基于“層序矢量滑距”的生長斷層活動強(qiáng)度定量表征
——以珠江口盆地番禺低隆起M區(qū)為例

劉 勇 都小芳 胡 鵬 李熙盛 霍守東 徐 海

(①中國石油東方地球物理公司研究院烏魯木齊分院，新疆烏魯木齊 830016； ②中能電力科技開發(fā)有限公司，北京 100034；③國電新能源技術(shù)研究院海洋地質(zhì)和水文研究室，北京 102209； ④中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳518054；⑤中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理所油氣資源研究重點實驗室，北京 100029； ⑥中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100871)

1 引言

盆地層序的充填受海(湖)平面變化、物源供給、構(gòu)造活動和氣候變化的綜合影響。在斷陷盆地中，構(gòu)造作用對沉積、剝蝕過程的控制則更為直接和重要[1-3]。構(gòu)造運動與幕內(nèi)同沉積構(gòu)造活動的時空差異性對盆地的可容納空間、沉積速率和沉積物源等具有深刻的影響[4]，對于油氣勘探與開發(fā)意義重大[5-7]。

生長斷層為沉積過程中發(fā)育的斷層，又稱同沉積斷層。它與沉積巖的沉積作用同時進(jìn)行，隨著沉積時間的持續(xù)和沉積層的增厚，斷層的斷距也逐漸增大。斷層兩盤的沉積厚度不一致，下降盤相對比上升盤的沉積厚度大。生長斷層相關(guān)研究主要集中在幾何特征精細(xì)刻畫、動力學(xué)模擬及其對沉積作用的控制三個方面，且呈現(xiàn)出從靜態(tài)定性描述向動態(tài)定量分析的發(fā)展態(tài)勢[8-13]。目前定量研究生長斷層活動強(qiáng)度的方法可分為兩類：一類是基于二維地震反射剖面上單條斷層垂向投影點的標(biāo)量描述法，主要包括生長指數(shù)法[14]、古落差法[15]、斷層活動速率法[16]、斷層位移長度關(guān)系法[17]和古滑距法[18]等；另一類是以分形幾何學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過分析斷裂平面集的分形維數(shù)，輔助描述斷裂發(fā)育規(guī)律的方法。上述方法在一定程度上可揭示斷層的生長與活動規(guī)律，但并不能全面、準(zhǔn)確地反映斷裂系統(tǒng)活動強(qiáng)度與時空差異性。為此，本文以珠江口盆地番禺低隆起珠江組下段(T50～T60地震反射層)內(nèi)同沉積斷裂系統(tǒng)為研究對象，通過一系列的空間運算求取各層序發(fā)育時期不同斷裂系統(tǒng)的“層序矢量滑距”，揭示同沉積斷裂活動的變化規(guī)律。

2 地質(zhì)概況

珠江口盆地位于南海北部陸緣的中部，為中、新生代斷陷盆地，可劃分為南部隆起帶、南部坳陷帶、中央隆起帶、北部坳陷帶和北部斷階帶五個次級構(gòu)造單元。盆地經(jīng)歷了四個構(gòu)造演化階段：早白堊世裂前階段；晚白堊世—漸新世初裂谷階段；晚漸新世至早中新世沉降階段；中中新世至第四紀(jì)斷塊升降階段[19-21]。

番禺低隆起位于中央隆起帶中部，M區(qū)位于番禺低隆起南部，鄰近白云凹陷北坡，為隆起和坳陷的結(jié)合部位。新生代發(fā)育四組正斷層，即CFS1、CFS2、TFS1和TFS2，多為NWW、NW走向(圖1)，地震剖面上表現(xiàn)為順向和反向正斷層性質(zhì)(圖2)。斷裂的長期活動影響著古地貌的形成，從而影響了同期砂體沉積的空間展布[22]。

圖1 番禺低隆起M區(qū)斷裂分布平面圖

新近系中新統(tǒng)珠江組下段底界T60(23.8Ma)為盆地裂陷和裂后的分界，頂界T50(18.5Ma)為一海侵面，被區(qū)域性海侵泥巖覆蓋。多幕構(gòu)造活動導(dǎo)致珠江組下段沉積特征多變，可見上超、下超等特征(圖3)。珠江組下段可以識別出5個四級層序(SQ1～SQ5)及相應(yīng)的6個層序界面(SB1～SB6)，層序厚度變化呈現(xiàn)不均勻翹傾現(xiàn)象。

