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物探与化探, 2020, 44(3): 656-664 doi: 10.11720/wtyht.2020.0060

中国地质学会勘探地球物理专委会2019年会优秀论文

大地电磁测深法在滨北西部斜坡带油气地质调查评价中的应用

彭炎1,2,3, 张小博,1,2,3, 张健4, 张鹏辉1,2, 袁永真1,2,3, 姜春香1,2,3

1. 中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

2. 国家现代地质勘查工程技术研究中心,河北 廊坊 065000

3. 自然资源部 地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北 廊坊 065000

4. 中国地质调查局 沈阳地质调查中心,辽宁 沈阳 110034

The application of magnetotelluric sounding method to oil-gas geological survey and evaluation of the western slope area of Binbei

PENG Yan1,2,3, ZHANG Xiao-Bo,1,2,3, ZHANG Jian4, ZHANG Peng-Hui1,2, YUAN Yong-Zhen1,2,3, JIANG Chun-Xiang1,2,3

1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000, China

2. National Center for Geological Exploration Technology, Langfang 065000, China

3. Electromagnetic Detection Technology Key Laboratory of Natural Resources, Langfang 065000, China

4. Shenyang Center of Geological Survey,CGS,Shenyang 110034,China

通讯作者: 张小博(1987-),男,工程师,主要从事电磁方法技术研究与应用工作。Email:zhangxiaobo@igge.cn

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2020-01-19   修回日期: 2020-03-10   网络出版日期: 2020-06-20

基金资助: 中国地质调查局地质调查项目.  DD20190030
中国地质调查局地质调查项目.  DD20190032

Received: 2020-01-19   Revised: 2020-03-10   Online: 2020-06-20

作者简介 About authors

彭炎(1990-),男,工程师,主要从事地球物理勘探技术研究工作。Email:pengyan@igge.cn 。

摘要

资料显示松辽盆地的石炭—二叠系具有较大的生烃潜力和油气资源前景,有望成为未来松辽盆地深层油气勘探突破的重点层系,但是,石炭—二叠系地层的分布无论在方法技术和认识方面仍存在较大的不确定性。因此,本文围绕沈阳地质调查中心位于西部斜坡带的黑富地1井部署了一条大地电磁测深剖面,通过野外试验优选了采集参数,获得了高质量的原始数据;通过数据分析、利用共轭梯度法反演获得了电性结构剖面,并结合钻井、地震等资料开展综合分析。结果表明,黑富地1井附近发育两条横向稳定展布的低阻层,其中第一套低阻层埋深在300~800 m之间,是白垩系地层高泥质含量地层的电性响应,第二套地层位于T5界面之下1.5~2.5 km之间,横向起伏幅度较小,结合钻井资料推测反映二叠系林西组泥岩层;并结合深层气体的主控因素,预测了油气有利部位。这些认识为松辽盆地石炭—二叠系油气资源的评价提供了可靠的地球物理依据和技术储备。

关键词: 大地电磁测深 ; 油气资源评价 ; 滨北地区 ; 西部斜坡带 ; 林西组

Abstract

In recent years, more and more data show that the Songliao Basin has a large hydrocarbon generation potential and oil-gas resource prospect, and is expected to become the key stratigraphic horizon for the deep oil-gas exploration breakthrough in the Songliao Basin in the future. However, The distribution of the Carboniferous-Permian strata still has large uncertainties in terms of method, technology and understanding. In view of such a situation, the authors deployed a magnetotelluric sounding profile around the Heifudi- drill hole in the western slope zone of the Shenyang Geological Survey Center. The field parameters were used to optimize the acquisition parameters and thus high quality raw data were obtained. Through data analysis and conjugate gradient method, the electrical structural profiles were obtained and, in combination with drilling, seismic and other data, a comprehensive analysis was conducted. The results show that two horizontally stable low-resistance layers are developed near Heifudi-1 drill hole, and the first set of low-resistance layers is buried between 300 to 800 meters, which is the electrical property of the Cretaceous strata with high muddy content. In response, the second set of strata is located between 1.5 to 2.5km below the T5-Interface, and the lateral undulation is small. Combined with the drilling data, it is considered to reflect the mudstone strata of the Permian Linxi Formation. Combined with the main controlling factors of deep gas, the favorable zone of oil-gas has been predicted. These insights provide a reliable geophysical basis and technical reserve for the evaluation of the Carboniferous-Permian hydrocarbon resources in the Songliao Basin.

