近期，在柴达木盆地西部阿尔金山前黑北凹地—大浪滩新发现的“砂砾型”卤水钾盐矿，具备成矿地质条件简单、资源规模大、易于加工提取等特征，是察尔汗钾盐基地的重要资源接替区，备受学者专家的关注（李洪普等，2014）。李洪普等（2022）通过分析“砂砾型”含钾卤水地化特征认为，始新世—上新世干旱条件下的“盐谷”物源和早更新世砂砾沉积层成矿空间是该地区形成高矿化度卤水的必要条件，提出该类型钾盐找矿方向应重点研究部署柴达木盆地周缘深大断裂、山前古近纪以来盐类地层和早更新世山前冲洪积扇体同时发育的地区（陈鹏，2017）。基于地质、测井、电磁、地震等资料，采用属性分析和地震反演技术建立了黑北凹地含钾储卤层储层识别模式。（侯献华等，2021）通过联合分析钻孔资料和地震资料，建立了砂砾储卤层的地球物理识别标志，为预测中深部储卤层分布范围提供依据。刘颖等（2018）通过室内外实验分析讨论了“砂砾型”深层卤水的生产提取工艺。

尽管在大浪滩-黑北凹地阿尔金山前“砂砾”储卤层分布较为稳定和具有一定规模，但由于受到新构造运动的影响，不同位置的钻孔揭露的“砂砾型”卤水钾盐在富水性、氯化钾含量上有很大差别，为了更细致研究构造沉积环境所导致的“砂砾型”卤水钾盐差别，以便指导寻找高质量“砂砾型”卤水的富水区，进一步更好地研究盐湖和冲洪积相沉积特征，利用连续小波变换具有恒Q特性，笔者基于高密度二维地震资料，采用波动方程正演技术（彭科，2018）对不同沉积环境地质模型的正演结果进行连续小波变换，总结不同沉积环境的时频响应特征，通过分析多个钻孔测井资料检验的时频谱特征来划分沉积环境旋回并建立沉积环境识别模式，在剖面上刻画盐湖相和冲洪积相，进而圈定“砂砾储卤层”有利分布范围，并通过测井资料进行验证分析结果的可靠性。

1 地质背景

柴达木盆地位于青海省的西北部，其西北以阿尔金山为界与塔里木盆地紧邻，于中生代和新生代因印度板块向北挤压断陷而成（戴俊生，2000；张成君等，2001；黄麒等，2007；罗群，2008；李伟，2024）。黑北凹地与大浪滩凹地位于柴达木盆地西部，其北东方向为红三旱一号构造，南部为长尾梁、黑梁子、尖顶山构造。尖北隐伏构造将黑北凹地与大浪滩凹地分割成南北两条不规则状的狭长带状凹地（刘国泰等，2016）。此次主要研究北部长条状凹陷。

柴达木盆地的构造运动对其地层分布影响较大，从而使其呈现出明显的分区性，其中，研究区所处的盆地西部主要发育第三系和第四系（图1）。第四系在地表均有出露，岩性以砾岩、砂砾岩为主，夹砂质泥岩透镜体，与下伏的第三系上新统狮子沟组呈不整合接触，尖顶山构造可见狮子沟组和油沙山组出露（陈鹏，2017）。

柴达木盆地西部在第三纪至第四纪期间，沉积环境发生了显著的变化，主要表现为近源的、活动构造背景下的沉积特征。在古近纪早期的造山运动的影响下，柴达木盆地西部构造运动强烈，物源供给充足，沉积了以向上变粗为特征的三角洲平原建造的粗碎屑沉积物。始新世—新近纪，盆地西部不断接受盐类沉积，形成了特殊“盐谷”背景（郑绵平等，2015）。始新世早期，盆地西部开始形成初始湖泛面；始新世早期—渐新世早期，盆地西部形成了古柴达木湖，砂砾岩泥质含量增加；渐新世晚期—中新世，盆地西部沉积滨湖相的青灰色粉砂岩、泥岩，此时携带盐类物质的流水大量注入湖中。中新世晚期—上新世，喜马拉雅造山期中期的构造运动导致昆仑山、阿尔金山迅速抬升，位于阿尔金山南部的黑北凹地、大浪滩凹地持续接受浅湖相粉砂岩、泥岩沉积。第四纪早更新世，盆地西部经过长期湖泊演化聚集了大量盐类物质，湖水开始进一步浓缩演变为盐湖相沉积环境（刘国泰等，2016）。第四纪更新世，盆地西部主要以冲洪积沉积为主，其上部为化学沉积岩层与黏土层互层，下部为砂砾石层；向盆地中心过渡为以棕灰、灰色砂质泥岩及泥岩为主的湖相沉积，地层中含有大量石盐、芒硝、石膏层，局部地段还夹有杂卤石层。

