川東地區大地電磁法在富鉀鹵水研究中的應用

趙文龍，王緒本，張 兵，岳云寶，朱紅錦，黃 濤

（1．成都理工大學 地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059；2．四川省地質礦產勘察開發局 物探隊，四川成都 610072）

川東地區大地電磁法在富鉀鹵水研究中的應用

趙文龍1，王緒本1，張 兵1，岳云寶2，朱紅錦1，黃 濤1

（1．成都理工大學 地球探測與信息技術教育部重點實驗室，四川成都 610059；2．四川省地質礦產勘察開發局 物探隊，四川成都 610072）

川東地區三疊紀富鉀鹵水資源是近年來我國鉀鹽尋找主要的遠景區之一，近年來成為富鉀鹵水研究和前期勘探的重點。該區域位于四川東部宣漢地段，屬大巴山與華鎣山構造人字形交接的西區復合部位。通過對測區內的大地電磁數據進行二維反演，對比不同模型的正演模擬，分析該地區的巖礦石電磁特征屬性和所測得的電磁曲線，并對該地區的巖礦石進行了巖石物性分析，結合地質、古水文地質以及測井資料等，初步圈定了四川東部富鉀鹵水的縱向分布層位和分布特征以及橫向上的變化等，為下一步工作中富鉀鹵水資源量估算奠定了基礎。

川東地區；三疊系；富鉀鹵水；大地電磁

0 前 言

四川盆地下中三疊統嘉陵江組的T1j4、T1j5－T2j1以及中三疊雷口坡組的T2j1，一直是我國尋找富鉀鹵水的重要地區和層位。大地電磁測深法，是一種利用天然交變電磁場為場源，以目標礦物與周圍巖礦物的電性差異作為基礎，通過電磁波在目標礦物和周圍巖礦物的不同反映，利用地表儀器測量觀測，研究地下不同地層的電性結構，進而劃分地層、斷裂帶等構造的一種地球物理方法。富鉀鹵水所存在的地層與周圍地層相比，表現為低阻，正是利用這一點，將大地電磁測深法引入其中，并作為一種重要的探明富鉀鹵水儲層的地球物理方法之一，對目標地層的富鉀鹵水資源量評價有至關重要的作用，并對其他地區的富鉀鹵水探測具有現實指導意義。

1 區域地質概況

宣漢地區位于四川盆地上揚子地臺東北部川東高褶背斜帶東北段，該區經過復雜的地質構造運動，形成了大量的十分復雜的逆沖斷層和褶皺［1］。該區主要構造為黃金口背斜，雙石廟背斜，華鎣山復式背斜，棺木寨向斜，鐵山背斜，鳳凰山向斜，景市廟向斜，秦家河背斜，其中富鉀鹵水構造位于宣漢縣北部地區雙河、土主、胡家、黃金口一帶，隸屬于由大沙壩、鐵山坡、羅家坪、黃家灣等四個背斜構造組成的北西南東向復合構造，俗稱“黃金口背斜群”。

黃金口背斜群位于宣漢縣雙河場－官渡場地區，構造變化較之地表地質構造變化更為復雜，而富鉀富鉀鹵水帶便位于該構造帶之中。

自地表至地層較深處，可分為三個相互獨立的構造層，其中富鉀鹵水層位于中構造層，包含的地層為下、中三疊統的嘉陵江組和雷口坡組地層，主要表現為碳酸鹽巖與蒸發巖互層組合，碳酸鹽巖具有剛性，并夾于大套蒸發巖之中，厚度不大，因而在早期構造變形中容易產生裂縫、錯斷，構造發育復雜，為富鉀鹵水儲集提供了運移通道和空間［2］，是該地區主要含鹵水層。其上主要為嘉陵江組以上地層，構造變化與地表構造面基本相同，其下主要為二疊系以下地層，斷層、褶皺發育十分成熟，構造更為復雜。

圖1 研究區主要構造和大地電磁測線位置Fig．1 The main structure of the study area and magnetotelluric line position

2 大地電磁方法

2．1 大地電磁法簡述

大地電磁法是以天然電磁場為場源來研究地球內部電性結構的一種重要地球物理手段，主要在地面上一點或多點同時觀測天然變化的、互為垂直的電磁場水平分量，用以探測地球內部的電性構造。根據地下不同介質對電磁場的電磁感性現象，進而獲取地下不同深度介質電性結構信息［4］。

