大地電磁測(cè)深不同反演方法的應(yīng)用效果對(duì)比
——以安徽皖江地區(qū)頁(yè)巖氣調(diào)查為例

王佳龍,張寶松,陳基煒,石 剛

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,南京 210016)

安徽皖江地區(qū)是近年來(lái)下?lián)P子頁(yè)巖氣基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查的主要區(qū)域,涇縣—水東地區(qū)二疊紀(jì)孤峰組、大隆組和龍?zhí)督M黑色泥頁(yè)巖是頁(yè)巖氣調(diào)查的主要目標(biāo)層系,其中龍?zhí)督M泥頁(yè)巖埋深500～2 500 m,主體埋深1 000～2 500 m,具有較好的頁(yè)巖氣存儲(chǔ)條件[1-3]。前人曾在涇縣—水東地區(qū)開(kāi)展重力和高精度磁法勘探工作[4],但傳統(tǒng)的重磁勘探很難識(shí)別深部頁(yè)巖油氣異常區(qū)。頁(yè)巖油氣儲(chǔ)藏受構(gòu)造、地層、巖性等因素控制,受起伏狀層面、構(gòu)造面及其他因素干擾,很難直接獲取微弱的頁(yè)巖油氣重磁異常信息。大地電磁測(cè)深(magnetotelluric sounding,MT)可穿透地表高阻層的屏蔽,具有勘探深度大、地形影響小、分辨率高、對(duì)低阻層及低阻體反應(yīng)靈敏等優(yōu)點(diǎn),是深部頁(yè)巖油氣勘探的重要方法之一[5-9]。

以“安徽皖江地區(qū)1∶5萬(wàn)頁(yè)巖氣地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目為依托,為進(jìn)一步深化對(duì)安徽皖江地區(qū)深部地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí),查明二疊系目標(biāo)層系埋深情況,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心在安徽皖江地區(qū)布置了9條MT測(cè)線,共400個(gè)測(cè)點(diǎn)。本文以安徽宣城水東地區(qū)1條MT測(cè)線為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)比分析不同反演方法、不同極化模式的反演結(jié)果,總結(jié)了各反演方法的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合電性、鉆井資料選取最優(yōu)的反演方法,推測(cè)斷裂和頁(yè)巖氣目標(biāo)層分布情況,并進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于安徽省宣城市水東地區(qū),該區(qū)出露的地層由老至新依次為志留紀(jì)唐家塢組,泥盆紀(jì)五通組,石炭紀(jì)王胡村組,二疊紀(jì)棲霞組、孤峰組、龍?zhí)督M、大隆組,三疊紀(jì)殷坑組,白堊紀(jì)赤山組和第四系(圖1)。二疊紀(jì)大隆組、龍?zhí)督M、孤峰組頁(yè)巖是本次地質(zhì)調(diào)查的主要目標(biāo)層,具備頁(yè)巖氣儲(chǔ)藏的地質(zhì)條件,是較好的生烴層。區(qū)內(nèi)主要褶皺為王胡村向斜和水東向斜,二者均形成于印支期。控制該區(qū)構(gòu)造格架的是周王斷裂、江南斷裂和旌德—休寧西斷裂[10-11]。

1.第四系;2.中白堊世赤山組;3.早三疊世殷坑組;4.晚二疊世大隆組;5.中二疊世棲霞組;6.晚泥盆世老虎洞組、晚石炭世黃龍組、早二疊世船山組互層;7.早石炭世王胡村組;8.晚泥盆世五通組;9.中志留世唐家塢組;10. MT測(cè)點(diǎn)及編號(hào);11. MT測(cè)線LAB;12. 實(shí)測(cè)斷層;13. 鉆井;14. 花崗閃長(zhǎng)斑巖;15. 河流圖1 安徽宣城水東地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖[11]Fig. 1 Geological sketch of Shuidong area of Xuancheng City, Anhui Province[11]

表1 宣城地區(qū)巖石電性參數(shù)統(tǒng)計(jì)[12]

Table 1 Statistical results of petroelectric parameters of rocks in the Xuancheng area [12]

