塔里木盆地乌泊尔-克拉托地区深层电性结构与地质解释

陈延贵, 邢逸群, 朱礼春, 乃国茹, 张 亮, 郭家松, 陈 才, 任 凭

(1.中国石油塔里木油田 勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；2.成都理工大学 地球物理学院，成都 610059)

塔里木盆地西部的喀什凹陷周缘地区，因其独特的大地构造位置，发育众多的地表构造，丰富的油气显示。目前已发现有阿克莫木油气田、克拉托浅层油藏以及康苏和杨叶地表油苗。但由于受南天山与西昆仑山两大造山带对冲挤压作用，区域构造变形强烈，使得该区地表地质条件复杂、地下构造破碎，同时地震资料品质较差，严重制约了该区的地质认识和油气勘探。相比人工地震勘探而言，大地电磁探测数据采集较容易，且勘探深度较大，能够刻画基底结构和隆拗格局；尤其在地质、钻井和地震资料的约束下，极大地提高了电磁资料的精度，可揭示深层结构和标志层位。前人在塔西南区域白垩系的沉积相、储盖层及分布等方面做了大量研究[1-3]，认为下白垩统克孜勒苏群多以陆相沉积为主，且上白垩统-古近系发育储盖组合；并开展了沉积学、构造地质学和石油地质学等研究[4-6]，认为西昆仑山北部和塔西南拗陷之间盆山体系主要形成和发育于早更新世末，这一构造运动奠定了西昆仑-塔里木盆地南缘现今的盆山构造格架；同时，也开展了大量的重磁和电法勘探研究[7-8]，对区域整体地质结构和主要构造层取得一定认识。但关于塔西南地区的电性结构特征、目的层分布与规模大小以及基底隆拗格局，目前仍然缺乏统一的认识。

本文通过对喀什凹陷西北缘的乌泊尔-克拉托地区的大地电磁剖面的数据处理和反演解释，使用基于等值性原理的约束反演方法和电阻率纵向求导技术，研究西昆仑和南天山双向对冲推覆区域的深部电性结构特征及相互关系；以电性结构为主要依据，结合地质和测井资料，刻画克孜勒苏群分布范围、区域断层展布特征及基底形态。研究成果对于探明乌泊尔-克拉托地区的目的层分布及厚度规模有重要意义，对油气勘探以及钻井部署也有重要参考价值。

图1 研究区大地构造图(A)和区域地质图(B)Fig.1 Geotectonic map and regional geological map of the study area

1 地质概况

喀什凹陷西北缘的乌泊尔-克拉托地区位于新疆克孜勒苏柯尔克孜州和喀什境内，区域构造属于塔西南前陆冲断带，为盆山耦合的复杂区带。复杂的地质演化过程使该区域的地质结构与构造极具特点，地层出露分布也错综复杂，地表主要出露新生界、中生界、古生界等(图1)，岩性主要为灰岩、砂岩、砂泥岩，覆盖层为砾石和黄土层。其中新生界出露十分广泛，从北部的康苏至南部的依买克均有发育。中生界主要有侏罗系和白垩系，缺失三叠系；侏罗系在康苏断陷大量出露，在昆仑山山前的且末干地区也有部分出露；而白垩系则在天山和昆仑山前零星出露，出露范围较侏罗系小。古生界露头则主要分布在天山和昆仑山的山前部位。

根据山前区域分散出露的少量白垩系以及区域内的钻井资料，白垩系自下而上可划分为克孜勒苏群(K1kz)、库克拜组(K2k)、乌依塔克组(K2w)、依格孜牙组(K2y)和吐依洛克组(K2t)。除克孜勒苏群外的其余4个组均为上白垩统，称之为英吉沙群，主要由泥灰岩组成，含有膏岩，整体电阻率较高；克孜勒苏群主要为陆相红色碎屑岩系，是区域内的主要储层。根据地表露头及区域沉积-构造格架，认为乌泊尔-克拉托地区应广泛发育克孜勒苏群；但实际钻探却发现，克孜勒苏群在区域内横向展布不均匀，例如在WX1井钻遇到克孜勒苏群，而WB1井却没有钻遇。

