碳酸盐岩地震沉积学研究进展

吴其林, 侯志平, 刘存革, 陈国民, 于俊峰, 周小康, 曾 驿

(1.广东石油化工学院石油工程学院，茂名 525000; 2.广东石油化工学院广东省非常规能源工程技术研究中心，茂名 525000；3.中海石油(中国)有限公司深圳分公司，深圳 518000)

地震沉积学是在沉积学、地震地层学、层序地层学、地震储层预测技术等学科基础上发展起来的边缘交叉学科[1-9]；简单来讲，地震沉积学是应用地震信息研究沉积岩及其形成过程的学科[10-17]。地震沉积学自1998年被提出后已经近20年，期间在国内外均取得较快发展，论文的数量和质量均有明显提高，三维地震切片[13-17]、地震相分析[18-28]、分频反演[29-31]、多色渲染技术(RGB、RGBA)[32-34]、地震多属性[35-37]、波阻抗反演体[38]、速度体[39]等积极推动了地震沉积学的发展。

目前，地震沉积学论文中，主要集中在对碎屑岩地层的研究，而涉及碳酸盐岩的研究较少。基于此，以已报道的碳酸盐岩地震沉积学相关论文为研究基础，结合笔者近几年的在碳酸盐岩地震沉积学方面的探索，总结碳酸盐岩地震沉积学特色和应用思路。

1 碳酸盐岩地震沉积学

据百度学术统计，中国地震沉积学研究论文从1989至今，共发表339篇，其中高影响因子的论文250篇，多集中在中国石油勘探开发研究院等研究机构或大学，如图1所示。学科已经发展深入到地质资源与地质工程(地层切片、分频解释、地震属性、储层预测、沉积微相等)、地质学、石油天然气地质学、地球物理学、地理学和计算机科学。学者中朱筱敏、陈洪德位居前两位，林畅松、顾家裕、朱如凯、侯明才等其他学者也有较多研究成果，其中朱筱敏教授成果数达557，引用频次达9 158；陈洪德教授成果数达432，引用频次达9 867(据百度学术数据)。

图1 中国地震沉积学研究机构高影响因子发文量统计

地震沉积学的应用研究在碳酸盐岩地区与碎屑岩地区有较大的不同。首先，碳酸盐岩是内源沉积，碎屑岩为外源沉积，这种物源类型的差异决定了两者的本质差别。在测井参数上表现在以下方面：一是碎屑岩的自然伽马(GR)曲线区分砂泥岩的固有模式不能直接套用到碳酸盐岩储层发育区，因为GR区分碳酸盐岩礁滩储层与非储层并不明显；二是碳酸盐岩地层与碎屑岩地层层速度差异大，碳酸盐岩地层速度高一般远大于相同深度的碎屑岩地层速度，据岩石物理分析和国内外实际钻探岩心测试表明，沉积岩中正常成岩的碎屑岩储层速度为1 800～4 000 m/s，而碳酸盐岩速度范围在差一般在2 500～6 100 m/s，因此两者的速度差异一般在900 m/s以上；三是碳酸盐岩地层在高速低频的条件下纵向1/4波长的分辨率也会变得更低，提高储层研究的质量，更有必要开展平面分析为特色的地震沉积学研究。

碳酸盐岩地震沉积学也是以已有地质沉积信息(如岩心资料、薄片鉴定、录井柱状图、野外地质剖面、确定的沉积相等信息)、测井信息(电阻率曲线、三孔隙度曲线、钻时曲线、测井沉积相解释等)、钻井信息(钻时曲线变化信息、井涌井漏信息等)和地震信息(不局限于外形、内部反射结构、连续性地震相分析、基于波形的神经网络聚类分析、基于沉积相种子点信息的多属性融合沉积相识别、波阻抗反演等)为基础，以沉积学、层序地层学和地球物理学为指导，充分利用三维地震资料的空间体属性优势，开展碳酸盐岩的沉积相、沉积体系、沉积演化研究的边缘交叉学科。

