钾元素是农业生产三大必需元素(氮、磷、钾)之一,通常以盐类的形式存在于自然界中。全球约95%的钾盐资源用于钾肥生产,钾盐也被称为粮食的“粮食”
[1-3]。当前,中国是全球第一钾盐消费国和第四大钾盐生产国,但钾盐资源赋存不均,长期以来保障供应的能力不足,严重依赖进口,且钾盐资源价格受国际市场影响较大,因此保障钾盐资源安全稳定供应具有重要意义
[4-6]。青海柴达木盆地分布着各种大小不同的地表卤水湖、干涸及半干涸盐湖,是中国主要的钾盐产区,钾盐产量占总产量的80%以上
[7],该区域自20世纪50年代以来便开展了大量的钾盐勘探工作,并在察尔汗盐湖及周边等地区相继发现了丰富的固体和液体钾盐矿床
[8-10]。
近年来,随着勘探技术的不断发展,地震勘探技术不仅是能源资源勘查的重要手段,同时也是推动地球科学研究和深部地质结构认知的核心方法之一,在复杂地区油气及地热资源、地层结构、深部构造、金属矿等多个领域具有广泛的应用价值
[11-18]。相比其他地球物理勘探方法,如电法或重磁勘探,浅层地震勘探能提供更加直观的地质断面信息,实现对矿体空间展布的精确描绘,提高找矿精度,为钾盐储层识别与圈定提供了间接依据
[19]。受沉积环境影响,钾盐矿体的分布受构造演化、古气候条件及成盐作用的共同制约,其埋藏深度和地层特性对勘探技术提出了较高要求。例如,利用地震勘探技术,建立加拿大萨斯喀彻温省洪堡区地震波组与地质界面的对应关系,圈定钾盐矿的赋存范围,预测矿层总体厚度变化趋势
[20]。在老挝万象凹陷某区块三维地震勘探中,结合盐构造变形特征和地震勘探剖面进行地质解译,表明印支地块的挤压走滑旋转对呵叻盆地内的钾盐矿进行强烈的改造,总结出蒸发岩侏罗山式褶皱变形、应力作用下的差异载荷富集、围绕硬质盐丘旋转的富集三种钾盐矿改造模式
[21]。利用钻井、测录井及地震探测资料,通过地震资料解释和属性分析,对比钻孔揭露储卤层岩性特征,获得柴达木盆地西部黑北凹地的深部孔隙储卤层地震响应特征
[22]。以四川盆地某地区三维地震资料为依托,结合杂卤石赋存地质特征,形成了一套以矿体空间分布、敏感测井曲线分析、多属性分析、数字高程模型应用、波形复杂程度和微细裂缝刻画、精细储层描述以及矿体综合评价分析为核心的地震综合识别技术,落实钾盐矿床有利目标
[23]。然而,前人对柴达木盆地双复杂区钾盐浅层地震勘探数据处理关键技术及效果研究较少,严重制约了钾盐浅层地震勘探的成像精度。
现通过分析柴达木盆地东北缘双复杂区钾盐浅层地震勘探数据的特点及难点,建立一套适用于该区域的完整数据处理流程,综合应用高保真、高分辨处理技术,并系统分析各处理关键技术的前后应用效果,优化流程参数,发挥各个去噪技术与提高分辨率方法的优势,最大程度地提升成像质量,从而精准恢复目标区域的地质构造特征,不仅可为该区域钾盐资源勘探提供可靠的地球物理依据,也能为类似地质条件下的浅层地震勘探数据处理提供借鉴。
1 研究区概况
柴达木盆地是中国西部最大的高原型内陆盆地,位于青藏高原北部,是一个大型中新生代断陷-坳陷盆地,位于秦祁昆成矿域中部,为一轴向NW-SE且缓缓倾斜的不规则菱形内陆汇水盆地,汇水域面积约为25.5×10
4 km
2。该盆地的地质构造主要由褶皱构造、断裂构造等组成,四周为祁连山、昆仑山、阿尔金山三大山系环抱,受周围三大造山带的挤压应力作用,柴达木盆地形成了独特的“高山深盆”沉积环境,大量风化物质在盆地内堆积,形成有利的成盐环境
[24-29]。中新生代以来,在印度板块持续向北俯冲的影响
[30-31]下,柴达木盆地长期处于压扭走滑的动力学环境中,最终形成小规模地块
