中国海域深部“高富强”地震探测技术与南黄海盆地海相地层的发现

陈建文 袁 勇 施 剑 梁 杰 刘 俊 张银国 雷宝华

1. 青岛海洋地质研究所 2. 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

0 引言

中国管辖海域300×104km2，分布着38 个沉积盆地，总面积达174×104km2[1-2]。目前，我国在近海盆地新生代地层中发现了许多油气田[2]。最新调查与研究表明，在近海新生代盆地之下发育更老的残留盆地，地层厚度大、分布广，油气资源潜力巨大[2-5]。但受特殊地震地质条件的约束[3,6-8]，难以获得深部地层的有效地震反射资料，这一因素成为盆地深部油气评价和勘探突破的瓶颈[8-9]。南黄海盆地是中—新生代陆相沉积盆地与中—古生代海相沉积盆地相叠加的大型沉积盆地[10-14]，其油气调查与勘探始于20 世纪60 年代初，是我国近海盆地中迄今唯一没有发现工业油气流的盆地[8-15]。其早期的勘探目的层为陆相新生界，海相中—古生界的油气勘探程度很低，只有少数钻井钻遇[16-17]。随着勘探的失利，陆相沉积层之下的海相中—古生界逐渐成为人们关注的焦点[16]。但由于构造复杂、浅部超强反射界面能量屏蔽等原因导致海相中—古生界的地震资料存在信噪比较低、反射能量弱、波组连续性差等问题[5,8-9,16]，影响了对地层分布、厚度及构造特征的认识，严重阻碍了该区的油气勘探进程。针对上述问题，近10 年来，青岛海洋地质研究所与中石化海洋石油工程有限公司等10 余家国内单位合作，以南黄海为典型盆地进行了地震地质条件解剖和地震探测技术攻关，形成了针对海域深部油气资源探测的“高富强”（高覆盖次数、富低频成分、强震源能量）地震探测技术[9,16,18]，获得了高信噪比、富低频及强有效反射能量的海相中—古生界反射资料，清晰地揭示埋深超过15 000 m 的海相古生代内部地层结构[9]。对该海域油气调查与勘探新层系的发现与突破具有重要的推动作用。

1 地质背景

南黄海西依我国山东和江苏两省，东邻朝鲜半岛，北以山东半岛成山角与朝鲜半岛白翎岛之间的连线为界，南抵长江口启东嘴至济州岛西北角一线（图1），面积30×104km2，其中沉积盆地面积18×104km2[8-9,14]。南黄海盆地历经了长期地质历史和复杂地质演化过程[10,19-20]。在区域构造上，南黄海不仅是扬子板块向海域的延伸，而且是下扬子的主体[5,8]。

1.1 南黄海构造格局

南黄海盆地发育于下扬子准地台之上，其现今构造格局的形成受多期次构造运动的影响，不同地质历史时期主应力机制的差异导致不同构造位置的地质结构和构造变形也具有明显的区别[21-23]。区域地质对比认为，南黄海盆地发育3 大构造层：南华纪—早、中三叠纪海相构造层、中生代侏罗纪—古近纪陆相碎屑岩构造层、新近纪—第四纪海陆交互相构造层[13,24-25]。3 大构造层的沉积演化与区域构造演化具有很好的时空匹配关系。其中，海相构造层以古生代沉积为主体，震旦纪—晚志留纪为相对稳定的地台沉积，海西期及加里东期构造运动以区域性差异隆升为主，为多旋回的海进—海退过程；印支期为构造运动比较强烈时期，这一时期，构造主应力机制主要体现为北西向挤压应力，形成了以北东走向系列逆冲—走滑、对冲及逆掩推覆构造，使得上古生界先存构造体系遭受破坏及改造，尤其是局部隆起的形成，使其晚古生代和早中生代沉积的海相地层遭受剥失[24-27]。南黄海海相残留盆地总体表现为南北分带的构造格局，自北向南依次为烟台冲断带、崂山断隆带、青岛断褶带和勿南沙隆褶带[5,14]。陆相碎屑构造层以中生代侏罗纪—古近纪沉积为主体，随着构造主应力机制由挤压转换为拉张，形成了以正断裂控制为边界控制条件的断陷，持续的拉张—走滑作用形成了中—新生代盆地 “二拗一隆”的构造格局自北向南分别为烟台拗陷、崂山隆起、青岛拗陷[5,10,16]（图1），在青岛拗陷和烟台拗陷内发育多个次级凹陷[20,25-26]。海陆交互相构造层以新近纪—第四纪沉积为主体，随着区域构造运动的逐渐减弱，控制拗陷的断裂活动也减弱，断陷构造格局转化为拗陷格局，这一阶段南黄海盆地进入了填平补齐沉积时期。

