王安平 周 昊 王 強(qiáng)

（1.四川中成煤田物探工程院有限公司，四川 成都 610072；2.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

高密度電法實(shí)際上是一種陣列勘探方法，20 世紀(jì)80 年代中期，日本地質(zhì)計(jì)測株式會(huì)社實(shí)現(xiàn)了野外高密度電阻率法的數(shù)據(jù)采集，但并沒有充分發(fā)揮高密度電阻率法的優(yōu)越性。20 世紀(jì)80 年代后期至今，中國地礦部系統(tǒng)率先開展了高密度電阻率法及其應(yīng)用技術(shù)研究，從理論與實(shí)際相結(jié)合的角度進(jìn)一步探討并完善了方法理論及有關(guān)技術(shù)問題。隨著技術(shù)的發(fā)展，新一代高密度電法儀多采用分布式設(shè)計(jì)，相對于集中式設(shè)計(jì)而言，是將電極轉(zhuǎn)換功能放在電極上。分布式智能電極器串聯(lián)在多芯電纜上，地址隨機(jī)分配，在任何位置都可以測量，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)測量和多道、長剖面的連續(xù)測量。20 世紀(jì)60 年代Berdichevski 等，提出了音頻大地電磁法（AMT），從儀器采集系統(tǒng)和資料處理方式劃分為3個(gè)發(fā)展階段：20世紀(jì)50-60 年代為手工量板階段；20 世紀(jì)70 年代至今為數(shù)字化階段；可視化階段正在興起。工區(qū)開孔層位為上三疊統(tǒng)須家河組地層，須二段、須四段、須六段細(xì)粒—中粒砂巖孔隙裂隙含水層，砂巖裂隙廣泛發(fā)育。各類裂隙中又以層面裂隙及因?qū)娱g滑動(dòng)所引起的扭裂最為發(fā)育，有著良好的透水性能和儲(chǔ)水空間。高密度電法對于地下埋深100 m以淺裂隙勘探效果較好，AMT 對于地下埋深100～1 000 m 裂隙勘探效果較好。這兩種方法都是通過研究地電斷面中視電阻率的分布情況進(jìn)而對裂隙及其他不良地質(zhì)體做出科學(xué)解釋的一種地球物理勘探方法［1～8］。

1 工區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

工區(qū)埋深1 000 m以淺依次為須家河組、雷口坡組、嘉陵江組地層。須家河組為一套湖泊、河流相沉積的細(xì)—中粒石英砂巖及黑灰色頁巖不等厚互層夾薄煤層。雷口坡組為一套潟湖—淺海相碳酸鹽巖沉積，上部以深灰色、黃灰色泥質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r為主夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖及角礫狀灰?guī)r，下部為白云質(zhì)灰?guī)r及頁巖夾粉砂巖，底部為灰綠色水云母黏土巖與下伏嘉陵江組石灰?guī)r呈整合接觸。嘉陵江組為一套淺?！獫暫嗵妓猁}巖沉積，底為過渡層，即銅街子段，與下伏飛仙關(guān)組為連續(xù)沉積。

1.2 地球物理特征

為了更準(zhǔn)確了解區(qū)內(nèi)各地層巖性的電性特征，對擬施工測量的主要巖性，在露頭通過采用對稱四極直接測量的方法進(jìn)行物性測試統(tǒng)計(jì)。不同巖性的電阻率值見表1，從表1可以看出，不同巖性之間存在著一定的電性差異，巖層中泥巖電阻率最低，一般在44～290 Ω·m，為低電阻率；石灰?guī)r電阻率最高，一般在1 070～3 523 Ω·m，為高電阻率；砂巖電阻率一般在81～583 Ω·m，為中電阻率；裂隙若充水，一般充水裂隙視電阻率在1～40 Ω·m，屬于低視電阻率；若裂隙不含水，視電阻率相對于圍巖則呈現(xiàn)相對高阻，一般在6 731～10 892 Ω·m，視電阻率與上述不同巖性電阻率差異明顯。因此，工區(qū)具備開展高密度電法及AMT的地球物理前提條件。

