1.1   AVO反演理论基础

AVO的理论基础是Zoeppritz方程，由于该方程较复杂，涉及参数多，使用起来比较困难，因此，许多学者对其进行了简化，目前使用较多的近似公式是Aki-Richards公式和Shuey公式^[12]，其中Shuey公式在AVO属性提取中使用较多，其表达式如下：

其中：${P = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta \alpha }}{\alpha } + \frac{{\Delta \rho }}{\rho }} \right) = \frac{{\Delta \left( {\rho \alpha } \right)}}{{2\rho \alpha }},}$

${G = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta \alpha }}{\alpha } - 2\frac{{\Delta \mu }}{{\rho {\alpha ^2}}}} \right) = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta \alpha }}{\alpha } - 2\frac{{\Delta \rho }}{\rho }} \right) - \frac{{\Delta \beta }}{\beta },}$

${\mu = \rho {\beta ^2},\frac{1}{2}\left( {P - G} \right) = \frac{1}{2}\left( {\frac{{\Delta \beta }}{\beta } + \frac{{\Delta \rho }}{\rho }} \right) = \frac{{\Delta \left( {\rho \beta } \right)}}{{2\rho \beta }}{\text{。}}}$

式中：R为反射系数；

P为截距；

G为梯度；

θ为入射角；

α为纵波速度；

β为横波速度；

ρ为密度；

μ为剪切模量；

(P-G)/2为拟横波分量。

根据近似公式，常规的AVO反演处理可以获得多种属性，不同属性具有不同的物理意义：截距剖面反映了法向入射时P波反射的强度；梯度剖面反映了反射振幅随入射角的变化率；截距与梯度的衍生属性截距×梯度剖面反映油气异常的亮点剖面；流体因子反映了偏离背景异常的孔隙流体效应，流体因子对游离气异常较敏感。

1.2   AVO正演及敏感参数优选

为了更好地了解天然气水合物在不同地层模型下AVO属性响应特征，建立了3种理论地层模型进行AVO正演模拟：第1种为只含有水合物的地层模型；第2种为水合物饱和度较高，含游离气的地层模型；第3种为水合物饱和度较低，含游离气的地层模型。由于该区没有钻井资料，因此，水合物以及地层参数主要根据文献^{[13, 14]}取得。选取50 Hz雷克子波，利用Zoeppritz方程进行0~45°入射角AVO道集正演，并提取各种AVO属性，建立水合物AVO理论解释模型，优选敏感参数，指导后续的AVO属性解释。

当地层中只含水合物且水合物饱和度较高时，AVO道集正演及属性如图 1所示，水合物地层纵波速度为2 300 m/s，横波速度为850 m/s，密度为1.8 g/cm³。其中水合物顶底AVO特征表现为振幅绝对值随偏移距的增大而减小，水合物顶底的P(截距)与G(梯度)属性分别表现为较大的异常值具有相反的极性，可通过P×G属性进行识别，表现为小于零的异常值，其中P波阻抗反射率、S波阻抗反射率以及流体因子在BSR处表现为较大的负异常，但其特征与截距属性相似，不易识别。

图 1.  高饱和度水合物AVO正演

Figure 1.  AVO model for high gas hydrate

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在第1类水合物地层模型中加入游离气后的模拟结果如图 2所示。游离气地层的纵波速度为1 400 m/s，横波速度为510 m/s，密度为1.60 g/cm³。含游离气后，水合物顶底AVO特征仍然表现为振幅绝对值随偏移距的增大而减小，水合物顶底的P(截距)与G(梯度)属性同样分别表现为较大的异常值具有相反的极性，P×G属性为小于零的异常值，流体因子表现为较大的负异常，P波阻抗反射率、S波阻抗反射率异常幅度增大。其中游离气AVO特征表现为明显的振幅绝对值随偏移距的增大而增大的特征，P×G属性为大于零的异常值，流体因子具有较大的正异常，可据此特征识别游离气异常区域。

图 2.  高饱和度水合物和游离气AVO正演

Figure 2.  AVO model for high gas hydrate and free gas

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在第2类模型中降低了水合物的饱和度，保持游离气不变，模拟的结果如图 3所示。水合物地层的纵波速度为1 950 m/s，横波速度为600 m/s，密度为1.8 g/cm³。水合物顶的AVO特征以及AVO属性与前2种地层模型类似，但水合物的底受到游离气的影响，其AVO特征表现为振幅绝对值随偏移距的增大而增大的特征，其P与G属性均表现为负异常值，其乘积大于零，P波阻抗反射率、S波阻抗反射率以及流体因子均表现为负的异常值，其中游离气的AVO特征与第2类地层模型类似。

