楊明遠(yuǎn),張漢雄,馬超,楊海磊,朱威

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第二區(qū)域地質(zhì)調(diào)查大隊(duì),新疆 昌吉 831100;2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050061;3. 自然資源部 地?zé)崤c干熱巖勘察開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050061;4. 中國(guó)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)

0 引言

地?zé)豳Y源的開發(fā)利用在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中具有重要的地位[1],賦水性特征是研究地?zé)岢刹氐囊刂?查明其特征對(duì)于地?zé)峥辈楣ぷ骶哂兄匾饬x。音頻大地電磁法使用1 Hz～10 kHz天然場(chǎng)源信號(hào),具有施工效率高、勘探深度可達(dá)千米范圍、垂向分層能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),特別適用于深度在千米左右的能源、資源及地下結(jié)構(gòu)勘查,尤其是對(duì)淺部特別是低阻層具有較高的分辨率[2-3]。數(shù)據(jù)采集方面,AMT由于其場(chǎng)源是天然場(chǎng),信號(hào)微弱,在礦山、城區(qū)附近極易受到環(huán)境影響,但在地廣人稀的西部地區(qū)較易獲取高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。資料處理方面,與常規(guī)MT處理方法并無太大區(qū)別,使用一維或者二維反演時(shí)容易受到不均勻地質(zhì)體的影響[4]。目前隨著反演技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步,大地電磁資料的反演處理進(jìn)入到三維反演階段[5-7]。傳統(tǒng)基于模型空間的反演算法,模型參數(shù)的數(shù)量為M,反演計(jì)算M×M數(shù)量的靈敏度矩陣,當(dāng)網(wǎng)格參數(shù)M很大時(shí),計(jì)算量太大,這種情況下進(jìn)行三維MT反演耗時(shí)費(fèi)力,不滿足實(shí)用條件。采用基于數(shù)據(jù)空間的反演算法可以解決上述問題。滿足觀測(cè)數(shù)據(jù)的參數(shù)數(shù)量N遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型參數(shù)的數(shù)量M,這樣只需要計(jì)算N維矩陣,大大減少了數(shù)據(jù)計(jì)算量。Siripunvaraporn等[8]于2005年實(shí)現(xiàn)了該方法的三維反演。同時(shí)基于GPU并行計(jì)算的三維MT反演軟件陸續(xù)出現(xiàn),大幅度提高反演速度,使大尺度模型的三維MT反演成為可能[9]。本次研究是通過分析在新疆三屯河地區(qū)地?zé)峥辈楂@取的AMT數(shù)據(jù)的三維反演結(jié)果,對(duì)研究區(qū)地下與熱儲(chǔ)有關(guān)的地層賦水性進(jìn)行了分析,結(jié)合研究區(qū)地?zé)岢刹匾?guī)律推斷了幾處地?zé)岢刹氐挠欣麉^(qū)。

1 研究區(qū)概況

1.1 區(qū)域構(gòu)造

如圖1所示,研究區(qū)處于準(zhǔn)噶爾盆地南緣的昌吉背斜北翼。從圖1上看,昌吉背斜位于阿克屯背斜和齊古背斜之間,與齊古背斜呈雁列式排列,與昌吉向斜成對(duì)發(fā)育,NWW向?yàn)楸承陛S向,東西長(zhǎng)約18 km,南北寬約5 km,為短軸背斜。背斜核部出露白堊系清水河組地層,北翼連續(xù)出露白堊系至第四系地層;背斜南翼即為昌吉向斜的北翼,由白堊系、古近系組成,向斜核部地層為新近系,南翼連續(xù)出露古近系、白堊系、侏羅系和三疊系地層。

圖1 研究區(qū)及研究區(qū)周邊地震剖面位置(黑色線為地震剖面,藍(lán)色框?yàn)檠芯繀^(qū)范圍)[10]Fig.1 The location of the study area and seismic profile positions in the surrounding area(black is seismic profile location, blue is study area range)[10]