2 地层视电阻率特征

大地电磁测深法处理与分层解释的前提是地层电性存在明显差异。通过统计分析塔西南地区多个电测井资料并结合区域地质背景，可将该地区从上到下分为5个电性层(表1)。第1层在山前和凹陷均有分布，山前的西域组砾岩较多，电阻率相对较高；凹陷则以砂泥岩为主，表现为低阻。第2层通常为砂泥岩低阻层，为电磁剖面上的第一套低阻层；但当第2层出现较为纯净的砂岩时，可能出现局部的高阻层(乌泊尔构造带出现此情况)。第3层为高阻层，其中含大量灰泥岩和石膏岩(平均电阻率接近 10 000 Ω·m)，为地震剖面上强反射标志层，通常也是典型的滑脱层。由于大地电磁对高阻层并不敏感，且第3层通常埋藏较深，所以当该套地层厚度<1 km时大地电磁难以识别。由于三叠系在整个工区内缺失，第4层为下白垩统和侏罗系砂泥岩低阻层，有时与二叠系卡伦达尔组的砂泥岩低阻合并在一起，确定为电磁剖面上的第二套低阻层，该套低阻层对于确定中生界是否缺失具有重要意义。第5层为古生界及元古界高阻基底，通常以白云岩、灰岩和变质岩为主。

乌泊尔构造带位于乌泊尔-克拉托地区，其地层电阻率与塔西南其他构造带存在一定差异。根据已有的乌泊尔构造带区域地质资料，并结合WB1井的电阻率测井曲线及录井岩样信息，将该地区不同地层的电性特征进行分层(表2)，由上到下依次为第四系西域组次高阻、新近系阿图什组(N2a)低阻、帕卡布拉克组(N1p)次高阻、安居安组(N1a)低阻、克孜洛依组(N1k)次高阻、古近系上部低阻、古近系下部(E1a)以及上白垩系统高阻、下白垩统克孜勒苏群低阻，以及古生界和元古界的高阻层，其中包括4套高低阻互层。 通过这4套高低阻互层，提高对该区域剖面的反演精细度，使得对目的层克孜勒苏群的识别更加准确可靠。

表1 塔西南地区电性标志层统计Table 1 Statistics of electrical signs of the southwestern Tarim Basin

表2 乌泊尔构造带电性标志层Table 2 Electric marker layer of the Wuboer structure belt

目的层克孜勒苏群为一套砂泥岩互层，上部的古近系乌拉根组与巴什布拉克组以膏泥岩为主，可作为有效盖层。大地电磁识别深部的低阻层，即白垩系克孜勒苏群、侏罗系、二叠系卡伦达尔组砂泥岩有一定困难，原因主要是：①新近系整体电阻率较低，且厚度较大(凹陷区域通常在5 km以上)，对电磁场有较强的吸收能力，降低了大地电磁深部的分辨率，所以当目的层和新近系之间的高阻层厚度较薄时，上下2套低阻层的电磁异常因体积效应叠加在一起，难以区分。②大地电磁法探测地下深部的低阻薄层，即便获得较好的反演结果，通常也只能得到一个相对较厚、电阻率相对较高的低阻层，该结果可能会很好地拟合观测结果，却不是最真实的地电模型。

本文提出的基于等值性原理的约束反演方法旨在解决第二个问题，该方法可以直接控制反演解收敛到预期薄层厚度，同时得到较为真实的薄层电阻率。在未知地层是薄层的情况下，该方法可以人为加强薄层约束，以增加拟合观测数据的反演模型数量，便于与地质地震资料进行对比解释，最终的结果更为真实。

3 等值性约束反演法

3.1 等值性约束算法

大地电磁法中，层状一维介质的每一层波阻抗都是由最下面一层递推而来，于是可以得到第m层的波阻抗为

(1)

大地电磁的S等值性原理的实质为：某一层dm和ρm(视电阻率)发生改变时，波阻抗却保持不变，从而导致视电阻率响应几乎相同。从(1)式中可以看出Zm是该层厚度和电阻率的函数，即可以写作

Zm=f(dm,ρm)

(2)

为了弄清楚等值性的变化规律，考虑简单3层模型(背景电阻率为 1 000 Ω·m，中间层埋深2.5 km)，以中间层dm为横坐标，ρm为纵坐标，计算其波阻抗等值线(图2-A)。图中虚线框左上和左下分别代表高阻薄层的H等值性区域和低阻薄层的S等值性区域。可以看出，电阻率和厚度都较小时，两者的比值保持不变就能维持波阻抗恒定，这是S等值性；当厚度较小且电阻率大于背景电阻率时，厚度变大对波阻抗几乎不再造成影响，这是H等值性。在其他范围内，波阻抗的特征满足广义的等值性现象。低阻薄层是满足S等值性的，但是反演得到的波阻抗结果通常已经在S等值性范围以外，等值性约束算法的目的也就是改变目的层的层厚和电阻率，使得波阻抗向S等值性范围靠近，即满足