以地质信息为研究目标，不限于地球物理技术方法本身而开展的有利于沉积环境和沉积相的描述都可以纳如地震沉积研究的范畴。显然，碳酸盐岩地震沉积学继承了地层地层学、层序地层学和地震沉积学的理论基础，但又有自身的特殊性，因此发展具有碳酸盐岩地质沉积研究的特色的方法显得的尤为重要。如图2所示，根据曾洪流等[1-7,10,13-14]、朱筱敏等[17]、吴其林等[38-39]、Catuneanu等[40]提出的学科发展历史和学科关系，梳理了碳酸盐岩地震沉积学的发展历史。

图2 碳酸盐岩地震沉积学学科发展历史[1-17, 38]

碳酸盐岩地震沉积学也是发展中的学科，依赖于其他学科的发展与进步。现代碳酸盐岩沉积学研究进展较快，对大巴哈马滩[41-42]、澳大利亚的大堡礁[43-44]、南海生物礁[45]等的研究都推进碳酸盐岩礁滩沉积相研究的进展。其中，大巴哈马滩是全球研究孤立台地滩体沉积演化的重要参照物；澳大利亚的大堡礁是研究现代大规模珊瑚礁生长、发育、演化和消亡重要案例地；南海西沙生物礁滩的研究为打开南海生物礁滩油藏宝库提供了一把钥匙。这一系列现代生物礁滩的研究将为古代生物礁滩模式的描述提供更为精确到参考样式，为正演模拟地下碳酸盐岩礁滩储层提供了重要依据。

目前，中国关于碳酸盐岩地震沉积学的研究论文相对较少。吴其林等[38]开展了珠江口盆地 H 区块碳酸盐岩储层地震沉积学应用研究，利用叠前弹性波阻抗体开展地层切片识别生物礁、滩储层，较早将地震沉积学引入到碳酸盐岩地层中。

杜浩坤[46]开展了川西孝泉-新场构造中三叠统雷口坡组地震沉积学研究，采用非等厚时窗的地震沉积切片方法，成像效果显著，且在基于去燥优化地震剖面技术(EMD)后的波形聚类方法基础上开展窄时窗切片也得到了优质成果。

2 碳酸盐岩地震沉积学应用现状

地震沉积学应用在碳酸盐岩发育区进行沉积分析已取得较大进展[23-24,38-39,44-51]。

2.1 基于地震相和数值模拟技术的地震沉积学研究应用

Huang等[23]、黄悍东等[24]在研究四川盆地川东褶皱带建南-龙驹坝地区碳酸盐岩礁滩预测中运用地震沉积学理论，分析生物礁滩相模式与地震响应的关联性，将地震相控非线性随机反演引入地震沉积学识别全区生物礁，取得较大进展。

姚清洲等[47]研究了塔里木盆地下古生界碳酸盐岩缝洞型油气藏中长宽均为20 m的正演模拟，结果表明该区域的缝洞型油气藏既可以表现为典型的 “串珠状”地震反射，也可以出现杂乱弱反射的地震特征，这种剖面特征在很大程度上限制了地震沉积学平面解释，也为该区域开展地震沉积学带来了极大的挑战。为此，姚清洲等尝试应用地震趋势异常识别开展碳酸盐岩缝洞型储层的预测。

杨平等[48]基于声波方程数值模拟，探讨了缝洞体的位置、形态、物性、内部结构等多种因素对地震反射特征的影响，明确了缝洞体的反射振幅主要受其宽度、总孔隙度和内部结构因素的综合影响，认为应用现行技术很难将这些因素的影响区分开，直接研究缝洞体的容积是储层定量描述的现实途径。

2.2 基于地层属性切片的地震沉积学应用

吴其林等[38]在南海珠江口盆地H区块中新世碳酸盐岩沉积区开展地震沉积学应用研究，利用三维叠前弹性阻抗反演体进行地层切片分析，在弹性阻抗切片平面图上划分了不同相带其属性特征值，并在研究区碳酸盐岩台地-斜坡-陆棚沉积体系中识别出台地边缘礁、台内礁、台内滩为有利储集相带(图3)，这克服了常规叠后剖面难以在高速、高密、低频碳酸盐岩沉积区储层精细描述的困难，是国内较早利用三维叠前地震弹性阻抗反演体开展碳酸盐岩地震沉积分析的文章，也为碳酸盐岩发育区利用叠前数据开展地震沉积学研究提供了一种思路。

图3 弹性阻抗切片与地层切片转换的沉积相[38]

