利用重磁资料解译川西地区深层断裂构造及预测火山岩顶界面深度

潘 力,何青林,陈 康,梁生贤,朱家富,陈先洁,张富利,张 晨,何昌兴悦

(1.成都理工大学 地球物理学院,成都 610059;2.中国石油西南油气田公司 勘探开发研究院,成都 610051;3.中国地质调查局 成都地质调查中心,成都 610081)

2018年川西地区YT1井取得重大突破,这是继1992年ZG1井以来再次在火山岩地层中获得高产工业气流,揭示了川西地区火山岩具有巨大的勘探潜力［1-2］,并且各类相关研究成果呈井喷式发表。何青林等［3-4］开展了火山岩地震反射特征研究,建立了火山岩不同岩相的地震反射模式;陆建林等［5］基于YS1井对川西地区二叠系火山岩的形成发育特征、储层特征、天然气成因及成藏组合开展了研究;马新华等［6］系统总结了火山岩气藏的勘探历程和YT1井区气藏的特征、天然气成矿的控制因素和模式;夏茂龙等［7］、罗冰等［8］综合钻井、重磁、地震等资料预测区域火山机构分布特征,认为简阳地区火山岩为峨眉山大火成岩省的特殊组成部分。目前的火山岩勘探手段也存在一定的难点,例如火山岩地震反射特征复杂,在剖面上难以直接识别火山岩和火山机构等［3］。

本文通过对川西地区最新的高精度重力和磁测资料进行精细处理和三维反演,探讨区内断裂构造和火山岩识别中重磁资料的作用及效果,从而为该地区火山岩天然气勘探提供地球物理证据。

1 地质、地球物理概况

1.1 地质背景

峨眉山玄武岩最早由赵亚曾先生于1929年命名。峨眉山玄武岩喷发是峨眉地裂运动(东吴运动)短期强烈活动的表现,形成了巨厚的“峨眉山玄武岩”,呈一个长轴近南北向的菱形,面积达25×104km2,是中国唯一一个被国际学术界认可的大火成岩省［6］。其主要的喷发期是二叠纪茅口晚期-龙潭期,底与下伏茅口组石灰岩不整合接触,顶与龙潭组陆相红色碎屑岩不整合接触［9］。四川盆地位于扬子地块西北部,盆地呈北东向菱形展布,属于克拉通盆地,盆地四周被断裂围限,南西边缘以峨眉-宜宾断裂带为界,北西以龙门山断裂带为界,南东以齐岳山断裂带为界,北缘以城口-房县深断裂带为界［10］。研究区位于四川盆地西部(图1),面积约16 000 km2,区域地层除缺失泥盆系和石炭系以外,其余各个时代地层均有出露［11］。区内发育的断层主要为NE-SW向的龙泉山-三台-巴中-镇巴断裂带［12］。峨眉山玄武岩受地形和距火山口远近影响整体有西南厚、向北东减薄的趋势［12-14］。

图1 研究区位置及断裂分布图Fig.1 Location of working area and fault distribution map(据马新华等［6］)

1.2 主要地层密度、磁性特征

重磁异常的特征取决于研究区岩石的密度和磁性参数,因此明确研究区的岩石密度、磁性参数特征是处理重磁数据的前提。前人研究表明,四川盆地存在2个主要的密度界面,即须家河组底面和基底顶面,须家河组与下伏地层间、震旦系与基底之间的密度分别存在0.23 g/cm3、0.14 g/cm3的差异［15］。研究区内高磁化率层位为二叠系火山岩段以及基底的火山岩部分;其余的沉积岩磁化率在(10～100)×10-5左右,而火山岩层位的磁化率普遍在(1～10)×10-2之间,差异十分明显［16］。

2 数据处理

2.1 数据来源与噪声处理

重力、磁法测量数据均为2019年实测获得,面积16 000 km2,数据网格500 m×500 m,共计64 480个重力和磁测点。

测区内大小城镇与各种规模的工业企业较多,尤其在大型城镇与大规模工业生产场地附近,磁ΔT异常往往存在明显的局部极值。在对照ΔT局部极值点、磁测原始记录和遥感图像后,将人文噪声影响所致的数据畸变点予以剔除。布格重力异常无明显的局部极值,其各类异常的等值线畸变形态均呈线状,分析认为,这种线性畸变应当为断裂构造的响应,也说明重力数据受人文干扰小,故无需做噪声处理。

