貴州碳酸鹽巖山區(qū)廣域電磁法勘探應(yīng)用

詹少全，丁梅花，李愛勇，王慧，王導(dǎo)麗，梁杰

(江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局 八一四隊，江蘇 鎮(zhèn)江 212005)

0 引言

物探方法在常規(guī)油氣、非常規(guī)油氣、礦產(chǎn)資源等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，隨著礦產(chǎn)資源日益枯竭，找礦往深部發(fā)展，攻深找盲成為當今找礦的重要途徑。電磁法作為一種重要的物探方法，因有其測深功能，在深部資源勘查中發(fā)揮著重要作用[1-2]?，F(xiàn)代工業(yè)、城鎮(zhèn)等的發(fā)展，電磁干擾源越來越多，越來越嚴重，對儀器的抗干擾能力要求越來越高，在一些特殊的地質(zhì)環(huán)境下部分物探方法難以達到良好的勘探效果。而碳酸鹽巖地區(qū)嚴重影響了地震的資料品質(zhì)，難以取得高品質(zhì)的深部地震資料成像，特別在山區(qū)，因其復(fù)雜的地形限制了部分物探方法。貴州紫云地區(qū)地形起伏較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為碳酸鹽巖覆蓋地區(qū)，為了查明該區(qū)頁巖層系的分布與埋深、斷裂與構(gòu)造等，投入了廣域電磁法勘探工作。

廣域電磁法能突破碳酸鹽巖的高阻屏蔽，分辨力高，對其下伏低阻有良好的分辨能力[3]，抗干擾能力強，適合復(fù)雜地形施工，是一種適合貴州復(fù)雜山區(qū)碳酸鹽巖地區(qū)的一種物探方法。通過在貴州紫云地區(qū)的頁巖氣勘探實踐，基本確定了頁巖層系石炭系打屋壩組的分布、埋深和厚度等，查明了斷裂的位置等空間結(jié)構(gòu)，后經(jīng)鉆探驗證其成果，在深部頁巖氣勘探中取得了良好的勘探效果。

1 勘查區(qū)概況

貴州紫云縣屬高源峽谷區(qū)，海拔高差達1 482 m，因受北盤江及其支流的強烈切割，切深長達500～700 m，屬深切割巖溶侵蝕山區(qū)，具有“山高坡陡谷深”的特點，屬復(fù)雜山區(qū)地形(圖1)，嚴重影響了廣域電磁法的布極，地形對電磁法有較大的影響。

工作區(qū)巖溶發(fā)育強烈，伏流、地下河床、溶洞、落水洞、豎林、巖溶干溝等水系呈樹枝狀展布，水系較發(fā)達，復(fù)雜的碳酸鹽地質(zhì)和地形條件影響了部分物探方法的勘探效果。

紫云地區(qū)位于揚子準地臺西南緣，地跨黔南坳陷和羅甸斷坳，受NW向埡都—紫云斷裂帶、近EW向貴陽—鎮(zhèn)遠斷裂帶和近NE向銅仁—三都斷裂帶3個不同方向斷裂帶控制，是一個相對穩(wěn)定的區(qū)塊[4-6]。黔南坳陷呈倒三角形，為海西期坳陷，上古生界地層發(fā)育，尤以泥盆系厚度較大，可達1 000～5 000 m，石炭系及其以上地層多已出露。其北側(cè)為黔中隆起，南側(cè)為南盤江坳陷，東側(cè)為江南隆起帶，西側(cè)為黔西南復(fù)雜褶皺帶。

圖1 工作區(qū)地形地貌圖

紫云地區(qū)地層從泥盆系—第四系均有出露(圖2)，石炭系從老到新依次出露為下統(tǒng)睦化組(C1m)、打屋壩組(C1dw)、黃龍組(C2h)和馬平組(C2m)。下覆泥盆系上統(tǒng)代化組(D3d)和桑郎組(D3s)。

上泥盆統(tǒng)(D3)地層以灰?guī)r為主；中統(tǒng)火烘組巖性以碎屑巖為主，且地層較厚(>1 200 m)；獨山組(D2d)巖性為一套灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾白云及白云質(zhì)灰?guī)r；罐子窯組(D2g)巖性以碳酸鹽巖為主；下統(tǒng)莽山組(D1m)巖性以碎屑巖為主。