圖2 番禺低隆起M區(qū)地震地質(zhì)解釋剖面(測線位置見圖1)

圖3 珠江口組下段四級層序及界面地震反射特征剖面

3 斷裂活動定量表征方法

可以用斷距和方向表征斷裂活動特征。斷裂由古至今具有方向的疊加滑距，稱為“總矢量滑距”。如果消除后構(gòu)造期的累加斷距，得到斷裂某一活動時期的滑距，即為“層序矢量滑距”。

定量表征不同層序期同沉積斷裂活動的思路為：以地震高頻層序界面解釋為基礎(chǔ)，獲取相對準(zhǔn)確的斷面真傾角，求取“總矢量滑距”和“層序矢量滑距”，從而達(dá)到斷裂活動方向與強(qiáng)度的定量表征的目的，確定生長斷層的活化與休眠狀態(tài)，其主要步驟如下(圖4)。

(1)地震資料構(gòu)造及層序界面解釋：利用地震資料開展層位與斷裂的構(gòu)造解釋，并精細(xì)解釋高頻層序界面，定性分析各構(gòu)造活動期層序界面與斷裂的整體特征，并將地震高頻層序界面與斷層多邊形數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)。

(2)空間數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)：為簡化計算并獲取斷面真傾角，可以將初始相對坐標(biāo)系(線道號)進(jìn)行一定角度 的旋轉(zhuǎn)得到新的相對坐標(biāo)系，使得在新的坐標(biāo)系下，三維地震數(shù)據(jù)主測線方向與斷裂系統(tǒng)走向相垂直。保持旋轉(zhuǎn)前后網(wǎng)格大小不變，產(chǎn)生新的線、道號，可將三維空間運算簡化到二維平面。具體實現(xiàn)過程如下：

圖4 生長斷層活動強(qiáng)度定量表征技術(shù)流程

①相對坐標(biāo)系規(guī)定：規(guī)定在水平面上，以N為正北0°方向(SN為y軸)，E為正東方向(WE為x軸)，y軸順時針方向旋轉(zhuǎn)為正角度，旋轉(zhuǎn)后S′N′與斷層走向一致，其旋轉(zhuǎn)角度記為α(0°<α<90°)。同時，旋轉(zhuǎn)后的W′E′始終與S′N′垂直，垂直于水平面向下為z軸負(fù)半軸。相對坐標(biāo)系規(guī)定為，在水平面上，順斷層走向為x軸，垂直斷層走向為y軸，以正北方向為0°，順時針方向旋轉(zhuǎn)為正角度。若x軸沿0°軸順時針旋轉(zhuǎn)角度在0°～180°之間時，規(guī)定其為x軸的正半軸； 若y軸沿0°軸旋轉(zhuǎn)的角度范圍在-90°～+90°之間時，規(guī)定為y軸的正半軸。垂直于水平面向下為z軸，水平面之下為z軸負(fù)半軸，水平面之上為z軸正半軸(圖5)。

②旋轉(zhuǎn)角α的確定：據(jù)斷裂系統(tǒng)走向信息，確定斷裂走向與正北方向的旋轉(zhuǎn)夾角α，得到旋轉(zhuǎn)后的相對坐標(biāo)系S′N′—W′E′，且使W′E′(x軸)方向與斷層走向一致。通過旋轉(zhuǎn)獲得新相對坐標(biāo)系下測線位置，獲取在該坐標(biāo)系下垂直于斷裂走向新的線號，將由x、y、z三軸組成的三維空間數(shù)據(jù)計算簡化到為僅由z軸與y軸組成的二維空間，其中y軸數(shù)據(jù)dy為水平斷距；z軸方向的數(shù)據(jù)dz為層序界面上下盤的垂直位移。

圖5 相對坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)示意圖(a)旋轉(zhuǎn)前； (b)旋轉(zhuǎn)后(0°<α<90°)

(3)“總矢量滑距”計算：沿斷裂傾向，頂?shù)讛嗝骈g的位移距離為“總矢量滑距”。其表征的是斷裂演化至今的累加斷距。利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的斷層多邊形、層序界面，根據(jù)空間幾何關(guān)系運算求取“總矢量滑距”的大小與方向。

在相對坐標(biāo)系內(nèi)，可以獲取斷裂垂直斷距dz與水平斷距dy，利用勾股定理計算“總矢量滑距”。具體步驟為:

