C.Hyde等认为:瞬变电磁法(TEM)不仅在冻土层调查中非常有用, 而且在冻土层足够厚的区域还有可能用于描述天然气水合物层的电阻率特征^[8]。以寻找天然气水合物为目的, 我国在冻土带开展了多次电磁法的应用研究。韩江涛等在漠河永久冻土区, 使用美国Zonge公司制造的GDP-32^Ⅱ 型多功能电测仪进行永久冻土层的分布规律研究, 采用拟地震成像法反演瞬变电磁法野外数据, 有效地划分出反射界面和电性层位, 成功地推断出漠河地区永久冻土层的分布^{[9, 10]}。姚大伟等在青海木里冻土带, 使用V8多功能电法仪开展了可控源音频大地电磁法(CSAMT)的天然气水合物探测实验, 这种方法很好地分辨出天然气水合物形成、运移所需要的冻土盖层和断裂构造, 但没有识别出天然气水合物的电阻率异常区, 认为主要原因是区内天然气水合物分布零散, 藏储个体规模有限, 而且紧伏在冻土层之下难以形成足够的电阻率差异^[11]。

笔者通过瞬变电磁法应用于木里聚乎更长年冻土区天然气水合物探测的应用研究实例, 证实方法的可行性, 为寻找天然气水合物提供一种有效的途径。

研究区位于祁连山冻土带, 行政区划上属于青海省天峻县木里镇(图1), 沼泽地表覆盖绝大部分研究区。祁连山冻土带地处青藏高原北缘, 冻土面积约1万km², 以山地多年冻土为主, 在山谷、山麓也发育有中— 深季节性冻土。连续冻土区内的年平均地温为-1.5~-2.4 ℃, 冻土层厚度为50~139 m; 岛状冻土区内的年平均地温为0.0~1.5 ℃, 冻土层厚度几米、十几米至几十米不等^[12]。祁连山侏罗纪小型含煤盆地较为发育, 沿疏勒河— 大通河流域就分布有瓦乌寺、雪霍立、聚乎更、木里、江仓、热水等11个含煤盆地, 均是北祁连深大断裂体系在燕山期再度复活形成的裂堑式断陷盆地, 呈NW— SE向带状分布。

图1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 木里冻土区地理位置及地质环境简图

木里煤田是青海省最大的煤田, 面积约650 km², 其主体包括西部的聚乎更矿区、弧山矿区、江仓矿区和东部的热水矿区以及外围的外力哈达矿区、海德尔矿区、默勒矿区等, 是青海重要的煤炭基地。聚乎更矿区更因煤层厚、储量丰富和煤质好而受到广泛关注^[13], 我国首个陆上钻获天然气水合物样品的科学钻井就位于该矿区。

木里聚乎更矿区多年来的测井工作证实, 电阻率参数在冻土层上的反映相对明显, 其原因主要是冻土层岩石孔隙水呈冻结状态, 其导电能力明显下降, 造成电阻率的高异常反映。表1是木里聚乎更矿区4口钻孔的测井资料^[14], 可以看出, 多年冻土与非冻土之间的电阻率差别明显, 冻土层的电阻率明显高于非冻土层的电阻率, 冻土电阻率平均值是非冻土电阻平均率值的2.79倍。

表1

表1

表1 冻土段与非冻土段岩层电阻率对比[14] Ω · m 孔号 岩性 冻土段 非冻土段 6-4 泥岩 100 60 0-4 粉砂岩 504 78 12-2 细砂岩 375 237 6-4 粗砂岩 800 250 5-1 粗砂岩 500 190 平均值 455.8 163

表1 冻土段与非冻土段岩层电阻率对比[14] Ω · m

木里聚乎更矿区天然气水合物储藏于冻土层之下非冻土地层中的侏罗统江仓组粉砂岩、细砂岩、粗砂岩的孔隙及裂隙中。研究区科学钻井DK-1电阻率测井数据显示, 水合物储藏层电阻率值平均为57~378.4 Ω · m、56.8~349.9 Ω · m^{[5, 7]}。相比之下, 加拿大马更些三角洲Mallik 5L-38钻孔砂岩中天然气水合的电阻率值介于10~120Ω · m之间^[8], 低于木里聚乎更矿区天然气水合物的电阻率值, 这可能是地层中水合物饱和度的差异或水合物的赋存状态不同造成的^[15]。木里聚乎更矿区长年冻土层厚度一般在50~70 m, 最厚95 m^[16], 均小于俄罗斯Messoyakha气田区(320 m)^[2]、美国阿拉斯加Prudhoe Bay油田区(176~630 m)^[3]、加拿大马更些三角洲地区(510~740 m)^[4]的冻土层厚度, 天然气水合物储藏深度相应变浅(115~396 m)。

