羅衛(wèi)鋒，胡志方，甘伏平，張慶玉，康海霞，張?jiān)茥n

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083； 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 巖溶地質(zhì)研究所，廣西 桂林 541004)

0 引言

頁巖氣是中國能源保障戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的重要組成部分。南方地區(qū)古生界海相頁巖常分布于碳酸鹽巖下部或與碳酸鹽巖互層, 碳酸鹽巖與頁巖間互發(fā)育是南方地區(qū)的基本地質(zhì)特征，頁巖氣鉆探工程中面臨的碳酸鹽巖巖溶問題突出[1-2]，常鉆遇裂縫、溶洞及斷層破碎帶，出現(xiàn)漏失、廢井、移井等問題。因此，開展鉆前物探勘查，合理選擇井位是十分必要的，可以保障井場(chǎng)安全，降低鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)。

近地表地球物理方法在高速公路、鐵路、隧道、工業(yè)和民用建筑的地基勘探和尋找地?zé)岬确矫娴玫搅藦V泛應(yīng)用[3-10]，但是在南方碳酸鹽巖地區(qū)頁巖氣勘探井位選址方面的應(yīng)用和研究還非常薄弱。高密度電阻率法是巖溶探測(cè)最有效的方法之一[12-14]，在淺部幾十米以內(nèi)具有較高的分辨率，但是深度相對(duì)較淺。音頻大地電磁法不受高阻層屏蔽，對(duì)低阻層較敏感，探測(cè)深度大，能探測(cè)電阻率差異較大的高、低阻不均勻體[15-17]。氡氣測(cè)量不受電磁干擾影響，能夠直接探測(cè)裂隙、破碎帶、溶洞等地下構(gòu)造[18-19]。本文將上述3種方法綜合應(yīng)用于鉆前井位選址工作，相互補(bǔ)充，相互印證，提高解釋的準(zhǔn)確性，取得了良好的效果。

1 方法原理

1.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法以地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ)，研究在施加電場(chǎng)的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律，推斷地下具有不同電性差異的地質(zhì)體或構(gòu)造的空間展布特征。與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法具有以下幾方面的特點(diǎn)：①集中了常規(guī)電剖面法和電測(cè)深法的特點(diǎn)，不僅觀測(cè)地下橫向電性變化情況，還觀測(cè)一定深度范圍內(nèi)縱向電性的變化；②電極布設(shè)一次性完成，減少因電極布置而產(chǎn)生的故障和干擾；③能有效進(jìn)行多種電極排列方式的掃描測(cè)量，因而可以獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息；④野外數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化或半自動(dòng)化，不僅采集速度快，而且避免了由于手工操作出現(xiàn)的錯(cuò)誤；⑤與傳統(tǒng)的電阻率法相比，該方法成本低、效率高，信息豐富，解釋方便，勘探能力顯著提高。

1.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法以天然電磁場(chǎng)信號(hào)作為場(chǎng)源，它主要由太陽風(fēng)與地球磁層、電離層之間復(fù)雜的相互作用，以及雷電活動(dòng)等天然交變電磁場(chǎng)疊加而成[8]。該方法以卡尼亞大地電磁理論為依據(jù)，假設(shè)場(chǎng)源位于高空，地面電磁場(chǎng)為平面電磁波，地下介質(zhì)在水平方向是均勻的，電磁波在地下介質(zhì)傳播中會(huì)衰減，振幅衰減到地面振幅的1/e的深度為趨膚深度，計(jì)算公式為：

(1)

式中：ρ為視電阻率，μ為磁系數(shù)，ω為角頻。

因此，觀測(cè)天然電磁場(chǎng)的時(shí)間序列信號(hào)，將時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻率域數(shù)據(jù)，用不同頻率的阻抗計(jì)算視電阻率，便可達(dá)到測(cè)深目的。視電阻率計(jì)算公式為：

(2)

式中：f為頻率；Z代表介質(zhì)阻抗，Z=Ex/Hy。

音頻大地電磁法具有如下特點(diǎn)：①利用天然場(chǎng)源，無近場(chǎng)效應(yīng)、過渡帶效應(yīng)影響；②儀器輕便，適用于地形、植被發(fā)育的山區(qū)；③觀測(cè)頻帶寬，從0.1 Hz到100 kHz，探測(cè)深度可以從幾米至2 000 m；④張量觀測(cè)，采用TM、TE兩種模式觀測(cè)，能較真實(shí)地反映地質(zhì)規(guī)律。

