连续电磁剖面法在塔里木盆地麦盖提斜坡裂陷槽深部构造研究中的应用

屈 洋,杨钰菡,黎 立,唐强强,孙 迪,罗 强,葛大壮

(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 地球勘探与信息技术教育部重点实验室,成都 610059)

近年来,随着四川盆地寒武系油气勘探认识不断深入,认为裂陷槽存在有利于烃源岩的保存,是油气富集的有利区,裂陷槽的勘探对该区域超深层油气勘探的不断突破具有重要的指导意义(邹才能等,2014;周国晓等,2020;邱玉超等,2019)。塔里木盆地与四川盆地具有相似大地构造背景与演化过程(孙冬胜等,2022),伴随罗迪尼亚超大陆的聚合—裂解过程,盆地处于拉张构造背景(管树巍等,2017),发育有南华—震旦系裂谷(朱光有等,2018)。南华系裂陷到震旦系凹陷转变,寒武系继承于在南华-震旦系裂谷中,因此对该区域的裂陷槽探测是油气勘探的重要探索方向,可指导寒武系烃源岩分布范围的划分(李勇等,2016)。

塔里木盆地,北部、中南部、西南部形成了3个裂陷群,其中北部裂陷群为近北西西向展布,分布于今阿瓦提-满加尔坳陷与塔北隆起。中南部裂陷群为位于现今构造单元的麦盖提斜坡,由多个离散断陷组成,西南裂陷群位于盆地西南,处于塔西南坳陷与麦盖提斜坡的西部,展布方向以北西西为主(何碧竹等,2019)。前人认为塔里木盆地南华系具有“两隆四坳”的构造格局,其中麦盖提凹陷中发育有裂谷盆地(陈永权等,2022),在沉积相图的约束指导下,麦盖提斜坡可以作为寒武系勘探的潜力区带(杨海军等,2021),基底和基底断层与盆地沉积密切相关(Lin et al.,2015)。

塔里木盆地的地壳层状结构明显,有明显的横向不均匀性,南北塔里木盆地结晶基底反映出不同的散射地震组构(高锐等,2002;于常青等,2012;瞿辰等,2013)。地震勘探结果认为在西部泽普—麦盖提地区发育南华系裂谷,裂谷内部震旦系地层加厚,表现为受两条主控断裂控制的双边裂谷盆地(陈永权等,2019)。利用航磁数据通过三维欧拉反褶积对塔里木盆地的磁源体异常源的埋藏深度进行分析,认为深度10～20 km的磁性体来自结晶基底,5～20 km麦盖提斜坡中部与底部与和田凹陷交集处磁源体异常较为集中,且存在较强非均一性(杨文采等,2012;崔志强等,2020),重力勘探结果显示塔里木盆地可能存在统一分布的古元古界结晶基底(Deng et al.,2017),利用大地电磁勘探方式显示电性存在垂向分层,深部20 km存在大范围高阻,可能为基底的电性显示(杨文采等,2015a,2015b;杨鑫等,2014),其中在麦盖提斜坡处上深度10 km以上电性为低阻,10～60 km深度范围麦盖提斜坡中部部分有明显高阻突起,与航磁数据磁源体密集分布位置较为重合(Zhang et al.,2020)。

虽然前人对该区域进行了大量地球物理探测,但主要集中在全盆结构探测中,对研究区精细深部结构认识较少,且研究区域存在古近系盐岩、寒武系盐岩与二叠系喷发岩,导致地震能量衰减快、多次波严重,地震资料品质较差,无法准确识别震旦-南华系地层及基底,获得可靠的深部结构信息,导致麦盖提斜坡深层裂谷结构形态位置刻画不清,造成西南坳陷震旦-南华系裂陷槽展布格局认识存在困难。

本文主要利用连续电磁剖面法(CEMP)数据和部分井资料,结合区域地质资料,开展对麦盖提区域裂谷的电性结构分析,探索震旦—南华系地层分布情况与深部基底构造及裂陷槽分布情况,为塔里木盆地西南坳陷处开展深层油气勘探提供科学依据,指导寒武系烃源岩的勘探与开发。