(3)

式中Δ表示步长，即参数改变的百分比，因为Δ过小导致计算时间增长，过大导致收敛精度降低，通常取5%～15%。ε表示收敛程度，ε越小表示波阻抗越靠近S等值性范围。

由图2中可知，当目标体为低阻时，保持频率固定，一个dm仅对应着唯一的ρm。通过公式(1)解ρm较为困难，可以将(1)式变形为

(4)

已知目的层第m层的Zm、dm时，通过迭代的方法可以得到近似的ρm，于是约束算法的流程为：按Δ逐渐减小dm的值，每减小一次dm的值便迭代计算出唯一对应的ρm，直到dm和ρm的值满足公式(3)，计算结束，得到约束后的薄层电阻率和厚度。该过程中保持ε恒定，ε只影响等值性算法的收敛结果，越小代表层位越接近S等值性，即层厚越薄，电阻率越小，理论上需要地层厚度趋于0，电阻率足够小才满足S等值性。

图2-B是3层模型的等值性约束结果，其中常规反演采用共轭梯度反演，可以看出等值性约束对目标层位实现了异常突出、电阻率变低、层厚变薄。 图2-C是约束算法迭代过程中， 保持波阻抗不变情况下约束层位的电阻率和层厚的变化结果，可以看出其变化趋势满足图2-A中的规律。设定ε后(即多大程度上接近S等值性范围)，满足公式(3)时，迭代停止。

图2 MT视电阻率-层厚的等值性平面图、三层模型等值性反演对比图及约束层的电阻率-层厚随迭代次数变化结果Fig.2 Equivalent floor plan of MT apparent resistivity-layer thickness, correlation chart of three-layer model equivalent inversion, and constrained layer and layer thickness varied with the number of iterations (A)MT视电阻率-层厚的等值性平面图，该图来源于特定模型，不同模型将导致图像存在差异，但整体上具有普遍的规律性，图中电阻率单位乘3是为了使图形更美观，否则过于狭长；灰色和红色圆点分别代表约束前和约束后的参数示意图，红色箭头代表变化方向; (B)3层模型等值性反演对比图; (C)约束层的电阻率和层厚随迭代次数变化结果，一个圆圈代表一次迭代，参数设置为： ε=0.2， 根据式(3)计算机自动迭代47次， 电阻率层厚从1196 Ω·m/550 m 收敛到112 Ω·m /105 m

3.2 反演原理与实现

目前多种约束反演方法[9-11]已经被成功应用于实际生产中。这里提出的等值性约束算法主要是基于反演结果的一种辅助算法，原则上可以适用于任意的大地电磁反演方法。文中二维常规反演主要使用非线性共轭梯度二维反演(基于MTSOFT2D软件实现)，约束反演首先采用一维马奎特反演，然后采用等值性约束反演交互模块进一步处理，得到最终的约束反演结果。

本文算法的主要缺陷在于只能人工识别需要进行约束的层位，且收敛系数的设置需要通过尝试来确定最佳值，这对于实际资料处理来说工作量巨大，于是需要开发人机交互反演模块，具体实现步骤如下。

a.数据的导入：首先用MTSOFT2D做常规NLCG二维反演(对于某些地区为了达到更高的分辨率可以直接做一维反演)，然后使用该模块导入反演结果数据。

b.等值性约束算法：使用前文所述方法对需要约束的构造作单点人机交互约束反演，反演结果以及拟合结果可以在每一次迭代中实时显示，以便人为选定约束层位、收敛系数和其他反演参数(反演深度、层厚、迭代次数、阻尼因子等)，以及确定曲线拟合程度和反演终止条件等。

c.对于使用等值性约束后的模型响应相比原来的模型响应存在误差，需要通过1～2次反演迭代来消除。但是通过一维反演来拟合二维模型的响应仍然是存在误差的，这可以通过将最终得到的约束模型重新进行1～2次二维反演即可。

设计如图3-A所示的理论模型，盖层内含有厚度约为0.5 km的3个低阻薄层，常规的大地电磁反演方法很难明显地将中间第二个与第三个低阻薄层区别开(图3-B)。这里使用软件模块对已知的层位进行等值性约束，同时对薄层之间的电阻率进行修正以突出薄层，充分利用先验信息实现了对薄层的识别(图3-C)，可以有效地突出地层信息，一定程度上提高大地电磁的分辨率。

