綜合物探方法在有害地質(zhì)體勘查方面的應用

古志文，賈建超，羅成果

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綜合物探方法在有害地質(zhì)體勘查方面的應用

古志文，賈建超，羅成果

（四川中成煤田物探工程院有限公司 成都 610072）

通過四川盆地某地多種物探方法在頁巖氣鉆前探測方面應用及效果的闡述，探討了綜合物探方法在巖溶、暗河以及破碎帶等有害地質(zhì)體勘查方面的應用效果。結(jié)果表明：若目的層以淺發(fā)育較厚碳酸鹽巖地層，采用高密度電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、廣域電磁法等物探方法，探測由淺到深的地質(zhì)體空間展布情況，并結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查，可對巖溶、暗河以及破碎帶等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況進行較好的控制，能有效規(guī)避鉆探過程中可能存在的風險。

綜合物探；頁巖氣；探測；四川

頁巖氣是低碳、清潔的新興能源，美國頁巖氣成功開發(fā)已經(jīng)引發(fā)全球能源領域的一場革命。據(jù)國土資源部《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評價及有利區(qū)優(yōu)選》初步成果顯示，我國頁巖氣地質(zhì)資源潛力134×1012m3，可采資源潛力25×1012m3，與我國陸域常規(guī)天然氣相當。國內(nèi)頁巖氣資源主要分布在四川、鄂爾多斯、渤海灣、松遼、江漢、吐哈、塔里木和準噶爾等含油氣盆地。

表1 四川盆地某頁巖氣勘查區(qū)域地層簡表

四川盆地頁巖氣資源豐富，盆內(nèi)廣泛發(fā)育三套頁巖地層：下寒武系筇竹寺組（牛蹄塘組）、上奧陶系五峰組和下志留系龍馬溪組，有機質(zhì)含量豐富、類型好、演化程度高，通常已達到成熟階段，寒武系沉積后，盆地經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動，形成了大量的裂隙、整合面和褶皺等，為頁巖氣的儲集提供了充足的空間，頁巖較低的孔滲性使得頁巖層成為良好的蓋層，多期次的構(gòu)造運動未對海相沉積造成明顯破壞，各項研究均顯示四川盆地具有良好的頁巖氣勘探及開發(fā)前景。

近年來盆地內(nèi)陸續(xù)開發(fā)了一系列頁巖氣井，并獲得了高產(chǎn)，國家在頁巖氣勘探領域也大力投入。筆者有幸參與了巖氣勘探鉆前電法探測的若干項目，下文對某頁巖氣勘探區(qū)塊鉆前探測采用的物探方法及效果進行簡要闡述并分析。

1 頁巖氣鉆探潛在風險

四川盆地地處揚子地塊，經(jīng)歷了2次大規(guī)模海侵，受加里東運動、燕山期運動等大規(guī)模地質(zhì)運動，形成了大量構(gòu)造，斷層、巖溶、破碎帶等廣泛發(fā)育。

受2次大規(guī)模海侵的影響，區(qū)內(nèi)大量分布碳酸鹽巖沉積地層。含頁巖氣地層以上地層如：嘉陵江組（T1）、大冶組（T1）、長興組（P3）、茅口組（P2）、棲霞組（P2）等碳酸鹽巖地層廣泛發(fā)育（表1），總厚度往往達1 000m以上，南方地區(qū)地表雨量充沛，因此地表地層遭受常年雨水琳濾，加之受到構(gòu)造等影響，地下暗河、巖溶以及地層破碎帶廣泛發(fā)育。

在頁巖氣鉆探施工過程中，地下暗河、巖溶以及地層破碎帶往往是保障工程順利施工，避免發(fā)生掉鉆、孔漏等鉆探風險的最大障礙，近年來一些頁巖氣鉆探施工就因為鉆遇上述不良地質(zhì)體而造成了巨大的損失。為此，有必要在鉆探工作之前對擬設鉆孔下方的地層進行探測，盡最大可能規(guī)避鉆探過程中可能鉆遇這些不良地質(zhì)體而帶來的損失。

表2 各物探方法的地質(zhì)任務

2 對策

根據(jù)上述分析，鉆前工作的主要地質(zhì)目的為探測碳酸鹽巖地層范圍內(nèi)的巖溶、暗河、破碎帶以及構(gòu)造破碎帶的分布情況。因此根據(jù)不同地區(qū)的含氣地層深度，對勘探深度進行分析，有針對性的采取高密度電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、可控源音頻大地電磁法以及廣域電磁法等物探方法，結(jié)合地面水文地質(zhì)調(diào)查，進行綜合解譯。

