综合物探方法在川东高陡断褶带隐伏断层勘探中的应用研究
重庆市二零八工程检测有限公司,重庆 400700
The application of integrated geophysical prospecting to the exploration of buried faults in the high and steep fault-fold zone in eastern Sichuan
Chongqing No. 208 Engineering Detection Co., Ltd., Chongqing 400700, China
责任编辑: 王萌
收稿日期: 2020-07-21 修回日期: 2021-01-19
基金资助: |
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Received: 2020-07-21 Revised: 2021-01-19
作者简介 About authors
彭明涛(1989-),男,汉族,四川大竹人,2014年毕业于成都理工大学,硕士,工程师,主要从事地球物理勘查和工程检测工作。 Email:
四川盆地东部地区位于华蓥山与七曜山之间,经历多期次复杂的构造叠加和改造,形成了高陡构造带及断层,高陡构造带内探测分辨隐伏断层是地球物理勘探的难点。本文通过重、磁、电探测方法的正反演模拟成果得出高陡断褶带隐伏断层能够被探测识别,并结合利用重、磁、电综合物探方法在川东高陡断褶带探测隐伏断层的实际应用效果,总结了隐伏断层的异常形态和异常特征。同时总结了野外数据采集干扰压制的试验成果,断层破碎带异常的正演反演处理手段。本文为川东地区地质勘查工作提供参考依据和经验积累。
关键词:
The eastern region of Sichuan basin is located between Huaying Mountain and Qiyaodan Mountain. After multiple periods of complex structural superposition and transformation, high and steep tectonic belts and faults were formed. It is difficult to detect and distinguish hidden faults in the high and steep tectonic belts in geophysical exploration. Based on the forward and inverse simulation results of gravity, magnetic and electric detection methods, the authors have reached the conclusion that buried faults in high and steep fault folds can be detected and recognized. Combined with the practical application effect of gravity, magnetic and electric integrated geophysical prospecting methods in high and steep fault folds in eastern Sichuan, the authors summarized the abnormal morphology and abnormal characteristics of buried faults . At the same time, the experimental results of field data acquisition interference suppression and the forward inversion processing method of fault fracture zone anomalies were also summarized. The results obtained by the authors provide a reference basis and experience accumulation for geological exploration in eastern Sichuan.
Keywords:
本文引用格式
彭明涛, 王磊, 曾明勇, 谢兵兵, 莫韦涛.
PENG Ming-Tao, WANG Lei, ZENG Ming-Yong, XIE Bing-Bing, MO Wei-Tao.
0 引言
