大地电磁测深是一种装备轻便、易于野外作业、经济耗费小的地球物理方法。在我国南方山地,由于复杂的地形起伏和密布的植被使得反射地震的测线难以在其中展开,并且由于山区常见坚硬的岩层,具有高波速和高密度的特征,地震波传播难以向下传播。与此同时,在南方地区很多地层经历了强烈的改造作用,对于剧烈变化的地层,单一应用反射地震追踪这样的地层存在着较大的困难,在这些地方开展大地电磁,补全了资料的缺失,为油气勘探研究提供了重要的补充[1,2]。在松辽盆地及其外围,含油气的深层地层内部经历了岩浆活动和构造的改造,反射地震同样遇到了较大的困难,主要是由于火山岩对地震波的屏蔽作用和深层含油气地层断裂较发育,反射地震对该区石炭—二叠系成像质量较差,而大地电磁对低阻层敏感,在该区的石炭—二叠系地层的勘探发挥了重要作用[3]。

松辽盆地是我国东部重要的能源资源基地,其中滨北地区(嫩江以南,哈尔滨—满洲里铁路线以北的松辽盆地北部)是大庆油田的主力产区。该地区自西向东有西部斜坡区的北部、中央凹陷区、北部倾没区以及东部隆起区,工区在构造位置上处在西部斜坡区的北部。西部斜坡区是松辽盆地的一级构造单元,它又分为3个二级构造单元,自西向东分别是西部超覆带、泰康隆起带、富裕构造带。西部斜坡区传统的油气目标层主要是姚家组和嫩江组[4],随着勘探的逐步深入,该区上古生界的目的层越来越受到研究人员的关注,认为二叠系林西组是该区上古生界最有利的勘探层位,有分布广、厚度大、颜色暗等特征[5,6,7]。

目前,不同的机构、学者针对石炭—二叠系开展了系列技术攻关和地质研究,初步获得了该套地层的整体分布,提出其晚古生代的沉积中心主要位于东部和西北部,目前残留的地层厚度仍较大,是未来松辽盆地上古生界油气资源勘探的重点地区[8,9,10,11,12]。目前,石炭—二叠系空间分布主要基于大尺度的重磁等资料获得,石炭—二叠系内部受后期的岩浆活动和构造的改造,反射地震对该套地层的成像存在较大的困难,主要为断续的弱反射和杂乱反射特征为主,制约了松辽盆地深层油气资源的勘探突破和评价。已有钻孔揭示了二叠系林西组发育厚层的泥岩层,在电性特征上呈低电阻特征,而大地电磁测深法由于对低阻层敏感,可用于泥岩层分布的研究。

1、岩石物性特征

在泰康隆起带北部围绕黑富地1井部署了一条20km的大地电磁测深剖面(图1),通过采集、处理等参数试验和优选,探测该区域二叠系林西组的地层分布。黑富地1井基本揭示了滨北地区上二叠统林西组、白垩系及其上部地层的充填序列。其地层层序为第四系,上白垩统明水组、四方台组、嫩江组、姚家组、青山口组,下白垩统泉头组和二叠系林西组(未钻穿)[13]。

图1西部斜坡区构造图(a),T5界面等值线图与测线部署(b)

研究区周边做了较全面的物性统计工作,通过地质调查钻探资料、岩石标本物性测试资料和井旁测深数据等资料,测试了电阻率,结合前人物性研究资料,系统地整理了该地区及周边地层岩石物性参数,重点分析了上古生界林西组地层的物性界面,得到了区域电阻率特征(图2a),林西组的上覆地层和下伏地层均表现为中高阻特征,林西组在中间是一个显著的低阻层,具有开展大地电磁工作的物性前提。

表1研究区物性参数统计

此外,黑富地1井自上而下钻遇上白垩统、下白垩统泉头组和上二叠统林西组,对比该井的电阻率曲线和井旁测深曲线(图2b),两者整体形态具较好的一致性;嫩江组具有相对较低的电阻率,姚家组—泉头组电阻率逐渐升高,泉头组的下部对应了井旁测深曲线电阻率极大值处,二叠统林西组地层的电阻率测井曲线急剧左移,MT井旁测深曲线显示电阻率开始降低,其极小值处位于2.4km处。上述的岩石电阻率的纵向差异和井旁测深与电测井对比结果表明,研究区利用大地电磁测深法能够有效地解释石炭—二叠系的地层分布,尤其对其中浅变质的高泥质含量地层,从而弥补了地震信息的缺失。

图2区域地层电阻率特征(a)及黑富地1井MT井旁侧深曲线与电阻率测井曲线对比(b)

2、数据采集与处理

2.1MT数据采集处理

研究区位于黑龙江省富裕县龙安桥镇境内,为查明研究区二叠系展布特征,部署了1条长20km的MT测线,数据采集使用仪器为加拿大凤凰地球物理公司的V5-2000和V8大地电磁测深仪,采用标准“+”字形布设,Ex、Hx与Ey、Hy方向为NS、EW布极,设计点距自设计井向500～1000m,在钻井附近采用250m的点距,电偶极距离为100m,记录有效频率带宽为0.0005～320Hz。

