劉玉瑞

(中國石化江蘇油田分公司科技處，江蘇 揚州 225009)

自Magara聲波時差法計算地層剝蝕厚度(Hb)和真柄欽次用該法恢復(fù)Hb發(fā)表后［1－2］，因其原理簡單、參數(shù)易取，成常用方法，并不斷對其提出改進［3－5］。上世紀，探索在蘇北盆地應(yīng)用未成功，原因是不滿足使用條件。新世紀，又有人用該法計算多個層位 Hb［6－11］①，②。分析表明，這些成果無一例正確;搜索中文期刊網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)此類論文問題多多［12－23］。這些錯誤數(shù)據(jù)和認識，不斷被反復(fù)引用，以至泛濫成災(zāi)。因此，有必要加以斧正。

1 聲波時差法計算剝蝕量回顧

下面簡介Magara法基本原理及國內(nèi)較有影響的牟中海、周瑤琪對原模型的擴展觀點。

1.1 Magara聲波時差法

為便于問題討論，將Magara法原理簡介如下。該法建立在Athy(1930)孔隙度( )與深度(H)關(guān)系( =0e－CH)及 Wyllie(1958)的 與聲波時差(△t)關(guān)系{ =(△t－△tma)/(△tw－△tma)}的理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出△t－H關(guān)系式:

其中，△t—深度H處頁巖的聲波時差，μs/m;△t0—外推至地表的聲波時差，μs/m;H—頁巖埋深，m;C—正常壓實趨勢斜率的常數(shù)，m－1。

正常壓實情況下，頁巖△t－H關(guān)系呈指數(shù)變化。在連續(xù)地層段，相關(guān)曲線是連續(xù)變化的;當(dāng)?shù)貙犹齽兾g和再埋藏后，曲線可能會偏離原變化趨勢，由此可計算 Hb和地層最大埋深(圖 1)［1－2］。

圖1 經(jīng)典的聲波時差法恢復(fù)剝蝕量示意圖

使用條件判別:⑴滿足Hb＞Hx(新沉積地層厚度)前提。真柄指出［2］，當(dāng) Hb＜Hx時，剝蝕前頁巖壓實作用的標記會被新沉積物作用消除，則該法不適用。⑵頁巖必須是正常壓實，欠壓實不適用。⑶Hb太小、斷層和裂縫發(fā)育等情況，該法慎用。

應(yīng)用關(guān)鍵:獲取△t0和制作正常壓實趨勢線。如圖1所示，得到△t0值有兩種途徑。

(1)借用理論的△t0值。Magara 和真柄［1－2］均推薦△t0=200μs/ft(656μs/m)，對應(yīng)的終止點 =62%;依據(jù)是當(dāng)粘土含量達到總?cè)莘e體積的38%之前，聲波傳播時間幾乎保持不變;其后，傳播時間隨粘土含量增加而縮短。據(jù)此，國內(nèi)常用650～620 μs/m理論值。把正常壓實趨勢上延與△t0垂線相交即為古地表，交點到剝蝕面垂距為Hb值。

(2)實際資料求△t0值。研究區(qū)盡可能多選井，制作剝蝕面上覆新地層的正常壓實趨勢，然后將這些趨勢外推到現(xiàn)在地表，取得多個△t0值，選最大值的最接近無剝蝕△t0值;再把老地層正常壓實趨勢上延與△t0垂線相交，定古地面和求Hb值。

1.2 牟—周的擴展觀點

牟中海、周瑤琪等認為［4－5］，判斷聲波時差法是否適合計算Hb的標準，不應(yīng)依據(jù)Hb與Hx的大小比較，只要上覆Hx產(chǎn)生的壓力(Px)小于Hb在相同深度點的壓力(Pb)，未改造老地層的壓實效應(yīng)，該法就適用。

