彭炎,張小博,張健,張鵬輝,袁永真,姜春香

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000;2.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000;3.自然資源部 地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，河北 廊坊 065000; 4.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

大地電磁測深是一種裝備輕便、易于野外作業(yè)、經(jīng)濟(jì)耗費小的地球物理方法。在我國南方山地，由于復(fù)雜的地形起伏和密布的植被使得反射地震的測線難以在其中展開，并且由于山區(qū)常見堅硬的巖層，具有高波速和高密度的特征，地震波傳播難以向下傳播。與此同時，在南方地區(qū)很多地層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的改造作用，對于劇烈變化的地層，單一應(yīng)用反射地震追蹤這樣的地層存在著較大的困難，在這些地方開展大地電磁，補(bǔ)全了資料的缺失，為油氣勘探研究提供了重要的補(bǔ)充[1-2]。在松遼盆地及其外圍，含油氣的深層地層內(nèi)部經(jīng)歷了巖漿活動和構(gòu)造的改造，反射地震同樣遇到了較大的困難，主要是由于火山巖對地震波的屏蔽作用和深層含油氣地層斷裂較發(fā)育，反射地震對該區(qū)石炭—二疊系成像質(zhì)量較差，而大地電磁對低阻層敏感，在該區(qū)的石炭—二疊系地層的勘探發(fā)揮了重要作用[3]。

松遼盆地是我國東部重要的能源資源基地，其中濱北地區(qū)(嫩江以南，哈爾濱—滿洲里鐵路線以北的松遼盆地北部)是大慶油田的主力產(chǎn)區(qū)。該地區(qū)自西向東有西部斜坡區(qū)的北部、中央凹陷區(qū)、北部傾沒區(qū)以及東部隆起區(qū)，工區(qū)在構(gòu)造位置上處在西部斜坡區(qū)的北部。西部斜坡區(qū)是松遼盆地的一級構(gòu)造單元，它又分為3個二級構(gòu)造單元，自西向東分別是西部超覆帶、泰康隆起帶、富裕構(gòu)造帶。西部斜坡區(qū)傳統(tǒng)的油氣目標(biāo)層主要是姚家組和嫩江組[4]，隨著勘探的逐步深入，該區(qū)上古生界的目的層越來越受到研究人員的關(guān)注，認(rèn)為二疊系林西組是該區(qū)上古生界最有利的勘探層位，有分布廣、厚度大、顏色暗等特征[5-7]。

目前，不同的機(jī)構(gòu)、學(xué)者針對石炭—二疊系開展了系列技術(shù)攻關(guān)和地質(zhì)研究，初步獲得了該套地層的整體分布，提出其晚古生代的沉積中心主要位于東部和西北部，目前殘留的地層厚度仍較大，是未來松遼盆地上古生界油氣資源勘探的重點地區(qū)[8-12]。目前，石炭—二疊系空間分布主要基于大尺度的重磁等資料獲得，石炭—二疊系內(nèi)部受后期的巖漿活動和構(gòu)造的改造，反射地震對該套地層的成像存在較大的困難，主要為斷續(xù)的弱反射和雜亂反射特征為主，制約了松遼盆地深層油氣資源的勘探突破和評價。已有鉆孔揭示了二疊系林西組發(fā)育厚層的泥巖層，在電性特征上呈低電阻特征，而大地電磁測深法由于對低阻層敏感，可用于泥巖層分布的研究。

1 巖石物性特征

在泰康隆起帶北部圍繞黑富地1井部署了一條20 km的大地電磁測深剖面(圖1)，通過采集、處理等參數(shù)試驗和優(yōu)選，探測該區(qū)域二疊系林西組的地層分布。黑富地1井基本揭示了濱北地區(qū)上二疊統(tǒng)林西組、白堊系及其上部地層的充填序列。其地層層序為第四系，上白堊統(tǒng)明水組、四方臺組、嫩江組、姚家組、青山口組，下白堊統(tǒng)泉頭組和二疊系林西組(未鉆穿)[13]。