[32-33]。盆地东部为“新生盐盆地”群,成盐时代为晚更新世晚期-全新世
[34],而上新世末以来盆地内共发生的5次较大的新构造运动
[35],则导致盆地内的成盐环境不断改变,柴达木盆地也因此进入了快速的成盐阶段,形成了如今分布在柴达木盆地内各处的大型盐湖类矿床
[36]。
研究区隶属于青海省海西蒙古族藏族自治州茫崖市冷湖镇,位于柴达木盆地东北缘,赛什腾山南麓,呈NW-SE展布,属柴达木盆地中新生代盐类成矿区,是青海省重要的盐类开发区之一
[37]。研究区内广泛发育湖积、化学沉积新生界地层,褶皱、断裂构造发育,古近系、新近系地层主要出露于各背斜构造(冷湖六号、冷湖七号),第四系约占全区的4/5,成矿地质条件良好,具有很好的成矿潜力。为了探测钾盐的赋存位置,在如
图1所示研究区布设了一条长度为33 km的浅层地震勘探测线,测线依次经过第四系、新近-古近系地层,区内沉积岩主要为泥岩、砂岩和砾岩,地表盐碱滩广布,兼有戈壁、雅丹等地貌。
2 地震采集与数据分析
合理的野外采集参数是获取高质量浅层地震勘探数据的关键。由于浅层卤水储层波阻抗差异小,地震反射信号能量通常较弱,因此需要通过提升覆盖次数来增强弱反射信号的识别能力。此外,由于测线较长,地表激发条件存在显著差异,且干扰因素复杂多样。在开展该区域高精度地震成像关键技术研究之前,有必要对现场采集的地震数据质量进行系统评估,重点从能量分布、干扰波发育特征及频率响应三个方面展开分析,为后续构建适用于钾盐双复杂区浅层地震勘探高精度数据处理流程提供依据。
2.1 采集参数
为精确探测柴达木盆地东北缘双复杂区钾盐矿体的位置,本次浅层地震勘探数据采集使用了400道Node-X节点式地震仪和1台Sercel Nomad-65型可控震源,二维地震测线沿NE-SW方向布设,测线长度33 km,在完成仪器一致性试验、震源激发参数试验和拓展排列试验等,确定了中间放炮两边接收的多次覆盖观测系统,最佳野外地震数据采集参数如
表1所示。
2.2 能量分析
浅层地震勘探地表条件复杂是造成振幅能量差异的主要因素,研究区主要被第四系覆盖,地处高原干旱区,地形较为复杂,地表无植被覆盖,主要为硬质盐碱风化壳,因此震源激发的地震波能量在传播过程中衰减较快。同时,盐层内部常含裂隙与不均匀介质,使地震波在传播过程中发生强烈散射和透射,进一步削弱了深层反射信号。如
图2所示为同一测线不同位置的单炮记录在同一能量级别下的显示,对比发现地震信号能量主要集中在近炮点区域,而远炮道信号衰减明显,深层反射信息难以辨识,不同位置的单炮记录及同一炮不同道的能量差异明显,直观上难以识别有效的钾盐反射信息。
2.3 干扰波分析
研究区位于柴达木盆地东北缘的无人区,地质条件较为特殊,受区域性沙尘暴、强风等气候因素影响,环境噪声较强,原始单炮记录中强干扰波广泛分布,覆盖了有效反射信号,严重影响浅层地震勘探数据的信噪比。从
图3易见单炮记录上广泛分布能量较强的面波及声波干扰、线性噪声、可控震源谐振、异常振幅及环境干扰波等,对比发现不同的区域主要噪声特征差别较大,沉积盆地的线性相干噪声较强,山前过渡带的近炮点面波发育严重。
这些干扰波主要特征包括:面波干扰在全区范围内均有分布,速度低、频率低、能量强、频散严重,呈“扫帚状”,集中在近炮点附近,最大视速度为850 m/s,主频约为15 Hz;声波是空气中传播的弹性冲击波,在全区较发育,其特征表现为能量强、频谱宽、延续时间较短,通常呈窄带出现,视速度约为340 m/s;线性相干噪声在沉积盆地区的单炮记录上发育明显,能量强,与有效反射波呈线性相干,严重影响数据的信噪比;可控震源谐振在全区较为发育,在单炮记录中表现为频率稳定、波形周期性重复的噪声,主频约为38 Hz;高低频环境噪声在全区较严重,随机分布于单炮记录。此外,在地震单炮记录上还可见异常振幅,主要为近炮点强能量干扰等。