因盆地西部位于阿尔金山前，常年溶滤上新世沉积的岩盐卤水在压力作用下渗流至上覆更新统砂砾岩地层中，构造断裂和裂隙的发育进一步改造了次生孔隙，进而富集成为砂砾型深层卤水钾盐矿。

2 连续小波变换原理

连续小波变换（CWT）是为解决傅里叶变换（STFT）因固定时窗大小而限制时频分辨率的缺点而提出的一种时频变换方法（Mollet et al.，1982），该变换引入了尺度因子用来调节小波的伸缩性，且具有恒Q性质，比STFT具有灵活的时窗函数和有较高的时频分辨率。CWT要求小波在时间域和频率域均是有限支撑，且小波基能两两正交，常用的小波有Daubechies小波，对称小波，Coiflets小波和Meyer小波，正交小波不能通过一个简洁的表达式给出，而是通过对“尺度函数”的加权组合得到（邱娜，2012；胡广书，2013；尚帅，2014；薛雅娟，2014）。笔者选用Morlet小波构建连续小波变换的小波基，其时频域表达式为：

式中，φ（t）和Φ（ω）分别是Morlet小波的时间域和频域率表达，t是时间，ω是频率，a是尺度因子，b是时移参数，ξ是频率因子。小波基函数 φ_a，b（t）需要具有和母函数φ（t）相同的能量且满足可容许性条件，即：

基于Morlet小波基的信号s（t）的连续小波变换（CWT）的时间域表达式为：

由式3可知，连续小波变换CWT（a，b）是尺度因子a和时移参数b的表达式，φ_a，b（t）是具有尺度因子和时移参数的Morlet小波基。该式是时间-尺度的函数，需要将尺度参数按照一定的规则转换为频率参数来获得时间和频率的关系。根据Parseval定理，式3可以改写成：

式4即是CWT的频率域表达式，其中，S（ω）和Φ_a，b（ω）分别是信号s（t）和小波基φ_a，b（t）的傅里叶变换。CWT的反变换表达式为：

连续小波变换需要经过时间-尺度以及尺度-频率两步变换来获得时间-频率的关系，在计算过程中没有傅里叶基的参与，其结果中反映的相位意义与传统信号分析中的相位意义不同。

3 典型体系域的时频响应特征

陆相沉积的三级层序可以划分为低水位体系域、水进体系域、高水位体系域和水退体系域共4种类型（胡受权等，2000）。低水位体系域（LST）以不整合面或沉积间断面与下伏沉积的水退体系域分开，陆上暴露标志明显，水动力较强，沉积物粒度较粗，湖相泥岩沉积极少（图2a），垂向地层叠加以低位加积为主；水进体系域（TST）为初次湖泛后的沉积，水体逐渐加深，沉积物粒度随着水动力向上变小而向上变细，直至湖相沉积出现凝缩段（图2d），代表了退积型的沉积环境；高水位体系域（HST）底部为湖相沉积凝缩段，湖面上升非常缓慢，直至上升至最高水位，沉积物粒度较均匀（图2g），反映了高位加积的稳定沉积环境；水退体系域（RST）水体逐渐变浅，水动力向上变强，沉积物粒度也向上变粗，湖相沉积逐渐减少（图2j），垂向地层叠加表现为进积型。

