Joint Interpretation of Reflectors via Well Logging and Seismic Data in the Pilot Hole of CCSD
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摘要: 利用声波、密度、自然伽玛等测井曲线资料、配合录井资料划分CCSD先导孔变质岩岩性, 然后, 用声波、密度计算波阻抗, 与井旁VSP资料对比, 分析CCSD先导孔孔区反射体.分析结果表明(1) 岩性间波阻抗差异产生反射波, 如榴辉岩与副片麻岩之间波阻抗差异; 榴辉岩与超基性蛇纹岩之间的波阻抗差异等; (2) 破碎特别是韧性剪切带产生反射波, 而如果断层破碎带尺度很小(在1m以下), 也不一定能产生强反射波.这些研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有重要意义.Abstract: The main aim of this paper is to analyze reflectors in the pilot hole of CCSD (China Continental Scientific Drilling). The lithology of the metamorphite in the CCSD pilot hole can be identified by logging curves and geo-logging data. The wave impedance can be calculated by using acoustic (AC) and density log (DEN) curves. By comparing the acoustic wave impedance with the VSP (vertical seismic profile), the reflectors of the CCSD pilot hole have been analyzed. The results indicate that reflected waves are primarily produced by the wave impedance properties of the lithology (such as the wave impedance difference between eclogite and paragneiss or between eclogite and ultrabasic serpentinite, etc) and the fracture. The fractures are mainly the ductile shear zones. If the fracture thickness is less than 1m, reflectors cannot be produced. The study provides significant data concerning the interpretation of seismic reflection signals in the earth's crust.
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Key words:
- CCSD /
- geophysics well logging /
- seismology /
- joint interpretation /
- wave impedance /
- reflector
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0. 引言
CCSD (中国大陆科学钻探) 先导孔孔区在江苏省北部连云港市东海县西南部的毛北地区.从大地构造位置上说, 该区位于中国东部的秦岭-大别-苏鲁造山带的东段、苏鲁地区的南部.该造山带是北中国板块(中朝板块) 与南中国板块(扬子板块) 俯冲-碰撞作用的产物, 是划分中国南北的重要地质、地理、气候、环境和人文的界线, 同时也是重要的成矿带(张永康, 1998; 李传武等, 2002). 杨文采等 (1999a, 199b, 2002)在中国大陆科学钻探孔区进行了系统的地球物理调查, 包括二维地震测网和专门的地震剖面、大地电磁法和位场方法等.地震调查表明, 在超高压变质岩出露区上地壳充满了反射体, 包括倾斜反射体与上拱的反射弧, 并在此基础上, 利用大陆科学钻探预先导孔的岩心、井旁VSP等资料对反射体进行一定程度的标定, 这些研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有一定意义.地层速度、密度、自然伽玛等物性与岩性变化密切相关, 地球物理测井(简称测井) 利用各种先进仪器在钻孔中连续观测, 可获得钻孔物性剖面、几何等各种信息, 利用测井曲线等资料可以划分岩性(Pan et al., 2002; 潘和平等, 2004).利用声波、密度测井资料可以计算波阻抗, 并转换成反射系数序列, 再与一个理论子波褶积, 即可得到一张合成地震记录(冯晅等, 2001; 张卫红, 2002).因此, 合成地震记录的核心资料是波阻抗.本文的目的是, 利用测井曲线得到的岩性、波阻抗, 与井旁VSP资料对比, 分析反射体.
1. CCSD先导孔岩性及测井曲线特征
先导孔100.0~2 000.0 m岩心编录出现的岩层有片麻岩、角闪岩、榴辉岩、蛇纹岩等, 下面概述本井各岩性测井曲线响应特征:
(1) 榴辉岩: 密度(DEN) 大, 平均值为3.15 g/cm3, 当榴辉岩中富集密度更大的矿物时, 其密度变大, 如含有金红石时, 密度高达3.7~3.9 g/cm3; 又如含有钛铁矿或铬铁矿时, 密度可以超过4.0 g/cm3; 榴辉岩退变质时密度降低.声波时差(AC) 小(速度大), 平均值为48.811 45×3.28 μs/m.放射性强度小, 平均值为29.486 API, Th、U、K的平均值分别为2.311×10-6、0.575×10-6、1.795%.当发生退变质(角闪石化) 时, 放射性强度稍有增加.中子孔隙度测井值(CNL) 小: 榴辉岩的主要矿物含氢量小, 中子孔隙度测井值小, 平均值为5.611%, 但发生退变质(角闪石化) 时, 含氢量增大, 中子孔隙度测井值增大.
