頂帽變換在川北長興組生物礁分布預測中的應用

摘 要

摘要：四川盆地北部長興組碳酸鹽巖地層中生物礁發育，是該區油氣勘探的主要目的層之一。礁體的分布預測是該區油氣勘探面臨的現實課題。為此，根據生物礁沉積厚度較同期非礁相地層
摘要：四川盆地北部長興組碳酸鹽巖地層中生物礁發育，是該區油氣勘探的主要目的層之一。礁體的分布預測是該區油氣勘探面臨的現實課題。為此，根據生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大的沉積地質學原理，利用地震解釋獲得的含生物礁地層的時間厚度數據，應用頂帽變換方法開展礁體的平面分布預測，取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比，該方法具有準確、快速高效和定量化的優點。進行頂帽變換時需要注意的是，結構元素大小的選擇應與實際地質體的尺度相符，結構元素過大或過小，均可能導致預測結果的偏差。此外，斷層發育等因素可能導致地層厚度出現異常，亦可能對頂帽變換結果造成影響，對此需予以區分。所采用的方法適用于構造變形程度相對較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預測。
關鍵詞：生物礁；三維地震；地震資料解釋；頂帽變換；晚二疊世；四川盆地；北
    生物礁是重要的油氣儲集體之一，但其分布預測難度較大。自20世紀70年代后期以來，隨著地震地層學、三維地震解釋和地震屬性分析技術的推廣應用，生物礁儲層的地震識別和預測取得了長足的進步，已提出的方法主要有地震相分析和地震屬性分析兩大類。地震相分析利用生物礁在反射結構、幾何形態等地震反射參數方面的特殊性，對其進行定性識別；地震屬性分析則以振幅、相干、波形等屬性參數為基礎，應用神經網絡、地質統計學等方法定量預測生物礁的分布[1～2]。筆者應用數學形態學中的頂帽變換(top hat transformation)算法，以含礁體地層的時間厚度數據為依據，實現礁體分布的定量預測。
1 生物礁地震識別的地質基礎
    生物礁是由造礁生物原地生長而形成的抗浪格架。其沉積速率高，在地貌上表現為“隆起”特征。特殊的發育條件和沉積特征，使得生物礁在地震剖面上具有以下特點[3]：①礁體外形呈底平頂凸的丘狀，礁體沉積厚度較相鄰的同期地層大；②礁體內部一般呈雜亂反射或無反射；③礁體頂部的同相軸通常振幅較強，而底部同相軸較弱，有時出現同相軸間斷現象；④由于礁相與周圍非礁相之間在巖性和速度結構上的差異，礁體下伏地層中有時可見到同相軸的上拉或下沉現象。
    從幾何特征出發，可以利用含礁體地層的厚度參數來刻畫礁體的分布。這需要在地震數據體上準確地拾取含礁體地層的頂、底界面，然后計算出其間的厚度，據此推斷礁體的分布，其中厚度較大的區域是礁體的潛在分布區域。該方法原理簡單、易于操作，是定性判斷礁體分布的有效方法；其不足之處足只能大致圈定可能的礁體發育區域，不能定量地分離出各個孤立礁體的位置及分布范圍。筆者根據生物礁沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質學原理。引入數學形態學中的頂帽變換方法，實現礁體分布的自動探測。
2 頂帽變換原理與方法
    “頂帽變換”是數學形態學(mathematical morphology)中的一種圖像處理方法，最初由Meyer提出[4]。它是一種有效的圖像檢測和圖像增強方法，常用于處理背景亮度不均勻的圖像，如去除雷達和衛星圖像上的小斑點，或在高分辨率的深空圖像上識別星體等[4]。Huvenne等[5]將其引入地震解釋領域，用于自動探測愛爾蘭西南部Porcupine盆地深水丘狀沉積體的分布。
膨脹和腐蝕是數學形態學中的兩類基本運算[6]。對于描述圖像的二維函數f(x，y)和b(x，y)，其膨脹運算定義為：
 
式中b稱為結構元素；Db為其定義域。
   膨脹運算與二維卷積類似，相當于將結構元素b在函數f上平移，在每個平移位置計算結構元素與函數f的和并取最大值作為該位置的計算結果。
函數f(x，y)和b(x，y)的腐蝕運算定義如下：
 
   該運算類似于膨脹運算，只是f與b之間的運算改為相減，求最大值改為求最小值。
   由上述定義可看出，結構元素b的大小對膨脹和腐蝕運算的結果起關鍵作用。為不影響函數f的局部特征，結構元素的值域通常被定義為｛0，1｝的二值函數，稱為平坦結構元素[7]。膨脹運算的結果將增強函數f與結構元素相應的局部特征，而腐蝕運算則相反。
膨脹運算和腐蝕運算可以組合使用，以達到不同目的。一種簡單的組合稱為開運算，即函數f與結構元素b作腐蝕運算后再與b作膨脹運算，記為：
 