石炭系睦化組巖性為灰黑、深灰色中—厚層狀生物屑泥晶灰?guī)r、泥晶生物屑灰?guī)r為主，夾泥巖、硅化灰?guī)r、硅質(zhì)巖及泥灰?guī)r，厚達300～350 m。打屋壩組主要巖性為黑、灰黑色薄層狀泥巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，夾深灰色薄層狀硅質(zhì)巖、泥灰?guī)r。下部為黑色薄層泥巖、炭質(zhì)頁巖，夾少量深灰色薄層狀泥灰?guī)r；中部深灰色薄層狀泥巖，夾薄至中厚層狀粉砂巖；上部為黑色薄層狀泥巖與深灰色薄—中厚層硅質(zhì)巖組成韻律層，夾深灰色中層泥晶灰?guī)r、生屑泥晶灰?guī)r，厚300～420 m，為深水陸棚盆地沉積。打屋壩組為本次勘探的目的層。黃龍組和馬平組主要由灰白色中厚層至塊狀灰?guī)r、深灰—灰黑色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖和瘤狀灰?guī)r等組成。

圖2 工作區(qū)地質(zhì)圖

二疊系—三疊系巖性以灰?guī)r和白云巖為主。

工作區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，褶皺類型主要以隔檔式褶皺為主，背斜狹窄緊陡，向斜寬闊舒緩，背、向斜相間分布。工作區(qū)有鉆井紫云1井，代頁1井、長頁1井、火花1井和火參1井6口鉆井，為資料反演和資料解釋提供了標定和依據(jù)。

對紫云工區(qū)標本電阻率(浸水)進行了統(tǒng)計分析(表1)，目標層打屋壩組為低阻層，與圍巖具有明顯的物性差異，具備了廣域電磁法勘探的物性前提，廣域電磁法可以分辨。

表1 紫云地區(qū)地層電阻率統(tǒng)計

2 廣域電磁法方法與技術(shù)

廣域電磁法屬于人工源電磁法，發(fā)射功率大，創(chuàng)新的廣域電阻率計算，所謂“廣域”，在包括遠區(qū)，也包括非遠區(qū)的廣大地區(qū)進行測量，把電磁測深的觀測范圍擴大到包括非遠區(qū)的廣大區(qū)域，其算法是直接從電偶源全區(qū)精確公式出發(fā)[7]。

廣域電磁法繼承了CSAMT法使用人工源克服場源的隨機性，同時繼承了MELOS方法非遠區(qū)測量的優(yōu)勢；擴張了觀測范圍，摒棄了MELOS(磁偶源頻率測深)方法的校正，保留高次項,提出了全域公式計算電阻率，拓展了人工源電磁法范圍，提高了觀測速度、精度和采集效率[8-9]。

采用積分方程、譜方法和有限元相結(jié)合，研發(fā)出一種新的廣域電磁法高效、高精度數(shù)值模擬技術(shù)。廣域電磁法為偽隨機信號，抗干擾能力強，AB距一般為1～3 km，適合復(fù)雜地形施工，突破高阻屏蔽，對低阻反應(yīng)敏感，分辨力高，適合深部勘探。

3 勘探效果分析

工作區(qū)廣域電磁法測線2條，點距100 m，收發(fā)距20～24 km，發(fā)射電流100 A，呈十字交叉，1線NWW向，45 km，2線NNE向，13.5 km。從兩條廣域電磁法測線的二維反演電阻率斷面，可以看出各斷面由淺至深的電阻率異常特征基本相同，呈現(xiàn)低、高相間的形態(tài)，且中淺部低阻凹凸相間，廣域電磁法成果清晰的反映了工作區(qū)的電性特征，說明該區(qū)地層分布構(gòu)造運動強烈，褶皺形態(tài)復(fù)雜。

廣域電磁法反演主要進行了一維和二維反演，一維反演以連續(xù)介質(zhì)反演為主，主要是為二維反演提供初始模型，作為中間過程量。二維反演采用了非線性共軛梯度反演，以鉆孔為約束，開展層狀介質(zhì)約束反演，二維反演成果為最終解釋圖件，據(jù)地質(zhì)、物性和其他物探等資料，對二維反演剖面開展綜合解釋。