地層巖性視電阻率ρs/(Ω·m)變化范圍平均值 早三疊世殷坑組灰色薄層泥灰?guī)r228.99～2 213.05938.07 晚二疊世大隆組灰色泥灰?guī)r333.65～3 639.94916.89 中二疊世龍?zhí)督M灰黃色中厚層細(xì)砂巖66.83～634.64214.83 早二疊世孤峰組黑色含碳硅質(zhì)巖252.94～1 215.31598.12 晚石炭世黃龍組灰白色塊狀細(xì)晶白云巖1 039.70～5 120.401 761.00 晚泥盆世觀山組—老虎洞組黃白色石英砂巖815.31～6 330.032 353.78 晚志留世茅山組灰白色塊狀泥質(zhì)粉砂巖26.40～167.7688.34 中志留世墳頭組灰綠色粉砂巖119.28～1 060.65321.84 中志留世康山組泥巖、細(xì)砂巖99.40～826.59274.58 早志留世河瀝溪組黃綠色中層細(xì)砂巖49.09～153.3578.82 早志留世高家邊組灰綠色頁(yè)巖、含泥頁(yè)巖28.93～525.52160.60

2 電性特征

研究區(qū)地層電性特征見(jiàn)表1和表2。大隆組和龍?zhí)督M以泥巖、泥頁(yè)巖為主,夾砂巖、碳質(zhì)頁(yè)巖及煤層,視電阻率(ρs)為66.83～3 639.94 Ω·m,港地1井ρs為57.34～203.70 Ω·m;早三疊世殷坑組以灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r為主,ρs為228.99～2 213.05 Ω·m;晚石炭世黃龍組以灰?guī)r為主,ρs為1 039.70～5 120.40 Ω·m。目標(biāo)層位與上下地層具有明顯的電阻率差異,為低阻異常。

表2 港地1井含頁(yè)巖氣層視電阻率測(cè)試結(jié)果[12]

3 資料與反演數(shù)據(jù)處理

大地電磁測(cè)深(MT)測(cè)量采用加拿大V5-2000型大地電磁儀,單點(diǎn)觀測(cè)7 h以上,有效觀測(cè)頻率為320～0.001 Hz,有效探測(cè)深度>5 km。在水東地區(qū)布設(shè)了1條MT測(cè)線LAB,方向?yàn)镹E向,長(zhǎng)約16.2 km,點(diǎn)距500 m,有效測(cè)點(diǎn)32個(gè)(圖1)。

大地電磁測(cè)量原始數(shù)據(jù)使用SSMT2000和MTeditor進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、編輯,生成反演格式點(diǎn)文件(edi)。利用MTPioneer軟件進(jìn)行反演, MT數(shù)據(jù)處理步驟主要包括異常數(shù)據(jù)剔除、圓滑、靜校正、一維反演、網(wǎng)格建立和二維反演。

淺層電性不均勻或三維狀態(tài)高頻反應(yīng)強(qiáng)烈造成靜位移現(xiàn)象嚴(yán)重,使MT視電阻率曲線高頻端發(fā)生移動(dòng),靜位移嚴(yán)重的測(cè)點(diǎn)與相鄰測(cè)點(diǎn)高頻端視電阻率相差10倍甚至更高。因此,需要根據(jù)剖面視電阻率變化趨勢(shì)和前后視電阻率曲線類型進(jìn)行手工校正。根據(jù)實(shí)際情況,采用手工圓滑和數(shù)值處理相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圓滑。反演數(shù)據(jù)處理主要采用一維博斯蒂克(Bostick)反演、奧克姆(Occam)反演和自適應(yīng)正則化反演,二維反演采用帶地形非線性共軛梯度(non-linear conjugate gradient, NLCG)反演。

3.1 博斯蒂克(Bostick)反演

Bostick反演是一種代表性的近似反演方法,以低頻區(qū)視電阻率曲線尾支漸近線變化特征為基礎(chǔ)進(jìn)行運(yùn)算,實(shí)質(zhì)是將視電阻率隨周期變化的曲線變換成電阻率隨深度變化的曲線。Bostick反演速度快,可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)處理,快速查看測(cè)線及測(cè)點(diǎn)視電阻率分布情況[13-14]。 利用MTPioneer軟件獲得的研究區(qū)LAB測(cè)線Bostick反演結(jié)果(圖2)表明, “掛面”特征明顯,分辨率低,無(wú)法劃分或不能準(zhǔn)確劃分電性層,難以滿足實(shí)際需要。

圖2 LAB測(cè)線一維Bostick反演視電阻率斷面圖Fig. 2 One-dimensional Bostick inversion resistivity section of LAB exploration line

