南黄海中部隆起带折射波层析成像_胡雪莹.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0803-0813地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P胡雪莹，龚锐，高顺莉，等2023 南黄海中部隆起带折射波层析成像 地球物理学进展，38(2):0803-0813，doi:106038/pg2023GG0413HU XueYing，GONG ui，GAO ShunLi，et al 2023 efraction tomography of the central uplift in the South Yellow Sea Progress in Geophysics(inChinese)，38(2):0803-0813，doi:106038/pg2023GG0413南黄海中部隆起带折射波层析成像efraction tomography of the central uplift in the South Yellow Sea胡雪莹1，2，龚锐1，2，高顺莉3，张建明1，2，刘玉柱1，2，耿建华1，2*HU XueYing1，2，GONG ui1，2，GAO ShunLi3，ZHANG JianMing1，2，LIU YuZhu1，2，GENG JianHua1，2*收稿日期2022-09-14;修回日期2022-12-11投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家自然科学基金项目(41630964)资助第一作者简介胡雪莹，女，1997 年生，现为同济大学海洋与地球科学学院硕士研究生，主要从事地震层析成像、速度建模等方面研究E-mail:2031702 tongji edu cn*通讯作者耿建华，男，同济大学海洋与地球科学学院教授，博士生导师，主要从事地震波成像、岩石物理与储层地球物理等方面的教学与科研工作 E-mail:jhgeng tongji edu cn1 海洋地质国家重点实验室，同济大学，上海2000922 海洋与地球科学科学学院，同济大学，上海2000923 中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海2003351 State Key Laboratory of Marine Geology，Tongji University，Shanghai 200092，China2 School of Ocean and Earth Science，Tongji University，Shanghai 200092，China3 Shanghai Branch of CNOOC Ltd，Shanghai 200335，China摘要南黄海中部隆起带中、古生界地层具有良好的油气勘探潜力 但是，由于该区处于水深 10 100 m的浅水环境，地震记录上多次波十分发育;且上覆新生界低速地层与下伏中、古生界高速地层速度反差可达 23 倍，形成了地震波能量屏蔽界面，下伏地层反射波能量弱，严重影响了地震反射波速度建模质量 而新生界地层与下伏中、古生界地层之间的速度大反差界面在地震记录上产生了稳定的、易于拾取的折射波，因此，我们将改进的散射积分走时层析成像方法结合多偏移距反演策略应用到南黄海中部隆起带折射波速度建模中 结果表明，折射波层析成像可重建 2.5 3.0km 深度的高质量速度模型 对比该速度模型与叠加速度转换得到的速度模型逆时偏移成像的结果，发现用折射波速度模型偏移的地震剖面揭示中生界盆地轮廓、内部构造和断层更清晰，地震同相轴连续性强，且古生界陡倾角地层成像质量也显著提高 证明折射波走时层析成像在南黄海中部隆起带速度建模中是有效的，为南黄海浅、中层地震速度建模提供了一种可靠的解决方案AbstractThe Mesozoic and Paleozoic formations of thecentral uplift in the South Yellow Sea have good oil and gasexploration potential However，due to the shallow waterwith a depth of 10 m to 100 m，multiples strongly developin the seismic records，and the velocity-contrast betweenthe overlying Cenozoic formation with low-velocity and theunderlyingMesozoic-Paleozoicformationswithhigh-velocity reaches 2 3 times in this area，forming ashielding interface of seismic wave energy，the reflectionwave