余為維,馮 磊,杜艷艷

(1.中國地質(zhì)大學(北京)，北京 100083；2.河南理工大學，河南 焦作 454000；3.中原經(jīng)濟區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000;4.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，河南 鄭州 451464)

0 引 言

當前中國陸上油氣勘探目標逐步轉(zhuǎn)向非常規(guī)低孔、低滲砂巖[1]，鄂爾多斯盆地旬邑地區(qū)延長組即為其代表[2-4]。砂巖體地層與內(nèi)部巖性組合是該地區(qū)深水沉積地質(zhì)研究的重點，深水沉積研究對于油氣勘探開發(fā)具有重要意義[5-8]?；诔Ｒ?guī)測井與地震勘探的地層巖性組合分析方法分別受限于鉆井數(shù)與地震分辨率，為此，眾多學者采用現(xiàn)代沉積描述、淺層鉆探以及露頭勘測等方法對地下沉積特征展開研究，從而獲取地層巖性描述，以指導油氣勘探工作[9-18]。野外露頭的精細地質(zhì)分析對油氣勘探具有重要價值，探地雷達技術(shù)為精確識別露頭內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征提供了有效途徑。

探地雷達技術(shù)是一種借助于高頻電磁波探測地下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地球物理方法。該技術(shù)是一種有效的淺層探測手段，因具有攜帶靈活、成像快捷直觀、高分辨率、對探測物無損性等優(yōu)點，使其在工程建設、水利與環(huán)境勘查等方面得到廣泛應用[19-25]。國外學者首先將探地雷達技術(shù)應用在漫灘及河道沉積體的研究中，應用效果較好，之后不斷得到推廣。Skelly等基于探地雷達方法分析了河道儲層結(jié)構(gòu)[26]；Jol等將探地雷達用于砂巖層內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識別研究[27]；Lunt等通過探地雷達探索研究了辮狀河砂壩的側(cè)向遷移模式[28]。中國探地雷達技術(shù)起步較晚，目前廣泛應用于工程勘查方面，但是在地下沉積特征探測方面的應用還有待進一步加強[29-30]。以鄂爾多斯盆地旬邑地區(qū)為例，采用探地雷達技術(shù)進行沉積巖性的物理分析，并結(jié)合地震數(shù)值模擬結(jié)果，詳細分析了地層內(nèi)部巖性組合的反射特征，為后期油氣藏勘探開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，此外也拓寬了探地雷達技術(shù)在地質(zhì)巖性分析中的應用。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是處于華北古生代克拉通臺地上的一個中、新生代大型內(nèi)陸疊合盆地，具有多構(gòu)造體系、多旋回演化、多沉積類型的特點。盆地沉積構(gòu)造演化過程包括5個階段：中晚元古代拗拉谷；早古生代淺海臺地；晚古生代近海平原；中生代內(nèi)陸湖盆；新生代周邊斷陷。其中，中生代延長組的沉積層序發(fā)育較為完整，包含了河流—三角洲—湖泊沉積體系。該組自長10沉積期開始發(fā)育，主要表現(xiàn)為湖盆沉降；長9沉積時期湖盆沉降速率加速，湖盆面積不斷增大；在長8沉積期呈現(xiàn)出差異性抬升現(xiàn)象，隨后在長7沉積期湖盆快速沉降；在長6沉積期沉降速率降低，三角洲沉積體系發(fā)育；在長4-5—長1沉積期，湖盆逐步緩慢抬升。此次研究層位主要為長7，該段沉積時期為延長組最大的湖泛時期，以三角洲及深水沉積廣泛發(fā)育為特點。

2 探地雷達基本原理

探地雷達技術(shù)主要是借助于發(fā)射天線發(fā)射的高頻電磁波，該電磁波脈沖在地下傳播時如遇到介質(zhì)常數(shù)存在差異的界面，即發(fā)生反射及透射[25]，而反射回地表的電磁波則由接收天線所接收，經(jīng)離散化采樣處理轉(zhuǎn)化為時間序列信號。測點上雷達反射記錄反映了反射波振幅強度、相位等信息，通過對反射剖面的處理解釋即可實現(xiàn)對地下目標體的探測。

只有當2種介質(zhì)界面的介電常數(shù)不同時，探地雷達高頻電磁波才會發(fā)生反射及透射。該反射符合反射定律，反射系數(shù)值由以下公式確定：

(1)

式中：r為反射系數(shù)；ε1、ε2分別為界面上、下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由式(1)可知，當電磁波向下傳播時，地下介質(zhì)中存在的明顯介電常數(shù)差異即可反映在雷達剖面上，從而為探地雷達應用于實際勘測提供了理論基礎(chǔ)。

