碳酸盐岩深覆盖区隐伏岩溶构造的音频大地电磁探测：以云南大关地区为例

王 桥，杨 剑，唐发伟，夏时斌，廖国忠，张 伟，李 华，高 慧

（中国地质调查局成都地质调查中心（西南地质科技创新中心），四川 成都 610218）

0 引言

碳酸盐岩地区由于岩溶作用常形成溶洞、地下河等（Laskow et al.,2011；Giorgi et al.,2014；Gutiérrez et al.，2014；D’Agostino et al.,2018），往往会制约页岩气勘探工作的推进。这主要表现在钻探过程中，深部隐伏岩溶会导致卡钻、掉钻及偏钻等工程问题，很大程度上会延迟勘查进度，造成不可估量的经济损失。地震、地表地质、调查井等资料综合研究表明云南大关研究区的奥陶系五峰—志留系龙马溪组富有机质页岩具有高含气性，呈现良好的页岩气资源前景，是未来页岩气勘探开发的重要领域（张娣等，2019；杨平等，2019；熊小辉等，2019；汪正江等，2020），而部署页岩气参数井是进一步认识和评价研究区页岩气前景及资源规模的重要手段。显然，使用地球物理探测方法来揭示页岩气参数井深部岩溶构造的发育情况就显得尤为重要。

目前，针对深度小于500 m 的岩溶目标体，常用的地球物理方法有电阻率成像法、地质雷达、可控源音频大地电磁法、高精度重力、（浅层）地震等，研究人员利用这些方法进行组合探测研究，获得了较好的探测效果（Kruse et al.,2006；Kaufmann,et al.,2011；底青云等，2014；Festa et al.,2016；Gan et al.,2017；Drahor,2019）。除了上述方法，还包括其它地球物理方法来对岩溶进行探测，如瞬变电磁法、电场选频法、自然电场法、充电法（陈清礼等，2005；陈玉玲等，2013；杨天春等，2014；陈贻祥等，2018；王桥等，2020），对深度大于500 m 的报道相对较少。然而，页岩气尺度的探测深度一般都大于1 km，而岩溶的规模往往仅有数米，同时岩溶的发育并无明显的规律可循，这就对深部探测的精度提出了更高要求。结合研究区的地质背景（图1），设计了深部隐伏岩溶的理论模型，进行音频大地电磁方法的试算，并在已有的页岩气调查井位之上进行了方法试验，认为该方法可以有效识别深部隐伏岩溶。据此，进一步在预选井位开展了音频大地电磁探测，预测了深部岩溶发育情况，并建议了新井位，实际钻井验证了预测的准确性，这就为类似岩溶风险地质背景下的页岩气钻井施工平台的精细选址提供了方法支撑，同时也拓宽了该方法的应用领域。

图1 四川盆地及周缘地区碳酸盐岩分布（a；据陈阵，2017 修改）及研究区岩性柱状图（b）Fig.1 Carbonate distribution (a;according to Chen,2017) and lithology column (b) of Sichuan Basin and its surrounding areas

1 研究区地质背景

研究区出露的地层较为齐全，除了石炭系地层缺失，其余地层基本都有沉积。古生界及更老的地层主要出露在背斜的核部，与断层F1与F2相伴生。中生代地层则多出现在向斜核部位置。早志留世木杆向斜依次沉积龙马溪组、石牛栏组和韩家店组，志留系厚度可达817～936 m；志留纪末期，受广西运动影响，志留系有短暂暴露和少量剥蚀；泥盆纪为裂谷盆地形成与演化阶段，由南向北逐渐超覆在下古生界之上，且沉积范围受该时期南北向正断裂控制（陈宗清等，2007；江青春等，2012；金民东等，2020）。二叠系岩性及厚度分布稳定，二叠系栖霞组（P1q）、茅口组（P1m）灰岩厚度合计455～486 m，在图2 中，这两套地层以P1标出；上二叠统峨眉山玄武岩厚320～375 m，乐平组厚约109 m。下三叠统飞仙关组和铜街子组，主要岩性为紫红色泥岩、粉砂岩（杨平等，2019；张世民等，2005），图1b 可见各层位的相关岩性。

图2 研究区地质图Fig.2 Geological map of the study area

四川盆地及周缘地区广泛发育了多套碳酸盐岩（任纪舜等，1999；潘桂棠等，2009），详见图1a 中黑色阴影区域，由于不同板块之间分阶段的多向汇聚作用，导致四川盆地周缘地区的碳酸盐岩大面积抬升并出露至地表（张岳桥等，2011），这就为岩溶的发育提供了良好的基础条件。当然，图1a 中所示的是出露至地表的碳酸盐岩，仍然还有多套碳酸盐岩隐伏于地下，如木杆研究区一带就是这样的典型地区。研究区的岩性柱状图表明，在二叠系玄武岩的下面，埋藏着两套中-下二叠统的茅口组与栖霞组碳酸盐岩，可见图1b。

