研究区位于江西北部修水县至武宁县内的修水— 武宁盆地。大地构造处于扬子准地台东南缘江南台隆北缘及其与下杨子台褶带南缘的过渡部位, 该区经历了地槽、准地台— 地台及大陆边缘活动等三个大的构造演化阶段, 加里东期以上升为主, 伴随有褶皱作用, 燕山期表现为强烈的断裂作用, 喜山期为平缓的坳褶作用。

区内地层发育较全, 自中元古界双桥山群至三叠系及古近系和第四系均有不同程度的分布, 但以中元古界和新元古界震旦系至下古生界志留系为主。双桥山群是区内出露最老的地层, 它构成本区的基底构造层, 其岩性主要为泥砂质板岩、凝灰质板岩。

寒武— 志留系盖层根据沉积相、建造组合特征可划分为三部:最下部为硐门组(Z₁d), 由陆缘— 滨岸相碎屑岩组成; 中部为南沱组(Z₁n)冰碛岩和上震旦统陡山沱组(Z₂d)、皮园村组(Z₂p)以及下寒武统王铺组(∈ ₁w)、观音堂组(∈ ₁g)组成的碳硅泥岩系(其自下而上为含铁锰质碳酸盐岩→ 碳酸盐岩夹硅质岩→ 硅质岩夹碳酸盐岩和炭质泥岩→ 炭质泥岩的变化系列); 上部由中、上寒武统, 奥陶系及志留系构成。寒武系杨柳岗组(∈ ₂y)、华严寺组(∈ ₃h)和西阳山组(∈ ₃x)的岩性主要为灰黑色灰岩, 奥陶系以硅质泥页岩为主。志留系梨树窝组(S₁l)以页岩为主, 夹砂岩、粉砂岩, 坟头组(S₂f)主要为粉砂岩、粉砂质页岩。

修武盆地为一复式向斜结构, 南部为罗洞次向斜, 北部修武盆地主向斜。页岩气主要目的层为震旦系皮园村组(Z₂p)、下寒武统王铺组(∈ ₁w)、观音堂组(∈ _1g)的灰黑色含碳页岩和碳质页岩。修武盆地黑色页岩发育^{[13, 14]}, 根据秦伟颖^[15]等人的研究, 修武盆地具有较好的页岩气成藏条件。本次物探勘查的目的是基本查清罗洞向斜的地层结构、断裂构造产状、黑色页岩的分布等, 为本区页岩气评价及页岩气探井的布设提供依据。2 研究区岩石电性特征

根据前人对本区岩石物性的统计(表1), 前震旦系的泥岩、砂岩、千枚岩、千枚状板岩等岩石电阻率通常都大于1 000 Ω · m, 表现为中高阻。震旦系硐门组、南沱组、陡山沱组、灯影组的各类岩石电阻率常见值在1 000~20 000 Ω · m, 总体表现为高阻特征。寒武系王音铺组和观音堂组的碳质页岩、含碳泥岩电阻率常见值在5~20 Ω · m, 表现为低电阻率特征。但寒武系杨柳岗组的条带状灰岩、瘤状灰岩电阻率常见值在2 000~4 600 Ω · m, 为高阻, 泥质灰岩电阻率为低电阻率特征; 古近系红层砂砾岩电阻率一般在329~4 000 Ω · m为相对高阻。另外表中没有的志留系岩层主要由砂岩、砂质页岩组成, 电阻率应该也表现为低阻。

从以上分析可知, 泥岩、页岩的电阻率很低, 砂岩、粉砂岩电阻率处于中等, 而灰岩电阻率最高。过渡性岩石电阻率取决于其矿物含量及结构。可以看出, 由于页岩气目标层低阻特征明显, 为AMT方法的开展提供了很好的物性基础。

表1

表1

表1 研究区不同时代岩石电阻率统计Ω · m 地层时代 岩性 一般值 常见值 古近系 E 红层堆积砂砾岩 329~4 000 中寒武统 杨柳岗组∈ 2y 泥质灰岩 184~1 400 50~250 条带状灰岩、瘤状灰岩 1 067~48 480 2 600~4 500 下寒武统 观音堂组∈ 1g 炭质页岩、炭质泥岩、含炭泥岩 6~34 20 王音铺组∈ 1w 高炭泥质岩, 炭质泥岩、磷结核炭质页岩 5~3 000 5~20 上震旦统 灯影组Z2dn 含炭硅质岩 800~40 000 1 800~4 000 硅质泥岩、硅质岩 13 250~342 222 5 300~5 800 陡山沱组Z2d 压碎白云岩、硅质白云岩 232~11 000 1 300~3 500 泥质白云岩 278~66 600 1 400~3 000 下震旦统 南沱组Z1n 含砾冰碛泥岩、冰碛砂岩 582~689 524 5 000~20 000 硐门组Z1d 长石石英砂岩 1 278~216 600 1 278~20 000 青灰色条带状硅质岩、粉砂质细砂岩 1 170~93 600 10 000~20 000 中元古界 双桥山群Pt2 泥质板岩、千枚状泥质板岩 152~96 000 800~6 000 泥岩、砂岩、千枚岩、千枚状板岩、凝灰质粉砂岩 340~8 889 3 500~6 000 注:引自核工业北京地质研究院(张待时等, 1993)

