旬邑地区野外露头岩性组合地震反射特征研究

余为维,冯 磊,杜艳艳

(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；2.河南理工大学，河南 焦作 454000；3.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000;4.河南省地质矿产勘查开发局，河南 郑州 451464)

0 引 言

当前中国陆上油气勘探目标逐步转向非常规低孔、低渗砂岩[1]，鄂尔多斯盆地旬邑地区延长组即为其代表[2-4]。砂岩体地层与内部岩性组合是该地区深水沉积地质研究的重点，深水沉积研究对于油气勘探开发具有重要意义[5-8]。基于常规测井与地震勘探的地层岩性组合分析方法分别受限于钻井数与地震分辨率，为此，众多学者采用现代沉积描述、浅层钻探以及露头勘测等方法对地下沉积特征展开研究，从而获取地层岩性描述，以指导油气勘探工作[9-18]。野外露头的精细地质分析对油气勘探具有重要价值，探地雷达技术为精确识别露头内部地质结构特征提供了有效途径。

探地雷达技术是一种借助于高频电磁波探测地下内部结构的地球物理方法。该技术是一种有效的浅层探测手段，因具有携带灵活、成像快捷直观、高分辨率、对探测物无损性等优点，使其在工程建设、水利与环境勘查等方面得到广泛应用[19-25]。国外学者首先将探地雷达技术应用在漫滩及河道沉积体的研究中，应用效果较好，之后不断得到推广。Skelly等基于探地雷达方法分析了河道储层结构[26]；Jol等将探地雷达用于砂岩层内部结构的识别研究[27]；Lunt等通过探地雷达探索研究了辫状河砂坝的侧向迁移模式[28]。中国探地雷达技术起步较晚，目前广泛应用于工程勘查方面，但是在地下沉积特征探测方面的应用还有待进一步加强[29-30]。以鄂尔多斯盆地旬邑地区为例，采用探地雷达技术进行沉积岩性的物理分析，并结合地震数值模拟结果，详细分析了地层内部岩性组合的反射特征，为后期油气藏勘探开发奠定了基础，此外也拓宽了探地雷达技术在地质岩性分析中的应用。

1 研究区地质概况

鄂尔多斯盆地是处于华北古生代克拉通台地上的一个中、新生代大型内陆叠合盆地，具有多构造体系、多旋回演化、多沉积类型的特点。盆地沉积构造演化过程包括5个阶段：中晚元古代拗拉谷；早古生代浅海台地；晚古生代近海平原；中生代内陆湖盆；新生代周边断陷。其中，中生代延长组的沉积层序发育较为完整，包含了河流—三角洲—湖泊沉积体系。该组自长10沉积期开始发育，主要表现为湖盆沉降；长9沉积时期湖盆沉降速率加速，湖盆面积不断增大；在长8沉积期呈现出差异性抬升现象，随后在长7沉积期湖盆快速沉降；在长6沉积期沉降速率降低，三角洲沉积体系发育；在长4-5—长1沉积期，湖盆逐步缓慢抬升。此次研究层位主要为长7，该段沉积时期为延长组最大的湖泛时期，以三角洲及深水沉积广泛发育为特点。

2 探地雷达基本原理

探地雷达技术主要是借助于发射天线发射的高频电磁波，该电磁波脉冲在地下传播时如遇到介质常数存在差异的界面，即发生反射及透射[25]，而反射回地表的电磁波则由接收天线所接收，经离散化采样处理转化为时间序列信号。测点上雷达反射记录反映了反射波振幅强度、相位等信息，通过对反射剖面的处理解释即可实现对地下目标体的探测。

只有当2种介质界面的介电常数不同时，探地雷达高频电磁波才会发生反射及透射。该反射符合反射定律，反射系数值由以下公式确定：

(1)

式中：r为反射系数；ε1、ε2分别为界面上、下介质的相对介电常数。

由式(1)可知，当电磁波向下传播时，地下介质中存在的明显介电常数差异即可反映在雷达剖面上，从而为探地雷达应用于实际勘测提供了理论基础。

探地雷达发射天线的频率是数据采集过程中需要考虑的主要参数，其关系到雷达剖面分辨率的高低。通过理论研究得出，雷达脉冲包迹时间必须小于待分辨的2个特征之间延时间隔的2倍。假定中心频率与带宽比为1，可得中心频率与垂向分辨率的关系式为：

