界，顶界T50(18.5Ma)为一海侵面，被区域性海侵泥岩覆盖。多幕构造活动导致珠江组下段沉积特征多变，可见上超、下超等特征(图3)。珠江组下段可以识别出5个四级层序(SQ1～SQ5)及相应的6个层序界面(SB1～SB6)，层序厚度变化呈现不均匀翘倾现象。

图2 番禺低隆起M区地震地质解释剖面(测线位置见图1)

图3 珠江口组下段四级层序及界面地震反射特征剖面

3 断裂活动定量表征方法

可以用断距和方向表征断裂活动特征。断裂由古至今具有方向的叠加滑距，称为“总矢量滑距”。如果消除后构造期的累加断距，得到断裂某一活动时期的滑距，即为“层序矢量滑距”。

定量表征不同层序期同沉积断裂活动的思路为：以地震高频层序界面解释为基础，获取相对准确的断面真倾角，求取“总矢量滑距”和“层序矢量滑距”，从而达到断裂活动方向与强度的定量表征的目的，确定生长断层的活化与休眠状态，其主要步骤如下(图4)。

(1)地震资料构造及层序界面解释：利用地震资料开展层位与断裂的构造解释，并精细解释高频层序界面，定性分析各构造活动期层序界面与断裂的整体特征，并将地震高频层序界面与断层多边形数据作为输入参数。

(2)空间数据旋转：为简化计算并获取断面真倾角，可以将初始相对坐标系(线道号)进行一定角度 的旋转得到新的相对坐标系，使得在新的坐标系下，三维地震数据主测线方向与断裂系统走向相垂直。保持旋转前后网格大小不变，产生新的线、道号，可将三维空间运算简化到二维平面。具体实现过程如下：

图4 生长断层活动强度定量表征技术流程

①相对坐标系规定：规定在水平面上，以N为正北0°方向(SN为y轴)，E为正东方向(WE为x轴)，y轴顺时针方向旋转为正角度，旋转后S′N′与断层走向一致，其旋转角度记为α(0°<α<90°)。同时，旋转后的W′E′始终与S′N′垂直，垂直于水平面向下为z轴负半轴。相对坐标系规定为，在水平面上，顺断层走向为x轴，垂直断层走向为y轴，以正北方向为0°，顺时针方向旋转为正角度。若x轴沿0°轴顺时针旋转角度在0°～180°之间时，规定其为x轴的正半轴； 若y轴沿0°轴旋转的角度范围在-90°～+90°之间时，规定为y轴的正半轴。垂直于水平面向下为z轴，水平面之下为z轴负半轴，水平面之上为z轴正半轴(图5)。

②旋转角α的确定：据断裂系统走向信息，确定断裂走向与正北方向的旋转夹角α，得到旋转后的相对坐标系S′N′—W′E′，且使W′E′(x轴)方向与断层走向一致。通过旋转获得新相对坐标系下测线位置，获取在该坐标系下垂直于断裂走向新的线号，将由x、y、z三轴组成的三维空间数据计算简化到为仅由z轴与y轴组成的二维空间，其中y轴数据dy为水平断距；z轴方向的数据dz为层序界面上下盘的垂直位移。

图5 相对坐标系旋转示意图(a)旋转前； (b)旋转后(0°<α<90°)

(3)“总矢量滑距”计算：沿断裂倾向，顶底断面间的位移距离为“总矢量滑距”。其表征的是断裂演化至今的累加断距。利用旋转坐标系下的断层多边形、层序界面，根据空间几何关系运算求取“总矢量滑距”的大小与方向。

在相对坐标系内，可以获取断裂垂直断距dz与水平断距dy，利用勾股定理计算“总矢量滑距”。具体步骤为:

③“矢量滑距”是水平断距与垂直断距以及断层滑动方向的矢量合成(图6)。

据“矢量滑距”定义，分别计算各层序界面处断裂系统的“总矢量滑距”，为区分顺向断裂系统(断层倾向与地层倾向一致)与反向断裂系统(断层倾向与地层倾向相反)的“总矢量滑距”，用红、黑两种颜色标识方向(红色为负，黑色为正)，颜色的深浅表示断裂系统累加断距大小； 相同断裂数据点集合的延伸方向代表了断裂的走向。“总矢量滑距”的计算结果可以用二维图形方式简洁明了地展示三维空间内断裂系统的展布方向与活动强度(图7)。

(4)相同断裂空间定位——“多重互相关”算法：

图6 矢量断距计算示意图(a)顺向断裂，正滑距； (b)反向断裂，负滑距

图7 SB1界面“总矢量滑距”平面展布图CFS为顺向断层，TFS为反向断层

通常断裂与层序界面并非垂直相交，同一断裂面与层序顶、底的交线在空间上存在错动，不能直接运用层序顶、底面“总矢量滑距”求取二者“层序矢量滑距”的差值。鉴于此，本文采用多重互相关算法对层序顶、底的所有断点位置进行空间匹配与定位。具体算法如下：

假定沿某条测线两个界面的“总矢量滑距”分别记为信号y00(d)和y01(d)，则有

y00(d)=x0(d)+n(d)

(1)

y01(d)=x1(d)+n(d)

(2)

