0 引言
当然,选择石盐资源评价方法的决定性因素为石盐与顶、底板岩石物性的差异。一般,石盐的密度为2.1×103 kg/m3,钾盐的密度为2.0×103 kg/m3,比其他沉积岩如灰岩、泥岩、砂岩等要低,因此以密度差异为物性提前的重力勘查、地震勘查方法具有效果。最近,通过测井发现,万象盆地中的石盐矿层比泥岩、砂岩具有较高的电阻率,但石盐溶解后周围的泥岩电阻率降低[12]。漳(县)武(山)断陷盆地中低阻层中微弱的高阻体对应石盐层[4]。在沧东断凹石盐矿床找矿标志的研究中,认为石盐与石油共生或者伴生,石油是一个标志;白色石膏泥岩之下往往发育石盐层,它是一种岩性标志;断凸围绕的沉降中心(成盐盆地)为构造标志;成盐盆地岩层的电阻率呈低阻异常,是物探标志[10]。可见,石盐与其他沉积岩,沉积石盐的成盐盆地的岩层与其他构造单元的岩层可能存在电阻率的差异。
基于电阻率参数可能具有圈定成盐盆地的物性前提,加之以密度差异为基础的重力勘查方法测深能力弱,探测深埋的石盐矿体效果差,也因地震勘查施工效率低、成本高、周期长的弱点,本文拟在石盐矿床已知区开展大地电磁测深法深圈定成盐盆地的研究,探索新生代盆地盐类矿床成矿远景区的第四种评价组合——大地电磁测深法与钻探的组合。
1 试验区地质概况
试验区位于河北省任丘市苟各庄镇、龙湾乡。大地构造上位于新生代渤海湾盆地之冀中坳陷,其次单元西南部为白洋淀洼槽,中部为高家堡背斜,东北部为霸州洼槽(图1)。
图1
图1
试验区钻孔及大地电磁测深点分布
Fig.1
Distribution of boreholes and magnetotelluric sounding points in test area
试验区地质调查历史与研究程度较高。1974年在高家堡背斜施工的ZK4井见油,是冀中坳陷的第一口自喷高产油流井[13]。试验区内现有ZK4、ZK3、ZK2和ZK1等,分布于霸州洼槽内,石盐矿体发育情况较为清楚。
ZK4井:未见发现盐岩及盐膏的报道。
ZK3井:井深3 790 m,未穿透沙河街组沙四段。在沙一段无盐岩或盐膏;沙二段发育4层盐膏,其埋深3 485~3 535 m;沙三段无盐岩或盐膏。
ZK2井:井深4 014 m,未穿透沙河街组沙四段。在沙一段无盐岩或盐膏;沙二段发育16层盐膏,其埋深3 390~3 740 m;沙三段无盐岩或盐膏。
ZK1井:井深3 630 m,未穿透沙河街组沙四段。在沙一段见1层盐岩,其顶埋深3 040 m,厚约3 m;沙二段发育1层盐岩和14层盐膏,其埋深3 150~3 315 m。沙三段无盐岩或盐膏。
试验区石盐矿层赋存于古近系沙河街组沙二段为主,局部沙河街组沙一段发育,沙三段未见。含石盐岩系由泥岩、泥灰岩、泥膏盐、膏盐、石盐组成,其厚度约为0~350 m;含石盐岩系中的石盐及膏盐矿层0~16层,单层厚度为2~10 m不等,埋深在3 150~3 740 m。
试验区除古近系的沙河街组外,上伏地层依次为古近系的东营组、新近系的馆陶组和明化镇组、新四系,下伏地层为古近系的孔店组。它们属于盆地沉积,多为陆相沉积,局部可能存在海相沉积,其中沙河街组的沙四下亚段、沙二段发育有半咸水湖深积[14],可形成石盐及膏盐沉积。盆地基底地层主要为奥陶系、寒武系、蓟县系等非蒸发碳酸盐岩为主的地层。
2 地层电阻率特征
试验区外围的地层电阻率具有一定的差异。碳酸盐岩地层的电阻率显著高于碎屑岩地层,相差约10倍[15]。因此,应用大地电阻率深测在本区“探边摸底”具有电性前提。盆地内部,根据邻区钻孔岩心电阻率测定与工区电阻率测井资料来初步分析大地电磁测深法的物性前提。