图2a、d、g、j即是建立的分别对应于上述4种体系域的地质模型。分析研究区钻井岩性的速度，取：砂砾岩速度从2200 m/s线性变化到3800 m/s，密度从2.20 g/cm³线性变化到2.60 g/cm³；泥岩速度从2800 m/s线性变化到4800 m/s，密度从2.37 g/cm³线性变化到2.65 g/cm³。选择主频为130 Hz、零相位的Ricker子波对四种地质模型进行波动方程正演，其结果如图2b、e、h、k所示。

对上述正演地震记录采用连续小波变换进行时频分析。低水位体系域的小波时频谱表现出能量不随沉积发育时间变化，始终稳定在相对低频端的特征（图2c）；在水进体系域的小波时频谱上，谱能量随时间的减小由低频向高频方向移动的特征（图2f）；与高水体系域对应的小波时频谱的能量亦不随时间变化，且始终保持在相对高频位置上（图2i）；水退体系域的小波时频谱特征与水进体系域相反，其谱能量随时间的减小向着低频方向移动（图2l）。不同体系域的正演时频特征与理论规律相符，即高频反映岩石颗粒较细和沉积较薄的地层，低频反映岩石颗粒较粗及沉积较厚的地层（房文静等，2007a，2007b）。

（a~c）—LST的地质模型、正演地震记录及CWT时频谱；（d~f）—TST的地质模型、正演地震记录及CWT时频谱；（g~i）—HST的地质模型、正演地震记录及CWT时频谱；（j~l）—RST的地质模型、正演地震记录及CWT时频谱

(a~c) —geological model, forward modeling seismic record and CWT time-frequency spectrum of LST (low stand system tract) ; (d~f) —geological model, forward modeling seismic record and CWT time-frequency spectrum of TST (transgressive system tract) ; (g~i) —geological model, forward modeling seismic record and CWT time-frequency spectrum of HST (high stand system tract) ; (j~l) —geological model, forward modeling seismic record and CWT time-frequency spectrum of RST (regressive system tract)

4 沉积旋回模式识别

完整的三级层序经历了水进—高水位—水退—低水位的完整旋回过程，对应地，其时频谱能量随时间的减小经历向高频移动—在相对高频处稳定—向低频移动—在相对低频处趋于稳定的垂向迁移过程；体系域依靠层序内部时频谱能量团在垂向变化上的叠加反映出来，每一个能量团代表了一个三级层序，因此可以利用时频谱进行各级层序单元的划分（李翔等，2016; 张瑞等，2023）。

4.1 单井时频特征分析

根据沉积旋回模型正演的时频特征可对研究区内钻井的体系域进行详细划分，现以HZK02井为例来说明利用时频谱划分体系域的过程。HZK02井的完钻深度相对较深（大于1000 m），岩性发育较齐全，从砂砾岩到黏土（泥岩）均可见到（图3a）。在地震剖面（图3b）上，提取HZK02井的井旁地震道进行连续小波变换得到其时频谱（图3c），可以清晰反映出沉积旋回，HZK02井有2个层序和10个三级层序（体系域）。在＜25 Hz的中低频段上，可以看到分别在400 ms以浅和700 ms以深范围内有两个相对较强的能量团集中，分别对应了两套层序，在地震剖面上表现为一套强波峰—强波谷—中强波峰的中低频波组特征，对应的岩性为泥岩和砂砾岩的交互变化。在20~50 Hz的中高频段范围内，根据能量团的时间-频率变化规律，可以准确识别出10个体系域。

层序1为主要发育在第四系七个泉组下部，是水体较深背景下的LST—TST—HST—RST旋回。该时期沉积初期，随着水体退却，岩性从较厚的含粉砂的黏土过渡至含粉砂的黏土和粉砂细砂岩互层，地震反射振幅逐渐减弱，时频谱能量从分散在中低频-高频（20~55 Hz）的特征逐步向中低频聚集；但低水位（LST）时期较短，随后水体复又加深，直至达到最大湖泛面（HST），此时的沉积物的泥质含量高，沉积物粒度较细，主要为灰色、黄褐色含粉砂的黏土（泥岩），地震反射振幅强，相位稳定，时频谱能量分散于25~55 Hz的中高频率范围内。