图 3.  低饱和度水合物和游离气AVO正演

Figure 3.  AVO model for low gas hydrate and free gas

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经过上述分析，可知在地层中只含水合物或者水合物饱和度比较高以及游离气含量较低的情况下，水合物的AVO特征表现为振幅绝对值随偏移距的增大而减小，水合物顶底的P与G属性分别表现为较大的异常值，但具有相反的极性，可通过P×G属性进行识别，表现为小于零的异常值，其中P波阻抗反射率、S波阻抗反射率以及流体因子在BSR处表现为较大的负异常；当地层中水合物含量较低且含游离气时，水合物的AVO特征表现为振幅绝对值随偏移距的增大而增大的特征，其P与G属性均表现为负异常值，其乘积大于零，P波阻抗反射率、S波阻抗反射率以及流体因子在BSR处均表现为负的异常值。由此可见，在不同地层模型下，水合物的AVO特征表现不同，尤其是存在游离气的情况下，因此，在实际应用时可分别采用水合物以及游离气的AVO属性进行组合判别。

2.1   研究区地质概况

琼东南盆地位于海南岛南部海域，西靠莺歌海盆地，北邻海南隆起，东北以神狐隆起与珠江口盆地珠三坳陷相邻，南与永乐隆起相接。根据盆地的断陷结构及其展布特征，可将盆地可划分为5个主要构造带，即北部坳陷带、北部(中部)隆起、中央坳陷、南部隆起和南部坳陷(图 4)。该盆地新生代构造沉积演化具有早期陆相断陷、晚期海相坳陷的显著特点。古近纪早期陆相具有多幕特征，主要分为3幕断陷期，其中，第1幕为晚白垩世末—始新世初，为盆地裂陷初期，沉积物主要为红色及杂色粗碎屑沉积。第2幕为始新世—早渐新世，可细分为2个阶段，中始新世—晚始新世为盆地快速裂陷期，发育一套中深湖相烃源岩，富含有机质是该区的重要烃源岩；始新世末—早渐新世是盆地稳定沉降期，形成了一套有机质丰富的含煤岩系，是该区的主要气源岩。第3幕为晚渐新世时期，为盆地萎缩期，充填了大套有机质丰度较高的浅海相泥岩^{[15, 16]}。

图 4.  琼东南盆地区域构造地理位置及研究区(据文献[16]修改)

Figure 4.  Regional tectonic location of Qiongdongnan Basin and research area (modified from reference [16])

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天然气水合物的气源不仅有微生物成因烃气，还包括热分解成因烃气。琼东南盆地经过油气勘探证实，始新统和下渐新统崖城组是盆地主力烃源岩，自上新统莺歌海组以来，盆地处于高排烃阶段，以排气为主，因此，该区具有充足的气源条件^[16]。同时，该盆地断裂、流体底辟以及气烟囱现象比较发育，为深部热解气向浅部天然气水合物的形成提供了运移通道^[17]。最后，琼东南盆地海底具有高压低温条件，其海底温度约为0~5°，大地热流平均值为77.5 mW/m²，地温梯度约为39.1 ℃/km，海底压力在(6~13)×10⁶ Pa，平均压力约为10×10⁶ Pa，保证了水合物形成的温压条件，并且其沉积速率在黄流组沉积后开始加速，沉积速率>500 m/Ma，为天然气水合物提供了足够的储集空间^[18]。总之，琼东南盆地区具有有利的温压条件、充足的可容空间、良好的构造背景以及稳定的气源，具备水合物成藏的优越条件。

2.2   AVO属性的提取

琼东南海域目前还未进行天然气水合物的钻探，其调查程度相对较低，此次研究区的地震资料是采用单源单缆方式采集的，测线间距为50 m，海底地形整体较平坦，呈北陡南缓的变化趋势，水深在1 700~1 900 m之间。

该区地震资料经过常规噪音压制、多次波衰减、速度分析以及叠前时间偏移后，其CRP道集质量已经大幅提升，仅在远道由于各向异性的影响存在微弱上拉的现象以及随机噪音干扰。虽然该现象对地震叠加影响较小，但由于AVO是分析地震振幅随偏移距的变化关系，需要较高质量的道集资料，因此对该道集进行了优化处理。处理流程如图 5所示，主要分为2部分，首先，进行高密度各向异性速度分析，分析剩余速度将道集拉平，再对随机噪音进行压制，然后在优化后的道集上利用Zoeppritz方程的近似公式进行AVO属性的提取；其次，结合AVO正演优选的水合物敏感参数进行水合物以及游离气异常区的识别，圈定水合物的发育区域。