图3 复杂模型等值性薄层约束反演试验Fig.3 Constrained inversion test of complex model of equivalent thin layer

该试验结果证明了该反演模块的有效性。

4 地层识别与构造解释

研究区位于塔里木盆地西南部，西昆仑山和南天山的盆山结合部位，是塔里木盆地油气藏的重要潜力区。位于乌泊尔-克拉托区域的3条相邻测线:A-A′(即KS02E-483)、B-B′(KS02E-499)、C-C′(KS02E-509)自西向东分布，3条测线的具体位置如图1。对测线进行非线性共轭梯度二维反演，得出整体反演结果如图4所示。由于同时受西昆仑山和南天山的相互挤压作用，测线途径区域广泛发育有上冲推覆构造，测线北端南天山山前结构隆升明显，造成北部区域基底埋藏较浅，盖层较薄，地表直接出露侏罗系及更老的地层。推测该区域很难存在白垩系，即不存在目的层；测线南段位于昆仑山前，中生界整体发育良好，但根据WB1井的录井信息发现，中生界曾出现过一定程度的剥蚀，造成目的层克孜勒苏群的不均匀分布。

WB1井位于乌泊尔构造带内，在测线KS02E-499以西大约2 km处，井底层位为下二叠统比尤列提群(P1by)(深度 7 265 m，未穿，灰岩为主)，未钻遇克孜勒苏群。图5中右侧的红线表示测线KS02E-499反演的电阻率结果，可以清晰地看到有4套高低阻互层。虽然测线电阻率与录井电阻率对应电阻率层位出现一定的错位，但考虑到WB1井位于测线KS02E-499西侧2 km左右，说明反演电阻率整体上与电测井(WB1井)结果对应良好。结合该现象以及区域3条测线的反演结果，推测东侧地层比西侧埋藏要深，地层整体向东倾斜；南侧地层比北侧埋藏要深，南侧地层发育也较北侧完整。

图4 乌泊尔-克拉托地区测线NLCG反演结果Fig.4 Inversion results along NLCG measuring line in the Wuboer-Cratto area

图5 WB1井的电阻率测井曲线Fig.5 Resistivity logging curve of Well WB1

4.1 区域地层的层序识别及划分

根据区域地质资料及测井的录井信息，推断西昆仑山山前中生界主要为白垩系。由于该区域的上白垩统为深部高阻薄层，对于MT来说响应十分微弱，难以识别。为了有效追踪中生界，大地电磁探测应当以识别古近系上部的低阻层为主，根据该层推测中生界的厚度以及目的层存在的可能性。采用本文所述的等值性约束人机交互反演模块，根据电测井信息，将已有的较厚低阻层约束到更加符合实际地层厚度的低阻薄层，并结合已有的反演结果在横向上进行连续追踪；同时对靠近地表的2个低阻层在保证数据拟合情况下进行人机交互调整，使其层次更加分明。测线KS02E-499经过等值性约束后的反演结果如图6-A所示，反演结果有效追踪到目的层较真实的厚度。为了更加准确地识别断层位置，对测线KS02E-499电阻率反演结果求取纵向导数，纵向导数突出了电阻率横向上的不连续性，从纵向倒数图中可看到对断层进行了有效的识别(图6-B)。

根据测线KS02E-499的反演结果以及纵向求导结果(图6)，取得以下认识：①测线0～15 km可能缺失。在0～5 km范围内深部低阻异常增大，推测可能存在克孜勒苏群低阻目的层，造成低阻异常向深部扩散。在5～15 km范围内，结合WB1井的数据，判断测线15 km处的低阻异常完全由古近系上部导致，克孜勒苏群可能缺失。②测线15～33 km范围内乌帕尔背驼盆地的地层整体较为平缓，发育3套高低阻互层，其中克孜洛依组较厚，至少有2 km，且以砂岩为主，高阻异常与电测井结果吻合良好。根据等值性约束反演结果，发现15～24 km范围异常规模和大小不变，可以认为该区域地层与WB1井情况类似，不存在克孜勒苏群。根据异常显示，推测在测线24 km处存在逆断层，该断层为乌帕尔深部断裂所致；测线24～33 km处异常减弱，推测是由于古近系上部低阻层变薄导致，仍不存在低阻克孜勒苏群。③测线33～63 km主要受南天山推覆影响，其中在33～38 km处，第3套低阻(古近系上部)异常重新加强，但是此时古近系低阻层已经减弱，推测可能存在白垩系低阻，低阻异常的增强是古近系低阻和克孜勒苏群低阻层的共同作用导致，即在33～38 km处可能存在克孜勒苏群；测线38～63 km高阻基底抬升，低阻异常分布于地表，侏罗系出露，认为没有克孜勒苏群。