表1 邻区(黄骅台陷)岩心电阻率统计结果
Table 1
| 岩性 | 电阻率/(Ω·m) | 岩性 | 电阻率/(Ω·m) |
|---|---|---|---|
| 泥岩 | 11~32 | 钙质泥岩 | 66~85 |
| 粉砂岩 | 11~21 | 石膏岩 | 200~400 |
| 砂岩 | 15~35 | 岩盐 | 300~800 |
| 泥页岩 | 28~52 |
该数据来自久存的岩心,测定方法粗略,仅供参考。
根据工区电阻率测井资料统计,第四系的电阻率高于新近系、古近系:第四系的电阻率约为11.0~29.0 Ω·m,平均17.5 Ω·m;新近系明化镇组上段电阻率约为5.87~17.4 Ω·m,平均10.6 Ω·m,下段4.35~8.65 Ω·m,平均6.0 Ω·m,馆陶组电阻率3.49~6.20 Ω·m,平均4.46 Ω·m;古近系东营组及沙河街组电阻率约为2.48~5.50 Ω·m,平均4.12 Ω·m,孔店组电阻率约为3.60~12.9 Ω·m,平均6.54 Ω·m。其中,ZK1、ZK2、ZK3古近系沙河街组的电阻率测井曲线见图2,可以发现,含石膏岩层、岩盐层的电阻率明显地高于围岩,与表1所示的特征近似;同时,含石膏岩、岩盐岩段的电阻率也明显低于不含石膏岩、岩盐岩段的电阻率。若地层中含矿化水,其电阻率随矿化度的增加呈指数式下降[17]。石盐及膏盐在半咸水、咸水中沉积,地层中可能存在残留的高矿化度水,可能具有相对更低的电阻率。因此,虽然石膏岩层、岩盐层具有较高的电阻率,但它们层薄,对电磁波具有透明性,而含石膏岩层、岩盐层的岩段具有层厚的几何特征与低电阻率的电性特征,开展大地电磁测深法以查明含石盐岩系亦具有一定的电性前提。
图2
图2
试验区含盐岩地层电阻率测井曲线
Fig.2
Resistivity logging curve of salt-bearing formation in test area
3 方法技术
试验区共获得20个大地电磁测深点(图1)的数据,主要分布于霸州洼槽,兼顾高家堡背斜及白洋淀洼槽。霸州洼槽中的大地电磁测深点围绕ZK4井、ZK3井、ZK2井、ZK1井分布。
野外数据采集采用张量测量法,仪器设备采用加拿大生产的MTU-5A型电磁网络采集系统。使用观测天然电磁场的4个水平分量(Ex、Ey、Hx、Hy),布极方式为“十”字型,电极距为60 m,用皮尺量取距离,误差不超过10 cm,布极方向由森林罗盘仪精确定位,偏差不超过1°,水平磁棒入土深度为30 cm,垂直磁棒入土深度为磁棒长度的1/2,分别用水平仪校准。每个测点的观测时间通常大于5 h,可以处理得到频率范围为3.2×102~0.01 Hz的信号, 根据工区实际电性特征,假设平均电阻率为10 Ω·m,按趋肤深度估算公式计算,可探测深达 15 000 m范围内的电性结构。
使用快速傅里叶分析技术、人工挑选功率谱技术、自适应相干度门坎值选择技术、Robust处理技术等对每个大地电磁测深点的时间序列原始数据进行了再处理,以突出有用信号,抑制干扰,提高资料的信噪比[18],得到频率域的视电阻率和阻抗相位数据。
经预处理的大地电磁数据,使用基于非线性共轭梯度法(NLCG)方法编制的反演软件WinGlink开展二维地电模型反演运算,其结果构成三维电阻率数据体。可从该数据体中提取不同剖面的或者不同深度的数据切片,结合钻探资料开展大地电磁测深法用于圈定石盐成矿有利区的试验。
4 试验成果