1 地质概况

1.1 研究区地质背景

研究区主要位于塔里木盆地西南部分,该处位于西昆仑山前冲断带,南天山山前冲断带与中央隆起区的构造结合部分,大地构造位置特殊。研究区示意见图1。认为研究区在新元古代晚期受罗迪尼亚超大陆裂解的影响,发育有塔里木盆地西南部大陆边缘裂谷系(Chen et al.,2019)。研究区南华系、震旦系地层局部发育,控制南华系-震旦系地层沉积的断裂以正断层为主,断层产状较陡,具有阶梯状、Y字型等组合样式,该区域寒武系地层岩性多为白云岩,该区域部分井可见寒武系白云岩直接覆盖在基底(杨鑫等,2021)。

图1 工区示意图(修改据陈永权等,2022)Fig.1 Geological map of the study area

研究区存在石炭系、奥陶系及寒武系三套勘探层系,其中LS2气藏主要勘探奥陶系,巴什托普油藏主要勘探石炭系,对寒武系盐下烃源岩的勘探是挖掘麦盖提斜坡及和田河周缘深层油气藏存在的重点方向。

1.2 地层电阻率特征

根据研究区内的QUN6,QG1,TC2井钻井记录,多井钻遇古近系阿尔塔什组膏岩与二叠系阿恰群砂岩、泥岩接触,研究区缺失中生界地层。根据测井数据的标定及物性统计结果,将研究区垂向电阻率物性分为四层,第一层为次高阻的第四系,岩性有砾岩、粗砂岩等;第二层为新近系与古近系,新近系地层发育有安居安组及帕卡布拉克组,岩性泥岩、粉砂岩,古近系地层发育有齐姆根组,阿尔塔什组;第三层为二叠系、石炭系泥盆系及志留系,地层发育有阿恰群,南闸组,小海子组,卡拉沙依组,巴楚组,东河塘组及克兹尔塔格组等,综合电性特征确定了灰岩为主的次高阻;根据YL6井结果将第四层的奥陶系、寒武系确定为高阻,其岩性表现为白云岩为主。根据岩性而对更深的震旦系及以下地层,岩性为大理岩、蛇纹岩等,电阻率推测其比第四层更高,但无其他可靠钻井资料支持。推测认为其整体变化规律为次高—低—次高—高阻分布(表1)。

通过对区域内多井深侧向电阻率值进行地层平均电阻率值统计,岩性与电阻率的大小为ρ膏岩>ρ白云岩>ρ灰岩>ρ砂岩>ρ粉砂岩。由于粉砂岩与泥岩电阻率值较低,泥岩层厚较薄,因此较难单独统计电阻率,而大理岩、蛇纹岩等变质岩埋深较深因无对应测井电阻率值曲线因此无法进行统计,本次统计方法只粗略统计了各地层的主要岩性及平均电阻率,同一电性层内具有较大差异,但其厚度较薄的地层均未纳入整体电性分层中。其中阿尔塔什组层厚较薄,其岩性为含膏泥岩、膏岩,高阻特征无法从反演电阻率剖面中识别,因将该层电性划分为第二层新近系与古近系的整体低阻。该条剖面在垂向上有明显的电阻率差异性与分层性,整体规律呈现4层电性变化,为使用连续电磁剖面(CEMP)方法进行深部结构勘探提供较好的方法应用基础。

表1 研究区地层岩性及电阻率Table 1 The lithology and resistivity in the study area

2 CEMP数据采集与处理

2.1 基本理论与方法

大地电磁测深法目前常被应用于深部电性结构研究及能源与矿产勘探等方面,该方法以麦克斯韦方程组为理论基础,是通过采集不同频段的天然交变电磁场数据来获取地下介质的电性响应特征。地下的岩性变化及特殊构造,含水溶洞等不同地质体的存在都会影响电阻率分布情况,因此可通过分析剖面的电性特征来揭示地下构造的展布情况。而在油气田中勘探应用中,常采用连续电磁剖面(CEMP)方法。该方法相对于常规MT勘探,其高密度采样、全信息四分量观测等特点能获取更高精度的分辨率,有效压制静态效应,更好适应油气田勘探的高精度要求(刘宏等,2004)。

2.2 数据采集与预处理

研究区布设CEMP测线,总长488 km,点距为200 m左右,测点2 441个,测线经过一级构造单元西南坳陷中的叶城和田凹陷,麦盖提斜坡,东南坳陷,走向为东南方向,坐标从南到北逐渐增大,测线经过相应构造单元位置见图1。采用“十”字型布极方式,采集Ex,Ey,Hx,Hy 4个电磁分量,采集频点40个,频率为0.000 55～320 Hz,单点采集时长大于10.15 h。