energy of the underlying formations is weak，whichseriously degrade the quality of seismic velocity modelbuilding by reflection wave However，the large velocity-contrast interface generates stable refraction waves whichare easy to pick up in seismic records Therefore，we usethese refraction waves to build velocity model by thepreconditioned improved scattering-integral refraction traveltimetomographycombinedwithmulti-offsetrangesstrategy The results show that the refraction tomographycan build a better velocity model from surface to 2.5 km or3 km depth than traditional velocity analysis methods Weapplythevelocitymodelsobtainedfromrefractiontomography and converted from root-mean-square velocitytoreverse-timedepth-migrationComparedwiththemigrated profile using the velocity model converted fromroot-mean-square velocity，themigratedprofileusingrefraction tomography clearly shows the Cenozoic fault，the outline and internal structures of the Mesozoic basin地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)关键词速度建模;折射波层析成像;反射波速度分析;偏移成像;南黄海盆地中部隆起带中图分类号P631，P738文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0413The continuity of the seismic events and the quality ofthe PaleozoicsteepdipstrataareimprovedThepreconditioned improved scattering-integral refraction traveltime tomography method is effective in building velocitymodel of the central uplift in the South Yellow Sea，whichprovides a reliable solution for building seismic velocitymodelatshallowandmiddledepthoftheSouthYellow SeaKeywordsVelocitymodelbuilding;efractiontomography;eflection wave velocity analysis;Migration;The central uplift in the South Yellow Sea Basin0引言下扬子板块广泛分布巨厚海相碳酸盐岩沉积(纪友亮等，2011;吴淑玉等，2018)南黄海盆地位于下扬子板块东缘，其北部以苏鲁造山带为界，南部以江山绍兴断裂带为界，西接下扬子板块苏北盆地，可划分为“三隆两坳”五个构造单元，从北至南为千里岩隆起，北部坳陷，中部隆起，南部坳陷，勿南沙隆起(吴德城和侯方辉，2017;赵维娜等，2019)南黄海经过 60 多年的勘探至今尚未取得工业油气发现 2016 年，以探查南黄海中部隆起带中、古生界海相地层属性为目的的 CSDP-2 探井证明，南黄海存在三套有效烃源岩，揭示其中、古生界海相地层具有良好的油气勘探远景(张训华等，2019;Cai et al，2019;祁江豪等，2019)但是由于该区经历了多期构造运动，特别是印支运动使得区域整体隆升，中、新生界地层遭受严重剥蚀，缺失绝大部分古近系、白垩系、侏罗系、三叠系地层(张训华等，2014;杨艳秋等，2015)，因此，新近系陆相碎屑岩低速地层直接覆盖在三叠系、二叠系或者石炭系海相碳酸盐岩高速地层之上，形成了速度大反差界面，速度反差可达2 3 倍(吴志强，2009;耿建华等，2018;陈建文等，2021;张田等，2021)图 