跨安寧河斷裂帶淺孔綜合地球物理測井成果分析*

胡　剛　何正勤　李　娜　葉太蘭　胡德軍

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所　　　2) 中國四川西昌615000四川省地震局西昌地震中心站

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跨安寧河斷裂帶淺孔綜合地球物理測井成果分析*

胡剛1),*何正勤1)李娜1)葉太蘭1)胡德軍2)

1) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所2) 中國四川西昌615000四川省地震局西昌地震中心站

利用綜合地球物理測井技術測得跨川西安寧河斷裂帶冕寧—西昌段兩個鉆孔的電阻率、聲波速度、自然電位、自然伽馬等4種綜合測井曲線，并結合鉆孔取芯資料得到了鉆孔周圍所鉆遇巖土層的綜合物性參數(shù)． 本文得到的綜合測井解釋成果客觀真實地反映了安寧河斷裂帶東、西兩盤的介質物性和巖性特征，揭示了斷層東、西兩盤地層的縱波速度變化、視電阻率值等物性變化特征，為研究安寧河斷裂帶的物質組成、介質物性、斷層結構及其活動狀態(tài)提供了基礎資料． 綜合地球物理測井技術有望成為監(jiān)測活動斷裂帶附近介質物性參數(shù)動態(tài)變化的一種新手段．

綜合地球物理測井安寧河斷裂帶物性參數(shù)動態(tài)變化

引言

川西安寧河斷裂帶作為青藏地塊與華南地塊的邊界斷裂，自新生代以來發(fā)生了強烈的構造運動，在晚第四紀反復經(jīng)歷多次斷裂活動和強震活動． 2008年汶川MS8.0地震發(fā)生后，程建武等(2010)認為該地區(qū)的強震活動可能沿著鮮水河斷裂向南遷移． 地震危險性趨勢研究和古地震研究結果均表明安寧河斷裂帶冕寧—西昌段存在一個較大尺度的凹凸體； 區(qū)域應力場顯示該段呈高應力背景下的閉鎖狀態(tài)，是未來川滇地塊發(fā)生大地震的潛在危險段(易桂喜等，2004，2008； 冉勇康等，2008； 聞學澤等，2008)． 因此，研究安寧河斷裂帶內部介質的巖性、物性特征，厘清斷層內部的精細結構，有助于我們認識和理解安寧河斷裂帶的孕震過程，對評價該斷裂帶潛在的強震危險性具有重要意義(胡剛等，2013)．

活動斷裂帶的科學鉆探可以通過鉆孔取芯和綜合地球物理測井等探測手段為活動斷裂帶附近地下介質物性變化的研究提供基礎資料，為地震的發(fā)震機理、孕震過程等根本問題的解決提供重要參考依據(jù)(許志琴等，2008)． “中國大陸科學鉆探”項目的綜合地球物理測井利用聲波、密度、自然伽馬等綜合測井資料，結合錄井資料所確定的井孔周圍變質巖區(qū)的巖性與構造細節(jié)，可以建立起鉆孔區(qū)精確的速度模型(潘和平等，2006； 楊文采等，2006)． 臺灣車籠埔斷層深井鉆探計劃在500—1900 m深度范圍內進行了綜合地球物理測井，利用不同的測井資料，如聲波、密度、中子、自然電位等測井曲線獲得了斷裂帶內不同地層的地震波速、密度、各向異性等巖石物理參數(shù)(Wuetal, 2007)．

中國地震局地球物理研究所于2012年設立的“地震重點危險區(qū)綜合地球物理研究”專項，以“川滇交界東段”年度重點危險區(qū)為研究區(qū)、冕寧、西昌和巧家地區(qū)為關鍵點，利用地震學、地磁、重力、GPS、數(shù)值模擬分析等方法，發(fā)展面向年度重點地震危險區(qū)短臨跟蹤的地下介質變化和應力狀態(tài)監(jiān)測分析技術． 跨安寧河斷裂帶鉆孔綜合地球物理測井依托該專項子課題“跨安寧河斷裂帶井孔地球物理綜合物性研究”，通過對跨安寧河斷裂帶兩個鉆孔實施聲波、自然伽馬、電阻率、自然電位等綜合地球物理測井，提取鉆孔周圍地層的各類物性、巖性參數(shù)，以綜合分析安寧河斷裂帶冕寧—西昌段的物質組成、介質特性、斷層結構及其活動狀態(tài)，為斷層特性研究提供基礎資料，為安寧河斷裂帶北段的地震重點危險區(qū)短臨跟蹤的地下介質變化研究提供基礎依據(jù)．