3.2 奧克姆(Occam)反演

Occam反演是一種正則化光滑模型反演方法,在尋找最小擬合差的同時(shí)追求最光滑模型,以穩(wěn)定收斂及不依賴于初始模型等優(yōu)勢(shì)獲得廣泛應(yīng)用。Occam反演迭代過(guò)程穩(wěn)定,一般只需幾次迭代即可獲得較理想的反演結(jié)果[14-15]。利用 MTPioneer軟件獲得的LAB測(cè)線一維Occam反演結(jié)果如圖3所示,反演剖面橫向分辨率較好,電性分層較明顯,但也存在一些難以解釋的垂向異常,對(duì)頁(yè)巖氣目標(biāo)層位識(shí)別不利。

圖3 LAB測(cè)線一維Occam反演視電阻率剖面圖Fig. 3 One-dimensional Occam inversion resistivity section of LAB exploration line

3.3 自適應(yīng)正則化反演

自適應(yīng)正則化反演是陳小斌等[16]提出的一種反演算法,該算法對(duì)初始模型要求較低,可直接對(duì)瞬變電磁響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,快速獲得地下地質(zhì)體電性結(jié)構(gòu)特征。反演計(jì)算中,正則化因子λ是主要的擬合對(duì)象,λ的不同取值對(duì)反演結(jié)果具有重要影響,常規(guī)反演方法中λ大多數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)值。通過(guò)迭代選取數(shù)據(jù)擬合函數(shù)與模型約束函數(shù)的比值獲得自適應(yīng)正則化因子λ,是完全自適應(yīng)。該方法優(yōu)點(diǎn)是每次迭代的正則化因子均可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)擬合和模型約束的平衡,具有較高的精度和穩(wěn)定性。利用MTPioneer軟件獲得的LAB測(cè)線一維自適應(yīng)正則化反演結(jié)果如圖4所示,反演剖面橫、縱向分辨率較高,電性分層現(xiàn)象明顯。相對(duì)于一維Bostick反演和Occam反演,自適應(yīng)正則化反演橫、縱向電性分層細(xì)節(jié)更清楚,反演剖面更光滑,但仍存在“掛面”現(xiàn)象。

圖4 LAB測(cè)線一維自適應(yīng)正則化反演視電阻率剖面圖Fig. 4 One-dimensional adaptive regularization inversion of apparent resistivity profile for LAB exploration line

3.4 非線性共軛梯度(NLCG)反演

非線性共軛梯度(NLCG)反演根據(jù)已知先驗(yàn)信息設(shè)置一個(gè)新的模型目標(biāo)函數(shù),給予一定的權(quán)重系數(shù)和約束矩陣后與目標(biāo)函數(shù)結(jié)合,再創(chuàng)建一個(gè)新的目標(biāo)函數(shù),最后依據(jù)實(shí)際模型需要設(shè)置初始模型背景值及約束類型,通過(guò)迭代完成非線性反演。NLCG反演具有計(jì)算效率高、穩(wěn)定性好和內(nèi)存需求不高等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于電磁法勘探中。但目標(biāo)函數(shù)具有多極值,反演迭代易陷入局部極小,所以,NLCG反演的缺點(diǎn)是對(duì)初始模型依賴性較大[17-19]。利用 MTPioneer軟件獲得的LAB測(cè)線以一維自適應(yīng)正則化反演為初始模型的二維帶地形NLCG反演結(jié)果如圖5所示,TE、TM和混合極化模式下的反演剖面均較光滑,連續(xù)性好,橫、縱向分辨率高,電性層清楚,“掛面”現(xiàn)象消失,冗余構(gòu)造少。相對(duì)于一維反演及二維非線性共軛梯度反演,可更真實(shí)、更有效地反應(yīng)實(shí)際地電模型。

圖5 LAB勘探線不同極化模式下的二維反演剖面圖Fig. 5 Two-dimensional inversion profiles of LAB exploration line under different polarization modes

4 幾種反演結(jié)果對(duì)比

(1)從反演速度看,一維Bostick反演、Occam反演和自適應(yīng)正則化反演時(shí)長(zhǎng)約1 min，二維帶地形NLCG反演TE、TM及混合極化模式均需幾十分鐘。相比而言,TE極化模式時(shí)長(zhǎng)最短,混合極化模式時(shí)長(zhǎng)次之,TM極化模式時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)。

