运用地震资料确定三维空间内断层滑动参数的定量化方法

摘要

本发明公开了一种运用地震资料确定三维空间内断层滑动参数的定量化方法，其特征在于以下步骤：步骤S1：过工区内某一点选择两条不同方向地震剖面，通过剖面解释分别给出某一断层界面和被同一断层切割的两个不同产状的地层界面沿不同地震剖面方向的视倾向和视倾角，然后进一步确定出各地质界面的真产状；步骤S2：根据断层和断盘地层的真产状，运用作图法确定断盘地层界面和断层面的交线的产状；步骤S3：引入断层运动的地震学表征参数，根据断层效应特征确定断层在相应构造期的三维空间内实际滑动参数(总滑移量和滑移角)。本发明的有益效果是：可用于准确判断断层的运动性质，同时可定量确定断层的运动参数(滑移量、滑移角)。

说明书

技术领域

本发明涉及地震资料解释技术领域，尤其涉及一种三维地震资料解释过程中用于确定三维空间内断层滑动参数的定量化方法。

背景技术

断层作为一种重要的基本构造类型，搞清楚断层的运动方式和运动量无论在地质工程领域还是对于地质基础理论的研究都具有十分重要的意义。具体到油气勘探与开发领域，由于油气主要蕴含在含油气盆地的内部，对于覆盖区的断裂构造特征目前主要借助于地震资料解释加以揭示。上世纪90年代以前，主要采用二维地震勘探技术，近十几年来，随着地震技术的不断发展，三维地震勘探技术逐渐得到了广泛应用。与二维地震相比，三维地震勘探技术可以给出研究区内任一方向的地震剖面。在地震资料解释过程中，目前主要通过追踪解释某一方向地震剖面来确定研究区断裂的运动性质，这对于仅发生升降运动的正断层或逆断层当沿着与断层走向垂直的地震剖面加以研究时是可行的。但很多断层在发生升降运动的同时伴有走滑运动，即表现为正(或逆)—平移断层或平移—正(或逆断层)，特别是当断层为倾向断层或斜向断层时，由于断层效应的存在，单纯根据垂直于断层走向的剖面上某一地层的错段方式无法准确确定断层两盘的相对升降运动，如实际正断层在剖面上可能表现为上盘上升，实际逆断层可能表现为上盘下降；同样，根据水平切片上某一地层错段方式确定断层两盘的相对水平错动方式时也存在类似的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术不足，从三维地震资料入手，充分运用构造地质学基本原理和方法，并通过引入地震学中对断层走向和运动方式的表征方法，提出了一套三维地震解释过程中断层滑动参数的确定技术，从而准确判断断层的运动性质及定量确定断层的三维空间运动参数(滑移量、滑移角)。

一种运用地震资料确定三维空间内断层滑动参数的定量化方法，包括如下步骤：

步骤S1：过工区内某一点选择两条不同方向地震剖面，通过剖面解释分别给出某一断层界面和被同一断层切割的两个不同产状的地层界面沿不同地震剖面方向的视倾向和视倾角，然后进一步确定出各地质界面的真产状；

步骤S11：过工区内某一点选择两条不同方向地震剖面，通过剖面构造解释分别给出断盘地层和断层界面沿不同方向地震剖面的视倾向和视倾角；

步骤S12：运用作图方法根据视产状确定出断盘地层和断层界面的真产状，根据步骤 S11中求得的视倾向和视倾角，指定某一方向为正北方向，以其为基准，从某一点O出发，按照两条相交地震剖面上给出的同一地质界面的两个视倾向分别作两条射线，并在射线上按照某一比例尺截取相应的线段，其长度为相应地震剖面上给出的该地质界面的视倾角余切值；

步骤S13：根据步骤S12，连接两条线段(OC、OD)的终点，这样两线段终点C、D与起点O构成三角形，在三角形内以O点为起点向两线段终点的连线(CD)作垂线，该垂线的方位即代表地质界面真倾向，该垂线段的长度代表地质界面真倾角的余切值，据此确定出断层和断盘地层界面的真产状。

步骤S2：根据断层和断盘地层的真产状，运用作图法确定断盘地层界面和断层面的交线的产状(倾伏向和倾伏角，侧伏向和侧伏角)；

步骤S21：确定断盘地层界面和断层面交线的倾伏向和倾伏角；指定某一方向为正北方向，以其为基准，从某一点B出发，做两条射线分别代表断层面和地层界面的倾向线，并按一定比例尺分别截取倾向线段(BL、BM)的长度为断层界面和地层界面倾角的余切值；