圖2中粉色框區(qū)為剖面穿過的研究區(qū)范圍,前人研究認(rèn)為[10],昌吉背斜為不對(duì)稱背斜,斷層走向平行于褶皺軸向,背斜北翼地層傾角為50°～80°的高陡地層,北翼的白堊系內(nèi)部發(fā)育有一條高陡的北傾逆斷層,造成白堊系地層重復(fù)出露。背斜南翼傾角較緩40°～45°,地層傾角從北向南由-28°逐漸減小至近水平狀態(tài),在剖面最南側(cè)三疊系不整合覆蓋在石炭紀(jì)基底之上[10]。

圖2 昌吉背斜地震解釋剖面C-C’[10]Fig.2 C-C’ seismic interpretation profile of Changji anticline[10]

1.2 地層巖性

準(zhǔn)噶爾盆地最老地層為奧陶系,最新地層為第四系未膠結(jié)黏土和砂礫堆積,南緣主要為砂泥巖互層的陸相沉積地層[11]。其中研究區(qū)剖面穿過的露頭所見地層如下:

下白堊統(tǒng)呼圖壁河組(K1h),主要巖性為灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂巖互層,夾紫色泥巖。與上覆勝金口組(K1sh)呈整合接觸。

上白堊統(tǒng)東溝組(K2d),主要巖性為灰棕、灰紅、磚紅色礫巖夾紅褐色砂質(zhì)泥巖、砂巖、粉砂巖,富含鈣質(zhì)及少量鈣質(zhì)結(jié)核。與上覆紫泥泉子組(E1-2z)呈平行不整合接觸。

古新統(tǒng)—始新統(tǒng)紫泥泉子組(E1-2z),屬河湖相紫紅、褐紅色為主的砂質(zhì)泥巖夾灰紅色砂巖,底部為礫巖或石灰質(zhì)礫巖,以底礫巖出現(xiàn)和顏色的改變?yōu)閯澐謽?biāo)志,故有紅色層之稱。與上覆安集海組(E2-3a)呈整合接觸[12]。

始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)安集海組(E2-3a)為一套湖湘沉積,多為灰綠色泥巖夾泥灰?guī)r、薄層砂巖及介殼層,含腹足類、雙殼類、介形類、魚類化石,因多為灰綠色巖石而有綠色巖系之稱。與上覆沙灣組(E3N1s)呈整合接觸。

1.3 電性特征

由研究區(qū)周邊喀拉扎地區(qū)部分巖石物性參數(shù)(表1)可知呼圖壁組(K1h)以灰綠色砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖,紫紅色泥巖為主,巖性相近,電阻率值處于中間,一般在46～290 Ω·m;清水河組(K1q)以灰綠色或紫紅色鈣質(zhì)礫巖,粉砂巖為主,不含水的情況下其電阻率較高,一般在300～800 Ω·m;齊古組(J3q)以紫紅色、磚紅色的泥巖,砂質(zhì)泥巖夾薄層砂巖為主,其電阻率最低,一般在5～40 Ω·m。含有鈣質(zhì)礫巖的地層電阻率最高,泥巖層電阻率最低(有些泥巖層呈現(xiàn)次高阻特征),砂巖層電阻率居中[13]。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

