应用地震纵横波速综合参数识别层序地层界面

应用地震纵横波速综合参数识别层序地层界面
杨国臣;于炳松;陈建强
【摘要】以高分辨率层序地层学、旋回地层学理论为基础,以邯郸盆地第四系钻孔HZ-S、HZ5-3为例,探索了应用地震纵横波速综合参数识别层序地层界面进而划分层序的方法.根据波速参数随地层深度变化的曲线在层序界面附近存在的突变点或拐点,对HZ-S钻孔剖面进行了详细的四级、五级层序界面识别和对应层序的划分,并与岩心、测井、孢粉资料的分析结果进行对比,显示了很好的一致性,进一步通过HZ5-3钻孔的分析结果验证,表明应用地震纵横波速综合参数可以识别层序地层界面,进而划分地层.
【期刊名称】《桂林理工大学学报》
【年(卷),期】2009(029)003
【总页数】8页(P310-317)
【关键词】地震波速综合参数;层序界面;四级层序;五级层序;第四系
【作者】杨国臣;于炳松;陈建强
【作者单位】中国地质大学,地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京,100083;中国地质大学,地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京,100083;中国地质大学,地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】P539.2
如何准确识别和划分层序地层界面是进行层序地层等时对比的关键，也是层序地层学研究的基础。

通常采用露头、岩心、测井、地震等资料进行层序地层界面识别和层序地层划分[1]。

文献表明，国内外直接应用地震波速资料进行层序界面识别和
层序地层分析的实例是很少的，陈相府等[2]曾应用地震横波速度资料来划分层序。

地球内部圈层的划分基于地震波速度的变化，从而划分了两个重要的地质界面——莫霍面和古登堡面及若干次级界面[3-4]。

但在实际应用中，波速变化对较低级
次地质界面的分辨能力很差。

基于此，以邯郸盆地第四系钻孔为例，探讨了运用地震波速资料分辨低级次地质界面，即应用地震纵横波速综合参数识别四级、五级层序地层界面的方法进行层序划分。

研究表明，这种方法识别层序界面取得了颇为理想的效果，有一定的应用价值。

1 地震波速综合参数识别层序界面的依据和方法
1.1 识别依据
地震波在地层中传播受多种因素影响，它们主要是岩石的物质组成、组构、温压条件、孔隙饱和度、孔隙流体性质及其分布等[5-11]，其中，岩石的组构是由岩石形成时所处的物理化学环境和演化历史决定的，与其物性密切相关，它包括了裂隙孔隙分布、矿物组成、主要矿物结晶特性、粒度、颗粒形态及其空间分布、晶格优势取向、晶体中的亚构造等[5]。

岩石的物质组成和组构对地震波的传播有决定性影响，是决定地震波速变化的最主要因素，其中岩石的结构状态(组构)是影响波速的直接因素[11]。

在漫长的地质历史过程中，同一时间地层单元由于在形成时的物理化学环境及演化历史、物源供给、构造背景等的变化具有连续性，使岩层的物质组成、组构变化也具有连续性；在不同时间地层单元之间的交界面处，由于上、下地层单元形成时的环境条件和演化历史都发生了重大变化，引起了岩层的物质组成、组构产生很大差异。

上、下岩层的岩石物质组成、组构的这些变化反映在地震波速
上，就表现为：同一时间地层单元内部波速参数相对均匀变化，当遇到较明显的地层界面时，波速参数发生突变，在参数曲线上会出现明显的突变点或拐点。

可见，波速参数随地层而变化的这种特征具有明确的地质含义，即它主要反映了地层的岩石物质组成、组构的变化，反映了地层形成时沉积环境条件的变迁，因而可以作为识别地层界面和划分地层的一项重要依据。

1.2 识别方法和步骤
直接利用地震波速随地层深度变化曲线进行地层界面识别，其分辨能力差，必须对波速原始数据做进一步的处理，即对原始纵波速度(Vp)和横波速度(Vs)数据进行参数转换，以提高其对地层划分的分辨能力。

具体方法和步骤如下。

1)原始数据处理：通过参数转换，获得包括纵横波速比(Vp/Vs)、纵波速度梯度、
横波速度梯度以及纵波传播时差(Δtp)、横波传播时差(Δts)(或取它们的对数)等地
震波速综合参数。