③“矢量滑距”是水平斷距與垂直斷距以及斷層滑動方向的矢量合成(圖6)。

據(jù)“矢量滑距”定義，分別計算各層序界面處斷裂系統(tǒng)的“總矢量滑距”，為區(qū)分順向斷裂系統(tǒng)(斷層傾向與地層傾向一致)與反向斷裂系統(tǒng)(斷層傾向與地層傾向相反)的“總矢量滑距”，用紅、黑兩種顏色標(biāo)識方向(紅色為負(fù)，黑色為正)，顏色的深淺表示斷裂系統(tǒng)累加斷距大?。?相同斷裂數(shù)據(jù)點集合的延伸方向代表了斷裂的走向?！翱偸噶炕唷钡挠嬎憬Y(jié)果可以用二維圖形方式簡潔明了地展示三維空間內(nèi)斷裂系統(tǒng)的展布方向與活動強(qiáng)度(圖7)。

(4)相同斷裂空間定位——“多重互相關(guān)”算法：

圖6 矢量斷距計算示意圖(a)順向斷裂，正滑距； (b)反向斷裂，負(fù)滑距

圖7 SB1界面“總矢量滑距”平面展布圖CFS為順向斷層，TFS為反向斷層

通常斷裂與層序界面并非垂直相交，同一斷裂面與層序頂、底的交線在空間上存在錯動，不能直接運用層序頂、底面“總矢量滑距”求取二者“層序矢量滑距”的差值。鑒于此，本文采用多重互相關(guān)算法對層序頂、底的所有斷點位置進(jìn)行空間匹配與定位。具體算法如下：

假定沿某條測線兩個界面的“總矢量滑距”分別記為信號y00(d)和y01(d)，則有

y00(d)=x0(d)+n(d)

(1)

y01(d)=x1(d)+n(d)

(2)

式中：d為信號空間位置，包含三個參數(shù)，即空間相對坐標(biāo)x與y及滑距大?。粁0(d)、x1(d)為層序頂、底界面“總矢量滑距”的真實信號；n(d)為白噪聲。在信號處理方面，經(jīng)常用自相關(guān)法和互相關(guān)法提高信噪比，本次采用互相關(guān)法求兩相似信號的距離差。從有用信號的角度來看，y00(d)和y01(d)在空間上距離相差d0。設(shè)信號采樣平面距離為D(道距的整數(shù)倍)，y00(d)和y01(d)的互相關(guān)函數(shù)為y010(τ)，y00(d)的自相關(guān)函數(shù)為y001(τ)，τ的取值為(-D，D)。則有

x0(d)n(d+τ)+x0(d+d0+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(3)

由相關(guān)性質(zhì)可得x0(d)與n(d)的互相關(guān)系數(shù)值為0；當(dāng)τ趨于無窮大時，n(d)自相關(guān)值為0。但是D在現(xiàn)實采樣中不可能趨于無窮大，故n(d)自相關(guān)值只能是比n(d)值更小，但不為0，而是逐漸趨于0，因此式(3)可寫成

y010(τ)=x1(d+d0)+n1(d)

(4)

式中：x1(d+d0)為x0(d)與x0(d+d0)的互相關(guān)函數(shù)；n1(d)為n(d)互相關(guān)函數(shù)。同樣

n(d+τ)+x0(d+τ)×

n(d)+n(d)n(d+τ)]dτ

(5)

可寫成

y001(d)=x1(d)+n1(d)

(6)

從有用信號角度可知，y001(d)與y010(d)距離差為d0。從噪聲角度可知，n1(d)比n(d)更小。因此，y001(d)和y010(d)的信噪比比y00(d)和y01(d)的信噪比高，則更容易顯示出“總矢量滑距”的距離特性。

同理，為了消除“總矢量滑距”中的不確定量，提高“總矢量滑距”信號間的相關(guān)性，運用多重互相關(guān)通用公式計算，可以推導(dǎo)出y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地顯示y00(d)和y01(d)的距離特性。

設(shè)y0nn(d)為y00(n-1)(d)與y0(n-1)0(d)的互相關(guān)函數(shù)，y00n(d)為y00(n-1)(d)的自相關(guān)函數(shù)，則y0n0(d)和y00n(d)能更清楚地顯示y00(d)與y01(d)的距離特性。因為y0n0(d)信噪比比y0(n-1)(d)的高，從而能更準(zhǔn)確地測量出y00(d)與y01(d)的空間距離差d0。

