大地电磁测深在固市凹陷基底探测与氦气勘探中的应用

张瑾爱， 周少伟

(陕西省矿产地质调查中心，西安 710000)

0 引言

渭河盆地是位于秦岭造山带和鄂尔多斯盆地交接部位的新生代断陷盆地，在渭河盆地内有丰富的地热水资源和天然气资源，而且天然气资源的成分和成因都不尽相同[1]，其中包括氦气等天然气资源，氦气是一种稀有的惰性气体，是国防军工和高科技产业发展不可或缺的战略性物资之一，其需求量随着高科技产业的发展与日俱增[2]，本次对其渭河盆地内部固市凹陷进行系统深入的研究，分析其深部基底结构，为氦等天然气资源的有利选区提供借鉴。

渭河盆地地处有利的区域地质环境，使得渭河盆地热水资源、油气资源较为丰富，在该地区开展过很多基础调查和勘探工作，工作程度相对较高，主要是覆盖全区的1∶200 000重力调查，其中有部分大比例尺的重力剖面；渭河盆地磁测工作主要是1∶200 000 航空磁测，局部地区有1∶50 000 航磁调查，部分有大比例尺的地磁剖面；早期在渭河盆地做过10条视电阻率剖面，后来在渭河盆地扶风-咸阳、户县-蒲城、周至-新安一带开展过大的电磁测深工作；在渭河盆地凹陷主体位置开展过地震反射剖面探测和二维地质勘探工作，对渭河盆地的盖层和基底有了初步的二维速度结构，在2013年-2015年期间，开展完成两条二维地震剖面[3-4]，前面叙述的物探工作仅局限于较浅区域，对于深部研究较少，能够涉及到基底的物探工作更少，但2013年-2015年开展的这两条地震剖面对本次研究工作具有重要的参考意义，其他一条二维地震剖面正好穿过本次研究区，对本次利用大地电磁测深资料利用电阻率划分地层层位具有很好的约束作用。

在油气勘探方面，渭河盆地一直受到高度重视，在其内部已经开展了很多不同程度的勘探[5]，勘探结构显示渭河盆地地热井广泛伴生有富氦天然气[6-9]。总结前人认识，固市凹陷含氦天然气主要以壳源氦为主，但有少量幔源氦加入的富氦天然气[8]，并具有较高含量的幔源甲烷；该地区甲烷气具有两种成因类型：①浅部气层为新近系张家坡组生物成因气，源岩为张家坡组泥岩，中深部天然气来自前新生界煤型热解-裂解气；②伴有CO2气成因。利用生气率法和生聚系数法，计算固市凹陷张家坡组生物气总生气量为23.61×1012m3，总资源量为5 460×108m3，评价表明固市凹陷具有较大的生物气资源潜力和勘探前景[9-10]。还有前人认为渭河盆地残留有厚度较大的古生界地层，有可能在上、下古生界地层中发育有天然气的多套富集成藏组合[11]。在渭河盆地由于沉积层较厚，又没有钻遇基底的深钻，对于固市凹陷深部地质结构和基底特征不明，为了更好地了解渭河盆地固市凹陷深部结构和基底特征，故本次在固市凹陷布设大地电磁测深剖面工作，为下一步氦气等油气勘探提供借鉴。

1 地质概况

渭河盆地地处秦岭板块、华北板块和扬子板块的交界过渡位置，经过长期的构造演化作用，该处经受的大地构造作用频繁，与它的形成和发展有密切关系。渭河盆地是鄂尔多斯盆地和秦岭造山带之间的一个走向呈东西向展布的新生代盆地[1-2,5]。固市凹陷位于渭河盆地东北部，南部以渭河断裂与临蓝凸起相隔，西部以泾河断裂与咸礼断阶相邻，北部以口镇-关山断裂与蒲城凸起为界，面积约5 200 km2[3-4](图1)。

图1 固市凹陷构造及大地电磁测深剖面布置图Fig.1 Layout of structure and MT sounding section in Gushi depression

固市凹陷地表为第四系覆盖，地层从上到下主要有秦川群、三门组、张家坡组、蓝田-灞河组、高陵群，岩性以砂泥岩为主；中生界沉积砂岩与页岩；古生界以灰岩、页岩为主。新近系张家坡组泥岩是本次油气勘探主要层位[8-10,12]。

2 大地电磁测深工作布置及处理反演

为了深入研究固市凹陷深部基底结构构造特征，在该区域布置了两条大地电磁测深剖面(D1和D2剖面)，两条剖面走向为近南北向和近东西向，这两条剖面近垂直，长度分别为63 km和134 km。

本次研究区内收集到的钻孔地层电性特征如下：新生界地层的电阻率平均值最低，其平均数值在几十欧姆米左右，其次为中生界地层，平均数值为700 Ω·m；而古生界及太古界地层电阻率相对较高，分别为2 416 Ω·m、2 035 Ω·m；元古界地层的电阻率最高，其平均数值大于8 000 Ω·m。由收集到的地层物性特征可知，在渭河盆地内，新生界沉积地层与基底其他地层电性差异较大，为该区开展大地电磁测深工作提供物性基础。