1.2.1 牟的擴展［4］

按新地層、老地層的壓實趨勢斜率關(guān)系(C新、C老)，分7種情況:①C新位于C老右邊(圖2a－c)，表示對老地層施壓Pb＞Px，適用Magara法;②C新=C老并在同一線上(圖2d)，說明Hb與Hx在相同深度點壓力相同，老地層被改造，不適用Magara法;③C新≥C老并位其左邊(圖2e－f)，反映老地層欠壓實及Pb≤Px，不適用Magara法;④C新＜C老并位其左邊(圖2g)，認為對老地層施壓 Pb＞Px，即便 Hb＜Hx，只要新沉積物粒度細、地壓梯度就小，剝蝕地層粒度粗、地壓梯度就大，即不破壞老地層的壓實規(guī)律，適用Magara法。

圖2 擴展的聲波時差法恢復(fù)剝蝕量示意圖［據(jù)牟中海(2000)、周瑤琪(2000)合并略修改］

1.2.2 周的擴展［5］

將頁巖△t－H壓實趨勢按圖2中Ⅰ～Ⅵ型分6種模式，Ⅰ、Ⅳ、Ⅵ型含義與牟的相近;Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ型內(nèi)涵不同，認為都適用Magara法。理論是:孔隙度不只是埋深的函數(shù)，沉積速率、沉積環(huán)境和構(gòu)造背景都對壓實效應(yīng)也有重要影響，這是C新、C老斜率經(jīng)常不一致的原因;而不整合面上、下附近的致密層或高滲透層異常壓實，正好阻擋了新地層對下伏老地層壓實效應(yīng)的影響。

牟、周分別在柴北緣和東營凹陷應(yīng)用，論著發(fā)表后，廣被引用，認為是對經(jīng)典法的擴展。

2 問題辨析與斧正

剝蝕量恢復(fù)是盆地分析重要內(nèi)容，人們一直在探索求取剝蝕量的各種途徑。Magara法以簡易受歡迎，改進建模和試圖拓寬使用范圍一直不停。本文認為，就牟—周法的擴展而言，論據(jù)不足，缺乏可操作性，并易誘導(dǎo)生錯。

2.1 牟—周擴展的理論缺陷與斧正

牟—周的理論是改遵循Hb＞Hx使用條件，為遵循Pb＞Px原則，即未改造老地層的壓實效應(yīng)。無疑，這是對經(jīng)典理論的完善。但牟—周并未遵循該原則;相反，都突破了這一原則，導(dǎo)致方法和實例都錯。

2.1.1 牟—周的論文數(shù)據(jù)都突破了Pb＞Px原則

眾所周知，地下某處的上覆靜巖壓力可表示為:

其中，P—上覆巖層壓力，MPa; —巖石平均孔隙度，%;ρf—巖石孔隙流體的平均密度，kg/cm3;ρa—上覆巖石基質(zhì)的平均密度，kg/cm3;H—地層垂直深度，m;g—重力加速度，m/s2。

那么，要達到Hb＜Hx和Pb＞Px情況，需滿足:

即，(ΦxHx－ ΦbHb)ρfg+ ［(1 － Φx)ρaxgHx－(1 － Φb)ρabgHb］ ＜ 0

因，(ΦxHx－ ΦbHb)ρfg ＞ 0

若Hb與Hx的巖性密度、厚度、孔隙度相近，則無法滿足上述條件。為此，牟文提出假想［4］:若新沉積地層為細粒泥巖，被剝蝕地層為砂巖或砂礫巖，那么泥＞砂、ρa泥＜ρa砂，則有 Pb－Px＞0。

實際上，牟文并未用上述公式推演，而是揣測;由此鑄就其理論推導(dǎo)的錯誤，斧正如下。

首先，考察砂巖、頁巖 －H變化。沉積學(xué)原理表明，巖性和埋藏壓實是影響巖石物性和密度的兩大主因;原始沉積物泥＞砂、ρa泥＜ ρa砂，埋深壓實都是 遞減、ρa漸增，在表淺層，泥降低和ρa泥增大明顯高于砂和ρa砂的變化速率。據(jù)頁巖、砂巖 －H 關(guān)系(圖 3)［2、24］，結(jié)合蘇北盆地數(shù)據(jù)(圖 4)，可知:約在100～340 m埋深區(qū)間(最大670 m左右)，出現(xiàn)頁巖與砂巖的 交匯點，繼續(xù)埋深變?yōu)槟啵忌?、ρa泥＞ ρa砂情況，這種關(guān)系一直維持到 →0，ρa→巖石骨架最大密度。由此可見，牟文的假想，僅僅存在于表淺層狹小的地質(zhì)窗口。