(2) 片麻岩: 密度小, 正片麻岩、副片麻岩的平均值分别为2.605 g/cm3、2.746 g/cm3.自然伽玛大.正片麻岩的放射性强度大于副片麻岩, 主要原因是正片麻岩中正长石的含量大于副片麻岩.本井正片麻岩、副正片麻岩的自然伽玛平均值分别为148.166 API、77.478 API.中子孔隙度小, 正、副片麻岩的中子孔隙度都小, 正片麻岩中子孔隙度平均为0.661%;副片麻岩中子孔隙度平均为2.746%.
(3) 超基性蛇纹岩: 中子孔隙度大, 本井蛇纹岩中子孔隙度平均为32.56%;自然伽玛小, 本井蛇纹岩的自然伽玛平均值为18.478 API; 电阻率低, 蛇纹岩含有磁铁矿、钛铁矿等金属矿物, 电阻率平均值为1 211.566 Ω·m.
(4) 角闪岩: 自然伽玛值介于榴辉岩和片麻岩之间, 本井角闪岩的自然伽玛、Th、U、K的平均值分别为: 49.206 API、2.863×10-6、0.726×10-6、2.231%.密度介于榴辉岩和片麻岩之间, 本井角闪岩的密度平均值为2.888 g/cm3.由于角闪石的中子孔隙度测井理论响应值为3.2%~9.1%, 在角闪岩的中子孔隙度曲线上常有5%~10%的显示.本井中子孔隙度平均值为10.245%, 解释时为了区分角闪岩与退变质榴辉岩, 当中子孔隙度 > 5%才定为角闪岩, 否则为退变质榴辉岩.
(5) 构造碎裂岩: 测井曲线被歪曲, 表现出井径明显扩大、中子孔隙度增大、电阻率减小、密度明显降低、声波时差大幅度增高等特征.
2. CCSD先导孔孔区反射体解释
如图 1所示, 说明如下: (1) 比较波阻抗与密度曲线, 发现波阻抗与密度曲线非常相似(几乎相同), 相当于密度曲线乘一个系数便是波阻抗, 产生此情况的原因是: 在本井声波时差(速度的倒数) 分辨岩性的能力差, 除破碎带时差大、榴辉岩较小以外, 全井基本上差不多. (2) 为了便于解释反射体的岩性, 将VSP上的反射波进行编号, 计13个反射波, 反射波深度是反射波与先导孔相交处. (3) 测井曲线的深度是经过与钻探深度对比、校正过的.
经对比分析, 14个反射波的深度、产生的原因解释如下:
反射波1:反射深度371~374 m左右, 由于榴辉岩与副片麻岩之间的波阻抗差异产生或破碎带产生.
反射波2:反射深度470 m左右, 由榴辉岩与副片麻岩之间的波阻抗差异产生.
反射波3:反射深度603~606 m左右, 由榴辉岩与超基性蛇纹岩之间的波阻抗差异产生或张性断裂带产生.图 1表明, 榴辉岩的厚度大约80 m, 在榴辉岩中夹有一蛇纹岩薄层, 榴辉岩与蛇纹岩薄层之间中子孔隙度差异明显, 密度和声波曲线上有一定的差异, 从波阻抗也有一定的差异, 但主要是榴辉岩与其下蛇纹岩的波阻抗差异引起的强反射波.
反射波4:反射深度702 m左右, 由破碎带产生: (1) 破碎带的密度2.0 g/cm3, 声波时差接近90 μs/ft (相当于295.2 μs/m), 波阻抗1 300 T/ (m2·s), 而破碎带之上岩石(蛇纹岩) 的波阻抗2 700 T/ (m2·s), 因此, 产生强烈的反射波.该破碎带是典型的张性破碎带(图 2). (2) 该反射深度正好是超基性蛇纹岩与副片麻岩的界面.
