0 引言
西部复杂地区,油气勘探工作的广度、深度和难度都在不断加大。受地表和地质条件的影响,深部地震数据信噪比低,反射界面不明显,进而制约了深层油气勘探的进一步突破。勘探实践和经验证明:在油气勘探中有两个主要发展方向,一是走高精度、精细解释之路,向高精度要信息,向精细解释要效果;二是走综合之路,充分发挥重、磁、电、震综合勘探的地球物理技术潜力,从综合物探解释中找出路。深层油气资源勘探的重要性与复杂性要求相关技术必须不断发展,地震—非地震的联合勘探有望成为深层油气勘探的突破口。
重力在深部构造识别方面有独特的优势,重力密度界面反演是勘探地球物理反演的一个重要分支,对研究区域地质特征及基底深部构造具有非常重要的意义,主要是根据在地面某地段上观测的地下重力异常值来确定深部异常源的某个密度界面[1]。近年来,众多地球物理学家对重力界面反演方法展开大量研究[2]。频率域中的Parker-Oldenburg迭代算法是20世纪70年代R.L.Parker和D.W.Oldenburg提出的横向常密度界面正反演方法[3,4],它能计算物性横向变化的连续界面,且计算效率高,所以得到广泛的应用。由于频率域反演时指数因子的高频放大作用,反演不能稳定收敛,为保证反演稳定收敛,通常采用加低通滤波器的方法,但低通滤波器的参数选择较难控制。为解决频率域反演收敛性的问题,一些学者研究了其他措施,如关小平[5]在空间域内由平板公式给出界面深度初值,再于频率域内中用Parker公式正演拟合实测异常,该方法结合了空间域迭代反演的稳定性及频率域正演计算的快速优点,避免了直接迭代反演的发散性;王万银等[6]提出双界面模型重力场正演时级数求和的快速收敛方法和反演时保证反演问题稳定快速收敛的具体措施,在密度界面正反演方面取得较好的效果;王金波等和张会占等[7,8]利用小波多尺度分解替代低通滤波器,在重力位场分解过程中取得了较好的效果;张凤旭等[9]采用余弦变换并利用正则化因子压制高频干扰,提高了位场数据处理的速度和精度;肖鹏飞等[10]利用逐次迭代向下延拓方法代替原来频率域方法中的向下延拓算子,改进了反演的稳定性;胡立天等[11]采用带控制点的三维密度界面反演方法取得较好的反演效果。另外,密度界面反演中,密度是一个很重要的参数,其取值直接影响结果的准确性。对于频率域方法,最初采用的物性为常数或横向变化,一些学者将Parker-Oldenburg方法推广到物性可随深度变化的三维情况,物性随深度变化的频率域方法主要包括线性密度—深度关系、指数密度—深度关系、二次多项式密度—深度关系和抛物线密度—深度关系[12,13,14,15]。
1 方法原理
与之对应的重力界面反演公式为:
式中:Δg为重力异常,F[Δg]为重力异常的傅式谱,G为万有引力常数, z0为密度界面平均深度,δ(ξ,η)为横向二维密度差,Δh为相对于z0的界面起伏深度。
假设已知地层与下部介质之间的密度差δ(ξ,η),参考面深度z0已知或给定,就可以针对目标重力异常进行反演计算,获取密度界面展布,收敛标准是相邻两次计算出的界面起伏Δh之间的均方差小于某个给定的数值。密度随深度变化的三维正反演算法均是在上式中引入密度纵向变化数学模型推导而来,在这就不详细介绍。
2 方法实现
重力异常是地下物质密度分布不均匀引起的重力随空间位置的变化,能否从叠加重力异常中精细分离出目标地质体的重力异常信息是决定反演质量的关键,然而地质目标重力异常的提取与分离一直是最困难的问题。本文在Parker-Oldenburg密度界面反演方法快速稳定收敛的基础上,充分进行原始重力数据的精细处理,通过钻井—地质空间约束,开展地震剥层正演,实现空间域场源精细分离,最后开展迭代反演计算获得深部目标层界面展布特征。
2.1 重力数据处理
图1
图1
变密度重力地形与中间层改正示意
Fig.1
Schematic diagram of variable density gravity topography and middle layer correction
2.2 岩石物性分析
岩石及地层的密度是对重力数据进行各项校正不可缺少的参数,并且在重力异常的正反演计算中都是至关重要的物性参数,因此岩石密度的测定及分析工作极为重要。综合利用野外岩石采样和钻井岩心密度测试分析结果,分析总结不同类型岩性与地层密度变化规律,明确地层界面密度差,为重力反演奠定物性基础。
2.3 建立地层变密度物性模型
图2
图2
某地区砂岩速度—密度—深度拟合曲面示意
Fig.2
Schematic diagram of velocity-density-depth fitting surface of sandstone in an area
图3
图3
某地区三维变密度模型示意
Fig.3
Schematic diagram of a three-dimensional variable density model in an area