1.3 氡氣測(cè)量

氡氣測(cè)量法是使用測(cè)氡儀測(cè)量土壤、水及大氣中氡氣濃度，通過研究氡氣濃度的分布特征來解決地質(zhì)問題的一種放射性測(cè)量方法。地下深處產(chǎn)生的氡氣通過巖石節(jié)理、裂隙向上運(yùn)移，進(jìn)入到地表覆蓋層，在斷裂破碎帶、溶洞、采空區(qū)上方富集，形成放射性氡異常區(qū)域，而在其附近地段氡含量明顯較少。因此，根據(jù)地表探測(cè)的氡氣異常，可以分析確定溶洞、采空區(qū)以及斷裂破碎帶的位置與范圍。氡氣測(cè)量對(duì)觀測(cè)場(chǎng)地的適應(yīng)性很強(qiáng)，不受地電、地磁影響，具有直接、輕便、省時(shí)、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 區(qū)域地質(zhì)地球物理特征

研究區(qū)位于桂中坳陷柳城斜坡帶上(圖1)，行政區(qū)劃隸屬于廣西柳州市融安縣。

桂中坳陷為晚古生代海相沉積坳陷，可劃分為8個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元：柳城斜坡、宜山凹陷、馬山凸起、紅渡凹陷、柳江凸起、象州凹陷，呈現(xiàn)“三凹兩凸一斜坡”的構(gòu)造格局(圖1)。地層從老到新分別為元古宙變質(zhì)巖、古生界寒武系、泥盆系、石炭系以及少量第四系，泥盆系主要分布于桂中坳陷東部和北部、南部邊緣處，中部有零星出露，呈角度不整合于寒武系之上，石炭系在區(qū)內(nèi)分布廣泛，與下伏泥盆系地層整合接觸，第四系為陸相碎屑堆積。

表1列出了研究區(qū)主要巖石的電性統(tǒng)計(jì)結(jié)果。第四系在區(qū)內(nèi)分布較少，以黏土為主，電阻率值一般在1～100 Ω·m之間，呈現(xiàn)低阻特征；石炭系灰?guī)r、白云巖電阻率值在9 000～12 000 Ω·m之間，泥盆系灰?guī)r電阻率值在幾百～幾千歐姆米之間。石炭系、泥盆系的灰?guī)r、白云巖是研究區(qū)巖溶地貌發(fā)育的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，整體呈現(xiàn)高阻特征。根據(jù)以往鉆井資料分析，桂中坳陷鉆井發(fā)生漏失井深一般為420～873 m，見巖溶的層系為上泥盆統(tǒng)、石炭系，巖性為灰?guī)r?；?guī)r、白云巖中斷層破碎帶、溶洞及裂隙被地下水或第四系黏土充填，相對(duì)圍巖呈現(xiàn)低阻特征，這為

表1 研究區(qū)巖石物性統(tǒng)計(jì)

研究區(qū)開展音頻大地電磁和高密度電阻率法勘探提供了地球物理基礎(chǔ)。

2.2 勘察方案

使用高密度電阻率法探測(cè)淺地表100 m以內(nèi)的巖溶地質(zhì)特征；音頻大地電磁法的探測(cè)重點(diǎn)是中深層，探測(cè)地下1 000 m以內(nèi)巖溶地質(zhì)特征；氡氣測(cè)量用于識(shí)別構(gòu)造異常，對(duì)高密度電阻率法、音頻大地電磁法探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，提高解釋的準(zhǔn)確性。

研究區(qū)隸屬于廣西柳州市融安縣。沿研究區(qū)中部布設(shè)一條測(cè)線，方向SWW—NEE(圖2)，測(cè)線總長430 m。為縮短勘探時(shí)間，降低施工成本，首先開展音頻大地電磁測(cè)量，探測(cè)范圍為樁號(hào)30～430；在音頻大地電磁反演處理結(jié)果的基礎(chǔ)上開展高密度電法和氡氣測(cè)量，氡氣測(cè)量范圍為樁號(hào)125～325，高密度電法探測(cè)范圍為樁號(hào)0～300。

圖2 測(cè)線布設(shè)

高密度電阻率測(cè)量采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-3型高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，最大供電電壓為400 V，滾動(dòng)覆蓋，確保滿足100 m的勘探深度和精度要求；探測(cè)點(diǎn)距5 m,采集裝置為溫納裝置，該裝置的垂向分辨率相對(duì)較高，對(duì)地質(zhì)體垂向分布的反應(yīng)有較高的靈敏度。數(shù)據(jù)處理采用瑞典res2dinv軟件對(duì)采集的視電阻率原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及地形校正，最后進(jìn)行反演迭代處理，獲得反演電阻率剖面。

音頻大地電磁法采用美國EMI公司和Geometrics公司聯(lián)合研制的EH-4連續(xù)電導(dǎo)剖面儀，觀測(cè)交變電磁場(chǎng)互相垂直的電場(chǎng)分量Ex、Ey和磁場(chǎng)分量Hx、Hy，有效觀測(cè)頻率范圍為10 Hz～100 kHz，探測(cè)深度約為1 000 m,測(cè)量點(diǎn)距10 m。對(duì)音頻大地電磁測(cè)量的原始時(shí)間序列信號(hào)首先進(jìn)行人工編輯，剔除畸變信號(hào)及個(gè)別跳躍頻點(diǎn)，通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)，然后經(jīng)過濾波、放大處理，最后利用IMAGEM軟件進(jìn)行二維反演，得到二維反演電阻率剖面圖，結(jié)合地質(zhì)資料對(duì)剖面進(jìn)行解釋。

