符　超，袁　博,李學(xué)蘭,李軍廣

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100085；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

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廣域電磁法在保靖頁巖氣勘探中的應(yīng)用

符超1，袁博2,3,李學(xué)蘭2,3,李軍廣2,3

(1.神華地質(zhì)勘查有限責(zé)任公司，北京 100085；2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.中南大學(xué) 有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南 長沙 410083)

在我國南方地區(qū)，復(fù)雜的地形和地下構(gòu)造限制了常規(guī)地震勘探方法在頁巖氣勘探中的使用，如何充分、合理地發(fā)揮非地震勘探方法的技術(shù)優(yōu)勢，是頁巖氣勘探中必須面對的問題。為此在湖南保靖地區(qū)使用廣域電磁法，以龍馬溪組和牛蹄塘組為目的層，進行頁巖氣勘探，并對勘探成果進行解釋，確認(rèn)了該地區(qū)頁巖氣目的層具有低電阻的特征，基本查明了該地區(qū)頁巖氣主要目的層的分布規(guī)律。勘探結(jié)果表明，龍馬溪組和牛蹄塘組具有使用電磁法勘探的電性基礎(chǔ)；廣域電磁法作為一種非地震的電磁勘探方法，具有在復(fù)雜地形和地下構(gòu)造地區(qū)進行頁巖氣勘探的能力。該結(jié)果為電磁勘探方法在頁巖氣勘探中的應(yīng)用提供了重要依據(jù)，促進了我國南方頁巖氣勘探方法技術(shù)的完善。

廣域電磁法；頁巖氣勘探；非地震勘探；龍馬溪組；牛蹄塘組

1　引　言

頁巖氣是一種以游離或吸附狀態(tài)藏身于泥頁巖層的非常規(guī)天然氣，其全球含量與常規(guī)天然氣相當(dāng)甚至超出，是一種新型且有價值的油氣勘探資源。頁巖氣的勘探與開發(fā)在國內(nèi)的研究尚處于起步階段，目前認(rèn)為南方海相頁巖地層、北方湖相頁巖地層和廣泛分布的海陸交互相地層等將會是今后頁巖氣勘探的主要領(lǐng)域[1-4]。

常規(guī)地震勘探是頁巖氣勘探的主要方法，主要用于頁巖儲層分布、厚度以及頁巖儲層物性、含氣性等方面的研究。但是在我國南方地區(qū)，復(fù)雜的地形和地下構(gòu)造限制了常規(guī)地震勘探的使用。而電磁勘探作為常規(guī)地震勘探的補充，具有勘探深度大、不受高阻層屏蔽、對低阻層反映靈敏等優(yōu)點，在我國南方地區(qū)的頁巖氣勘探中發(fā)揮著日益重要的作用[5-13]。

廣域電磁法是相對于傳統(tǒng)的可控源音頻大地電磁法和磁偶源頻率測深法提出來的一種新的電法勘探方法，它繼承了可控源音頻大地電磁法使用人工場源克服場源隨機性的優(yōu)點和磁偶源頻率測深法非遠區(qū)測量的優(yōu)勢，其勘探的效率和精度都有明顯的優(yōu)勢[14]。

保靖區(qū)塊目的頁巖層有兩層，分別為志留系龍馬溪組與寒武系牛蹄塘組，具備高生烴潛力，有機碳含量和熱演化程度相對較高，厚度較大,具有良好的頁巖氣生成條件和頁巖氣富集成藏條件，是國內(nèi)開展頁巖氣勘探和研究的有利區(qū)域之一，有很高的勘探價值和研究價值。

2　區(qū)域地質(zhì)

保靖區(qū)塊位于揚子陸塊(地臺)東南緣，毗鄰華南陸塊(華南活動帶)，屬二者過渡地帶，跨越武陵、雪峰兩個地塊(圖1)。區(qū)內(nèi)主要經(jīng)歷了加里東運動、海西—印支運動、燕山運動及喜山運動等多次構(gòu)造運動，出露地層主要為寒武系至下三疊統(tǒng)，各組之間均為整合或假整合接觸。

該區(qū)塊具有良好的頁巖氣生成條件。其下寒武統(tǒng)黑色泥頁巖的有機質(zhì)類型為Ⅰ型，是以海洋菌藻類為主的生源組合，其原始組分屬富氫、富脂質(zhì)，具備高生烴潛力；有機碳含量相對較高，平均達到4%左右；熱演化程度也較高，已普遍達到高-過成熟階段；厚度較大，平均在250 m以上。