相1、相2、相3分别代表岩溶区域；相6、相7分别代表咸化泻湖；相4、相5代表潮坪

杜浩坤[46]开展了放在窄时窗情况(储层尺度)下的地震相分析，采用波形聚类、多属性聚类、分频技术、EMD时频分析。特别是提出的基于EMD波形聚类方法，克服了单纯波形聚类在窄时窗内易受噪音干扰的影响。图4(a)为原始数据0～10 ms时窗的波形聚类结果;图4(b)为其10～20 ms时窗的波形聚类结果；图4(c)为EMD处理后的重构数据0～10 ms时窗的波形聚类结果，图4(d)为10～20 ms时窗的EMD波形聚类结果。整体而言，图4(c)、图4(d)结果明显优于图4(a)、图4(b)，表现出基于EMD的波形聚类方法对其进行了小时窗的地震相分析成像优势。

姜华等[49]提出基于对哈拉哈塘地区某三维地震区的古河道进行识别和刻画。精细刻画出志留系底界面与奥陶系吐木休克组底界面2个重要沉积间断期发育的河道体系并总结其特征。研究结果表明，志留系底界面发育高曲度的稳定曲流河，而吐木休克组底界面发育典型的曲流河。两期河道发育期哈拉哈塘地区均处于相对平缓的地貌背景。通过古河道的识别可知，在吐木休克组沉积前该区域曾发生短暂暴露性沉积间断而非传统认识的直接发育的淹没台地型水下沉积间断，从而为吐木休克组底界面下发育的古岩溶储层提供更合理的成因背景解释。

熊冉等[50]利用地震沉积学理论利用谱反演处理后的地震资料90°相移后在塔里木盆地英买32区块蓬莱坝组识别白云岩隔夹层，预测了该区隔夹层平面分布。谱反演处理能有效提高地震资料对薄层的识别能力，且90°相位化后的地震同相轴与隔夹层有较好的对应关系；野外地质建模明确了隔夹层平面分布规律，且与钻井资料有较好的对应关系，能有效指导地层切片对井下隔夹层空间的分布预测。预测结果表明,隔夹层呈北西-北东向条带状分布于研究区的东北部,控制着研究区剩余油的分布。

曾洪流等[51]应用地震沉积学对中国西部深层古老海相碳酸盐岩进行分析，将岩心、测井和三维地震资料的综合解释纳入地震沉积学研究流程，定性恢复碳酸盐岩沉积古地貌，定量预测白云岩储集层厚度(图5)。

图5 分频振幅主因子分析定量计算龙王庙组储集层厚度[51]

2.3 基于地层速度切片的地震沉积学应用

笔者及同事在国家“十二五”期间开展南海珠江口盆地中新统碳酸盐岩地震沉积研究时就注意到碳酸盐岩地层速度的特殊性，并进行了碳酸盐岩顶底地层约束下的速度加密拾取和基于网格层析的速度迭代进行碳酸盐岩三维体的速度精细刻画和地层切片研究，并刻画出研究区有利的储层发育区，展现此技术的优势[39]。

图6为利用碳酸盐岩地层顶底地层界面加以约束提取层速度切片，西部低于4 200 m/s深蓝色至蓝色低速层为碳酸盐岩和碎屑岩陆棚混积层，不属于碳酸盐岩台地；而东部大于4 400 m/s的绿色-黄色-橙色部分为碳酸盐岩台地(以北部HZ28-4A井北西-南东红色虚线为界)。在碳酸盐岩台地上，大于4 800 m/s的高速层碳酸盐岩泥微晶灰岩致密层集中在东北部、中部与南部的局部，约占整体图像的1/3；而在3 800～4 200 m/s以层速度图中部HZ33-3A井和南部的HZ34-1A井可见绿色圈闭的低速区为有利油气勘探目标。

3 碳酸盐岩地震沉积学发展趋势

在外国，关于碳酸盐岩地震沉积学的研究主要集中在碳酸盐岩地震地貌学，Handford等[52]、David等[53]、Bachtel等[54]、Posamentier[55]、Zeng等[56]、Saqab等[57]、Rankey[58]、Basso等[59]和Tesch等[60]发表了较多相关文章。