鉴于ZK3井的含盐岩系埋深3 485~3 535 m、ZK2井为埋深3 390~3 740 m、ZK1井在沙一段见一层盐岩埋深为3 040 m及沙二段发育含盐岩系埋深 3 150~3 315 m,拟采用深度为3 000、3 500、4 000 m的等深切片电阻率分布来研究含盐岩系的分布。
深度3 000 m切面的电阻率分布见图3。以电阻率低于10 Ω·m的等值线圈定异常,见有两处。一处在霸县洼槽的西南缘,异常内的已知钻孔为ZK3、ZK2、ZK1,其中ZK1在接近 3 000 m的3 040 m见到盐岩层,ZK3井和ZK2井的含盐岩系距离3 000 m尚有300 m之多;ZK4位于异常区之外,没有发育含盐岩系。可见,异常能指示找矿的远景区,但不能精确定位矿体的存在。另一处低阻异常在白洋淀洼槽内,尚无钻孔控制,其电阻率更低,中心部位低于1.0 Ω·m。两个低电阻率异常各分布于高家堡背斜的两翼,可能成盐时该背斜为高地,两侧为洼地,低电阻率圈闭可能为成盐盆地。
图3
图3
试验区3 000 m深电阻率切片图
Fig.3
Section diagram of 3 000 m deep resistivity in test area
在研究3 000 m深电阻率切面图的基础上,追踪3 500 m与4 000 m深的电阻率切面图,获得小于 10 Ω·m电阻率等值线的分布见于图4。在高家堡背斜的两个洼槽,各自存在一个低电阻率的圈闭:霸县洼槽的圈闭在4 000 m深时面积小,向3 500 m深及3 000 m深时面积扩大,成盐盆地扩大;已知钻孔发现盐岩,是形成石盐的成盐盆地,其盆地中心最低电阻率约为5.0 Ω·m。该异常区之外的ZK4,在3 000~4 000 m段均没有发育含盐岩系。白洋淀洼槽的低阻圈闭从4 000 m经3 500 m至3 000 m,虽然存在扩张的趋势,但其边界变化不大,也推测为成盐盆地,并因其中心电阻率小于1.0 Ω·m,比石盐成盐盆地中心的电阻率要低,因此推测可能为更有前景的成盐盆地。
图4
图4
不同深度切面10 Ω·m电阻率等值线及解释示意
Fig.4
10 Ω·m resistivity isoline of different depth sections and interpretation sketch
5 讨论与结论
1) 以10 Ω·m来圈定成盐盆地,只是根据试验区大地电磁调查成果与钻探成果的观察结果,其小于10 Ω·m异常区内的钻孔分布有含盐岩系,而大于10 Ω·m异常区外的钻孔未见含盐岩系。且本区使用10 Ω·m来圈定成盐盆地,也是粗糙的估计。其他地区由于盆地演化过程的差异导致岩层组合的差异,其电阻率存在差异,用于估计成岩盆地边界的电阻率值因此不同。
2) 成盐盆地中心具有较低的电阻率,大地电磁测深法具有圈定成盐盆地的能力,大地电磁测深法与钻探组合是继地面地质调查与钻探组合、重力勘查与钻探组合、二维地震勘查与钻探组合之后另一类可用之快速圈定新生代盆地盐类矿床成矿远景区的方法组合。
3) 根据古生物研究,冀中坳陷沙河街组四段沉积期在坳陷南部存在武邑县盐湖和晋县盐湖,北部的廊固凹陷的水体也有一定的咸度;沙河街组四段沉积期在束鹿凹陷有一小的咸湖,沉积膏盐层;沙河街组二段沉积期束鹿凹陷的盐湖扩张,晋县凹陷的盐湖消失殆尽;沙河街组一段沉积期在文安—饶阳地区的水体有一定的咸度[19]。结合本文研究的初步结论,将利用大地电磁测法在渤海湾盆地快速圈定盐矿床的成矿远景区,开展深覆盖区盐类矿床的普查工作。