2 方法的适应性分析

已有的资料揭示研究区一带的二叠系茅口组和栖霞组碳酸盐岩的埋深约为500～1 000 m，厚度约为450～500 m，而岩溶发育的规模往往在数米以内，且木杆地区的岩溶往往含水。显然，目标地质体具有“埋深大、规模小”的特点，这可能制约了很多地球物理方法的使用。因此，需要从理论模型和实际模型角度对地球物理方法进行有效性分析，确定该方法的可行性，再进一步指导岩溶探测工作的开展。

2.1 理论模型试算

根据研究区的实际地质情况，设计了一个含岩溶的两层电性模型（图3a）。模型参数：第一层介质（h＜400 m）可近似地认为是中高电阻率的玄武岩层，电阻率幅值为1 000 Ω·m，该层位代表了二叠系玄武岩（P2β）；第二层介质（400 m＜h＜1 200 m）可近似地认为是高电阻率的碳酸盐岩地层，电阻率幅值为3 000 Ω·m，该层位代表了二叠系茅口组（P1m）与栖霞组（P1q）的碳酸盐岩；在第二层介质中，设计了一个小的矩形状的含水溶洞，深度为500 m，这代表了碳酸盐岩地层内发育的岩溶。据此设计的电性模型就与实际地层结构及介质物性具有较好的相关性和一致性。

图3 理论试算模型及响应Fig.3 Theoretical model and its response

理论试算结果显示，音频大地电磁测深方法对含岩溶的理论模型具有显著的电性异常响应。图3b 展现的是TM 极化模式的频率-视电阻率响应，岩溶出露的位置呈现明显的电性异常突变带，显然，这是岩溶引起的视电阻率异常。图3c 为频率-相位异常响应，相位异常对岩溶的响应似乎更为突出。当频率大于2.5 Hz，相位异常为一个隆起异常带；当频率为2.5～1.0 Hz，相位异常清晰地显示为一个椭圆形异常，与岩溶的位置对应良好，显然这是岩溶的响应。

综合地看，视电阻率和相位对岩溶的响应，均表现有明显的“体积效应”，而“体积效应”会在一定程度上“放大”目标地质体的规模（如图3c），这原本是音频大地电磁方法的缺点，但对于探测“埋深大、规模小”的目标地质体，无疑是极为有利的。因此，“体积效应”会“放大”原本可能是弱小的异常，形成大的电性异常区，这就会在很大程度上提升音频大地电磁测深对深部岩溶探测的识别能力。所以，根据音频大地电磁测深的探测精度与深度关系，以实际地质模型为原型设计了该方法的理论试算模型，正演结果表明音频大地电磁测深对深部岩溶具有好的响应，是可以识别出深部岩溶的。

2.2 实际模型试验

前一节的理论模型试算认为，音频大地电磁对深部岩溶具有显著的电性异常特征。那么，该方法是否对研究区的深部岩溶有响应，这值得我们进一步探究。研究区的页岩气调查井D0，为音频大地电磁测深方法试验奠定了良好的基础。横穿调查井D0，完成了CC’剖面，剖面全长150 m，剖面方向为EW 向，如图2，其中，测点距约为25 m，单点测量时间约为60 分钟，使用的设备是V8 多功能电法工作站。

大地电磁资料的反演理论已经较为成熟，但是否能够有效识别出“埋深大、规模小”的岩溶，反演方法的选择就显得尤为重要。大地电磁反演方法主要包括非线性共轭梯度反演、奥克姆反演、快速松弛反演等（Constable et al.,1987;Smith,et al.,1991;Rodi et al.,2001），并早已实现了三维计算（Siripunvaraporn et al.,2005；Egbert et al.,2012），而这些方法往往会侧重于突出宏观的结构，同时可能会抹去局部异常。显然，对于识别大尺度的目标地质体，如区域性大断裂、岩浆岩、壳内高导层等，这些方法具有明显的优势，但对于规模小的目标地质体可能就显得效果不明显了，特别是深部隐伏的岩溶。为了尽可能真实地还原出深部电性结构，选择了一维Bostick 反演方法。该方法是利用大地电磁测深曲线低频渐近线交点的性质建立起来的一种近似变换的反演方法（陈乐寿等，1985），相比其它二三维的反演方法，它没有多次迭代修改参数等一系列的中间过程，不会损失局部异常，无需考虑模型的光滑程度，或更能直观反应深部异常体的存在与否。