2.4 重力—地震联合重力场分离
利用地震数据进行浅部地层的精细勾画,通过确定的地质层位及相应的三维变密度模型构建重力正演模型,对已知层位所产生的重力响应进行正演剥离,从叠加重力异常中精确分离出由目标地质体引起的异常。
2.5 空间域约束确定基准面深度
在空间域添加钻井—地震约束,选取过井的“十”字地震剖面,通过钻井—地震解释建立精细的浅部地质模型,在深部建立一个初始界面平板模型,对各个地层充填合理的密度参数,通过修改和校正深部界面模型,迭代多次,最终根据正演重力异常与实测重力异常的曲线拟合来确定目标层密度基准面深度上下限控制范围。
2.6 迭代反演确定密度界面
在确定密度基准面深度控制的基础上,对“剥层”后的目标重力异常进行频率域三维密度界面反演,多次试验优选迭代次数,逐步迭代使理论正演重力异常与剥层剩余重力异常拟合,最终得到与基准面深度相差最小的密度界面,进而确定目标层界面展布特征。
3 实际应用
图4
图5
图5
准东地区1:20万布格重力异常
Fig.5
The 1:200000 bouguer gravity anomaly map of the Zhundong region
图6
图6
基于地震—地质模型的重力正演模拟示意
a—基于地震数据的构造解释模型;b—基于构造模型的重力正演模型
Fig.6
Gravity forward demonstration based on seismic-geological model
a—structural interpretation model based on seismic data;b—based on construction model
另外,密度基准面深度控制是反演的关键,在基于地震数据的构造模型基础上,采用人—机联作的二维剖面正演模拟技术手段,对各个地层赋予合适的地层密度,逐步迭代计算出最合理的密度基准面深度,从而确定目标层基准面的深度范围(图7)。对剥层剩余重力异常开展迭代反演,获取了地震三维区石炭系顶界面埋深图,与地震解释成果对比可知,预测误差在50~100 m之间,满足勘探精度要求。
图7
图7
重力反演与地震解释成果对比
a—剥层重力反演获取的石炭系顶界面;b—地震解释获取的石炭系顶界面
Fig.7
Comparison of gravity inversion and seismic interpretation
a—the top interface of carboniferous obtained by stripping gravity inversion;b—the top interface of carboniferous obtained by seismic interpretation
结合重力数据频率域处理成果,通过精细标定与对比获取了整个准东地区石炭系重力异常(图8)。从石炭系重力异常图上可以看出,受区域大断裂控制,区内主要发育5个残留沉降带,均表现为重力负异常带,被构造正异常带分割,具有凹凸相间的“棋盘式”构造格局。
图8
图8
准东地区1:20万石炭系重力异常
Fig.8
The Residual gravity anomaly map of 1:200000 stripped layers in Zhundong region
以重震联合标定的石炭系顶界面基准面为约束条件,进行密度界面反演获取了全区的石炭系顶界面展布(图9)。反演结果表明,凹陷区带石炭系顶面埋深一般为2 000~3 500 m,凸起区带石炭系顶面埋深一般为1 000~1 500 m,该结果为准东地区石炭系地质目标研究提供了有利的参考依据。
图9
图9
准东地区石炭系顶界面埋深预测
Fig.9
Buried depth prediction map of carboniferous top in Zhundong region
4 结论
文中采用基于三维地震剥层的重力界面反演方法,综合应用重力、地震信息,通过对重力异常资料的处理及地震“剥皮”技术精细剥离沉积盖层引起的重力异常,基准面深度约束迭代收敛反演,能够有效获取深部地层地质结构属性,弥补了在山前带、深洼带等复杂地区地震资料对深层内幕结构识别能力的不足,可以有效的引导深层地质建模和综合解释。随着一系列针对性的综合物探配套技术的推广应用,综合物探必会在油气复杂勘探领域发挥越来越大的作用。
参考文献
重力密度界面反演方法研究进展
[J].
DOI:10.6038/pg20140131
Magsci
[本文引用: 1]
重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文针对重力密度界面的反演问题， 较全面的介绍了一些有代表性的方法， 包括空间域反演方法和频率域反演方法.重点阐述了当前占主流的频率域中的Parker-Oldenburg迭代方法， 在此基础上讨论了重力密度界面反演目前存在的问题和以后的发展方向.