步骤S22：过两倾向线段的终点(点L、M)分别作相应倾向线的垂线(分别代表断层面和地层界面的走向线)，两者相交于一点(点P)，连接点B与两界面走向线交点P，点B到两界面走向线交点P的方位即为断层面和地层界面交线的倾伏向，点B到两界面走向线交点P的距离为断层面和地层界面交线倾伏角的余切值，据此求出交线的倾伏角γ；

步骤S23：断层面走向线方位(即射线LP的方位)也代表地层界面和断层面的交线在断层面上的侧伏向；令断层面倾角为α₁，根据几何关系，地层界面和断层面的交线在断层面内的侧伏角θ₀为：θ₀＝arcsin(sinγ/sinα₁)；

步骤S3：引入断层运动的地震学表征参数，借助垂直于断层走向的地震剖面解释或地震水平切片，通过已知的两个不同产状的地层界面被同一断层在某一构造活动期的错段情况，根据断层效应特征，确定断层在相应构造期的三维空间内实际滑动参数(总滑移量和滑移角)。

步骤S31：作为本技术方法的基础，需要对断层的基本运动参数给一个界定；为了相对简单地表征断层的运动，这里引入Aki and Richards(1980)在地震学中给出的断层基本参数：走向，滑移角和滑移量；

定义走向为沿走向看断层，上盘位于观察者的右手边，从而断层的走向只有一个；

断层上盘相对于下盘的滑动定义为断层的滑移，断层的滑移是一个矢量，用来表 示，滑移矢量的方向为滑动方向，滑移矢量的大小U，相当于构造地质学中断层的滑距；

断层滑动方向与断层走向之间的夹角定义为滑移角(λ)，-π<λ≤π，规定从断层走向以逆时针转至滑移矢量时滑移角为正，顺时针转至滑移矢量时滑移角为负，从升降运动看，上盘相对上升时λ>0，上盘相对下降时λ<0；从水平运动看，两盘相对左旋错动时，-π/2<λ<π/2，两盘相对右旋错动时π/2<λ<π或-π<λ<-π/2；

在断层面内断层滑移矢量可进一步分解为走向滑移矢量和倾斜滑移矢量其中，矢量和的大小U_h和U_v分别相当于构造地质学中的走向滑距和倾斜滑距；倾移滑移量U_v与断层落差H_f之间则满足U_v＝H_f/sinα₁,α₁为断层面倾角；

根据滑移角(λ)的定义，断层垂向位移U_v以逆断运动为正，正断运动为负；水平位移U_h以左旋运动为正，右旋运动为负；

步骤S32：在步骤S1的基础上，对研究区内垂直于某一断层走向的地震剖面进行构造解释，给出被同一断层切割的产状不同的两个地层界面的视倾斜滑移量U_v^s1、U_v^s2(规定以逆冲运动为正)，并结合步骤S2及S31确定出产状不同的两个地层界面和该断层界面的交线在断层面上的侧伏角θ₁、θ₂；侧伏角的正负号规定：当地层与断层面交线在断层面上的侧伏向与按照S31界定的断层走向一致时，交线的侧伏角θ为正，此时θ＝θ₀(θ₀为根据步骤S23得到的侧伏角)；当交线侧伏向与按照S31界定的断层走向相反时，侧伏角θ为负，即θ＝-θ₀；

步骤S33：利用下列方程组确定断层的实际倾斜滑移量(U_v)和实际水平滑移量(U_h)；

$\left(\begin{array}{c}{U}_h=\left(U_v^{s2}-U_v^{s1}\right)/\left({\mathrm{tg\theta }}_2-{\mathrm{tg\theta }}_1\right)\\ U_v=\left(U_v^{s2}*{\mathrm{ctg\theta }}_2-U_v^{s1}*{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)/\left({\mathrm{ctg\theta }}_2-{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：θ₁、θ₂分别为被同一断层同期活动切割的产状不同的两个地层界面与断层界面的交线在断层面上的侧伏角；U_v^s1、U_v^s2分别为垂直于断层走向的地震剖面内产状不同的两个地层界面的视倾斜滑移量，以逆冲运动为正；U_v和U_h分别为断层的实际倾斜滑移量和实际水平滑移量；

可选的，步骤S34：通过三维地震资料构造解释，根据某一地震水平切片确定出产状不同的两个地层界面沿同一断层的视走向滑移量U_h^s1、U_h^s2(规定以左旋滑移为正)，然后利 用下列方程组确定断层的实际倾斜滑移量(U_v)和实际水平滑移量(U_h)；

