贵州碳酸盐岩山区广域电磁法勘探应用

詹少全，丁梅花，李爱勇，王慧，王导丽，梁杰

(江苏省有色金属华东地质勘查局 八一四队，江苏 镇江 212005)

0 引言

物探方法在常规油气、非常规油气、矿产资源等领域发挥着重要作用，随着矿产资源日益枯竭，找矿往深部发展，攻深找盲成为当今找矿的重要途径。电磁法作为一种重要的物探方法，因有其测深功能，在深部资源勘查中发挥着重要作用[1-2]。现代工业、城镇等的发展，电磁干扰源越来越多，越来越严重，对仪器的抗干扰能力要求越来越高，在一些特殊的地质环境下部分物探方法难以达到良好的勘探效果。而碳酸盐岩地区严重影响了地震的资料品质，难以取得高品质的深部地震资料成像，特别在山区，因其复杂的地形限制了部分物探方法。贵州紫云地区地形起伏较大，地质构造复杂，为碳酸盐岩覆盖地区，为了查明该区页岩层系的分布与埋深、断裂与构造等，投入了广域电磁法勘探工作。

广域电磁法能突破碳酸盐岩的高阻屏蔽，分辨力高，对其下伏低阻有良好的分辨能力[3]，抗干扰能力强，适合复杂地形施工，是一种适合贵州复杂山区碳酸盐岩地区的一种物探方法。通过在贵州紫云地区的页岩气勘探实践，基本确定了页岩层系石炭系打屋坝组的分布、埋深和厚度等，查明了断裂的位置等空间结构，后经钻探验证其成果，在深部页岩气勘探中取得了良好的勘探效果。

1 勘查区概况

贵州紫云县属高源峡谷区，海拔高差达1 482 m，因受北盘江及其支流的强烈切割，切深长达500～700 m，属深切割岩溶侵蚀山区，具有“山高坡陡谷深”的特点，属复杂山区地形(图1)，严重影响了广域电磁法的布极，地形对电磁法有较大的影响。

工作区岩溶发育强烈，伏流、地下河床、溶洞、落水洞、竖林、岩溶干沟等水系呈树枝状展布，水系较发达，复杂的碳酸盐地质和地形条件影响了部分物探方法的勘探效果。

紫云地区位于扬子准地台西南缘，地跨黔南坳陷和罗甸断坳，受NW向垭都—紫云断裂带、近EW向贵阳—镇远断裂带和近NE向铜仁—三都断裂带3个不同方向断裂带控制，是一个相对稳定的区块[4-6]。黔南坳陷呈倒三角形，为海西期坳陷，上古生界地层发育，尤以泥盆系厚度较大，可达1 000～5 000 m，石炭系及其以上地层多已出露。其北侧为黔中隆起，南侧为南盘江坳陷，东侧为江南隆起带，西侧为黔西南复杂褶皱带。

图1 工作区地形地貌图

紫云地区地层从泥盆系—第四系均有出露(图2)，石炭系从老到新依次出露为下统睦化组(C1m)、打屋坝组(C1dw)、黄龙组(C2h)和马平组(C2m)。下覆泥盆系上统代化组(D3d)和桑郎组(D3s)。

上泥盆统(D3)地层以灰岩为主；中统火烘组岩性以碎屑岩为主，且地层较厚(>1 200 m)；独山组(D2d)岩性为一套灰岩、泥质灰岩夹白云及白云质灰岩；罐子窑组(D2g)岩性以碳酸盐岩为主；下统莽山组(D1m)岩性以碎屑岩为主。

石炭系睦化组岩性为灰黑、深灰色中—厚层状生物屑泥晶灰岩、泥晶生物屑灰岩为主，夹泥岩、硅化灰岩、硅质岩及泥灰岩，厚达300～350 m。打屋坝组主要岩性为黑、灰黑色薄层状泥岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩，夹深灰色薄层状硅质岩、泥灰岩。下部为黑色薄层泥岩、炭质页岩，夹少量深灰色薄层状泥灰岩；中部深灰色薄层状泥岩，夹薄至中厚层状粉砂岩；上部为黑色薄层状泥岩与深灰色薄—中厚层硅质岩组成韵律层，夹深灰色中层泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩，厚300～420 m，为深水陆棚盆地沉积。打屋坝组为本次勘探的目的层。黄龙组和马平组主要由灰白色中厚层至块状灰岩、深灰—灰黑色灰岩、白云质灰岩、白云岩和瘤状灰岩等组成。

图2 工作区地质图

二叠系—三叠系岩性以灰岩和白云岩为主。

工作区内褶皱、断裂构造较为发育，褶皱类型主要以隔档式褶皱为主，背斜狭窄紧陡，向斜宽阔舒缓，背、向斜相间分布。工作区有钻井紫云1井，代页1井、长页1井、火花1井和火参1井6口钻井，为资料反演和资料解释提供了标定和依据。

对紫云工区标本电阻率(浸水)进行了统计分析(表1)，目标层打屋坝组为低阻层，与围岩具有明显的物性差异，具备了广域电磁法勘探的物性前提，广域电磁法可以分辨。

表1 紫云地区地层电阻率统计

2 广域电磁法方法与技术

广域电磁法属于人工源电磁法，发射功率大，创新的广域电阻率计算，所谓“广域”，在包括远区，也包括非远区的广大地区进行测量，把电磁测深的观测范围扩大到包括非远区的广大区域，其算法是直接从电偶源全区精确公式出发[7]。