2)参数曲线绘制：应用图形绘制软件，如Carbon、Excel等，可获得地震波速综
合参数随地层深度的变化曲线，为了地层分析需要，也可绘制出时差曲线的趋势线。

3)曲线拐点判别：必要时，可借助图形软件适当地缩放曲线的横向显示比例，以突出显示曲线上可能的由不同级次地层单元变化所产生的对应级次的突变点或拐点。

4)层序界面识别：综合分析各参数曲线的拐点变化规律，寻找在每一条曲线上都能够出现明显突变点或拐点的位置，记录下它们出现的地层深度，则该深度位置即对应了一个重要的地质界面。

5)层序划分：根据地层划分的级次要求，依据步骤4)，在前人岩石地层、年代地
层框架下，首先识别较高级次的层序界面，然后在较高级次层序框架内进一步识别较低级次的层序界面，进而划分不同级次的地层单元。

2 HZ-S钻孔剖面基本地质特征及地震纵横波速综合参数的层序地层分析
HZ-S钻孔位于邯郸市区东部，第四系发育厚度较大(>110 m)，年代地层、岩石
地层[12-13]、旋回地层单元特征清楚(图1)。

2.1 HZ-S钻孔地震波速综合参数的获取
严格按照测试仪器使用规范和数据采集要求，采用孔口击震、井下接收的方式，获取了HZ-S钻孔地震纵、横波速测试数据(表1，为了既可减少文章篇幅，又能表
征参数转换方法，表中仅列出了HZ-S钻孔0～40 m段的数据)，采样间距为1 m，数据误差<5%，可靠程度较高。

通过数据处理(表1)和曲线绘制，获得了地震波速综合参数随地层深度的变化曲线(图1)。

2.2 HZ-S钻孔地震波速综合参数的层序地层分析
在理论上，对于具有相同频率成分的子波来说，横波比纵波具有更高的垂向和横向分辨率[14]，同时，横波受岩层环境变化的影响较小[7,15-16]，而纵波受环境变
化的影响较大[16-18]，因此，在进行层序界面识别时，主要依据横波速度参数曲
线的变化特征，并结合纵波展开综合分析。

HZ-S钻孔完钻深度为109.4 m，纵、横波速度测试深度为96 m。

按照前文叙述
的方法和步骤，通过对其综合波速参数曲线重要突变点(或拐点)的识别，自下而上可识别出4个重要的曲线突变位置，对应于4个四级层序界面(SB2至SB5)，并将测试孔段分割为5个特征层段，分别相当于第2至6的5个四级层序(0.1～0.5
Ma[19-20]) (图1)。

2.2.1 层序界面的波速参数特征在层序界面附近，参数曲线突变明显、特征清晰。

SB2：在约89 m深度处。

在该界面，纵横波速度比、时差曲线和横波时差趋势线均响应一个明显的转折点(拐点)；纵、横波速度梯度也具有明显不同的特征，纵波速度梯度曲线在界面以下波动较剧烈，界面以上波动相对变弱，在界面处，纵波速度梯度对应一个突变负峰，横波速度梯度则对应一个突变正峰。