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东濮凹陷是渤海湾裂谷盆地西南缘临清坳陷的一部分，和其他凹陷相比有一个显著的特征就是盐岩十分发育。东濮凹陷北部中央隆起带及周边沙三段自下而上发育了3套大的盐韵律，每套盐韵律又由若干个小盐韵律组成。在岩盐富集的地区是油田的主力产油区，油气富集与岩盐有着密切关系。通过对岩盐层岩心、测井及地震资料进行分析，总结出了盐岩的岩性、电性及地震响应特征；岩性变化为砂泥岩→含膏泥岩→膏盐→盐岩→膏盐→含膏泥岩→砂泥岩演化规律；电性主要表现为极低密度、极低自然伽马、很高电阻率及淡水钻井液扩井径等特殊电性特征；在地震剖面上常表现为强振幅、低频率的响应特征。在分析研究盐岩发育特征的基础上，总结出了盐岩的时空展布规律，同时对盐岩与烃源岩、储集层及盖层的关系进行了探讨，根据实际生产和盐岩的沉积规律对生储盖组合进行了分级。得出生、盖为同一层及生、储、盖在不同的空间与盐岩层有关的生储盖组合关系模式，在此基础上总结了东濮凹陷含盐地层油气成藏模式，明确了盐岩的石油地质学意义，对老油田的滚动勘探具有指导作用。
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通过钻井岩心观察及室内测试分析等方法，对江汉盆地江陵凹陷南缘古新统沙市组四段含盐岩系的沉积特征进行了研究。该时期研究区盐湖的特点是：成盐多期次、沉积连续、淡化—咸化周期性交替，因而成为恢复古气候和古环境的重要研究对象。该区沙市组四段盐层间的层段由非砂岩组成，主要由单层厚度为几毫米至几十厘米、累积厚度达几十厘米至几米的含盐韵律组成，为复成分的蒸发盐矿物、碳酸盐矿物及陆源的黏土和细碎屑矿物等组成的混积岩。借助Fe、Mn、Al、Ca、Mg、Co、Ni、V、Cu等元素含量以及Sr/Ba、Mg/Ca、V/(V+Ni)、Ni/Co、Cu/Zn等值，对盐间段沉积特征和沉积环境进行了分析。认为沙市组四段盐间段沉积环境为湖泊浪基面之下的缺氧还原环境，为常年性较深水分层湖泊。该时期的湖泊可分为微咸水湖、半咸水湖、咸水湖和盐湖。根据典型暖相盐类矿物（原生钙芒硝层）发育广泛和指示气候干旱程度的Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/FeO值特征，推断研究区在沙市组沉积晚期的古气候属于暖旱型气候。
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本文从信号与系统的角度讨论了同步大地电磁时间序列信号之间的依赖关系，选取高信噪比的时间序列信号作为先验数据，用最小二乘法估算依赖关系；结合参考道的数据，合成本地道含噪声时段的数据，最后用合成数据替代噪声段数据，组成新数据，从而在时域中去除大地电磁噪声.西藏地区高信噪比实测数据的试算结果表明，无论电场还是磁场，信号之间的依赖关系是相对稳定的，只与先验数据的长度有关，与时间无关；虽然不同参考点之间的依赖关系不同，但都可以精确合成本地点数据，与参考点地下电性结构和参考距离无关.仿真实验显示，去噪后的信号与原始信号基本一致.实测数据处理结果表明，该方法可以有效去除强噪声干扰，抑制中高频段的近场源效应，同时保留了微弱的有效信号，保证了处理结果的正确性.最后针对方差比方法无法识别的方波噪声，提出了一种简单的平移方法，成功去除了持续时间大于窗口长度的方波噪声；将该方法与远参考技术结合，可以有效抑制近场源噪声干扰，获得光滑连续并且可信的测深资料.
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