$\left(\begin{array}{c}{U}_h=\left(U_h^{s2}*{\mathrm{tg\theta }}_2-U_h^{s1}*{\mathrm{tg\theta }}_1\right)/\left({\mathrm{tg\theta }}_2-{\mathrm{tg\theta }}_1\right)\\ U_v=\left(U_h^{s2}-U_h^{s1}\right)/\left({\mathrm{ctg\theta }}_2-{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中：U_h^s1、U_h^s2分别为某一地震水平切片内产状不同的两个地层界面沿同一断层的视走向滑移量，规定以左旋滑移为正；其他参数含义同上；

步骤S35：根据步骤S33或步骤S34确定的数据U_v、U_h，得到断层的实际总滑移量U为：

步骤S36：根据步骤S33或步骤S34求出的实际倾斜和水平滑移量U_v和U_h，利用下式确定出滑移角λ：

附图说明

附图1为本发明的主要方法步骤。

附图2为视产状与真产状示意图。

附图3为根据视产状作图求真产状示意图。

附图4为结构面产状与两面交线产状示意图。

附图5为根据结构面产状作图求交线产状示意图。

附图6为断层面产状及断层运动参数示意图。

附图7为地层界面与断层界面交线在断层面上的侧伏角的符号规定示意图。

附图8为水平滑移导致的视倾斜滑移示意图。

附图9为倾斜滑移导致的视水平滑移示意图。

具体实施方式

结合附图1-9，对本发明作进一步的描述：一种运用地震资料确定三维空间内断层滑动参数的定量化方法，具体实施方案包括如下步骤：

(1)过工区某一点选择两条不同方向地震剖面，通过剖面构造解释分别给出某一断层界面和被同一断层切割的两个不同产状的地层界面沿不同地震剖面方向的视倾向和视倾 角；

(2)根据真产状和视产状之间的关系，引出一种根据视产状确定真产状的简单作图方法(I)。图2为常用的表征真产状与视产状之间的关系图，假设图中ABCD面代表断层面，ΔHOC和ΔHOD分别代表过断层上某一点(H)的两条相交地震剖面，β、射线OC方位和β’、射线OD方位分别代表沿两条不同地震剖面给出的同一断层的视倾角和视倾向，α表示断层面ABCD的真倾角，真倾向为射线OG所指方位。根据图中几何关系可知，OC＝OH*ctgβ，OD＝OH*ctgβ’，OG＝OH*ctgα；令OH＝1，则OC＝ctgβ，OD＝ctgβ’，OG＝ctgα；此时对于ΔCOD，OC和OD的方位和长度代表沿两条相交地震剖面分别给出的同一地质界面的视倾向和视倾角余切值，OG⊥CD，OG的方位和长度则代表地质界面的真倾向和真倾角余切值。由此可以得到根据沿两条相交地震剖面分别给出的同一地质界面的视倾角(设分别为β和β’)和视倾向确定真产状的简单作图方法(图3所示)。即先给定一个方向ON代表正北方向，然后作射线OC和OD代表沿两条相交地震剖面分别给出的某一地质界面的视倾向；再按照某一比例尺在相应射线上分别截取线段OC＝ctgβ和OD＝ctgβ’得到点C和D；连接CD，得到ΔOCD，在三角形内作OG⊥CD，则OG的方位代表地质界面真倾向，OG长度对应ctgα，据此得到地质界面的真倾角α。

(3)根据步骤(1)给出的断盘地层和断层界面沿两条不同方向地震剖面的视倾向和视倾角，运用步骤(2)给出的作图法(I)确定断层和断盘地层界面的真产状。

(4)通过空间几何关系分析(如图4所示)，引出一种用于确定空间上两个面交线产状的简便作图方法。根据上述步骤(3)所介绍的方法已得到断层面和地层界面的倾角(分别为α1、α2)和倾向，以图4中面AFGD代表断层面，面EFCD代表地层界面，点A、D、C和点E、F、G分别在两个不同水平面内，断层面和地层界面的交线为DF，由点F向A、C、D三点所决定的水平面作垂线交水平面于B点，连接AB、CB和DB，则FB⊥面ABCD，∠BAF(＝γ)代表交线DF的倾伏角，DB代表其倾伏向。假设AD⊥AF，则AD⊥面AFB，即面AFB为断层面AFGD的倾向界面，进而AB方位为断层面倾向，∠BAF代表断层面倾角(＝α1)；同理，假设DC⊥CF，则DC⊥面CFB，即面CFB为地层界面EFCD的倾向界面，进而CB方位为地层界面倾向，∠BCF代表地层界面倾角(＝α₂)。这样借助图4上述问题就变成如何求交线DF的倾伏向DB方位和倾伏角γ。显然，ΔFBA、ΔFBD、ΔFBC均为直角三角形，从而可得：AB＝FB*ctgα1，CB＝FB*ctgα2，DB＝FB*ctgγ；假设FB＝1，则AB＝ctgα1，CB＝ctgα2，DB＝ctgγ；因此在水平面ABCD内可以看到，AB方位代 表断层面倾向，AB＝ctgα1，CB方位代表地层倾向，CB＝ctgα2，AD⊥AB，CD⊥BC，DB方位代表两面交线的倾伏向，DB＝ctgγ。因此，可以得到确定两面交线倾伏向和倾伏角的作图方法(II)(图5)。