图2给出了木里科学钻井DK-1的电阻率测井结果。根据钻孔资料综合分析, 纵向由表及深的沼泽层、长年冻土层、非冻土层的岩性特征、电性特征、电磁波响应具有明显的分带性(表2)。沼泽层以土壤和液态水体组成, 厚度0~1.0 m左右, 电阻率极低, 是良导层, 对电磁波有吸收作用; 沼泽层之下的冻土层由粉砂岩、细砂岩、粗砂岩及含煤层地层组成, 冻土厚度一般50~70 m, 最厚见于DK-1钻孔, 冻土厚95 m。岩石及构造孔隙以结晶水的形式赋存, 整体呈现高电阻率层(不同岩性的电阻率受孔隙结晶水的影响, 使得电阻率趋同), 导电性差, 但电磁波易于传播; 冻土层之下的非冻土层由细砂岩、粉砂岩、泥岩、油页岩及少量中砂岩组成, 电阻率相对较低, 但天然气水合物赋存层电阻率较高。据木里DK-1、DK-2、DK-3、DK-4钻孔所见天然气水合物的深度位置^{[5, 17, 18]}, 推断深度在115~396 m是天然气水合物赋存的有利层位, 理论上都可以形成天然气水合物。但由于岩石孔隙度和裂隙发育的不同, 造成烃类气体富集程度存在差异, 形成木里天然气水合物横向和纵向上的不连续赋存特征^{[17, 18]}。

图2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 木里科学钻DK-1电阻率测井曲线 (据文献[5]修编)

表2

表2

表2 木里冻土区岩性和物性特征 纵向分层 厚度 岩性特征 电性特征 电磁波 响应特性 沼泽层 0~1 m 土壤、液态水 低阻 吸收效应 长年 冻土层 50~70 m, 最厚95 m 细砂岩、粗砂岩、煤层, 岩石及构造孔隙被结晶水充填 高阻 易于传播 非冻土层 深度115~396m是天然气水合物赋存的有利层位 细砂岩、粗砂岩、泥岩, 岩石及构造孔隙被液态水充填 低阻(砂岩 类); 高阻 (天然气水 合物) 二次电磁 场差异大

表2 木里冻土区岩性和物性特征

木里聚乎更研究区纵向电性特征可归纳为:①浅表沼泽的良导层, 电磁波吸收效应明显; ②冻土层包含煤层的高阻层, 电磁波易于传播; ③冻土层以下非冻土层低阻背景内, 赋存天然气水合物的局部高阻层位, 电阻率差异明显, 具备瞬变电磁法应用的物性基础。

瞬变电磁法(TEM)是一种以地壳岩(矿)石的导电性与磁性差异为物质基础的时间域电磁探测方法^{[19, 20, 21]}, 其优势之一是对高阻地质体穿透能力强, 克服了高阻屏蔽效应; 优势之二是不接地发射及接收回线装置克服了接地电磁法在富含水地表布设装置的难题及数据采集带来的干扰, 但表层潮湿环境会影响其探测深度。

5.1 野外剖面设计及数据采集

实验剖面布置于木里聚乎更矿区, 设计剖面全长1 125 m, 点距25 m, 有效测点46个, 剖面线经过天然气水合物科学研究钻井DK-1(图3), 便于验证方法的有效性。实验剖面起于凸起的坡底基岩裸露部位, 1~3号测点位于基岩裸露区, 其他测点均位于沼泽地表之上, 地势相对平缓(图4)。