Keywords: magnetotelluric sounding ; oil and gas resources evaluation ; Binbei area ; western slope area ; Linxi Formation

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本文引用格式

彭炎, 张小博, 张健, 张鹏辉, 袁永真, 姜春香. 大地电磁测深法在滨北西部斜坡带油气地质调查评价中的应用. 物探与化探[J], 2020, 44(3): 656-664 doi:10.11720/wtyht.2020.0060

PENG Yan, ZHANG Xiao-Bo, ZHANG Jian, ZHANG Peng-Hui, YUAN Yong-Zhen, JIANG Chun-Xiang. The application of magnetotelluric sounding method to oil-gas geological survey and evaluation of the western slope area of Binbei. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(3): 656-664 doi:10.11720/wtyht.2020.0060

0 引言

大地电磁测深是一种装备轻便、易于野外作业、经济耗费小的地球物理方法。在我国南方山地,由于复杂的地形起伏和密布的植被使得反射地震的测线难以在其中展开,并且由于山区常见坚硬的岩层,具有高波速和高密度的特征,地震波传播难以向下传播。与此同时,在南方地区很多地层经历了强烈的改造作用,对于剧烈变化的地层,单一应用反射地震追踪这样的地层存在着较大的困难,在这些地方开展大地电磁,补全了资料的缺失,为油气勘探研究提供了重要的补充[1,2]。在松辽盆地及其外围,含油气的深层地层内部经历了岩浆活动和构造的改造,反射地震同样遇到了较大的困难,主要是由于火山岩对地震波的屏蔽作用和深层含油气地层断裂较发育,反射地震对该区石炭—二叠系成像质量较差,而大地电磁对低阻层敏感,在该区的石炭—二叠系地层的勘探发挥了重要作用[3]

松辽盆地是我国东部重要的能源资源基地,其中滨北地区(嫩江以南,哈尔滨—满洲里铁路线以北的松辽盆地北部)是大庆油田的主力产区。该地区自西向东有西部斜坡区的北部、中央凹陷区、北部倾没区以及东部隆起区,工区在构造位置上处在西部斜坡区的北部。西部斜坡区是松辽盆地的一级构造单元,它又分为3个二级构造单元,自西向东分别是西部超覆带、泰康隆起带、富裕构造带。西部斜坡区传统的油气目标层主要是姚家组和嫩江组[4],随着勘探的逐步深入,该区上古生界的目的层越来越受到研究人员的关注,认为二叠系林西组是该区上古生界最有利的勘探层位,有分布广、厚度大、颜色暗等特征[5,6,7]

目前,不同的机构、学者针对石炭—二叠系开展了系列技术攻关和地质研究,初步获得了该套地层的整体分布,提出其晚古生代的沉积中心主要位于东部和西北部,目前残留的地层厚度仍较大,是未来松辽盆地上古生界油气资源勘探的重点地区[8,9,10,11,12]。目前,石炭—二叠系空间分布主要基于大尺度的重磁等资料获得,石炭—二叠系内部受后期的岩浆活动和构造的改造,反射地震对该套地层的成像存在较大的困难,主要为断续的弱反射和杂乱反射特征为主,制约了松辽盆地深层油气资源的勘探突破和评价。已有钻孔揭示了二叠系林西组发育厚层的泥岩层,在电性特征上呈低电阻特征,而大地电磁测深法由于对低阻层敏感,可用于泥岩层分布的研究。

1 岩石物性特征

在泰康隆起带北部围绕黑富地1井部署了一条20 km的大地电磁测深剖面(图1),通过采集、处理等参数试验和优选,探测该区域二叠系林西组的地层分布。黑富地1井基本揭示了滨北地区上二叠统林西组、白垩系及其上部地层的充填序列。其地层层序为第四系,上白垩统明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组,下白垩统泉头组和二叠系林西组(未钻穿)[13]