圖3 砂巖、頁巖的 －H 關(guān)系(引自［2、24］)

圖4 XuQ1井砂巖、泥巖的ρ－H關(guān)系

其次，定量考察窗口大小與可操作性。假設(shè):Hb=340 m砂巖，參考圖3取小值砂=35%，參考圖4取大值ρa砂=2.1 g/cm3;Hx泥巖取較大值泥=50%，取較小值 ρa泥=2.0 g/cm3，用公式⑸計算，當(dāng)Hx/Hb＜1.365時，即 Hx＜460 m，有出現(xiàn) Pb＞Px可能。

這是假定公式⑷為零時的極端測算。實際上，隨著Hx與Hb差值增大，厚度差引起的流體壓力差值增大，遠遠抵消了新地層與剝蝕地層之間很小的密度差、物性差可能引起的壓力差值，即Hx/Hb比值遠比上述測算的小。這個差值還抵不上△t0選理論值區(qū)間600～656 μs/m的剝蝕量150～200 m誤差區(qū)間。

可見，出現(xiàn)Hb＜Hx、Pb＞Px的地質(zhì)窗口極小或不存在，準確判別更不可能，無實際應(yīng)用意義。

整理牟、周論文數(shù)據(jù)可知 (表 1)［4－5］，除G14井Hb＞Hx、Pb＞Px剝蝕量可信外，其它井都是Hb＜Hx、Pb＜＜Px情況，顯然不適用 Magara法。用周文的方程，本文算出其新地層△t0新，發(fā)現(xiàn)4個△t0新≥678 μs/m，超 656 μs/m 理論上限;5個△t0老在938～2 163 μs/m間，都說明不適合用Magara模型。由此證明，牟、周二文中，但凡Hb＜Hx情況，必有Pb＞Px，其剝蝕量數(shù)據(jù)和方法都是錯誤的。

表1 牟—周文的擴展聲波時差法剝蝕量數(shù)據(jù)表

2.1.2 牟文的假設(shè)完全脫離地質(zhì)常識

牟文假定［4］，厚4 000 m的粗粒沉積平均密度2.7 g/cm3產(chǎn)生的壓力，相當(dāng)于厚5 143 m(注:原文筆誤為15143 m)細粒沉積平均密度2.1 g/cm3產(chǎn)生的壓力，由此推斷后者厚度大于前者1 000 m以上，也適用Magara法。

可以肯定，這種假設(shè)犯了地質(zhì)常識和邏輯錯誤。一是2.7 g/cm3近乎碎屑巖的最大骨架密度，如此高密度巖石，埋深至少3 500 m以上;若剝蝕的是此類巖石，得先剝掉上覆密度小于該值的巨厚地層，那么剝蝕總幅度至少7 500 m。因為，剝蝕發(fā)生在沉積停止后，從低密度表層沉積物開始，而不是從深處高密度巖石起始。所以，牟的假設(shè)不符合地質(zhì)常識和邏輯;二是5 000 m厚的泥巖平均密度該在2.6 g/cm3左右，絕不止2.1 g/cm3，這也是地質(zhì)常識。由前面已知，泥巖密度隨埋深快速遞增，在埋深670 m左右全面超過砂巖密度，礫巖情況要復(fù)雜些(如圖3、圖4所示)。可見，牟文的假設(shè)多么荒謬，完全錯誤。

2.1.3 牟、周二文選用判別Magara法可用性的準則不科學(xué)

牟文提出判別Magara法可用性的新準則是，依據(jù)新、老頁巖壓實趨勢斜率C新與C老的大小、左右位置及一致性關(guān)系的7種情況，來判別新地層、剝蝕地層對老地層的壓實效應(yīng)是否一致，以及是否適用Magara法。周文則用頁巖△t－H壓實模式定性識別，無定量方法，并且認為不整合附近的致密層可阻擋新地層對下伏老地層壓實效應(yīng)的影響。兩文都顯著擴大了Magara法使用范圍，但無直接的可定量反映Pb、Px大小的方法。