根據趨膚深度公式可以知道頻率越低電磁波傳播越深，所以可以根據在地表觀測電場（Ex、Ey）和磁場（Hx、Hy）信號，在均勻各向同性介質中，得到關于地下介質電性特征。

式中：Z表示波阻抗，Ω；ρT為介質電阻率，Ω·m；T為周期，s；Ex、Ey、Hx、Hy為地面上互相正交地磁場分量的振幅。

其中：ρ為介質電阻率，Ω·m；T為周期，s。

2．2 大地電磁測深正演模擬

大地電磁測深正演問題的基本理論是建立在Maxwell方程組的基礎上的，是大地電磁反演的基礎。對于簡單的一維層狀介質模型，大地電磁場具有解析解；而對于較為復雜的一維連續介質或更為復雜的二維、三維介質模型，大地電磁場則沒有解析解，只有借助數學方法所得到的數值解。常用的大地電磁測深正演數值模擬的方法主要有有限單元法、有限差分法、邊界單元法、混合法和積分方程法等，本次正演模擬采用了曲邊四邊形有限差分法。

有限單元法是將研究區域剖分成互不重疊的多邊形（本次為四邊形）單元網格。對每一個單元格，用結點處的場值來表示的插值函數來逼近每個單元內的場分布，從而將求泛函極值問題轉變成求多元函數的極值問題。有限元單元法首先是將連續場域離散化，建立離散單元模型，然后進行單元分析和總體合成，最后求解總剛度矩陣方程獲得場的分布。

所設計模型為褶皺模型，軸向90°左右，上覆地層電阻率1 500Ω·m，中間一層薄的低電阻地層電阻率200Ω·m，地層深處電阻率2 000Ω·m，網格剖分0．3*0．5 km。對此模型進行正演計算和反演成像，對比其TE和TM模式的電阻率圖，進行分析。

通過以上模型，分析判斷其正反演結果（圖2），

圖2 褶皺模型正演（左）、反演（右）TE和TM電阻率Fig．2 Fold forward modeling（left），inversion（right）TE and TM resistivity

用P來表示電磁波的穿透深度有可以看出對于褶皺背斜而言，正演結果的TE、TM模式相差不大，RRI反演結果TE模式響應較之TM模式更為準確，基本反映出目標地阻層，位于對數頻率－3～2．5之間（即0．001Hz～320 Hz），而電阻率值在138Ω·m～1 954Ω·m之間，與模型設計的100Ω·m～2 000Ω·m很接近，且達到模型電阻率分辨要求。總體而言，對水平方向或偏水平方向的地質體來說，TM模式的視電阻率反應不如TE模式；而在縱向上的變化，大地電磁正演的TE模式電阻率較TM模式更好，且TE模式視電阻率可以更好地反映出斷層的傾向和位置。

3 大地電磁在測區內的應用

3．1 電性分析

3．1．1 巖石電阻率特征分析

通過采集的野外巖石標本進行測量，獲取原始數據，川東地區巖電特征分析如下：

1）灰巖與白云巖的電阻率最高，可達2 500 Ω·m以上，鈣質泥巖和膏鹽蒸發巖，碳酸鹽巖，包括灰巖、白云巖與膏巖互層，也呈高阻特征。

2）沉積碎屑巖、煤泥質烴源巖和砂巖，電阻率介于中高阻之間，表現為中高阻層。

3）砂巖的電阻率介于300Ω·m～3 000Ω·m，電阻率具有中阻特征。

4）部分砂巖，長石石英砂巖、巖屑長石石英砂巖、淺灰色長石巖屑砂巖及巖屑砂巖等，表現為中低－低阻層。

5）砂質泥巖與泥巖電阻率最低，一般小于150 Ω·m。

表1 研究區巖石電阻率（露頭小四極）統計表Tab．1 Statistics of average formation resistivity of the study area（outcrop small quadrupole）

3．1．2 地層電阻率特征分析

通過曲線類型分析，并結合物性特征，確定研究區地層由6個電性層組成（表2），各電性層具有以下電性特征：

1）第一電性層：三疊系飛仙關組，主要巖性為白云巖，又分為結晶白云巖、粒屑白云巖和微晶白云巖，表現為高阻層。

2）第二電性層：上三疊統雷口坡組、嘉陵江組，雷口坡組主要巖性以泥質白云巖為主，伴有鈣質泥巖和膏鹽蒸發巖，嘉陵江組以碳酸鹽巖沉積為主，包括灰巖、白云巖與膏巖互層，均呈高阻特征；若地層中富含鹵水，呈現高阻中的低阻特征。

