碳酸鹽巖深覆蓋區隱伏巖溶構造的音頻大地電磁探測：以云南大關地區為例

王 橋，楊 劍，唐發偉，夏時斌，廖國忠，張 偉，李 華，高 慧

（中國地質調查局成都地質調查中心（西南地質科技創新中心），四川 成都 610218）

0 引言

碳酸鹽巖地區由于巖溶作用常形成溶洞、地下河等（Laskow et al.,2011；Giorgi et al.,2014；Gutiérrez et al.，2014；D’Agostino et al.,2018），往往會制約頁巖氣勘探工作的推進。這主要表現在鉆探過程中，深部隱伏巖溶會導致卡鉆、掉鉆及偏鉆等工程問題，很大程度上會延遲勘查進度，造成不可估量的經濟損失。地震、地表地質、調查井等資料綜合研究表明云南大關研究區的奧陶系五峰—志留系龍馬溪組富有機質頁巖具有高含氣性，呈現良好的頁巖氣資源前景，是未來頁巖氣勘探開發的重要領域（張娣等，2019；楊平等，2019；熊小輝等，2019；汪正江等，2020），而部署頁巖氣參數井是進一步認識和評價研究區頁巖氣前景及資源規模的重要手段。顯然，使用地球物理探測方法來揭示頁巖氣參數井深部巖溶構造的發育情況就顯得尤為重要。

目前，針對深度小于500 m 的巖溶目標體，常用的地球物理方法有電阻率成像法、地質雷達、可控源音頻大地電磁法、高精度重力、（淺層）地震等，研究人員利用這些方法進行組合探測研究，獲得了較好的探測效果（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，還包括其它地球物理方法來對巖溶進行探測，如瞬變電磁法、電場選頻法、自然電場法、充電法（陳清禮等，2005；陳玉玲等，2013；楊天春等，2014；陳貽祥等，2018；王橋等，2020），對深度大于500 m 的報道相對較少。然而，頁巖氣尺度的探測深度一般都大于1 km，而巖溶的規模往往僅有數米，同時巖溶的發育并無明顯的規律可循，這就對深部探測的精度提出了更高要求。結合研究區的地質背景（圖1），設計了深部隱伏巖溶的理論模型，進行音頻大地電磁方法的試算，并在已有的頁巖氣調查井位之上進行了方法試驗，認為該方法可以有效識別深部隱伏巖溶。據此，進一步在預選井位開展了音頻大地電磁探測，預測了深部巖溶發育情況，并建議了新井位，實際鉆井驗證了預測的準確性，這就為類似巖溶風險地質背景下的頁巖氣鉆井施工平臺的精細選址提供了方法支撐，同時也拓寬了該方法的應用領域。

圖1 四川盆地及周緣地區碳酸鹽巖分布（a；據陳陣，2017 修改）及研究區巖性柱狀圖（b）Fig.1 Carbonate distribution (a;according to Chen,2017) and lithology column (b) of Sichuan Basin and its surrounding areas

1 研究區地質背景

研究區出露的地層較為齊全，除了石炭系地層缺失，其余地層基本都有沉積。古生界及更老的地層主要出露在背斜的核部，與斷層F1與F2相伴生。中生代地層則多出現在向斜核部位置。早志留世木桿向斜依次沉積龍馬溪組、石牛欄組和韓家店組，志留系厚度可達817～936 m；志留紀末期，受廣西運動影響，志留系有短暫暴露和少量剝蝕；泥盆紀為裂谷盆地形成與演化階段，由南向北逐漸超覆在下古生界之上，且沉積范圍受該時期南北向正斷裂控制（陳宗清等，2007；江青春等，2012；金民東等，2020）。二疊系巖性及厚度分布穩定，二疊系棲霞組（P1q）、茅口組（P1m）灰巖厚度合計455～486 m，在圖2 中，這兩套地層以P1標出；上二疊統峨眉山玄武巖厚320～375 m，樂平組厚約109 m。下三疊統飛仙關組和銅街子組，主要巖性為紫紅色泥巖、粉砂巖（楊平等，2019；張世民等，2005），圖1b 可見各層位的相關巖性。

圖2 研究區地質圖Fig.2 Geological map of the study area

四川盆地及周緣地區廣泛發育了多套碳酸鹽巖（任紀舜等，1999；潘桂棠等，2009），詳見圖1a 中黑色陰影區域，由于不同板塊之間分階段的多向匯聚作用，導致四川盆地周緣地區的碳酸鹽巖大面積抬升并出露至地表（張岳橋等，2011），這就為巖溶的發育提供了良好的基礎條件。當然，圖1a 中所示的是出露至地表的碳酸鹽巖，仍然還有多套碳酸鹽巖隱伏于地下，如木桿研究區一帶就是這樣的典型地區。研究區的巖性柱狀圖表明，在二疊系玄武巖的下面，埋藏著兩套中-下二疊統的茅口組與棲霞組碳酸鹽巖，可見圖1b。