2.3 效果分析

高密度電阻率剖面全長295 m，其反演電阻率剖面(圖3c)顯示，表層大部分表現(xiàn)為低阻，往下電阻率增大，分層明顯。樁號(hào)50～100、深度0～38 m區(qū)域出現(xiàn)中低阻異常，電阻率值在20～100 Ω·m，異常兩側(cè)曲線不連續(xù)，推測(cè)為斷層破碎帶F1，傾向SW；樁號(hào)100～200處，表層為厚度0～20 m的第四系低阻黏土，其下為高阻異常區(qū)(GZYC1)，電阻率值為200～1 000 Ω·m，應(yīng)為石炭系灰?guī)r的反映；另在樁號(hào)120～140、180～200處均有向下凹陷的弱低阻；樁號(hào)200～240、深度0～24 m區(qū)域存在向下凹陷低阻異常，電阻率值為10～150 Ω·m，推測(cè)為斷層破碎帶F2，斷層傾向SW。

音頻大地電磁剖面全長400 m。在中深度及以下范圍內(nèi)，音頻大地電磁測(cè)深有較好的探測(cè)分辨率，彌補(bǔ)了高密度電阻率法在中深部探測(cè)方面的不足。從音頻大地電磁測(cè)深反演剖面(圖3b)來看，斷層破碎帶F1、F2及中部高阻異常(GZYC1)向下延伸很遠(yuǎn)，異常延伸方向與高密度電阻率法反映方向一致。圖3b中，樁號(hào)230～280、深度0～1 031.5 m區(qū)域存在高阻異常(GZYC2)，電阻率在40～140 Ω·m，為石炭系灰?guī)r的反映；樁號(hào)280～360、深度0～1 032.9 m區(qū)域存在低阻異常，電阻率在4～40 Ω·m，推測(cè)為斷層破碎帶F3，傾向NE；樁號(hào)360～430、深度0～1 028.9 m區(qū)域存在高阻異常(GZYC3)，電阻率值在40～1 580 Ω·m，為石炭系灰?guī)r的反映。

圖3 綜合物探成果

氡氣測(cè)量剖面全長200 m。氡氣測(cè)量參與計(jì)算數(shù)據(jù)23個(gè)，計(jì)算氡氣異常背景值RnB=為176.14 Bq/m3，閾值RnF=484.49 Bq/m3。氡氣測(cè)量曲線形態(tài)高低錯(cuò)落，異常高低分明(圖3a)。樁號(hào)130～210區(qū)域有大于閾值的峰值異常，最大異常值為711.0 Bq/m3，推測(cè)深部存在斷層破碎帶；但是斷層破碎帶位置與氡氣濃度峰位不完全對(duì)應(yīng)，分析認(rèn)為：由于地下對(duì)流的影響，使氡濃度異常與斷層位置出現(xiàn)了偏差，該斷層破碎帶與音頻大地電磁剖面上斷層破碎帶F2為同一斷層。樁號(hào)260～300區(qū)域有大于背景值RnB的峰值異常，但是小于閾值RnF。樁號(hào)330以后沒有采集數(shù)據(jù)，所以附近區(qū)域沒有進(jìn)行氡氣異常分析。

2.4 鉆孔驗(yàn)證情況

綜合3種方法的勘察成果，推薦樁號(hào)130～160、樁號(hào)250～280兩處為桂融頁1井建議井位，最終井位選擇在樁號(hào)150處。桂融頁1井完鉆井深3 305 m，開孔層位為石炭系羅城組，完鉆層位為寒武系清溪組，在近地表沒有鉆遇斷層破碎帶，與綜合物探解釋成果基本吻合。

3 結(jié)論

1) 南方碳酸鹽巖地區(qū)頁巖氣鉆探工程中面臨的碳酸鹽巖巖溶問題突出，因此開展鉆前近地表地球物理勘查，合理選擇井位，能有效避開近地表斷層、溶洞及裂隙發(fā)育區(qū)，可以保障井場(chǎng)安全，降低鉆井工程風(fēng)險(xiǎn)。

2) 與傳統(tǒng)工程物探勘查不同，頁巖氣鉆探井位選擇不僅要查明地表幾十米以內(nèi)的巖溶地質(zhì)情況，還需要查明地下千米以內(nèi)斷裂、溶洞的發(fā)育情況，因此要綜合選擇物探方法，深淺兼顧。

3) 單一物探方法存在局限性，綜合物探勘查可以相互補(bǔ)充、相互印證，減少多解性，提高解釋的準(zhǔn)確性。