1　研究區(qū)背景和地球物理測井方法

1.1研究區(qū)背景

跨安寧河斷裂帶的鉆孔位于該斷裂帶以北約30 km的冕寧—西昌段(圖1). 安寧河斷裂帶在該段因逆走滑所造成的斷層槽谷地貌發(fā)育明顯，槽谷走向為近NNW向，總長約1700 m(王虎，2012)． 圖1中綠色方框內為斷層槽谷內發(fā)育的一個呈三角形的小型斷塞塘，實測地形等值線趨勢揭示該斷塞塘附近呈現(xiàn)出一系列走滑特征的微地貌． 本研究所利用的地震觀測鉆孔ZK01和ZK02正好位于該斷塞塘北側的安寧河斷裂帶西盤和東盤上，鉆孔ZK01深度為113.75 m，鉆孔ZK02深度為112.5 m，二者海拔高差約為8.5 m． 鉆孔揭露的地層巖性主要為頁巖和泥巖，不同巖性間或同一巖性物理性質發(fā)生變化時(節(jié)理裂隙、破碎、強度等)，其物性存在差異，這為開展鉆孔內的綜合地球物理測井提供了前提條件．

圖1　跨安寧河斷裂帶的鉆孔位置實測地形圖(修改自王虎，2012)Fig.1　The topographic map of the borehole location across Anninghe fault zone (modified by Wang，2012)

1.2地球物理測井方法

1.2.1聲波速度測井

通常情況下，聲波速度測井通過測量井內一定間隔地層上的聲波傳播時差來確定巖層性質，所測得的參數(shù)為巖層的縱波速度． 聲波在巖層中的傳播速度主要取決于巖石的密度、巖石的結構礦物組分以及裂隙發(fā)育程度等因素． 因而，通常依據(jù)不同的巖性具有不同的聲波速度這一特點來準確精細地劃分地層巖性，以用于地層對比．

1.2.2視電阻率測井

視電阻率測井是通過測量地層的視電阻率來研究井剖面地層性質的測井方法，通?？梢垣@得巖層的視電阻率等電性參數(shù)． 不同地層和巖性的視電阻率差異較大． 地層的視電阻率大小與巖性、物性、孔隙流體性質、地層水性質等因素有關(張庚驥，1996)．

視電阻率測井通過下井裝置(電極系)供電形成的人工電場來探測巖層電阻率等電性特征，所得到的視電阻率曲線主要反映的是地層巖性的視電阻率值與圍巖背景值的差異，為一相對值． 若巖石破碎、裂隙發(fā)育則通常會出現(xiàn)低阻異常，比如斷裂帶內的破碎帶表現(xiàn)為視電阻率值的低阻異常．

1.2.3自然電位測井

地層內的自然電位來源于井孔內流體、原狀地層內孔隙流體的擴散和吸附等電化學作用所產(chǎn)生的電動勢． 而靜自然電位主要決定自然電位的幅值和特性，其大小主要受地層巖性、地層水、泥漿成分、電阻率等的影響． 在自然電位測井時一般將測量電極放置地面，移動電極用電纜放在井下，提升移動電極沿井軸測量自然電位隨深度的變化． 通常根據(jù)自然電位曲線中同一巖層中局部的自然電位高低來確定異常，并按照異常進一步劃分巖性等(高楚橋，譚延棟，1997)．

1.2.4自然伽馬測井

自然伽馬測井是原子核物理在測井中的應用, 其原理是利用天然放射性元素發(fā)生伽馬衰變過程中會釋放出伽馬射線，把釋放出的伽馬射線記錄下來，就能推斷出原狀地層的天然放射特性． 對于砂泥巖剖面而言，巖性由粗變細，泥質含量由小變大，電阻率和自然電位異常幅度由大變小，自然伽馬異常值由小變大．