2.4 频率分析
频率分析是地震数据处理的重要环节,是提高数据信噪比、分辨率和一致性的基础,并为滤波设计、速度分析、叠加成像等处理步骤提供依据,确保最终的成像结果具有较高的精度和可靠性。抽取测线不同激发位置的原始单炮记录进行频谱分析,结果如
图4所示,由于强噪声的掩盖,全区单炮记录上有效反射的主频范围为15~80 Hz,沉积盆地单炮记录[
图4(a)]主频较高,约为58 Hz,山前过渡带单炮记录[
图4(b)]主频稍低,约为30 Hz。因此,做好不同激发位置的炮、道频率一致性处理是浅层地震勘探高精度成像处理的重要环节之一,也是提高研究区地震叠加质量的关键步骤。
2.5 成像流程制定
通过梳理柴达木盆地东北缘双复杂区钾盐浅层地震勘探数据的特点及难点,归纳总结了该研究区4个方面的数据处理问题:①沉积盆地及山前过渡带的高程变化;②低信噪比地震信号成像困难;③深层反射信息难以辨识;④沉积盆地及山前过渡带的频率、噪声和速度差异。
针对上述数据处理问题,建立了一套针对柴达木盆地东北缘双复杂区的数据处理流程,如
表2所示。拟从观测系统定义、静校正、叠前噪声衰减、真振幅恢复、反褶积、高精度速度分析、偏移成像等几个方面,逐步提高数据的信噪比和分辨率,并分别应用了以下针对性技术。
(1)采用高程静校正与高低频分离相结合的方式,消除沉积盆地和山前过渡带高程变化的影响。
(2)根据不同噪声在时域、频域及频率-波数(frequency-wavenumber, f-k)域中表现形式不同,采用分步、分域多模块联合去噪方法,具体采用f-k域的K-L(Karhunen-Loève)变换线性噪声衰减、时间域的分频线性相干噪声压制、炮域和共中心点(common midpoint, CMP)域的异常振幅去除、自适应高频噪声衰减等方法做好叠前噪声压制。
(3)采用球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿结合的方式,消除因震源激发能量不均衡和接收条件不同造成的振幅差异,恢复深层反射波的能量,提高振幅一致性。
(4)采用可控震源最小相位化、地表一致性反褶积和预测反褶积技术,将地震子波拉伸至零相位,改善子波主频,提高信号的时间分辨率。
(5)采用高精度速度分析方法,在每一轮叠加后对速度进行细化调整,最终建立满足精细成像需求的速度模型。
(6)利用有限差分偏移方法使地下绕射波、断面波收敛,促使地震波场归位到其真实位置。
3 关键处理技术及效果
柴达木盆地东北缘双复杂区浅层地震勘探数据质量直接关系着研究区地质解译及钾盐成矿区预测,为了达到理想的数据处理效果,基于GeoEast地震数据处理平台,采用多组模块试验及处理前后效果分析,选用针对性的关键技术和最佳处理参数,逐步改善二维地震数据质量,增强钾盐矿藏的有效反射特征。
3.1 静校正
研究区地势东北高西南低,由东北向西南缓倾斜,浅层地震勘探测线横跨不同的地质单元和地形地貌,自SW向NE依次穿越沉积盆地和山前过渡带,海拔范围介于2 700~3 210 m,高差达510 m,从盆地中心到赛什腾山前,高程变化显著,导致不同位置的地震波传播时间不同,造成记录上的时间延迟。为了解决柴达木盆地东北缘双复杂区存在的近地表高程变化问题,采用了高程静校正的方式,根据初至波的速度和检波点的最大高程,选用了2 000 m/s的替代速度和3 210 m的参考高程,先应用高频分量将原始地震数据校正到统一的CMP参考面,从而确保所有地震记录都处于相同的传播时间基准上,并在叠加后应用低频分量,将数据进一步校正至统一基准面,确保研究区的构造准确性和合理性。