該區(qū)塊橫跨兩向斜，主要位于兩向斜的轉(zhuǎn)折端，為應(yīng)力集中區(qū)，泥頁巖裂縫可能較發(fā)育，且除花垣—桑植大斷裂經(jīng)過該區(qū)外，區(qū)內(nèi)無其他大的斷裂構(gòu)造，有利于頁巖氣的富集成藏。但該區(qū)塊下寒武統(tǒng)牛蹄塘組的泥頁巖埋藏深度相對較大，平均埋深大于2 000 m，特別是向斜核部泥頁巖的埋深最高可達4 000多米，較不利于頁巖氣開采。

圖1　保靖區(qū)塊范圍示意圖Fig.1　The position of Baojing block

3　區(qū)域物性特征

根據(jù)保參1井了解龍馬溪組及圍巖的部分特征，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。由表1 可知，龍馬溪組頁巖層電阻率為低阻或者中低阻，上覆地層新灘組電阻率同樣為低阻或中低阻，兩者差異不大，下伏地層寶塔組為奧陶紀(jì)灰?guī)r地層，電阻率顯示為高阻，巖性為灰?guī)r。

根據(jù)龍山地區(qū)了解牛蹄塘組及圍巖的物性特征，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。由表2可知，牛蹄塘組頁巖與上覆的明心寺組砂質(zhì)頁巖、細砂巖以及下伏的震旦系上統(tǒng)灰?guī)r、白云巖均有明顯的電阻率差異，灰?guī)r的電阻率一般大于1 000 Ω·m(均值約為1 500 Ω·m)，表現(xiàn)為相對高阻，頁巖的電阻率一般小于150 Ω·m(均值約為90 Ω·m)，表現(xiàn)為相對低阻。

綜上所述，保靖區(qū)塊兩套目的層，龍馬溪組與下伏地層、牛蹄塘組與上覆及下伏地層均存在明顯的電性差異，不同地層巖性之間的電性差異為廣域電磁法的應(yīng)用提供了良好的地球物理前提。

表1　龍馬溪組及圍巖物性參數(shù)

表2　牛蹄塘組及圍巖物性參數(shù)

4　工作原理及方法

廣域電磁法是一種人工源頻率域電磁勘探方法，通過發(fā)送與接收不同頻率的信號來探測不同深度的地電信息。其基本原理是，在包括遠區(qū)和部分非遠區(qū)在內(nèi)的廣大區(qū)域進行測量，觀測人工源電磁場的一個分量(不是彼此正交的一組電、磁分量)，計算廣域視電阻率值。廣域視電阻率只需要測量電磁場的一個分量，如電場的水平分量Ex、磁場的垂直分量Hz等，單點成本降低，并能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模三維電磁勘探，極大地提高了電磁法勘探效率。廣域視電阻率的計算公式很嚴(yán)格，沒有近似舍棄的，可以在非遠區(qū)工作，大大減小了

收發(fā)距離，同時由于信號衰減速度極快，在獲得同樣信號大小的情況下，所需發(fā)送的電流大大減小，因此所使用的設(shè)備更加輕便，或者說勘探深度更大。

本次廣域電磁法的野外數(shù)據(jù)采集工作，采用以一對接地電極形成的電流源作為場源，來測量電場的水平分量中與供電電極方向平行的Ex分量的方法，即廣域電磁法的E-Ex方法。工區(qū)共布置6條廣域電磁法測線，測線1、3、5線長度均為20 km，測線2、4、6線長度均為10 km，測線總長度為90 km(圖2)；頻率范圍為0.011 7～8 192 Hz，共計40個頻點；在收發(fā)距方面，1、2、5、6線收發(fā)距為15 km，3、4線收發(fā)距為13 km；供電電流為160 A；接收端點距為100 m。

圖2　湖南保靖頁巖氣廣域電磁法探測測線位置Fig.2　The position of survey lines in Baojing block

5　勘探成果分析

首先對廣域電磁法資料進行常規(guī)處理，如靜態(tài)校正、飛點剔除等，并繪制視電阻率擬斷面圖進行分析，初步確定斷層系統(tǒng)的劃分，同時確定原始數(shù)據(jù)與構(gòu)造區(qū)域的對應(yīng)關(guān)系。然后建立合理的地質(zhì)模型，進行一維連續(xù)介質(zhì)反演，并以一維連續(xù)介質(zhì)反演的結(jié)果為基礎(chǔ)進行二維反演。最后采用一維反演結(jié)果進行斷層系統(tǒng)劃分，二維連續(xù)介質(zhì)反演結(jié)果進行地層劃分，并結(jié)合已有資料，對工區(qū)進行綜合地質(zhì)解釋。