1.2 南黄海盆地地震地质条件

南黄海盆地是中国海域沉积盆地深部油气资源勘探的典型地区，一直以来由于其特殊的地震地质条件[8]，中—古生界地震反射资料不能满足油气勘探的需求，主要表现为：①强反射界面能量屏蔽，烟台拗陷和青岛拗陷浅部存在T2（古近系顶面）和T8（陆相沉积层底面）2 个主要的强反射界面[8,28-30]，崂山隆起和勿南沙隆起T2与T8为同一界面[9-13]，缺失古近系和陆相中生界，新近系与下三叠统海相碳酸盐岩或更老的地层直接接触[8,9]，界面上下地层层速度相差2.5 倍甚至更大[8-9]（新近系碎屑岩速度约为2 000 m/s；下伏碳酸盐岩地层速度约为5 000 ～6 000 m/s），而理论模拟结果表明，当下界面与上界面速度比达到2.5 时，只有10%以下的震源子波能量能够穿透界面向下传播[8,29-30]，从而使得中—古生代海相地层的有效反射能量较弱，表现为信噪比低、无清晰连续的同相轴的现象。 ②地震反射界面多，南黄海盆地发育碎屑岩和碳酸盐岩2 种类型的沉积建造[5,8-14]，海相地层岩性和物性的垂直非均质性强、岩石物性界面较为清晰，形成了较多的地震波阻抗界面[8,16,18]。

2 “高富强”地震探测技术

“高富强”地震探测技术包含2 部分[9,16,18]，即以“高覆盖次数、富低频成分及强能量震源”为主要特色的采集技术和以获得中—古生界“高信噪比、富低频信号及强反射能量”为核心目标的处理技术。

2.1 采集技术

2.1.1 技术形成过程

自2005 年，以启动全国油气资源战略选区调查评价专项下属的“南黄海前第三系油气前景研究”项目为标志，南黄海正式进入了海相油气调查与勘探阶段[16]。2006 年奋斗七号调查船采用2 940 in3（1 in=2.54 cm，下同）SLEEVE 枪震源、排列长度4 200 m、33 道、56 次覆盖、震源沉放深度8 m、电缆沉放深度12 m 的采集参数，首次在原来没有反射的崂山隆起上获得了海相中—古生界的有效反射[16,18]；2007 年，排列长度和覆盖次数分别增加至5 700 m 和76 次[16,18]，在崂山隆起获得了突破性进展，揭示了3 套密集强反射标志层[5,16]；此后，根据调查船物探设备配置情况，开展了长期的海上试验及生产采集[16,18]（表1）。随着地震调查攻关的深入，南黄海海相中—古生界的反射品质不断改善，但还存在深层能量反射弱，下古生界地层地震成像较差等问题，经分析这一现象主要是低频能量弱造成的[9,16,18]。2015 年在以往强震源高覆盖地震采集的基础上，以增强低频能量为目的，进行了大量的理论、物理模拟，形成了“高富强”地震采集技术。