3.2 叠前噪声压制
柴达木盆地东北缘双复杂区地表条件为硬盐壳或含砂盐壳,无植被覆盖,其干扰噪声相互混叠,压制了有效信号,使得地震记录的振幅谱发生畸变,严重影响浅层地震勘探数据的质量和处理的效果。因此,在做好静校正的基础上,根据噪声的在不同域中有不同的体现方式,遵循“先强后弱、先规则后随机”的噪声压制原则,依次进行有效的叠前噪声压制,尽可能保护浅层有效信息,确保浅层叠加成像质量。
3.2.1 面波和可控震源谐振衰减
由于研究区的特殊地表地层岩性以及高速层埋藏浅的特殊近地表地层速度结构,面波在单炮记录上呈现频散特征,其视速度较低,能量强、频率低、震动延续时间长;可控震源谐振则在特定的频率和波数范围内产生干扰,对有效反射影响严重。采用K-L变换线性噪声衰减,综合应用面波、可控震源谐振和反射波在频率分布特征、空间分布范围、能量等方面的差异,在
f-k域中对地震数据进行处理,在不同的波数范围内准确识别并衰减噪声成分,最大限度地保留反射波的信号特征,避免噪声对有效反射波的干扰。如
图5所示为在柴达木盆地东北缘双复杂区利用上述方式衰减面波和可控震源谐振的对比,经过处理后,近炮点附近的“扫帚状”面波和中下方主频为38 Hz的可控震源谐振衰减效果明显,处理后的数据信噪比显著提升。
3.2.2 线性相干噪声压制
对能量极强的面波和可控震源谐振进行初步压制后,能量相对较弱的线性相干噪声得到了凸显,其在浅层地震勘探数据的时间和空间分布上具有一定的规律性。针对本次数据情况,采用时间域和
f-k域结合的方式压制线性噪声。时间域相干噪声压制方法根据给定的相干噪声时差、主频和预测道数等参数,在时间域通过倾角能量扫描的方式自动识别相干噪声,然后把识别出的噪声从地震数据中减去,被减去的噪声主要集中在干扰波覆盖区域,干扰波覆盖区域以外地震数据则不受影响,去噪后能在很大程度上保持地震数据原有的波形特征;然而,仅采用这种方式无法压制反向的线性噪声,需进一步采用三维相干噪声压制方法,该方法主要是在
f-k域对倾角和频率定义范围内的线性相干噪声进行压制,根据相干噪声在时空域的分布特点及波形特征,对去噪前地震数据进行分频处理,控制需要去噪的相干噪声频率范围,以便更好地保护有效信号。从
图6中可看到,采用时间域和
f-k域结合的方式有效地压制呈“三角状”的线性相干噪声,反射同相轴得以凸显,有利于后期成像。
3.2.3 异常振幅去除
线性相干噪声压制后,频带分布不稳定、不规则、局域分布、能量强的异常振幅得到了凸显,在单炮记录中表现为局部异常能量突变。依据“多道识别、单道去噪”的原则,采用炮域和CMP域异常振幅去除、近炮点强能量干扰压制、自适应高频噪声衰减相结合的方式,以分域、分步、分频的思路来压制异常干扰引起的异常振幅。炮域和CMP域异常振幅去除是根据单炮记录的不同频带,自动识别各种异常强能量的干扰,确定其空间位置,再依据实际情况定义门槛值和衰减系数,给予时变、空变方式压制;近炮点强能量干扰压制主要压制近炮点三角区内强能量的声波、面波和散射波等干扰,在时空域分频带,先根据压制门槛值自动识别,再根据衰减因子压制噪声能量,最终使近炮点三角区内的能量与整炮能量趋于一致;自适应高频噪声衰减主要用于对叠前数据中存在的各种高频噪声进行自动识别和压制,并保留数据的有效高频信息。如
图7所示,异常振幅及三角带强能量干扰得到了有效去除。此外,如