圖1 西部斜坡區(qū)構(gòu)造圖(a)，T5界面等值線圖與測線部署(b)Fig.1 Structural map of western slope area(a), T5 interface contour map and survey line deployment(b)

研究區(qū)周邊做了較全面的物性統(tǒng)計工作，通過地質(zhì)調(diào)查鉆探資料、巖石標(biāo)本物性測試資料和井旁測深數(shù)據(jù)等資料，測試了電阻率，結(jié)合前人物性研究資料，系統(tǒng)地整理了該地區(qū)及周邊地層巖石物性參數(shù)，重點分析了上古生界林西組地層的物性界面，得到了區(qū)域電阻率特征(圖2a)，林西組的上覆地層和下伏地層均表現(xiàn)為中高阻特征，林西組在中間是一個顯著的低阻層，具有開展大地電磁工作的物性前提。

表1 研究區(qū)物性參數(shù)統(tǒng)計Table 1 Physical properties of study area

此外，黑富地1井自上而下鉆遇上白堊統(tǒng)、下白堊統(tǒng)泉頭組和上二疊統(tǒng)林西組，對比該井的電阻率曲線和井旁測深曲線(圖2b)，兩者整體形態(tài)具較好的一致性；嫩江組具有相對較低的電阻率，姚家組—泉頭組電阻率逐漸升高，泉頭組的下部對應(yīng)了井旁測深曲線電阻率極大值處，二疊統(tǒng)林西組地層的電阻率測井曲線急劇左移，MT井旁測深曲線顯示電阻率開始降低，其極小值處位于2.4 km處。上述的巖石電阻率的縱向差異和井旁測深與電測井對比結(jié)果表明，研究區(qū)利用大地電磁測深法能夠有效地解釋石炭—二疊系的地層分布，尤其對其中淺變質(zhì)的高泥質(zhì)含量地層，從而彌補(bǔ)了地震信息的缺失。

圖2 區(qū)域地層電阻率特征(a)及黑富地1井MT井旁側(cè)深曲線與電阻率測井曲線對比(b)Fig.2 Regional formation resistivity characteristics(a), Comparison of MT and resistivity logging curves in HFD1 (b)

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 MT數(shù)據(jù)采集處理

研究區(qū)位于黑龍江省富?？h龍安橋鎮(zhèn)境內(nèi)，為查明研究區(qū)二疊系展布特征，部署了1條長20 km的MT測線，數(shù)據(jù)采集使用儀器為加拿大鳳凰地球物理公司的V5-2000和V8大地電磁測深儀，采用標(biāo)準(zhǔn)“+”字形布設(shè)，Ex、Hx與Ey、Hy方向為NS、EW布極，設(shè)計點距自設(shè)計井向500～1 000 m，在鉆井附近采用250 m的點距，電偶極距離為100 m，記錄有效頻率帶寬為0.000 5～320 Hz。

研究區(qū)位于人文活動較大的地區(qū)，采集時段內(nèi)有大量水稻灌溉裝置工作。為了獲得高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，在正式采集前開展了采集時長實驗，通過對比發(fā)現(xiàn)采集時間保證在22小時以上能夠獲得形態(tài)穩(wěn)定、連續(xù)、光滑的曲線(圖3)。此外，工作區(qū)內(nèi)部分由于靠近公路、高壓線等具有電磁干擾，嚴(yán)重影響大地電磁測深數(shù)據(jù)質(zhì)量，為壓制局部電磁干擾，認(rèn)為區(qū)域磁場相對穩(wěn)定，可采用互參考方法能夠改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，實踐對比結(jié)果也證明這種方法在強(qiáng)電磁干擾區(qū)的有效性(圖4)。