2 方法的適應性分析

已有的資料揭示研究區一帶的二疊系茅口組和棲霞組碳酸鹽巖的埋深約為500～1 000 m，厚度約為450～500 m，而巖溶發育的規模往往在數米以內，且木桿地區的巖溶往往含水。顯然，目標地質體具有“埋深大、規模小”的特點，這可能制約了很多地球物理方法的使用。因此，需要從理論模型和實際模型角度對地球物理方法進行有效性分析，確定該方法的可行性，再進一步指導巖溶探測工作的開展。

2.1 理論模型試算

根據研究區的實際地質情況，設計了一個含巖溶的兩層電性模型（圖3a）。模型參數：第一層介質（h＜400 m）可近似地認為是中高電阻率的玄武巖層，電阻率幅值為1 000 Ω·m，該層位代表了二疊系玄武巖（P2β）；第二層介質（400 m＜h＜1 200 m）可近似地認為是高電阻率的碳酸鹽巖地層，電阻率幅值為3 000 Ω·m，該層位代表了二疊系茅口組（P1m）與棲霞組（P1q）的碳酸鹽巖；在第二層介質中，設計了一個小的矩形狀的含水溶洞，深度為500 m，這代表了碳酸鹽巖地層內發育的巖溶。據此設計的電性模型就與實際地層結構及介質物性具有較好的相關性和一致性。

圖3 理論試算模型及響應Fig.3 Theoretical model and its response

理論試算結果顯示，音頻大地電磁測深方法對含巖溶的理論模型具有顯著的電性異常響應。圖3b 展現的是TM 極化模式的頻率-視電阻率響應，巖溶出露的位置呈現明顯的電性異常突變帶，顯然，這是巖溶引起的視電阻率異常。圖3c 為頻率-相位異常響應，相位異常對巖溶的響應似乎更為突出。當頻率大于2.5 Hz，相位異常為一個隆起異常帶；當頻率為2.5～1.0 Hz，相位異常清晰地顯示為一個橢圓形異常，與巖溶的位置對應良好，顯然這是巖溶的響應。

綜合地看，視電阻率和相位對巖溶的響應，均表現有明顯的“體積效應”，而“體積效應”會在一定程度上“放大”目標地質體的規模（如圖3c），這原本是音頻大地電磁方法的缺點，但對于探測“埋深大、規模小”的目標地質體，無疑是極為有利的。因此，“體積效應”會“放大”原本可能是弱小的異常，形成大的電性異常區，這就會在很大程度上提升音頻大地電磁測深對深部巖溶探測的識別能力。所以，根據音頻大地電磁測深的探測精度與深度關系，以實際地質模型為原型設計了該方法的理論試算模型，正演結果表明音頻大地電磁測深對深部巖溶具有好的響應，是可以識別出深部巖溶的。

2.2 實際模型試驗

前一節的理論模型試算認為，音頻大地電磁對深部巖溶具有顯著的電性異常特征。那么，該方法是否對研究區的深部巖溶有響應，這值得我們進一步探究。研究區的頁巖氣調查井D0，為音頻大地電磁測深方法試驗奠定了良好的基礎。橫穿調查井D0，完成了CC’剖面，剖面全長150 m，剖面方向為EW 向，如圖2，其中，測點距約為25 m，單點測量時間約為60 分鐘，使用的設備是V8 多功能電法工作站。

大地電磁資料的反演理論已經較為成熟，但是否能夠有效識別出“埋深大、規模小”的巖溶，反演方法的選擇就顯得尤為重要。大地電磁反演方法主要包括非線性共軛梯度反演、奧克姆反演、快速松弛反演等（Constable et al.,1987;Smith,et al.,1991;Rodi et al.,2001），并早已實現了三維計算（Siripunvaraporn et al.,2005；Egbert et al.,2012），而這些方法往往會側重于突出宏觀的結構，同時可能會抹去局部異常。顯然，對于識別大尺度的目標地質體，如區域性大斷裂、巖漿巖、殼內高導層等，這些方法具有明顯的優勢，但對于規模小的目標地質體可能就顯得效果不明顯了，特別是深部隱伏的巖溶。為了盡可能真實地還原出深部電性結構，選擇了一維Bostick 反演方法。該方法是利用大地電磁測深曲線低頻漸近線交點的性質建立起來的一種近似變換的反演方法（陳樂壽等，1985），相比其它二三維的反演方法，它沒有多次迭代修改參數等一系列的中間過程，不會損失局部異常，無需考慮模型的光滑程度，或更能直觀反應深部異常體的存在與否。