反射波5:反射深度840 m左右, 由破碎带产生, 该破碎带附近的波形如图 3所示, 断层处首波等波缺失.
反射波6:反射深度922 m左右, 由副片麻岩与榴辉岩之间的波阻抗差异或断层产生.此处正好说明了构造的转折点(图 4), 2条裂缝的倾向刚好相反, 并且是2条与面理一致的裂缝.
反射波7:反射深度1 055 m左右, 由剪(韧) 性破碎带或由副片麻岩与榴辉岩之间的波阻抗差异产生.剪(韧) 性破碎带(图 5) 所示.在声、电成像图上的显示非常突出, 显示为黑色(声成像图上黑色表示泥浆与地层之间的反射信号弱, 电成像图上黑色表示电阻率低), 尤其值得注意的是, 剪(韧) 性破碎带声波时差(AC) 明显增大(声速明显减小), 而密度(DEN) 基本无变化, 主要原因是剪(韧) 性破碎带产生很多微裂缝, 对于声波测井来说, 由于声波通过微裂缝或绕过微裂缝传播, 使声波时差增大(声速增大), 而密度测井反映的是密度的平均效应(单位体积中的密度), 虽然密度有所减小, 但不明显.
图 5 典型剪(韧) 性破碎带RD、RS、RSFL分别为深侧向、浅侧向、微球聚焦电阻率, RD和RS几乎重合Fig. 5. Typical ductile shear fracture反射波8:反射深度1 157~1 161 m左右, 由破碎带产生.
反射波9:反射深度1 240 m左右, 由破碎带产生.
反射波10:反射深度1 305~1 310 m左右, 由破碎带产生.
反射波11:反射深度1 402~1 409 m左右, 由破碎带产生.
反射波12:反射深度1 600 m左右, 由韧性剪切带或片麻岩与榴辉岩和角闪岩互层之间的波阻抗差异产生.
反射波13:反射深度1 700 m左右, 由破碎带产生或正片麻岩与榴辉岩和角闪岩互层之间的波阻抗差异产生.
反射波14:反射深度1 960 m左右, 由破碎带产生.
需要说明的是: (1) 在2 000 m以上CCSD主孔发育了2组大型韧性剪切带, 上部韧性剪切带为1 055 m左右, 对应于地表的毛北韧性剪切带(为折返阶段的产物), 伴随角闪岩相→绿帘角闪岩相→绿片岩相退变质作用, 经历了先由SE到NW方向的(逆冲) 剪切应变, 后由NW到SE方向的(正滑) 剪切应变, 下部韧性剪切(1 600 m左右), 对应于地表的阿湖-驼峰韧性剪切带, 该剪切带发育糜棱岩化退变榴辉岩(唐哲民等, 2005).这2组韧性剪切带主要以糜棱岩化的构造岩为识别标志, 有强反射地震波对应. (2) 虽然以上列举了一些其他的断层破碎带, 这些断层破碎带如果尺度很小, 在1 m以下, 也不一定能产生强反射波, 例如1 200 m以下, 1 550 m以上有一组较小的破碎带, 虽然在波阻抗上有反映, 但在VSP剖面上反映不明显, 这正是地震波波长的原因, 导致尺度很小的破碎带不一定能产生强反射波.
3. 结语
通过测井与录井等资料划分岩性、密度、声资料计算波阻抗, 将VSP资料与已划分的岩性对比, 结果表明, 中国大陆科学钻探先导孔区的主要反射波的产生原因是: (1) 榴辉岩与片麻岩的波阻抗差异; 榴辉岩与超基性蛇纹眼岩的波阻抗差异; 片麻岩与超基性蛇纹眼岩的波阻抗差异等, 即岩性间的波阻抗差异产生; (2) 破碎带, 主要是韧性剪切带产生波阻抗.这些研究结果对标定地壳中的反射地震信号具有重要意义.
致谢: 杨文采院士提供宝贵的地震资料, 在此表示衷心的感谢! -
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