利用重磁資料解譯川西地區(qū)深層斷裂構(gòu)造及預測火山巖頂界面深度

潘 力,何青林,陳 康,梁生賢,朱家富,陳先潔,張富利,張 晨,何昌興悅

(1.成都理工大學 地球物理學院,成都 610059;2.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院,成都 610051;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心,成都 610081)

2018年川西地區(qū)YT1井取得重大突破,這是繼1992年ZG1井以來再次在火山巖地層中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流,揭示了川西地區(qū)火山巖具有巨大的勘探潛力［1-2］,并且各類相關研究成果呈井噴式發(fā)表。何青林等［3-4］開展了火山巖地震反射特征研究,建立了火山巖不同巖相的地震反射模式;陸建林等［5］基于YS1井對川西地區(qū)二疊系火山巖的形成發(fā)育特征、儲層特征、天然氣成因及成藏組合開展了研究;馬新華等［6］系統(tǒng)總結(jié)了火山巖氣藏的勘探歷程和YT1井區(qū)氣藏的特征、天然氣成礦的控制因素和模式;夏茂龍等［7］、羅冰等［8］綜合鉆井、重磁、地震等資料預測區(qū)域火山機構(gòu)分布特征,認為簡陽地區(qū)火山巖為峨眉山大火成巖省的特殊組成部分。目前的火山巖勘探手段也存在一定的難點,例如火山巖地震反射特征復雜,在剖面上難以直接識別火山巖和火山機構(gòu)等［3］。

本文通過對川西地區(qū)最新的高精度重力和磁測資料進行精細處理和三維反演,探討區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造和火山巖識別中重磁資料的作用及效果,從而為該地區(qū)火山巖天然氣勘探提供地球物理證據(jù)。

1 地質(zhì)、地球物理概況

1.1 地質(zhì)背景

峨眉山玄武巖最早由趙亞曾先生于1929年命名。峨眉山玄武巖噴發(fā)是峨眉地裂運動(東吳運動)短期強烈活動的表現(xiàn),形成了巨厚的“峨眉山玄武巖”,呈一個長軸近南北向的菱形,面積達25×104km2,是中國唯一一個被國際學術(shù)界認可的大火成巖?。?］。其主要的噴發(fā)期是二疊紀茅口晚期-龍?zhí)镀?底與下伏茅口組石灰?guī)r不整合接觸,頂與龍?zhí)督M陸相紅色碎屑巖不整合接觸［9］。四川盆地位于揚子地塊西北部,盆地呈北東向菱形展布,屬于克拉通盆地,盆地四周被斷裂圍限,南西邊緣以峨眉-宜賓斷裂帶為界,北西以龍門山斷裂帶為界,南東以齊岳山斷裂帶為界,北緣以城口-房縣深斷裂帶為界［10］。研究區(qū)位于四川盆地西部(圖1),面積約16 000 km2,區(qū)域地層除缺失泥盆系和石炭系以外,其余各個時代地層均有出露［11］。區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷層主要為NE-SW向的龍泉山-三臺-巴中-鎮(zhèn)巴斷裂帶［12］。峨眉山玄武巖受地形和距火山口遠近影響整體有西南厚、向北東減薄的趨勢［12-14］。

圖1 研究區(qū)位置及斷裂分布圖Fig.1 Location of working area and fault distribution map(據(jù)馬新華等［6］)

1.2 主要地層密度、磁性特征

重磁異常的特征取決于研究區(qū)巖石的密度和磁性參數(shù),因此明確研究區(qū)的巖石密度、磁性參數(shù)特征是處理重磁數(shù)據(jù)的前提。前人研究表明,四川盆地存在2個主要的密度界面,即須家河組底面和基底頂面,須家河組與下伏地層間、震旦系與基底之間的密度分別存在0.23 g/cm3、0.14 g/cm3的差異［15］。研究區(qū)內(nèi)高磁化率層位為二疊系火山巖段以及基底的火山巖部分;其余的沉積巖磁化率在(10～100)×10-5左右,而火山巖層位的磁化率普遍在(1～10)×10-2之間,差異十分明顯［16］。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)來源與噪聲處理

重力、磁法測量數(shù)據(jù)均為2019年實測獲得,面積16 000 km2,數(shù)據(jù)網(wǎng)格500 m×500 m,共計64 480個重力和磁測點。

測區(qū)內(nèi)大小城鎮(zhèn)與各種規(guī)模的工業(yè)企業(yè)較多,尤其在大型城鎮(zhèn)與大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)場地附近,磁ΔT異常往往存在明顯的局部極值。在對照ΔT局部極值點、磁測原始記錄和遙感圖像后,將人文噪聲影響所致的數(shù)據(jù)畸變點予以剔除。布格重力異常無明顯的局部極值,其各類異常的等值線畸變形態(tài)均呈線狀,分析認為,這種線性畸變應當為斷裂構(gòu)造的響應,也說明重力數(shù)據(jù)受人文干擾小,故無需做噪聲處理。