图1

图1   西部斜坡区构造图(a),T5界面等值线图与测线部署(b)

Fig.1   Structural map of western slope area(a), T5 interface contour map and survey line deployment(b)


研究区周边做了较全面的物性统计工作,通过地质调查钻探资料、岩石标本物性测试资料和井旁测深数据等资料,测试了电阻率,结合前人物性研究资料,系统地整理了该地区及周边地层岩石物性参数,重点分析了上古生界林西组地层的物性界面,得到了区域电阻率特征(图2a),林西组的上覆地层和下伏地层均表现为中高阻特征,林西组在中间是一个显著的低阻层,具有开展大地电磁工作的物性前提。

图2

图2   区域地层电阻率特征(a)及黑富地1井MT井旁侧深曲线与电阻率测井曲线对比(b)

Fig.2   Regional formation resistivity characteristics(a), Comparison of MT and resistivity logging curves in HFD1 (b)


表1   研究区物性参数统计

Table 1  Physical properties of study area

地层地层代号测井电阻率
/(Ω·m)
露头电阻率
/(Ω·m)
白垩系K3.9~212
二叠系林西组P3l9
石炭系C478~2691

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此外,黑富地1井自上而下钻遇上白垩统、下白垩统泉头组和上二叠统林西组,对比该井的电阻率曲线和井旁测深曲线(图2b),两者整体形态具较好的一致性;嫩江组具有相对较低的电阻率,姚家组—泉头组电阻率逐渐升高,泉头组的下部对应了井旁测深曲线电阻率极大值处,二叠统林西组地层的电阻率测井曲线急剧左移,MT井旁测深曲线显示电阻率开始降低,其极小值处位于2.4 km处。上述的岩石电阻率的纵向差异和井旁测深与电测井对比结果表明,研究区利用大地电磁测深法能够有效地解释石炭—二叠系的地层分布,尤其对其中浅变质的高泥质含量地层,从而弥补了地震信息的缺失。

2 数据采集与处理

2.1 MT数据采集处理

研究区位于黑龙江省富裕县龙安桥镇境内,为查明研究区二叠系展布特征,部署了1条长20 km的MT测线,数据采集使用仪器为加拿大凤凰地球物理公司的V5-2000和V8大地电磁测深仪,采用标准“+”字形布设,ExHxEyHy方向为NS、EW布极,设计点距自设计井向500~1 000 m,在钻井附近采用250 m的点距,电偶极距离为100 m,记录有效频率带宽为0.000 5~320 Hz。

研究区位于人文活动较大的地区,采集时段内有大量水稻灌溉装置工作。为了获得高质量的原始数据,在正式采集前开展了采集时长实验,通过对比发现采集时间保证在22小时以上能够获得形态稳定、连续、光滑的曲线(图3)。此外,工作区内部分由于靠近公路、高压线等具有电磁干扰,严重影响大地电磁测深数据质量,为压制局部电磁干扰,认为区域磁场相对稳定,可采用互参考方法能够改善数据质量,实践对比结果也证明这种方法在强电磁干扰区的有效性(图4)。

图3

图3   同一测点不同时长的原始视电阻率和相位曲线对比

Fig.3   Comparison of original apparent resistivity and phase curve at the same measurement point for different durations


图4

图4   较差的原始视电阻率曲线(a)及经过互参考处理后的视电阻率曲线(b)

Fig.4   Poor raw apparent resistivity curve (a), Apparent resistivity curve after cross-reference processing(b)


野外数据预处理采用凤凰公司自带的SSMT2000 软件,利用傅里叶变换将数据由时间域信号变换成频率域数据,通过功率谱挑选、远参考、“Robust”估计等处理技术,计算阻抗信息,获得所有测点的视电阻率与相位曲线。原始视电阻率曲线能够直观的反映区域地下介质的电性特征,从电性视电阻率曲线(图5)上可看到,浅部的(T5界面以上)电阻率整体较低,代表了白垩系沉积地层,受浅部低阻层的屏蔽作用,下伏地层的视电阻率曲线有小幅度的上扬,在趋肤深度1 500~2 000 m范围内可见局部低阻,推测是石炭—二叠系泥岩层的电性响应。此外,由于测点主要位于第四系覆盖区和盆地内部,整个工区内高程变化较小,几乎无静位移效应的影响。

