CN107765341A - 一种确定地层剩余密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实例提供了一种确定地层剩余密度的方法。所述方法包括：在地表分别进行重力和人工地震勘探，获取重力和地震数据；对地震数据进行层位解释，确定目标层上下界面空间位置；结合层位解释结果及野外露头等资料，建立地下地层构造框架；对重力数据进行异常分离，提取目标地层引起的局部重力异常分量；在地层构造框架的约束下，对目标地层进行网格剖分；根据地质、钻井等资料，确定各网格剩余密度初始数值区间；在初始数值区间内对各网格剩余密度进行最优搜索，不断迭代修正，最终确定各网格的剩余密度。该方法联合地震和重力两类数据，利用区间最优搜索确定地层剩余密度，方法稳定性好且精度高。

Description

一种确定地层剩余密度的方法

技术领域

本发明涉及应用地球物理中的重力和地震勘探方法，具体来说是一种联合重力和地震数据利用区间最优搜索确定地层剩余密度的方法。

背景技术

应用地球物理中的地震勘探方法是指在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，若地震波速度发生改变，则将发生反射与透射，在地表用检波器接收地震波，得到地震记录。地震记录上的特征与地下岩层的性质和结构有关，通过对地震记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。地震勘探利用的是地震波在不同地层中传播速度不同的特性，在勘查地层界面构造形态方面，地震勘探的精度和准确度明细优于其它地球物理勘探方法。

重力勘探是另外一种地球物理勘探方法，是利用组成地壳的地层或者各种岩矿体之间存在密度差异而引起的重力变化而进行地质勘探的方法。只要勘探的目标地层或地质体与围岩之间有一定的剩余密度，就可用精密重力仪器测出重力异常，然后结合工作区的地质资料，对重力异常进行定性或定量解释，推断地下岩层或矿体的埋藏情况。由于重力勘探所观测、研究的是天然的地球重力场，而地表附近直至地球深处都存在着物质密度分布的不均匀，所以重力勘探相对来说具有较为经济和勘探深度大两个优点。

地震资料主要反映速度信息，而重力资料主要反映密度信息。对于地下地层或地质体来说，其速度和密度是互相联系、密不可分的两种不同属性，这就奠定了两种方法联合使用的物理基础。自从80年代以来，国内外很多学者都在地震、重力联合解释或反演方面做过研究。Sovino等(1981)首先利用地震数据和重力数据反演计算上地幔速度和密度结构。冯锐等(1985)对中国的速度-密度转换公式进行研究。Lines 等(1987，1988)联合地震、声波测井、地面和井中重力进行了顺序联合反演研究，有效减少了反演的多解性。王西文(1991)等使用地震结果作为重力反演的约束条件，确定界面形态。方剑等(1997，1999，2003)以地震资料作为约束，反演了青藏高原及邻域、中国及邻区的岩石圈三维密度结构和中国海及邻域的岩石圈三维密度结构。王新胜等(2012)使用剩余重力异常作为反演依据，采用重震联合反演的方法获得了华北克拉通岩石圈的三维密度结构。

考虑到重力方法对密度分布的横向变化是比较敏感的，而大的垂向结构变化可以通过地震资料加以控制。综合两种方法各自的优势，本发明联合重力和地震数据，提出了一种区间最优搜索的策略，进行地层剩余密度的确定。

发明内容

本发明的目的是，提供了一种确定地层剩余密度的一种方法。该方法联合重力和地震两种勘探方法，提出了一种区间最优搜索的策略，进行地层剩余密度的确定。

本发明的内容包括：

在地表分别进行重力勘探和人工地震勘探，利用高精度重力仪获取重力异常数据，利用地震检波器获取地震数据；

对地震资料进行处理，得到叠后地震数据；

对叠后地震数据进行地层层位解释，确定目标层上下地层界面空间位置；

结合地震层位解释结果及野外露头等地质资料，建立地下地层的构造框架；

对重力数据进行异常分离处理，提取目标地层引起的局部重力异常分量；

在地层构造模式框架的约束下，对目标地层进行网格剖分；

根据地质、钻井等资料，确定各网格剩余密度初始数值区间；

在初始数值区间内，对各网格剩余密度进行最优搜索，计算目标函数值；

不断迭代修正各网格剩余密度数值区间，直到使目标函数达到全局最小，最终确定各网格的剩余密度。

本发明的有益效果在于，本发明提出的确定地层剩余密度的方法，与常规单一利用重力信息确定剩余密度的方法相比，加入地震信息作为约束，精度更高；此外，区间最优搜索方法稳定性好，剩余密度确定过程易于加入先验地质信息，且可以对曲面重力异常数据直接进行搜索，不必进行曲化平处理，保留了丰富的原始信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的确定地层剩余密度方法流程图；