2.2 斜磁化、剩磁處理和場源分離

由于受斜磁化和剩磁的影響,磁異常形態(tài)往往比較復雜,增加了解釋的困難性。圖2-B為假設磁化方向與地磁場方向一致時的化極結(jié)果,它與磁異常模量圖(圖2-A)存在一定的差別,但總體上形態(tài)相近。由于后者受剩磁影響較小,因此在定性解釋時,我們以磁異常模量為主;同時又考慮到后者的異常形態(tài)相對異常體,可能會存在一定的位置偏移。因此反演時的輸入數(shù)據(jù)為ΔT,并假設磁化方向與現(xiàn)今地磁場方向一致,在獲得擾動磁化強度后的定量(半定量)解釋時,同時兼顧磁異常模量與反演結(jié)果。

圖2 測區(qū)磁異常模量與化極結(jié)果對比圖Fig.2 Comparison of magnetic anomalous modulus and polarization results

2.3 重磁數(shù)據(jù)反演

重、磁數(shù)據(jù)反演就是根據(jù)重力數(shù)據(jù)或磁測數(shù)據(jù)獲取地下地質(zhì)體的密度或磁性。本次反演的數(shù)據(jù)為剩余重力異常和ΔT磁異常數(shù)據(jù),反演前將地下空間剖分為若干個小單元,只求解各單元的擾動密度或擾動總磁化強度磁性,即物性反演方法。在反演中,我們利用互相關系數(shù)和深度加權(quán)函數(shù)同時進行自約束［17-18］,以提升結(jié)果的分辨率、可靠性和穩(wěn)定性;此外,引入迭代正則化方法LSQR法求解大型離散不適定問題以節(jié)省計算成本［19-20］。

3 解譯方法

3.1 重磁數(shù)據(jù)解決的主要地質(zhì)問題

為明確測區(qū)內(nèi)重磁數(shù)據(jù)特點能夠反映出的主要地質(zhì)問題,我們根據(jù)過井地震剖面和地層密度、磁性,設計了響應的模型(圖3)。正演模擬計算結(jié)果表明：①在龍泉山斷裂帶附近,表現(xiàn)為明顯的高重力加速度異常(重力勘探中,凡提到重力都是指重力加速度,所以下文中表述為重力異常),異常幅值比背景場大6 mGal(1 Gal=1 cm/s2)以上,異常梯度陡,但對火山巖反應不夠靈敏,在火山巖尖滅部位,甚至無明顯的異常特征。②斷裂帶不能引起明顯的磁異常,但火山巖在平面上的變化能引起明顯的磁異常特征,如在火山巖尖滅部位,磁異常幅值會陡然變低。根據(jù)上述模擬計算結(jié)果,認為重力數(shù)據(jù)主要用于解譯測區(qū)內(nèi)具有密度差異的斷裂構(gòu)造,磁測數(shù)據(jù)主要用于預測火山巖。

圖3 研究區(qū)重磁正演模型及模擬結(jié)果Fig.3 Gravity and magnetic forward modeling and simulation results in the study area(A)重磁正演結(jié)果曲線;(B)密度模型;(C)磁力模型;(D)對應地震剖面(據(jù)羅冰等［21］)

為了進一步了解重磁數(shù)據(jù)對上述地質(zhì)問題反應的靈敏度,我們分別就重力和磁測進行正演模擬計算。根據(jù)不同埋深、不同斷距的基底斷裂的重力正演結(jié)果(圖4)表明,當基底平均埋深為7 km,基底斷距大于200 m時,引起的重力異常幅值為0.375 mGal,達到了均方誤差(±0.150 mGal)的兩倍以上,說明利用重力數(shù)據(jù)能夠識別測區(qū)內(nèi)斷距大于200 m的基底斷裂。

圖4 不同埋深、不同斷距的基底斷裂的重力正演結(jié)果Fig.4 Gravity forward modeling results of basement faults with different buried depth and different fault displacement distance

通過不同埋深以及不同厚度磁測正演結(jié)果,并且根據(jù)結(jié)果用線性關系大致表示出火山巖厚度與對應磁異常幅值之間的關系(圖5),可以得到如下結(jié)論：①在火山巖埋深相差500 m的情況下,其引起的磁異常幅值勉強滿足大于2倍均方誤差(5 nT),說明利用磁異常判別火山巖埋深存在可能,但預測的誤差可能較大。②當火山厚度小于45 m時,引起的磁異常幅值小于2倍均方誤差,說明利用磁測數(shù)據(jù)能夠識別的火山巖厚度必須大于45 m。

