根据地质学原理可知,虽然沉积盆地中的地层具有成层性且在沉积过程中趋于水平,但受构造运动、地层不均匀沉降、风化剥蚀等因素影响,地下的地层在绝大多数情况下并不是水平的,而是形成了不同形态的样式,如褶皱、断裂、节理、层理等。在地质学中,通常将这些地层样式称为地质构造,简称构造。
在石油天然气勘探中,油气藏圈闭与地层的空间起伏形态、厚度、错断等地质构造特征密切相关,这些信息正是寻找油气藏的证据。在地球物理勘探技术出现以前,只能通过出露于地表的岩脉(通常称为地质露头)或位于悬崖峭壁上的地层剖面来推测地下构造的特征。由于大自然中地质露头和地层剖面等地质现象是稀有的、零散的和有限的,因而很难利用它们来了解地下的地质构造全貌。地震勘探技术的出现为地质构造研究提供了全新的途径。在地震勘探中,通常将基于地震响应特征从地震资料中提取与地质构造有关的信息并以此为基础对地层界面的构造形态和断裂发育情况进行分析的过程称为地震构造解释,简称构造解释。
在构造解释中,层位和断层是最主要的解释对象。层位,或称地层层位,指一个地层在地层层序中的所在位置。地层层位有许多种,如具有特定岩性特征的地质层位,含有某种化石的化石层位,具有特定时代的年代层位,以及与某一地震反射界面对应的地震层位等。地震层位是通过地震资料解释得到的。一般情况下,一个地震层位对应地震剖面上的某一地震反射界面,同时也对应地下某一特定地质年代的地层界面。断层,或称断裂,指地下岩层受应力影响发生断裂,断裂面两侧的岩层沿断裂面发生位移造成地层错断的现象。断层与层位一样,它们都是地壳中常见的地质现象,都是地层沉积、地质运动等地质作用的结果。在沉积地层中,层位是沉积作用的结果,多沿水平方向展布;断层是上覆地层压力、侧向挤压力或拉张力对地层破坏的结果,多沿铅直方向或近铅锤方向延伸。
构造解释包含哪些基本步骤呢?概括地说,它主要包含4个步骤:层位标定、层位解释、断层解释和构造成图。
构造解释的第一步是层位标定。层位标定指利用测井、地质等资料确定目的层与地震剖面上的地震同相轴的关联性的过程。首先利用测井资料识别出地下各主要地层界面(行话称为地质分层),然后基于测井资料制作人工合成地震记录,最后将合成地震记录与井旁地震道进行对比,根据波形相似性将地下主要地层界面(地质分层)与地震剖面上的反射波同相轴关联起来。显然,要对地震剖面进行层位标定,需要先制作人工合成地震记录。人工合成地震记录,简称合成地震记录,是以褶积理论为基础,用声波测井资料经人工合成方式所形成的地震记录。
一旦生成了合成地震记录就可以进行层位标定了。首先根据井位坐标计算井孔在地震剖面上所对应的地震道序号,然后把合成地震记录投影到这个地震道附近,这样就可以对合成地震记录和井旁地震道进行对比,观察合成地震记录与地震数据的波形吻合度。如果吻合度达到要求(一般需二者的相关系数达到0.8以上),可根据测井或钻井所获得的地质分层数据寻找对应的地震同相轴,并将其标记为地震层位,至此层位标定这一步骤就完成了。
构造解释的第二步是层位解释。层位解释包含三个目的:一是对标定好的层位进行空间追踪,确定各层位所对应的地层界面的空间形态;二是分析地层厚度的变化特征及接触关系;三是确定各层位在地层层序中的地位及其地质属性。
在地震剖面上进行层位解释是根据地震波波形相似性实现的,波形相似性是层位解释的基础。同类震源所激发的地震子波基本相同(如果因同一个工区中的地震激发参数不相同而造成地震子波差异过大,则需要在地震处理过程中消除由于地震子波所引起的地震波形畸变效应),在同一地层界面上反射回的地震波的传播路径、传播时间、所遭受的地层吸收甚至干扰也大致相同,所以相邻很近的两个地震道上的地震波波形也是大致相同或相似的。波形相似性在地震剖面上可形成地震同相轴。地震同相轴指地震波的振动相位相同的波峰、波谷等极值点或过零点的连线。