(2)

式中：fcen为发射天线中心频率，Hz；δ为垂向分辨最小尺度，m；ε为相对介电常数。

在式(2)基础上可得出，发射天线中心频率与能量衰减速率呈正相关，即频率越高衰减越快，探测深度就会越小，而分辨率则越高；低频天线与之相反。因此，实际应用过程中应根据需要选择恰当频率的发射天线。

3 沉积露头模拟分析

研究区内发育大量复合水道沉积砂体，具有明显的沉积特征，因此，通过野外实地踏勘识别出这种典型沉积的露头(图1)，从而在实际露头剖面基础上开展对沉积组合特征的研究。图1中露头下部地层判识为典型复合水道沉积砂体，从该露头剖面上来看，垂向上沉积地层岩性较为杂乱，剖面中间部分可见明显的透镜状沉积砂体。由出露地层的下部至上部，首先是厚层中细粒砂岩，岩性与地层厚度较为连续，基本上变化不大；其次是薄层砂岩夹杂薄层泥岩，该段地层岩性呈现明显的等厚砂层夹杂薄层泥岩的特征，并且地层岩性连续性较好；再次为中厚层的中细粒砂岩，该段地层连续性较差，由于受下切作用侵蚀造成剖面上呈现下凹状，部分段夹杂薄层泥岩；最上部主要为泥岩段，地层连续性差，岩性主要呈现砂泥岩互层，部分层段(如凹形上部)砂泥岩薄互层呈现为等厚砂岩近似对称状分布，且砂岩层明显较薄。

依据实际野外露头剖面沉积特征构建理论露头地质模型，通过借助探地雷达浅层高精度成像进行露头岩性的物理模拟分析，并结合基于理论地质模型的数值模拟正演，分析典型沉积露头与地震响应特征之间的联系。

图1野外典型露头剖面

3.1 雷达成像

采用探地雷达技术对典型沉积体露头进行高精度成像，模拟实际地震勘探分析。研究中采用在工程建设、环境勘查等方面应用效果较为良好的RIS-K2型探地雷达，根据实际露头成像需要，结合探地雷达天线频率与探测分辨率的关系，选择200 MHz的探地雷达天线。

图2为复合水道沉积砂体的雷达成像处理结果。由图2可以看出，剖面沉积砂体所对应的整体同相轴连续性较差，部分段同相轴复合在一起呈现强振幅特征，整体反射能量一般。对于露头剖面上具有明显特征的沉积砂体，例如露头剖面中所呈现出的下凹状沉积特点，其在雷达成像中以黄色虚线表示，二者对应关系较为良好。总体而言，露头剖面上沉积砂体特点与雷达剖面中所反映的信息基本匹配一致。此外，由实际露头剖面的观测结果可以看出，研究区内典型复合水道沉积主要为砂泥岩薄互层沉积，而这种砂泥岩互层特征在雷达成像上也得到了很好的指示。以露头上2处代表性砂泥岩互层组合为例，岩性组合1(图2a中红色框所示)为厚层砂岩之间夹等厚砂泥薄互层(砂泥岩厚度几乎一致)，岩性组合2(图2a中黄色框所示)为厚层泥岩之间夹砂泥岩互层(砂岩中间厚两边薄)。由岩性组合1所对应的雷达成像来看(图2b中红色框所示)，反射能量呈现出较强的形态，2条近似对称状的强振幅同相轴显示较为明显，并且同相轴连续性也表现较好，而从岩性组合2所对应的成像结果中可见(图2b中黄色框所示)，上部同相轴连续性较好，反射能量相对较强，与之相比，下部同相轴因上部地层的屏蔽而呈现出很弱的振幅能量，几乎无法分辨。