川东高陡断褶带西以华蓥山断裂为界与川中隆起相邻,东至川鄂边境的齐岳山断裂带,由一系列弧形山脉组成,山体是以二叠系—三叠系为核心的背斜,两翼极不对称,一般缓翼地层倾角20°~30°,陡翼地层倾角40°~70°或地层直立倒转,山脉之间宽广的谷地是侏罗系组成的向斜构造上和地貌上都呈现典型的隔挡式。向斜、背斜之间发育不同程度的断层[1]。对于断层等地质构造,地质学者可通过对地表地质的观察,结合构造规律和工作经验情况做出一定程度的推测,但在断层无露头或出露不明显的地段,只能通过物探、钻探或其他地质工程来验证。目前隐伏断层勘探可以采用的地质和地球物理方法较多,比较成熟的方法有地质钻孔法、热测井、电法勘探、磁法勘探、重力探测、浅层地震、微震法、放射性探测等[2,3,4,5,6,7,8]。在地球物理勘探的过程中会因观测时很多干扰因素的影响而出现误差,即使在观测精度很高、干扰因素很小的情况下,反演过程都存在多解性。为了减少多解性的影响,因此采用单一的地球物理方法来进行异常解释一般是不科学的,往往需要综合采用多种地球物理方法[9],相互补充、相互印证,提高物探资料的真实性、合理性和可信度[10]。
1 隐伏断层正演模拟研究
川东高陡褶皱带区,三叠系地层受到风化剥蚀,裸露在背斜核部,背斜构造及深部断裂发育极为广泛。为研究高陡断褶带隐伏断层的地球物理响应特征,为进一步的野外探测及资料处理提供依据,本文进行了重力、磁法、大地电磁的正演模拟计算,主要模型建立为高陡背斜上发育断层,且结合了川东高陡断褶带的地质与地球物理特征。
1.1 重力模型1:倾斜断层模型(倾角69°)
模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm3;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm3;第三层为无限深、密度值2.752 g/cm3;倾斜断层宽度100 m、倾斜角度69°、密度值2.225 g/cm3;地层断距100 m。
重力模型1正演模拟结论:水平层岩层+倾斜断层(69°)模型重力正演模拟结果(图1a),远离断层的重力值曲线近似为一水平直线;在断层附近曲线下凹且断层附近倾向侧重力值小于断层附近倾向对侧重力值,断层下降盘的重力值略小于上升盘的重力值,断层正上方重力值最小。
图1
1.2 重力模型2:倾斜断层+背斜模型(倾角72°)
模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、密度值2.524 g/cm3;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、密度值2.625 g/cm3;第三层为无限深、密度值2.752 g/cm3;倾斜断层宽度50 m、倾斜角度72°、密度值2.225 g/cm3;地层断距100 m。
重力模型2正演模拟结论:背斜+倾斜断层(倾角72°)模型重力正演模拟结果(图1b),远离断层右侧的重力值曲线近似为一水平直线;断层左侧的重力值曲线为一单调递减的曲线,在岩性变化的点曲线下降速度较快;在断层附近曲线下凹且断层倾向侧重力值小于断层倾向对侧重力值,断层正上方重力值最小。
1.3 磁法模型:倾斜断层+背斜模型(倾角72°)
模型参数模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、磁化强度值1.2 A/m、磁化倾角48°;第二层底部深度1 985 m、厚度760 m、磁化强度值1.2 A/m、磁化倾角48°;第三层为无限深、磁化强度值1.4 A/m、磁化倾角48°;倾斜断层宽度50 m、倾斜角度72°、浅部磁化强度值1 A/m、磁化倾角90°、深部磁化强度值1 A/m、磁化倾角90°;地层断距100 m。
磁法模型正演模拟结论:背斜+倾斜断层状模型磁力正演模拟结果(图1c),远离断层右侧的磁力值曲线近似为一水平直线;断层附近磁力值出现“脉博跳动”或“正负伴生”的近似N型曲线;岩性变化的分界面上出现V型异常。
1.4 大地电磁模型:背斜模型
模型参数:模型第一层底部深度1 225 m、厚度1 225 m、电阻率值80 Ω·m;第二层底部深度2 325 m、厚度1 200 m、电阻率值600 Ω·m;第三层为无限深、电阻率值5 000 Ω·m。大地电磁正演模拟计算背斜电阻率模型示意图见图1d。
正演模拟计算参数:模型长4 km,深3 km,点距100 m。正演计算采用50 m×50 m网格,局部进行了加密。
1.5 模型综合分析
通过重、磁、电多种不同参数模型正演及反演计算,能够综合判断出重、磁、电参数对高陡断褶带隐伏断层的理论反映:在岩性变化处重、磁、电参数分别表现为曲线下降速度较快;出现V型异常;电阻率分层变化等特征。在断层附近重、磁、电参数分别表现为线下凹且断层倾向侧重力值小于断层倾向对侧重力值,断层正上方重力值最小;磁力值出现“脉博跳动”或“正负伴生”的近似N型曲线;电阻率反映出地层倾斜渐变等特征。