图3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 TEM实验剖面及钻孔位置

图4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 木里冻土区沼泽地表环境

瞬变电磁法因发射线圈和接收线圈的相对位置不同而有多种装置形式, 重叠回线和中心回线装置是常用的组合方法。本次实验使用中国地质大学(武汉)高科资源探测仪器研究所生产的CUGTEM-8智能深部勘查型瞬变电磁仪, 采用重叠回线装置, 发射回线和接收回线边长25 m× 25 m, 通过实验确定供电电流200 A, 供电脉宽20 ms, 采样率4 μ s, 测点数据记录自动20次叠加平均值。

5.2 数据处理

5.2.1 滤波

实验剖面与聚乎更露天煤矿开采区相邻, 矿山电力、矿山机械都可能产生干扰电磁波, 选择合适的滤波方法是瞬变电磁数据处理的前提, 合适的滤波处理后的归一化电位时间道多测道曲线应协调性好, 无交叉。此次直接采用仪器自带程序选择滤波组合方法, 图5为TEM野外采集数据滤波处理后的时间道归一化电位多测道曲线。

图5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 TEM实验剖面时间道多测道曲线

5.2.2 地形及深度校正

滤波后的时间道归一化电位多测道数据通过专用反演软件反演各测点不同深度的电阻率值。为了便于与DK-1的测井数据对比, 将DK-1钻孔的地表高程值设置为0 m, 其他TEM测点GPS高程值减去DK-1钻孔地表的GPS高程值, 得到各测点的高程差用于电阻率断面图的地形改正。

经过地形改正后各测点的垂向深度非真实深度, 它是与二次场电磁波在介质中传播时长相关的视深度, 与实际深度存在误差, 还需依据钻孔标志界线进行深度校正。木里聚乎更研究区确切的深度标志是钻孔所见冻土层与非冻土层的分界线, 这一分界线在DK-1钻孔中的深度为95 m^[5], 对比经反演及地形改正后电阻率断面(图6)上DK-1钻孔位置上部高阻底界的深度值, 将二者比值作为深度校正系数, 校正各测点的视深度值。由于瞬变电磁法本身浅部探测盲区的不可改变, 经过地形及深度校正后会形成地表浅部一定深度的空白区。由于沼泽地表富水环境的电磁波吸收效应导致探测深度有所降低, 未能探测到更深部地质体的电性信息。

图6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 TEM实验剖面反演电阻率断面

图6中存在上部连续的较厚高阻层和基于下部低电阻率背景之间的不连续较薄高阻层, 由浅及深的电阻率变化符合木里聚乎更研究区纵向电性分带特征(表2), 与天然气水合物科学钻DK-1的电阻率测井结果基本一致(见图2)。上部连续高阻层电阻率值为100~320 Ω · m, 下部低阻背景电阻率值为0~60 Ω · m, 电阻率差异明显, 分层清楚, 符合表1木里地区长年冻土层电阻率平均值是非冻土电阻率平均值2.79倍的电性规律; 认为电阻率断面上部高阻层是长年冻土层的电性响应, 下部低阻背景是非冻土层的电性响应。

图6下部低阻背景之间的不连续高阻层, 其电阻率值在80~240 Ω · m之间, 是非冻土层电阻率值的4倍左右, 与木里天然气水合物赋存层电阻率高于非冻土层电阻率的结果一致, 且储藏深度符合钻孔推断115~396 m是木里聚乎更矿区天然气水合物赋存层位的认识; 认为TEM剖面电阻率断面上位于110~200 m之间横向不连续的高阻层位是天然气水合物赋存的电性响应。

由于瞬变电磁法与电阻率法测井的原理不同, 且瞬变电磁法存在体积效应, 测点纵向电性分辨率较电阻率法测井的电性分辨率要低。

1) 天然气水合物赋存层的电阻率明显高于围岩非冻土层的电阻率, 具备瞬变电磁法探测天然气水合物的物性基础。木里聚乎更矿区瞬变电磁法实验研究结果表明:瞬变电磁法不仅可以探测到冻土层之下的非冻土层, 而且可以探测到非冻土层内不连续的高阻异常体。

2) 瞬变电磁法在非冻土层内探测出的不连续高阻层位与实际钻孔资料所推断的天然气水合物的储藏层位具有高度可比性, 认为该不连续高阻层位指示了天然气水合物赋存层位, 值得进一步关注。

3) 瞬变电磁法工作方便, 周期短, 效率高, 天然气水合物赋存层电性响应明显, 是沼泽覆盖长年冻土区探测天然气水合物的有效方法。