图1 南黄海盆地区域构造位置图

2.1.2 震源系统与接收系统

地震波向下传导时，低频信号抗衰减能力强，穿透能力较好，尤其是在穿透高速层时能降低内部的衍射波，提高深层的速度精度[31-33]。以“强能量、富低频震源”为出发点，综合考虑调查船的设备能力、枪阵系统和跑间距等因素，对不同能量（5 040、5 080 和6 390 in3）及不同气枪组合方式的震源进行逐一评价，对比论证震源子波技术参数，包括峰－峰值、主峰值、低截频、高截频和初炮比等指标，明确了6 390 in3可以增强震源的低频能量[9]（表2）。而且，10 m 的平面震源比7-10-10-7 m 的立体震源在低频端具有优势（图2），主要原因是7-10-10-7m的立体震源中心位置为8.5 m，相对沉放较浅[18]。同时，6390-3 型气枪阵（380 和220 in3的气枪交错布设[9]）相较于6390-2 型气枪阵（380 in3的大容量枪放在整个阵列的中部[9]）初炮比更高，为有利组合方式（表2）。

接收系统的参数论证主要是排列长度的选择[9]。前人研究表明，适当增加排列长度有助于形成高覆盖次数[34-35]，高覆盖有助于提升深部反射的信噪比，且远偏移距信息能够接受更多的屏蔽层下反射信号，为利用广角反射等临界角外信息提供可能[36-37]。但排列长度的增加应保证时距曲线近似双曲线，满足较高精度的速度分析的要求，而且动校正拉伸畸变较小，反射系数要稳定[9]。因此，综合考虑最大炮检距接近于最深目的层深度（崂山隆起约7 000 ～8 000 m），确定在南黄海采用排列长度8 100 m，覆盖次数为108 次。

表1 南黄海中—古生代海相地层历年地震调查参数统计表

表2 不同震源技术参数展示表

2.2 处理技术

虽然利用“高富强”地震采集技术获得了较高品质的地震资料，但崂山隆起浅水地震资料还存在以下处理处理难点：①由于T2高速屏蔽层和海底、海面等强反射系数界面的存在，多次波非常发育；②由于屏蔽层上下速度的巨大差异，致使上部低速时距曲线与下部高速时距曲线交叉，影响低速同相轴的动校正；③远偏移距的成像受折射波与中—远偏移距反射相交、“扫帚状”直达波穿插于中—远偏移距中等因素的影响；④深层的速度分析难度较大；⑤由于古生代海相地层碳酸盐岩与碎屑岩互层且受多期构造运动改造，导致岩性纵、横向变化快，存在速度突变和速度倒转的现象，影响偏移成像。

针对上述难点，在处理技术攻关中，通过对原始资料的详细分析及处理方法和参数的大量测试，形成了“高富强”处理技术体系[9,18,28-30]，即：使用DWD、SRME 和高精度RADON 的组合有效压制多次波；进行水速线性动校正，在τ-p域去除直达波干扰；利用速度差异切除低速噪音；采用f-K滤波对折射及折射多次发育的远偏移距区域进行噪音压制，使更多的远偏移距资料能够参与成像；充分利用速度谱、动校正道集、叠加及偏移剖面等手段进行速度拾取，提高深部速度的准确性；采用基于弯曲射线的Kirchhoff 叠前时间偏移方法进行二维地震资料偏移成像，利用Kirchhoff 叠前时间偏移方法进行三维地震资料偏移成像。最终得到了海相中—古生界的“高富强”（高信噪比、富低频信息、强反射振幅）地震反射资料，与老资料相比（图3），成果剖面中深部反射能量和连续性有了明显的提高，而且频谱分析显示低频成分明显加强（图4）。该结果为地层对比和构造形态的刻画提供了重要支撑。

3 南黄海海相地层的发现

南黄海崂山隆起的地质研究与油气勘探起步晚、调查程度低[5,8-13]。由于其上覆的陆相沉积层厚度不超过1 000 m，未达到油气生成的门限深度[38]，在以中、新生代陆相油气勘探为目标层的阶段，崂山隆起成为油气勘探的禁区；此外由于以往地震资料品质较差，只能反映T2界面（新近系底界面）之上地层反射特征[16]，未能揭示海相地层的内幕反射，导致地质学者们对面积超过40 000 km2的崂山隆起的地层属性的推断众说纷纭，或为变质岩、或为火山岩，或为中生代地层、下三叠统至上古生界，或为古生代地层[39]。因此，严重制约了油气勘探进程。2015—2016 年，利用“高富强”地震探测技术在崂山隆起进行调查的所获地震资料一级品率达90%，获得了T2以下清晰层状反射，揭示了崂山隆起发育巨厚的海相中—古生界。以此为背景，2016 年大陆架科学钻探CSDP-2 井于崂山隆起西部证实了该区海相地层的发育。