2　測井曲線綜合分析與解釋

2.1測井數(shù)據(jù)采集

根據(jù)“跨安寧河斷裂帶井孔地球物理綜合物性研究”課題的總體目標，在安寧河斷裂帶冕寧—西昌段跨斷層實施的單孔孔深超過110 m，ZK01和ZK02兩個鉆孔的垂直度誤差控制在1%以內，鉆孔具體位置如圖1所示，兩鉆孔間距為67 m． 在鉆孔完鉆后的24小時內，在裸孔ZK01和ZK02內，分別開展聲波、自然電位、自然伽馬、電阻率等4項綜合地球物理測井．

數(shù)據(jù)采集所使用的測井儀器為國產(chǎn)JGS-1B型數(shù)字測井儀． 在測試前均對儀器進行了標定和調試，并在廠家標準刻度井內完成各項定量標定，按規(guī)范要求定期返廠標定刻度． 野外工作時嚴格按照綜合地球物理測井規(guī)范執(zhí)行，儀器性能良好，工作正常穩(wěn)定．

根據(jù)研究需要和鉆孔內地球物理條件，選擇的地球物理測井方法有自然電位、自然伽馬、視電阻率、聲波速度等4項． 測井方法及技術參數(shù)見表1．

表1　測井方法及其技術參數(shù)

注：vP為縱波速度；Ls為聲波探管源距，即激發(fā)晶體到第一接收晶體的距離；Lv為聲波探管間距，即兩個接收晶體之間的距離；Ap為三側向電阻率探管屏蔽電極；Ao為三側向電阻率探管中心電極；M為地面電極，N為井中電極．

本文所得的各種記錄清晰完整，資料齊全； 各種測試參數(shù)曲線記錄無漏記、畸變、干擾； 深度誤差小于5‰； 采樣間隔和測量速度均符合技術要求； 各項測試參數(shù)均按照技術要求進行檢查測試，檢查測試位置一般選擇在曲線幅值變化明顯的層段； 原始觀測曲線與檢查測試曲線形態(tài)基本一致，重合性較好； 各種精度要求均滿足研究需要．

2.2資料分析與解釋

測井原始記錄數(shù)據(jù)以測井數(shù)據(jù)通用的LAS格式進行存儲，測井資料的預處理是測井解釋與數(shù)據(jù)處理的一項重要的基礎性工作，主要包括曲線深度校正、曲線平滑、異常值去除等． 利用JGS-IB智能測井系統(tǒng)提供的軟件平臺，綜合各測井曲線在不同地層中所表現(xiàn)出的幅值大小、曲線變化形態(tài)、物性特征和數(shù)值變化范圍，并結合鉆孔資料來劃分地層巖性、判斷斷層破碎帶范圍、確定斷裂帶內的介質巖性和物性等參數(shù)，最后進行數(shù)值計算和成果圖繪制．

2.2.1鉆孔ZK01綜合測井曲線和成果解釋

已有的地質資料和淺層地震勘探資料(聞學澤等，2008； 胡剛等，2013)表明，鉆孔ZK01位于安寧河斷裂帶下盤，鉆孔正好與斷層破碎帶斜交. 對鉆孔ZK01實施聲波、三側向電阻率、自然伽馬和自然電位測井，所獲得的測井曲線和測井曲線綜合解釋成果如圖2所示． 可以看出，聲波速度曲線與視電阻率曲線幅值大小和形態(tài)基本吻合； 在聲波速度和視電阻率曲線的異常層段，自然電位和自然伽馬曲線也表現(xiàn)出相應的異常． 前20 m由于鉆孔套管屏蔽的影響而使得測得的三側向電阻率數(shù)據(jù)為無效值． 得到的主要結果如下：

1) 在32.80 m處，鉆孔取芯資料顯示該深度界面為破碎的粗砂與粉質黏土的分界面． 從表2的鉆孔ZK01地質剖面綜合測井解釋成果中可以看出，該層段的三側向電阻率為51 Ω·m的正異常，該分界面即為安寧河斷裂帶的斷層面與鉆孔ZK01交接的界面，表明測井曲線與鉆孔地質資料相吻合． 所測得的自然伽馬值為122.3 γ/cm的正異常，聲波平均速度為1.58 km/s，表明鉆孔所鉆遇的斷層破碎，其結果與鉆孔資料基本吻合．