层序2为一套中等厚度（约700 m）的地层，发育在第四系七个泉组中上部，包含完整的LST—TST—HST—RST旋回。在层序2沉积初期（RST沉积期），随着水体的下降，泥质含量减少、砂质含量增加，逐渐从灰褐色含黏土的粉砂过渡到灰褐色含砾石的粉砂中粗砂；砂砾岩厚度也随着水体的下降而逐渐增加，单砂体厚度从0.8 m逐步增加到18 m；该时期主要表现为泥岩和砂岩的交互沉积，在地震剖面上表现为同相轴振幅强弱相间、相位不稳定的复合同相轴特征，在时频谱上可以明显看到能量逐渐向低频范围聚集。当水体下降到最低水位（LST沉积）时，岩性粒度粗，砂质含量高，以灰褐色含砾石的中粗砂为主，单砂体厚度最大可达26 m，其地震和时频谱特征表现为低频低振幅反射，时频谱能量主要集中在25 Hz附近，此时期沉积时间较长，砂砾岩整体较厚。随着水体的上升（TST沉积），沉积物中泥质含量开始增加，岩性由含砾石的中粗砂向泥质粉砂岩、粉砂质泥岩过渡，单砂体厚度也逐渐减薄，地震反射振幅由弱变强，时频谱能量逐渐向高频范围分散。至水体达到最大深度（HST）时，沉积岩性以泥质粉砂岩和粉砂质泥岩互层为主，在地震上具有振幅增加、中高频率、相位稳定的反射特征。此时期具有两个高水位时期，初期高水位时期的沉积物，其砂质含量相对较高，以粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和砂砾岩互层为主，频率范围较宽，覆盖20~55 Hz，在时频谱上具有向低频端拖尾的现象。此后对着水体的进一步加深，达到最大湖泛面，沉积岩性泥质含量高，能量也集中在中高频（25~50 Hz）。

4.2 沉积旋回识别模式

HZK02井的时频谱特征分析结果表明，当水体处于LST时期，沉积岩性颗粒粗、砂质含量高，砂砾岩厚度大，在地震上具有弱振幅反射，时频谱能量较集中，主要覆盖中低频范围；当水体处于HST时期，因水体较深，其沉积物的泥质含量高、反射振幅强，时频谱能量较分散，从中低频至高频均有能量分布；当水体处于RST时期和TST时期，因水体处于上升或下降的变化过程中，其岩性多以砂砾岩和泥岩（黏土）互层为主，地震反射振幅中等，时频谱能量在中低频至中高频之间。

HZK07井（图4a）位于研究区东北方向近物源处，钻井揭示地层700 m以上均为大套厚层的砂砾岩，最大厚度达278m；砂砾岩之间以黏土层为隔层，厚度在2~6 m之间。其地震反射（图4b）表现为弱振幅、相位变化的特征，时频谱上的能量（图4c）整体集中在低于35 Hz的中低频段内，分析HZK07井的时频谱特征可知，HZK07井主要是在层序2时期沉积的，沉积旋回处于RST末期、LST时期和TST初期（图4），水体整体较浅，此时接受来自山前的冲洪积沉积物，粗颗粒的中粗砂岩便于沉积并保存下来。

（a）—单井柱状图；（b）—过HZK02井剖面；（c）—过HZK02井旁道CWT时频谱

(a) —bore hole column; (b) —seismic profile passing through HZK02; (c) —CWT time-frequency spectrum of HZK02

HZK01井位于研究区东南方向（图5），距离山前冲洪积扇物源较远，整体岩性以粉砂黏土为主。受完钻井深所限，层序2仅可见水进（TST）体系域和高水位（HST）体系域，岩性以薄层褐红色黏土粉砂夹薄层灰褐色粉砂细砂为主，具有中强振幅、连续相位的地震反射特征，其时频谱能量主要集中在30Hz以上的中高频率，且在低频端形成拖尾，这主要是黏土和砂砾岩频繁互层所致。从层序2到层序1，粉砂黏土从褐红色过渡到黄褐色再到深灰色、灰褐色，反映了此时的水体整体式逐步加深的，在500~800 m深度范围内，该时期的水体一致稳定在最大湖泛面（HST），接受陆上的砂砾岩沉积较少，沉积岩性主要以灰褐色粉砂黏土和深灰色粉砂黏土互层为主，其地震反射振幅极强，呈平行层状反射，时频谱能量分布于25~55 Hz的中高频率范围。此时期后，湖泛面逐步下降，水体相对变浅，同时始新世至上新世时期的岩盐渗流至岩石中形成盐类晶间卤水，故该时期岩性主要是灰褐色（含石膏）粉砂黏土夹灰白色含粉砂石盐，其时频谱能量也相对集中，并且主频从高频向低频移动。