SB3：在约63 m深度处。

在该界面，各参数曲线均有明显的转折点相对应，尤其
横波相关参数变化特征清楚，横波时差曲线和其趋势线均响应一个突变低值，横波速度梯度则响应一个高值负峰。

SB4：在约42 m深度处。

在该界面附近，纵横波速度比曲线值突变增高，横波速度梯度曲线响应一个高值负峰，纵横波时差曲线均响应一个数值下降突变点。

SB5：在约16 m深度处。

在该界面附近，纵横波速度比响应一个突变增大值，纵、横波速度梯度曲线均响应一个中高峰值拐点，横波时差曲线则响应一个趋势线斜率拐点。

表1 HZ-S钻孔波速综合参数部分数据Table 1 Integrative parameters data of seismic wave velocity from bore HZ-S测点深度/mVs/(m·s-1)Vp/(m·s-1)横波时差Δts/(μs·m-1)纵波时差Δtp/(μs·m-1)Vp/Vs或Δts/Δtp横波速度梯度/s-1纵波速度梯度/s-11.0139.9357.37 147.962 798.772.552.0127.6333.57 836.992 998.502.61-12.3-23.83.0138.3308.17 230.663 245.702.2310.7-
25.44.0156.2313.56 402.053 189.792.0117.95.45.0171.2314.35 841.123 181.671.8415.00.86.0123.3358.48 110.302 790.182.91-
47.944.17.0139.5376.47 168.462 656.752.7016.218.08.0138.2416.87 235.892 399.233.02-1.340.49.0149.2420.16 702.412
380.392.8211.03.310.0147.1428.26 798.102 335.362.91-
2.18.111.0156.4439.56 39
3.862 275.312.819.311.312.0178.0463.15 617.982 159.362.6021.623.613.0167.3455.25 977.292 196.842.72-10.7-
7.914.0173.2458.25 773.672 182.452.655.93.015.0192.2476.55 202.912 098.642.4819.018.316.0219.6479.84 553.732
084.202.1827.43.317.0223.3489.64 478.282
042.482.193.79.818.0239.0485.74 184.102 058.882.0315.7-
3.919.0249.6493.54 006.412 026.341.9810.67.820.0240.7495.34 15
4.552 018.982.06-8.91.821.0250.2498.13 996.802
007.631.999.52.822.0255.3516.33 916.961
936.862.025.118.223.0268.1518.33 729.951
929.381.9312.82.024.0288.1522.23 471.021
914.981.8120.03.925.0297.9538.43 356.831
857.361.819.816.226.0312.3555.13 202.051
801.481.7814.416.727.0278.5567.53 590.661 762.112.04-
33.812.428.0288.1535.23 471.021 868.461.869.6-32.329.0272.2543.73 673.771 839.252.00-15.98.530.0272.3549.33 672.421
820.502.020.15.631.0279.1569.43 582.951
756.232.046.820.132.0281.2579.83 556.191
724.732.062.110.433.0295.5593.33 384.091
685.492.0114.313.534.0313.3598.53 191.831
670.841.9117.85.235.0328.7613.93 042.291
628.931.8715.415.436.0338.1615.12 957.701
625.751.829.41.237.0333.1638.73 002.101 565.681.92-
5.023.638.0355.5649.12 812.941 540.591.8322.410.439.037
6.5656.22 656.041 523.931.7421.0
7.140.0384.8693.22 59
8.751 442.591.808.337.0
2.2.2 层序内部的波速参数特征不同的层序内部波速参数变化具有各自明显不同的特点，遵循各自的变化规律。

第2层序：该层序最特征的波速参数为纵、横波时差及横波时差趋势线，其次为纵横波速度比。

时差趋势线在该层序段斜率最大，接近垂直线，曲线为低值，特别是横波时差趋势线特征极为显著。

第3层序：该层序的典型特征是，时差曲线斜率变小，纵横波速度比变大，横波
速度梯度基本在0值附近小幅度摆动，纵波速度梯度摆动幅度较大，总体波动次剧。

按照前文叙述的方法步骤(以下同)，根据波速参数曲线的次级突变点(或拐点)，可进一步识别出2个五级层序界面，将该层序分割为至少3个五级层序(0.01～
0.15 Ma[19-20])，它们的界面附近波速参数变化特征清楚。

第4层序：该层序的特征是，时差曲线的斜率与第3层序基本相同，但略有减小，而纵横波速度比达到最小值，纵波及横波速度梯度曲线均在0值点附近小幅度摆动。

根据波速参数曲线的次级突变点(或拐点)，可进一步识别出1个可能的五级层序界面，在此界面附近，特别是横波参数曲线突变特征十分明显。

第2、3、4层序整体特征相近似，尤其横波时差曲线斜率相近，它们构成的层序
组合，总体上，纵横波速度比向上逐渐减小，且曲线幅值比较低，时差曲线值向上逐渐增大，特别是横波时差趋势线的斜率特征突出。

这些基本特征表明，第2、3、4层序在沉积环境条件上具有一定相似性，它们同为更新统中部杨柳青组(Qp2y)。

第5层序：该层序的明显特征是，时差曲线斜率明显减小，纵横波速度比增大，纵、横波速度梯度曲线波动幅度小，变化特点相似。

根据波速参数曲线的次级拐点，可进一步划分出2个五级层序，在它们的分界线附近，各波速参数均有明显突变。

该层序对应更新统上部欧庄组(Qp3o)，它的2个五级层序可对应于欧庄组的两个段。

第6层序：该层序最大的特征是，纵横波速度比、时差曲线值达到最大，横波时
差趋势线的斜率达到最小。

根据波速参数曲线上的次级突变点，该层序被分割为2个五级层序，在它们的界限附近，各波速参数曲线突变特征清晰。

该层序对应于全新统，下部的五级层序可与全新统下部杨家寺组(Qh1y)对应，厚约8～10 m；上
部的五级层序可与全新统中部高湾组(Qh2g)对应，厚约4～6 m。