式中：d为信号空间位置，包含三个参数，即空间相对坐标x与y及滑距大小；x0(d)、x1(d)为层序顶、底界面“总矢量滑距”的真实信号；n(d)为白噪声。在信号处理方面，经常用自相关法和互相关法提高信噪比，本次采用互相关法求两相似信号的距离差。从有用信号的角度来看，y00(d)和y01(d)在空间上距离相差d0。设信号采样平面距离为D(道距的整数倍)，y00(d)和y01(d)的互相关函数为y010(τ)，y00(d)的自相关函数为y001(τ)，τ的取值为(-D，D)。则有

x0(d)n(d+τ)+x0(d+d0+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(3)

由相关性质可得x0(d)与n(d)的互相关系数值为0；当τ趋于无穷大时，n(d)自相关值为0。但是D在现实采样中不可能趋于无穷大，故n(d)自相关值只能是比n(d)值更小，但不为0，而是逐渐趋于0，因此式(3)可写成

y010(τ)=x1(d+d0)+n1(d)

(4)

式中：x1(d+d0)为x0(d)与x0(d+d0)的互相关函数；n1(d)为n(d)互相关函数。同样

n(d+τ)+x0(d+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(5)

可写成

y001(d)=x1(d)+n1(d)

(6)

从有用信号角度可知，y001(d)与y010(d)距离差为d0。从噪声角度可知，n1(d)比n(d)更小。因此，y001(d)和y010(d)的信噪比比y00(d)和y01(d)的信噪比高，则更容易显示出“总矢量滑距”的距离特性。

同理，为了消除“总矢量滑距”中的不确定量，提高“总矢量滑距”信号间的相关性，运用多重互相关通用公式计算，可以推导出y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地显示y00(d)和y01(d)的距离特性。

设y0nn(d)为y00(n-1)(d)与y0(n-1)0(d)的互相关函数，y00n(d)为y00(n-1)(d)的自相关函数，则y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地显示y00(d)与y01(d)的距离特性。因为y0n0(d)信噪比比y0(n-1)(d)的高，从而能更准确地测量出y00(d)与y01(d)的空间距离差d0。

通过多重互相关运算，得到互相关系数最高时的τ值时，便可求取同一断裂断点处平面投影的错动距离d0与各自断点的空间坐标位置，实现层序顶、底界面断点的空间准确定位。

(5)“层序矢量滑距”的计算：据“多重互相关”计算定位信息，然后对层序顶、底面的“总矢量滑距”进行“匹配求差”运算，达到消除后层序期累加断距的影响，实现对层序发育期断裂系统活动强度的定量表征。

4 断裂分析与古地貌演化

珠江口盆地番禺低隆起M区珠江组下段，发育CFS1、CFS2、TFS1和TFS2等四组断裂。四级层序SQ1、SQ3和SQ5断裂“层序矢量滑距”如图8所示，反映了在多级次幕式(脉冲式)构造活动作用下，断裂活动期次与活动强度具时空差异性，整体呈现强—弱—强的变化趋势。

层序SQ1沉积时期，北部TFS-2反向断裂活动较弱，南部反向断裂TFS-1和中部的CFS-1、CFS-2断裂活动强烈(图8a)；

层序SQ3沉积时期，北部TFS-2和南部TFS-1反向断裂基本不活动，中部CFS-1和CFS-2断裂活动较强(图8b)；

层序SQ5沉积时期， TFS-2断裂活动强烈，而CFS-1、CFS-2和TFS-1断裂的西部活动强烈，断裂东部活动处于休眠状态(图8c)。

珠江组下段沉积时期断裂活动的时空差异性控制着古地貌的形成。长期活动的同沉积断裂成为古地貌上突变的断裂坡折带或断坡带，影响物源与沉积体系的展布[22-24]。

通过“层序矢量滑距”的计算，对坳陷期SQ1～SQ5各层序形成时期断裂活动进行定量表征，进而恢复不同层序形成时的古地貌。结果表明：古地貌变化受控于四组断裂系统，由早期的北高南低逐渐转变为东北高、西南低。

由于层序SQ1与SQ2、SQ3与SQ4的断裂系统活动具有较强的继承性，因此仅分析层序SQ1、SQ3与SQ5的断裂活动(图8)与古地貌(图9)特征，即可得出该区构造及沉积特点。

图8 四级层序断裂系统的层序矢量滑距平面展布图(a)SQ1； (b) SQ3； (c)SQ5CFS为顺向断层，TFS为反向断层

层序SQ1充填期，北部TFS-2反向断裂活动较弱，水下低隆起古地貌主要分布于区内北部，物源来自东北方向(图9a)；层序SQ3充填期，由于中部两组顺向断裂(CFS-1、CFS-2)活动较强，尤其是CFS-1断裂，导致水下低隆起开始分化(图9b)，不再是一个完整的水下低隆起；至层序SQ5充填期，区内东部断裂不活动，改变了古地貌原有格局，形成东隆西低特征(图9c)，物源主要来自东部。

图9 四级层序充填期古地貌恢复示意图(a)SQ1； (b)SQ3； (c)SQ5

5 结论

(1)本文首次提出的“层序矢量滑距”的概念与计算方法，可以定量表征构造幕内“张性或弱扭张性”断裂的活动情况。其在珠江口盆地番禺低隆起M区珠江组下段四级层序的应用中，很好地阐明了断裂活动的时空差异性以及古地貌变化的原因。

(2)该计算方法适用于较小走滑位移的盆地，但对于区域性沉积补偿盆地、牵引和逆牵引构造的适用性，有待于进一步研究。

感谢中海石油(中国)有限公司深圳分公司、中国石油集团东方地球物理公司凌云和谢结来及中国石化勘探开发研究院付志方和孙钰等在资料、研究等方面给予的帮助。