2.2 斜磁化、剩磁处理和场源分离

由于受斜磁化和剩磁的影响,磁异常形态往往比较复杂,增加了解释的困难性。图2-B为假设磁化方向与地磁场方向一致时的化极结果,它与磁异常模量图(图2-A)存在一定的差别,但总体上形态相近。由于后者受剩磁影响较小,因此在定性解释时,我们以磁异常模量为主;同时又考虑到后者的异常形态相对异常体,可能会存在一定的位置偏移。因此反演时的输入数据为ΔT,并假设磁化方向与现今地磁场方向一致,在获得扰动磁化强度后的定量(半定量)解释时,同时兼顾磁异常模量与反演结果。

图2 测区磁异常模量与化极结果对比图Fig.2 Comparison of magnetic anomalous modulus and polarization results

2.3 重磁数据反演

重、磁数据反演就是根据重力数据或磁测数据获取地下地质体的密度或磁性。本次反演的数据为剩余重力异常和ΔT磁异常数据,反演前将地下空间剖分为若干个小单元,只求解各单元的扰动密度或扰动总磁化强度磁性,即物性反演方法。在反演中,我们利用互相关系数和深度加权函数同时进行自约束［17-18］,以提升结果的分辨率、可靠性和稳定性;此外,引入迭代正则化方法LSQR法求解大型离散不适定问题以节省计算成本［19-20］。

3 解译方法

3.1 重磁数据解决的主要地质问题

为明确测区内重磁数据特点能够反映出的主要地质问题,我们根据过井地震剖面和地层密度、磁性,设计了响应的模型(图3)。正演模拟计算结果表明：①在龙泉山断裂带附近,表现为明显的高重力加速度异常(重力勘探中,凡提到重力都是指重力加速度,所以下文中表述为重力异常),异常幅值比背景场大6 mGal(1 Gal=1 cm/s2)以上,异常梯度陡,但对火山岩反应不够灵敏,在火山岩尖灭部位,甚至无明显的异常特征。②断裂带不能引起明显的磁异常,但火山岩在平面上的变化能引起明显的磁异常特征,如在火山岩尖灭部位,磁异常幅值会陡然变低。根据上述模拟计算结果,认为重力数据主要用于解译测区内具有密度差异的断裂构造,磁测数据主要用于预测火山岩。

图3 研究区重磁正演模型及模拟结果Fig.3 Gravity and magnetic forward modeling and simulation results in the study area(A)重磁正演结果曲线;(B)密度模型;(C)磁力模型;(D)对应地震剖面(据罗冰等［21］)

为了进一步了解重磁数据对上述地质问题反应的灵敏度,我们分别就重力和磁测进行正演模拟计算。根据不同埋深、不同断距的基底断裂的重力正演结果(图4)表明,当基底平均埋深为7 km,基底断距大于200 m时,引起的重力异常幅值为0.375 mGal,达到了均方误差(±0.150 mGal)的两倍以上,说明利用重力数据能够识别测区内断距大于200 m的基底断裂。

图4 不同埋深、不同断距的基底断裂的重力正演结果Fig.4 Gravity forward modeling results of basement faults with different buried depth and different fault displacement distance

通过不同埋深以及不同厚度磁测正演结果,并且根据结果用线性关系大致表示出火山岩厚度与对应磁异常幅值之间的关系(图5),可以得到如下结论：①在火山岩埋深相差500 m的情况下,其引起的磁异常幅值勉强满足大于2倍均方误差(5 nT),说明利用磁异常判别火山岩埋深存在可能,但预测的误差可能较大。②当火山厚度小于45 m时,引起的磁异常幅值小于2倍均方误差,说明利用磁测数据能够识别的火山岩厚度必须大于45 m。