物探工作的原則及思路為：以尋找不良地質(zhì)異常體為目的，遵循綜合研究、由已知到未知、由淺入深、循序漸進的原則，有序的開展施工、處理及解釋工作。

1）做好地表已知不良地質(zhì)體的調(diào)查記錄，以便給物探解釋推斷提供參考。

2）根據(jù)由淺至深的探測思路，分別采取高密度電法、瞬變電磁法及音頻大地電磁法等物探方法，探測不同深度的不良地質(zhì)體發(fā)育情況（表2）。

3）地下巖溶及暗河往往充水，反映在物探工作成果中即為視電阻率比相對完整的圍巖低，若暗河或巖溶橫穿探測剖面，則形成封閉低阻異常區(qū)。

4）若地下巖溶在探測時間段內(nèi)未充水，其視電阻率比圍巖高，在解釋成果中不便識別，則應結(jié)合已知地質(zhì)資料及調(diào)查成果進行綜合分析。

5）地下暗河河道是導水通道，其地下軌跡及路徑往往將各個巖溶連接起來，因此可通過對巖溶的發(fā)育的識別，大致將暗河河道進行連接并推斷解釋。

2.1 高密度電法

高密度電法勘探原理是以巖礦石介質(zhì)的電性差異為基礎，研究在人工施加電場的作用下，地下傳導電流的分布規(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)進行成像處理，進而直觀的顯示地電斷面中視電阻率分布情況，通過反演成果分析，可達到探測淺部地層不良地質(zhì)體的任務（圖1）。

圖1 高密度電法工作原理示意圖

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法（簡稱TEM）是利用不接地回線向地下發(fā)送一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場的間歇期間，利用另一回線或探頭接收由地下地質(zhì)體受激勵引起的渦流產(chǎn)生的隨時間變化的感應二次場（按指數(shù)規(guī)律衰減），二次場的大小與地下地質(zhì)體的電性有關：低阻地質(zhì)體感應二次場衰減速度較慢，二次場電壓較大；高阻地質(zhì)體感應二次場衰減速度較快，二次場電壓較小。根據(jù)二次場衰減曲線的特征，就可以判斷地下地質(zhì)體的電性、性質(zhì)、規(guī)模和產(chǎn)狀等，從而可以解決地層中深部如斷層、地下暗河、溶洞等地質(zhì)體的探測問題（圖2）。

圖2 瞬變電磁法生產(chǎn)模式示意圖

2.3 （可控源）音頻大地電磁法及廣域電磁法

（可控源）音頻大地電磁法及廣域電磁法（CSAMT、AMT、WFEM）。它是利用（人工）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到解決地質(zhì)問題的一種地球物理勘探方法。音頻大地電磁法（AMT）所利用的場源主要是由遠處的雷電活動所引起的頻率約為幾至幾千赫茲的音頻大地電磁場；可控源音頻大地電磁法及廣域電磁法（CSAMT、WFEM）主要是利用人工的電磁場作為場源，在工業(yè)電流等干擾較強的區(qū)域開展工作，它們的勘探深度相對較深，一般用于探測一千米及以淺的地質(zhì)構(gòu)造、巖溶及暗河等地質(zhì)體（圖3、圖4）。

圖3 AMT生產(chǎn)模式示意圖

圖4 CSAMT、WFEM生產(chǎn)模式示意圖

3 應用效果

3.1 水文地質(zhì)調(diào)查

水文地質(zhì)調(diào)查與正常生產(chǎn)施工同時進行。圖5上方為探測區(qū)谷歌地形截圖，結(jié)合已有地質(zhì)資料，初步認識如下：

整體地形東西兩側(cè)高、中部低，北西高、南東低，為一明顯的槽谷地形，通過實地調(diào)查走訪得知，雖然探測區(qū)常年雨水充沛，但并無地表徑流，因此地表匯水必然通過地下管道排泄，暗河發(fā)育的可能性極大。

根據(jù)已有地質(zhì)資料，該槽谷為一向斜構(gòu)造，向斜核部即位于槽谷底部位置，地表向下發(fā)育地層為大冶組（T1）、長興組（P3）、茅口組（P2）、棲霞組（P2）地層，均為碳酸鹽巖地層。

圖5 地面調(diào)查成果

圖6 原設計鉆孔瞬變電磁法反演水平切片圖

3.2 物探成果綜合解釋

3.2.1瞬變電磁法

以中淺部地層為主要探測目的，選取50m、75m、100m、125m、150m深度對瞬變電磁探測區(qū)域進行了水平切片，并合成三維切片圖，可以看出，鉆孔位置在其地表以下至150m深度，巖體相對完整，鉆孔周圍巖體相對周圍較為完整，巖層含水性弱-中等。

地面調(diào)查發(fā)現(xiàn)2處較大規(guī)模溶蝕塌陷負地形及若干小規(guī)模塌陷，2處負地形主要位于工區(qū)南西方向，負地形1直徑約為200m，負地形2直徑約100m，其連線為北東-南西走向，與本區(qū)整體地勢較為吻合，其余一系列小型塌陷均位于該走向上，推測地下暗河主河道從兩處已知負地形下方流過的可能性較大。