构造解释的第三步是断层解释。在地震剖面上,断层主要表现为地震同相轴的不连续性,如同相轴发生终止、错断、扭曲、分叉、合并、相位转换等现象都是断层存在的标志。利用这一特点可进行断层解释。要进行断层解释,首先要从地震剖面上把断层识别出来。一般地,中小型断层的标志是同相轴或波组发生错断,同相轴数量突然增多或减少,地层产状发生突变,地震反射出现杂乱区或空白带。此外,当断层落差较大、断面两侧不同岩性的地层直接接触时,断层面会成为一个差异明显的波阻抗界面,这个界面会产生断面反射波。因此,断面反射波也是断层存在的一种标志。基于以上断层响应特征可以识别出断层。
当识别出断层后,就可以在地震剖面上通过画点或画线的方式解释断层了。如果是纸质地震剖面,可以用彩色铅笔在断层发育的位置上把断点标记出来,如果地震剖面是用计算机屏幕显示的,则可以用鼠标或其他电子画笔在屏幕上按类似纸质地震剖面解释的方式对断点进行标记。当一条断层的断点标记完成后,需要将它们连接成线,这就形成了断棱。实际上,断棱是断层面的一部分,是某一断层面与地震剖面的交线。在一个工区中通常有不止一条断层,因此在一个地震剖面上可以画出多个断棱,而每一个断棱隶属于不同的断层。为了区分不同的断层,可以用不同颜色的点或线表示不同的断层,当然也可以使用同样的颜色。当一个地震剖面上的断层解释完成后,可以切换到其他地震剖面继续进行解释,直至所有剖面都解释完成。
构造解释的第四步是构造成图。利用从地震、测井、钻井等资料中提取的能够反映地质形态的信息可形成地质构造图,简称构造图。构造图是一种以等值线(或称等时线、等深线等)、断层及其他地质符号(如构造高点、尖灭点等)表示地下某地层面起伏形态及厚度等特征的一种平面图形。在构造图中,等值线的延伸方向表示地层的走向及其变化,等值线的疏密程度反映岩层倾角的陡缓。在地震勘探中,可根据等值线的形态识别出地下的背斜、向斜、构造鼻、构造阶地等构造样式,据此可识别和确定油气藏圈闭及其分布范围,就像一张藏宝图一样。
等值线形式的构造图为什么能够表达地层的空间形态呢?假设地下有一个非对称的背斜构造,其长轴为横向(东西向),左侧(西侧)地层较陡,右侧(东侧)地层较平缓,以100米为间隔从深度为100米的背斜顶部依次画水平线,将各水平线与背斜的交点垂直投影到水平面上,并用曲线将特征值相同的交点连接起来就形成了4条封闭的曲线(因100米水平线与背斜的交点重合无法形成封闭的曲线)。由于左侧地层较陡,等值线较稠密,而右侧地层较平缓,则等值线较稀疏,由此可见,利用等值线图能够巧妙地表达出地质构造的空间特征。
受构造运动剧烈程度不同影响,地层的形态可能很简单,也可能很复杂,在大多数情况下还会发育断层,因此不同地区、不同层系的构造成图过程略有差别,但大致包括五个步骤:一是将解释好的层位点标注在底图上,并根据层位点范围设定一个绘图区域。二是将解释好的断点、不整合点标注在底图上,并根据它们的变化特点在平面图上将其组合起来,形成断层多边形。三是根据等值原则按一定间隔将层位点连接成比较圆滑的曲线,即等值线。一般情况下,一个完整的地质构造中的等值线应该是闭合的,但受断层切割或边界影响,等值线会不闭合。为了保证所制作的构造图符合地质规律,在勾绘出等值线时要先从宏观上了解地质构造形态以避免陷入局部异常的陷阱。四是根据等值线特征在构造图上标注出构造高点、背斜、向斜等特征地质现象。五是绘制图件的图名、边框、经纬度、地震测线名、地名、地物、已钻井位、比例尺及图例等,最终形成一幅完整的地质构造图。
当获得地质构造图以后,可以据此对地层的起伏形态和断层的平面分布特征进行分析,从中识别或寻找与油气成藏有关的构造高点,确定地层圈闭范围,进行构造区带划分和沉积盆地演化分析,识别油气藏圈闭,为钻探井位部署提供依据。