图 5.  AVO属性处理流程图

Figure 5.  The flowchart of AVO attributes processing

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2.3   水合物AVO属性识别

地层含天然气水合物后会引起纵横波速度的增加，与周围地层形成较大的波阻抗差异，特别是其下伏地层含有游离气时，其波阻抗差异会更明显，即形成BSR(似海底反射)现象^{[9, 19, 20]}。虽然BSR存在多解性，但是在天然气水合物的勘探初期，BSR仍然是识别水合物的重要手段。通常对天然气水合物AVO属性的分析，选择在BSR现象较为明显的地震剖面进行。天然气水合物理论模型正演分析表明，天然气水合物饱和度不同时，其BSR处AVO属性特征也不同。当饱和度较高时，BSR的AVO属性特征为：截距为负值，梯度为正值，截距与梯度的乘积为负值，流体因子为负值；当饱和度较低时，受游离气的影响，BSR的AVO属性特征为：截距为负值，梯度为负值，截距与梯度的乘积为正值，流体因子为负值且幅值较大。

根据分析结果，选取工区一条典型地震剖面进行分析，图 6是该工区的地震剖面，图中显示距海底约300 ms处(黑色箭头)，有BSR特征发育，表现为强振幅，极性与海底相反，其上、下部振幅相对较弱，具有明显的空白带。根据图 5流程提取水合物的AVO敏感属性，如图 7~10所示，其中图 7为该剖面的截距属性，BSR处表现为较强的负截距值，表明BSR界面上下速度差异较大，推测BSR之上地层由于含水合物速度增大，BSR之下由于含有游离气速度急剧减小，由此形成了较大的负截距值。图 8为梯度剖面，BSR处表现为正梯度值，根据正演模型分析，水合物饱和度较高时，BSR表现为较高的正梯度值，同时截距与梯度的乘积属性在BSR处也表现为较强的负值(如图 9所示)，由此推测该区水合物饱和度含量较高。图 10为流体因子剖面，流体因子是一种对游离气较敏感的属性，在BSR处表现为负值异常，在该剖面中的BSR处表现为较强的负异常值，证实该处发育游离气异常，为水合物的形成提供了充足的气源。图 11为BSR处截距与梯度的乘积属性的平面切片，可以看出异常主要分布在工区东北部和西南部，为水合物发育的有利区域。

图 6.  地震剖面(剖面位置见图 4)

Figure 6.  Seismic section(see fig. 4 for location)

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图 7.  截距属性剖面

Figure 7.  Intercept of AVO attributes section

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图 8.  梯度属性剖面

Figure 8.  Gradient of AVO attributes section

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图 9.  截距×梯度属性剖面

Figure 9.  Intercept×Gradient of AVO attributes section

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图 10.  流体因子属性剖面

Figure 10.  Fluid factor of AVO attributes section

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图 11.  沿BSR层截距×梯度属性平面切片

Figure 11.  The slice of Intercept×Gradient of AVO attributes for BSR

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综上所述，该工区天然气水合物的AVO属性特征主要表现为较强的负截距值、正梯度值、较强的截距×梯度属性负值以及较高的负流体因子值。

2.4   水合物运聚通道分析

充足的气源供给是天然气水合物成藏的物质基础和前提条件，琼东南海域水合物的气源主要有2类，第1类是微生物成因甲烷，该类气源主要来自于上新统—第四系海相泥岩及沉积物；第2类是热成因气，经过油气勘探的证实，热成因气主要来自于下渐新统崖城组煤系烃源岩。虽然琼东南海域具有充足的气源条件，但是高饱和度水合物的产出及分布规律和资源规模大小，还要取决于水合物气源运聚供给输导系统类型的优劣及其展布特征。

通常天然气水合物热成因气源的主要运移通道有断裂、底辟和气烟囱等^[21]。首先来分析一下本工区的断裂发育情况，图 12为该工区一张反映该区断裂发育的典型地震剖面，可以看出该工区断裂主要分早、晚2期，其中早期构造活动比较强，断裂比较发育，晚期构造活动比较弱，断裂比较少，且活动性较弱，由于这两类断层并未沟通热裂解气和深海区高压低温稳定带地层，深部热裂解气难以通过断裂向浅部运移，热裂解气很难通过断裂给水合物提供气源；其次，从剖面可以看出工区发育疑似泥底辟现象，在其顶部发育微小断裂，推测其可作为热解气向海底浅层运移的通道；另外，该工区还存在明显的河道下切的现象，推测其形成的不整合面可作为天然气水合物浅层生物成因气源的运移通道。

图 12.  研究区断层裂隙与疑似泥底辟构成的流体运聚输导系统及其运聚通道特征

Figure 12.  Fluid migration and transport system formed by fault fissure and suspected mud diapir of the study area and its characteristics of migration and accumulation channels

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