電性結構模型（圖4a）揭示了已有鉆孔D0 一帶的電性結構特征。地表有一薄層層狀低電阻率層，深部電性結構總體為中高電阻率的塊狀異常，局部地區呈現中低電阻率異常，分別對應R1、R2、R3、R4。然而，這些中低電阻率異常規模不大，常呈現橢圓形，其中，規模最大的是R1 中低阻異常，長軸約20 m，短軸約為10 m，由于“體積效應”導致電性異常往往可能比實際地質體的規模大。根據鉆孔巖心資料，對電性模型進行了標定以及解釋，獲得了解釋模型，如圖4b 所示。顯而易見，這4 個異常（R1、R2、R3、R4）都是分布在二疊系的茅口組（P1m）和棲霞組（P1q）碳酸鹽巖地層中，說明這些中低阻異常很有可能是由含水巖溶引起，因此，我們將其推測解釋為巖溶。此外，鉆孔D0 所穿過的茅口組及棲霞組地層范圍內，巖心完整，沒有發現巖溶構造。同時，這一帶的電性異常為連續分布的中高電阻率異常，可能代表了鉆井D0 附近的巖溶不發育，這與實際的鉆孔資料很好地契合?？偟膩碚f，在研究區已有的鉆井上開展音頻大地電磁測深試驗，獲得的結果與實際鉆孔結果有良好對應關系。

圖4 CC’剖面電性結構及解釋Fig.4 Electrical resistivity and its interpretation of section CC’

理論模型試算和實際模型試驗均表明，音頻大地電磁測深方法可以有效探測深部隱伏巖溶，高阻異常體內不連續分布的中低阻異?？赡苁菐r溶引起的異常，這為后續鉆孔井位布設工作的開展奠定了可靠的基礎。

3 探測案例

擬開展頁巖氣調查井位于圖2 中的預選D1，地質圖揭示了調查區為封閉的向斜構造，核部出露地表的是三疊紀以上的地層，兩翼則是出露了較老地層，包括P1地層，其中就包括了茅口組（P1m）和棲霞組（P1q）的碳酸鹽巖地層。顯然，D1 井位的深部是分布著這兩套發育巖溶的碳酸鹽巖地層，為了摸清其深部巖溶的分布情況，在D1 井位附近布設了兩條音頻大地電磁測深剖面，如圖2 所示，分別為AA’和BB’。兩條AMT 剖面覆蓋了預選井位D1，呈十字形展布，方向分別為EW 與SN 向。單點測量時間在1 小時以上，點距約為25 m，測量的設備為V8。數據的反演同樣是采用Bostick 反演方法，如圖5a，6a 所示。

圖5 AA’剖面電性結構及解釋Fig.5 Electrical resistivity and its interpretation of section AA’

3.1 AA’剖面電性結構

AA’剖面展示了調查區一帶東西向的深部電性結構，電阻率異常以高電阻率異常為主（紅色，ρ＞500 Ω·m），其中分布著多個橢圓型的中低電阻率異常（綠色或藍色，10 Ω·m＜ρ＜30 Ω·m）。在剖面的西側（A’一側），深部存在一個（深）藍色的極低電阻率異常帶（ρ＜10 Ω·m），覆蓋范圍廣，寬約300 m，長約500 m，該異?？赡艹隽藥r溶的發育程度，這很有可能是深部隱伏斷裂的反應，這個斷裂可能對應了圖4 中F2斷裂的分支斷裂。

根據D0 鉆孔資料，對AA’剖面進行了地層標定，獲得了如圖5b 所示的地質解釋模型。如圖所示，AA’剖面的深部為四層結構的向斜構造樣式，包括第四系堆積物（Q）、二疊系玄武巖（P2β）、二疊系茅口組和棲霞組碳酸鹽巖（P1m+P1q）以及最底部的縮頭山砂泥巖（D2st）。在深部的棲霞組和茅口組地層中，分布有多個橢圓形的中低電阻率異常體，呈不連續分布，具有串珠狀產出的特點，我們認為，這規模不大的中低異常體可能是巖溶發育的結果，并在圖5b 中進行了標識。顯然，預選鉆井D1 附近位置的深部可能發育了串珠狀巖溶構造，這意味著預選井位D1 并不是理想的鉆井位置，而D1 兩側則是近似連續分布的高電阻率異常，這可能代表了巖溶構造的不發育，推測是理想的頁巖氣鉆探位置。據此，在圖中相應地標識了2 個建議井位。