本次大地电磁测深工作采用加拿大凤凰公司生产的V5-2000型仪器，大地电磁工作点距为500 m，野外采用手持GPS导航至设计点位，遇不利地形时，测点位置可选择在地形平坦远离电磁干扰源的地方，但偏移距不超过500 m。在偏移过程中保持各测点的连续性。观测装置以十字型装置为主，在原始资料计算处理阶段主站测量数据采用主站电道、主站磁道进行计算，分站测量数据采用分站电道、主站磁道进行计算。为了进一步提高原始数据质量，本次引入远参考道大地电磁观测技术。本次大地电磁测深数据处理反演采用MTsoft2D软件进行，对大地电磁测深数据预处理、静态位移校正与地形改正、反演、解释等[11-12](图2)， 得到剖面的电阻率断面图。其中在利用MTsoft2D软件进行反演过程时，一维BOSTICK反演结果可作为二维NLCG反演的初始模型参与进一步反演，最终得到电阻率断面图，通过地下电性分布规律，用以揭示地下深部地质结构。

图2 大地电磁法数据处理与反演流程图Fig.2 Data processing and inversion flow chart of MT method

3 反演结果定性分析与定量解释

3.1 电性特征

对固市凹陷的两条大地电磁测深剖面的视电阻率反演结果进行定性分析，了解其对应的不同构造单元不同地层的电性特征以及变化规律。

大地电磁测深D1剖面横穿固市凹陷，走向为近南北向，该剖面与固市凹陷构造走向几乎垂直，图3为D1剖面二维视电阻率反演断面图，从图3可以看出,电阻率断面具有较好的纵向分层、横向分段的特征。在纵向上，存在很明显的上低下高的电阻率特征，它们之间分界清晰，从地表往深部，电性呈现低阻-高阻的特征，低阻最深可达7 km左右，位于20 km处的固市东部，在横向上，整条剖面低阻呈现中间厚、两边薄，呈现南陡北缓的特征，向北缓慢抬升，在50 km处往北无低阻存在，该低阻形态与固市凹陷的凹陷形态相对应，南部高阻对应北秦岭褶皱带，北部高阻对应蒲城凸起，中部高阻对应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间的电阻特征，与基底断裂中的裂隙水有关。

图3 D1剖面大地电磁测深二维反演断面图和综合解释推断图Fig.3 The map of 2D inversion section of MT in section D1 and comprehensive interpretation and inference(a)视电阻率反演断面图;(b)综合解释推断图

大地电磁测深D2剖面横跨固市凹陷，走向为近东西向，该剖面与固市凹陷构造走向几乎平行，图4为D2剖面二维视电阻率反演断面图，从图4可以看出,电阻率断面具有较好的纵向分层、横向分段的特征。在纵向上，从地表往深部，电性呈现低阻-高阻的特征，低阻最深可达7 km左右，在横向上，整条剖面低阻呈现中间厚，两边薄的特征，与固市凹陷的凹陷形态相对应，高阻对应固市凹陷的深部基底特征。

图4 D2剖面大地电磁测深二维反演断面图和综合解释推断图Fig.4 The map of 2D inversion section of MT in section D2 and comprehensive interpretation and inference(a)视电阻率反演断面图;(b)综合解释推断图

从D1、D2这两条剖面反演结果可以看出，固市凹陷内部电性结构分为四层，具体各层特征如下：

1)第一层视电阻率值在10 Ω·m左右，视电阻率等值线较为连续，深度为0 km～1.5 km，该层反映第四系沉积层。

2)第二层视电阻率值在1 Ω·m～10 Ω·m之间窄幅波动，视电阻率等值线总体连续，其中有等值线曲线较大扭曲现象，可能是由于断裂影响，深度约1.5 km～5.5 km，该层显示了沉积地层的基本特征，反映新近系地层，该地层较厚。更低的视电阻率可能与富水程度较高等有关。

3)第三层视电阻率值相对较高，一般几十欧姆米，深度约5.5 km～7 km，该层为过渡层，反映古近系地层。

4)第四层7 km以上的高阻层，视电阻率值可达数百欧姆米，等值线不连续，反映较为复杂的基底特征，地层变化较大，一般为古生界或太古界地层。

3.2 综合解释及地质成果

为了进一步研究固市凹陷内地层及基底的地质结构情况，利用收集到的井位(渭参4、渭深14)资料(表1)、二维地震资料[11](图5)作为约束，并结合地质情况对大地电磁测深反演剖面进行综合解释。

图5 渭河地区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 收集井位参数表

综合上述资料分析解释，对固市凹陷进行层位划分，各个地层具体划分如下(表2)：

表2 固市凹陷主要地层地球物理特征参数表

1)第四系(Q)：从反演结果可知，整个固市凹陷均被具有一定厚度的第四系地层覆盖，厚度从300 m至1 100 m不等，与前人认识一致，南北向上地层整体反映为南厚北薄的特征，南部最大厚度近1 100 m，北部最薄处厚度小于300 m。东西向上，地层薄、厚相间，其中栎阳附近、田市-孝义一带第四系覆盖层较薄，分别为250 m、380 m，最厚处位于泾阳-永乐一带及苏村-阳村一带，厚度约为1 100 m。渭参4井揭示该层厚度为1 295 m，北部的渭深14井揭示厚度为491 m。