图5

图5   A5测点原始视电阻率曲线和相位曲线

Fig.5   A5 station raw apparent resistivity and phase curve


2.2 地电走向分析

大地电磁数据曲线依赖地下空间的导电性质,地下空间电性结构在一维,二维或者三维的情况下,阻抗张量曲线形态是不同的,而野外实际地质结构往往都是三维的,具有一定走向延伸的地质体可近似为二维构造[14,15],这就为二维反演提供理论支撑。因此反演计算前我们需要对数据进行维性分析,主要是判断二维偏离度(S)的大小,由图6可知剖面测点二维偏离度(S)在0.01 Hz以上基本小于 0.2,表现为较好的一维和二维特征,尤其是320~1 Hz 的大多数频点,S几乎为0,表现为一维特征,说明该频段表征的深度内具有较稳定的沉积。

图6

图6   二维偏离度剖面

Fig.6   2D deviation (S) section


接下来需进行电性主轴分析,并确定数据极化模式,数据阻抗张量分解单测点单频点进行旋转,势必造成整条剖面数据曲线的不连续,基于局部服从整体的考虑,多测点—多频点统计成像分析技术[14,16]可有效统计出剖面电性主轴角度。由于研究区的测点在大于1 Hz的频段(高频部分)主要表现为一维特征,若参与统计必然会影响深部电性主轴的准确性,而且我们关注的深度主要在地下1~4 km,因此在进行频点统计时,主要统计1~0.01 Hz频段的电性主轴方向,统计结果玫瑰图如图7所示。相比单测点—多频点(图7a)的统计结果,多测点—多频点(图7b)的统计分析建立在单测点—多频点的统计分析基础上,其结果更直观,又由于阻抗张量分解存在90张的模糊性,需结合区域主体构造走向进行判断。研究区在中生代以来主要受东侧滨太平洋板块西向俯冲影响,周边主要发育中生代NE向展布深大断裂,故而最终确定区域内的地电结构走向应为36°(NE向)。将测点阻抗角度顺时针旋转36°,则此时 ρaxyφxy就代表TE极化模式的电阻率和相位, ρayxφyx代表TM极化模式的电阻率和相位。

图7

图7   单测点—多频点统计的1~0.01 Hz频点电性主轴方向(a),多测点—多频点统计1~0.01 Hz频段电性主轴方向(b)

Fig.7   1~0.01 Hz electrical main axis direction of single station and multiple frequency(a),1~0.01 Hz electrical main axis direction of multiple station and multiple frequency(b)


2.3 MT反演

本文使用目前较成熟的非线性共扼梯度法NLCG[17]进行反演,该方法具有计算速度快、所需存储量小、结果稳定性好等优点。由于该方法属于局部最优化方法,易受初始电阻率模型影响要求所选择的电阻率模型应接近实际的地质模型[18],因此反演时选择一维Occam反演结果作为初始模型。这一技术基本保留了一维反演结果中层状介质模的宏观轮廓信息对深部的低阻异常体光滑效应影响小。在极化模式识别上,由于相对于TE模式,TM模式响应受三维效应的影响较小[19,20],能较好地重建原始模型信息[14,21],并且在查明盆地内部结构上获得了良好的应用效果[22,23],因此本次选择TM模式进行反演计算。反演参与频点60个,频段为320~0.01 Hz。反演过程中TM 视电阻率与阻抗相位数据选择5%和5%的本底误差,初始模型选择100 Ω的均匀空间,正则化因子选择10,迭代次数141,最终拟合误差RMS为1.17。随迭代次数收敛曲线如图8所示。

图8

图8   RMS收敛曲线

Fig.8   RMS convergence curve


原始数据反演计算结果的正确性是保证地质解释结果的前提条件,通过对反演结果开展正演模拟计算,对比了理论响应与实测音频大地电磁电阻率响应曲线。图9为二维反演得到的理论响应拟断面图与实测视电阻率拟断面图的对比,可以看出实测的视电阻率影像断面图与二维反演得到理论响应结果拟合度较好,说明本次反演结果正确可靠。