3.1 钻井证实海相地层发育

南黄海盆地共实施钻井30 口（中国24 口、韩国6 口）[10,14,16]，而钻遇海相中—古生界的钻井仅8 口（表3）。其中，CZ12-1-1A 井揭露了石炭系，CSDP-2 井揭示了下三叠统青龙组—下志留统高家边组的海相地层（图5），其余钻井揭示了三叠系青龙组、二叠系大隆组—龙潭组—栖霞组。

图2 模拟震源子波频谱图

图3 成果剖面对比图（测线位置见图1）

图4 地震资料频谱特征对比图

根据钻井岩心观察与描述，结合邻区露头资料，明确了南黄海盆地三叠系—志留系的沉积建造与扬子陆域四川盆地完全可比[5]，是下扬子中—古生界在海域的延伸。南黄海盆地下志留统高家边组为陆棚相厚度较大的泥岩，CSDP-2 井揭示其中下段为灰色—深灰色泥岩，上段渐变为红褐色泥岩、绿灰色泥岩，夹杂灰质白云岩—白云岩；中、上志留统为海陆过渡相砂泥岩，CSDP-2 井揭示为灰色细砂岩、红褐色泥岩，夹薄层灰色泥岩；泥盆系中下统缺失，泥盆系上统五通组为滨岸相砂砾岩；下石炭统高骊山组为滨浅海相的砂岩、泥质砂岩和泥页岩；中、上石炭统—下二叠统栖霞组为潮坪—台地相碳酸盐岩，见泥质灰岩、生物碎屑灰岩和灰黑色臭灰岩；下二叠统孤峰组厚度教薄，为灰黑色硅质泥岩；上二叠统龙潭—大隆组见沼泽相的煤系地层、潮坪相和三角洲相的砂泥岩；下三叠统青龙组以台地相的灰岩为主，其顶部可见土黄色、浅灰色及灰色灰岩，风化严重且易碎，为印支面风化壳。此外，通过海陆对比推测南黄海震旦系为冰碛岩、浅海相砂泥岩和白云岩，寒武系为盆地相—台缘斜坡相泥质岩、灰质白云岩和白云质石灰岩，奥陶系浅为海陆棚相碳酸盐岩[5]。

3.2 “高富强”地震资料揭示海相地震层序

3.2.1 地震反射标志层组

利用“高富强”地震探测技术获得了高品质的地震资料，发现了高速屏蔽层下存在多套能够连续追踪的密集反射波组，对比分析表明，南黄海古生界存在3 大地震反射标志层[5,16]，均表现为平行—亚平行结构、中—强振幅和连续—较连续地震反射特征（图5）。第1 标志层：连续性好，由2 ～3 个同向轴组成，双程反射时间约300 ms，钻井证实为中石炭统—下二叠统灰岩夹钙质泥岩及泥灰岩，该套地层在区域上厚度稳定[5,16]。第2 标志层：连续—较连续，由4 ～5 个同向轴组成，双程反射时间厚度约400 ms，区域地层对比和CSDP-2 井揭示其为下志留统高家边组泥页岩[8]。第3 标志层：较连续，由6 ～7 个相对强振幅组成，双程反射时间厚度约500 ms，该套地层也没有钻井钻遇，根据海陆对比推测其为下寒武统泥页岩—震旦系上部泥质白云岩形成反射[16]。

表3 南黄海盆地的钻遇海相中－古生界钻井情况一览表

3.2.2 地震层序的划分

在认识标志层反射特征并明确其地质属性的基础上，根据典型地震剖面的波阻抗反射界面特征，区域上追踪解释了12 个地震反射层[5,8,16]。其中，以崂山隆起为典型代表的反映海相中—古生界的地震反射层，主要有T8（隆起部位与T2重合）、T9、T10、T11、T11-1、T12、T13、Tg。共构成7 个地震层序[8,16]（图6）。