圖2　鉆孔ZK01測井曲線綜合解釋成果圖Fig.2　Comprehensive interpretation results of borehole ZK01 loggings curves

2) 依據(jù)表2鉆孔ZK01的地質剖面綜合測井解釋成果，將ZK01測井剖面分為6層，鉆孔內最大自然伽馬值為122.3 γ/cm的異常背景值． 3號層位以下地層的自然伽馬值依次下降，聲波速度隨著地層壓實程度的增加而逐漸增大，2號和3號層位正好位于斷層破碎帶． 測井曲線和綜合解釋成果很好地印證了斷層破碎帶位置和破碎帶的物性參數(shù)分布．

3) 在96.7—106.2 m深度處，巖性逐漸由較為軟弱的頁巖轉變?yōu)樯皫r，地層膠結程度也相應地由破碎轉變?yōu)檩^破碎的狀態(tài)． 視電阻率出現(xiàn)41 Ω·m的高異常值，砂巖巖性表現(xiàn)為自然伽馬的負異常． 但聲波速度隨著巖層膠結和壓實程度的增加而增大． 測井曲線所反映的物性參數(shù)變化與鉆孔巖性十分吻合．

2.2.2鉆孔ZK02綜合測井曲線和成果解釋

鉆孔ZK02位于安寧河斷裂帶的上盤，鉆孔所鉆遇的地層沒有與安寧河斷裂帶相交． 通過對鉆孔ZK02實施聲波速度、視電阻率、自然伽馬和自然電位測井，所獲得的綜合測井曲線如圖3所示． 依據(jù)表3的鉆孔ZK02地質剖面綜合測井解釋成果，將測井剖面分為10層． 孔內最大的自然伽馬值為149.3 γ/cm的高異常值，從圖3所示的測井曲線中可以看出，聲速曲線與視電阻率曲線的幅值和形態(tài)基本吻合，聲波和電阻率曲線出現(xiàn)異常的部位，自然電位和自然伽馬曲線也表現(xiàn)出相應的異常． 得到的主要結果如下：

圖3　鉆孔ZK02測井曲線綜合解釋成果圖Fig.3　Comprehensive interpretation results of borehole ZK02 loggings curves

1) 隨著深度增加，鉆孔ZK02依據(jù)測井曲線將其巖性分別解釋為粉質黏土、卵石層、粉砂、粉質黏土、粉土、漂石土、泥巖、砂巖和粉砂質泥巖． 從測井曲線形態(tài)和分段上可以推斷該鉆孔所處上部地層應該為洪積和沖積所形成的巖性交替變化的沉積旋回，視電阻率值上高下低，而且某些層段出現(xiàn)異常值． 自然伽馬值的時高時低也體現(xiàn)了地層巖性的交替變化． 聲波測井曲線在40 m以上深度由于受到井孔無水的困擾而未測得實際數(shù)據(jù)，40 m以下層段的聲波速度在1.60—1.80 km/s之間，表明地層巖性較為破碎，即使到了100 m深度地層依然比較破碎，這與鉆孔取芯的結果是一致的．

2) 在30—51.1 m層段，電阻率和自然伽馬曲線均出現(xiàn)了一個小的負異常，此段巖性從卵石土變?yōu)榉凵?，視電阻率值下降?0 Ω·m，自然伽馬值下降了55.8 γ/cm，所測得的巖性和物性參數(shù)很好地表征了鉆孔所遇地層的物性特征，與鉆孔資料結果具有很好的一致性．

3　討論與結論

本次跨安寧河斷裂帶的綜合地球物理測井共完成兩孔221 m進尺的聲波速度、自然伽馬、自然電位、三側向電阻率等4類測井資料的采集，經(jīng)室內資料處理后獲得了跨安寧河斷裂帶東、西兩盤各個鉆孔的4條測井曲線． 經(jīng)資料解釋可得，鉆孔ZK01測井剖面共分6層，鉆孔ZK02測井剖面共分10層，鉆孔ZK01圍巖變化表現(xiàn)為由破碎到較為破碎狀態(tài)，鉆孔ZK02圍巖基本表現(xiàn)為破碎狀態(tài)，測井分層與鉆探地質分層的巖性描述和層厚等結果基本吻合． 本文主要結論如下：