广域电磁法继承了CSAMT法使用人工源克服场源的随机性，同时继承了MELOS方法非远区测量的优势；扩张了观测范围，摒弃了MELOS(磁偶源频率测深)方法的校正，保留高次项,提出了全域公式计算电阻率，拓展了人工源电磁法范围，提高了观测速度、精度和采集效率[8-9]。

采用积分方程、谱方法和有限元相结合，研发出一种新的广域电磁法高效、高精度数值模拟技术。广域电磁法为伪随机信号，抗干扰能力强，AB距一般为1～3 km，适合复杂地形施工，突破高阻屏蔽，对低阻反应敏感，分辨力高，适合深部勘探。

3 勘探效果分析

工作区广域电磁法测线2条，点距100 m，收发距20～24 km，发射电流100 A，呈十字交叉，1线NWW向，45 km，2线NNE向，13.5 km。从两条广域电磁法测线的二维反演电阻率断面，可以看出各断面由浅至深的电阻率异常特征基本相同，呈现低、高相间的形态，且中浅部低阻凹凸相间，广域电磁法成果清晰的反映了工作区的电性特征，说明该区地层分布构造运动强烈，褶皱形态复杂。

广域电磁法反演主要进行了一维和二维反演，一维反演以连续介质反演为主，主要是为二维反演提供初始模型，作为中间过程量。二维反演采用了非线性共轭梯度反演，以钻孔为约束，开展层状介质约束反演，二维反演成果为最终解释图件，据地质、物性和其他物探等资料，对二维反演剖面开展综合解释。

3.1 1线

1线西过紫云1井，东过代页1井和长页1井，收集了几口钻井的地层、测井等资料，已知钻井为广域电磁法地层解释进行了标定，利用地表地质标定，地表主要出露三叠系、二叠系、石炭系和泥盆系地层。在二维反演剖面(图3)东面出现了大面积的低阻，说明东面石炭系和泥盆系较为发育，深部低阻应该系打屋坝组的反应。同时对向斜和背斜构造都有清晰显示，深部高、低阻变化层为有相变的泥盆系地层，低阻为打屋坝组，深部高阻为以白云岩、灰岩为主的下古生界。向斜高低阻形态表现为向下凸，背斜高低阻形态表现为向上凹，结合地质可以确定各向斜和背斜局部构造位置，主要存在下厂向斜、尅混背斜和交麻向斜等三个构造。

依据石炭系地层电性特征，即以碳酸岩盐为主的南丹组及睦化组为高阻层，以暗色泥页岩为主的打屋坝组为低阻层，在划分C/P界面时，在C-P地层的二分之一处粗画P的底界。

目的层打屋坝组起伏形态与C-P地层一致，其在尅混背斜核部西侧西端紫云1井 1 828.23 m 钻遇威宁组，且该组未见底，故推测其下较薄的低阻层为打屋坝组，往西低阻层基本连续分布，至尅混背斜西翼出露地表，其顶界面埋深海拔1.0～-3.0 km，厚度0～600 m。尅混背斜核部打屋坝组缺失，该背斜东侧代页1井448～645 m及长页1井708.38～926.94 m均钻遇打屋坝组，与剖面上低阻层相符合，沿着该低阻层往西可连续追踪至尅混背斜东翼，其顶界面埋深海拔0.9～-1.7 km，厚度0～500 m。

当中泥盆系地层为以碎屑岩为主的火烘组时，D表现为顶部高、中下部低的电性特征；相变为以碳酸盐岩为主的独山组时，D表现为高阻层。故剖面上较厚的高、低阻变化层为D。AnD整体为高阻，与D起伏形态一致，且全线连续分布。

图3 1线二维反演与综合解释剖面

3.2 2线

2线出露泥盆系、石炭系、二叠系和三叠系地层。在二维反演剖面(图4)南面存在一个向深部延伸的低阻带,推测系垭紫罗(F12)断裂引起,浅部南薄北厚的低阻层为以碎屑岩为主的T2；其下比较薄的中阻层为以碳酸岩盐为主的T3；中部的较厚地层推测为C-P，其上的高阻层为C2-P灰岩；其下低阻层为以暗色泥页岩为主的打屋坝组；深部的高低阻变化层为D；AnD与C-P起伏形态一致，且全线连续分布。

4 钻孔验证与结论

为了探索石炭系打屋坝组富有机质页岩层段的空间分布及相变情况，根据广域电磁法和地质等研究成果，选择打屋坝组埋藏相对适中的地方，在工作区实施了上古生界地层的页岩气参数井—黔紫页1井，钻孔位于2线的123号点，钻遇打屋坝地层319 m(深度2 664～2 983 m)[6]，与广域电磁法解释的深度基本相符，验证了广域电磁法的解释成果。该钻井解释页岩气显示层17层，收集页岩气可燃，约22 cm高的火焰可持续燃烧近2 min，总含气量最高达1.68 m3/t，实现了我国南方地区上古生界海相页岩气的新区重大发现。

图4 2线二维反演与综合解释剖面

通过紫云广域电磁法工程显示广域电磁法能在复杂地形(山区)及复杂地质条件下取得良好的勘探成果，能探测到埋深约3 000 m、厚约300 m的低阻体，弥补了地震在碳酸盐岩发育地区的不足(碳酸盐岩对地震信号的屏蔽)。

广域电磁法适合于山区等复杂地形，在复杂地质条件下也能取得好的效果，是一种深部勘探的有效物探方法。