地震层序Ⅰ：对应T8～T9（隆起部位或为T2～T9），以内部反射能量弱、连续性较差空白—杂乱反射为特征，双程反射时间0 ～1 000 ms，钻井证实为下三叠统青龙组，为一套灰岩与泥灰岩互层的地层。地震层序Ⅱ：对应T9～T10，由2 ～3 个中弱振幅连续－较连续的波组组成，全区可追踪对比，双程反射时间200 ～300 ms，钻井证实为上二叠统龙潭组—大隆组，为一套泥岩夹砂岩为主的含煤地层。地震层序Ⅲ：对应T10～T11，由2 ～3 个中强振幅连续—较连续的波组组成，双程反射时间约300 ms，钻井证实为下石炭统和州组—下二叠统栖霞组，为一套灰岩为主夹薄层泥岩的地层。地震层序Ⅳ：对应T11～T11-1，内部反射能量弱，连续性较差，内部结构为空白—杂乱反射，双程反射时间厚度介于650 ～750 ms，地质属性已由CSDP-2 井证实为中、上志留统—下石炭统高骊山组。地震层序Ⅴ：对应T11-1～T12，由3 ～4 个中强振幅连续—较连续的波组组成，双程反射时间约400 ms，地质属性已由CSDP-2 井证实为下志留统厚度较大的泥页岩。地震层序Ⅵ：对应T12～T13层序，内部反射能量较弱，连续性较差，内部结构为亚平行—空白—杂乱反射，双程反射时间约650 ～700 ms，地质属性相当于中上寒武统—奥陶系，为一套以碳酸盐岩夹泥质白云岩和泥岩的地层。地震层序Ⅶ：对应T13～Tg层序，由4 ～6 个中强振幅较连续的波组组成，双程反射时间约500 ms，其地质属性相当于震旦系—下寒武统。

4 认识与讨论

4.1 认识

4.1.1 “高富强”地震探测技术为深海探测提供了利器

图5 大陆架科学钻探CSDP-2井海相中—古生界综合柱状图（钻探深度2 843 m）

目前我国海域的油气发现主要集中在4 500 m以浅的新生代地层中，中—古生界是油气调查新层系[2-4]。东海西部与南海北部的中生界、南黄海中—古生界的油气发现的关键在于地震探测技术能否突破技术瓶颈，实现创新。“高富强”地震探测技术是针对我国海域含油气盆地深部地层的探测及成像技术，为4 500 ～15 000 m 深度范围内油气资源勘查提供了有效手段，大大拓展了我国海域的找油空间[9,18]。近年来，“高富强”地震探测技术在南黄海盆地油气调查与勘探中取得重大进展，获得了深部中—古生代海相地层清晰反射，突破了该区地震资料品质差的限制[9]。并以此为基础，厘定了南黄海古生界的构造格架[5,14]，首次建立了南黄海海相中—古生界的地层层序[16]，且于崂山隆起落实了多个大型构造圈闭[40]，优选了古生界的钻探目标[16]，极大推动了南黄海油气勘探进程。

4.1.2 南黄海海相地层的发现开辟了油气勘查新领域

南黄海盆地，尤其是崂山隆起，其构造演化与海相油气资源前景一直是地质工作者关注的焦点。崂山隆起海相地层的发现，首先彻底解决了制约南黄海崂山隆起油气勘查的海相残留盆地长期悬而未决的地层属性问题。而且，南黄海盆地是扬子区的重要组成部分[8-14]，扬子区陆上资料表明古生代海相地层有较好的油气资源前景[10-11]，发育3 套区域性的烃源岩[5,12]，分别为下寒武统幕府山组、下志留统高家边组和二叠系龙潭—大隆组，这些烃源岩为上扬子四川盆地威远、安岳、五百梯、普光、焦石坝、元坝、龙岗等大型、特大型油气田提供了油气源，也是下扬子区朱家墩气田、黄桥气田、句容油田的油气源岩[5,12]。因此，海相地层的发现将推动南黄海海域油气新领域、新层系的调查与勘探，具有重要的石油地质意义。而且，南黄海海相地层的发现也为区域地质研究、古生代以来海陆演化过程研究提供了重要的资料支撑，具有重大的科学意义和实际价值。