研究区位于人文活动较大的地区,采集时段内有大量水稻灌溉装置工作。为了获得高质量的原始数据,在正式采集前开展了采集时长实验,通过对比发现采集时间保证在22小时以上能够获得形态稳定、连续、光滑的曲线(图3)。此外,工作区内部分由于靠近公路、高压线等具有电磁干扰,严重影响大地电磁测深数据质量,为压制局部电磁干扰,认为区域磁场相对稳定,可采用互参考方法能够改善数据质量,实践对比结果也证明这种方法在强电磁干扰区的有效性(图4)。

野外数据预处理采用凤凰公司自带的SSMT2000软件,利用傅里叶变换将数据由时间域信号变换成频率域数据,通过功率谱挑选、远参考、“Robust”估计等处理技术,计算阻抗信息,获得所有测点的视电阻率与相位曲线。原始视电阻率曲线能够直观的反映区域地下介质的电性特征,从电性视电阻率曲线(图5)上可看到,浅部的(T5界面以上)电阻率整体较低,代表了白垩系沉积地层,受浅部低阻层的屏蔽作用,下伏地层的视电阻率曲线有小幅度的上扬,在趋肤深度1500～2000m范围内可见局部低阻,推测是石炭—二叠系泥岩层的电性响应。此外,由于测点主要位于第四系覆盖区和盆地内部,整个工区内高程变化较小,几乎无静位移效应的影响。

2.2地电走向分析

大地电磁数据曲线依赖地下空间的导电性质,地下空间电性结构在一维,二维或者三维的情况下,阻抗张量曲线形态是不同的,而野外实际地质结构往往都是三维的,具有一定走向延伸的地质体可近似为二维构造[14,15],这就为二维反演提供理论支撑。因此反演计算前我们需要对数据进行维性分析,主要是判断二维偏离度(S)的大小,由图6可知剖面测点二维偏离度(S)在0.01Hz以上基本小于0.2,表现为较好的一维和二维特征,尤其是320～1Hz的大多数频点,S几乎为0,表现为一维特征,说明该频段表征的深度内具有较稳定的沉积。

接下来需进行电性主轴分析,并确定数据极化模式,数据阻抗张量分解单测点单频点进行旋转,势必造成整条剖面数据曲线的不连续,基于局部服从整体的考虑,多测点—多频点统计成像分析技术[14,16]可有效统计出剖面电性主轴角度。由于研究区的测点在大于1Hz的频段(高频部分)主要表现为一维特征,若参与统计必然会影响深部电性主轴的准确性,而且我们关注的深度主要在地下1～4km,因此在进行频点统计时,主要统计1～0.01Hz频段的电性主轴方向,统计结果玫瑰图如图7所示。相比单测点—多频点(图7a)的统计结果,多测点—多频点(图7b)的统计分析建立在单测点—多频点的统计分析基础上,其结果更直观,又由于阻抗张量分解存在90张的模糊性,需结合区域主体构造走向进行判断。研究区在中生代以来主要受东侧滨太平洋板块西向俯冲影响,周边主要发育中生代NE向展布深大断裂,故而最终确定区域内的地电结构走向应为36°(NE向)。将测点阻抗角度顺时针旋转36°,则此时ρaxy、φxy就代表TE极化模式的电阻率和相位,ρayx、φyx代表TM极化模式的电阻率和相位。

图3同一测点不同时长的原始视电阻率和相位曲线对比

图4较差的原始视电阻率曲线(a)及经过互参考处理后的视电阻率曲线(b)

图5A5测点原始视电阻率曲线和相位曲线

图6二维偏离度剖面

图7单测点—多频点统计的1～0.01Hz频点电性主轴方向(a),

多测点—多频点统计1～0.01Hz频段电性主轴方向(b)

2.3MT反演

本文使用目前较成熟的非线性共扼梯度法NLCG[17]进行反演,该方法具有计算速度快、所需存储量小、结果稳定性好等优点。由于该方法属于局部最优化方法,易受初始电阻率模型影响要求所选择的电阻率模型应接近实际的地质模型[18],因此反演时选择一维Occam反演结果作为初始模型。这一技术基本保留了一维反演结果中层状介质模的宏观轮廓信息对深部的低阻异常体光滑效应影响小。在极化模式识别上,由于相对于TE模式,TM模式响应受三维效应的影响较小[19,20],能较好地重建原始模型信息[14,21],并且在查明盆地内部结构上获得了良好的应用效果[22,23],因此本次选择TM模式进行反演计算。反演参与频点60个,频段为320～0.01Hz。反演过程中TM视电阻率与阻抗相位数据选择5%和5%的本底误差,初始模型选择100Ω的均匀空间,正则化因子选择10,迭代次数141,最终拟合误差RMS为1.17。随迭代次数收敛曲线如图8所示。