2 野外数据采集干扰压制研究
对重力勘探数据可能产生影响的非地质因素有:测点高程误差、对仪器的冲击振动、零点漂移等。对磁测数据采集应减少外界或人为因素。实际工作中大地电磁的主要干扰源为220 V民用电线及10 kV电线干扰,压制干扰源最主要的措施是远离干扰源和增加数据采集时间,针对这两种措施进行了以下研究。
2.1 电线干扰源距离研究
分别针对220 V和10 kV干扰源,在垂直于输电线路方向上,距离分别为20、50、100、200 m的位置布设4个测点,每个测点分别以10、20、40、80 m的极距进行采集。在增益统一使用0.25,采集时间统一设计为45 min基础上,对全频视电阻率曲线进行质量评价。
220 V干扰源:由野外试验数据进行预处理,得到视电阻率曲线图见图2,数据曲线形态在10 Hz之前数据圆滑程度整体高于10 Hz以后数据,10 Hz之后数据的误差棒较大,形态变化程度较大。在相同极距的情况下,测点距离干扰源(以下统称“源距”)越远,曲线形态越圆滑,低频部分误差棒越小。在源距相同时,极距为40 m和80 m的测点对应曲线圆滑程度高于极距为10 m和20 m的测点。在本次试验中未出现I级曲线,在源距50 m处,可测得Ⅱ级曲线,即可靠野外数据。源距小于50 m数据质量均不可靠。在源距50 m处的Ⅱ级曲线、对应极距为40 m和80 m,极距小于40 m所测得数据不合格。对于220 V输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于50 m;在数据合格基础上增加极距,未能大幅度提升数据质量,同时兼顾施工效率和经济效益,极距以40 m为最佳。
图2
图2
220 V干扰源视电阻率曲线(绿色曲线是TM,黄色曲线是TE)
Fig.2
Apparent resistivity curve of 220 V interference source(the green curve is TM and the yellow curve is TE)
10 kV干扰源:由野外试验数据进行预处理,得到视电阻率曲线图见图3,数据曲线形态在10 Hz之前数据圆滑程度整体高于10 Hz以后数据,10 Hz之后数据的误差棒较大,形态变化程度较大。在相同极距的情况下,源距越远,曲线形态越圆滑,低频部分误差棒越小。在源距相同时,极距为40 m和80 m的测点对应曲线圆滑程度高于极距为10 m和20 m的测点。在本次试验中未出现Ⅰ级曲线,在源距100 m处,可测得Ⅱ级曲线,即可靠野外数据。距离小于100 m数据质量均不可靠。在源距100 m处的Ⅱ级曲线、极距分别对应为40 m和80 m,极距小于40 m所测得数据不合格。对于10 kV输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于100 m;在数据合格基础上增加极距,未能大幅度提升数据质量,同时兼顾施工效率和经济效益,极距以40 m为最佳。故建议野外施工极距一般选择40 m即可;在保证观测点合理分布的原则下,可进行必要的点位偏移处理,以避开干扰源采集到合格数据。
图3
图3
10 kV干扰源视电阻率曲线(绿色曲线是TM,黄色曲线是TE)
Fig.3
Apparent resistivity curve of 10 kV interference source(the green curve is TM and the yellow curve is TE)
2.2 电线干扰源采集时间研究
为了选取合理的采样时间,同一测点D1,我们分别切取30、50、70、90 min的采集时间窗口进行对比,相应的电阻率曲线见图4,从图中可以看出,30 min和50 min电阻率曲线圆滑段低频在2 Hz左右,至70 min曲线圆滑低频已经达到1 Hz,电阻率曲线可利用段低频达到1 Hz即可满足勘探深度的要求,90 min电阻率曲线仅0.1 Hz以下频率质量有所提升,对高频段影响不大。因此,从满足勘探目的和兼顾工作效率角度我们认为采集时间70 min就能够保证。
图4
图4
同一测点不同采集时间电阻率曲线(绿色曲线是TM,黄色曲线是TE)
Fig.4
Resistivity curves of the same measuring point at different acquisition times(the green curve is TM and the yellow curve is TE)
3 工程实例
3.1 研究区地质特征