4.2 讨论

4.2.1 “高富强”地震探测技术还有待进一步完善

“高富强”地震探测技术是以南黄海为典型盆地经过了长期的海上试验、深入的理论计算和大量的计算机模拟后形成的，中—古生代海相地层特殊的地震地质条件决定了其技术特点[9,18]。“高富强”地震探测技术在南黄海的应用，使得地震成像取得突破性的进展，尤其是上古生界的成像品质已完全满足油气勘探的需要[8,18]。与此同时，仍可以看出部分地区海相下古生界存在信噪比低、反射能量弱、盆地内不同构造单元之间波组的对比性较差等现象[9,18]。因此，“高富强”地震探测技术还需进一步研究，并在实践中不断完善。随着勘探进程的不断推进以及地质研究的不断深入，一方面要建立更加符合地质情况的地质模型，进行理论模拟物理模拟，并开展大量的海上试验，获取更具针对性的采集参数；另一方面要加大包括海洋低频震源、宽频宽方位采集技术、海底节点式地震仪等技术的研发及应用；此外，在成像方面也需不断开展处理试验，包括叠前深度偏移、低频补偿、鬼波压制等[9]。

图6 南黄海盆地崂山隆起中—古生界地震层序及地质属性（据文献[16]修改）

4.2.2 早古生代海相地层还需钻井验证

“高富强”地震探测技术使得原来没有反射的崂山隆起揭示出清晰的地震层序、地层结构和分布特征[5,14,16,40]，发现了南黄海盆地巨厚的海相中—古生界，而且海域钻井揭示了志留系以上的海相地层，其沉积建造与扬子陆域完全可比。通过新老地震资料连片解释和海陆对比，推测T12（志留系底界）以下的地震层序的地质属性为奥陶系和寒武系碳酸盐岩、下寒武统泥岩与震旦泥质白云岩（图6），早古生代海相地层层序还需钻井来验证。

4.2.3 加强区域石油地质条件对比对南黄海勘探具有指导意义

扬子区海相地层具有巨大的油气勘探前景[10-11]，上扬子四川盆地已发现多个大型、特大型油气田，中扬子发现建南气田，下扬子陆域地区除了句容油田、黄桥气田的发现以外，其古生界油气显示达400 余处[12]。我国南方海相地层具有丰富的油气物质基础，具有3 套区域性主力烃源岩[5,10,21]。低勘探程度的南黄海盆地海相地层与四川盆地同处于扬子地层大区之上，具有相同的含油气层位[5,10-14]。CSDP - 2井于二叠系—志留系发现了多处油气显示，证明崂山隆起具有大规模成藏过程[41]，而且近年来，通过“高富强”地震资料，在崂山隆起落实了一大批古生界圈闭构造[40]，揭示其较好的油气资源前景。从物质基础、构造条件、保存条件、成藏条件等石油地质要素入手，加强区域对比，将对南黄海盆地的油气勘探具有指导意义。

5 结论

1）中国海域“高富强”地震探测技术是在反复理论模拟和长期海上试验的基础上形成的，包含采集和处理两个方面，其中采集系统由震源系统和接收系统两部分组成，突出特点为“高覆盖次数、富低频信号及强能量震源”；处理技术上，不仅有效压制了各类多次波，而且使更多的远偏移距资料参与了成像，并采用了多方法精细速度分析与弯曲射线的叠前时间偏移，具有“高信噪比、富低频信息、强反射振幅”的特点。

2）“高富强”地震探测技术在南黄海的应用，获得了海相中—古生界的有效地震反射资料，在原来深部没有有效反射的崂山隆起揭示出清晰的海相地层层序和结构。结合海域钻井，证实南黄海中—古生界的沉积建造与演化史和上扬子四川盆地具有可比性，发育相同的含油气层位。这一发现对推动南黄海油气新领域、新层位的调查与勘探具有重要的意义。