2)新近系张家坡组(N2z)：南北向上表现为三角洲-湖泊的沉积体系，地层厚度整体具有南厚北薄的特征，渭参4井揭示该层厚度为849 m，北部的渭深14井揭示厚度为584 m；剖面显示在固市凹陷最大沉积厚度为1 170 m，蒲城凸起北边被剥蚀至180 m。东西向上该层表现为两端薄、中部厚的特征；西端泾阳一带最薄厚度约700 m，东部的孝义镇-新安村之间厚度约为1 500 m，中部的栎阳镇-固市镇之间厚度增大到2 400 m左右，最大厚度约为2 500 m，位于桥镇附近，底界面最大深度为1 910 m。地层岩性主要为灰绿色泥岩、含砂泥岩夹疏松的砂泥岩。

3)新近系蓝田-灞河组(N2l+N2b)：南北向上剖面反映该组地层与张家坡组具有相似的地质结构，总体表现为北薄南厚的特点，渭参4井揭示该层厚度为580 m，北部的渭深14井揭示厚度为292 m；剖面显示该层最大厚度为770 m左右，在蒲城凸起高部位被剥蚀至240 m。东西向上该组地层沉积厚度较为稳定，约为1 000 m左右，最厚处位于相桥镇附近，厚度为1 100 m；该组地层底界面最大深度约2 680 m。地层主要为粘土和砂质粘土。

4)新近系高陵群(N1gl)：南北向上该层厚度变化较大，固市凹陷最大厚度为1 470 m，向北凸起部位超覆减薄，北部被蓝田-灞河组剥蚀至120 m。东西向上该组地层受下伏古近系地层控制，沉积厚度较为稳定，基本在900 m～1 000 m之间，相桥镇附近最大厚度约为1 470 m，底界面最大深度4 150 m。沿剖面线方向(东西方向上)厚度变化不大，基本在900 m～1 000 m之间，相桥镇附近厚度稍厚约1 400 m，底界最深约6 100 m。北部的渭深14井揭示该组地层厚度为572 m(未穿)。

5)古近系：收集到的两口钻井均为打到古近系，该层及以下地层厚度及深度主要受二维地震解释结果进行约束，南北向剖面上，反映古近系只在凹陷主体发育，基本表现为南厚北薄的特征，最大厚度为3 700 m，向北底部超覆顶部剥蚀减薄，最大厚度为1 160 m，在蒲城断阶带上没有接受沉积。东西向上该层厚度变化较为稳定，厚度最大约为1 400 m，位于固市镇附近，底界面最大深度为8 100 m；在D1和D2剖面交汇处，由大地电磁测深剖面推断古近系地层底界面深度为8 100 m左右。古生界及以下地层：电性层呈现高阻特征，以田市为界，两侧的电性特征明显不同，显示存在基底断裂。

6)上古生界：固市凹陷古生界最大厚度位于凹陷中部，最大厚度为2 420 m，受控于渭河和蒲城断裂，蒲城凸起没有接受上古生界的沉积，蒲城凸起现今赋存下古生界，最薄为470 m左右，上古生界底界最大埋深为9 100 m。

7)下古生界：该套地层在固市凹陷全段均有残留，一般厚度在300 m～1 200 m左右，相对较为稳定，最厚处位于兴平附近。下古生界底界最大埋深为10 300 m。

从D1、D2剖面综合解释推断图(图4(b))上，可以看出固市凹陷东西向新生界沉积较为稳定，秦岭北缘断裂(F1)和乾县-富平断裂(F4)在剖面上共同控制了固市凹陷的沉积、演化。固市凹陷从第四系到古近系均有沉积，整体表现为中部厚、东西两侧变薄的特征，凹陷主体位于固市附近即高陵-孝义镇之间，新近系地层底界最深为6 100 m，古近系地层底界最深为8 100 m。由于古生界与元古界地层的电性差异较小(高阻反映)，剖面上未加划分，剖面东、西两端未到固市凹陷边界。

5 结论

通过本次研究，可知固市凹陷新生界沉积厚度约为8 100 m，远深于西安凹陷的6 600 m[11]；新近系和古近系厚度分别为4 800 m和4 000 m，显示固市凹陷有巨厚的古近系沉积；固市凹陷的沉积中心位于相桥-固市-大荔一带；核心部位存在上古生界石炭-二叠系，北部缺失上古生界，基底为下古生界碳酸盐岩类，其余地区基底为上古生界；固市凹陷张家坡组发育岩性主要为深湖相泥岩、粉砂质泥岩，厚度大可达400 m～900 m，为凹陷区内甲烷气的重要烃源岩。