廣域電磁法在低阻覆蓋區(qū)的應用與評價
——以河南中牟為例

田紅軍，尹文斌，劉光迪，蔣永芳，游文兵

(1.湖南繼善高科技有限公司, 湖南 長沙 410208； 2.湖南省深地資源電磁法勘探工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410208)

0 引言

我國頁巖氣地質(zhì)儲量非常豐富[1-3]，開發(fā)頁巖氣對改善能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展將起到積極的推動作用。河南省地質(zhì)勘查隊伍近年來在中牟縣發(fā)現(xiàn)了豐富的頁巖氣資源，獲得了穩(wěn)定的頁巖氣氣流，技術(shù)可采儲量達127.5億m3，“牟頁1井”也是河南省首口頁巖氣井。近年來，相關(guān)單位在中牟工作區(qū)塊確定了5個有利工作區(qū)，并在區(qū)塊東南部發(fā)現(xiàn)厚度較大、含氣量較好的地層[4-12]。工作區(qū)內(nèi)開展地質(zhì)工作較少，僅開展了二維地震及少量參數(shù)孔施工，孔深均不大于3 000 m，工作程度相對較低；同時，區(qū)內(nèi)上部存在厚層低阻覆蓋層，常規(guī)的電磁勘探技術(shù)難以滿足勘探要求。

為了深化對低阻覆蓋區(qū)構(gòu)造復雜區(qū)深部地質(zhì)的認識，同時探討適合于低阻覆蓋區(qū)電磁勘探方法，在河南中牟工作區(qū)開展了廣域電磁法勘探。通過深部頁巖氣勘探，落實工作區(qū)斷裂展布和構(gòu)造單元劃分，為確定地層展布、深大斷裂的分布、有利區(qū)帶評價和區(qū)塊優(yōu)選提供技術(shù)支撐，為后期深部勘探提供地球物理參數(shù)。

1 工作區(qū)地質(zhì)地球物理特征

根據(jù)目前所掌握的地、物、科研等資料，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征綜合分析，暫推定工作區(qū)內(nèi)發(fā)育地層主要為奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。其中，二疊系由太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、平頂山組及孫家溝組構(gòu)成，太原組、山西組、下石盒子組為頁巖氣主要目的層系。

由于中牟區(qū)塊還沒有開展相關(guān)電磁法勘探工作，未獲得相關(guān)的地表電性參數(shù)資料，主要參考牟頁1井的電測井資料(表1)：第四系—館陶組為低阻覆蓋區(qū)，平均電阻率<10 Ω·m，厚度為1 400 m左右；和尚溝組—平頂山組為中低阻，平均電阻率約為70 Ω·m，厚度約600 m；平頂山組為中阻，平均電阻率約為200 Ω·m，厚度約100 m；目的層上石盒子組、下石盒子組為低阻層，平均電阻率約為20 Ω·m，厚度為630 m左右。目的層之下的山西組—馬家溝組為電性層由中低阻向高阻過渡層，其中馬家溝組地層可視為本次勘探的基底?？傮w而言，工作區(qū)地表1 400 m為厚層狀的低阻覆蓋區(qū)。

表1 牟1井電測井資料Table 1 Stratigraphic table of the electrical characteristics of Mou 1 well

2 廣域電磁法的有效性分析

本次野外采用廣域電磁法的工作模式是測量電場水平分量Ex：

(1)

根據(jù)式(1)定義廣域意義上的視電阻率：

(2)

ΔVMN=Ex·MN，

FE-Ex(ikr)=1-3sin2φ+e-ikr(1+ikr) 。

式中：Ex為x方向的電場水平分量；ρa為廣域視電阻率；I為供電電流；dL為供電點AB的直線長度；φ為測點與供電點AB中點的連線的夾角；r為測點到供電點AB中點的距離；i為虛數(shù)單位；k為波數(shù)。

根據(jù)牟頁1井物性參數(shù)統(tǒng)計資料及其他地質(zhì)資料，建立了工作區(qū)的地球—地質(zhì)物理模型：第一層為第四系—新近系館陶組，厚度為1 400 m，電阻率為5 Ω·m；第二層為三疊系和尚溝組—二疊系平頂山組，厚度為600 m，電阻率為70 Ω·m；第三層為二疊系以中粗粒長石石英砂巖為主的平頂山組，厚度為100 m，電阻率為200 Ω·m；第四層為本次勘探的目的層——以頁巖為主的二疊系上石盒子組和下石盒子組，厚度為630 m，電阻率為20 Ω·m；第五層為山西組—馬家溝組，電阻率為1 000 Ω·m。

假設(shè)沒有炭質(zhì)頁巖時電阻率為20 Ω·m,收發(fā)距r=16 km，頻率范圍為8 192～0.001 17 Hz。由圖1可見，由于碳質(zhì)頁巖表現(xiàn)為低電阻率特性，綜合電阻率降低，因此進入過渡場的頻率較低，如果二疊系上石盒子組和下石盒子組不含碳質(zhì)頁巖，電阻率與上覆地層一致，則地層的綜合電阻率升高，導致進入過渡場的頻率較高。從圖中看出，兩支曲線在趨膚深度未達到目的層埋深時幾乎無差異，達到趨膚深度頻率以下后，兩支曲線的差異明顯，最大時異?？蛇_30%(圖1b)，這說明應用廣域電磁法獲得的視電阻率曲線異?？梢宰R別上石盒子組和下石盒子組是否含有碳質(zhì)頁巖。

a—視電阻率曲線對比；b—異常幅度百分比a— comparison of apparent resistivity curves; b— percentage of exceptions圖1 廣域電磁法正演曲線及異常百分比曲線Fig.1 Forward curve and abnormal percentage curve of wide field electromagnetic method