图5 磁测正演结果Fig.5 Forward results of magnetic survey

3.2 解译结果

3.2.1 断裂构造识别

根据各类重力异常场特征共解译断裂12条,其中SN向断裂2条,其余均为NE向;断裂构造全部分布于测区南西部。在测区北东部,无论各类重力异常还是各类磁异常图上,均无明显的断裂构造痕迹,说明在北东部断裂构造不发育。再根据剩余重力异常场不同上延高度的水平梯度模量,推测断裂规模、深度从大到小依次为：“F0、F1”—“F8、F9”—“F10、F11”—“F4、F5”—“F2、F3”—“F6、F7”。其中区域断裂有：“F0、F1”“F8、F9”和“F10、F11”,并可能切穿上部沉积盖层,深达结晶基底;其余则为次级断裂(图6)。

图6 重力水平模量图上的断裂分布Fig.6 Fault distribution map of the horizontal modulus of gravity

3.2.2 火山岩识别

采用自主研发的重磁反演算法［17-19］及软件,以获取测区内剩余磁化强度结构,然后定量化预测火山岩顶界面。剩余磁化强度成像结果显示,测区内0～4 km深度都无明显的磁性;在进入5 km深度后,高磁性异常突显;至6 km左右的深度,磁性最强。结合已施工钻孔情况,判断这种高磁异常就是火山岩的响应(图7)。

图7 三维高磁体切片图Fig.7 Three-dimensional high-magnet slices

根据上述剩余磁化强度成像结果,尽管能判断出强磁性体就是火山岩的响应,但利用数字成像结果准确预测火山岩顶界面还存在一个阈值的问题,具体表现在：①不同岩相的磁性强弱不同,理论上阈值不是某一个数字,而是随岩相变化的,但岩相又未知;②不同的火山岩厚度、不同的岩相引起的体积效应不同,对应的阈值也会不同。可以说,火山岩顶界面预测埋深的影响因素有：岩相(岩性)、厚度以及反演结果的可靠性和准确度等,而各影响因素之间的关系又极其复杂,因此,目前还远未达到精确(准确)预测顶界面埋深的程度。

本文根据实测总磁场强度、物性测试统计结果,并兼顾高磁性体的连续性,以某一阈值来大致预测火山岩顶界面埋深。由ΔTz等值线形态与磁异常模量对比结果可知,测区内火山岩可能无强剩磁或古地磁方向与现今地磁方向差别不大,因此磁化强度与磁化率之间的转换关系式可写为

(1)

式中：κ为磁化率;M为磁化强度;T为磁感应强度。本文根据实测总磁场强度,取T=500 nT,根据物性测试统计结果,令磁化率κ=500×10-5,计算得出磁化强度M约为0.2 A/m。因此,本文以>0.2 A/m为阈值预测火山岩顶界面(图8)。

图8 预测的火山岩埋深Fig.8 The predicted burial depth of volcanic rocks

3.3 结果评价

前人研究表明四川盆地重力异常走向呈北东向的条带状分布,解译出川西基底断裂主要也为北东向展布,这与本文所识别的断裂构造特征具有高度的一致性。也就说明本文利用研究区内的重力资料识别出的深大断裂与实际基底断裂基本对应,处理结果可靠性高。

同时,为判断本文中预测的火山岩顶界面深度是否符合实际,根据搜集的研究区内钻遇火山岩测井资料统计出火山岩实际埋藏深度与预测深度的比对结果如表1。其中钻遇火山岩的测井既有处于喷溢相,火山岩厚度较大的YS1井、YT1井等;也有处于溢流相,火山岩厚度较小的PT1井等。从结果上看,火山岩埋藏深度预测最小相对均方误差仅为0.86%,且大部分情况下均小于10%,表明预测结果与实际深度吻合度较高。同时,对于相对误差较大的井如PT1井,推测可能是因为火山岩厚度较薄或者断裂构造等因素造成预测难度增加,误差较大。

表1 火山岩顶界面的预测深度与实际深度对比Table 1 Comparison of predicted depth and actual depth of volcanic rock top interface

4 结 论

a.通过正演模拟及实测资料的处理,认为在川西地区针对的地质目标体不一样,重力资料能更好地反映深大基底断裂,而磁测资料对于火山岩的反应更为明显。

b.在川西火山岩勘探中,重磁资料能有效识别断裂构造和高磁性体的分布特征,根据断裂构造和高磁性体的组合规律,可为火山岩有利相带划分提供参考,进而为火山岩储层的钻探提供更多的地球物理证据。