野外數(shù)據(jù)預(yù)處理采用鳳凰公司自帶的SSMT2000 軟件，利用傅里葉變換將數(shù)據(jù)由時間域信號變換成頻率域數(shù)據(jù)，通過功率譜挑選、遠(yuǎn)參考、“Robust”估計等處理技術(shù)，計算阻抗信息，獲得所有測點的視電阻率與相位曲線。原始視電阻率曲線能夠直觀的反映區(qū)域地下介質(zhì)的電性特征，從電性視電阻率曲線(圖5)上可看到，淺部的(T5界面以上)電阻率整體較低，代表了白堊系沉積地層，受淺部低阻層的屏蔽作用，下伏地層的視電阻率曲線有小幅度的上揚(yáng)，在趨膚深度1 500～2 000 m范圍內(nèi)可見局部低阻，推測是石炭—二疊系泥巖層的電性響應(yīng)。此外，由于測點主要位于第四系覆蓋區(qū)和盆地內(nèi)部，整個工區(qū)內(nèi)高程變化較小，幾乎無靜位移效應(yīng)的影響。

2.2 地電走向分析

大地電磁數(shù)據(jù)曲線依賴地下空間的導(dǎo)電性質(zhì)，地下空間電性結(jié)構(gòu)在一維，二維或者三維的情況下，阻抗張量曲線形態(tài)是不同的，而野外實際地質(zhì)結(jié)構(gòu)往往都是三維的，具有一定走向延伸的地質(zhì)體可近似為二維構(gòu)造[14-15]，這就為二維反演提供理論支撐。因此反演計算前我們需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行維性分析，主要是判斷二維偏離度(S)的大小，由圖6可知剖面測點二維偏離度(S)在0.01 Hz以上基本小于 0.2，表現(xiàn)為較好的一維和二維特征，尤其是320～1 Hz 的大多數(shù)頻點，S幾乎為0，表現(xiàn)為一維特征，說明該頻段表征的深度內(nèi)具有較穩(wěn)定的沉積。

接下來需進(jìn)行電性主軸分析，并確定數(shù)據(jù)極化模式，數(shù)據(jù)阻抗張量分解單測點單頻點進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，勢必造成整條剖面數(shù)據(jù)曲線的不連續(xù)，基于局部服從整體的考慮，多測點—多頻點統(tǒng)計成像分析技術(shù)[14,16]可有效統(tǒng)計出剖面電性主軸角度。由于研究區(qū)的測點在大于1 Hz的頻段(高頻部分)主要表現(xiàn)為一維特征，若參與統(tǒng)計必然會影響深部電性主軸的準(zhǔn)確性，而且我們關(guān)注的深度主要在地下1～4 km，因此在進(jìn)行頻點統(tǒng)計時，主要統(tǒng)計1～0.01 Hz頻段的電性主軸方向，統(tǒng)計結(jié)果玫瑰圖如圖7所示。相比單測點—多頻點(圖7a)的統(tǒng)計結(jié)果，多測點—多頻點(圖7b)的統(tǒng)計分析建立在單測點—多頻點的統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，其結(jié)果更直觀，又由于阻抗張量分解存在90張的模糊性，需結(jié)合區(qū)域主體構(gòu)造走向進(jìn)行判斷。研究區(qū)在中生代以來主要受東側(cè)濱太平洋板塊西向俯沖影響，周邊主要發(fā)育中生代NE向展布深大斷裂，故而最終確定區(qū)域內(nèi)的地電結(jié)構(gòu)走向應(yīng)為36°(NE向)。將測點阻抗角度順時針旋轉(zhuǎn)36°，則此時ρa(bǔ)xy、φxy就代表TE極化模式的電阻率和相位，ρa(bǔ)yx、φyx代表TM極化模式的電阻率和相位。

圖3 同一測點不同時長的原始視電阻率和相位曲線對比Fig.3 Comparison of original apparent resistivity and phase curve at the same measurement point for different durations

圖4 較差的原始視電阻率曲線(a)及經(jīng)過互參考處理后的視電阻率曲線(b)Fig.4 Poor raw apparent resistivity curve (a), Apparent resistivity curve after cross-reference processing(b)