(5)根据步骤(3)得到的断层面和地层界面的倾角(分别为α1、α2)和倾向，运用作图法(II)确定断盘地层界面和断层面的交线的倾伏向和倾伏角。如图5所示，先作射线BN代表正北方向，然后以其为基准，作射线AB、CB分别代表断层面和地层界面的倾向；根据AB＝ctgα1和CB＝ctgα2在两条射线上按相应比例分别找到点A和点C，然后过A点做AD⊥AB，过C点做CD⊥CB，显然这里AD、CD分别代表断层面和地层界面的走向线，两者相交于D点，连接DB，则以BN为基准，确定出DB所指的方位即为断层面和地层界面交线的倾伏向，量出DB的长度即为ctgγ，进而确定出交线的倾伏角γ。

(6)确定断盘地层界面和断层面的交线在断层面上的侧伏角和侧伏向。根据图4，∠FDA即为交线DF在断层面AFGD内的侧伏角θ₀。由于ΔDAF为直角三角形，故sinθ₀＝AF/DF；而在直角ΔABF和ΔDBF内，AF＝FB/sinα1,DF＝FB/sinγ,故可得sinθ₀＝sinγ/sinα1，即交线DF在断层面AFGD内的侧伏角θ₀＝arcsin(sinγ/sinα₁)，其中γ为地层和断层面的交线的倾伏角，α₁为断层面的倾角。根据步骤(5)中作图法(II)，图5中DA或LP所指的方位即为交线DF在断层面内的侧伏向。

为了制图方便，以B点为起点，作BL、BM分别代表断层和地层界面的倾向，取BL＝ctgα1，BM＝ctgα2，再过点L、M分别作LP⊥BL，MP⊥BM，找到交点P，连接BP，则BP的方位和长度也分别对应断层和地层界面交线的倾伏向和倾伏角的余切值，进而可以更为简便地确定出交线的倾伏向和倾伏角。

(7)为了相对简单地表征断层的运动，引入Aki and Richards(1980)在地震学中给出的断层基本参数：走向，滑移角和滑移量。

走向：与传统走向定义不同，地震上断层走向符合右手法则，即沿走向看断层，上盘位于观察者的右手边，从而断层的走向只有一个，而不是两个，走向Φ的具体量度方法与传统方法相同(图6)。

断层的滑移：断层的滑移是一个矢量，用来表示，指断层上盘相对于下盘的滑动，滑移矢量的方向为滑动方向。滑移矢量的大小U，相当于构造地质学中断层的滑距。

滑移角(λ)：指断层滑动方向与断层走向之间的夹角，-π<λ≤π，规定从断层走向以逆时针转至滑移矢量为正，顺时针转至滑移矢量为负(图6)。显然，从升降运动看，上盘相 对上升时λ>0，上盘相对下降时λ<0；从水平运动看，两盘相对左旋错动时，-π/2<λ<π/2，两盘相对右旋错动时π/2<λ<π或-π<λ<-π/2。

断层的滑移矢量分解：在断层面内断层滑移矢量可进一步分解为走向滑移矢量和倾斜滑移矢量其中，矢量和的大小U_h和U_v分别相当于构造地质学中的走向滑距和倾斜滑距。倾移滑移量U_v与断层落差H_f之间则满足U_v＝H_f/sinα₁,α₁为断层面倾角。根据滑移角(λ)的定义，显然，这里断层垂向位移U_v以逆断运动为正，正断运动为负；水平位移U_h以左旋运动为正，右旋运动为负。另外，在上述对断层走向的地震学定义基础上，规定当地层与断层面交线在断层面上的侧伏向与断层走向一致时，交线的侧伏角θ介于[0,π/2]，即θ＝θ₀(θ₀为根据步骤(6)得到的侧伏角)；当交线侧伏向与断层走向相反时，侧伏角θ介于(-π/2,0)(图7)，即θ＝-θ₀。