3.2 BB’剖面電性結構

BB’剖面顯示了預選鉆井南北向的深部電性結構（圖6a）。電性異常呈兩分性，預選井位D1 以北（靠近B 端一側）呈現為完整的塊體高電阻率異常，D1 以南（靠近B’端一側）呈現碎塊性的高低電阻率相間異常。BB’剖面最南端的深部存在一套規模大、幅值低的低電阻率異常體，以藍色顯示，ρ＜10 Ω·m，寬度大于350 m，厚度大于400 m，異常并未封閉，推測可能是由隱伏構造引起，圖6b 標識為隱伏斷層。

圖6 BB’剖面電性結構及解釋Fig.6 Electrical resistivity model and its interpretation of section BB’

與AA’剖面一樣，我們同樣利用已有的頁巖氣鉆井D0 資料，對BB’剖面進行地層標定，并給出了對應的地質解釋模型圖6b，地層情況也與AA’保持一致，此處不再贅述。很顯然，在預選井位D1，深部發育了串珠狀的低電阻率異常體，特別是在茅口組（P1m）與棲霞組（P1q）地層內，這些局部的低阻體嵌在高阻體內部，規模不大，很有可能是發育的巖溶構造，并在模型上進行了標識，因此，預選井位D1 可能不是理想的頁巖氣井位。在D1 的南側，同樣分布了一系列的低阻體，推測為深部隱伏巖溶，仍然可能不是有利的鉆井位置。然而，在剖面的北段，電性結構則是較為完整，連續分布，并未顯示局部的低電阻率異常體，這可能代表這一帶的隱伏巖溶構造并不太發育，暗示該地可能是理想的鉆井選址地。據此，在圖5b 中給出了2 個有利的建議井位。

3.3 實際鉆探效果及討論

頁巖氣鉆井的最終位置落在了圖6 中的建議井位D2，鉆孔驗證效果良好。一方面，實際的鉆孔D2 進程順利，巖心資料顯示深部并沒有發育大規模的巖溶構造；另一方面，預選井位D1 深部的那些串珠狀低電阻率異?？赡苁前l育的隱伏巖溶，建議井位D2（也是最終井位）有效地避開了規模較大的巖溶，這就在很大程度上說明音頻大地電磁測深是能夠有效揭示深部隱伏巖溶構造發育情況的。直井壓裂試氣工作顯示D2 井日均產氣量達5 000 m3，這就為研究區一帶的頁巖氣資源儲量評價奠定了良好基礎。

音頻大地電磁測深方法可以利用其“體積效應”的特性，一方面模糊了模型體的邊界，另一方面可以放大目標體的規模（楊劍等，2022；郭鏡和夏時斌，2022；萬漢平等，2023），定性地給出深部隱伏巖溶構造的發育情況，這在模型試算的圖3 中有著清晰的顯示。顯然，該方法能直觀有效地揭示深部尺度相對較大規模巖溶的發育情況。此外，即使深部發育了小尺度的巖溶，可能也不會給鉆井工程造成破壞性的影響。綜上所述，雖然該方法可能無法十分精準地刻畫巖溶的發育情況，但可以有效地確認大規模巖溶的有無。

此外，對于存在碳酸鹽巖巖溶發育風險的地區，頁巖氣井位的選址應該盡量選擇高電阻率異常連續分布的區域。探測案例表明，巖溶構造不發育的碳酸鹽巖地層常常具有完整、塊狀或帶狀的高電阻率異常特征，而巖溶構造發育的碳酸鹽巖地層，其深部的電性結構往往是不連續分布的高電阻率異常。分布在高阻體內部橢圓形的中低電阻率異常體往往是巖溶構造引起的異常，特別是那些規模不大的低電阻率異常體。因此，在頁巖氣鉆井精細選址時，應該避開這些不連續的電性異常區，而盡可能選擇連續分布的高電阻率異常區。

4 結論

文本通過理論模型試算以及實際模型試驗，在備選井位附近開展了音頻大地電磁剖面，建議并實施了鉆井，主要獲得了以下認識：

（1）音頻大地電磁測深對深部巖溶具有良好的電性響應，可有效識別深部隱伏巖溶構造。實測音頻大地電磁剖面給出了四個建議井位，在建議井位上的實際鉆孔有效地避開了深部隱伏巖溶構造，進一步確定了該方法的實際可行性。

（2）鉆井的有利區是高電阻率異常連續分布的塊狀或帶狀區域。中低電阻率的巖溶構造往往導致原本成塊或成帶分布（二疊系茅口組和棲霞組）碳酸鹽巖的高電阻率異常體不連續，因此，鉆井選址應該盡量避開這些異常區域，選擇高電阻率連續分布的區域。

致謝：感謝中國地質調查局成都地質調查中心汪正江研究員、劉家洪高工、熊國慶博士等在成文過程中給予的幫助和指導。