大地電磁測(cè)深在固市凹陷基底探測(cè)與氦氣勘探中的應(yīng)用

張瑾愛(ài)， 周少偉

(陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710000)

0 引言

渭河盆地是位于秦嶺造山帶和鄂爾多斯盆地交接部位的新生代斷陷盆地，在渭河盆地內(nèi)有豐富的地?zé)崴Y源和天然氣資源，而且天然氣資源的成分和成因都不盡相同[1]，其中包括氦氣等天然氣資源，氦氣是一種稀有的惰性氣體，是國(guó)防軍工和高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展不可或缺的戰(zhàn)略性物資之一，其需求量隨著高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與日俱增[2]，本次對(duì)其渭河盆地內(nèi)部固市凹陷進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，分析其深部基底結(jié)構(gòu)，為氦等天然氣資源的有利選區(qū)提供借鑒。

渭河盆地地處有利的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，使得渭河盆地?zé)崴Y源、油氣資源較為豐富，在該地區(qū)開(kāi)展過(guò)很多基礎(chǔ)調(diào)查和勘探工作，工作程度相對(duì)較高，主要是覆蓋全區(qū)的1∶200 000重力調(diào)查，其中有部分大比例尺的重力剖面；渭河盆地磁測(cè)工作主要是1∶200 000 航空磁測(cè)，局部地區(qū)有1∶50 000 航磁調(diào)查，部分有大比例尺的地磁剖面；早期在渭河盆地做過(guò)10條視電阻率剖面，后來(lái)在渭河盆地扶風(fēng)-咸陽(yáng)、戶縣-蒲城、周至-新安一帶開(kāi)展過(guò)大的電磁測(cè)深工作；在渭河盆地凹陷主體位置開(kāi)展過(guò)地震反射剖面探測(cè)和二維地質(zhì)勘探工作，對(duì)渭河盆地的蓋層和基底有了初步的二維速度結(jié)構(gòu)，在2013年-2015年期間，開(kāi)展完成兩條二維地震剖面[3-4]，前面敘述的物探工作僅局限于較淺區(qū)域，對(duì)于深部研究較少，能夠涉及到基底的物探工作更少，但2013年-2015年開(kāi)展的這兩條地震剖面對(duì)本次研究工作具有重要的參考意義，其他一條二維地震剖面正好穿過(guò)本次研究區(qū)，對(duì)本次利用大地電磁測(cè)深資料利用電阻率劃分地層層位具有很好的約束作用。

在油氣勘探方面，渭河盆地一直受到高度重視，在其內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)展了很多不同程度的勘探[5]，勘探結(jié)構(gòu)顯示渭河盆地地?zé)峋畯V泛伴生有富氦天然氣[6-9]?？偨Y(jié)前人認(rèn)識(shí)，固市凹陷含氦天然氣主要以殼源氦為主，但有少量幔源氦加入的富氦天然氣[8]，并具有較高含量的幔源甲烷；該地區(qū)甲烷氣具有兩種成因類型：①淺部氣層為新近系張家坡組生物成因氣，源巖為張家坡組泥巖，中深部天然氣來(lái)自前新生界煤型熱解-裂解氣；②伴有CO2氣成因。利用生氣率法和生聚系數(shù)法，計(jì)算固市凹陷張家坡組生物氣總生氣量為23.61×1012m3，總資源量為5 460×108m3，評(píng)價(jià)表明固市凹陷具有較大的生物氣資源潛力和勘探前景[9-10]。還有前人認(rèn)為渭河盆地殘留有厚度較大的古生界地層，有可能在上、下古生界地層中發(fā)育有天然氣的多套富集成藏組合[11]。在渭河盆地由于沉積層較厚，又沒(méi)有鉆遇基底的深鉆，對(duì)于固市凹陷深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)和基底特征不明，為了更好地了解渭河盆地固市凹陷深部結(jié)構(gòu)和基底特征，故本次在固市凹陷布設(shè)大地電磁測(cè)深剖面工作，為下一步氦氣等油氣勘探提供借鑒。

1 地質(zhì)概況

渭河盆地地處秦嶺板塊、華北板塊和揚(yáng)子板塊的交界過(guò)渡位置，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的構(gòu)造演化作用，該處經(jīng)受的大地構(gòu)造作用頻繁，與它的形成和發(fā)展有密切關(guān)系。渭河盆地是鄂爾多斯盆地和秦嶺造山帶之間的一個(gè)走向呈東西向展布的新生代盆地[1-2,5]。固市凹陷位于渭河盆地東北部，南部以渭河斷裂與臨藍(lán)凸起相隔，西部以涇河斷裂與咸禮斷階相鄰，北部以口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂與蒲城凸起為界，面積約5 200 km2[3-4](圖1)。

