工作区所在吐哈盆地属天山造山带中的山间盆地, 位于吐哈盆地西南缘艾丁湖斜坡带西段, 由吐鲁番和哈密两个坳陷组成。出露地层由老到新依次为:石炭系、侏罗系、新近— 古近系、第四系。断裂构造主要有位于设计区南侧的北西— 南东向的高角度逆掩断裂和盆地边缘的苏巴什断裂, 褶皱构造为一些宽缓低角度的背斜和向斜, 如白嘴山隆起、十红滩鼻状背斜等。

近几年来核工业二〇三研究所在该区进行了钻探揭露, 通过对测井资料统计和岩芯测量的各种岩性电阻率结果统计(表1)可知, 电阻率随岩石粒度变化较明显, 即粒度越粗电阻率越高。同时也可看出, 两种测量方法得到的电阻率值变化趋势一致性较好, 但相同岩性电阻率值存在差异, 表明测量条件的不同对测量结果影响较大。从对比中不难看出, 测井结果使各岩性间的电阻率值降低, 差异减弱, 说明地电特征除了受岩性、粒度的影响外, 还受岩石孔隙度、含水性、致密性等的影响。本区瞬变电磁勘探背景条件较好, 适合进行瞬变电磁测量和实验。

表1

表1

表1 十红滩地区岩石电阻率统计[3]Ω · m 岩性 测井数据 岩芯数据 样品个数 平均值 均方差 变化范围 样品个数 平均值 变化范围 泥岩 86 13.4 3.59 7.0~21.0 21 17 2~33 炭质泥岩 12 24 6~93 粉砂质泥岩 66 14.65 5.47 8.0~26.0 粉砂岩 35 15.77 5.78 9.0~26.0 细砂岩 147 20.00 13.87 9.0~38.0 12 28 10~73 中砂岩 81 22.11 12.62 10.0~44.0 中粗砂岩 10 154 92~301 粗砂岩 40 24.10 8.80 14.0~37.0 砾岩 88 37.40 28.79 12.0~100.0 11 182 致密钙质砂岩 33 62.53 45.83 13.0~160.0 15 194 108~380 煤岩 18 67.77 29.36 35.0~381.0 6 394 114~536

表1 十红滩地区岩石电阻率统计[3]Ω · m

研究区内地层由上而下分别为第四系、新近— 古近系、侏罗系和石炭系, 缺失白垩系。第四系为砾石、松散砂砾组成的洪积、冲积层。该层几乎覆盖了整个工作区, 其厚度从十几到几十米, 在盆地南缘有缺失现象, 电阻率一般在几十欧姆米。

新近— 古近系在盆地南缘较薄, 部分地区缺失, 向北则逐渐加厚, 其厚度一般为几十米, 局部地段可达一百多米。电阻率一般在几十欧姆米, 表现为偏高电性层。

侏罗系厚度一般为几十到几百米, 岩性主要有砾岩、砂岩、泥岩、煤岩等, 以互层结构产出, 电阻率一般在几到几十欧姆米。

石炭系为本地区基底地层, 埋藏深度一般为一百到几百米不等, 主要由浅变质中性火山岩、熔岩、凝灰岩及致密的砂岩、砾岩组成, 其电阻率一般为一百至几百欧姆米, 表现为高阻体特征。

图2给出了实际测量的定源发射框及测量点位布设, 发射线框为500 m× 500 m的正方形, 布设了3条测线, 线距400 m, 点距50 m。其中44号测线为过测框中心的框外加框内测线。

图2

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	图2 大定源装置野外布设实际测量点位

采用这种布设方式, 发射线框可控制2.4 km²的测区, 能够最大化地提高工作效率。40号测线北端受新矿高压线(30 kV)影响, 部分测点未能采集数据, 故40号测线长度只有2.5 km。44、48号测线长度均为3 km。

本次野外工作使用加拿大GEONICS公司生产的PROTEM系列瞬变电磁仪进行, 测量参数为:25 Hz, 20门, 发射电流16 A, 3d-3线圈接收。

目前市面常用的瞬变电磁数据处理软件Maxwell、EMIGMA等均提供针对三分量数据的正演逼近和反演拟合, Maxwell中的CSIRO建模套件已发展30多年, 其十余种各具针对性的建模算法供用户根据应用环境进行选择。然而所有算法的计算都是在频率域进行的, 通过时频转换可转换到时间域, 软件采选全波分析, 并未采用准静态近似法^[6]。EMIGMA采用的非线性近似法最早由R.W.Groom于1999年发表^[7], 并在2003年推出该方法的三维计算方法^[1]。EMIGMA三分量建模主要通过将目标地质体进行分类, 在同一个建模区内利用不同属性的模型来模拟不同的地质情况, 这种建模方式更为直接, 也能更好地完全反应地下信息^[8]。本次数据拟合采用EMIGMA软件进行。