表1 研究区不同时代岩石电阻率统计Ω · m

音频大地电磁测量(AMT)方法利用的场源为太阳风和雷电产生的天然电磁场, 通过测量不同频率的电磁场, 就可以探测不同深度地下地质体电阻率的分布特征, 解决具有电阻率差异的各种地质问题。AMT探测的频率范围为1~10⁴ Hz, 其解决地质问题的深度通常在2 km以内。

本次AMT测量采用加拿大凤凰公司的V8多功能电磁采集系统, 采用EMAP方式进行张量数据采集。野外数据采集时3台V8仪器同时进行测量, 中间一台V8主机测量相互正交的磁场H_x、H_y和电场E_x、E_y共4道数据, 两边布置2台采集站, 仅测量电场E_x, E_y2道数据, 测量间距为50 m, 电极距50 m, 从而减少静态效应的影响, 提高最终资料的纵横向分辨率。AMT野外采集时间为30~60 min, 以保证AMT能采集到最低5 Hz的天然场信息, 并且保证信号的信噪比较高, 从而探测 1 000 m 深度范围内的地质目标。

数据处理时, 首先人工分析时间序列数据, 剔除两端干扰大的数据, 再对数据进行ROBUST处理, 以压制干扰, 提高数据信噪比, 得到张量阻抗。再采用正则化二维反演方法对测线数据进行反演处理, 得到电阻率断面图。

从AMT反演后得到的电阻率断面(图2)可看出, 整个电阻率剖面由南向北表现了向斜特征, 在2 km后, 电阻率表现为连续的层状分布, 表明了修武盆地罗洞向斜地层较稳定, 变化平缓。电阻率从下往上总体可分为5层。

图2

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	图2 修武盆地AMT电阻率反演及推断解释成果

第一层为灰黑色高阻, 整体表现为电阻率大于1 000 Ω · m, 分布于剖面2 km以南, 主要对应的地层为Pt₂(双桥山群) 和Z₁n(南沱组)的长石石英砂岩和冰碛砾岩, 此地层为老地层, 受上覆地层压力影响, 岩石结构致密, 其电阻率特性表现为高阻, 深部存在的大于10⁴ Ω · m的高阻体可能为侵入上涌的花岗岩; 由于受构造挤压作用, 此地层层状特征不明显, 但高电阻率的性质反映了岩性的特征。

第二层为有南向北缓慢倾斜的低阻层, 该低阻层总体是连续的, 电阻率小于500 Ω · m; 在剖面4.5~7.5 km处有一向上拱起的低阻发育, 表明该地区深部曾发生过构造运动, 形成了褶皱; 该低阻层应该对应蓝田组、皮园村组、王音铺组和观音堂组的泥质页岩夹硅质页岩、碳质页岩夹硅质页岩、碳质页岩、碳硅质页岩, 这些岩石总体都表现为低阻特征, 当硅质含量高时, 电阻率会升高些, 使得电阻率达到300~500 Ω · m, 其他地段主要为黑色页岩, 电阻率小于300 Ω · m。

第三层为高阻层, 电阻率整体大于1 000 Ω · m, 主要为杨柳岗组的灰岩、条带状灰岩以及泥质灰岩, 其中两端的高阻为灰岩和条带状灰岩, 电阻率为大于3 000 Ω · m, 中部5~7 km处的低阻反映的是泥质灰岩, 电阻率在1 000~3 000 Ω · m, 此特征表明该地层在沉积时可能发生了相变。

第四层为低阻层, 电阻率整体小于500 Ω · m, 应该对应华严寺组和西阳山组并层的泥质灰岩, 该层连续性较好, 低阻分布稳定, 表明沉积过程稳定。

第五层表现为高阻夹低阻特征, 表现了印渚埠组和宁国组并层的页岩夹灰岩性质, 当页岩中夹灰岩少时表现为低阻, 页岩中夹灰岩多时表现为高阻。电性层与地层及岩性对应关系见表2。