圖1 固市凹陷構(gòu)造及大地電磁測(cè)深剖面布置圖Fig.1 Layout of structure and MT sounding section in Gushi depression

固市凹陷地表為第四系覆蓋，地層從上到下主要有秦川群、三門組、張家坡組、藍(lán)田-灞河組、高陵群，巖性以砂泥巖為主；中生界沉積砂巖與頁(yè)巖；古生界以灰?guī)r、頁(yè)巖為主。新近系張家坡組泥巖是本次油氣勘探主要層位[8-10,12]。

2 大地電磁測(cè)深工作布置及處理反演

為了深入研究固市凹陷深部基底結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征，在該區(qū)域布置了兩條大地電磁測(cè)深剖面(D1和D2剖面)，兩條剖面走向?yàn)榻媳毕蚝徒鼥|西向，這兩條剖面近垂直，長(zhǎng)度分別為63 km和134 km。

本次研究區(qū)內(nèi)收集到的鉆孔地層電性特征如下：新生界地層的電阻率平均值最低，其平均數(shù)值在幾十歐姆米左右，其次為中生界地層，平均數(shù)值為700 Ω·m；而古生界及太古界地層電阻率相對(duì)較高，分別為2 416 Ω·m、2 035 Ω·m；元古界地層的電阻率最高，其平均數(shù)值大于8 000 Ω·m。由收集到的地層物性特征可知，在渭河盆地內(nèi)，新生界沉積地層與基底其他地層電性差異較大，為該區(qū)開(kāi)展大地電磁測(cè)深工作提供物性基礎(chǔ)。

本次大地電磁測(cè)深工作采用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V5-2000型儀器，大地電磁工作點(diǎn)距為500 m，野外采用手持GPS導(dǎo)航至設(shè)計(jì)點(diǎn)位，遇不利地形時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置可選擇在地形平坦遠(yuǎn)離電磁干擾源的地方，但偏移距不超過(guò)500 m。在偏移過(guò)程中保持各測(cè)點(diǎn)的連續(xù)性。觀測(cè)裝置以十字型裝置為主，在原始資料計(jì)算處理階段主站測(cè)量數(shù)據(jù)采用主站電道、主站磁道進(jìn)行計(jì)算，分站測(cè)量數(shù)據(jù)采用分站電道、主站磁道進(jìn)行計(jì)算。為了進(jìn)一步提高原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，本次引入遠(yuǎn)參考道大地電磁觀測(cè)技術(shù)。本次大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)處理反演采用MTsoft2D軟件進(jìn)行，對(duì)大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)預(yù)處理、靜態(tài)位移校正與地形改正、反演、解釋等[11-12](圖2)， 得到剖面的電阻率斷面圖。其中在利用MTsoft2D軟件進(jìn)行反演過(guò)程時(shí)，一維BOSTICK反演結(jié)果可作為二維NLCG反演的初始模型參與進(jìn)一步反演，最終得到電阻率斷面圖，通過(guò)地下電性分布規(guī)律，用以揭示地下深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2 大地電磁法數(shù)據(jù)處理與反演流程圖Fig.2 Data processing and inversion flow chart of MT method

3 反演結(jié)果定性分析與定量解釋

3.1 電性特征

對(duì)固市凹陷的兩條大地電磁測(cè)深剖面的視電阻率反演結(jié)果進(jìn)行定性分析，了解其對(duì)應(yīng)的不同構(gòu)造單元不同地層的電性特征以及變化規(guī)律。

大地電磁測(cè)深D1剖面橫穿固市凹陷，走向?yàn)榻媳毕?，該剖面與固市凹陷構(gòu)造走向幾乎垂直，圖3為D1剖面二維視電阻率反演斷面圖，從圖3可以看出,電阻率斷面具有較好的縱向分層、橫向分段的特征。在縱向上，存在很明顯的上低下高的電阻率特征，它們之間分界清晰，從地表往深部，電性呈現(xiàn)低阻-高阻的特征，低阻最深可達(dá)7 km左右，位于20 km處的固市東部，在橫向上，整條剖面低阻呈現(xiàn)中間厚、兩邊薄，呈現(xiàn)南陡北緩的特征，向北緩慢抬升，在50 km處往北無(wú)低阻存在，該低阻形態(tài)與固市凹陷的凹陷形態(tài)相對(duì)應(yīng)，南部高阻對(duì)應(yīng)北秦嶺褶皺帶，北部高阻對(duì)應(yīng)蒲城凸起，中部高阻對(duì)應(yīng)固市凹陷的深部基底特征。渭河以南深部呈近乎直立的高低阻相間的電阻特征，與基底斷裂中的裂隙水有關(guān)。