3.3.1 数据拟合结果

衰减曲线首支衰减速度较快, 之后速度减慢, 尾支数据衰减极慢, 遂考虑从2层地电模型开始进行正演拟合。以40线0点为例, 原始曲线、正演曲线和反演曲线拟合结果见图3。

图3

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	图3 测区40线0点曲线拟合结果

经多次修改, 将初始模型最终修改为4层, 模型参数为:h₁=50 m, ρ ₁=50 Ω · m; h₂=10 m, ρ ₂=5 Ω · m; h₃=300 m, ρ ₃=15 Ω · m; h₄=1 000 m(底界面), ρ ₄=20 Ω · m。之后, 利用该正演模型作为反演初始模型进行反演。因正演模型与实际曲线模型较为吻合, 故以此模型进行反演时, 反演效率高且反演结果改动不大, 反演分层厚度和电阻率数值都和正演拟合模型的分层厚度与电阻率数值相似, 故将该模型推广到其他测点。最终根据模型修改结果, 将测线南侧划分为3个电性层, 测线北部划分为5个电性层。

3.3.2 数据处理结果

图4为48号测线三分量马奎特反演剖面。48号测线北部地下400 m内可以分为5个电性层面, 第一电性层为高阻盖层及地面盲区损失; 第二电性层为50~60 m低阻薄层; 第三电性层为60~100 m中高阻薄层; 第四电性层为100~300 m厚层低阻层; 第五电性层为300 m以下高阻基底岩层。通过与测区岩石电阻率统计结果(表1)对比, 认为测线北部50~60 m低阻薄层电阻率特征符合泥岩或粉砂质泥岩特征, 60~100 m中高阻薄层电阻率特征符合钙质砂岩特征, 100~300 m厚层低阻层电阻率特征符合粉砂质泥岩或粉砂岩特征, 300 m以下高阻层电阻率特征符合中砂砾岩和粗砂砾岩特征。在测线中部推测出一条断层F1, 断层下盘抬升导致测线南端第一、第二电性层被剥蚀, 只剩下第三、第四、第五电性层。F1对250 m以下的高阻岩层影响不大, 主要影响50~250 m的低阻岩层, 根据其上下盘之间的相对关系判断其为正断层, 倾角小于50° 。40、44号测线剖面结果与48号测线结果类似, 在此不再赘述。

图4

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	图4 测区48号测线三分量马奎特反演剖面

其后, 在测区48号测线19 380 m处布钻ZKT-01进行验证, 该孔终孔深度219.69 m, 钻孔岩性柱状图见图5。结合岩性柱状图和当地电性参数表, 推测该区近地表第一电性层为盲区和第四系覆盖的综合响应; 50~60 m之间的第二电性层为第四系冲积物及洪积物层中的潜水面影响, 并非真实地层响应; 60~100 m第三电性层为第三系钙质砂岩层; 100~300 m第四电性层为侏罗系砂泥岩等互层, 由于终孔深度不足300 m, 故对于300 m以下第五电性层, 仅根据其电阻率值推断为中砂砾岩和粗砂砾岩。

图5

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	图5 钻孔ZKT-01岩性柱状图

在三分量地层建模图(图6a)中, 可以清楚地看到60~100 m中高阻薄层和100~300 m厚层低阻层的响应。这两个层面在3条测线测量范围内较稳定, 仅在断层位置层面厚度和深度出现不一致的情况, 由于潜水面显示的低阻层太薄, 所以在三分量建模中表现不明显。对该模型在100、150、300 m分别进行切片, 结果见图6b、图6c、图6d。图6b切片介于第三系钙质砂岩层与侏罗系砂泥岩互层之间, 断层反应较为明显; 图6c切片位于侏罗系砂泥岩互层内, 断层反应不明显, 这主要是因为断层两侧电阻率差异较小, 且断层没有充水和破碎迹象造成的; 图6d切片介于侏罗系砂泥岩互层和其底部中、粗砂砾岩之间, 断层反应明显。采用三分量数据制作地层模型时, 由于利用的是x、y分量数据进行插值, 其测线和测点之间的数据量相比单纯的z分量测量多, 所以其模型精度也更高。利用x、y分量参与建模运算提高了测线和测点之间的数据精度, 这对减少多解性影响、提高模型精度具有重要意义。

图6

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	图6 三分量测区地层建模图及切片示意