顯然，新的判別準則缺乏科學(xué)依據(jù)。首先，頁巖壓實趨勢C值不是巖層壓力大小的函數(shù)，不反映施加壓力大小。C值大小反映頁巖正常壓實趨勢變化的快慢，其大小與沉積速率、壓實速度等因素有關(guān)，C值隨埋藏或沉積速率降低而加大［2］。好比壓力梯度不直接反映壓力大小，壓力還與施加厚度有關(guān)。其次，按牟文新準則，如圖2C情況，C新＜C老且位其右邊時，按理一直是Pb＞Px;但當(dāng)△t0老＞△t0新時，就會有Hb＜Hx情景，出現(xiàn)Pb＜Px情況，且C老/C新比值越大，矛盾越嚴重，證明選C值作為判別準則是不合理的。其三，周文的定性判別法更不科學(xué)，無標準可循，也無法排除欠壓實。

可見，Magara法原有的判別準則是正確的。

2.2 眾論文的問題分析與斧正

閱覽有關(guān)計算剝蝕量的論文，發(fā)現(xiàn)問題很多;蘇北盆地此類報告無一例正確，分析如下。

2.2.1 不遵從Magara法原則，產(chǎn)生大量錯誤數(shù)據(jù)

一是論文和報告聲稱用Magara法，但不闡述任何理由，就突破Hb＞Hx準則，得到很多Hb＜Hx的剝蝕量數(shù)據(jù)(表 2)［7－10、14、18、19］②;二是闡明引用牟—周的擴展法，計算不同盆地剝蝕量，得到很多Hb＜Hx情況的成果［11、12、15、16、20］①。由前面論述很容易判斷，這些數(shù)據(jù)都是在Pb＜Px下得到的，無一正確。

表2 部分論文的聲波時差法剝蝕量數(shù)據(jù)表(單位/m)

2.2.2 模型、坐標系和方程式三者不匹配

Magara法方程是指數(shù)形式，在算術(shù)坐標系上壓實趨勢線呈一條曲線;若要得到直線壓實趨勢線，兩種辦法:一是選△t半對數(shù)坐標系，回歸公式選對數(shù)方程式;二是對指數(shù)方程取對數(shù)，變換為線性方程，此時△t刻度為ln△t，回歸公式應(yīng)選線性方程式，即模型、坐標系和方程式三者必須一致。

但是，有不少論文和報告三者不一致，竟也能奇跡般地得出“正確”結(jié)論?一是用算術(shù)坐標系，居然能回歸出直線來［7－10、17］①;二是用算術(shù)坐標系配對數(shù)方程式［9］;三是把△t－H指數(shù)式變換為線性式了，但線性方程回歸錯了［21－23］。因此，這些奇葩論文的剝蝕量數(shù)據(jù)都是不可信的。

2.2.3 隨意用△t0理論值

獲取可靠的老地層原始地表△t0值是恢復(fù)剝蝕量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，很多時候用實際資料不易得到;為此Magara和真柄推薦了理論值，但前提是遵守Hb＞Hx原則。如今，被演澤成任意不整合面深度和地質(zhì)條件都可用的參數(shù)。但凡新地層無法得到△t0值，或者實際值有矛盾，不加分析都借用;如文獻［19］選656 μs/m理論值，標桿圖Zhang2井計算實際△t0=691 μs/m，超過理論界限速度;文獻［20］用實際資料定△t0=600 μs/m，但與多數(shù)井不吻合，如G49井為645 μs/m，L4 井高達 689 μs/m。

目前，這種借用和兩層皮現(xiàn)象很普遍。文獻［4－23］，凡列出回歸方程的，經(jīng)計算驗證，無一篇數(shù)據(jù)是完全合格的，僅個別井可信;造成了個個盆地、處處不整合面都可計算剝蝕量的“假象”。