1 是南部坳陷内靠近中部隆起交界处的某井声波测井曲线，在多个深度处都存在速度突变面，尤其是 1300 m 深度附近可以看见一个明显的速度突变面，此处即为新生界低速地层与中、古生界高速地层的分界面 速度突变面上、下岩石物性差异大，波阻抗差大，反射能量强，界面的反射系数可达 0.3 0.5，严重屏蔽地震波能量向下传播，使得下伏地层反射信号能量很弱(王建花等，2003;吴志强等，2011，2015;姚刚，2018)同时，南黄海中部隆起带平均水深 50 m，由于浅水环境的存在，产生了多种类型的多次波干扰，不仅包含反射多次波，还包含折射多次波和绕射多次波;不仅包含海面、海底相关多次波，还包含在多个较大反射系数界面之间的层间多次波(陈建文等，2016;施剑等，2016;刘俊等，2017;耿建华等，2018)图 2 显示了该区某二维测线的一个炮记录，从图中可以看出多次波十分发育速度是勘探地震学的核心参数，根据地震波数据类型的不同，速度建模方法包括基于反射波的速度建模和基于初至波的速度建模 传统的反射波速度建模方法是叠加速度分析，但是，研究区存在多个速度大反差界面，一方面，地震波能量难以向下传播，有效反射信号弱;另一方面，浅水环境使得多次波强烈发育，这些多次波几乎掩盖了有效反射波，如图 3 显示的速度谱上，1.0 s 以下全部为多次波能量 因此，利用反射波建立该区速度模型十分困难，大大降低了地震波成像质量 然而，图 2 显示的单炮记录上速度大反差界面产生的高质量的折射波具有能量强、易于拾取的优点，利用初至波走时层析成像方法可以建立研究区浅、中层比较准确的背景速度模型，且与波形层析成像方法相比，走时层析对初始速度模型的依赖性低，计算效率高(刘玉柱和董良国，2007;刘玉柱和杨积忠，2014;刘俊等，2016;董良国等，2021)，从而可为南黄海中部隆起带浅、中层地震速度建模提供了一种可靠的解决方案本文利用南黄海中部隆起带速度大反差界面产生的折射波，开展速度层析成像研究，结合多偏移距反演策略，建立了该区浅、中层高质量的速度模型对比该速度模型与叠加速度转换得到的深度层速度模型进行逆时偏移成像的结果，发现用折射波层析成像速度模型获得的叠前深度偏移剖面揭示出中生界盆地清晰的轮廓与内部构造，地震同相轴连续性增强，断层更清晰，古生界陡倾角地层成像质量也显著提高1方法原理1 1基本原理地震波走时层析成像基于高频近似射线理论，4082023，38(2)胡雪莹，等:南黄海中部隆起带折射波层析成像(www progeophys cn)图 1中部隆起带邻区某井声波测井曲线红色箭头指示速度突变面Fig 1The acoustic logging curve of a well in the adjacentarea of the central uplift belt in the South Yellow SeaThe red arrows indicate the velocity sharp changes图 2某炮原始地震记录红色曲线显示了速度大反差界面产生的折射波Fig 2A raw seismic recordThe red line indicates the refraction wave图 3反射波速度谱黄色方框中为多次波叠加能量Fig 3A velocity spectrum of reflection waveThe yellow rectangle indicates multiples利用走时信息，以理论走时与实际观测折射波走时之差构建目标函数，将地下介质离散成一系列矩形网格并给这些网格设置初始值作为初始速度模型，在此初始模型上进行射线追踪得到理论走时和射线路径，通过迭代求解更新速度模型，直到目标函数减小至可接受的误差，从而获得地下介质的速度模型(施剑等，2018;赵烽帆等，2014;王淑玲，2012;Liu etal，2021)通常将目标函数(s)定义为数据残差的二范数:(s)=12t0 t22，(1)其中，t0为观测走时，t 为理论走时，s 为介质的慢度 在射线理论中，地震波走时可以表示为下列积分的形式:t=rsS(r)dl，(2)dl 是射线路径上的微元，s 和 r 代表射线路径 l 从源点到检波点的积分范围，s(r)代表空间位置 r 处的慢度将式(2)离散化后得到以下方程组:508地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)k11k1jk1mki1kijkimkn1knjknms1sjsm=t1titn，(3)将公式(3)用矩阵符号表示为:Ks=t，(4)其中，K 为走时层析成像中的核函数，即射线路径矩阵，s 为空间慢度向量，t 为折射波走时向量 如有 n个走时数据，m 个空间未知数，K 的规模为 n m，K的每一行都代表一条从震源到某一检波点处的射线路径，kij表示第 i 条射线在第 j 个网格内的长度基于线性反演思想对目标函数进行局部线性化可获得每一次迭代的速度修改方向，对目标函数的泰勒展开，忽略一次以上的高阶项可构造一阶方向，即最速下降方向;忽略二次以上的高阶项可构造二阶方向，即牛顿方向 