研究区处于川东高陡断褶带之万州弧形凹褶束的北东部,主体构造形迹方斗山背斜呈NEE向,南西端起于与万州区接界的木厂坝,经冒火山—蔈草—一堰坪以东约1 km,消失在巴东组地层中,研究区背斜轴部出露三叠系下统嘉陵江组(T1j)的中上部地层,岩性为灰色灰岩、白云质灰岩,局部见有角砾状灰岩,嘉陵江组(T1j)出露宽度西窄约300~500 m,东宽约2~3 km,背斜向NEE向倾伏。两翼分别出露有三叠系中上统地层,背斜北西翼倾角为18°~57°,南东翼倾角为22°~63°。轴面倾向NNW。背斜北西翼巴东组(T2b)地层内次级褶皱发育,南东翼则比较正常。方斗山背斜整体构造的特征是轴面扭转,轴线呈弧形自然弯曲,枢纽起伏,总体往NE向降低(倾伏),为长轴线形褶皱构造,北西翼与万州向斜之间次级褶皱较发育,研究区地层见表1。
表1 研究区地层
Table 1
界 | 系 | 统 | 地层名称 | 符号 | 区域性厚度/m | 实测厚度/m | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
新生界 | 第四系 | 全新统 | Qh | 0~15 | 方斗山背 斜南东翼 | 龙驹坝背 斜北西翼 | |
中生界 | 侏罗系 | 上统J3 | 遂宁组 | J3sn | 370~548 | — | — |
中统J2 | 沙溪庙组 | J2s | 2047~2407 | — | — | ||
新田沟组 | J2x | 288~399 | — | — | |||
下统J1 | 自流井组 | J1zl | 121~169 | 114.35 | 223.55 | ||
珍珠冲组 | J1z | 247~361 | 440.15 | 322.23 | |||
三叠系 | 上统T3 | 须家河组 | T3xj | 193~458 | 307.12 | 409.4 | |
中统T2 | T2b3 | 318.56 | 365.34 | ||||
巴东组 | T2b2 | 584~683 | 375.91 | 172.17 | |||
T2b1 | 77.22 | 72.15 | |||||
— | — | — | 771.69 | 609.66 | |||
下统T1 | 嘉陵江组 | T1j4 | 533~1041 | — | 168 | ||
T1j3 | — | — | |||||
T1j2 | — | — | |||||
T1j1 | — | — | |||||
大冶组 | T1d | 341~771 | — | — |
研究区未见较大的断层构造,仅在方斗山背斜北西翼巴东组地层中次级褶皱的翼部伴有断距小于5 m的小断层。根据钻井地质编录,推测在井深680~760 m内的须家河组地层中下部存在一隐伏正断层,断距约160 m,倾向SE,倾角73°。
3.2 研究区物性特征
物性特征:依据已取得的综合测井成果及相关文献的物性资料,得到物性特征统计表(表2),白云岩及灰岩的物性特征为密度大、电阻率高及磁性弱;泥岩的物性特征为密度小、电阻率低及磁性弱;砂岩的物性特征为密度小、电阻率略低及磁性弱。
表2 物性特征统计
Table 2
岩性 | 密度/(g·cm-3) | 电阻率/(Ω·m) | 磁化率/(10-64πSI) | |||
---|---|---|---|---|---|---|
最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | |
泥岩 | 1.976 | 2.554 | 20 | 120 | 16 | 330 |
砂岩 | 2.384 | 2.592 | 176 | 928 | 10 | 506 |
粉砂岩 | 2.525 | 2.724 | — | — | — | — |
石英砂岩 | 2.412 | 2.703 | — | — | — | — |
页岩 | 2.361 | 2.654 | 36 | 153 | — | — |
灰岩 | 2.684 | 2.761 | 585 | 9605 | 99 | 368 |
白云岩 | 2.673 | 2.832 | 735 | 11473 | — | — |
3.3 成果分析
图5是研究区实测WT2测线重、磁、电综合剖面,数据处理中采用TE、TM联合反演模式。
图5
图5
WT2测线重磁电综合剖面
a—重、磁曲线;b—大地电磁电阻率等值线;c—草测地质剖面
Fig.5
Comprehensive section of gravity and magnetoelectricity of WT2 survey line
a—gravity and magnetic curves;b—magnetotelluric resistivity isoline;c—geological profile