3 HZ-S钻孔层序地层分析
3.1 HZ-S钻孔岩心和测井层序地层
HZ-S钻孔电法测井测试深度为106 m，取得了自然电位、电阻率和自然伽玛等测井曲线。

根据测井曲线变化和岩性特征，HZ-S钻孔第四系自下而上可划分6个四级层序，各层序界面上下测井响应变化明显，各层序内部岩性旋回、测井特征清楚(图1)。

第1层序：钻遇厚度较薄，在钻孔剖面中为不完整层序，为总体向上变粗的沉积
层序，向上水体变浅，沉积基准面相对下降，表现为进积组合型式。

是构成更新统下部固安组(Qp1g)的上部层序，对应于中期沉积基准面相对下降半旋回。

岩性以
砂质粘土和粘土质砂为主，上部粒度略粗。

该层序与第1旋回地层单元相对应。

第2层序：厚约15 m，发育较完整，具有向上变细然后变粗的粒序特征。

从短期旋回(或五级旋回)特征上看，该层序发育早期，沉积基准面稳定上升，但上升幅度小；层序发育中后期，沉积基准面变化相对频繁，总体为下降。

该层序下部岩性粒度粗大，发育砂砾、粗砂、中细砂等粗碎屑物，向上逐渐变为粉砂、粘土质砂，极细粒碎屑物不发育。

该层序上部发育薄的砂砾层、中细砂和粉砂，与薄层砂质粘土或粘土质砂交互成层，表现为沉积水体条件的多变性，总体为向上变粗的中期沉积旋回(或四级沉积旋回)。

这些特征在自然伽玛和自然电位测井曲线上响应特征尤其明显。

该层序与第2、3、4旋回地层单元大致对应。

第3层序：厚约28 m，发育较完整，粒序变化频繁，响应于沉积基准面频繁的短期旋回变化，由多个低级次沉积层序组成，整体为向上变细的沉积层序组合，相当于四级沉积层序。

与第5、6、7旋回地层单元基本对应。

根据层序内部测井曲线
响应特征，并结合岩心描述，可识别出4个低级次的层序，相当于五级层序。

自
下而上各五级层序的特点如下。

第①层序：厚约8 m，总体粒度粗大，为第3层序中粒度最粗的层序，自下而上，粒序粗—细—粗变化特征在自然伽玛和自然电位曲线上响应特征清晰。

岩性方面，
下部和上部以砂砾、粗砂、中细至粉砂为主，中部发育不太厚的砂质粘土和细砂。

为沉积基准面相对稳定旋回变化期的产物。

第②层序：厚约7 m，粒度上明显细于第①层序，粒序变化及测井响应特征与第
①层序相似，但岩性差异明显。

层序下部和上部以较薄的砂砾、中—粗砂为主，
中部发育较厚的砂质粘土和粘土质砂。

层序形成过程中沉积基准面有变化迅速的特点，但迅速变化后沉积基准面相对稳定。

第③层序：厚约6 m，粒度上略细于第②层序，为向上变细的退积沉积组合，下
部为中细砂，上部为粘土质砂。

对应于沉积基准面相对上升半旋回，自然伽玛和自然电位测井响应特征清楚。

第④层序：厚约8 m，总体粒序和测井特征与第②层序相似，但粒度更细，下部
和上部以较薄的细粒砂和发育极薄的砾石层为主，中部发育较厚的细粒粘土质砂。

为明显退积加微弱进积沉积层序组合。

第4层序：厚约21 m，总体为明显向上变细的沉积层序组合，响应于沉积基准面的先期稳定之后持续上升，然后又处于相对稳定的过程，由强退积加微弱进积构成，在测井曲线上特征反映十分清晰。

岩性上，底部发育较厚砾石层，向上为砂砾、中粗砂，上部主要为粘土质砂和发育较厚的砂质粘土，对应于第8旋回地层单元。

第5层序：厚约25 m，总体为向上变细的沉积层序组合，响应于沉积基准面的缓慢相对上升过程，由明显退积加不明显弱进积沉积组合构成，测井响应特征明显。

与第9、10旋回地层单元相对应。

根据测井响应特征，并结合岩心描述，可进一
步识别出2个五级层序。

自下而上各五级层序的特点如下。

第①层序：厚约15 m，为整体向上变细的沉积层序组合，粒序具有匀速变细的特点，响应于沉积基准面的缓慢稳定上升过程。

岩性上，下部主要为粗砂、粗中砂、细砂，上部主要为较厚的粘土质砂和砂质粘土，其中砂质组分的粒度较细。

第②层序：厚约10 m，粒度明显细于第①层序，为向上变细的沉积组合，从短期
旋回看，存在沉积基准面的短期下降过程，相应发育粒度略粗的沉积物。

整体为退积沉积组合。

第6层序：厚约16 m，总体粒度细小，宏观上具有自下而上由粗变细又变粗的特点，层序下部为向上变细的退积沉积层序，响应于沉积基准面缓慢稳定上升过程，测井响应特征清楚。