电性结构模型（图4a）揭示了已有钻孔D0 一带的电性结构特征。地表有一薄层层状低电阻率层，深部电性结构总体为中高电阻率的块状异常，局部地区呈现中低电阻率异常，分别对应R1、R2、R3、R4。然而，这些中低电阻率异常规模不大，常呈现椭圆形，其中，规模最大的是R1 中低阻异常，长轴约20 m，短轴约为10 m，由于“体积效应”导致电性异常往往可能比实际地质体的规模大。根据钻孔岩心资料，对电性模型进行了标定以及解释，获得了解释模型，如图4b 所示。显而易见，这4 个异常（R1、R2、R3、R4）都是分布在二叠系的茅口组（P1m）和栖霞组（P1q）碳酸盐岩地层中，说明这些中低阻异常很有可能是由含水岩溶引起，因此，我们将其推测解释为岩溶。此外，钻孔D0 所穿过的茅口组及栖霞组地层范围内，岩心完整，没有发现岩溶构造。同时，这一带的电性异常为连续分布的中高电阻率异常，可能代表了钻井D0 附近的岩溶不发育，这与实际的钻孔资料很好地契合。总的来说，在研究区已有的钻井上开展音频大地电磁测深试验，获得的结果与实际钻孔结果有良好对应关系。

图4 CC’剖面电性结构及解释Fig.4 Electrical resistivity and its interpretation of section CC’

理论模型试算和实际模型试验均表明，音频大地电磁测深方法可以有效探测深部隐伏岩溶，高阻异常体内不连续分布的中低阻异常可能是岩溶引起的异常，这为后续钻孔井位布设工作的开展奠定了可靠的基础。

3 探测案例

拟开展页岩气调查井位于图2 中的预选D1，地质图揭示了调查区为封闭的向斜构造，核部出露地表的是三叠纪以上的地层，两翼则是出露了较老地层，包括P1地层，其中就包括了茅口组（P1m）和栖霞组（P1q）的碳酸盐岩地层。显然，D1 井位的深部是分布着这两套发育岩溶的碳酸盐岩地层，为了摸清其深部岩溶的分布情况，在D1 井位附近布设了两条音频大地电磁测深剖面，如图2 所示，分别为AA’和BB’。两条AMT 剖面覆盖了预选井位D1，呈十字形展布，方向分别为EW 与SN 向。单点测量时间在1 小时以上，点距约为25 m，测量的设备为V8。数据的反演同样是采用Bostick 反演方法，如图5a，6a 所示。

图5 AA’剖面电性结构及解释Fig.5 Electrical resistivity and its interpretation of section AA’

3.1 AA’剖面电性结构

AA’剖面展示了调查区一带东西向的深部电性结构，电阻率异常以高电阻率异常为主（红色，ρ＞500 Ω·m），其中分布着多个椭圆型的中低电阻率异常（绿色或蓝色，10 Ω·m＜ρ＜30 Ω·m）。在剖面的西侧（A’一侧），深部存在一个（深）蓝色的极低电阻率异常带（ρ＜10 Ω·m），覆盖范围广，宽约300 m，长约500 m，该异常可能超出了岩溶的发育程度，这很有可能是深部隐伏断裂的反应，这个断裂可能对应了图4 中F2断裂的分支断裂。

根据D0 钻孔资料，对AA’剖面进行了地层标定，获得了如图5b 所示的地质解释模型。如图所示，AA’剖面的深部为四层结构的向斜构造样式，包括第四系堆积物（Q）、二叠系玄武岩（P2β）、二叠系茅口组和栖霞组碳酸盐岩（P1m+P1q）以及最底部的缩头山砂泥岩（D2st）。在深部的栖霞组和茅口组地层中，分布有多个椭圆形的中低电阻率异常体，呈不连续分布，具有串珠状产出的特点，我们认为，这规模不大的中低异常体可能是岩溶发育的结果，并在图5b 中进行了标识。显然，预选钻井D1 附近位置的深部可能发育了串珠状岩溶构造，这意味着预选井位D1 并不是理想的钻井位置，而D1 两侧则是近似连续分布的高电阻率异常，这可能代表了岩溶构造的不发育，推测是理想的页岩气钻探位置。据此，在图中相应地标识了2 个建议井位。