3.2.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法工程布置以縱向及垂向地層布置測線對擬設鉆孔地表以下地層進行探測，垂向布設為主測線，主要探測構(gòu)造、地層的空間展布特征，垂向布設測線為聯(lián)絡測線，主要探測沿地形方向水流的展布特征。

1）D1線成果；D1線平行于本區(qū)構(gòu)造布設，小號點向大號點方向為南西-北東向，整體地形為北東高，南西低，反演剖面圖見圖7。圖中紅色標注孔位為原設計鉆井孔位，可以看出：

①該剖面內(nèi)分布若干小型封閉低阻異常區(qū)，其標高由大號點向小號點方向逐漸降低，結(jié)合已知資料，推斷該幾處低阻異常區(qū)為巖溶發(fā)育的可能性較大，可能為地下暗河河道橫穿本斷面造成的異常反映。按照埋深不同的編號次序，依次對本斷面明顯的封閉低阻異常編號為H1、H2、H3、H4。

②剖面中部（14~23號點）視電阻率較高，反映出該段巖體較為完整及含水性較弱；

③原設計孔位在地表以下，以標高400m為中心發(fā)育一處封閉低阻異常區(qū)H2，而此段地層發(fā)育巖性主要為長興組灰?guī)r，因此該異常為巖溶發(fā)育的可能性較大。

2） D2線成果：D2線與已知地質(zhì)剖面大致平行，從剖面淺部向深部依次為大冶組、長興組、吳家坪組、茅口組及棲霞組地層（圖8），均以灰?guī)r為主要巖性，可以看出：

圖7 D1線AMT視電阻率反演剖面圖

圖8 某區(qū)D2線AMT視電阻率反演剖面圖

①物探反演剖面反映構(gòu)造特征明顯，整體電性特征呈上部視電阻率高，下部視電阻率低，且高視電阻率呈向斜形態(tài)。

②剖面內(nèi)73號點向大號點方向發(fā)育一條條帶狀低阻異常，推斷為向斜軸部在剖面內(nèi)的反映。

③反演剖面內(nèi)分布4處封閉低阻異常區(qū)，按照從小號點往大號點依次編號為H8、H9、H10及H11。

④原設計孔位從H9中心異常穿過，異常中心在標高403m，而此異常在D1線上亦有反映，根據(jù)已知資料，推斷H9及H10異常為長興組灰?guī)r發(fā)育的巖溶，H8及H11為茅口組及棲霞組石灰?guī)r內(nèi)部發(fā)育的巖溶。因此，原設計鉆孔若以此點打鉆，鉆遇巖溶的可能性較大，經(jīng)與業(yè)主溝通，對原設計鉆孔進行了及時變更，方案變更后的鉆井孔位從H9及H10兩處異常之間穿過，在400m標高附近距離H9異常140m左右，在標高300m附近距離H10異常65m左右，風險較小。

3.2.3成果驗證

鉆孔孔位方案變更后，施工單位進行了鉆探工作，鉆至H9、H10異常中間范圍時，巖層較充水，但并未鉆遇大規(guī)模巖溶及破碎帶，鉆井工作順利穿過碳酸鹽巖發(fā)育地層，鉆至目的層。

4 結(jié)論

在頁巖氣勘探等深孔鉆探工作中，若目的層以淺發(fā)育較厚碳酸鹽巖地層，則采用高密度電法、瞬變電磁法、音頻大地電磁法、廣域電磁法等物探方法，探測由淺到深的地質(zhì)體空間展布情況，并結(jié)合地表地質(zhì)調(diào)查，可對巖溶、暗河以及破碎帶等不良地質(zhì)體的發(fā)育情況進行較好的控制，能有效規(guī)避鉆探過程中可能存在的風險。

[1] 李金銘. 電法勘探[Z]. 2005. [3]

[2] 何繼善.可控源音頻大地電磁法.中南工業(yè)大學出版社，1990

The Application of Comprehensive Geophysical Methods to the Harmful Geological Body Exploration

GU Zhi-wen JIA Jian-chao LUO Cheng-guo

(Sichuan Zhongcheng Institute of Coalfield Geophysical Engineering Co., Ltd, Chengdu 610072)

This paper has a discussion on the application of comprehensive geophysical method to harmful geological body exploration based on the results of shale gas geophysical exploration. The results indicate that high-density electrical method, transient electromagnetic method, audiomagnetotelluric method and wide field electromagnetic method are effectively applied to the exploration of harmful geological bodies such as karst, underground river and fractured zone.

comprehensive geophysical method; harmful geological body; shale gas; exploration

P631

A

1006-0995（2017）03-0490-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2017.03.032

2016-11-07

古志文（1983-），男，四川中江縣人，工程師，主要從事地面電法研究