(7)根据倾向断层和斜向断层的断层效应特征，当沿断层走向两盘地层相对滑移矢量为时，由于断层效应的存在，会造成视倾斜滑移矢量(如图8所示)，其中EF、GH示垂直于断层走向地震剖面内同一地质界面在断层两盘的相当层，θ为地层界面与断层界面交线在断层面上的侧伏角。综合考虑断层的实际滑动情况，在垂直于断层走向剖面上可以得到：U_v^s＝U_v+U’_v＝U_v+U_h*tgθ＝U*sinλ+U*cosλ*tgθ，式中：U_v^s为垂直于断层走向的地震剖面上某一地层界面的视倾斜滑移量，以逆冲运动为正；U_v、U_h和U为断层的实际倾斜滑移量、实际水平滑移量和总滑移量；λ为断层滑移角；θ为地层与断层界面交线在断层面上的侧伏角，符号规定如图7所示；

同理，根据图9，当沿断层倾斜方向两盘地层相对滑移矢量为时，同样会造成视走向滑移矢量E’F’、G’H’示地震水平切片内断层两盘同一地质界面的相当层。进而在三维地震水平切片内可以得到：U_h^s＝U_h+U’_h＝U_h+U_v*ctgθ＝U*cosλ+U*sinλ*ctgθ(式中：U_h^s为地震水平切片内断层两侧某一地质界面相当层之间的视走向滑移量，规定以左旋滑移为正；其他参数含义同上)；

(8)当已知两个不同产状的地质界面在与断层走向垂直的地震剖面内的视倾斜滑移量(U_v^s1、U_v^s2)时，根据步骤(7)的方法，可以得到方程组

$\left(\begin{array}{c}{U}_v^{s1}=U_v+U_h*{\mathrm{tg\theta }}_1\\ U_v^{s2}=U_v+U_h*{\mathrm{tg\theta }}_2\end{array}\right)$

进而可以得到：

$\left(\begin{array}{c}{U}_h=\left(U_v^{s2}-U_v^{s1}\right)/\left({\mathrm{tg\theta }}_2-{\mathrm{tg\theta }}_1\right)\\ U_v=\left(U_v^{s2}*{\mathrm{ctg\theta }}_2-U_v^{s1}*{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)/\left({\mathrm{ctg\theta }}_2-{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)\end{array}\right)---\left(1\right)$

(式中：θ₁、θ₂分别为被同一断层同期活动切割的产状不同的两个地层界面与断层界面的交线在断层面上的侧伏角，符号规定如图8所示；U_v^s1、U_v^s2分别为垂直于断层走向的地震剖面内产状不同的两个地层界面的倾斜滑移量，以逆冲运动为正；U_h^s1、U_h^s2分别为某一地震水平切片内产状不同的两个地层界面的走向滑移量，规定以左旋滑移为正；U_v和U_h分别为断层的实际倾斜滑移量和实际水平滑移量)；

同理，当已知两个不同产状的地质界面在地震水平切片内沿同一断层的视走向滑移量(U_h^s1、U_h^s2)时，可以得到方程组

$\left(\begin{array}{c}{U}_h^{s1}=U_h+U_v*{\mathrm{ctg\theta }}_1\\ U_h^{s2}=U_h+U_v*{\mathrm{ctg\theta }}_2\end{array}\right)$

进而可以求得：

$\left(\begin{array}{c}{U}_h=\left(U_h^{s2}*{\mathrm{tg\theta }}_2-U_h^{s1}*{\mathrm{tg\theta }}_1\right)/\left({\mathrm{tg\theta }}_2-{\mathrm{tg\theta }}_1\right)\\ U_v=\left(U_h^{s2}-U_h^{s1}\right)/\left({\mathrm{ctg\theta }}_2-{\mathrm{ctg\theta }}_1\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中：U_h^s1、U_h^s2分别为某一地震水平切片内产状不同的两个地层界面的视走向滑移量，规定以左旋滑移为正；其他参数含义同上；

(9)根据垂直于断层走向的地震剖面解释得到U_v^s1、U_v^s2、θ₁、θ₂后，利用公式(1)，或根据地震水平切片得到U_h^s1、U_h^s2后利用公式(2)均可以确定出断层的实际倾斜滑移量U_v和实际水平滑移量U_h，然后可以进一步得到断层的实际总滑移量U为：

(10)确定断层滑移角λ。根据求出的实际滑移量U_v和U_h正负号参考图6先判断滑移矢量所在的象限，然后可以利用下式确定出滑移角λ：

本发明的有益效果是：该技术一方面可用于准确判断断层的运动性质，同时可定量确定断层的运动参数(滑移量、滑移角)，这无论对于客观揭示一个地区的实际构造演化特 征还是对于指导一个地区的油气勘探与开发工作都具有重要的理论和实践意义。

本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均属于本发明的保护范围。