西部低于4 200 m/s深蓝色至蓝色低速层为碳酸盐岩和碎屑岩陆棚混积层；东部大于4 400 m/s的绿色-黄色-橙色部分为碳酸盐岩台地(以北部HZ28-4A井北西-南东红色虚线为界)

图7 印尼渐新世-中新世Kujung 1孤立碳酸盐岩台地地震地貌图[55]

其中，Posamentier[55]采用三维地震成像为手段分析了离散分布的块礁群合并生长成为碳酸盐岩台地演化的过程，在地震切片图中分析了直径为 60～120 m 小型块礁合并成为1～6.5 km直径为孤立台地的演化特征，并立体展示了被晚期Tuban泥岩包围和覆盖的Kujung 1号碳酸盐岩台地(约4 km宽)地震地貌特征(图7)；在纵向上连续提取地震振幅切片，由台地底部向上以28、44、60 ms的间距提取的切片进行分析，结果表明早期的小块块礁分散分布-中期逐渐合并为中等规模块礁-后期的大规模合并成碳酸盐岩台地，在顶部切片上可见台地顶部礁间潮汐水道。

Zeng等[56]探讨了以三维地震资料为基础的奥陶系顶部不整合面的地震地质成像，立体刻画了碳酸盐岩古岩溶区的喀斯特峰丛、落水洞和地表河位置，并在剖面上圈定了具有垮塌特征的溶洞位置(图8)。该研究结合了测井资料、录井(岩心)资料、单井沉积相解释、地震剖面解释，最终在平面进行了综合解释。塔里木盆地奥陶系的喀斯特地貌特征可同桂林的喀斯特现象可类比，体现了地震地貌学在研究区工作的可行性。

图8 塔里木盆地奥陶系顶岩溶古地貌[56]

Saqab等[57]利用三维地震属性进行了孤立碳酸盐岩建造体的研究，特别是在表现中新世早期3种光谱分解成分(20、40和60 Hz)的颜色混合成像，将孤立的碳酸盐岩台地建造进行了精细刻画。如图9所示，澳大利亚西北大陆架和现今大堡礁(GBR)的早-中新世古沉积相相似，说明地震沉积沉积切片和现代生物礁发育可进行类比分析，提升了古碳酸盐岩生物礁体的可解释性以及有利储层分布的确定性。

图9 澳大利亚西北大陆架早-中新世古沉积生物礁体与现今大堡礁对比[60]

Tesch等[60]利用地震地貌学对澳大利亚西北大陆架地下Browse盆地渐新世至中新世开展的碳酸盐岩斜坡进行了系统研究，提出一种基于碳酸盐岩斜坡-河道系统参数化及其稳定性评价新方法，揭示了该系统的基本性质沉积物输送受他源和自源控制的影响，描述了如何重建三维地震资料的构造和相对海平面，并量化了相对海平面变化对年进积作用的影响系统。

4 展望

碳酸盐岩地震沉积学是一门综合的边缘交叉学科，其发展必然受相关学科发展的带动，展望其发展方向具体如下。

(1)现代碳酸盐岩沉积学的快速发展，相类型、相模式更加贴合实际生产的古地层碳酸盐岩沉积相分布规律；“将今论古”的碳酸盐岩沉积发育类比分析是重要的发展方向。通过类似沉积地区的沉积相及沉积模式的关联性对比，有利于预测古碳酸盐岩沉积区有利储层发育的位置和展布，也反向推动了碳酸盐岩现代沉积科学研究的进程。

(2)地球物理学科的发展必然推动的学科的发展，地球物理学科目前在地震采集、处理和解释的工具、方法、软件更新都较为快速，特别是涉及到有利于识别地震相的技术得到快速发展，基于神经网络的波形分析已经发展的第5代，速度研究已经由常规的叠加速度转层速度发展到全波形速度反演，势必提高碳酸盐岩地层速度识别精度，进而提供了更多识别碳酸盐岩沉积相的可能。宽频处理技术很大程度上增强了碳酸盐岩横向变化识别的可能性以及平面边界识别的可能性。

(3)数值模拟技术的发展，使得碳酸盐岩生物礁滩的分布及堆砌模式得以恢复，有利于恢复古地层碳酸盐岩生物礁滩的堆砌模式。