從整體來看，保靖地區(qū)的基底構(gòu)造由澄江運動前的震旦系地層構(gòu)成，蓋層為澄江運動后的包括寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系在內(nèi)的沉積物?；讟?gòu)造為明顯的高阻帶，蓋層構(gòu)造多表現(xiàn)為低阻帶間或夾有少量中阻帶特征。但由于該區(qū)發(fā)生過多次構(gòu)造運動，褶皺斷裂都比較發(fā)育，一般表現(xiàn)為背斜核部震旦系地層整體上升，地表剝蝕嚴(yán)重，地下5 000 m之內(nèi)牛蹄塘組廣泛存在，龍馬溪組僅存在背斜兩翼(如1線、2線、4線)；向斜兩翼震旦系地層整體上升，地下5 000 m之內(nèi)牛蹄塘組僅存在背斜兩翼，龍馬溪組廣泛存在(如5線)。以下取典型測線(1線、3線、5線)說明勘探成果。

1線：圖3為1線剖面的二維反演和地層結(jié)構(gòu)圖。由圖3可知，測線自起始端到結(jié)束端，穿過該區(qū)域內(nèi)背斜構(gòu)造，中間為老地層，兩側(cè)為新地層，但受構(gòu)造作用影響，構(gòu)造應(yīng)力發(fā)生變化產(chǎn)生 斷層，地層出現(xiàn)明顯錯斷，地層產(chǎn)狀發(fā)生變化，測線中間部位地層大幅抬升。整體來講，10 000～19 000 m區(qū)間位于背斜北西翼，20 000～30 000 m區(qū)間位于背斜南東翼，19 000～20 000 m區(qū)間為背斜核部，該地區(qū)有明顯斷裂，且有河流沖刷情況出現(xiàn)。

同時該地區(qū)由于受構(gòu)造擠壓作用影響，存在多個逆斷層，12 000 m位置的逆斷層，走向近南東， 傾向東，傾角為80°；19 000 m位置的逆斷層，

圖3　1線二維反演和地質(zhì)解釋Fig.3　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 1

圖4　1線目的層位置(黃色為龍馬溪組，紫色為牛蹄塘組)Fig.4　The position of Longmaxi formation (yellow) and Niutitang formation (purple) in survey line 1

走向北東28°，傾向南東，傾角70°；24 200 m位置的逆斷層，傾角80°；28 000 m位置的逆斷層，走向北東33°，傾向南東，傾角80°。

圖4為1線對目的層的識別結(jié)果。由圖4可知，龍馬溪組僅存在于測線兩端，在測線10 000～12 000 m位置，存在于地下300 m左右位置；在測線245 000～30 000 m位置，龍馬溪組地層埋深從出露地表到地下1 000 m左右變化，同時存在起伏。

牛蹄塘組大范圍存在，在測線10 000～21 000 m位置，一低阻層埋藏最深達地下3 800 m，隨測線向背斜核部靠近，該低阻層埋藏深度降至地下1 400 m，根據(jù)地層分布，推斷該層為目標(biāo)層牛蹄塘組；在測線25 000～29 000 m位置，同樣存在一低阻層，埋藏深度在地下2 500～3 000 m之間，推斷為牛蹄塘組。

3線：圖5為3線剖面的二維反演圖和地層結(jié)構(gòu)圖。由圖5可知，測線整體上位于向斜南東翼，地層自北西往南東，地層埋深逐漸變淺。3線有兩條斷層出露地表，24 000 m位置的逆斷層，走向北東31°，傾向北西，傾角45°； 27 500 m位置的逆斷層，走向北東44°，傾向南東，傾角45°。

圖6為3線對目的層的識別結(jié)果。由圖6可知，在測線12 000～24 000 m位置，淺部有一穩(wěn)定低阻層，根據(jù)地表地層出露及鉆孔資料信息，推斷為龍馬溪組，自起始端開始，地層埋深從1 500 m變化到500 m，地層變化平緩；在測線28 500～32 000 m位置，龍馬溪組埋深從750 m變化到500 m。

牛蹄塘組整體埋深較大，在測線12 000～24 000 m位置，牛蹄塘組埋藏在地下4 000 m至4 500 m之間；在測線29 500～32 000 m位置，受構(gòu)造影響分布有兩層牛蹄塘組，淺層埋深在2 500 m左右，深層埋深在4 500 m左右。

5線：圖7為5線剖面的二維反演圖和地層結(jié)構(gòu)圖。由圖7可知，5線經(jīng)過區(qū)塊內(nèi)向斜構(gòu)造，向斜的北西翼和南東翼方向地層埋深均為緩慢上升，這與5線的構(gòu)造框架是很吻合的。3條逆斷層把5線分成四個部分，中間部分為向斜核部，兩側(cè)部分為向斜兩翼。13 000 m位置的逆斷層，走向北東51°，傾向近直立，傾角85°；18 000 m位置的逆斷層，走向北東60°，傾向南東，傾角75°；20 500 m位置的逆斷層，走向北東62°，傾向南東，傾角75°。