音頻大地電磁法(AMT)是基于大地電磁法(MT)發(fā)展起來的,是以地下地質(zhì)體的電性差異為基礎(chǔ),在地面接收天然電磁信號(hào)經(jīng)過地下地質(zhì)體與地質(zhì)結(jié)構(gòu)耦合之后的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào),并通過對(duì)其規(guī)律變化來研究地下結(jié)構(gòu),從而探測(cè)地下目標(biāo)地質(zhì)體。本次研究工作(圖3)野外數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰地球物理公司生產(chǎn)研制的V8多功能電法儀,使用AMTC-30磁傳感器,野外測(cè)量點(diǎn)距50 m,采集4分量數(shù)據(jù)(Ex、Ey、Hx、Hy),測(cè)站的布極方式主要采用“十”字型,部分測(cè)點(diǎn)因地形等原因,有時(shí)也采用T”字型或“L”字型(圖4)。南北、東西向電極距均為40 m。結(jié)合研究區(qū)地層情況,采集時(shí)間30 min,觀測(cè)的有效頻率為10 000～1 Hz,根據(jù)趨膚深度公式計(jì)算后,勘探深度能夠達(dá)到探測(cè)目標(biāo)深度的要求。

圖4 AMT野外數(shù)據(jù)采集布站方式Fig.4 AMT data acquisition and distribution mode

由于天然電磁場(chǎng)信號(hào)較弱,為獲取高信噪比的野外測(cè)量數(shù)據(jù),盡量選在地形開闊、平整的地方布設(shè)測(cè)站,兩個(gè)電道方向之間的地面相對(duì)高差與電極距之比小于10%,遠(yuǎn)離電磁干擾源[14]。電極埋設(shè)應(yīng)避開巖體、深挖極坑、澆灌鹽水增強(qiáng)極罐接地的耦合能力等方法,使接地電阻不大于2 kΩ。電極線選用屏蔽線,同時(shí)防止其懸空切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流,造成干擾。探頭保持水平,兩水平分量的探頭相互垂直,間距大于10 m,探頭的埋深大于40 cm,用土埋實(shí),正北方向?yàn)閤軸,正東方向?yàn)閥軸。

2.2 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)采集到的時(shí)間域數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域變換處理后得到Zxx,Zxy,Zyx,Zyy這4個(gè)復(fù)阻抗元素以及兩種極化方式(TE和TM)的視電阻率和相位數(shù)據(jù)等,在三維反演過程中實(shí)際上主要用到的數(shù)據(jù)為Zxy、Zyx復(fù)阻抗元素,TE和TM兩種不同極化方式得到的視電阻率ρTE、ρTM和相位φTE、φTM數(shù)據(jù)。同時(shí)可根據(jù)反演需要視情況選用測(cè)點(diǎn)的其他參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖5為2個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)視電阻率及相位曲線,7線50測(cè)點(diǎn)位于紫泥泉子組地層中,由圖中可見,TE與TM兩種極化方式的視電阻率曲線基本重合,說明該測(cè)點(diǎn)基本沒受到不均勻地質(zhì)體帶來的靜態(tài)偏移的影響。雖然由于天然場(chǎng)信號(hào)噪聲洞的影響高頻部分?jǐn)?shù)據(jù)連續(xù)性較差,但中低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)的連續(xù)性尚可,使用EMD、人機(jī)聯(lián)作等時(shí)間域信號(hào)去噪處理后仍能得到高信噪比數(shù)據(jù)[15],從而獲得更科學(xué)準(zhǔn)確的反演結(jié)果。其中5線250測(cè)點(diǎn)處在背斜核部,TE與TM兩種極化方式的視電阻率曲線呈平行分開態(tài)勢(shì),說明該點(diǎn)的視電阻率可能受淺部、受局部電性非均勻體的靜態(tài)偏移或測(cè)點(diǎn)附近的區(qū)域性斷裂、各向異性地質(zhì)體等具有明顯的的三維特征地下電性結(jié)構(gòu)的影響。在這種情況下,一維、二維反演結(jié)果與實(shí)際地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)存在著較大的出入,影響推斷解釋結(jié)果。采用三維反演將靜態(tài)偏移效應(yīng)涵蓋在三維正演響應(yīng)中,同時(shí)擬合TE和TM極化方式的阻抗值,可以對(duì)地表局部非均勻體進(jìn)行正確反演,從而獲得更為準(zhǔn)確的三維反演結(jié)果,更好地進(jìn)行地質(zhì)解釋。