表1 電阻率物性統(tǒng)計(jì)表

2 綜合物探方法原理

2.1 高密度電法

高密度電法勘探原理是以巖層介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。由于其勘探過程屬于二維勘探，因此可以通過二維成像軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理成像，進(jìn)而直觀地顯示地電斷面中視電阻率的分布情況，通過對斷面作出解釋，完成查明裂隙等工程地質(zhì)勘查任務(wù)。該方法勘探深度較淺，是一種快速、高效、經(jīng)濟(jì)的淺表裂隙構(gòu)造勘察手段，這種方法能夠有效地發(fā)現(xiàn)地下埋深100 m以淺的不良地質(zhì)體，并較為準(zhǔn)確地確定不良地質(zhì)體存在的位置及大小。

高密度電法是用直流供電來測量大地電阻率的方法，通過兩個(gè)電極向大地發(fā)射電流，電流產(chǎn)生等位線分布，從而用另外兩個(gè)電極來測量電位差。其視電阻率定義為：

式中，ρs為視電阻率，Ω·m；K 為電極裝置系數(shù)，m；V為電壓，mV；I為電流，mA。

其中，K只與野外的電極幾何排列有關(guān)，可以寫成：

式中，AM 為A 到M 的距離，m；AN 為A 到N 的距離，m；BM 為B 到M 的距離，m；BN 為B 到N 的距離，m。

2.2 音頻大地電磁法

AMT 是大地電磁法的一個(gè)分支，它是利用天然的大地電磁場作為場源來測定地下巖石的電性參數(shù)，并通過研究地電斷面的變化來達(dá)到解決地質(zhì)問題的一種地球物理勘探方法。該方法勘探深度范圍大，野外生產(chǎn)裝備輕便，適用于地形條件較差的地區(qū)，能夠有效發(fā)現(xiàn)地下埋深100～1 000 m 的不良地質(zhì)體。

理論的基本模型是假設(shè)場源位于高空，地面電磁場為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的。定義電磁波在地下介質(zhì)傳播中，振幅衰減到地面振幅的深度為趨膚深度或穿透深度。觀測電場Ex和與之垂直的磁場Hy來計(jì)算卡尼亞視電阻率：

式中，ρk為卡尼亞視電阻率，Ω·m；Ex為電場分量，mV／km；Hy為磁場分量，nT；f為頻率，Hz。

根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，可導(dǎo)出了趨膚深度公式：

式中，δ為探測深度，m；ρ為電阻率，Ω·m。

從上式（4）可見：高頻時(shí)，探測深度淺，低頻時(shí)，探測深度深。頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的地層電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層電性特征。在一個(gè)寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計(jì)算出視電阻率和相位，可確定大地的地電特征和地下構(gòu)造。

3 方法應(yīng)用研究

3.1 處理解釋思路

總體遵循綜合研究、面上控制、重點(diǎn)異常查證、點(diǎn)上突破、由已知到未知、由淺入深、循序漸進(jìn)的原則開展資料解釋工作：①在全面收集工區(qū)以往地質(zhì)、地球物理勘探及其他資料的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析和綜合研究勘探區(qū)內(nèi)的地質(zhì)特征。②電性差異是開展物探工作的前提，是電法觀測結(jié)果進(jìn)行解釋推斷的依據(jù)。全面收集和測量工區(qū)不同巖石電性參數(shù)，為研究異常性質(zhì)打好基礎(chǔ)。③運(yùn)用合理有效的技術(shù)、方法對電法資料進(jìn)行精細(xì)處理，獲得可靠的物探成果。④基于已知地質(zhì)資料及地質(zhì)露頭等對電法剖面進(jìn)行層位標(biāo)定，結(jié)合本區(qū)巖石電性特征，研究物探異常與地層、構(gòu)造的關(guān)系，確立以電法信息為主的地質(zhì)異常物探特征。⑤異常劃定標(biāo)準(zhǔn)為通過巖性及地質(zhì)異常體的物性統(tǒng)計(jì)及反演結(jié)果，與實(shí)測地質(zhì)資料相結(jié)合，得出該工作區(qū)視電阻率異常大小的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 成果解釋

1）高密度電法。過某井3 條平行高密度電法反演剖面如圖1、圖2、圖3 所示，其電性特征基本一致，共圈定出3 個(gè)低阻異常帶，分別為g1、g2 及g3異常。剖面南東端（大號里程方向）地形較平坦，地表出露巖性為石英砂巖，淺表層呈現(xiàn)高阻特征；剖面北西端（小號里程方向）地形坡度較大，淺表層呈現(xiàn)不均勻電性特征（圖1～圖3）。井場位于須家河組地層，巖性以砂巖為主，且井場位于向斜軸部，裂隙構(gòu)造較為發(fā)育，地表水沿裂隙下滲，推測3個(gè)低阻異常帶為須家河組六段裂隙較為發(fā)育的充水砂泥巖地層所引起，富水性較強(qiáng)。高密度電法主要控制工區(qū)埋深100 m 以淺的地質(zhì)異常體，可得出以下結(jié)論：①剖面電性特征是須家河組地層的反映，巖性以砂泥巖為主；②由于須家河組砂巖為含水層，節(jié)理裂隙發(fā)育，地表水沿裂隙下滲，在剖面上呈現(xiàn)淺表層電阻較高，其下有一層中低阻層的含水顯示。