2.2.4 偽原始資料問題

蘇北盆地恢復(fù)剝蝕量的眾論文和報告問題成災(zāi)。除上述共性問題外，文獻［9］等有偽資料現(xiàn)象。一是肆意挪動井位。W8井位于高郵凹陷北斜坡西部韋莊地區(qū)，被作者挪到66 km之遙的東部吳堡斷裂帶，用于標定一條北北西—南南東向G78測線區(qū)域地震大剖面的剝蝕量，作為全盆恢復(fù)剝蝕量的標桿井。二是W8井竟然能提取出兩套數(shù)據(jù)的△t－H關(guān)系來(圖5a、b)。圖 5a、b 引自文獻［9］，測井曲線為本文添加?？梢钥闯?，除上部新地層數(shù)據(jù)與曲線稍吻合外，下部老地層兩套數(shù)據(jù)都與測井不符，資料嚴重失實。三是用算術(shù)坐標系回歸出直線來，方程卻是對數(shù)形式，新地層△t0=671 μs/m，超理論上限。四是圖5a深度刻度下半段正確，上半段全錯。五是建湖隆起為三垛組物源區(qū)，被恢復(fù)出了大套地層;而且，平面圖上W8剝蝕量比井上少約170～400 m?？梢?，該文是極不嚴肅的偽論文。

圖5 W8井聲波時差法剝蝕量恢復(fù)(據(jù)徐田武［9］，修改)

2.2.5 基礎(chǔ)工作做得差

一是缺乏分析和交代地質(zhì)情況。牟文明確提出Hb為粗粒物、Hx為細粒沉積時，才可能出現(xiàn)Hb＜Hx、Pb＞Px情況。這點紛紛被引用，但無人交代其研究對象是否屬這種情況;像蘇北盆地、渤海灣盆地的新近系/古近系不整合面，上覆均為粗的砂礫巖、下伏為細的砂泥巖，這種剖面不該用牟法，也做出了諸多自稱“合理”的成果。另外，不分析剝蝕面之上新地層結(jié)構(gòu)特征，也鮮有說明下覆老地層異常壓實情況;不闡明地層剖面完整性、有無多個不整合面疊置，也不說明斷層、裂縫和火成巖對聲波時差的影響及取值情況等。

二是曲解原理，隨意作圖。對有多個不整合面的井恢復(fù)剝蝕量時，曲解原理，將多個不整合面拆開，分別作圖恢復(fù)，以掩蓋矛盾(圖6)。圖6a是用報告②M36井兩張剝蝕量圖拼的，圖6b是報告①Xu15井兩張圖拼的，兩圖錯誤太多。文獻［18］直接用聲波曲線表示頁巖壓實情況，壓實趨勢C線竟然與聲波曲線趨勢成30°夾角。由此可見，這些文章結(jié)論絕不可信，還淪為科技笑話。

圖6 上、下剝蝕量圖拼合圖(據(jù)報告①②編)

三是不做誤差分析。缺少對聲波曲線資料、頁巖取值層、提取數(shù)據(jù)的可靠性與誤差分析。對數(shù)據(jù)集是否滿足計算精度欠分析;如圖6中，數(shù)據(jù)集分散、相關(guān)性極差，完全不符合做剝蝕量計算。此外，計算結(jié)果是否符合地質(zhì)情況分析的也少。

2.3 蘇北盆地剝蝕量問題的討論

十年 來 用 聲 波 時 差 法［6－11］①②和 古 溫 標法［6、10、11、25］，計算蘇北盆地三垛組剝蝕量的論文和報告較多;這些文章互引、互證，都稱計算數(shù)據(jù)合理。研究發(fā)現(xiàn)，這些結(jié)論無一可信，分析如下。

2.3.1 聲波時差法不適合計算蘇北盆地剝蝕量，恢復(fù)數(shù)據(jù)不可信

一是地質(zhì)條件不滿足Magara法。阜四—阜二段頁巖全盆性欠壓實，內(nèi)坡—深凹戴南組頁巖也見欠壓實，斷層多、剝蝕面多、火成巖多，新地層厚度超前期的剝蝕量;無實際的頁巖△t0值，選不出符合Magara法的井，這是上世紀探索無果的主因。二是以上各文都不遵守Magara法原則。不交代剖面和取資料信息，許多剝蝕量是在Hb＜Hx下求得的(如表2);多數(shù)論文采用算術(shù)坐標系回歸直線，以及存在前面闡述的問題等。