3 工作部署

測線布置如圖2所示，布置了2條平行測線L54和L55.4，每條測線長10 km，線距為1 km，點距為100 m，廣域電磁法物理點共計100個。采用的測量頻率為0.011 7～8 192 Hz，適合探測從地表到地下7 000 m范圍的目標體。發(fā)射電流為146 A，發(fā)射電壓為950 V，收發(fā)距離分別為17 km(L54線)和18 km(L55.4線)。

a—廣域電磁法野外施工示意；b—測線部署a—field construction schematic diagram of wide-area electromagnetic method; b—line deployment chart圖2 廣域電磁法測線施工布設(shè)示意Fig.2 Layout of widefield electromagnetic survey line

4 資料處理與解釋

資料處理采用自主研發(fā)的“重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)”GME_3DI(V6.01)中的廣域電磁法帶源數(shù)據(jù)處理模塊。本次反演主要以二維連續(xù)介質(zhì)反演成果為主，資料處理以該區(qū)的電性資料為基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)信息和地層巖性資料，建立測區(qū)的地電模型。首先對所采集的廣域電磁法實測數(shù)據(jù)進行預處理，進行一維連續(xù)介質(zhì)反演成像；然后以一維反演成像的結(jié)果為基礎(chǔ)，再進行二維連續(xù)介質(zhì)反演成像；最后基于二維反演成果，進行地層劃分和成果推斷解釋。圖3、圖4分別為2條測線的廣域電磁法二維反演電阻率斷面和地質(zhì)推斷解釋結(jié)果。

a—擬地震斷面；b—反演成果及地質(zhì)解釋斷面a—quasi seismic section; b—inversion results and geological interpretation profile圖3 L55.4線綜合成果斷面Fig.3 Line55.4 comprehensive achievement profile

a—擬地震斷面；b—反演成果及地質(zhì)解釋斷面a—quasi seismic section; b—inversion results and geological interpretation profile圖4 L54線綜合成果斷面Fig.4 Line54 comprehensive achievement profile

整體上，廣域電磁法反演成像揭示了3套低阻層、3套中阻層和1套高阻層共計7套近似水平分布的電性層。其中，L54線隨著反演深度加深，電性層呈緩傾斜狀變化，低阻層電阻率變化范圍在3～9 Ω·m，中阻層電阻率變化范圍10～100 Ω·m，高阻層電阻率>100 Ω·m。擬地震圖揭示了本區(qū)地層界面近似水平，構(gòu)造單一，L54線大號點向低頻傾斜。

結(jié)合牟頁1井和地質(zhì)解釋資料，廣域電磁法反演成像結(jié)果顯示埋藏深度2 000～3 500 m為含頁巖層的有利地段。牟頁1井電測井資料以及地質(zhì)資料揭示了二疊系下統(tǒng)太原組(P1t)、山西組(P1s)和二疊系上、下石盒子組(P2sh、P2x)的電阻率值在3～9 Ω·m，為主要的頁巖層。

根據(jù)牟頁1井揭示的地層特征，推斷埋深2 000～3 500 m的石炭系本溪組(C2b)至二疊系下統(tǒng)太原組、山西組和二疊系上、下石盒子組表現(xiàn)為低阻，電阻率值在3～9 Ω·m；視厚800 m及800 m以上的穩(wěn)定低阻層是本區(qū)最有前景的目的層，以4 Ω·m為限圈定的下石盒子組高有機含量低阻帶是本區(qū)最有前景的頁巖氣層。埋深在750～1 500 m的中新統(tǒng)館陶組(N1g)其視厚度達400 m，因電性穩(wěn)定，厚度穩(wěn)定，可視為本區(qū)又一重要的頁巖氣目的層。

L55.4和L54線反演成像揭示測區(qū)發(fā)育有多條斷裂構(gòu)造，共計推測出10條斷裂構(gòu)造。其中，F(xiàn)2、F3斷裂是區(qū)內(nèi)重要斷裂構(gòu)造，決定了中二疊世—三疊紀的隆起、凹陷的分布。其他斷裂構(gòu)造未對低阻目的層造成明顯破壞。

查明了工作區(qū)內(nèi)基底起伏、埋藏深度和地層在空間上的主要分布。L55.4線基底呈背形構(gòu)造特征變化，埋藏深度在3 200 m左右，L54線基底呈WS高EN低的傾斜構(gòu)造特征變化，WS方向埋藏深度在3 200 m,EN方向200號點未見基底，說明基底埋藏深度在5 000 m以下；電性特征表現(xiàn)為高阻。

5 結(jié)論

在低阻覆蓋區(qū)開展高精度大深度廣域電磁法探測，采用自主研發(fā)的“重磁電三維反演成像解釋一體化系統(tǒng)”進行廣域電磁法反演成像，有效揭示了工作區(qū)地下5 km電阻率分布規(guī)律和特征。探測結(jié)果表明，埋藏深度2 000～3 500 m為含頁巖層的有利地段。

通過本次野外工作，形成了適用于河南中牟低阻覆蓋區(qū)頁巖氣勘探的廣域電磁法數(shù)據(jù)采集及處理流程，表明廣域電磁法能夠克服低阻覆蓋層的影響，是獲取頁巖層分布范圍和埋深的一種有效探測手段，為后期有利區(qū)帶評價和區(qū)塊優(yōu)選提供了地球物理參數(shù)和技術(shù)支撐。

致謝：感謝河南省地質(zhì)調(diào)查院提供試驗區(qū)塊，感謝中南大學李帝銓教授對修改論文提出寶貴的意見，感謝張賢對論文的修改提供幫助。