(2)從反演剖面看,一維Bostick反演呈現(xiàn)的整體視電阻率值雜亂無(wú)章,“掛面”現(xiàn)象嚴(yán)重,橫向分辨率低,無(wú)明顯的電性分層效果。一維Occam反演整體視電阻率值高低分布不均,縱向視電阻率深部?jī)蓚?cè)高中間低,“掛面”現(xiàn)象不再顯著,橫向分辨率較高,電性分層較清晰,可初步判斷剖面電性分層情況。一維自適應(yīng)正則化反演視電阻率值高低分布不均,縱向視電阻率大號(hào)點(diǎn)呈現(xiàn)高阻區(qū),“掛面”現(xiàn)象仍存在,但橫向分辨率較高,電性分層清晰,可清楚判斷測(cè)線中段低阻異常特征。TE、TM和混合極化模式下的二維帶地形NLCG反演剖面,橫、縱向分辨率高,電性層連續(xù)性好,“掛面”現(xiàn)象消失,電性分層效果好,可清晰判斷剖面的電性分層情況。

(3)一維Bostick反演、Occam反演和自適應(yīng)正則化反演中段深部均為超低阻,與研究區(qū)地質(zhì)資料存在偏差。二維反演TE極化模式,剖面中段出現(xiàn)直立的低阻帶,一直延伸至基底,與泥盆系—石炭系(灰?guī)r)、志留系(石英砂巖)等高電阻巖性不符。TM極化模式可清晰判斷剖面呈低阻層—高阻層—低阻層—次高阻層—高阻層,巖性的電性特征與電性參數(shù)對(duì)應(yīng)。混合極化模式可清晰判斷剖面的電性分層情況,但在反演圖前段由淺至深均表現(xiàn)高電阻特征。二疊紀(jì)泥頁(yè)巖低阻層未能較好顯示,中段基底出現(xiàn)了超低阻帶,與研究區(qū)地質(zhì)資料存在偏差。MTPioneer軟件下TE極化模式迭代25次,收斂閉合差最大,迭代收斂較差;TM極化模式迭代44次,閉合差最小,迭代收斂?jī)?yōu)良;混合極化模式迭代46次,迭代收斂一般(圖6)。

圖6 TE 、TM及混合極化模式收斂對(duì)比圖Fig. 6 Convergence comparison chart of TE， TM and mixing polarization modes

綜合分析認(rèn)為,TM極化模式的反演結(jié)果優(yōu)于TE和混合極化模式,原因可能是研究區(qū)地下結(jié)構(gòu)三維性較強(qiáng),而TE極化模式要求模型的二維近似程度遠(yuǎn)高于TM極化模式,因此TM極化模式數(shù)據(jù)能更好地反映與二維區(qū)域構(gòu)造走向近平行的三維異常體。所以,TM極化模式的反演結(jié)果更適合研究區(qū)的地質(zhì)解釋。

5 綜合地質(zhì)解釋與驗(yàn)證

由于研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜,斷裂及褶皺發(fā)育,斷裂破碎帶引起地層的電阻率降低,電性層的橫向連續(xù)性不佳,不能完全根據(jù)電阻率追層解釋。為保證解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)鉆井資料進(jìn)行地層厚度統(tǒng)計(jì),再結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋。以研究區(qū)電性層模型為基礎(chǔ),以大地電磁法二維反演電阻率反映的電性層分布為主要依據(jù),對(duì)研究區(qū)大地電磁測(cè)深剖面(測(cè)點(diǎn)號(hào):2～62)進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋(圖7)。

1. 白堊系—第四系;2. 三疊系;3. 二疊系;4. 泥盆系—石炭系;5. 中—上志留統(tǒng);6. 下志留統(tǒng);7. 推測(cè)斷層圖7 LAB測(cè)線TM極化模式二維連續(xù)介質(zhì)反演剖面圖(a)及地質(zhì)推斷解釋圖(b)Fig. 7 LAB Line TM mode two-dimensional continuous medium inversion section (a) and geological interpretation diagram (b)

5.1 斷裂

電磁法二維反演電阻率剖面、電性結(jié)構(gòu)及同測(cè)線地震資料說(shuō)明,研究區(qū)存在多條斷裂。根據(jù)剖面反演結(jié)果,初步推測(cè)了4條斷裂,由西向東分別編號(hào)為F5、F7、F8 和F9。

(1)F5斷裂。正斷層,走向NW,傾向SW,傾角40°～70°,切割貫穿三疊系—志留系。斷層兩側(cè)地層變化較平緩,賦存最深位于測(cè)線SW向端點(diǎn)處。

(2)F7斷裂。正斷層,走向NW,傾向NE,斷層傾角30°～60°,切割三疊系—泥盆系。斷層兩側(cè)地層變化較平緩,賦存最深位于測(cè)線SE方向端點(diǎn)處。