图8所示的噪声压制前后的叠加剖面对比中,噪声压制效果明显,反射波同相轴连续性增强,进一步说明了采用分步、分域多模块联合去噪方法后整体的信噪比和成像质量均显著提高。
3.3 真振幅恢复
由于柴达木盆地东北缘双复杂区钾盐浅层地震勘探地表条件的变化和波传播过程的介质效应,地震波能量在传播过程中衰减较快,为了高度保持地震波的真振幅特征,尽可能地提高地震数据的信噪比和分辨率,必须在叠前道集上对地震记录做真振幅恢复。真振幅恢复分为球面扩散补偿和地表一致性振幅补偿两部分,采用球面扩散补偿消除了波前扩散和吸收因素的影响,恢复深层能量;采用地表一致性振幅补偿消除激发接收因素对振幅的影响。
如
图9所示为双复杂区真振幅恢复前后的单炮记录对比,通过比较不难发现,
图9(b)所示的单炮记录幅值能量较
图9(a)在横向和纵向上都得到了补偿,消除了由激发、接收等因素引起的炮与炮之间、炮集内道与道之间的差异,确保了柴达木盆地东北缘双复杂区地震波能量恢复到同一级别。研究区真振幅恢复前后的叠加剖面对比如
图10所示,
图10(b)所示箭头指向的同相轴能量得到显著提高,背斜构造得到恢复,浅、中、深层有效波得到加强,整个叠加剖面背景能量更均衡,更真实地反映了地下岩性变化特征。
3.4 反褶积
柴达木盆地东北缘双复杂区的表层地质条件易造成野外浅层地震勘探数据激发和接收因素的横向变化,导致空间上各地震反射道之间严重的不均匀性,所以需要进行反褶积处理。在反褶积前,应用可控震源数据子波最小相位化处理方法,将叠前零相位地震数据转换成最小相位子波地震数据,消除初至“旁瓣”影响,提高初至波的信噪比。采用地表一致性反褶积方法消除钾盐浅层地震勘探数据子波在振幅、频率及相位上的差异;同时,采用多道预测反褶积方法压缩子波,提高纵向分辨率,增强反射波组的连续性。通过试验反褶积参数,最终确定预测步长为24 ms,时窗长度200 ms。
如
图11~
图13依次是钾盐浅层地震勘探二维数据应用反褶积前后的单炮记录对比、叠加剖面对比以及频谱特征对比。通过观察比较发现,经过多种反褶积方法处理后,
图11(b)所示的单炮记录、
图12(b)所示的叠加剖面上地震同相轴整体的纵向分辨率明显提高,波组特征更细致、更易分辨,同相轴连续性更强、更易追踪识别。此外,
图13所示的频谱特征中频带得到有效拓宽,主频提高显著,由48 Hz提升到了56 Hz,进一步证实了分辨率的提高。
3.5 高精度速度分析
柴达木盆地东北缘双复杂区受多期构造活动影响,形成了多种构造样式,包括逆冲断层、褶皱带以及石盐层等,钾盐地层厚薄不均,纵横波速度差异显著,由于石盐层通常表现为高速异常,对下伏层速度的估算容易产生偏差,采用速度谱分析时,不仅需要分时段进行速度拾取,检查动校正拉伸畸变,达到速度分析和切除参数的统一,同时还要监视共反射点(common reflection point, CRP)道集是否拉平、叠加效果的变化,最大程度地保障研究区浅层地震勘探速度谱的质量。
如
图14所示为沉积盆地区和山前过渡带的速度谱及质控道集,纵向上速度谱趋势由浅至深逐渐增大,1.5 s以浅速度谱能量团较为聚焦;横向上速度谱变化较为明显,因山前过渡带相较于沉积盆地,沉积层覆盖较薄,
图14(c)所示的速度值较
图14(a)明显提高,反映其横向上跨越了地质单元。通过多次速度分析迭代,能更准确地保证叠加成像质量,也使得目标层的构造形态更加清晰,接触关系更合理可靠。
3.6 偏移成像