圖5 A5測點原始視電阻率曲線和相位曲線Fig.5 A5 station raw apparent resistivity and phase curve

圖6 二維偏離度剖面Fig.6 2D deviation (S) section

圖7 單測點—多頻點統(tǒng)計的1～0.01 Hz頻點電性主軸方向(a),多測點—多頻點統(tǒng)計1～0.01 Hz頻段電性主軸方向(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

本文使用目前較成熟的非線性共扼梯度法NLCG[17]進(jìn)行反演，該方法具有計算速度快、所需存儲量小、結(jié)果穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于該方法屬于局部最優(yōu)化方法，易受初始電阻率模型影響要求所選擇的電阻率模型應(yīng)接近實際的地質(zhì)模型[18]，因此反演時選擇一維Occam反演結(jié)果作為初始模型。這一技術(shù)基本保留了一維反演結(jié)果中層狀介質(zhì)模的宏觀輪廓信息對深部的低阻異常體光滑效應(yīng)影響小。在極化模式識別上，由于相對于TE模式，TM模式響應(yīng)受三維效應(yīng)的影響較小[19-20]，能較好地重建原始模型信息[14,21]，并且在查明盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)上獲得了良好的應(yīng)用效果[22-23]，因此本次選擇TM模式進(jìn)行反演計算。反演參與頻點60個，頻段為320～0.01 Hz。反演過程中TM 視電阻率與阻抗相位數(shù)據(jù)選擇5%和5%的本底誤差，初始模型選擇100 Ω的均勻空間，正則化因子選擇10，迭代次數(shù)141，最終擬合誤差RMS為1.17。隨迭代次數(shù)收斂曲線如圖8所示。

原始數(shù)據(jù)反演計算結(jié)果的正確性是保證地質(zhì)解釋結(jié)果的前提條件，通過對反演結(jié)果開展正演模擬計算，對比了理論響應(yīng)與實測音頻大地電磁電阻率響應(yīng)曲線。圖9為二維反演得到的理論響應(yīng)擬斷面圖與實測視電阻率擬斷面圖的對比，可以看出實測的視電阻率影像斷面圖與二維反演得到理論響應(yīng)結(jié)果擬合度較好，說明本次反演結(jié)果正確可靠。

圖8 RMS收斂曲線Fig.8 RMS convergence curve

2.4 電性結(jié)構(gòu)特征

6 km 以淺的電性結(jié)構(gòu)圖(圖10)可用于開展研究區(qū)的構(gòu)造解釋與地質(zhì)地球物理綜合解釋。從圖中看，整個剖面整體上電性分層較明顯，自上而下呈低—高—低—高特征，中段縱向上具有較好的分層特征，反映了地層結(jié)構(gòu)相對簡單；中段深部高阻層埋藏較淺，東部和西部深部高阻層埋藏較深。其中黑富地1井(測點A4)下伏的高阻層與東西兩側(cè)相比并不明顯，可能反映該區(qū)域內(nèi)有斷裂發(fā)育，鉆孔在 1 900～2 000 m鉆遇有破碎帶；測線東段電性結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，A19下可見電阻率等值線陡變梯度帶，兩側(cè)的塊狀電性結(jié)構(gòu)具有一定的垂向位移，A19與A20之間電阻率有橫向上不連續(xù)的現(xiàn)象，可能指示斷層的存在。

圖9 二維反演擬合斷面(上)與實測數(shù)據(jù)(下)對比Fig.9 2D observation data section (top) and 2D inversion calculation section(below)

圖10 二維電性結(jié)構(gòu)剖面及初步解釋結(jié)果Fig.10 2D electrical structure profile and preliminary explanation

3 油氣地質(zhì)評價

富裕斷陷勘探程度較低，鉆井較少且僅有少量鉆孔鉆遇斷陷沉積層，如富參1井在1 709 m和 2 003.5 m分別鉆遇沙河子組和火石嶺組，前者巖性以粗、細(xì)砂巖為主，后者則主要發(fā)育沉積碎屑巖夾中酸性火山巖。部署在齊齊哈爾西北25 km的黑富地1井未鉆遇斷陷層沉積，穿過下白堊統(tǒng)泉頭組后，直接進(jìn)入上二疊統(tǒng)四站板巖組(林西組)，反映研究區(qū)主要位于富裕斷陷的西部斜坡帶次級構(gòu)造單元。