在资料的预处理和解释过程中,为保证大地电磁本身的特性,经过预处理后的视电阻率曲线与处理前结构保持一致,且处理后曲线相对光滑,从高频到低频信息逐步减少,符合电磁勘探规律。从预处理后测点中选取部分测点对其视电阻率曲线进行分析,从宏观上了解该区域的电性结构特征,以辅助后期地质解释工作。

选取了剖面6个处于不同构造单元的测线,选取里程分别在位于南天山山前冲断带的20 km测点(图2-A),处于西南坳陷及麦盖提斜坡的80 km、161 km、261 km测点(图2-B,C,D),位于塘古凹陷的362 km测点及位于民丰凹陷的462 km(图2-E,F)来观察视电阻率与相位的形态差异。从视电阻率及相位曲线观察可得,视电阻率曲线值均在100 Ω·m以内,电阻率曲线呈总体呈高—低—高曲线形态,尾支上扬明显,代表了深部较高的岩石电阻率,也代表深部白云岩、灰岩岩石测井统计结果与电阻率形态保持一致。在相同构造单元内,电阻率及相位曲线形态趋于一致,但在不同构造部位深部存在较大量值差异。比较xy和yx向的视电阻率和相位曲线数据,频率0.1～1 000 Hz电阻率和相位数据重合度较高,表明浅层结构二维性较强;而低频部分相位部分差异较大,视电阻率尾支分离,表征深层结构三维性较强,地质结构较为复杂。

图2 部分选取测点的视电阻率相位曲线Fig.2 Apparent resistivity and phase curves from selected sites(A-F)分别为20 km、80 km、161 km、261 km、362 km、462 km处xy和yx分量的视电阻率和相位曲线

3 反演处理与成像

NLCG反演算法是一种快速、稳定、收敛的二维反演计算方法(Rodi et al.,2001),其正演模拟方法是基于有限差分法。反演计算的基本策略如下：

反演计算的目标函数表示为：

ψ(m)=[d-F)(m)]TV-1[d-F(m)]+λmTLTLm

(1)

式中：λ为正则化因子;V为与误差向量e有关的协方差矩阵;L为与模型参数相关的二维微分矩阵。

NLCG反演计算可以简单描述为：

(2)

式中：m0为初始模型,自定义参数;al为搜索步长;pl为模型空间的搜索方向。

pl可以采用下面的关系式来确定：

(3)

式中：Cl为先验信息或先验矩阵,Cl=(γlI+λLTL)-1;当不存在先验信息时,先验矩阵将变为单位矩阵,即Cl=I。

实践证明,NLCG反演处理方法处理实际资料时有效可行,不仅节省反演计算时间还只需较小的存储量,便能较好圈定异常体的边界信息(康敏等,2017)。另外,NLCG反演方法可以进行TE和TM视电阻率的联合反演及多种联合反演方法,提高反演精度。

数据正演模拟及处理均利用成都理工大学开发的Mtsoft-3.0软件进行。

3.1 理论模型模拟

根据区域物性统计结果,设计了裂陷槽的理论模型,模型共设计了6层,根据物性统计电阻率变化,设置模型为次高—低—次高—较高—低—高阻模型,模型设置参数见图3。其中将震旦—南华系地层电阻率设置为低阻,形态设计为局部凹槽,符合裂陷槽在现有地震资料上的展布形态。

正演模拟参数频率选取0.000 55～320 Hz,频点数设置为40个,模型长60 km,宽20 km,反演网格采用矩形网格剖分,首层厚度为50 m,增长倍数为1.25。反演方案与实际反演采用方法一致。

通过正反演模拟结果,见图4、图5,裂陷槽在正演模拟中,低阻结构响应清晰,在反演剖面上裂陷槽的低阻结构能在剖面上出现明显的低阻层变厚的趋势,与高阻基底有着较好的区分度,理论模型模拟证明了CEMP勘探方法识别裂陷槽的可靠性。搭建了采用实际资料勘探裂陷槽的理论基础。