牛顿方向可表示为(刘玉柱等，2014):p=2s21s=H1KTt，(5)其中 KT表示射线路径矩阵的转置矩阵;H 表示Hessian 矩阵，包括两项，通常取 H 第一项，即 Ha，Ha=KTK 的对角线 H0作为梯度的预条件算子，起到了照明补偿的作用;t 表示理论走时与观测走时之差 传统的散射积分法直接求解 KTt，进而求得模型参数的修改方向迭代获得更新的速度模型 由于 KT很稀疏且规模庞大，不易存储，因此我们应用改进的散射积分法将 KTt 这个大型核函数-向量乘转化为多个向量-标量乘的累加求和，如公式(6)所示 这时公式(6)右端的每一个列向量(ki1kijkim)T都代表某一炮检对对应的射线路径 因此，该方法只需要存储单炮检对对应的射线路径，不需要存储完整规模的 KT，物理意义明确，计算简单，且方便实现预条件的梯度计算(Liu et al，2015;李勇德等，2016)公式(6)为:KTt=k11ki1kn1k1jkijknjk1mkimknmt1titn=k11k1jk1mt1+ki1kijkimti+kn1knjknmtn(6)当 KTt 被计算出来，方向就很容易求得 将速度更新方向 p 与步长 相乘后即可得到速度修改量，逐次迭代后获得更新的速度模型 sl+1:sl+1=sl+lpl(7)1 2多偏移距反演策略走时层析成像假设地震波以射线的形式在地下介质中传播，地下介质被离散成一系列网格单元，有射线经过的网格速度才会被更新 地震数据的偏移距不同，所能反演的深度也不同 当参与反演的偏移距很小时，射线路径只覆盖浅层;当参与反演的偏移距逐渐增大时，由于地震波总是沿着高速地层传播，射线穿透趋深，此时射线路径同时覆盖深层和浅层，但在深层的覆盖次数更多，而在浅层则小偏移距数据射线覆盖次数更多，因此，要想得到更精确的浅部速度结果需要使用小偏移距数据来反演(刘玉柱等，2014)南黄海中部隆起带长排列拖缆采集的地震数据最大偏移距为 8300 m，因此在反演时可应用多偏移距反演策略来提高浅、中部的反演精度图 4a 展示了包含一个高速层的起伏层状速度模型，自上而下层速度分别为 1800 m/s，2500 m/s，3200 m/s，3000 m/s，采用滚动观测方式，模拟数据的偏移距范围为 0 10000 m 初始模型如图 4b 所示，速度从 1800 3200 m/s 梯度变化 利用 0 10000 m 偏移距范围的数据进行第一轮反演得到图 4c，从图中看出浅部速度与真实速度相比偏高，而高速层速度与真实速度相比偏低，且受两侧下伏起伏界面的影响，浅部起伏界面的形态横向上变化幅度比真实界面大，以此模型作为初始模型进行逐步缩小偏移距范围的反演 将数据的偏移距分别控制在 0 9200 m 和 0 7800 m 范围内，得到的反演结果分别如图 4d 和图 4e 所示 在图 4e 中浅部速度值有所降低，比之前的反演结果更加接近真实速度，高速层速度与真实速度差异很小，且起伏界面形态和真实界面形态一致，此时浅部和深部速度都得到有效更新 抽取 x=15 km 处所有深度上利用不同偏移距范围反演的速度结果如图 5 所示，观察发现随着参与反演的最大偏移距逐渐减小，浅部速度更加6082023，38(2)胡雪莹，等:南黄海中部隆起带折射波层析成像(www progeophys cn)图 4多偏移距反演策略实验(a)真实速度模型;(b)初始速度模型;(c)利用 0 10000 m 偏移距折射波走时反演结果;(d)基于(c)再利用 0 9200 m 偏移距折射波走时反演结果;(e)基于(d)再利用 0 7800 m偏移距折射波走时反演结果Fig 4Multi-offset ranges inversion strategy(a)True velocity model;(b)Initial velocity model;(c)The inversionresult using offset of 0 10000 m;(d)The inversion result usingoffset of 0 9200 m based on fig(c);(e)The inversionresult using offset of 0 7800 m based on fig(d)图 5x=15 km 处利用不同偏移距数据速度反演的速度结果与真实速度模型、初始速度模型速度对比红色线:真实速度模型;黑色线:初始速度模型;蓝色线:利用0 10000 m 偏移距折射波走时反演的速度;绿色线:利用0 9200 m 偏移距折射波走时反演的速度;青色线:利用 0 7800 m 偏移距折射波走时反演的速度Fig 5The velocity profile at x=15 km from the true velocitymodel，initial velocity model and inversion resultscorresponding to the models in fig 