0 引言
物探方法在常规油气、非常规油气、矿产资源等领域发挥着重要作用,随着矿产资源日益枯竭,找矿往深部发展,攻深找盲成为当今找矿的重要途径。电磁法作为一种重要的物探方法,因有其测深功能,在深部资源勘查中发挥着重要作用[1,2]。现代工业、城镇等的发展,电磁干扰源越来越多,越来越严重,对仪器的抗干扰能力要求越来越高,在一些特殊的地质环境下部分物探方法难以达到良好的勘探效果。而碳酸盐岩地区严重影响了地震的资料品质,难以取得高品质的深部地震资料成像,特别在山区,因其复杂的地形限制了部分物探方法。贵州紫云地区地形起伏较大,地质构造复杂,为碳酸盐岩覆盖地区,为了查明该区页岩层系的分布与埋深、断裂与构造等,投入了广域电磁法勘探工作。
广域电磁法能突破碳酸盐岩的高阻屏蔽,分辨力高,对其下伏低阻有良好的分辨能力[3],抗干扰能力强,适合复杂地形施工,是一种适合贵州复杂山区碳酸盐岩地区的一种物探方法。通过在贵州紫云地区的页岩气勘探实践,基本确定了页岩层系石炭系打屋坝组的分布、埋深和厚度等,查明了断裂的位置等空间结构,后经钻探验证其成果,在深部页岩气勘探中取得了良好的勘探效果。
1 勘查区概况
贵州紫云县属高源峡谷区,海拔高差达1 482 m,因受北盘江及其支流的强烈切割,切深长达500~700 m,属深切割岩溶侵蚀山区,具有“山高坡陡谷深”的特点,属复杂山区地形(图1),严重影响了广域电磁法的布极,地形对电磁法有较大的影响。
图1
工作区岩溶发育强烈,伏流、地下河床、溶洞、落水洞、竖林、岩溶干沟等水系呈树枝状展布,水系较发达,复杂的碳酸盐地质和地形条件影响了部分物探方法的勘探效果。
紫云地区地层从泥盆系—第四系均有出露(图2),石炭系从老到新依次出露为下统睦化组(C1m)、打屋坝组(C1dw)、黄龙组(C2h)和马平组(C2m)。下覆泥盆系上统代化组(D3d)和桑郎组(D3s)。
图2
上泥盆统(D3)地层以灰岩为主;中统火烘组岩性以碎屑岩为主,且地层较厚(>1 200 m);独山组(D2d)岩性为一套灰岩、泥质灰岩夹白云及白云质灰岩;罐子窑组(D2g)岩性以碳酸盐岩为主;下统莽山组(D1m)岩性以碎屑岩为主。
石炭系睦化组岩性为灰黑、深灰色中—厚层状生物屑泥晶灰岩、泥晶生物屑灰岩为主,夹泥岩、硅化灰岩、硅质岩及泥灰岩,厚达300~350 m。打屋坝组主要岩性为黑、灰黑色薄层状泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩,夹深灰色薄层状硅质岩、泥灰岩。下部为黑色薄层泥岩、炭质页岩,夹少量深灰色薄层状泥灰岩;中部深灰色薄层状泥岩,夹薄至中厚层状粉砂岩;上部为黑色薄层状泥岩与深灰色薄—中厚层硅质岩组成韵律层,夹深灰色中层泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩,厚300~420 m,为深水陆棚盆地沉积。打屋坝组为本次勘探的目的层。黄龙组和马平组主要由灰白色中厚层至块状灰岩、深灰—灰黑色灰岩、白云质灰岩、白云岩和瘤状灰岩等组成。
二叠系—三叠系岩性以灰岩和白云岩为主。
工作区内褶皱、断裂构造较为发育,褶皱类型主要以隔档式褶皱为主,背斜狭窄紧陡,向斜宽阔舒缓,背、向斜相间分布。工作区有钻井紫云1井,代页1井、长页1井、火花1井和火参1井6口钻井,为资料反演和资料解释提供了标定和依据。
对紫云工区标本电阻率(浸水)进行了统计分析(表1),目标层打屋坝组为低阻层,与围岩具有明显的物性差异,具备了广域电磁法勘探的物性前提,广域电磁法可以分辨。
表1 紫云地区地层电阻率统计
Table 1
| 地层 | 主要岩性 | 标本电阻率/(Ω·m) | 电性特征 | |
|---|---|---|---|---|
| 三叠系 | 以碎屑岩、灰岩、白云岩为主 | 2011 | 中低阻层 | |
| 二叠系 | 以灰岩、白云岩为主 | 9653 | 中高阻 | |
| 石炭系 | 马平组和黄龙组 | 以碳酸盐岩为主 | 9887 | 高阻 |
| 打屋坝组 | 以炭质泥岩、炭质页岩、粉砂质泥岩为主 | 151 | 低阻 | |
| 睦化组 | 以灰岩为主 | 12401 | 高阻 | |
| 泥盆系 | 以灰岩、碎屑岩为主 | 3825 | 中阻 | |
| 前泥盆系 | 以灰岩、白云岩、碎屑岩为主 | 5764 | 中高阻 | |
2 广域电磁法方法与技术
广域电磁法属于人工源电磁法,发射功率大,创新的广域电阻率计算,所谓“广域”,在包括远区,也包括非远区的广大地区进行测量,把电磁测深的观测范围扩大到包括非远区的广大区域,其算法是直接从电偶源全区精确公式出发[7]。