(3)F8斷裂。正斷層,傾向SE,傾角30°～60°,切割三疊系—泥盆系。斷層兩側(cè)地層底界較平緩,賦存最深位于測(cè)線SE向端點(diǎn)處。

(4)F9斷裂。正斷層,傾向SW,傾角40°～70°,切割三疊系—泥盆系。賦存最深位于測(cè)線SW向端點(diǎn)處。

5.2 地層展布

以TM極化模式二維反演剖面為依據(jù),結(jié)合研究區(qū)電性特征及地質(zhì)資料分析電性異常與地層的對(duì)應(yīng)關(guān)系。推斷剖面最上部顯示的層狀低阻體應(yīng)屬白堊系—第四系,主要巖性為粉砂巖和細(xì)粒砂巖,電阻率為n×10 Ω·m,為第1層。其下的似層狀高阻體應(yīng)屬三疊系,主要巖性為灰?guī)r,電阻率可達(dá)n×1 000 Ω·m,為第2層。中部顯示的層狀低阻異常應(yīng)屬二疊系,上二疊系統(tǒng)巖性主要為泥頁(yè)巖、泥巖和粉砂巖,電阻率為n×10 Ω·m,為第3層。中下部過(guò)渡帶的中低阻層應(yīng)屬泥盆系—石炭系,巖性為灰?guī)r夾少量泥巖,電阻率為n×100 Ω·m,為第4層。剖面下部顯示的脈狀高阻體應(yīng)屬志留系,巖性為灰白色細(xì)粒石英砂巖,電阻率為n×1 000 Ω·m,為第5層。

根據(jù)以上地質(zhì)特征,推斷該區(qū)地表及其淺部0～200 m為白堊系—第四系,200～900 m為三疊系,900～1 400 m為二疊系,1 400～1 900 m為泥盆系—石炭系,1 900 m以下為志留系。

5.3 鉆孔驗(yàn)證

港地1井位于LAB測(cè)線東南側(cè)，距20號(hào)測(cè)點(diǎn)約1.7 km處(圖1),井深1 502.02 m。鉆遇地層中,早三疊世扁擔(dān)山組(約389.9 m)以灰?guī)r為主,夾1層泥質(zhì)灰?guī)r;和龍山組(389.9～661.8 m)以灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r互層為主;殷坑組(661.8～915.2 m)上部為灰?guī)r,下部為砂巖;二疊紀(jì)大隆組(915.2～986.9 m)為頁(yè)巖氣目的層位,上部為泥頁(yè)巖,中部為泥巖,下部為泥頁(yè)巖;龍?zhí)督M(986.9～1 189.7 m)主要由砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖、煤層和泥頁(yè)巖構(gòu)成;孤峰組(1 189.7～1 228.2 m)主要為砂巖、泥巖和泥頁(yè)巖;棲霞組(1 228.2～1 413.4 m)以灰?guī)r為主;船山組(1 413.4～1 450.3 m)以灰?guī)r為主;石炭紀(jì)黃龍組(1 450.3～1 498 m)以灰?guī)r為主[1]。對(duì)比可知,目標(biāo)層二疊紀(jì)大隆組和孤峰組頂、底埋深(915.2～1 228.2 m)與MT反演資料推斷的深度(900～1 400 m)較吻合。

綜上可知,采用非線性共軛梯度(NLCG)法TM極化模式反演的大地電磁測(cè)深剖面地質(zhì)解釋結(jié)果與鉆井資料較吻合,準(zhǔn)確圈定了該區(qū)目的層二疊紀(jì)泥頁(yè)巖低電阻層,地層展布清晰,且地層埋深與鉆井資料也較吻合。

6 結(jié)論

(1)一維Bostick反演、Occam反演和自適應(yīng)正則化反演運(yùn)行速度快,但反演精度低,冗余構(gòu)造較多,很難真實(shí)、有效地反應(yīng)實(shí)際地電模型。二維非線性共軛梯度反演TM極化模式剖面收斂穩(wěn)定,電性層清楚,連續(xù)性好,分辨率高,與電性和地質(zhì)資料吻合最優(yōu),是研究區(qū)最優(yōu)的反演方法。

(2)安徽宣城水東地區(qū)地下900～1 400 m地層與周?chē)貙哟嬖诿黠@的電性差異,表現(xiàn)為低電阻率異常特征,與地質(zhì)和鉆井資料相吻合。大地電磁測(cè)深方法是尋找深部頁(yè)巖油氣的一種重要而有效的方法。