4ed line:true velocity model;black line:initial velocity model;blue line:the inversion result using offset of 0 10000 m;green line:the inversion result using offset of 0 9200 m;cyan line:the inversion result using offset of 0 7800 m接近真实速度，高速层速度也越来越靠近真实速度，且在速度变化处反映的速度升高和降低的趋势更明显，由此证明使用多偏移距反演策略能够得到更为准确的速度反演结果 多偏移距反演策略既能保留深部速度信息，也能获得更为准确的浅部速度信息因此，在南黄海中部隆起带实际地震数据速度反演中，将首先使用包含最大偏移距 8300 m 的数据进行反演，以此模型作为初始模型，逐步缩小数据中的偏移距范围进行多轮反演，直到达到迭代停止条件后获得最终更新的速度模型2南黄海中部隆起折射波速度建模折射波层析成像的过程包括:(1)拾取地震记708地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 6最小偏移距剖面箭头指示了该区折射面的横向变化Fig 6Minimum offset profileThe arrows indicate the lateral changes of therefraction surface in this area图 7每隔 60 炮显示 1 炮的折射波初至走时红线为拾取的实际折射波走时，绿线为理论计算折射波走时Fig7The travel time of refraction is displayed every 60 shotsThe red and green lines represent the picked and theoreticalcalculation first breaks of the refraction wave，respectively图 8从 1500 m/s 到 5000 m/s 梯度变化初始速度模型Fig 8Initial velocity model with gradient change from 1500 m/s to 5000 m/s图 9叠加速度分析获得的光滑速度模型Fig 9The smooth velocity model converted from root-mean-square velocity8082023，38(2)胡雪莹，等:南黄海中部隆起带折射波层析成像(www progeophys cn)图 10层析成像获得的速度模型Fig 10The velocity model generated by refraction tomography图 11归一化后目标函数收敛曲线Fig11Convergence curve of the normalized objective function录中的折射波走时;(2)建立初始速度模型;(3)射线追踪正演计算理论折射波走时及射线路径;(4)反演迭代更新速度模型直到目标函数减小至设定误差 其中，准确地拾取折射波走时是获得可靠速度模型的基础 图 2 为研究区某一炮的炮记录，红线即为拾取出的折射波初至走时，速度大反差界面上形成的折射波能量强，易于识别 在拾取过程中，为了控制人工拾取走时误差，对于信噪比不高的相邻炮，我们参考相邻已拾取炮记录中的走时变化趋势并结合最小偏移距剖面上折射面的横向变化进行走时拾取 如图 6 中红色箭头所示，以保证走时拾取不因少数炮记录数据信噪比降低而产生大的跳跃 对拾取的走时进行线性插值，即可获得炮记录中每一道的折射波走时 在得到所有炮的走时数据后进行一轮反演，若反演结果与声波测井曲线低频分量相比存在较大的系统偏差，则整体调整拾取的走时，然后再次反演并与声波测井曲线低频分量进行比较，直至反演速度与声波测井曲线低频分量相比没有大的系统偏差为止 我们利用南黄海中部隆起带长排列拖缆采集的地震数据，人工拾取出 1731 炮共 731000个折射波走时数据，如图 7 中的红线所示，整体来看折射波走时数据反映了研究区折射面的构造起伏情况 好的初始模型可以获得更准确的反演结果，提高迭代反演收敛速度(刘玉柱等，2010)因此，我们根据研究区声波测井数据建立了从 1500 5000 m/s梯度变化的初始速度模型，如图 8 所示 模型离散成3240 241 个网格，横向和纵向的空间间隔均为12.5 m 图 9 是由叠加速度转换获得的光滑后的深度层速度模型，从图中可以看到 1000 m 左右深度存在一个速度分界面，横向上平缓变化 图 10 展示了折射波层析成像获得的深度层速度模型，从图中可以看出 1000 m 左右深度的速度分界面横向变化分辨率明显提高，该界面即为新生界低速地层与中、古生界高速地层的分界面，分界面上下速度差异大 折射波层析成像获得的速度模型较好揭示了南黄海中部隆起带浅、中层速度分布特征，最大分辨深度可达3 