图2为本发明实施例的新疆某地野外重力测点及地震测线位置图；

图3为本发明实施例的新疆某地地下构造框架示意图；

图4为本发明实施例的新疆某地实测重力异常平面等值线图；

图5为本发明实施例的新疆某地区域重力异常平面等值线图及地震测线位置图；

图6为本发明实施例的新疆某地局部重力异常平面等值线图及地震测线位置图；

图7为本发明实施例的由最优区间搜索确定的新疆某地地层密度图；

图8为本发明实施例的模拟起伏地表双密度异常体模型示意图；

图9为本发明实施例的模型产生的重力异常图；

图10为本发明实施例的网格剖分方案示意图；

图11为本发明实施例的确定异常体剩余密度的结果图；

图12为本发明实施例的理论重力异常与计算重力异常的拟合图；

表1为本发明实施例的方法计算精度统计表；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的联合重力和地震数据进行区间最优搜索确定地层剩余密度的方法流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

S101、在地表进行人工地震数据采集，获得地震数据资料。具体地，在步骤S101中，包括进行地震野外观测系统设计，按照观测系统设计进行施工，在地表特定位置处(震源点)进行人工震源(如炸药) 的激发，在地表特定位置处(接收点)利用接收仪器(如三分量检波器)记录地震资料。在新疆某地进行的野外地震数据采集，采集9条二维地震资料，地震测线位置如图2所示(图中实线，两端标有地震测线号)。

S102、在地表进行重力数据采集，获得重力数据资料。具体地，在步骤S102中，包括进行重力野外观测系统设计，按照观测系统设计进行作业，在地表特定位置处(观测点)利用接收仪器(如高精度重力仪)记录重力资料。在新疆某地进行的野外重力数据采集，共2338个重力测点，重力测点位置图如图2 所示(图中散点)。

S103、对采集获得的地震资料进行处理，以获得叠后地震数据。具体地，在步骤S103中，包括去噪、静校正、能量补偿、反褶积、偏移和叠加处理。

S104、进行地震层位解释，以确定目标层上、下地层界面的空间位置。在步骤S103获得的地震剖面上，对目标层段上、下的强反射能量同相轴进行对比追踪，以获得目标层上、下地层界面的空间位置。在本发明一较佳实施例中，我们发现如果目标地层段较厚，包含多套地层，则除了目标地层段的顶、底界面，在其内部也可以加密解释若干层位。

S105、结合步骤S104得到的地层界面位置及野外露头等地质资料，建立地下地层构造框架。构造框架需要包括地表面、目标层顶面及目标层底面，但不仅限于这三个界面，也可以有其它地层界面。在新疆某地的实例中，构建的地下地层构造框架如图3所示(以测线DLK52为例，进行剖面展示)。图中，P表示二叠系；T表示三叠系；J表示侏罗系；K表示白垩系；E-N表示新近纪-古近纪。

S106、对实测重力数据进行异常分离处理，将重力异常数据分离成区域重力异常分量和局部重力异常分量，以获得由目标地层引起的局部重力异常分量。具体地，在步骤S106中，可以使用延拓法、滤波法进行异常分离，但不仅限于这两种方法。图4至图6分别为实测重力异常平面等值线图、区域重力异常分量平面等值线图和局部重力异常分量平面等值线图。

S107、地层构造框架的约束下，对目标地层进行网格剖分。剖分网格可以是大小均匀的，也可以是不均匀的。每层网格的大小及总网格的数目可根据目标层深浅及实际地质情况进行确定。通常来说，采用随着深度增加而逐渐加大网格的非均匀剖分方案效果更好。

S108、确定目标地层各网格剩余密度的初始数值区间[a₀,b₀]。可以根据地质、钻井等先验资料进行确定，具体来说，利用露头资料确定表层网格剩余密度初始数值区间；利用钻井资料确定井轨迹穿过的网格的剩余密度初始数值区间。需要提示的是，各网格剩余密度的初始数值区间可以相同也可以不同，但需将目标层段剩余密度的最小、最大值囊括在内。