探地雷達發(fā)射天線的頻率是數(shù)據(jù)采集過程中需要考慮的主要參數(shù)，其關(guān)系到雷達剖面分辨率的高低。通過理論研究得出，雷達脈沖包跡時間必須小于待分辨的2個特征之間延時間隔的2倍。假定中心頻率與帶寬比為1，可得中心頻率與垂向分辨率的關(guān)系式為：

(2)

式中：fcen為發(fā)射天線中心頻率，Hz；δ為垂向分辨最小尺度，m；ε為相對介電常數(shù)。

在式(2)基礎(chǔ)上可得出，發(fā)射天線中心頻率與能量衰減速率呈正相關(guān)，即頻率越高衰減越快，探測深度就會越小，而分辨率則越高；低頻天線與之相反。因此，實際應用過程中應根據(jù)需要選擇恰當頻率的發(fā)射天線。

3 沉積露頭模擬分析

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育大量復合水道沉積砂體，具有明顯的沉積特征，因此，通過野外實地踏勘識別出這種典型沉積的露頭(圖1)，從而在實際露頭剖面基礎(chǔ)上開展對沉積組合特征的研究。圖1中露頭下部地層判識為典型復合水道沉積砂體，從該露頭剖面上來看，垂向上沉積地層巖性較為雜亂，剖面中間部分可見明顯的透鏡狀沉積砂體。由出露地層的下部至上部，首先是厚層中細粒砂巖，巖性與地層厚度較為連續(xù)，基本上變化不大；其次是薄層砂巖夾雜薄層泥巖，該段地層巖性呈現(xiàn)明顯的等厚砂層夾雜薄層泥巖的特征，并且地層巖性連續(xù)性較好；再次為中厚層的中細粒砂巖，該段地層連續(xù)性較差，由于受下切作用侵蝕造成剖面上呈現(xiàn)下凹狀，部分段夾雜薄層泥巖；最上部主要為泥巖段，地層連續(xù)性差，巖性主要呈現(xiàn)砂泥巖互層，部分層段(如凹形上部)砂泥巖薄互層呈現(xiàn)為等厚砂巖近似對稱狀分布，且砂巖層明顯較薄。

依據(jù)實際野外露頭剖面沉積特征構(gòu)建理論露頭地質(zhì)模型，通過借助探地雷達淺層高精度成像進行露頭巖性的物理模擬分析，并結(jié)合基于理論地質(zhì)模型的數(shù)值模擬正演，分析典型沉積露頭與地震響應特征之間的聯(lián)系。

圖1野外典型露頭剖面

3.1 雷達成像

采用探地雷達技術(shù)對典型沉積體露頭進行高精度成像，模擬實際地震勘探分析。研究中采用在工程建設、環(huán)境勘查等方面應用效果較為良好的RIS-K2型探地雷達，根據(jù)實際露頭成像需要，結(jié)合探地雷達天線頻率與探測分辨率的關(guān)系，選擇200 MHz的探地雷達天線。

圖2為復合水道沉積砂體的雷達成像處理結(jié)果。由圖2可以看出，剖面沉積砂體所對應的整體同相軸連續(xù)性較差，部分段同相軸復合在一起呈現(xiàn)強振幅特征，整體反射能量一般。對于露頭剖面上具有明顯特征的沉積砂體，例如露頭剖面中所呈現(xiàn)出的下凹狀沉積特點，其在雷達成像中以黃色虛線表示，二者對應關(guān)系較為良好。總體而言，露頭剖面上沉積砂體特點與雷達剖面中所反映的信息基本匹配一致。此外，由實際露頭剖面的觀測結(jié)果可以看出，研究區(qū)內(nèi)典型復合水道沉積主要為砂泥巖薄互層沉積，而這種砂泥巖互層特征在雷達成像上也得到了很好的指示。以露頭上2處代表性砂泥巖互層組合為例，巖性組合1(圖2a中紅色框所示)為厚層砂巖之間夾等厚砂泥薄互層(砂泥巖厚度幾乎一致)，巖性組合2(圖2a中黃色框所示)為厚層泥巖之間夾砂泥巖互層(砂巖中間厚兩邊薄)。由巖性組合1所對應的雷達成像來看(圖2b中紅色框所示)，反射能量呈現(xiàn)出較強的形態(tài)，2條近似對稱狀的強振幅同相軸顯示較為明顯，并且同相軸連續(xù)性也表現(xiàn)較好，而從巖性組合2所對應的成像結(jié)果中可見(圖2b中黃色框所示)，上部同相軸連續(xù)性較好，反射能量相對較強，與之相比，下部同相軸因上部地層的屏蔽而呈現(xiàn)出很弱的振幅能量，幾乎無法分辨。

圖2復合水道沉積砂體露頭剖面的雷達成像

3.2 數(shù)值正演

在露頭實際剖面地層基礎(chǔ)上，得到典型復合水道沉積砂體的地質(zhì)原型模型(與野外露頭比例為1∶1)。鑒于露頭剖面尺度有限，為匹配實際地震資料，對層厚進行等比例變化后再正演模擬。