km 图 11 为目标函数下降曲线，反演共迭代 90 次并充分收敛，最终目标函数下降到初始值的 2%图 7 中红线为人工拾取的折射波初至走时曲线，绿线为理论计算折射波初至走时曲线，利用均方根误908地球物理学进展www progeophys cn2023，38(2)图 12不同速度模型逆时偏移成像结果对比(a)叠加速度分析获得的速度模型逆时深度偏移剖面;(b)层析成像获得的速度模型逆时深度偏移剖面黑色矩形框中为中生界盆地;红色箭头指示断层;绿色箭头指示了古生界陡倾地层Fig 12Comparison of reverse-time depth-migration with different velocity models(a)Using velocity model converted from root-mean-square velocity;(b)Using the velocity model obtained from refractiontomography The Mesozoic basin is marked by a black rectangle The red and green arrows showthe Cenozoic fault and the Paleozoic steep dip strata，respectively差公式计算误差为 4%，二者匹配良好，一定程度上证明了速度被较好更新为了进一步验证层析成像速度模型的可靠性，我们对比用叠加速度转换得到的平滑速度模型(图9)和折射波层析成像速度模型(图 10)进行逆时偏移成像的结果，如图 12 所示，可以看出，图 12b 所示的层析速度模型逆时深度偏移剖面揭示的中生界盆地轮廓及内部构造形态更加清晰(黑色矩形框所示)，盆地内部同相轴更加连续，断层明显(红色箭头所示)，一些古生界陡倾地层被更清晰地刻画出来(绿色箭头所示)因此，折射波层析成像重建的速度模型更加可靠，地震成像质量得到了提高3结论南黄海盆地中部隆起带地质条件复杂，经历了多期次构造运动，地层存在严重剥蚀，形成的速度大0182023，38(2)胡雪莹，等:南黄海中部隆起带折射波层析成像(www progeophys cn)反差界面构成了地震波能量屏蔽面，使得速度大反差界面下地震反射信号能量弱;同时，浅水环境导致多种类型多次波十分发育，这些强能量的多次波掩盖了有效反射信号，给反射波速度建模及研究区成像工作带来极大挑战 我们根据南黄海中部隆起带新生界与中、古生界速度大反差界面产生的稳定的、高质量的折射波，应用走时层析成像方法结合多偏移距反演策略，建立了南黄海中部隆起速度大反差界面下可靠的速度模型 与反射波速度建模相比，折射波层析成像可避免多次波干扰，且其建立的层析速度模型符合研究区地质特征，具有地质可解释性用折射波层析成像构建的速度模型进行逆时深度偏移成像，成像剖面上中生界盆地轮廓及内部构造清晰，同相轴连续性好，断层与古生界陡倾角地层成像清晰，表明折射波层析成像建立的速度模型是可靠的，为南黄海地区浅、中层地震速度建模提供了一种可靠的解决方案南黄海中部隆起带长排列拖缆采集的地震数据偏移距达 8300 m，带来了地震波传播的视各向异性问题，因此，未来可考虑各向异性介质的初至折射波走时层析成像，以进一步提高速度层析成像精度 另外，还可考虑利用地震记录中的非初至折射波信息(陈江欣等，2014)，以利用更多的观测数据进行速度层析成像，获得更加准确的速度模型，实现该区精确的地震成像致谢感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持!eferencesCai L X，Xiao G X，Guo X W，et al 2019 Assessment of Mesozoic andUpper Paleozoic source rocks in the South Yellow Sea Basin based onthe continuous borehole CSDP-2 Marine and Petroleum Geology，101:30-42，doi:101016/j marpetgeo201811 028Chen J W，Shi J，Liu J，et al 2016 Seismic geological conditions of themarine Meso-Paleozoic in the South Yellow Sea BasinMarineGeology Frontiers(in Chinese)，32(10):1-8，doi:10 16028/j1009-2722201610001Chen J W，Zhang Y B，Chen H，et al 2021 esearch experiences andapplication of seismic exploration 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