   開運算的效果相當于對圖像做平滑處理，與結構元素相匹配的區域將被平而其他區域則保持不變。
    頂帽變換定義為函數.廠減去其開運算的結果，即。這樣原圖像中與結構元素相匹配的區域就得到增強，從而達到從圖像中提取給定目標體的目的。
3 應用實例與結果討論
    研究區位于四川盆地北部J地區，研究層位為上二疊統長興組。該組以臺地相碳酸鹽巖為主，臺地邊緣生物礁發育，是重要的油氣勘探目的層[7]。根據三維地震資料，對長興組頂、底反射層位進行了精細的追蹤對比和閉合解釋，并求取長興組時間厚度(即底界與頂界之間雙程旅行時的差值)，然后應用頂帽變換方法，預測礁體的平面分布。
為得到能夠準確反映實際礁體分布的頂帽變換結果，需要選擇合適的結構元素。根據頂帽變換原理，結構元素大小應與礁體大小相匹配。由地震解釋結果知，研究區內的礁體在二維地震剖面上的視寬度一般為100～200道或2.5～5km(道間距為25m)。為了得到合理的適合于工區礁體大小的結構元素，分別選取了邊長為50、100、150、200、250道的正方形結構元素進行頂帽變換實驗，其結果如圖1、2所示。
 

    由圖可知，采用小尺寸的結構元素所預測出來的礁體分布面積較小；隨著結構元素的邊長增大，所預測出來的礁體分布范圍亦相應增加(圖1、2)。為了得到符合實際地質情況的預測結果，將頂帽變換結果與地震剖面上的礁體的響應進行了對比，發現邊長為150道的結構元素所得結果與實際剖面礁體解釋結果吻合最好，邊長過小或太大，預測結果均偏離實際情況(圖1)。
最終選取邊長為150道的結構元素進行頂帽變換，其結果如圖3-a所示。由該圖可知，研究區內長興組總共發育有110多個礁體，礁體尺寸大小不等，小的數百米，大的逾5km；礁體主要分布于研究區中部，呈北西 南東向展布。這一結果與時間厚度圖(圖3-b)所揭示的規律相同，但直接根據厚度圖很難明確地區分出各個礁體的具體位置和分布范圍。
 

    值得注意的是，在頂帽變換結果圖(圖3-a)上，其西南角有一長條狀高值異常區域，經與地震剖面對比后確認其為一小型逆斷層引起的地層局部加厚，并非礁體引起的厚度異常(圖4)。因此，頂帽變換預測的厚度高值異常區，除了生物礁外，還可能為斷層等其他因素引起。
4 結論
   筆者根據地震解釋獲得的含生物礁地層的時間厚度數據，利用礁相沉積厚度較同期非礁相地層大這一簡單的沉積地質學原理，應用數字形態學中的頂帽變換方法開展生物礁分布預測。應用于四川盆地北部J地區上二疊統長興組礁體分布預測，取得滿意效果。與人工地震相分析方法相比，該方法具有準確、快速高效和定量化等優點。在實際應用中需要注意的是，結構元素尺寸的選擇應與實際地質體的大小相符，結構元素的尺寸過大或過小，均可能導致預測結果的偏差。此外，斷層發育等因素可能導致地層厚度出現異常，進而影響頂帽變換結果，對此需予以區分。筆者所用的方法適用于構造變形程度較弱的碳酸鹽巖地層中礁體的分布預測。
參考文獻
[1] 程謙，閻建國，朱強，等.礁體及沉積特征在高分辨率相干屬性剖面上的特征分析[J].物探化探計算技術，2010，32(1)：48-53.
[2] 鄔光輝，黃廣建，王振宇，等.塔中奧陶系生物礁地震識別與預測[J].天然氣工業，2007，27(4)：40-42.
[3] BUBB J N，HATLELID WG.Seismic recognition of carbonate buildups[C]∥Payton C E.Seismic Stratigrphy-Applications to Hydrocarbon Exploration，AAPG Memoir 26.Tulsa：American Association of Petroleum Geologists，1977：185-204.
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[5] HUVENNE V A I，MOL B D，HENRIET J P.A 3D seismic study of the morphology and spatial distribution of buried coral banks in the Porcupine Basin，SW of Ireland[J].Marine Geology，2003，198：5-25.
[6] SERRA J.Image analysis and mathematical morphology M.London：Academic Press，1982.
[7] 洪海濤，王一剛，楊天泉，等.川北地區長興組沉積相和生物礁氣藏分布規律[J].天然氣工業，2008，28(1)：38-41.
 
(本文作者：林霖1 鐘廣法1 殷紹如1 王萍2 鄧瑛2 1.同濟大學海洋地質國家重點實驗室；2.川慶鉆探工程有限公司地球物理勘探公司)