图9

图9   二维反演拟合断面(上)与实测数据(下)对比

Fig.9   2D observation data section (top) and 2D inversion calculation section(below)


2.4 电性结构特征

6 km 以浅的电性结构图(图10)可用于开展研究区的构造解释与地质地球物理综合解释。从图中看,整个剖面整体上电性分层较明显,自上而下呈低—高—低—高特征,中段纵向上具有较好的分层特征,反映了地层结构相对简单;中段深部高阻层埋藏较浅,东部和西部深部高阻层埋藏较深。其中黑富地1井(测点A4)下伏的高阻层与东西两侧相比并不明显,可能反映该区域内有断裂发育,钻孔在 1 900~2 000 m钻遇有破碎带;测线东段电性结构相对较复杂,A19下可见电阻率等值线陡变梯度带,两侧的块状电性结构具有一定的垂向位移,A19与A20之间电阻率有横向上不连续的现象,可能指示断层的存在。

图10

图10   二维电性结构剖面及初步解释结果

Fig.10   2D electrical structure profile and preliminary explanation


3 油气地质评价

富裕断陷勘探程度较低,钻井较少且仅有少量钻孔钻遇断陷沉积层,如富参1井在1 709 m和 2 003.5 m分别钻遇沙河子组和火石岭组,前者岩性以粗、细砂岩为主,后者则主要发育沉积碎屑岩夹中酸性火山岩。部署在齐齐哈尔西北25 km的黑富地1井未钻遇断陷层沉积,穿过下白垩统泉头组后,直接进入上二叠统四站板岩组(林西组),反映研究区主要位于富裕断陷的西部斜坡带次级构造单元。

区域地质调查研究表明林甸—杜尔伯特一线石炭—二叠系烃源岩以暗色泥岩、浅变质泥岩等为主,有机质类型主要为腐植型;地温梯度位于4~5 ℃/100 m,属于相对高地温梯度,有机质成熟度普遍大于4,已进入裂解气阶段,埋藏史研究揭示石炭—二叠系为后期浅埋型,二次生烃潜力较小,因此该区域油气资源勘探主要集中在石炭—二叠系原生油气藏或后期保存条件较好的次生油气藏。黑富地1井位于富裕断陷西部斜坡带,缺失断陷层沉积,在泉头组沉积以前处于凸起剥蚀阶段,可能导致石炭—二叠系浅部原位油气藏发生减压、烃类气体逸散或扩散,测井曲线上显示在1 650~1 900 m范围内残余有机碳(TOC)含量较高,而对应全烃测井和C1测井曲线上数值相对较小。张性断裂的发育对油气藏的保存具有不利影响,在1 900~2 000 m钻遇的破碎带对应的全烃含量较低。因此,优良的储集层及保存条件可能是该区域油气勘探的有利地区。

T2界面自黑富地1井向东延展相对稳定,可横向追踪;而T5界面在东侧缺乏约束条件,考虑到白垩系地层在研究区具有超覆特征,其厚度向东部逐渐增大,同时白垩纪断陷沉积受区域断裂控制,A19测点之下断裂东侧可能发育断陷层沉积。从电性分层推测,位于黑富地1井东约6 km处(A10与A11之间)深部高阻体隆起,林西组底界在A10与A11之间埋深最浅在2 km以内,东西两侧埋深较深。位于黑富地1井东约8 km(A12)处浅部电性结构(T5界面以上)与黑富地1井东约6 km处基本一致,指示沉积特征横向上无变化,下伏的高阻层横向上连续,反映无断裂构造的发育,高阻层之下发育一横向较连续的低阻层,推测与薄层的林西组相对高泥值含量地层有关。因此综合考虑到断层以及高阻体隆起,目标层较浅的埋藏深度,还有适宜油气藏稳定的保存条件,A12至A17之下应当是该测线所控制的油气勘探较有利区。

4 结论

1) 试验区的大地电磁测深反演结果有较好的纵向分层性,中生界自上而下基本呈现高阻、低阻相间的电性特征,反映了纵向岩性差异。

2) 二维电性结构揭示的T5界面与反射地震的资料有较好的对应关系,T5界面之下探测到一套横向相对连续、厚度相对稳定的低阻层,推测是二叠系林西组泥质地层的电性响应。