图2复合水道沉积砂体露头剖面的雷达成像

3.2 数值正演

在露头实际剖面地层基础上，得到典型复合水道沉积砂体的地质原型模型(与野外露头比例为1∶1)。鉴于露头剖面尺度有限，为匹配实际地震资料，对层厚进行等比例变化后再正演模拟。

图3a为基于图1中实际复合水道沉积砂体露头所建立的地质原型模型，根据层厚比例，分别设置与原型模型比例为1∶40、1∶75、1∶100、1∶150、1∶200的模型进行正演，所得结果分别见图3b—f。从图3b中可以看出，地震剖面上同相轴数量明显少于地质模型中地层分界面数目，并且凹型界面的下凹程度相比原型模型较缓，对应关系较差。图3c中地震剖面上同相轴数量有所增加，但仍然少于原型模型中地层分界面数目。此外，反射剖面上砂泥岩互层部分由于干涉作用发生同相轴错断，与原型模型中砂泥岩互层关系存在解释上的假象。图3d中地震剖面上同相轴数量基本与原型模型岩性分界面相对应，砂泥岩互层部分对应关系也较为清楚，部分段反射能量存在较弱现象。图3e所显示出的地震剖面同相轴与地质模型岩性分界面的对应关系较为清晰，同相轴反射能量进一步增强，部分砂泥岩互层段存在同相轴扭曲现象。图3f中地震剖面上同相轴分布形态与地质模型中岩性分界面形态对应较为良好，同相轴同样也表现得较为平滑连续，部分段可见岩性尖灭，总体上与原型模型较为吻合。

图3典型复合水道沉积砂体地质模型及不同比例尺下正演剖面

在最佳比例1∶200所模拟的地震剖面基础上，对露头剖面上代表性砂泥岩互层组合所对应的正演模拟反射特征进行进一步分析。如图4a中所示，所选择的代表性砂泥岩互层组合与图2中选定的岩性组合一致，图4b为相应岩性组合的反射特征。由岩性组合1所对应的模拟成像(图4b红色虚线框所示)可以看出，总体反射能量较强，同相轴较为清晰，且连续性较好。从所在区域上可见，强振幅同相轴形成的近似对称状反射特征与露头剖面中砂泥岩互层中近似对称的薄层泥岩特征对应，对称状同相轴下部与下凹状强振幅同相轴之间所夹反射带对应于露头剖面中厚层泥岩，该层段岩性几乎无变化，因此对应区域也无明显反射特征。由岩性组合2所对应的模拟结果(图4b黄色虚线框所示)可知，上部同相轴较为连续，反射能量显示较强，而下部同相轴能量则明显表现较弱，且连续性较差。由对应露头剖面中可以看出，在下凹状厚层砂岩沉积下部砂泥岩互层段，砂岩、泥岩厚层均较薄，夹杂泥岩层更薄，由于地震波干涉作用，造成同相轴复合。此外,由于厚层砂岩的屏蔽作用,使得下部砂泥岩互层部分反射能量整体较弱。总体而言，2种岩性组合所呈现的模拟反射特征与相应雷达成像结果所反映出的反射特征呈现出良好的对应关系，从而为基于地震反射特征的地下岩性组合识别奠定了理论基础。

图4典型岩性组合的数值模拟结果

4 结 论

(1) 深水沉积研究在油气勘探开发具有重要价值，鄂尔多斯盆地旬邑地区具有明显的深水沉积特点。通过野外露头开展深水沉积的精细地质研究可以克服地震及测井技术的不利因素，从而有效指导沉积砂岩体内部信息的研究。

(2) 探地雷达技术能够区分地下不同电性介质界面，实现地下沉积结构的高分辨率成像。成像结果可反映露头剖面的整体连续特征，相比其他野外露头研究手段，具有高分辨率及横向连续性较好的优势。

(3) 利用探地雷达技术获取旬邑地区典型沉积砂体露头剖面的成像结果，并结合实际露头地质模型正演模拟，分析代表性沉积组合的反射特征。结果表明，物理模拟与数值模拟对应关系较为良好。探地雷达技术在露头地质调查中可以发挥较为重要的作用，应充分挖掘该技术与露头精细地质研究相结合的应用潜力，为有效指导油气勘探提供地质基础。