圖3 D1剖面大地電磁測(cè)深二維反演斷面圖和綜合解釋推斷圖Fig.3 The map of 2D inversion section of MT in section D1 and comprehensive interpretation and inference(a)視電阻率反演斷面圖;(b)綜合解釋推斷圖

大地電磁測(cè)深D2剖面橫跨固市凹陷，走向?yàn)榻鼥|西向，該剖面與固市凹陷構(gòu)造走向幾乎平行，圖4為D2剖面二維視電阻率反演斷面圖，從圖4可以看出,電阻率斷面具有較好的縱向分層、橫向分段的特征。在縱向上，從地表往深部，電性呈現(xiàn)低阻-高阻的特征，低阻最深可達(dá)7 km左右，在橫向上，整條剖面低阻呈現(xiàn)中間厚，兩邊薄的特征，與固市凹陷的凹陷形態(tài)相對(duì)應(yīng)，高阻對(duì)應(yīng)固市凹陷的深部基底特征。

圖4 D2剖面大地電磁測(cè)深二維反演斷面圖和綜合解釋推斷圖Fig.4 The map of 2D inversion section of MT in section D2 and comprehensive interpretation and inference(a)視電阻率反演斷面圖;(b)綜合解釋推斷圖

從D1、D2這兩條剖面反演結(jié)果可以看出，固市凹陷內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)分為四層，具體各層特征如下：

1)第一層視電阻率值在10 Ω·m左右，視電阻率等值線較為連續(xù)，深度為0 km～1.5 km，該層反映第四系沉積層。

2)第二層視電阻率值在1 Ω·m～10 Ω·m之間窄幅波動(dòng)，視電阻率等值線總體連續(xù)，其中有等值線曲線較大扭曲現(xiàn)象，可能是由于斷裂影響，深度約1.5 km～5.5 km，該層顯示了沉積地層的基本特征，反映新近系地層，該地層較厚。更低的視電阻率可能與富水程度較高等有關(guān)。

3)第三層視電阻率值相對(duì)較高，一般幾十歐姆米，深度約5.5 km～7 km，該層為過(guò)渡層，反映古近系地層。

4)第四層7 km以上的高阻層，視電阻率值可達(dá)數(shù)百歐姆米，等值線不連續(xù)，反映較為復(fù)雜的基底特征，地層變化較大，一般為古生界或太古界地層。

3.2 綜合解釋及地質(zhì)成果

為了進(jìn)一步研究固市凹陷內(nèi)地層及基底的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，利用收集到的井位(渭參4、渭深14)資料(表1)、二維地震資料[11](圖5)作為約束，并結(jié)合地質(zhì)情況對(duì)大地電磁測(cè)深反演剖面進(jìn)行綜合解釋。

圖5 渭河地區(qū)固市凹陷近南北向地震剖面Fig.5 Near-north-south seismic profile of Gushi sag in Weihe area

表1 收集井位參數(shù)表

綜合上述資料分析解釋，對(duì)固市凹陷進(jìn)行層位劃分，各個(gè)地層具體劃分如下(表2)：

表2 固市凹陷主要地層地球物理特征參數(shù)表

1)第四系(Q)：從反演結(jié)果可知，整個(gè)固市凹陷均被具有一定厚度的第四系地層覆蓋，厚度從300 m至1 100 m不等，與前人認(rèn)識(shí)一致，南北向上地層整體反映為南厚北薄的特征，南部最大厚度近1 100 m，北部最薄處厚度小于300 m。東西向上，地層薄、厚相間，其中櫟陽(yáng)附近、田市-孝義一帶第四系覆蓋層較薄，分別為250 m、380 m，最厚處位于涇陽(yáng)-永樂(lè)一帶及蘇村-陽(yáng)村一帶，厚度約為1 100 m。渭參4井揭示該層厚度為1 295 m，北部的渭深14井揭示厚度為491 m。

2)新近系張家坡組(N2z)：南北向上表現(xiàn)為三角洲-湖泊的沉積體系，地層厚度整體具有南厚北薄的特征，渭參4井揭示該層厚度為849 m，北部的渭深14井揭示厚度為584 m；剖面顯示在固市凹陷最大沉積厚度為1 170 m，蒲城凸起北邊被剝蝕至180 m。東西向上該層表現(xiàn)為兩端薄、中部厚的特征；西端涇陽(yáng)一帶最薄厚度約700 m，東部的孝義鎮(zhèn)-新安村之間厚度約為1 500 m，中部的櫟陽(yáng)鎮(zhèn)-固市鎮(zhèn)之間厚度增大到2 400 m左右，最大厚度約為2 500 m，位于橋鎮(zhèn)附近，底界面最大深度為1 910 m。地層巖性主要為灰綠色泥巖、含砂泥巖夾疏松的砂泥巖。