圖5 磁測正演結(jié)果Fig.5 Forward results of magnetic survey

3.2 解譯結(jié)果

3.2.1 斷裂構(gòu)造識別

根據(jù)各類重力異常場特征共解譯斷裂12條,其中SN向斷裂2條,其余均為NE向;斷裂構(gòu)造全部分布于測區(qū)南西部。在測區(qū)北東部,無論各類重力異常還是各類磁異常圖上,均無明顯的斷裂構(gòu)造痕跡,說明在北東部斷裂構(gòu)造不發(fā)育。再根據(jù)剩余重力異常場不同上延高度的水平梯度模量,推測斷裂規(guī)模、深度從大到小依次為：“F0、F1”—“F8、F9”—“F10、F11”—“F4、F5”—“F2、F3”—“F6、F7”。其中區(qū)域斷裂有：“F0、F1”“F8、F9”和“F10、F11”,并可能切穿上部沉積蓋層,深達結(jié)晶基底;其余則為次級斷裂(圖6)。

圖6 重力水平模量圖上的斷裂分布Fig.6 Fault distribution map of the horizontal modulus of gravity

3.2.2 火山巖識別

采用自主研發(fā)的重磁反演算法［17-19］及軟件,以獲取測區(qū)內(nèi)剩余磁化強度結(jié)構(gòu),然后定量化預測火山巖頂界面。剩余磁化強度成像結(jié)果顯示,測區(qū)內(nèi)0～4 km深度都無明顯的磁性;在進入5 km深度后,高磁性異常突顯;至6 km左右的深度,磁性最強。結(jié)合已施工鉆孔情況,判斷這種高磁異常就是火山巖的響應(圖7)。

圖7 三維高磁體切片圖Fig.7 Three-dimensional high-magnet slices

根據(jù)上述剩余磁化強度成像結(jié)果,盡管能判斷出強磁性體就是火山巖的響應,但利用數(shù)字成像結(jié)果準確預測火山巖頂界面還存在一個閾值的問題,具體表現(xiàn)在：①不同巖相的磁性強弱不同,理論上閾值不是某一個數(shù)字,而是隨巖相變化的,但巖相又未知;②不同的火山巖厚度、不同的巖相引起的體積效應不同,對應的閾值也會不同?？梢哉f,火山巖頂界面預測埋深的影響因素有：巖相(巖性)、厚度以及反演結(jié)果的可靠性和準確度等,而各影響因素之間的關系又極其復雜,因此,目前還遠未達到精確(準確)預測頂界面埋深的程度。

本文根據(jù)實測總磁場強度、物性測試統(tǒng)計結(jié)果,并兼顧高磁性體的連續(xù)性,以某一閾值來大致預測火山巖頂界面埋深。由ΔTz等值線形態(tài)與磁異常模量對比結(jié)果可知,測區(qū)內(nèi)火山巖可能無強剩磁或古地磁方向與現(xiàn)今地磁方向差別不大,因此磁化強度與磁化率之間的轉(zhuǎn)換關系式可寫為

(1)

式中：κ為磁化率;M為磁化強度;T為磁感應強度。本文根據(jù)實測總磁場強度,取T=500 nT,根據(jù)物性測試統(tǒng)計結(jié)果,令磁化率κ=500×10-5,計算得出磁化強度M約為0.2 A/m。因此,本文以>0.2 A/m為閾值預測火山巖頂界面(圖8)。

圖8 預測的火山巖埋深Fig.8 The predicted burial depth of volcanic rocks

3.3 結(jié)果評價

前人研究表明四川盆地重力異常走向呈北東向的條帶狀分布,解譯出川西基底斷裂主要也為北東向展布,這與本文所識別的斷裂構(gòu)造特征具有高度的一致性。也就說明本文利用研究區(qū)內(nèi)的重力資料識別出的深大斷裂與實際基底斷裂基本對應,處理結(jié)果可靠性高。

同時,為判斷本文中預測的火山巖頂界面深度是否符合實際,根據(jù)搜集的研究區(qū)內(nèi)鉆遇火山巖測井資料統(tǒng)計出火山巖實際埋藏深度與預測深度的比對結(jié)果如表1。其中鉆遇火山巖的測井既有處于噴溢相,火山巖厚度較大的YS1井、YT1井等;也有處于溢流相,火山巖厚度較小的PT1井等。從結(jié)果上看,火山巖埋藏深度預測最小相對均方誤差僅為0.86%,且大部分情況下均小于10%,表明預測結(jié)果與實際深度吻合度較高。同時,對于相對誤差較大的井如PT1井,推測可能是因為火山巖厚度較薄或者斷裂構(gòu)造等因素造成預測難度增加,誤差較大。

表1 火山巖頂界面的預測深度與實際深度對比Table 1 Comparison of predicted depth and actual depth of volcanic rock top interface

4 結(jié) 論

a.通過正演模擬及實測資料的處理,認為在川西地區(qū)針對的地質(zhì)目標體不一樣,重力資料能更好地反映深大基底斷裂,而磁測資料對于火山巖的反應更為明顯。

b.在川西火山巖勘探中,重磁資料能有效識別斷裂構(gòu)造和高磁性體的分布特征,根據(jù)斷裂構(gòu)造和高磁性體的組合規(guī)律,可為火山巖有利相帶劃分提供參考,進而為火山巖儲層的鉆探提供更多的地球物理證據(jù)。