2.3.2 眾文章紛紛引用古溫標法的剝蝕量作佐證，但該法本身結(jié)論就不可信

文獻［25］用鏡質(zhì)體反射率(R0)、甾烷成熟參數(shù)(SM)等古溫標法，計算三垛組剝蝕量在700～2 200 m;此觀點被眾作者引為佐證。該文立論有兩點:①斜坡、深凹不同構(gòu)造單元的R0－H、SM－H關(guān)系存在斜率相近、值不等的幾個線狀臺階變化，據(jù)此建立了三種成熟度模式;②三垛組沉積末、剝蝕前古溫標參數(shù)基本定型，新近系和第四系影響微弱，由此建立計算剝蝕量模型。

分析認為，該文方法有誤、立論無據(jù):①R0－H和SM－H均為對數(shù)關(guān)系，在半對數(shù)坐標系中為線性相關(guān)。該文用算術(shù)坐標直線關(guān)系顯然是錯誤的。本文按不同構(gòu)造單元和層系，在半對數(shù)坐標系上重作R0－H關(guān)系圖版，發(fā)現(xiàn)所謂“臺階”全部消失;②烴源巖沉積后，經(jīng)歷統(tǒng)盆解體的吳堡事件，整盆抬升長期暴露的三垛事件及真武、樊川、東臺等抬升事件，形成隆坳、凸凹相間的箕狀斷陷，鑄就了烴源巖差異演化和復(fù)雜的R0、SM古溫標展布特點;在三垛組不整合面之上無任何古溫標參數(shù)情況下，拿多個不整合面下伏的古溫標參數(shù)，推定古溫標定型于三垛組沉積末及后期埋藏?zé)o影響，缺乏足夠證據(jù)。相反，從R0－H各分區(qū)圖或總圖的相關(guān)性看，除海安凹陷相關(guān)性稍差外，其它圖的相關(guān)系數(shù)都良好，且相關(guān)直線上延至地表，R0值在0.2%左右，符合公認的原始地表附近R0理論值。這充分表明，歷次剝蝕間斷面之后的再埋藏已經(jīng)愈合前期R0為一條直線，也說明間斷面剝蝕幅度都小于后期再沉積厚度，證明此類情況不能運用R0、SM古溫標計算剝蝕量。

2.3.3 現(xiàn)有各種剝蝕量與蘇北盆地實際都不吻合

上述各文剝蝕量恢復(fù)后，盆地出現(xiàn)不平衡:一是盆地結(jié)構(gòu)不平衡。蘇北盆地三垛組為箕狀斷陷，自深凹向斜坡到凸起逐漸減薄，這是地震和鉆井資料證實的，也是公認的。前述的各種剝蝕量恢復(fù)后，三垛組原型盆地變?yōu)榻群衿桨鍫罱Y(jié)構(gòu)，有些斜坡和凸起厚度還大于深凹的，出現(xiàn)控凹邊界斷裂變?yōu)槟鏀鄬?、深凹與凸起構(gòu)造反轉(zhuǎn)的情況。二是盆地物源與沉積體系不平衡。沉積相反映，建湖隆起為南、北箕狀斷陷三垛組的物源區(qū);而上述諸文認為該區(qū)剝蝕量最大，恢復(fù)地層最厚。

由此可見，現(xiàn)有的聲波時差法、古溫標法，計算的蘇北盆地各種剝蝕量結(jié)論都是錯誤的。事實上，按照R0－H明顯受晚期埋藏影響判斷，三垛組最大剝蝕量不會超過后期的新近系和第四系總厚度。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)典Magara法及使用前提是正確的。牟—周的擴展缺乏理論依據(jù)和可操作性，不能使用;所有Hx＞Hb情況的剝蝕量恢復(fù)數(shù)據(jù)都是不可信的。

(2)聲波時差法、古溫標法都不適合計算蘇北盆地各個不整合面剝蝕量，現(xiàn)有剝蝕量數(shù)據(jù)不能用;三垛組剝蝕量小于新近系和第四系總厚度。

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