原始数据反演计算结果的正确性是保证地质解释结果的前提条件,通过对反演结果开展正演模拟计算,对比了理论响应与实测音频大地电磁电阻率响应曲线。图9为二维反演得到的理论响应拟断面图与实测视电阻率拟断面图的对比,可以看出实测的视电阻率影像断面图与二维反演得到理论响应结果拟合度较好,说明本次反演结果正确可靠。

图8RMS收敛曲线

2.4电性结构特征

6km以浅的电性结构图(图10)可用于开展研究区的构造解释与地质地球物理综合解释。从图中看,整个剖面整体上电性分层较明显,自上而下呈低—高—低—高特征,中段纵向上具有较好的分层特征,反映了地层结构相对简单;中段深部高阻层埋藏较浅,东部和西部深部高阻层埋藏较深。其中黑富地1井(测点A4)下伏的高阻层与东西两侧相比并不明显,可能反映该区域内有断裂发育,钻孔在1900～2000m钻遇有破碎带;测线东段电性结构相对较复杂,A19下可见电阻率等值线陡变梯度带,两侧的块状电性结构具有一定的垂向位移,A19与A20之间电阻率有横向上不连续的现象,可能指示断层的存在。

图9二维反演拟合断面(上)与实测数据(下)对比

图10二维电性结构剖面及初步解释结果

3、油气地质评价

富裕断陷勘探程度较低,钻井较少且仅有少量钻孔钻遇断陷沉积层,如富参1井在1709m和2003.5m分别钻遇沙河子组和火石岭组,前者岩性以粗、细砂岩为主,后者则主要发育沉积碎屑岩夹中酸性火山岩。部署在齐齐哈尔西北25km的黑富地1井未钻遇断陷层沉积,穿过下白垩统泉头组后,直接进入上二叠统四站板岩组(林西组),反映研究区主要位于富裕断陷的西部斜坡带次级构造单元。

区域地质调查研究表明林甸—杜尔伯特一线石炭—二叠系烃源岩以暗色泥岩、浅变质泥岩等为主,有机质类型主要为腐植型;地温梯度位于4～5℃/100m,属于相对高地温梯度,有机质成熟度普遍大于4,已进入裂解气阶段,埋藏史研究揭示石炭—二叠系为后期浅埋型,二次生烃潜力较小,因此该区域油气资源勘探主要集中在石炭—二叠系原生油气藏或后期保存条件较好的次生油气藏。黑富地1井位于富裕断陷西部斜坡带,缺失断陷层沉积,在泉头组沉积以前处于凸起剥蚀阶段,可能导致石炭—二叠系浅部原位油气藏发生减压、烃类气体逸散或扩散,测井曲线上显示在1650～1900m范围内残余有机碳(TOC)含量较高,而对应全烃测井和C1测井曲线上数值相对较小。张性断裂的发育对油气藏的保存具有不利影响,在1900～2000m钻遇的破碎带对应的全烃含量较低。因此,优良的储集层及保存条件可能是该区域油气勘探的有利地区。

T2界面自黑富地1井向东延展相对稳定,可横向追踪;而T5界面在东侧缺乏约束条件,考虑到白垩系地层在研究区具有超覆特征,其厚度向东部逐渐增大,同时白垩纪断陷沉积受区域断裂控制,A19测点之下断裂东侧可能发育断陷层沉积。从电性分层推测,位于黑富地1井东约6km处(A10与A11之间)深部高阻体隆起,林西组底界在A10与A11之间埋深最浅在2km以内,东西两侧埋深较深。位于黑富地1井东约8km(A12)处浅部电性结构(T5界面以上)与黑富地1井东约6km处基本一致,指示沉积特征横向上无变化,下伏的高阻层横向上连续,反映无断裂构造的发育,高阻层之下发育一横向较连续的低阻层,推测与薄层的林西组相对高泥值含量地层有关。因此综合考虑到断层以及高阻体隆起,目标层较浅的埋藏深度,还有适宜油气藏稳定的保存条件,A12至A17之下应当是该测线所控制的油气勘探较有利区。

4、结论

1)试验区的大地电磁测深反演结果有较好的纵向分层性,中生界自上而下基本呈现高阻、低阻相间的电性特征,反映了纵向岩性差异。

2)二维电性结构揭示的T5界面与反射地震的资料有较好的对应关系,T5界面之下探测到一套横向相对连续、厚度相对稳定的低阻层,推测是二叠系林西组泥质地层的电性响应。

3)利用大地电磁测深法获得了研究区内二叠系林西组厚层泥岩的宏观展布特征,结合其他油气地质资料,圈定了测线范围内的油气发育有利区,为区域石炭—二叠系油气基础调查提供了重要的地球物理依据。

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基金:中国地质调查局地质调查项目(DD20190030,DD20190032).