S109、对目标地层各网格在其相应剩余密度初始数值区间内进行最优搜索，确定左、右两个最优剩余密度值，计算出对应的理论重力异常值和目标函数值。左、右两个最优剩余密度值的确定公式分别为：和理论重力异常值，其确定公式为：E_k＝∫G_i(ω)m(ω)dω i＝1,2,...,M,k＝1,2,...,N.其中，M为步骤S107所述的剖分网格的个数，N为步骤S102所述的进行重力采集时观测数据的个数，G_i(ω)为各剖分网格对各观测点的核函数，m(ω)为剖分网格的剩余密度函数。目标函数，其确定公式为：其中σ²为步骤S102所获得的实测重力异常值和本步骤中得到的理论重力异常值之间误差的方差；σ² _y为步骤S102所获得的实测重力异常值的方差。目标函数的取值在0到l之间，其值越小说明实测数据和理论数据线性相关性越好，使目标函数取最小值的m(ω)就是最终确定的地层剩余密度。

S110、比较所有目标函数值，确定并更新各网格剩余密度下一次搜索的数值区间。具体来说，各网格剩余密度下一次搜索时的数值区间，其确定原则是：若则新数值区间[a₁,b₁]＝[a₀,ω₀]；反之若则[a₁,b₁]＝[ω′₀,b₀]。

S111、不断迭代修正各网格剩余密度数值区间，直到满足精度要求，迭代中止。判断迭代终止的条件是：b_J-a_J≤ξ，其中ξ为指定的精度要求值，[a_J,b_J]为剩余密度最终的数值区间，J为总的迭代次数。具体来说，各网格在步骤S110确定了新的剩余密度数值区间后，则进行此判断，若满足该条件则迭代终止；否则需要重复步骤S109和S110，直到满足该条件。

S112、最终确定目标地层剩余密度。最终各网格剩余密度值，其确定公式为：ω^*＝(a_J+b_J)/2，ω^*为最终确定的剩余密度。如若希望得到目标地层的密度而非剩余密度，只需将本方法得到的剩余密度加上本地区的背景密度值即可。由于本方法进行地层剩余密度计算时进行了网格剖分，因此在最终展示技术成图时可以利用等值线图。图7为最终确定的地下密度等值线图(以测线DLK52为例，进行剖面展示)，等值线标注的密度单位为g/cm³。

至此(步骤S101-S112)，目标地层剩余密度(或者密度)已经获得。为了进一步说明本发明实施步骤 S107到S112中提出的区间最优搜索确定剩余密度方法的有效性及准确性，特此补充给出一个模型示例进行展示。

图8为设计的起伏地表条件下双密度异常体模型，此模型为二维模型。图8中地表起伏最大高差为 300m，两个界面分别模拟地表面和地下一个地层界面，其间为目标层段，目标层段约厚600m，内包含两个相同大小的密度异常体，异常体高200m、宽度400m，剩余密度均为1.0g/cm³，目的层段内其它位置剩余密度为0。图9为图8模型产生的重力异常，单位为mGal，模拟实测重力异常数据。由于本模型设置的背景密度为0，故不存在背景重力异常分量，图9展示的重力异常即可看成为经过异常分离得到的局部重力异常分量。对目标层段进行网格剖分，剖分方案如图10所示，采用了非均匀剖分，表层网格尽量贴合地表面，底层网格尽量贴合目标层底界面。利用本发明提出的区间最优搜索方法对各网格进行剩余密度确定，结果如图11所示。为使各网格中反演结果值更易辨识，用颜色对各剖分网格进行了填充，纯黑色代表反演剩余密度为1.0g/cm³，背景的灰白色代表反演剩余密度为0.0g/cm³，灰色和黑色之间的颜色代表剩余密度在0.0到1.0g/cm³之间。可以看出，该方法可以清晰的指示两个异常体的垂向及横向位置，两个异常体的形状、边界均刻画准确，横向分辨能力强。图12展示了迭代搜索最后时理论计算重力异常曲线(空心圈)与实测重力异常曲线(实线)之间拟合的效果，可见二者吻合非常好。为了进一步说明区间最优搜索确定剩余密度方法的准确性，对所有参与反演的496个网格进行了精度统计，精度统计公式为：

其中，T_i和C_i分别为第i个网格剩余密度的真实值和计算值。精度统计结果见表1。90％以上的网格反演剩余密度的准确度在0.9以上，精度在0.7以下的网格只占4.7％，统计结果表明本发明提出的方法具有很高的精度。

计算精度

>0.9

0.9～0.8

0.8～0.7

0.7～0.6

0.6～0.5

<0.5

网格所占比例

90.3％

3.0％

2.0％

2.0％

0.6％

2.1％

表1

综上所述，本发明的有益成果及优点是：提出了一种联合重力和地震数据利用区间最优搜索确定地层剩余密度的方法。与目前已有的方法相比，该方法加入地震信息作为约束，结果更准确。此外，区间最优搜索方法稳定性好且精度高，剩余密度确定过程易于加入先验地质信息，且可以对曲面重力异常数据直接进行搜索，不必进行曲化平处理，保留了丰富的原始信息。