1) 跨安寧河斷裂帶兩個鉆孔的綜合地球物理測井解釋成果圖客觀真實地反映了安寧河斷裂帶東、西盤介質的巖性和物性特征，同時證實了鉆孔ZK01在32.6 m處與斷層面相交，這與鉆孔資料相吻合． 所測得的斷層破碎帶內的物性參數(shù)為研究安寧河斷裂帶的物質組成、介質物性、斷層結構和活動狀態(tài)提供了基礎資料．

2) 在以聲波速度和視電阻率資料為主的基礎上, 結合自然電位和自然伽馬測井曲線資料, 本文所得結果真實客觀地揭示了安寧河斷裂帶東、西兩盤地層的縱波速度變化和視電阻率值等物性變化特征，這也是鉆孔取芯所無法取代的．

3) 綜合地球物理測井方法不僅能夠確定斷裂帶附近地層的完整性、劃分地層、確定巖層的物性和巖性，還可以在取得縱、橫波速度之后進行泊松比、彈性模量、體積模量等巖石物性參數(shù)的計算． 在已知密度參數(shù)的基礎上, 還可以進一步研究斷裂帶的力學性質．

跨安寧河斷裂帶的井孔綜合地球物理測井成果初步反映了該斷裂帶東、西兩盤的介質物性特征，為揭示該斷裂帶潛在的強震危險性和孕震過程提供了基礎資料，但由于受鉆孔深度的限制，本文研究結果所反映的僅為安寧河斷裂帶淺部斷點處的介質物性特征； 限于鉆孔深度和單次觀測的局限，并不能及時準確地捕捉到大震孕育過程中所引起的斷裂帶內外介質物性的變化． 若能通過深孔綜合地球物理測井對斷裂帶內外介質的物性參數(shù)進行不定期長時段的監(jiān)測，則可為斷裂帶活動狀態(tài)的監(jiān)測和大震孕育機理研究提供基礎參考依據(jù)．

總之, 綜合地球物理測井技術為研究斷裂帶物質組成、介質物性、斷層結構和活動狀態(tài)提供了基礎資料，有望成為監(jiān)測活動斷裂帶附近介質物性參數(shù)動態(tài)變化的一種新手段．

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Analyses on integrated geophysical logging results in shallow hole across the Anninghe fault zone

Hu Gang1),*He Zhengqin1)Li Na1)Ye Tailan1)Hu Dejun2)

1)InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081，China2)XichangEarthquakeCenterStation,SichuanEarthquakeAdministration,SichuanXichang615000，China

Using the integrated geophysical logging technique, we measured resistivity, sonic velocity, spontaneous potential and natural gamma logs of two wells which were located in Mianning--Xichang segment of Anninghe fault in western Sichuan, and obtained the integrated physical parameters combining with coring data drilled around the drilled rock layer. The integrated logging interpretation results reflect the physical properties and lithological characteristics of the east and west sets of the Anninghe fault zone objectively, and reveal the physical properties variation of the P-wave velocity and the apparent resistivity of the fault zone, providing the basic data for research on material composition, media properties, structure and active state of the fault zone. Integrated geophysical logging technology is expected to become a new mean of monitoring dynamic variation of physical parameters near active fault zones.

integrated geophysical logging; Anninghe fault zone; physical parameter; dynamic variation

中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務重點專項 (DQJB12C10)和太原盆地淺層速度結構探測 (DQJB14C04)共同資助.

2015-10-16收到初稿，2016-01-28決定采用修改稿.

e-mail: hugang@cea-igp.ac.cn

10.11939/jass.2016.05.003

P313.3

A

胡剛，何正勤，李娜，葉太蘭，胡德軍. 2016. 跨安寧河斷裂帶淺孔綜合地球物理測井成果分析. 地震學報, 38(5): 684--692. doi:10.11939/jass.2016.05.003.

Hu G, He Z Q, Li N, Ye T L, Hu D J. 2016. Analyses on integrated geophysical logging results in shallow hole across the Anninghe fault zone.ActaSeismologicaSinica, 38(5): 684--692. doi:10.11939/jass.2016.05.003.