3.1 1線

1線西過紫云1井，東過代頁1井和長頁1井，收集了幾口鉆井的地層、測井等資料，已知鉆井為廣域電磁法地層解釋進行了標定，利用地表地質(zhì)標定，地表主要出露三疊系、二疊系、石炭系和泥盆系地層。在二維反演剖面(圖3)東面出現(xiàn)了大面積的低阻，說明東面石炭系和泥盆系較為發(fā)育，深部低阻應(yīng)該系打屋壩組的反應(yīng)。同時對向斜和背斜構(gòu)造都有清晰顯示，深部高、低阻變化層為有相變的泥盆系地層，低阻為打屋壩組，深部高阻為以白云巖、灰?guī)r為主的下古生界。向斜高低阻形態(tài)表現(xiàn)為向下凸，背斜高低阻形態(tài)表現(xiàn)為向上凹，結(jié)合地質(zhì)可以確定各向斜和背斜局部構(gòu)造位置，主要存在下廠向斜、尅混背斜和交麻向斜等三個構(gòu)造。

依據(jù)石炭系地層電性特征，即以碳酸巖鹽為主的南丹組及睦化組為高阻層，以暗色泥頁巖為主的打屋壩組為低阻層，在劃分C/P界面時，在C-P地層的二分之一處粗畫P的底界。

目的層打屋壩組起伏形態(tài)與C-P地層一致，其在尅混背斜核部西側(cè)西端紫云1井 1 828.23 m 鉆遇威寧組，且該組未見底，故推測其下較薄的低阻層為打屋壩組，往西低阻層基本連續(xù)分布，至尅混背斜西翼出露地表，其頂界面埋深海拔1.0～-3.0 km，厚度0～600 m。尅混背斜核部打屋壩組缺失，該背斜東側(cè)代頁1井448～645 m及長頁1井708.38～926.94 m均鉆遇打屋壩組，與剖面上低阻層相符合，沿著該低阻層往西可連續(xù)追蹤至尅混背斜東翼，其頂界面埋深海拔0.9～-1.7 km，厚度0～500 m。

當中泥盆系地層為以碎屑巖為主的火烘組時，D表現(xiàn)為頂部高、中下部低的電性特征；相變?yōu)橐蕴妓猁}巖為主的獨山組時，D表現(xiàn)為高阻層。故剖面上較厚的高、低阻變化層為D。AnD整體為高阻，與D起伏形態(tài)一致，且全線連續(xù)分布。

圖3 1線二維反演與綜合解釋剖面

3.2 2線

2線出露泥盆系、石炭系、二疊系和三疊系地層。在二維反演剖面(圖4)南面存在一個向深部延伸的低阻帶,推測系埡紫羅(F12)斷裂引起,淺部南薄北厚的低阻層為以碎屑巖為主的T2；其下比較薄的中阻層為以碳酸巖鹽為主的T3；中部的較厚地層推測為C-P，其上的高阻層為C2-P灰?guī)r；其下低阻層為以暗色泥頁巖為主的打屋壩組；深部的高低阻變化層為D；AnD與C-P起伏形態(tài)一致，且全線連續(xù)分布。

4 鉆孔驗證與結(jié)論

為了探索石炭系打屋壩組富有機質(zhì)頁巖層段的空間分布及相變情況，根據(jù)廣域電磁法和地質(zhì)等研究成果，選擇打屋壩組埋藏相對適中的地方，在工作區(qū)實施了上古生界地層的頁巖氣參數(shù)井—黔紫頁1井，鉆孔位于2線的123號點，鉆遇打屋壩地層319 m(深度2 664～2 983 m)[6]，與廣域電磁法解釋的深度基本相符，驗證了廣域電磁法的解釋成果。該鉆井解釋頁巖氣顯示層17層，收集頁巖氣可燃，約22 cm高的火焰可持續(xù)燃燒近2 min，總含氣量最高達1.68 m3/t，實現(xiàn)了我國南方地區(qū)上古生界海相頁巖氣的新區(qū)重大發(fā)現(xiàn)。

圖4 2線二維反演與綜合解釋剖面

通過紫云廣域電磁法工程顯示廣域電磁法能在復(fù)雜地形(山區(qū))及復(fù)雜地質(zhì)條件下取得良好的勘探成果，能探測到埋深約3 000 m、厚約300 m的低阻體，彌補了地震在碳酸鹽巖發(fā)育地區(qū)的不足(碳酸鹽巖對地震信號的屏蔽)。

廣域電磁法適合于山區(qū)等復(fù)雜地形，在復(fù)雜地質(zhì)條件下也能取得好的效果，是一種深部勘探的有效物探方法。