表2

表2

表2 电性层与地层及岩性对应关系 电性层特征 地层 岩性 高阻(> 1 000 Ω · m) Pt2(双桥山群) 长石石英砂岩为主 Z1n(南沱组) 冰碛砾岩 低阻(< 500 Ω · m) Z1l(蓝田组) 泥质页岩夹硅质页岩 Z2p(皮园村组) 碳质页岩夹硅质页岩 ∈ 1w(王音铺组) 碳质页岩 ∈ 1g(观音堂组) 碳硅质页岩 高阻(> 1000 Ω · m) ∈ 2y(杨柳岗组) 灰岩、条带状灰岩夹泥质灰岩 低阻(< 500 Ω · m) ∈ 3h-x(华严寺组和西阳山组并层) 泥质灰岩夹页岩 高阻夹低阻 O1y-n(印渚埠组和宁国组并层) 页岩夹灰岩

表2 电性层与地层及岩性对应关系

另外, 根据电阻率的横向变化特征, 推测了3条断裂构造。在剖面2 km附近发育的向下延伸的舌状低阻为一条控盆断裂F1, F1断裂控制了罗洞向斜的产状特征, 在剖面2.6 km处存在的小舌状低阻应该也为一条断裂(F2)的反映, 推测为F1断裂的次级断裂。在剖面10 km附近存在的向下发育的低阻为F3断裂的反映, 此断裂为罗洞次斜在北部西边一条已知逆断层在东部的延伸, 倾向南, 证实了前人推测此处存在的一条逆断层的存在。

从反演后的电阻率剖面看, 目的层观音堂组和王音铺组的黑色页岩表现为低阻, 特征明显, 连续性较好, 在罗洞向斜中心其埋深接近 1 km, 黑色页岩厚度较大, 大于300 m。

中国地质调查局油气中心和江西省页岩气调查研究院根据本次音频大地电磁探测成果, 结合地质调查及其他资料, 在罗洞向斜北部大田村附近部署了一口页岩气预探井赣页1井(见图1), 位于罗洞向斜的北部边缘, 赣页1井离物探剖面垂向距离 2.5 km。钻孔结果表明, 页岩气目标层(皮园村组、王音铺组、观音堂组)黑色页岩埋深为668 m, 厚度200 m。地表地质调查表明, 皮园村组一般厚200 m, 最厚可达406 m, 与下伏地层之间普遍存在滑脱断层, 因滑失而厚度减小为39~197 m。王音铺组厚59~143 m, 观音堂组厚92~274 m, 因此罗洞向斜深部黑色页岩层厚在100~600 m^[15]。考虑到黑色泥页岩厚度的变化, 以及物探剖面距钻孔的距离等, 认为此次物探剖面推测的成果基本可靠。

图1

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	图1 研究区地质构造简要

本次工作对利用音频大地电磁法来探测页岩气黑色页岩层进行了有益的试验, 通过应用研究得到以下结论:

(1) 利用AMT探测成果, 基本查清修武盆地罗洞向斜的结构, 罗洞向斜在剖面上长约8 km, 为一宽缓向斜。

(2) 根据AMT探测结果, 基本查清了地层结构。从深至浅, 划分了5个电性层, 有的电性层能直接对应地层, 如第三层高阻电性层对应杨柳岗组, 有的电性层是多个地层并层的反映, 如第四层低阻层对应华严寺组和西阳山组并层。

(3) 得到了罗洞向斜中页岩气目标层特征。在罗洞向斜页岩气目标层位(Z₂l、Z₂p、∈ ₁w、∈ ₁g)为黑色页岩系组, 显示为低电阻率特征, 在向斜核部, 埋深大约1 000 m, 目标层厚160~200 m。

(4) 在南方海相沉积地区, 由于页岩气黑色泥页岩目标层相对围岩表现为低阻, 物性条件充分, 音频大地电磁法效果较好。但由于南方海相沉积区一般都为多期沉积, 有多层泥页岩分布, 使得整个地层的纵向电阻率较低, 因此探测深度不大, 其有效探测深度一般不超过2 km。

(5) AMT方法由于存在体积效应, 其探测分辨率相对地震方法较低, 但由于AMT方法设备轻便、勘探成本低, 施工效率高, 且探测低阻的黑色岩系灵敏, 因此在页岩气勘探的前期, 可利用AMT方法, 充分发挥其优点, 为页岩气勘探选区和评价提供了深部地质资料。

致谢:本项目得到了漆富成研究员、张字龙高工的热情指导与帮助; 在野外工作期间, 得到江西省页岩气调查开发研究院刘建峰高工、曾里工程师的大力协助, 在此一并表示衷心感谢!