根据上述分析可知，当水体处于RST末期、LST时期和TST初期时，沉积岩性颗粒较粗、砂质含量高，砂砾岩厚度大，在地震上具有弱—中振幅反射，在时频谱上其能量团集中在35 Hz以下。当水体处于TST末期、HST时期和RST初期时，因水体较深，其沉积物的泥质含量高、反射振幅强，故其时频谱能量集中在35 Hz以上的中高频范围。因此35 Hz是划分有利沉积旋回的频率阈值。当频率低于35 Hz时，可以认为是湖泛面处于较低水位时期，有利于接受山前冲洪积而来的砂砾岩沉积，形成深层卤水的有效储集空间。

5 砂砾储卤层在时频剖面的响应

钻井成果揭示，晚更新世时，靠近阿尔金山前的研究区北部位于盆地边缘，湖泛面下降，水体较浅，处于RST末期、LST时期和RST初期交替变化的沉积环境下，主要接受来自阿尔金山前冲洪积水流的碎屑岩沉积，在第四系中上部发育了以细砂、中粗砂、含黏土中粗砂、含砾中粗砂、含卵石中粗砂、含卵石粗砂为主的砂砾石层。该区砂砾层沉积厚、岩石颗粒大，储集空间的孔隙度高、渗透性好，为深层卤水钾盐矿提供良好的保存条件。图6是研究区北部131214测线的地震剖面及其分频剖面，频率范围是15 Hz到55 Hz，频率增量为10 Hz。图6a地震剖面揭示在低水位沉积时期，地震上为中—弱振幅反射或空白反射，相位变化明显，同相轴连续性不强。在中低频率的分频时频谱（图6b~d）上，其能量整体较强，归一化能量值集中在1800~5000之间；尤其是在黑色圆框范围内，可明显看到时频谱的归一化能量值较高，青色-黄色-红色的暖色显示范围连片。而在中高频率的分频时频谱（图6e、f）上，其能量明显减弱，大范围呈蓝色显示，归一化能量值主要处于500~3000之间；而黑色箭头指示处，在地震上具有强振幅平行反射特征，在时频谱上从低频15 Hz至高频55 Hz其能量均有较强显示，说明该处极有可能处于短暂的水位上升期，水体较深，接受细粒的黏土沉积。

（a）—单井柱状图；（b）—过HZK07井剖面；（c）—过HZK07井旁道CWT时频谱

(a) —bore hole column; (b) —seismic profile passing through HZK07; (c) —CWT time-frequency spectrum of HZK07

（a）—单井柱状图；（b）—过HZK01井剖面；（c）—过HZK01井旁道CWT时频谱

(a) —bore hole column; (b) —seismic profile passing through HZK01; (c) —CWT time-frequency spectrum of HZK01

基于上述“35 Hz是划分有利沉积旋回的频率阈值”的认识，选择0~35 Hz频率区间对地震数据进行重构，可以更清晰地突出低水位沉积旋回的时频谱特征。以过HZK02井东西向测线131214W的原始地震剖面（图7a）和0~35 Hz重构地震剖面对（图7c）比为例，该区有效频带宽度为10~50 Hz，选择0~35 Hz频率区间进行重构后，5~25 Hz区间的能量有所增强，有利于分析低水位沉积旋回的时频特征。在浅层350~600 ms深度内，经HZK02井钻井结果验证，该深度范围沉积低水位层序的含砾石中粗砂，与全频带时频谱能量（图7b）相比，经过低频重构的时频谱能量（图7d）增强，频率单一，且主要聚集在23 Hz左右。类似地，在950~1150 ms和1250~1450 ms深度范围，地震反射特征和浅层350~600 ms类似，推测其沉积岩性具有高度一致性，即处于同一种低水位沉积环境，重构时频谱的能量增强明显，尤其是在10~15 Hz的低频范围，归一化能量强且集中，有助于快速判断该时期的沉积旋回。