圖1 M1線視電阻率反演剖面圖

圖2 M2線視電阻率反演剖面圖

圖3 M3線視電阻率反演剖面圖

2）音頻大地電磁法。過某井3 條平行音頻大地電磁法反演剖面如圖4、圖5、圖6所示。該3條平行剖面的電性特征基本一致，淺部須家河組地層整體呈現(xiàn)中低視電阻率的電性特征，屬于須家河組巨厚砂巖及裂隙的綜合電性反映。中深部因雷口坡組地層厚度僅105 m，電性反映較弱，因此該段電性主要為雷口坡組及嘉陵江組石灰?guī)r的中高阻電性反映。3條剖面共圈定出6 個(gè)低阻異常帶，h1、h3 及h5 異常帶呈條帶狀，該區(qū)域?yàn)轫毤液咏M六段地層，h2、h4及h6 異常帶為須家河組四段地層，這兩段地層均為細(xì)粒—中粒砂巖孔隙裂隙含水層，富水性中等，透水性較強(qiáng)，為主要含水層。推測低阻異常帶由裂隙較為發(fā)育的充水砂泥巖地層所引起。鉆井平臺下方埋深428 m至深部電性曲線較為完整，呈現(xiàn)中高阻的電性特征，證明地層較為完整，未發(fā)現(xiàn)有明顯的異常。結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查分析，南廣河海拔380 m，若存在斷裂構(gòu)造，河流可能沿構(gòu)造帶徑流。因此，綜合推斷雷口坡組至深部1 000 m以淺存在不良地質(zhì)體的可能性較小。綜合得出音頻大地電磁法成果如下：①鉆井鉆遇地層為須家河組、雷口坡組及嘉陵江組對應(yīng)的電性特征與地層巖性相一致，通過剖面電性特征能夠?qū)毤液咏M及其下伏地層進(jìn)行大致分層。②通過AMT剖面推斷須家河組底界面埋深平均約430 m，電性呈現(xiàn)中低阻形態(tài)。雷口坡組地層厚度約105 m，由于地層厚度較薄，與嘉陵江組地層電性區(qū)別不大，因此雷口坡組與嘉陵江組地層綜合呈中高阻反映。③須家河組地層有兩層低阻條帶，推斷為須四段、須六段的孔隙裂隙含水層。④調(diào)查鉆井平臺周圍雷口坡組地層，未發(fā)現(xiàn)溶洞、溶蝕漏斗及暗河出口，與電性呈中高阻特征相一致。

圖4 L1線視電阻率反演剖面圖

圖5 L2線視電阻率反演剖面圖

3.3 高密度電法+AMT綜合運(yùn)用效果分析

圖6 L3線視電阻率反演剖面圖

通過高密度電法反演成果，發(fā)現(xiàn)在地表下方存在一處視電阻率低阻異常帶，推斷為裂縫含水引起。通過AMT 共發(fā)現(xiàn)兩處低阻異常帶，淺部的低阻異常帶與高密度電法成果吻合性較好，深部的低阻異常帶推測為須家河組四段的孔隙裂隙含水層。通過高密度電法與AMT 對比分析可以得出，鉆井平臺下方裂隙較為發(fā)育，高密度電法控制深度較淺，而AMT 控制深度較深。兩種方法互相參照、互為補(bǔ)充、綜合分析，效果較好。

4 結(jié)論

1）在鉆井平臺施工前圍繞井平臺開展綜合物探工作，采用高密度電法（針對于埋深100 m 以淺）、AMT（針對于埋深100～1 000 m），能夠有效查明鉆遇地層裂隙發(fā)育的情況，預(yù)測鉆井施工對環(huán)境的影響，為鉆井設(shè)計(jì)提供了支撐。

2）高密度電法控制深度較淺，而AMT控制深度較深。兩種方法互相參照、互為補(bǔ)充、綜合分析，效果較好。