Claims (10)

1.一种确定地层剩余密度的方法，特点是包括如下步骤：

(1)在地表进行人工地震数据采集和重力数据采集，获得地震数据资料和重力数据资料；

(2)对步骤(1)获得的地震资料进行处理，得到叠后地震数据，在叠后地震数据上进行地震层位解释，以确定目标层上下地层界面的空间位置；

(3)结合步骤(2)得到的地层界面位置及野外露头等地质资料，建立地下地层构造框架；

(4)对步骤(1)获得的重力数据进行异常分离处理，将重力异常数据分离成区域重力异常分量和局部重力异常分量，以获得由目标地层引起的局部重力异常分量；

(5)在步骤(3)获得的地层构造框架的约束下，对目标地层进行网格剖分；

(6)确定步骤(5)得到的目标地层各网格剩余密度的初始数值区间；

(7)对目标地层各网格在步骤(6)得到的其相应剩余密度初始数值区间内进行最优搜索，确定左、右两个最优剩余密度值，计算出对应的理论重力异常值和目标函数值；

(8)比较所有目标函数值，找到最小的一个，进而确定各网格剩余密度下一次搜索时的数值区间；

(9)对目标地层各网格在步骤(8)得到新的数值区间内进行最优搜索，确定左、右两个最优剩余密度值，计算出对应的理论重力异常值和目标函数值；

(10)重复步骤(8)和步骤(9)，直到各网格剩余密度的数值区间缩小到满足精度要求为止，最终确定各网格的剩余密度值。

2.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(1)所述地震数据资料，在野外采集的时候，利用地震检波器采集地表振动信号，利用磁带记录原始地震数据；所述重力数据资料，在野外采集的时候，利用重力仪采集和记录原始重力数据；

3.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(2)所述的在叠后地震数据上进行地震层位解释的时候，需要在地震剖面上对目标层段上、下的强反射能量同相轴均进行追踪解释，以获得目标层上、下地层界面的空间位置。

4.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(3)所述的地层构造框架，需要包括地表面、目标层顶面及目标层底面，但不仅限于这三个界面，也可以有其它地层界面。

5.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(4)所述的局部重力异常是指目标地层引起的局部重力异常分量，区域重力异常是指其它地层引起的重力异常，二者之和等于总的重力异常值。

6.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(5)所述的网格剖分，可以是大小均匀的网格，也可以是不均匀的网格。每层网格的大小及总网格的数目可根据目标层深浅及实际地质情况进行确定。

7.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(6)所述的剩余密度初始数值区间[a₀,b₀]，各网格可以相同也可以不同。剩余密度初始数值区间可以根据地质、钻井等先验资料进行确定。剩余密度初始数值区间需将目标层段剩余密度的最小、最大值囊括在内。

8.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(7)和步骤(9)所述的左、右两个最优剩余密度值，其确定方法为：

其中，[a_j,b_j]为剩余密度数值区间，J为总的迭代次数，ω′_j和ω_j分别为左、右两个最优剩余密度值，即a_j＜ω′_j＜ω_j＜b_j。

根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(7)和步骤(9)所述的理论重力异常值，其确定公式为：

E_k＝∫G_i(ω)m(ω)dω i＝1,2,...,M,k＝1,2,...,N. 公式(2)

其中，M为步骤(5)所述的剖分网格的个数，N为步骤(1)所述的进行重力采集时观测数据的个数，G_i(ω)为各剖分网格对各观测点的核函数，m(ω)为剖分网格的剩余密度函数。

根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(7)和步骤(9)所述的目标函数，其确定公式为：

其中：σ²为步骤(1)所获得的实测重力异常值和公式(2)得到的理论重力异常值之间误差的方差；σ² _y为步骤(1)所获得的实测重力异常值的方差。目标函数的取值在0到l之间，其值越小说明实测数据和理论数据线性相关性越好。

9.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(8)所述的各网格剩余密度下一次搜索时的数值区间，其确定原则是：若则新数值区间[a_j+1,b_j+1]＝[a_j,ω_j]；反之若则[a_j+1,b_j+1]＝[ω′_j+1,b_j]。

10.根据权利要求1所述的方法，特点是步骤(10)所述的判断迭代终止的准则为：

b_J-a_J≤ξ (公式4)

其中，ξ为指定的精度要求值，[a_J,b_J]为剩余密度最终的数值区间，J为总的迭代次数。所述的各网格剩余密度值最终值，其确定公式为：

其中，ω^*为最终确定的剩余密度。