叠后偏移是地震成像过程中重要的处理环节,对于提高双复杂区浅层地震勘探剖面的成像精度具有关键作用。柴达木盆地东北缘钾盐矿床所在的双复杂区包含大量褶皱、断层以及石盐层。石盐层具有较高的速度和密度,形成强反射界面,对下伏构造成像造成遮挡;受多期构造运动影响,研究区断裂体系发育,导致地层形态复杂,速度场难以准确描述。通过在叠加速度场的基础上建立了平滑后的初始偏移速度场,再进行不同百分比速度扫描试验,确定空间和时间上的速度准确值,选用有限差分法进行叠后偏移。柴达木盆地东北缘双复杂区地震偏移成像前后的剖面对比如
图15所示,通过比较发现,
图15(b)中的反射波归位,背斜构造清晰,基底特征明显,地层接触关系明确,有效提高了剖面的横向分辨率,有利于研究区内地质构造的解释和钾盐卤水储集层段的推断。
4 效果分析与讨论
如
图16所示为柴达木盆地东北缘双复杂区钾盐浅层地震勘探数据处理的最终成像剖面,从剖面整体不难发现浅层地震勘探高精度成像效果较好,波组特征明显,同相轴连续性良好,层间信息丰富,构造特征清晰,层次分明,易识别,剖面信噪比和分辨率都较高。此外,盆地内的地层反射同相轴较平行且连续,表明沉积环境较为稳定,且为封闭湖盆,可能经历了蒸发沉积作用,形成了钾盐矿,中深部背斜构造连续性较好,小断裂清晰,与前人推测的钾盐矿的成因吻合较好
[38-39];同时,本文研究呈现的剖面特征,与前人在相邻区域的研究结果在地层结构与构造格架上具有相似性
[22,40],由此证明了本文提出的双复杂区地震数据处理关键技术组合是行之有效的。
含盐地层一般与围岩存在较大的速度差,可形成较强的反射系数,所以含盐地层往往具有振幅强(底部或顶部)而内部频率高的特点,形成连续性好、强振幅夹弱振幅、相对低频夹相对高频的反射波组,通常表现为层状,也常呈丘形出现。
图16中在0.5~1.5 s,共深度点(common depth point, CDP)5000~15000的位置反射振幅较强,表现为向斜构造,可能发育了第四系泥岩、砂岩、石盐互层,低洼封闭湖盆是卤水富集和盐类矿物沉积的理想位置,推测钾盐矿层分布于该区域内。在剖面的1~3 s,CDP 3000~8000的位置地层呈现弧形上弯,表现出明显的挤压褶皱特征,属于典型的背斜构造,可能是由NE-SW方向的构造应力引起,且伴随断裂的发育。在剖面的0.5 s以浅,CDP 15000~22000的位置为山前过渡带,地表高程逐渐增大,浅部沉积层较薄。断裂发育沟通盆地深部水系向上运移并赋存在第四系地层内,形成卤水储集层段。本研究获得的高精度成像剖面揭示了地层精细结构与构造特征,为该区域钾盐勘查区块优选、井位部署和资源评价等提供了地球物理依据,有效支撑了国家钾盐资源的“增储保供”。
5 结论
(1)针对柴达木盆地东北缘双复杂区浅层地震勘探中能量衰减快、构造单元复杂及干扰因素复杂等问题,系统分析了影响成像精度的主要因素,建立了高保真、高分辨率的数据处理流程。通过静校正、叠前噪声压制、真振幅恢复、反褶积、高精度速度分析和偏移成像等关键技术的协同应用,有效提升了浅层地震数据的信噪比、分辨率与保真度。
(2)重点研究了叠前噪声压制与高精度速度分析两大核心技术环节。采用分步、分域及多模块联合去噪策略以保持振幅、频率、相位及波形等动力学特征的完整性,同时结合分时段速度拾取、畸变校正检查及叠加质量评估方法,显著提高了浅层有效信息的利用与卤水储层的定位精度。
(3)研究成果表明,获得的钾盐浅层地震高精度成像剖面波组特征清晰、构造形态明确、断裂识别度高,深部构造同相轴连续性与可追踪性良好。该成果实现了对钾盐卤水储集层的有效探测,为柴达木盆地东北缘钾盐资源的精确勘探提供了重要的技术支撑。
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