a—5線250測(cè)點(diǎn);b—7線50測(cè)點(diǎn)去噪處理前;c—7線50點(diǎn)去噪處理后

研究區(qū)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距較小,三維模型剖分的網(wǎng)格數(shù)為75×70×17=89 250。電磁響應(yīng)正演過程中,為了減小邊界效應(yīng)帶來的影響,反演模型設(shè)置過程中向外擴(kuò)展一定的距離,實(shí)際建立的反演初始模型的范圍x和y方向上擴(kuò)展為6～7 km,z方向上按海拔高度擴(kuò)展為1.5～3 km。選用59個(gè)頻點(diǎn)中的50個(gè)頻點(diǎn)數(shù)據(jù),頻率范圍為1.72～10 400 Hz。

3 地層電性特征

結(jié)合圖1中黑色線所示地震剖面的擬三維形態(tài)(圖6),昌吉背斜總體呈NWW—SEE向展布。從剖面上看由淺到深呈現(xiàn)出為三級(jí)構(gòu)造層次,近地表主要發(fā)育斷層傳播褶皺及其次級(jí)斷層形成的北翼陡、南翼緩的不對(duì)稱背斜,深部主要發(fā)育較低幅度的斷層轉(zhuǎn)折褶皺,主要受深部來自于天山山前并在侏羅系西山窯組(J2x)煤層發(fā)生滑脫的逆沖斷層控制。背斜的北翼部分,地層整體擠壓發(fā)生形變,但未出現(xiàn)明顯的錯(cuò)動(dòng),由南向北地層形變逐漸變緩[16-17]。

圖6 昌吉背斜的擬三維形態(tài)及展布特征[15]Fig.6 Quasi-three-dimensional morphology and distribution characteristics of Changji anticline[15]

使用經(jīng)過去噪處理后的AMT數(shù)據(jù)進(jìn)行了二維和三維反演(圖7、圖8),其中圖8a為3、5、7號(hào)測(cè)線二維反演結(jié)果的柵欄圖顯示,淺部存在諸多凸起狀小異常的同時(shí)整個(gè)電性特征形態(tài)同已知的地質(zhì)及構(gòu)造形態(tài)信息差別較大,不能準(zhǔn)確地反映地下結(jié)構(gòu)及其賦水性對(duì)電性特征的影響。AMT三維反演的電性特征更符合已知地下構(gòu)造形態(tài)及賦水地層對(duì)電阻率的影響(圖7、圖8b),AMT測(cè)線南西至北東穿過出露四套地層是呼圖壁河組(K1h),東溝組(K2d)、紫泥泉子組(E1-2z)和安集海河組(E2-3a),從昌吉背斜的核部向北翼方向延伸。結(jié)合前文對(duì)區(qū)內(nèi)地層電阻率值特征的分析,AMT剖面穿過的地層電阻率值特征應(yīng)為,呼圖壁河組為中低阻、上白堊統(tǒng)東溝組高阻、紫泥泉子組中高阻、安集海組低阻的電性特征。但地層的電阻率值又同地層含水飽和度有著密切的關(guān)系,實(shí)際上研究區(qū)內(nèi)AMT剖面的電性特征表現(xiàn)為,呼圖壁組(K1h)處于測(cè)線西南端,總體表現(xiàn)為高阻層,電阻率相對(duì)高是由于該地層多為壓實(shí)的泥巖,孔隙度較小,含水飽和度低,相對(duì)于其他砂巖和含水礫巖地層,電阻率值顯示為相對(duì)高值;東河組(K2d)下部的電阻率低值可能是其中孔隙度較大的礫巖、砂巖中水飽和度高引起的,為儲(chǔ)水的有利層位;紫泥泉子組(E1-2z)電阻率總體為相對(duì)高值,部分低阻區(qū)域可能是由孔隙度大的礫巖充填水引起的,局部的高阻可能是孔隙度較大的礫巖層鈣化形成的質(zhì)密的不均勻地質(zhì)體引起的電阻率值變高;北東端安集海河組(E2-3a)在測(cè)線末端,電阻率阻值較大,但測(cè)線覆蓋范圍較小,不具有代表性。從三維電阻率反演結(jié)果上看,整體上是一個(gè)低電阻率背景,與地質(zhì)情況相符,但電阻率值又呈現(xiàn)明顯的非均勻性。存在多處低阻、高阻異常區(qū),未有明顯的水平層狀結(jié)構(gòu),同圖6展示的同研究區(qū)距離最相近的CJ9909剖面中粉色框區(qū)所示的昌吉背斜地層產(chǎn)狀較陡,傾向NW向構(gòu)造樣式吻合,與野外實(shí)際調(diào)查情況相符。