通過多重互相關(guān)運算，得到互相關(guān)系數(shù)最高時的τ值時，便可求取同一斷裂斷點處平面投影的錯動距離d0與各自斷點的空間坐標(biāo)位置，實現(xiàn)層序頂、底界面斷點的空間準(zhǔn)確定位。

(5)“層序矢量滑距”的計算：據(jù)“多重互相關(guān)”計算定位信息，然后對層序頂、底面的“總矢量滑距”進(jìn)行“匹配求差”運算，達(dá)到消除后層序期累加斷距的影響，實現(xiàn)對層序發(fā)育期斷裂系統(tǒng)活動強(qiáng)度的定量表征。

4 斷裂分析與古地貌演化

珠江口盆地番禺低隆起M區(qū)珠江組下段，發(fā)育CFS1、CFS2、TFS1和TFS2等四組斷裂。四級層序SQ1、SQ3和SQ5斷裂“層序矢量滑距”如圖8所示，反映了在多級次幕式(脈沖式)構(gòu)造活動作用下，斷裂活動期次與活動強(qiáng)度具時空差異性，整體呈現(xiàn)強(qiáng)—弱—強(qiáng)的變化趨勢。

層序SQ1沉積時期，北部TFS-2反向斷裂活動較弱，南部反向斷裂TFS-1和中部的CFS-1、CFS-2斷裂活動強(qiáng)烈(圖8a)；

層序SQ3沉積時期，北部TFS-2和南部TFS-1反向斷裂基本不活動，中部CFS-1和CFS-2斷裂活動較強(qiáng)(圖8b)；

層序SQ5沉積時期， TFS-2斷裂活動強(qiáng)烈，而CFS-1、CFS-2和TFS-1斷裂的西部活動強(qiáng)烈，斷裂東部活動處于休眠狀態(tài)(圖8c)。

珠江組下段沉積時期斷裂活動的時空差異性控制著古地貌的形成。長期活動的同沉積斷裂成為古地貌上突變的斷裂坡折帶或斷坡帶，影響物源與沉積體系的展布[22-24]。

通過“層序矢量滑距”的計算，對坳陷期SQ1～SQ5各層序形成時期斷裂活動進(jìn)行定量表征，進(jìn)而恢復(fù)不同層序形成時的古地貌。結(jié)果表明：古地貌變化受控于四組斷裂系統(tǒng)，由早期的北高南低逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闁|北高、西南低。

由于層序SQ1與SQ2、SQ3與SQ4的斷裂系統(tǒng)活動具有較強(qiáng)的繼承性，因此僅分析層序SQ1、SQ3與SQ5的斷裂活動(圖8)與古地貌(圖9)特征，即可得出該區(qū)構(gòu)造及沉積特點。

圖8 四級層序斷裂系統(tǒng)的層序矢量滑距平面展布圖(a)SQ1； (b) SQ3； (c)SQ5CFS為順向斷層，TFS為反向斷層

層序SQ1充填期，北部TFS-2反向斷裂活動較弱，水下低隆起古地貌主要分布于區(qū)內(nèi)北部，物源來自東北方向(圖9a)；層序SQ3充填期，由于中部兩組順向斷裂(CFS-1、CFS-2)活動較強(qiáng)，尤其是CFS-1斷裂，導(dǎo)致水下低隆起開始分化(圖9b)，不再是一個完整的水下低隆起；至層序SQ5充填期，區(qū)內(nèi)東部斷裂不活動，改變了古地貌原有格局，形成東隆西低特征(圖9c)，物源主要來自東部。

圖9 四級層序充填期古地貌恢復(fù)示意圖(a)SQ1； (b)SQ3； (c)SQ5

5 結(jié)論

(1)本文首次提出的“層序矢量滑距”的概念與計算方法，可以定量表征構(gòu)造幕內(nèi)“張性或弱扭張性”斷裂的活動情況。其在珠江口盆地番禺低隆起M區(qū)珠江組下段四級層序的應(yīng)用中，很好地闡明了斷裂活動的時空差異性以及古地貌變化的原因。

(2)該計算方法適用于較小走滑位移的盆地，但對于區(qū)域性沉積補(bǔ)償盆地、牽引和逆牽引構(gòu)造的適用性，有待于進(jìn)一步研究。

感謝中海石油(中國)有限公司深圳分公司、中國石油集團(tuán)東方地球物理公司凌云和謝結(jié)來及中國石化勘探開發(fā)研究院付志方和孫鈺等在資料、研究等方面給予的幫助。