圖8為5線對目的層的識別結(jié)果。由圖8可知，在測線10 000～13 000 m位置，龍馬溪組地層平緩，埋深變化不大；在13 000～18 000 m位置，龍馬溪組受向斜構(gòu)造影響，中間地層埋藏深，兩側(cè)地層埋藏淺；在18 500～30 000 m位置，龍馬溪組埋深由深及淺，埋深最深2 000 m，最淺地表有出露。

圖5　3線二維反演和地質(zhì)解釋Fig.5　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 3

圖7　5線二維反演和地質(zhì)解釋Fig.7　The 2D inversion and geological interpretation of survey line 5

圖8　5線目的層位置(黃色為龍馬溪組，紫色為牛蹄塘組)Fig.8　The position of Longmaxi formation (yellow) and Niutitang formation (purple) in survey line 5

在測線10 000～12 500 m位置，牛蹄塘組埋深2 700 m左右，地層平緩，埋深變化不大；在測線19 000～27 000 m位置，牛蹄塘組埋深整體由淺及深，從地下4 500 m變化到地下5 000 m左右。

6　結(jié)　論

1)湖南保靖地區(qū)兩套頁巖層龍馬溪組和牛蹄塘組均呈現(xiàn)低阻的電性特征，具有使用電法勘探的良好物理前提，有利于采用廣域電磁法進行勘探，也為湘西其他地區(qū)的地電模型的建立提供了參考依據(jù)。

2)通過勘探，基本查明了保靖地區(qū)兩套頁巖目的層的分布范圍和埋藏深度，得出在地下5 000 m范圍內(nèi)，背斜處牛蹄塘組和向斜處龍馬溪組廣泛分布；非構(gòu)造處兩套目的層埋深穩(wěn)定，龍馬溪組埋深大部分在地下2 000 m以內(nèi)，牛蹄塘組在背斜核部埋深較淺，最淺在地下1 000 m左右，向斜核部埋深較深，在地下4 000 m到4 500 m之間。上述成果對保靖地區(qū)頁巖氣勘探的下一步工作具有指導(dǎo)意義，是湘西地區(qū)的頁巖氣勘探成果的重要組成部分。

3)廣域電磁法在頁巖氣勘探工作中，不僅具有一般電磁方法不受復(fù)雜地表條件和高陡構(gòu)造地層影響、不受高阻的碳酸鹽巖地層影響的優(yōu)點，而且還具有勘探深度大、分辨能力強、抗干擾能力強等優(yōu)點，可以正確地反演得到地下電性體真實的電阻率特征，為頁巖氣的勘探工作做出重要貢獻。

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The Exploration of Wide Field Electromagnetic Method on Shale Gas

Fu Chao1,Yuan Bo2,3,Li Xuelan2,3,Li Junguang2,3

(1.ShenhuaGeologyExplorationCo.,Ltd.,Beijing100085,China; 2.SchoolofGeosciencesandInfo-Physics,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China; 3.KeyLaboratoryofMetallogenicPredictionofNonferrousMetalsandGeologicalEnvironmentMonitoring,CentralSouthUniversity,ChangshaHunan410083,China)

In southern China, the use of conventional seismic exploration method in shale gas exploration is limited because of complex topography and subsurface structure. How to make full use of the advantage of non-seismic exploration is a problem we must face in shale gas exploration. In Baojing area, wide field electromagnetic method is used to find Longmaxi formation and Niutitang formation in shale gas exploration. It's certain that the resistivity of target strata is low and the distribution rules of target stratum is found out. The result shows that electromagnetic exploration method can be used to find Longmaxi formation and Niutitang formation. As a non-seismic exploration method and an electromagnetic exploration method, wide field electromagnetic method can be used in shale gas exploration in areas of complex terrain and underground structure, which has a good effect. It is an important example of electromagnetic exploration method used in shale gas exploration and promotes the improvement of shale gas exploration technology in south China.

wide field electromagnetic method; shale gas exploration; non-seismic exploration; Longmaxi formation; Niutitang formation

1672—7940(2016)04—0416—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.04.003

國家自然科學(xué)基金(編號：41227803)；湖南省重點實驗室開放基金(編號：E21424)

符超(1983-)，男，博士，工程師，主要從事地球物理勘查工作。E-mail：fuchao@mail.igcas.ac.cn

袁博(1990-)，男，博士研究生，主要研究方向為電磁法研究及應(yīng)用。E-mail：ynbo7182006@126.com

P631.3

A

2016-04-29