圖3a為基于圖1中實際復合水道沉積砂體露頭所建立的地質(zhì)原型模型，根據(jù)層厚比例，分別設置與原型模型比例為1∶40、1∶75、1∶100、1∶150、1∶200的模型進行正演，所得結(jié)果分別見圖3b—f。從圖3b中可以看出，地震剖面上同相軸數(shù)量明顯少于地質(zhì)模型中地層分界面數(shù)目，并且凹型界面的下凹程度相比原型模型較緩，對應關(guān)系較差。圖3c中地震剖面上同相軸數(shù)量有所增加，但仍然少于原型模型中地層分界面數(shù)目。此外，反射剖面上砂泥巖互層部分由于干涉作用發(fā)生同相軸錯斷，與原型模型中砂泥巖互層關(guān)系存在解釋上的假象。圖3d中地震剖面上同相軸數(shù)量基本與原型模型巖性分界面相對應，砂泥巖互層部分對應關(guān)系也較為清楚，部分段反射能量存在較弱現(xiàn)象。圖3e所顯示出的地震剖面同相軸與地質(zhì)模型巖性分界面的對應關(guān)系較為清晰，同相軸反射能量進一步增強，部分砂泥巖互層段存在同相軸扭曲現(xiàn)象。圖3f中地震剖面上同相軸分布形態(tài)與地質(zhì)模型中巖性分界面形態(tài)對應較為良好，同相軸同樣也表現(xiàn)得較為平滑連續(xù)，部分段可見巖性尖滅，總體上與原型模型較為吻合。

圖3典型復合水道沉積砂體地質(zhì)模型及不同比例尺下正演剖面

在最佳比例1∶200所模擬的地震剖面基礎(chǔ)上，對露頭剖面上代表性砂泥巖互層組合所對應的正演模擬反射特征進行進一步分析。如圖4a中所示，所選擇的代表性砂泥巖互層組合與圖2中選定的巖性組合一致，圖4b為相應巖性組合的反射特征。由巖性組合1所對應的模擬成像(圖4b紅色虛線框所示)可以看出，總體反射能量較強，同相軸較為清晰，且連續(xù)性較好。從所在區(qū)域上可見，強振幅同相軸形成的近似對稱狀反射特征與露頭剖面中砂泥巖互層中近似對稱的薄層泥巖特征對應，對稱狀同相軸下部與下凹狀強振幅同相軸之間所夾反射帶對應于露頭剖面中厚層泥巖，該層段巖性幾乎無變化，因此對應區(qū)域也無明顯反射特征。由巖性組合2所對應的模擬結(jié)果(圖4b黃色虛線框所示)可知，上部同相軸較為連續(xù)，反射能量顯示較強，而下部同相軸能量則明顯表現(xiàn)較弱，且連續(xù)性較差。由對應露頭剖面中可以看出，在下凹狀厚層砂巖沉積下部砂泥巖互層段，砂巖、泥巖厚層均較薄，夾雜泥巖層更薄，由于地震波干涉作用，造成同相軸復合。此外,由于厚層砂巖的屏蔽作用,使得下部砂泥巖互層部分反射能量整體較弱?？傮w而言，2種巖性組合所呈現(xiàn)的模擬反射特征與相應雷達成像結(jié)果所反映出的反射特征呈現(xiàn)出良好的對應關(guān)系，從而為基于地震反射特征的地下巖性組合識別奠定了理論基礎(chǔ)。

圖4典型巖性組合的數(shù)值模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

(1) 深水沉積研究在油氣勘探開發(fā)具有重要價值，鄂爾多斯盆地旬邑地區(qū)具有明顯的深水沉積特點。通過野外露頭開展深水沉積的精細地質(zhì)研究可以克服地震及測井技術(shù)的不利因素，從而有效指導沉積砂巖體內(nèi)部信息的研究。

(2) 探地雷達技術(shù)能夠區(qū)分地下不同電性介質(zhì)界面，實現(xiàn)地下沉積結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。成像結(jié)果可反映露頭剖面的整體連續(xù)特征，相比其他野外露頭研究手段，具有高分辨率及橫向連續(xù)性較好的優(yōu)勢。

(3) 利用探地雷達技術(shù)獲取旬邑地區(qū)典型沉積砂體露頭剖面的成像結(jié)果，并結(jié)合實際露頭地質(zhì)模型正演模擬，分析代表性沉積組合的反射特征。結(jié)果表明，物理模擬與數(shù)值模擬對應關(guān)系較為良好。探地雷達技術(shù)在露頭地質(zhì)調(diào)查中可以發(fā)揮較為重要的作用，應充分挖掘該技術(shù)與露頭精細地質(zhì)研究相結(jié)合的應用潛力，為有效指導油氣勘探提供地質(zhì)基礎(chǔ)。