a—二維反演結(jié)果;b—三維反演結(jié)果切片

4 賦水性特征

研究區(qū)內(nèi)地層電性特征不僅受到巖石風(fēng)化程度和巖石破碎程度的影響,還受賦水性的影響,隨含水率的增加電阻率值降低,這是利用電法資料推測(cè)研究區(qū)地層賦水性的重要依據(jù)。研究區(qū)地處三屯河流域,且附近修建有大型水庫等蓄水水利設(shè)施,地表徑流是地下水補(bǔ)給的重要水源之一。地下水研究資料顯示,區(qū)內(nèi)地層受單斜控制,三屯河流域及其地下水隨地層傾斜由南向北徑流,由背斜核部向背斜的北翼匯聚(圖9)[18]。

圖9 研究區(qū)地下水流向示意[16]Fig.9 Schematic of groundwater flow in the study area[16]

研究區(qū)中電性特征展布形態(tài)與地層的賦水性及水流體的連通性息息相關(guān):首先是壓實(shí)的泥巖地層由于孔隙度低、阻水性好,成為擋水層;松散的砂巖、砂礫巖地層由于孔隙度大,在良好的水源補(bǔ)給情況下,大量的水充滿在孔隙之中,這種背景下,原本高阻特征的地層反而呈現(xiàn)出較泥巖地層更低的電阻率。在三維反演結(jié)果中也很明顯的展現(xiàn)這個(gè)特征;圖7中的凹陷區(qū)為低于閥值的區(qū)域(低電阻率地區(qū),主要是東溝組高阻、紫泥泉子組地層),凹陷區(qū)的南部和東部低電阻率區(qū)深度更深,西南和東南部電阻率呈現(xiàn)高阻特征(主要是呼圖壁河組、安集海河組地層)。

三維反演的電性特征和研究區(qū)的賦水性特征有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。同一地層由于賦水性的強(qiáng)弱展現(xiàn)出不同的電性特征,在切片圖(圖8b)的地層中有明顯顯示,兩條紅色虛線中間為研究區(qū)斷層分布密集的區(qū)域,屬于小范圍斷裂帶,因此其所屬的紫泥泉子組(E1-2z)地層中高阻特征是由于斷裂帶低水飽和度高引起的。壓實(shí)的泥巖地層阻擋了地表水向下滲透及地下水由南向北的連通,研究區(qū)西南和東南部因其主要為呼圖壁河組、安集海河組壓實(shí)泥巖地層,在三維反演結(jié)果中電阻率呈現(xiàn)高阻特征。研究區(qū)中南部主要為東溝組高阻、紫泥泉子組砂巖、砂礫巖地層,在三維反演結(jié)果中電阻率呈現(xiàn)淺部極低阻、深部低阻特征,淺部極低阻是由于其淺部地層水主要由地表徑流直接補(bǔ)給,水量充分、礦化度高引起的。從圖7可以看出研究區(qū)S向和ES向各有一個(gè)地下水的補(bǔ)給通道,地下水向北傳遞流通時(shí),遇北部和東北部的安集海河組泥巖地層阻隔,因此地下水更多的聚集在研究區(qū)中南部。同時(shí)F3斷裂的存在,高傾斜地層中的破碎帶具有加速地表水和深部地下水向東溝組高阻、紫泥泉子組砂巖、砂礫巖地層的流通作用。受研究區(qū)所處的構(gòu)造和地層的控制,在淺部含水的砂巖、砂礫巖地層范圍又向WN方向延伸趨勢(shì),在深部呈現(xiàn)出向WS向延伸趨勢(shì),這同研究區(qū)所在的昌吉背斜的展布方向具有高度的一致性。在電阻率等深圖上(圖10)西南和東北部存在兩個(gè)高低阻轉(zhuǎn)換區(qū)域,基本和區(qū)內(nèi)斷裂在走向上重合,斷裂兩側(cè)的電阻率值差異較大,不完全重合說明地下水的補(bǔ)給通道主要為斷裂,但在具有不同孔隙度的地層中,水的流通性差別較大,因此反映出來的地下賦水性的強(qiáng)弱差別也較大。