采用积分方程、谱方法和有限元相结合,研发出一种新的广域电磁法高效、高精度数值模拟技术。广域电磁法为伪随机信号,抗干扰能力强,AB距一般为1~3 km,适合复杂地形施工,突破高阻屏蔽,对低阻反应敏感,分辨力高,适合深部勘探。
3 勘探效果分析
工作区广域电磁法测线2条,点距100 m,收发距20~24 km,发射电流100 A,呈十字交叉,1线NWW向,45 km,2线NNE向,13.5 km。从两条广域电磁法测线的二维反演电阻率断面,可以看出各断面由浅至深的电阻率异常特征基本相同,呈现低、高相间的形态,且中浅部低阻凹凸相间,广域电磁法成果清晰的反映了工作区的电性特征,说明该区地层分布构造运动强烈,褶皱形态复杂。
广域电磁法反演主要进行了一维和二维反演,一维反演以连续介质反演为主,主要是为二维反演提供初始模型,作为中间过程量。二维反演采用了非线性共轭梯度反演,以钻孔为约束,开展层状介质约束反演,二维反演成果为最终解释图件,据地质、物性和其他物探等资料,对二维反演剖面开展综合解释。
3.1 1线
1线西过紫云1井,东过代页1井和长页1井,收集了几口钻井的地层、测井等资料,已知钻井为广域电磁法地层解释进行了标定,利用地表地质标定,地表主要出露三叠系、二叠系、石炭系和泥盆系地层。在二维反演剖面(图3)东面出现了大面积的低阻,说明东面石炭系和泥盆系较为发育,深部低阻应该系打屋坝组的反应。同时对向斜和背斜构造都有清晰显示,深部高、低阻变化层为有相变的泥盆系地层,低阻为打屋坝组,深部高阻为以白云岩、灰岩为主的下古生界。向斜高低阻形态表现为向下凸,背斜高低阻形态表现为向上凹,结合地质可以确定各向斜和背斜局部构造位置,主要存在下厂向斜、尅混背斜和交麻向斜等三个构造。
图3
图3
1线二维反演与综合解释剖面
Fig.3
1 line 2D inversion and comprehensive interpretation profile
依据石炭系地层电性特征,即以碳酸岩盐为主的南丹组及睦化组为高阻层,以暗色泥页岩为主的打屋坝组为低阻层,在划分C/P界面时,在C-P地层的二分之一处粗画P的底界。
目的层打屋坝组起伏形态与C-P地层一致,其在尅混背斜核部西侧西端紫云1井 1 828.23 m 钻遇威宁组,且该组未见底,故推测其下较薄的低阻层为打屋坝组,往西低阻层基本连续分布,至尅混背斜西翼出露地表,其顶界面埋深海拔1.0~-3.0 km,厚度0~600 m。尅混背斜核部打屋坝组缺失,该背斜东侧代页1井448~645 m及长页1井708.38~926.94 m均钻遇打屋坝组,与剖面上低阻层相符合,沿着该低阻层往西可连续追踪至尅混背斜东翼,其顶界面埋深海拔0.9~-1.7 km,厚度0~500 m。
当中泥盆系地层为以碎屑岩为主的火烘组时,D表现为顶部高、中下部低的电性特征;相变为以碳酸盐岩为主的独山组时,D表现为高阻层。故剖面上较厚的高、低阻变化层为D。AnD整体为高阻,与D起伏形态一致,且全线连续分布。
3.2 2线
2线出露泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系地层。在二维反演剖面(图4)南面存在一个向深部延伸的低阻带,推测系垭紫罗(F12)断裂引起,浅部南薄北厚的低阻层为以碎屑岩为主的T2;其下比较薄的中阻层为以碳酸岩盐为主的T3;中部的较厚地层推测为C-P,其上的高阻层为C2-P灰岩;其下低阻层为以暗色泥页岩为主的打屋坝组;深部的高低阻变化层为D;AnD与C-P起伏形态一致,且全线连续分布。
图4
图4
2线二维反演与综合解释剖面
Fig.4
2 line 2d inversion and comprehensive interpretation profile
4 钻孔验证与结论
为了探索石炭系打屋坝组富有机质页岩层段的空间分布及相变情况,根据广域电磁法和地质等研究成果,选择打屋坝组埋藏相对适中的地方,在工作区实施了上古生界地层的页岩气参数井—黔紫页1井,钻孔位于2线的123号点,钻遇打屋坝地层319 m(深度2 664~2 983 m)[6],与广域电磁法解释的深度基本相符,验证了广域电磁法的解释成果。该钻井解释页岩气显示层17层,收集页岩气可燃,约22 cm高的火焰可持续燃烧近2 min,总含气量最高达1.68 m3/t,实现了我国南方地区上古生界海相页岩气的新区重大发现。
通过紫云广域电磁法工程显示广域电磁法能在复杂地形(山区)及复杂地质条件下取得良好的勘探成果,能探测到埋深约3 000 m、厚约300 m的低阻体,弥补了地震在碳酸盐岩发育地区的不足(碳酸盐岩对地震信号的屏蔽)。
广域电磁法适合于山区等复杂地形,在复杂地质条件下也能取得好的效果,是一种深部勘探的有效物探方法。
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