3.2 BB’剖面电性结构

BB’剖面显示了预选钻井南北向的深部电性结构（图6a）。电性异常呈两分性，预选井位D1 以北（靠近B 端一侧）呈现为完整的块体高电阻率异常，D1 以南（靠近B’端一侧）呈现碎块性的高低电阻率相间异常。BB’剖面最南端的深部存在一套规模大、幅值低的低电阻率异常体，以蓝色显示，ρ＜10 Ω·m，宽度大于350 m，厚度大于400 m，异常并未封闭，推测可能是由隐伏构造引起，图6b 标识为隐伏断层。

图6 BB’剖面电性结构及解释Fig.6 Electrical resistivity model and its interpretation of section BB’

与AA’剖面一样，我们同样利用已有的页岩气钻井D0 资料，对BB’剖面进行地层标定，并给出了对应的地质解释模型图6b，地层情况也与AA’保持一致，此处不再赘述。很显然，在预选井位D1，深部发育了串珠状的低电阻率异常体，特别是在茅口组（P1m）与栖霞组（P1q）地层内，这些局部的低阻体嵌在高阻体内部，规模不大，很有可能是发育的岩溶构造，并在模型上进行了标识，因此，预选井位D1 可能不是理想的页岩气井位。在D1 的南侧，同样分布了一系列的低阻体，推测为深部隐伏岩溶，仍然可能不是有利的钻井位置。然而，在剖面的北段，电性结构则是较为完整，连续分布，并未显示局部的低电阻率异常体，这可能代表这一带的隐伏岩溶构造并不太发育，暗示该地可能是理想的钻井选址地。据此，在图5b 中给出了2 个有利的建议井位。

3.3 实际钻探效果及讨论

页岩气钻井的最终位置落在了图6 中的建议井位D2，钻孔验证效果良好。一方面，实际的钻孔D2 进程顺利，岩心资料显示深部并没有发育大规模的岩溶构造；另一方面，预选井位D1 深部的那些串珠状低电阻率异常可能是发育的隐伏岩溶，建议井位D2（也是最终井位）有效地避开了规模较大的岩溶，这就在很大程度上说明音频大地电磁测深是能够有效揭示深部隐伏岩溶构造发育情况的。直井压裂试气工作显示D2 井日均产气量达5 000 m³，这就为研究区一带的页岩气资源储量评价奠定了良好基础。

音频大地电磁测深方法可以利用其“体积效应”的特性，一方面模糊了模型体的边界，另一方面可以放大目标体的规模（杨剑等，2022；郭镜和夏时斌，2022；万汉平等，2023），定性地给出深部隐伏岩溶构造的发育情况，这在模型试算的图3 中有着清晰的显示。显然，该方法能直观有效地揭示深部尺度相对较大规模岩溶的发育情况。此外，即使深部发育了小尺度的岩溶，可能也不会给钻井工程造成破坏性的影响。综上所述，虽然该方法可能无法十分精准地刻画岩溶的发育情况，但可以有效地确认大规模岩溶的有无。

此外，对于存在碳酸盐岩岩溶发育风险的地区，页岩气井位的选址应该尽量选择高电阻率异常连续分布的区域。探测案例表明，岩溶构造不发育的碳酸盐岩地层常常具有完整、块状或带状的高电阻率异常特征，而岩溶构造发育的碳酸盐岩地层，其深部的电性结构往往是不连续分布的高电阻率异常。分布在高阻体内部椭圆形的中低电阻率异常体往往是岩溶构造引起的异常，特别是那些规模不大的低电阻率异常体。因此，在页岩气钻井精细选址时，应该避开这些不连续的电性异常区，而尽可能选择连续分布的高电阻率异常区。

4 结论

文本通过理论模型试算以及实际模型试验，在备选井位附近开展了音频大地电磁剖面，建议并实施了钻井，主要获得了以下认识：

（1）音频大地电磁测深对深部岩溶具有良好的电性响应，可有效识别深部隐伏岩溶构造。实测音频大地电磁剖面给出了四个建议井位，在建议井位上的实际钻孔有效地避开了深部隐伏岩溶构造，进一步确定了该方法的实际可行性。

（2）钻井的有利区是高电阻率异常连续分布的块状或带状区域。中低电阻率的岩溶构造往往导致原本成块或成带分布（二叠系茅口组和栖霞组）碳酸盐岩的高电阻率异常体不连续，因此，钻井选址应该尽量避开这些异常区域，选择高电阻率连续分布的区域。

致谢：感谢中国地质调查局成都地质调查中心汪正江研究员、刘家洪高工、熊国庆博士等在成文过程中给予的帮助和指导。