區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究表明林甸—杜爾伯特一線石炭—二疊系烴源巖以暗色泥巖、淺變質(zhì)泥巖等為主，有機(jī)質(zhì)類型主要為腐植型；地溫梯度位于4～5 ℃/100 m，屬于相對高地溫梯度，有機(jī)質(zhì)成熟度普遍大于4，已進(jìn)入裂解氣階段，埋藏史研究揭示石炭—二疊系為后期淺埋型，二次生烴潛力較小，因此該區(qū)域油氣資源勘探主要集中在石炭—二疊系原生油氣藏或后期保存條件較好的次生油氣藏。黑富地1井位于富裕斷陷西部斜坡帶，缺失斷陷層沉積，在泉頭組沉積以前處于凸起剝蝕階段，可能導(dǎo)致石炭—二疊系淺部原位油氣藏發(fā)生減壓、烴類氣體逸散或擴(kuò)散，測井曲線上顯示在1 650～1 900 m范圍內(nèi)殘余有機(jī)碳(TOC)含量較高，而對應(yīng)全烴測井和C1測井曲線上數(shù)值相對較小。張性斷裂的發(fā)育對油氣藏的保存具有不利影響，在1 900～2 000 m鉆遇的破碎帶對應(yīng)的全烴含量較低。因此，優(yōu)良的儲集層及保存條件可能是該區(qū)域油氣勘探的有利地區(qū)。

T2界面自黑富地1井向東延展相對穩(wěn)定，可橫向追蹤；而T5界面在東側(cè)缺乏約束條件，考慮到白堊系地層在研究區(qū)具有超覆特征，其厚度向東部逐漸增大，同時白堊紀(jì)斷陷沉積受區(qū)域斷裂控制，A19測點之下斷裂東側(cè)可能發(fā)育斷陷層沉積。從電性分層推測，位于黑富地1井東約6 km處(A10與A11之間)深部高阻體隆起，林西組底界在A10與A11之間埋深最淺在2 km以內(nèi)，東西兩側(cè)埋深較深。位于黑富地1井東約8 km(A12)處淺部電性結(jié)構(gòu)(T5界面以上)與黑富地1井東約6 km處基本一致，指示沉積特征橫向上無變化，下伏的高阻層橫向上連續(xù)，反映無斷裂構(gòu)造的發(fā)育，高阻層之下發(fā)育一橫向較連續(xù)的低阻層，推測與薄層的林西組相對高泥值含量地層有關(guān)。因此綜合考慮到斷層以及高阻體隆起，目標(biāo)層較淺的埋藏深度，還有適宜油氣藏穩(wěn)定的保存條件，A12至A17之下應(yīng)當(dāng)是該測線所控制的油氣勘探較有利區(qū)。

4 結(jié)論

1) 試驗區(qū)的大地電磁測深反演結(jié)果有較好的縱向分層性，中生界自上而下基本呈現(xiàn)高阻、低阻相間的電性特征，反映了縱向巖性差異。

2) 二維電性結(jié)構(gòu)揭示的T5界面與反射地震的資料有較好的對應(yīng)關(guān)系，T5界面之下探測到一套橫向相對連續(xù)、厚度相對穩(wěn)定的低阻層，推測是二疊系林西組泥質(zhì)地層的電性響應(yīng)。

3) 利用大地電磁測深法獲得了研究區(qū)內(nèi)二疊系林西組厚層泥巖的宏觀展布特征，結(jié)合其他油氣地質(zhì)資料,圈定了測線范圍內(nèi)的油氣發(fā)育有利區(qū),為區(qū)域石炭—二疊系油氣基礎(chǔ)調(diào)查提供了重要的地球物理依據(jù)。