3)新近系藍(lán)田-灞河組(N2l+N2b)：南北向上剖面反映該組地層與張家坡組具有相似的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，總體表現(xiàn)為北薄南厚的特點(diǎn)，渭參4井揭示該層厚度為580 m，北部的渭深14井揭示厚度為292 m；剖面顯示該層最大厚度為770 m左右，在蒲城凸起高部位被剝蝕至240 m。東西向上該組地層沉積厚度較為穩(wěn)定，約為1 000 m左右，最厚處位于相橋鎮(zhèn)附近，厚度為1 100 m；該組地層底界面最大深度約2 680 m。地層主要為粘土和砂質(zhì)粘土。

4)新近系高陵群(N1gl)：南北向上該層厚度變化較大，固市凹陷最大厚度為1 470 m，向北凸起部位超覆減薄，北部被藍(lán)田-灞河組剝蝕至120 m。東西向上該組地層受下伏古近系地層控制，沉積厚度較為穩(wěn)定，基本在900 m～1 000 m之間，相橋鎮(zhèn)附近最大厚度約為1 470 m，底界面最大深度4 150 m。沿剖面線方向(東西方向上)厚度變化不大，基本在900 m～1 000 m之間，相橋鎮(zhèn)附近厚度稍厚約1 400 m，底界最深約6 100 m。北部的渭深14井揭示該組地層厚度為572 m(未穿)。

5)古近系：收集到的兩口鉆井均為打到古近系，該層及以下地層厚度及深度主要受二維地震解釋結(jié)果進(jìn)行約束，南北向剖面上，反映古近系只在凹陷主體發(fā)育，基本表現(xiàn)為南厚北薄的特征，最大厚度為3 700 m，向北底部超覆頂部剝蝕減薄，最大厚度為1 160 m，在蒲城斷階帶上沒(méi)有接受沉積。東西向上該層厚度變化較為穩(wěn)定，厚度最大約為1 400 m，位于固市鎮(zhèn)附近，底界面最大深度為8 100 m；在D1和D2剖面交匯處，由大地電磁測(cè)深剖面推斷古近系地層底界面深度為8 100 m左右。古生界及以下地層：電性層呈現(xiàn)高阻特征，以田市為界，兩側(cè)的電性特征明顯不同，顯示存在基底斷裂。

6)上古生界：固市凹陷古生界最大厚度位于凹陷中部，最大厚度為2 420 m，受控于渭河和蒲城斷裂，蒲城凸起沒(méi)有接受上古生界的沉積，蒲城凸起現(xiàn)今賦存下古生界，最薄為470 m左右，上古生界底界最大埋深為9 100 m。

7)下古生界：該套地層在固市凹陷全段均有殘留，一般厚度在300 m～1 200 m左右，相對(duì)較為穩(wěn)定，最厚處位于興平附近。下古生界底界最大埋深為10 300 m。

從D1、D2剖面綜合解釋推斷圖(圖4(b))上，可以看出固市凹陷東西向新生界沉積較為穩(wěn)定，秦嶺北緣斷裂(F1)和乾縣-富平斷裂(F4)在剖面上共同控制了固市凹陷的沉積、演化。固市凹陷從第四系到古近系均有沉積，整體表現(xiàn)為中部厚、東西兩側(cè)變薄的特征，凹陷主體位于固市附近即高陵-孝義鎮(zhèn)之間，新近系地層底界最深為6 100 m，古近系地層底界最深為8 100 m。由于古生界與元古界地層的電性差異較小(高阻反映)，剖面上未加劃分，剖面東、西兩端未到固市凹陷邊界。

5 結(jié)論

通過(guò)本次研究，可知固市凹陷新生界沉積厚度約為8 100 m，遠(yuǎn)深于西安凹陷的6 600 m[11]；新近系和古近系厚度分別為4 800 m和4 000 m，顯示固市凹陷有巨厚的古近系沉積；固市凹陷的沉積中心位于相橋-固市-大荔一帶；核心部位存在上古生界石炭-二疊系，北部缺失上古生界，基底為下古生界碳酸鹽巖類，其余地區(qū)基底為上古生界；固市凹陷張家坡組發(fā)育巖性主要為深湖相泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，厚度大可達(dá)400 m～900 m，為凹陷區(qū)內(nèi)甲烷氣的重要烴源巖。