图3 裂陷槽理论电阻率模型Fig.3 Resistivity model of the rift depression

图4 模型正演响应结果Fig.4 Forward result of the model

图5 模型反演成像结果Fig.5 Inversion result of the model

3.2 实际数据处理与反演

数据处理在保留数据曲线形态下对噪声与静态位移进行了修正,整个资料处理过程为：在实测数据预处理(包括曲线编辑、静校正、空间滤波等)的基础上,对长剖面进行重叠分段反演,每段的反演流程为：首先采用Bostick变换形成初始模型,然后再进行二维非线性共轭梯度反演迭代,若达到收敛条件,则终止反演,输出反演结果。当所有分段都完成以上反演处理后,则对重叠段删除边界影响部分,对各分段反演结果进行光滑衔接,形成整个剖面的反演结果数据体后,再用Surfer等成图软件绘制出最终成果图件,以供地质解释使用。

4 综合地质解释

由于地球物理方法在地质解释的过程中存在诸多的不确定性,为增加剖面解释的合理性,在曲线分析的基础上,通过对不同构造模型进行模拟验证,提取电性构造在反演剖面上的信息,同时利用区域实际地质、钻井、地震、CEMP测线首支视电阻率等资料信息总结规律,以理论辅助反演剖面的地质解释。

4.1 实际资料解释

采用非线性共轭梯度法对剖面进行二维反演,其结果如图6所示。

剖面左侧为靠近天山的区域,受南天山造山带的影响,基底抬升较高,因此左侧为显示底部为一埋深较浅的高阻异常。表层高阻,推测为第四系砾石等高阻沉积物,厚度较大的新近系和古近系,表现为地层电阻率较低,因此在反演剖面上显示为低阻异常,低阻层连续。剖面右侧受昆仑山影响,表现与剖面左侧相似,高阻区域埋深变浅,但该向更靠近西昆仑山前构造带,因此高阻抬升更高,对实际地质情况对应良好。

根据该区域实际的地质资料与QUN6,QG1与TC2三口井测井资料标定,确定第四系层电阻率的lg0.4～lg0.6 Ω·m之间,古近系底为lg0.4 Ω·m,石炭系底为lg0.8 Ω·m,根据剖面电阻率数值的变化,推断,Z-Nh界面的位置,因此,纵向从上到下可以划分6套地层：第四系,新近系与古近系,二叠系、石炭系与泥盆系,奥陶系与寒武系,南华系与震旦系及基底。断裂划分依据为剖面数值的突变区与连续性较差且上下起伏较大地区。裂陷槽的电性特征表现为局部凹槽形态特征,深层高阻的埋深变深,上覆低阻层变厚区域。

以反演剖面为主,结合该剖面所经路径上的地质露头信息及研究区内实际地质构造情况,该剖面的综合地质解释结果如图7所示。

盆地内经历多期构造运动,深部与浅部构造样式具有明显差异,具有典型的基底和盖层的双层结构,断裂在坳陷和山前带样式存在差异,深部以大规模的正断层为主,浅部山前带区域以逆冲断层为主。在70～130 km、240～400 km处可能为塔里木地块在裂解〗过程中长期活动形成的低阻区域,低阻层沉降明显,可能代表工区内存在多个伸展环境的新元古代裂陷,上覆的沉积层厚度变厚,并发育有大规模正断层,推测裂陷由正断层控制,且主体裂陷作用相对分散,呈现裂陷群特点,在裂陷群中裂陷由多个次级断裂和半地堑共同组成。

图6 测线反演结果剖面Fig.6 Inversion result along the CEMP profile

图7 CEMP反演电阻率地质解释剖面图Fig.7 Interpretation result along the CEMP profile

4.2 裂陷槽分布探讨

以图7地质解释剖面图与图8构造剖面为依据,按地层叠置关系和电性界面推测裂陷槽分布区域。区域高阻基底的岩性主要为元古代的花岗岩与变质岩为主(邬光辉等,2012),在电性上呈明显的高阻特征(向葵等,2023),因此通过基底的高阻电性特征去反推上覆的低阻的沉积层厚度变化,来定位裂陷槽的分布位置,能补充对深部结构中基底、裂陷槽的分布认识。