（a）—地震剖面；（b）—15 Hz时频剖面；（c）—25 Hz时频剖面；（d）—35 Hz时频剖面；（e）—45 Hz时频剖面；（f）—55 Hz时频剖面

(a) —seismic profile; (b) —15 Hz time-frequency profile; (c) —25 Hz time-frequency profile; (d) —35 Hz time-frequency profile; (e) —45 Hz time-frequency profile; (f) —55 Hz time-frequency profile

（a）—原始地震剖面及其振幅谱；（b）—图7a过HZK02井的时频谱；（c）—0~35 Hz重构地震剖面及其频率振幅谱；（d）—图7c过HZK02井的时频谱

(a) —primary seismic profile and its amplitude-frequency spectrum; (b) —time-frequency spectrum of HZK02 red line in Fig.7a; (c) —frequency reconstructed (0~35 Hz) profile and its amplitude-frequency spectrum; (d) —time-frequency spectrum of HZK02 red line in Fig.7c

6 认识与结论

基于小波变换的时频分析技术在油气勘探中得到广泛应用。地震沉积学和地震储层成像核心就是如何挖掘和有效利用地震资料中的联合时频属性信息，在时频剖面上解释和提取地震属性特征，研究地质现象（刘喜武等，2009）。砂砾储卤层是研究区含钾卤水主要的储集空间。砂砾岩颗粒大小、孔隙大小、充填性质等是储卤层识别的重要标志。地震剖面资料中不同频率成分蕴含了不同的地质信息，不同的层序对应剖面中不同的频率特征，其纵向上的频率变化与沉积旋回密切相关，频率变化反应储卤层颗粒大小的变化，进而研究纵向沉积环境和沉积旋回。通过对地震剖面进行小波变换的时频处理，利用其时频属性特征，获得其空间分布，对砂砾储层及其沉积水体分析具有重要意义。

砂砾储卤层因其颗粒粗、孔隙空间大、渗透率高、易于保存含钾卤水，在地震上具有弱振幅、低频反射特征；相反，泥岩则因岩性致密、渗透率低具有强振幅、高频反射特征；因此根据沉积旋回时频分析结果选择合适的频率区间进行地震数据重构，可以很大程度上削弱强振幅泥岩对弱振幅砂砾层的影响，进而突出砂砾层的地震反射特征。同样地，也因为丢失了高频信息，所以重构数据的时频谱对沉积旋回分析只起到辅助作用，而不能仅仅利用重构时频谱来识别低水位体系域和高水位体系域。如图7d所示，950~1150 ms的低水位沉积砂砾层和上覆800~950 ms的高水位沉积泥岩的时频谱特征具有高度的相似性，能量强且频率宽度基本一致；而在原始时频谱（图7b）上，二者明显具有差异性。因此，如果不综合全频带时频谱特征分析，就容易得出错误的结论。本文结论如下：

（1）不同体系域的时频谱特征不同。低水位体系域和高水体系域的时频谱能量不随时间明显变化，前者主要聚集在低频，后者主要聚集在高频；水进体系域的时频谱能量随时间减小向高频方向移动；水退体系域的时频谱能量随时间减小向低频方向移动。

（2）35 Hz是划分有利沉积旋回的频率阈值。水退体系域末期、低水位体系域和水进体系域初期是较为有利的沉积环境，以沉积厚度大、孔隙度高、渗透性好的中粗砂砾岩，在地震上表现为弱-中振幅反射，时频谱能量主要集中在35 Hz以下。

（3）重构地震数据有助于识别沉积环境和分析储卤层岩性。合适频率区间的重构数据可以有效降低泥岩强振幅的影响，突出砂砾层的地震反射特征，但重构数据应结合全频带数据进行综合分析，才能得出正确的结果。

参考文献