圖10 AMT三維不同反演結(jié)果深度切片與地?zé)嵊欣麉^(qū)預(yù)測(cè)Fig.10 Depth slice of AMT 3D inversion results and prediction of geothermal favorable areas

水源沿?cái)嗔哑扑閹аh(huán)于地下深處,經(jīng)大地?zé)崃骰蛏畈繜嵩粗苯蛹訜?深大斷裂是導(dǎo)水通道同時(shí)也是導(dǎo)熱通道[19-21];沉積河道由南向北延展,上白堊統(tǒng)東溝組—下第三系紫泥泉子組砂巖、砂礫巖層是良好的流體儲(chǔ)集層,連通性也好,規(guī)模也大,是地?zé)崴奂闹饕獙游籟22-24]。結(jié)合上述研究區(qū)的地?zé)岢刹赜欣麠l件,存在熱紅外地溫異常疊加斷裂及東溝組或紫泥泉子組地層可作為研究區(qū)的地?zé)嵊欣麉^(qū)圈定要素。在4號(hào)測(cè)線的南端、5號(hào)測(cè)線的北端均有斷裂穿過,且存在熱紅外地溫異常的東溝組和紫泥泉子組地層中的高低阻轉(zhuǎn)換帶附近推斷了兩處地?zé)嵊欣麉^(qū)(圖10中藍(lán)色虛線圈范圍)。

5 結(jié)論與建議

研究結(jié)果表明AMT三維反演結(jié)果能夠準(zhǔn)確地探測(cè)存在電性差異的地層結(jié)構(gòu),結(jié)合前人的研究成果取得了對(duì)研究區(qū)地下電性和賦水性之間相關(guān)性的認(rèn)識(shí):東溝組及紫泥泉子組等孔隙度較大的砂巖、砂礫巖地層在高含水飽和度情況下賦水性更強(qiáng),其電性特征表現(xiàn)為低電阻率值;致密的泥巖地層由于其隔水性導(dǎo)致其賦水性弱,表現(xiàn)出相對(duì)高阻特征。在此認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)而得到了區(qū)內(nèi)地下賦水性特征:地下水的補(bǔ)給通道主要為斷裂,具有不同孔隙度的地層中水的流通性差別較大,因此反映出來的地下賦水性的強(qiáng)弱差別也較大,研究區(qū)中南部地下賦水性強(qiáng),在淺部含水的砂巖、砂礫巖地層范圍有向WN向延伸趨勢(shì),在深部呈現(xiàn)出向WS向延伸趨勢(shì),同研究區(qū)所處的昌吉背斜的展布方向具有高度的一致性。受制于物性資料的限制,本次研究未考慮地層含水礦化度對(duì)電阻率的影響,在淺部電阻率值發(fā)生急劇變化的部位是否是由于含不同礦化度的水所引起的值得進(jìn)一步的研究。