岩性上，下部主要为粉细砂、砂质粘土，中部发育厚的粘土层，上部主要为粘土质粉砂、薄层砂，其中砂粒较细。

与第11、12旋回地层单元相对应。

该层序在地表为人工填土层，不具有沉积层序意义。

3.2 HZ-S钻孔孢粉组合及其年代地层意义
HZ-S钻孔分析孢粉样品241件，样品的采集深度范围为2.5～101 m。

根据花粉浓度图式中主要孢粉种属含量的变化趋势分析，孢粉组合在钻孔剖面中变化特征明显，乔木、旱生草本植物花粉与蕨类孢子峰、谷交互对应，并结合岩心描述，可划分为5个孢粉组合带、3个孢粉组合亚带，分别反映不同的气候类型(图1)。

根据各孢粉组合带的不同特征，并结合区域第四纪冷暖交替变化的特征，该钻孔采样深度段地层自上而下的划分如下。

全新统(Qh)：含孢粉组合带Ⅰ，气候温和干旱。

与第6层序相对应。

更新统上部(Qp3)：含孢粉组合带Ⅱ，反映气候由寒凉干旱到温和半干到温和干燥的变化，为冷期气候特征。

与第5层序基本对应，其中孢粉组合亚带Ⅱa与第5层序上部的五级层序对应，孢粉亚带Ⅱb和Ⅱc与第5层序下部的五级层序对应。

更新统中部(Qp2)：含孢粉组合带Ⅲ-Ⅴ。

孢粉组合带Ⅲ，指示气候温和半湿润，
反映暖期气候。

组合带Ⅳ指示气候温凉偏湿，组合带Ⅴ指示气候寒冷干燥，反映冷期气候。

孢粉组合带Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ可分别与第4、3、2层序一一对应。

因此，孢粉组合所反映的年代地层单元，与岩心、测井层序地层单元相一致。

在层序界面上下，孢粉组合特征明显变化，各层序内部的孢粉组合特征也各不相同。

4 HZ-S钻孔层序地层综合对比与分析
对上述分析结果进行综合对比可知，HZ-S钻孔地震纵横波速综合参数的层序地层划分结果与岩心、测井和孢粉资料的划分结果是基本一致的(图1)。

所不同的是，
第3层序中，波速参数仅识别出了2个五级层序界面，而测井资料可识别出3个
五级层序界面，并且其中的2个可与波速参数对比，层序界面位置也基本对应；
第4层序中，波速参数可识别出1个可能的五级层序界面，测井资料则无明显显示。

分析认为，这种差异主要是波速参数的相对地层分辨力造成的。

另外，波速测试采样间距大在一定程度上也影响其精确识别层序界面的能力，产生一定的偏差。

但基于地质资料对地层分辨能力的限制，所识别的层序界面常反映一定厚度的一段地层，而不是一个简单的面，则这种差异可基本忽略。

因此认为，应用地震纵横波速综合参数对HZ-S钻孔的层序划分与其他各种资料的分析结果是一致的(图1)。

为了进一步验证应用地震纵横波速综合参数划分层序的可靠性，作者对研究区的另一个做了地震波速测试且测试深度较大的钻孔HZ5-3进行了层序综合划分与对比(图2)，也得到了基本一致的结果。

5 结论与讨论
综上所述，地震纵横波速综合参数可以用以识别(四级、五级)层序地层界面，进而划分地层。

其识别层序界面的基本依据是：在层序界面附近，地层的岩石物质组成、组构变化大，使地震波速参数突变特征显著，参数曲线拐点明显，特别易于识别；在层序内部，地层的岩石物质组成、组构变化相对均匀连续，使地震波速参数遵循一定规律相对均匀变化，参数曲线相对平滑或呈相对对称性律动。

波速综合参数对层序界面的分辨能力强，在有些情况下甚至可能超过其他资料。

若能够选择合理的采样间距，在一定程度上可进一步提高其分辨地层的能力。

但也可看出，它对于层序内部的细节变化分辨能力较弱。

图2 HZ5-3钻孔层序地层综合划分与对比Fig.2 Integrative division and correlation of sequence stratigraphy in bore HZ5-3
笔者曾试图应用本方法对研究区开展第四系空间对比研究，以探究本方法的普适性问题，然而，由于所掌握的钻孔波速测试资料极其有限，多数钻孔测试孔段浅、分布局限，因而未能完成。

但本次研究作为一种探索，取得了与其他资料基本一致的结果，仍不失为一种值得进一步探究的地层分析方法。

此外，尚需做进一步工作探索本方法识别更高级次层序地层界面的应用效果。

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