3) 利用大地电磁测深法获得了研究区内二叠系林西组厚层泥岩的宏观展布特征,结合其他油气地质资料,圈定了测线范围内的油气发育有利区,为区域石炭—二叠系油气基础调查提供了重要的地球物理依据。

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Refined techniques for data processing and two-dimensional inversion in magnetotelluric Ⅱ:Which data polarization mode should be used in 2D inversion

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陈小斌, 郭春玲.

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(五)——利用阻抗张量成像识别大地线性构造

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Chen X B, Guo C L.

Refined techniques for data processing and two-dimensional inversion in magnetotelluric(Ⅴ):Detecting the linear structures of the Earth by impedance tensor imaging

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2017,60(2):766-777.

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陈小斌, 蔡军涛, 王立凤, .

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(四)——阻抗张量分解的多测点-多频点统计成像分析

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Chen X B, Cai J T, Wang L F, et al.

Refined techniques for magnetotelluric data processing and two-dimensional inversion(IV):Statistical image method based on multi-site,multi-frequency tensor decomposition

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2014,57(6):1946-1957.

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Multisite, multifrequency tensor decomposition of magnetotelluric data

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叶涛, 陈小斌, 严良俊.

大地电磁资料精细处理和二维反演解释技术研究(三)——构建二维反演初始模型的印模法

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Ye T, Chen X B, Yan J L.

Refined techniques for data processing and two-dimensional inversion in magnetotelluric(Ⅲ):using the Impressing Method to construct starting model of 2D magnetotelluric inversion

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大地电磁测深二维反演方法求解复杂电性结构问题的适应性研究

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Dong H, Wei W B, Ye G F, et al.

Study of two dimensional magnetotelluric inversions of complex three dimensional structures

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张鹏辉, 张小博, 袁永真, .

辽河外围北部秀水盆地大地电磁测深研究

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Zhang P H, Zhang X B, Yuan Y Z, et al.

A study of magnetotelluric sounding of Xiushui Basin in the northern periphery of Liaohe

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张鹏辉, 钟清, 方慧, .

突泉盆地南部结构及含油气远景——基于大地电磁测深结果

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DOI:10.11720/wtyht.2015.6.31      URL     [本文引用: 1]

基于大地电磁测深结果,结合区域地质特征分析突泉盆地南部的构造格架和结构、地层的展布特征及深部的控制作用。研究发现突泉盆地是一个叠合盆地,其中生界地层是在晚古生代海相沉积盆地基础上发展起来的,晚古生代的构造对中生代的沉积有控制作用。突泉盆地可能是发育于逆冲推覆带前缘的挤压型盆地,其两套低阻层下侏罗统红旗组和下二叠统地层是潜在的生烃层系。

Zhang P H, Zhong Q, Fang H, et al.

A study of the structure of southern Tuquan Basin and oil-gas prospect based on magnetotelluric sounding

[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(6):1284-1291.

DOI:10.11720/wtyht.2015.6.31      URL     [本文引用: 1]

Based on magnetotelluric sounding results in combination with regional geology, the authors analyzed structural framework, structure and stratigraphic distribution of southern Tuquan Basin. The results show that the Tuquan Basin is a superimposed basin, in which Mesozoic strata were developed on the basis of late Paleozoic marine sedimentary basin, and late Paleozoic structure probably controlled Mesozoic sedimentation. The Tuquan Basin might be a compression type basin developed in the front of the overthrust nappe belt, and the two suites of low-resistance beds (Hongqi Formation and lower Permian strata) might be the potential hydrocarbon-producing strata.

方慧, 钟清, 陈树旺.

内蒙古突泉盆地双低阻层的发现及其地质意义

[J]. 地质通报, 2013,32(8):1253-1259.

Fang H, Zhong Q, Chen S W.

The discovery of two conductive layers in Tuquan basin,Inner Mongolia,and its geological significance

[J]. Geological Bulletin of China, 2013,32(8):1253-1259.

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