Review of the gravity density interface invertion
[J].
The rapid calculation of potential anomalies
[J].
The inversion and interpretation of gravity anomalies
[J].
利用Parker公式反演界面的一种有效方法
[J].
An effective and simple approach of subsurface inversion using Parker's equation
[J].
双界面模型重力场快速正反演问题
[J].
Fast solution of forward and inverse problems for gravtivy field in a dual interface model
[J].
小波分频在重力异常界面反演计算过程中的应用
[J].
Application of wavelet frequency in the interface invertion of gravity field
[J].
小波分析在重力界面反演中的应用
[J].
Application of wavelet analysis in the interface invertion of gravity field
[J].
基于余弦变换的密度界面重力异常正反演研究
[J].针对提高重力资料处理的精度问题,本文提出利用余弦变换研究密度分界面重力异常正、反演问题,从理论上推导出二维、三维常密度单界面重力异常余弦变换谱正演公式及其界面深度反演公式。为探讨该方法的反演精度,分别利用Parker-Oldenberg法和余弦变换法反演了常密度单界面理论模型的深度,并进行了误差对比分析。Parker-Oldenberg法反演的界面深度相对于理论模型深度的计算点最大误差和均方差分别为0.148km、0.013km,而余弦变换法反演为0.041km、0.003km,最大误差和均方差分别降低了0.107km、0.010km,这说明余弦变换法的反演精度明显高于Patker-Oldenberg法,其反演精度提高了3倍多。
The forward and inversion research based on cosine transform in the interface invertion of gravity field
[J].
高精度重力资料的密度界面反演
[J].<p>Parker-Oldenburg法(PO)界面反演方法的核心算子是向下延拓,由于该算子的不稳定性,限制了PO反演法在重力密度界面反演应用中的发展.利用徐世浙提出的一种精度高、稳定性好的向下延拓的迭代法进行PO反演中的向下延拓,改进了PO反演中的稳定性.把改进的PO反演方法应用到理论模型和莺歌海基底反演中,均取得了较好的结果.</p>
The density interface inversion of high-precision gravity data
[J].
带控制点的三维密度界面反演方法
[J].
DOI:10.6038/pg20140603
Magsci
[本文引用: 1]
<p>利用重力资料反演密度界面对于研究盆地、区域构造和深部构造有着重要意义.但是密度基准面深度和界面密度差的不准确性降低了反演结果的可靠性.本文使用已知深度的控制点,在逐步迭代中计算出最合适的密度基准面深度和界面密度差,使反演结果和控制点拟合最好.理论模型和南海地区的莫霍反演结果表明本文方法可以计算出最合适的密度基准面深度和界面密度差,取得理想的反演结果.</p>
The inversion of three-dimensional density interface with control points
[J].
Parker公式的一系列推广应用及其在石油重力勘探中的应用前景
[J].本文采用一种比较简捷的方法,对Parker公式作了一系列推广,导出了Parker公式的各种具体形式,并且最终导出了任意变密度Parker公式公式揭示了密度函数、界面函数和重力效应函数之间的关系。它的各种具体形式(如指数型变化的密度模式的Parker公式、多项式密度模式的Parker公式等)在石油重力勘探中有广阔的应用前景。在数值计算方面,采用了乘子法和移样法两项新技术,保证了任意复杂密度模型的正演精度与空间域常密度正演精度相当。理论模型和应用实例表明方法有良好的效果。
Parker’s formulas in different forms and their applications in petroleum gravity exploration
[J].
基于变密度模型的位场界面反演
[J].在波数域中用重力反演莫霍面深度时通常假定壳幔密度差为一常数，但这只是一种近似的密度模型，本文采用了密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度，给出了利用指数密度模型在波数域中计算重力异常的正演公式及界面深度的反演公式.利用指数密度模型及重力资料反演了青藏高原莫霍面的深度，分析了莫霍面的特征.结果表明，青藏高原莫霍面呈现出边缘浅、中部深的特点，边缘变化快、梯度大，中间变化梯度趋缓.中心地带的羌塘地体莫霍面深度达74 km，向四周慢慢变浅至67 km左右，边缘地区突然变浅至50km左右.通过常密度模型、变密度模型及地震反演得到的莫霍面的比较，证实变密度模型更适合于莫霍面结构的反演.
Interface depths inversion of potential field data with variable density model
[J].
三维密度界面的正反演研究和应用
[J].