图6 KS02E-499等值性约束反演剖面和纵向导数结果Fig.6 KS02E-499 equivalent constraint inversion profile and longitudinal derivative results

范围内，受深部逆断层抬升影响，反演剖面上呈现明显的背斜构造，第2套和第3套低阻层异常合在一起，说明克孜洛依组较薄甚至通过测线反演结果以及结合区域相关的地质认识，判断测线KS02E-499在0～5 km处以及33～38 km处深部的低阻层是由于克孜勒苏群的存在导致，这2个区域内可能发育该套目的层，但判断目的层克孜勒苏群的厚度均小于1 km。

4.2 区域断裂识别及基底起伏

根据大地电磁反演剖面结构，并结合区域地质资料，特别是通过电阻率纵向求导结果，可大致确定乌帕尔断裂的位置。在测线KS02E-499中(图6)，乌帕尔断裂位于测线35 km位置附近，可以看到断裂两侧电阻率有一定差异。乌帕尔断裂是乌帕尔弧形上冲推覆带的主冲断裂，主要由乌帕尔上冲断裂系和断裂上盘的乌帕尔背驮盆地组成，断层滑动距离由造山带向盆地递减，断面呈上陡下缓“犁式”形态。乌帕尔断裂的存在，导致断裂左侧及右侧的地层分布以及沉积演化都发生了一定的变化。确定乌帕尔断裂的位置对寻找目的层有一定的帮助。

从测线KS02E-483、KS02E-499、KS02E-509的反演剖面上看(图4)，可以发现以下现象：①在测线的南侧及昆仑山的山前，基底都呈一个明显的背斜形态且上部低阻层较厚，推测这个背斜构造的形成是受到乌帕尔上冲推覆带的影响导致；结合测线KS02E-499的等值性约束反演结果，推测该区域可能零星存在克孜勒苏群。②在两山之间，即测线的20～40 km处，乌帕尔断裂的南侧基底形态表现为深部的凹槽，由西向东该区域内低阻体逐渐增厚，判断克孜勒苏群可能有不均匀的零星分布。③天山山前基底的整体隆升明显，受南天山强烈的向南推覆影响，侏罗系出露地表且为高阻，基底也抬升至近地表较浅位置，新生界、白垩系几乎全部被剥蚀，表明该区域不存在克孜勒苏群。

根据图4中3条测线的反演结果以及区域的地质资料，认为该区域基底总体表现为南低北高和东低西高的特点。北部基底整体埋藏较浅，且康苏断陷内出露大量的侏罗系，推测北部克孜勒苏群存在的可能性较小；南部地层发育较为完整，根据上述的解释推测昆仑山前部分区域存在克孜勒苏群，但分布零星且厚度较薄。

5 结 论

a.利用等值性约束反演，以大地电磁一维层状模型解析解的递推公式为基础，变换为可用于等值性约束的迭代公式，并结合一维理论模型，详细论证其算法的有效性，应用于塔西南地区深部薄层探测。根据WB1井的先验信息进行等值性约束模块，有效地对深部薄层进行约束，并在该地层上进行连续追踪，从而进一步判断目的层的位置与规模。相对常规反演结果，等值性约束反演结果能更好地反映深部地电信息，一定程度上提高了深层大地电磁探测的分辨率和目标地层的识别能力，具有较好的推广应用前景。

b.通过对乌泊尔-克拉托地区大地电磁资料处理和解释，根据反演剖面和纵向求导结果，分析目的层——克孜勒苏群可能的存在区域，刻画区域断裂及基底隆拗关系。两山对冲结构在反演剖面中显示明显且山前形态各不相同，中生界主要分布在两山山前，在昆仑山前整体发育较天山山前好；在山前前陆盆地覆盖区分布较少，局部地区可能发育。西昆仑山前的 WB1井以南3～5 km(即乌帕尔背驼盆地最南端)区域基底隆升形成背驼，上部地层发育良好，推测该处深部的背斜构造发育克孜勒苏群，并认为乌帕尔断裂下盘部分区域可能存在目的层；南天山山前大量地层遭受剥蚀，地表出露侏罗系且基底埋藏较浅，推测不存在目的层。