对于剖面上70～130 km、240～400 km处,该区域内深部6～8 km处电性呈不均匀分布,出现了高低阻交错或低阻层连续增厚或减薄的形式,这可能代表了区域前寒武系发育大型区域不整合,寒武系与震旦系不连续沉积(严威等,2018)。两个区域的划分主要根据其存在明显的电性边界,电性变化剧烈,推测为基底断裂的响应,并结合区域内小规模的电性不均匀性推测存在次级断裂,因此结合剖面认为基底断裂主要由控制裂陷群的主断裂、控制内部裂陷的次级断裂组成,主断裂从南华纪到震旦纪继承性活动,震旦纪末期至早寒武世断裂活动减弱或停止,受次级断裂控制,裂陷多呈半地堑、不对称地堑及堑—垒相间的构造样式。推测在罗迪尼亚超大陆裂解过程中,塔里木地块内部相互作用,发生一系列控盆断裂活动,在研究区内产生了类型以大陆裂谷及陆内断陷为主的裂陷,裂陷大规模发育堑垒构造,形成了多种裂陷构造样式。

图8 裂陷槽构造剖面Fig.8 Structural profile of the rift depression

根据本次CEMP刻画裂陷槽发育位置绘制了平面分布图(图9),结合地震资料(严威等,2018),支持推测西南坳陷区域的裂陷在平面上为条带状分布,主要分布在麦盖提斜坡和喀什-叶城坳陷的中—南部,其所推测裂陷槽发育位于置麦盖提斜坡与叶城凹陷的中部与南部与前人论述的塔里木克拉通南华纪、震旦纪的麦盖提坳陷位置(陈永权等,2022)及塔里木盆地南华纪—震旦纪构造古地理格局刻画的西南坳陷中—南部凹陷(杨海军等,2021),在平面分布存在一定相似性,在地震剖面上也展现了基底存在较多正断层分布。根据对电性结构剖面的分析,进一步细化了裂陷槽北西—南东方向的平面边界范围。但该处仅有1条剖面进行裂陷槽分布范围刻画,仅能刻画剖面下局部裂陷槽分布与形态,对裂陷槽的整体分布范围划分依据不充分。

图9 推测震旦—南华系裂陷槽发育位置平面分布图Fig.9 Distribution of Sinian-Nanhua strata and the rift depression

根据低阻层的厚度变化,代表了上覆沉积层的厚度变化,研究区内震旦—南华系受基底控制呈坳隆相间的形态,呈断块形态,剖面中寒武系与震旦—南华系地层呈不整合接触,控制了寒武系地层发育厚度,而石炭—二叠系与奥陶-寒武系等地层呈明显继承性发育,继而对其他地层产生了间接控制作用。在塔里木盆地早寒武世早期发育一套以暗色泥岩、硅质泥页岩为主的优质烃源岩,生烃潜力巨大,且下寒武统烃源岩分布受新元古代盆地发育特征的控制(吴林等,2016;朱光有等,2016)。因此,根据电性剖面揭示在麦盖提斜坡、喀什叶城凹陷处中部、南部的两个裂陷有利于区域内的烃源岩沉积,其中裂陷内震旦—南华系地层沉积较厚的区域具有较好的勘探潜力。

5 结论

a.本文利用CEMP剖面、测井数据等资料,通过理论模型正反演模拟和实际资料的二维反演,确定了区域地层电阻率“次高-低-次高-高阻”的变化规律,明确了裂陷槽低阻、基底高阻的电性响应特征,获得了研究区深部电阻率模型。

b.通过对塔西南地区西南坳陷的CEMP剖面进行综合地质解释,为该区域新元古代裂陷槽发育情况判断提供了新的电磁证据。揭示了西昆仑山前冲断带与南天山冲断带与西南坳陷及麦盖提斜坡的接触关系,进一步刻画了基底、裂陷槽的电性特征与结构,推测裂陷由正断层控制,且主体裂陷作用相对分散,呈现裂陷群特点,在裂陷群中裂陷由多个次级断裂和半地堑共同组成,多呈半地堑、不对称地堑及堑—垒相间的构造样式。

c.根据剖面低阻沉积层与高阻基底的分布规律,认为研究区内震旦—南华系受基底控制呈坳隆相间的形态,寒武系与震旦—南华系地层呈不整合接触,控制了寒武系地层发育厚度。剖面揭示了在麦盖提斜坡、喀什叶城凹陷处中部、南部的两个裂陷有利于区域内的烃源岩沉积,其中裂陷内震旦—南华系地层沉积较厚的区域具有较好的勘探潜力。