DOI:10.6038/cjg20140124
Magsci
[本文引用: 2]
<p>重力位场的界面反演是位场处理解释中的重要问题.本文将基于快速傅里叶变换的频率域界面反演方法Parker-Oldenburg公式推广到物性可随深度变化的三维情况，得出了密度可以横向、纵向任意变化的重力界面正反演公式.该方法在计算时可以合理地选取地面下某一深度作为基准面以减小界面起伏，使迭代易于收敛.理论模型试验表明该方法反演精度高，收敛速度快，在密度界面反演中具有广泛的实用价值.最后利用该方法反演华北地区莫霍面的深度，反演结果得到了地震测深数据的验证.</p>
The investigation and application of three-dimensional density interface
[J].
基于抛物线密度模型的频率域三维界面反演及其在川滇地区的应用
[J].
DOI:10.6038/cjg20150218
Magsci
[本文引用: 2]
<p>密度界面反演作为了解地球内部结构的一种重要方法,长期以来都是重力学研究的主要内容.本文结合抛物线密度模型及频率域算法的优点,将抛物线密度函数应用于Parker-Oldenburg算法,经过理论推导得到了抛物线密度模型的频率域公式,从而建立了基于抛物线密度模型的三维密度界面重力异常正反演的算法和流程.理论模型数据试验表明本方法快速、有效,适用于大多数浅部比深部增加更快的实际地壳密度.研究中还利用该方法对川滇地区重力异常进行了反演,获得了该区的莫霍面深度分布,并与接收函数研究结果进行对比分析,进一步验证了本文方法的正确性和有效性.</p>
3D interface inversion of gravity data in the frequency domain using a parabolic density-depth function and the application in Sichuan-Yunnan region
[J].
盆地基底岩性的综合地球物理预测方法——以松辽盆地滨北地区基底岩性预测为例
[J].
DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2011.02.028
Magsci
[本文引用: 1]
预测盆地基岩岩性不仅对于研究盆地的深部地质结构及盆地的形成演化具有重要的意义,而且也对基岩风化壳油气藏的勘探具有一定的指导作用.本文通过对盆地重、磁异常成因的综合分析,提出了一系列盆地基底岩性综合预测研究的综合地球物理资料处理解释方法技术.指出在地震构造界面的约束下采用重力剥皮技术可以较为可靠地获取基底岩性重力异常并分析了界面密度差对剥皮后基底岩性重力异常的影响,给出了等效密度差的求取方法.分析了基底起伏对基岩岩性磁异常的影响,指出采用"平化曲"将磁异常归化到与基底同一高度,可以有效地提高对基底岩性体的刻画能力.通过综合分析认为:应用基底的相对视密度、相对视磁化率及两者的相关系数可以有效地刻画基底岩性的特征.神经网络是基底岩性判别与分类的有效方法技术.通过对松辽盆地北部滨北地区的基底岩性的综合预测显示了本文系列预测基底岩性方法的有效性,预测结果反映了松辽盆地基底岩性的分布特征.该系列方法技术可为其他盆地的基底地质填图提供了可借鉴的综合预测方法技术.
Comprehensive geophysical prediction method of basement lithology—Example of Binbei area,Songliao Basin
[J].
饶阳凹陷虎8北潜山重力三维松约束反演
[J].
Part-constrained 3D gravity inversion for the Hubabei buried hill in Raoyang sag
[J].
三维重力地震剥层联合反演
[J].以地震资料解释的三维构造图作为模型,用重力三维正演剥离基底及基底以上界面所产生的重力效应,然后对分离后的基底岩性异常进行反演求取基底密度。在具体联合反演算法上,首次将广泛用于地震层析成像反演的DLSQR法引入位场反演,不仅增加了联合反演结果的稳定性,而且极大地提高了反演速度。理论模型的试算和实际资料的反演结果表明,两者反演的剩余密度等值线图形十分相似,剩余密度最小值和最大值相对误差小于4%。
Joint layer-stripped inversion of 3D gravity and seismic data
[J].
山形重力异常的成因机制及消除方法
[J].在地形起伏大的地区进行重力测量，所得重力异常中包含了和地形线性相关与非线性相关的干扰异常。后者来源于布格改正前最大地改半径之外的物质，它们是引起山形异常的主要原因。对此，本文提出了通过地形延拓法消除假异常的校正方案。实际资料处理说明长期未解决的山形异常问题得到了较好的解决，山形异常已基本消除干净。
The genetic mechanism and elimination method of gravity anamaly of mountain shape
[J].
准噶尔盆地木垒凹陷油气来源及成藏特征
[J].
Hydrocarbon source and reservoir-forming analysis in Mulei sag,Junggar basin
[J].