1) 布格重力异常值分布范围为209.622~215.186 mGal、平均值213.458 mGal,图中共发现一处低重力异常,即D7~D4异常。
2) ΔT值分布范围为33.7~88.5 nT、平均值72 nT,图中ΔT曲线较平缓、在D1~D3表现为负异常,异常幅度较小、无明显“正负”形态。
3) 大地电磁测深电阻率图左半部分呈明显的高阻、右半部分呈明显的低阻,根据电阻率和电阻率图的特征,以及结合地质剖面、钻孔情况、其他3条大地电磁剖面推断了地层走向和地层界线。图中出现低阻条带,推断解释为断层及破碎带,断层的上部受到高陡岩石的挤压使得断距相对较小,中下部不断变大。
4) 综合WT2重、磁、电综合剖面成果推断断层部位的布格重力异常表现为低值,电阻率表现为低值。其中布格重力异常最低值对应于断层的近地表位置,低电阻率异常呈串珠状,中心连线对应于断层破碎带中心线。
4 结论
1) 通过重、磁、电的正演模拟计算得出了高陡断褶带隐伏断层的地球物理异常特征,即重力异常特征为曲线低值、磁法异常特征为正负伴生的近似N型曲线、大地电磁的异常特征为低视电阻率值。重力、磁法、大地电磁在断褶带隐伏断层处都有明显的异常特征,能够相互印证,相互补充。
2) 通过野外数据采集干扰压制试验得出了对于220 V输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于50 m,极距以40 m为最佳;对于10 kV输电线路,测点与输电线路的直线距离不得小于100 m,极距以40 m为最佳;电线干扰源采集时间70 min就能基本满足要求。
3) 针对隐伏断层的实测重力、磁法、大地电磁资料的解释得出:三叠系嘉陵江组的断层破碎带的地球物理异常特征为低重力异常、低电阻率异常。重力异常和大地电磁异常有良好的对应效果,说明重力和大地电磁方法是探测川东高陡断褶带隐伏断层的有效方法之一;而磁法异常不明显,主要因为川东地层岩石磁性差异较小,导致实测成果未能达到正演的效果。
4) 隐伏断层与周围介质存在明显的物性差异,物探作为一种快速的探测手段对某些类型的隐伏断层探测是有效的。
5) 综合物探方法能对隐伏断层的有无及性质做出准确的判定。
参考文献
川东梁平向斜隐伏断层与气藏关系
[J]. ,
Relationship between blind faults and gas pools in the liangping syncline of the eastern Sichuan Basin
[J].
地球物理方法探测活动断层效果和方法最佳组合分析
[J]. ,
The function of geophysical method in active fault detection and discuss of combining methods
[J].
城市活动断裂探测的方法和技术
[J]. ,
Methods and techniques for surveying and prospecting active faults in urban areas
[J].
综合物探在水库渗漏探测中的应用
[J]. ,
The application of comprehensive geophysical exploration method to leakage detection of a reservoir
[J].
综合物探方法在地裂缝探测中的应用
[J]. ,
The application of integrated geophysical exploration method in cracks detecting
[J].
重磁电综合地球物理探测河套盆地深部结构
[J]. ,
Gravity,magnetic and electric comprehensive geophysical prospecting for deep structures in Hetao Basin
[J].
浅层地震勘探在沿海地区隐伏断层探测中的应用
[J]. ,
Application of shallow seismic exploration in detection of buried fault in coastal areas
[J].
物探方法在探测隐伏断层中的应用
[J]. ,
Applying geophysical methods for detecting buried faults
[J].
综合地球物理方法在隐伏断层探测中的技术优势
[J]. ,
The technical advantage of integrated geophysical methods in blind fault exploration
[J].
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