3）第三電性層：須家河組，該組巖層有在地表有大量裸露，主要巖性為沉積碎屑巖、煤泥質烴源巖和砂巖，表現為中高阻層。

4）第四電性層：珍珠沖組到新田溝組，主要巖性為砂巖，表現為中低阻層。

5）第五電性層：沙溪廟組，主要巖性為灰白色長石石英砂巖、巖屑長石石英砂巖、淺灰色長石巖屑砂巖及巖屑砂巖等，表現為中低－低阻層。

6）第六電性層：遂寧組，要為一套濱淺湖相鮮紫紅色泥巖、粉砂質泥巖與薄層狀鈣泥質粉砂巖韻律互層組合，表現為地阻層。

表2 地質斷面與地電斷面對比表Tab．2 Comparison of geological cross－section and geoelectric section

3．2 大地電磁測深曲線分析

大地電磁測深電阻率曲線的曲線形態變化，既能反映地下電性層隨深度的變化，又能反映測點及測點附近地下結構的電性不均勻。通過觀察對比單點曲線和橫向上各測點之間的曲線類型變化，可以得到測區內縱向上的電性分布特征和地層在橫向上的電性變化特征。

根據測區內的巖石物性特征和地層分布情況，由于本次研究所探測的深度在5 km以內，而根據大地電磁（MT）和音頻大地電磁（AMT）測量頻率不同探測深度也不下相同。音頻大地電磁頻率測量范圍為10 000 Hz～0．1 Hz，而大地電磁的頻率測量范圍為320 Hz～0．001 Hz，音頻大地電磁測深范圍可達2．5 km左右，大地電磁則主要研究5 km以內的地層電性特征，因此本次測量采用大地電磁（MT）和音頻大地電磁（AMT）。本次測量中，音頻大地電磁測量點距為300 m，大地電磁點距1 500 m，由于10 000 Hz～320 Hz頻段缺失，故測量結果表現為音頻大地電磁較大地電磁對中阻層和低阻層地層分辨率更優，對大地電磁反演結果可作為對比驗證。

3．2．1 單點測深曲線分析

測線呈北西－南東走向，穿越胡家鎮與花池鄉，全長45 km，起點（南東端點）：N31°22′03．2″E107° 49′58．9″；終點（北西端點）：N31°39′13．5″E107°29′49．8″。

測線南東段曲線類型總體變化不大，呈HKH型曲線，在測線的北西方向局部分布似HKH型曲線，測線右段曲線類型主要呈似HA型，通過單點測深曲線和相位斷面圖的分析，結合測區的內的巖石物性測試結果，可將測區內的地層按電性特征不同分為6個不同的電性層，電性層劃分和各地層間的關系見表2。

3．2．2 大地電磁測深曲線定性解釋

結合地質、鉆井等信息，綜合研究相位圖和視電阻率斷面圖（圖3），初步探討斷裂的展布規律等，劃分地電斷面，為進一步的地質地球物理綜合解釋提供了可靠的依據。

通過以上工作，綜合分析后確定研究區由6個電性層組成（圖4），從頂至底首先為低阻層的遂寧組，其泥巖含量較高，局部夾砂質成份，因此電性特征表現為低阻；往下沙溪廟組，以泥巖，砂泥巖互層為主，表現為中低－地阻層；再往下的珍珠溝組到新田溝組作為同一電性層，因其以泥巖為主，含部分砂巖，因而表現為中低阻特征；其下為須家河組，以砂巖為主，含少量泥巖，夾有煤系地層，表現為中高阻特征；再往下由雷口坡組和嘉陵江組組成，作為目標層，巖性中不僅白云巖和灰巖較發育，膏鹽巖也比較富集，以局限－蒸發臺地為沉積背景，作為富鉀鹵水的主要物質來源，因研究區斷層與裂隙相對發育，內部運移通道聯通性較好。富鉀鹵水層巖性雖以白云巖、灰巖和膏鹽巖組成，但因其含水，故電性特征為中阻，埋藏深度約在3 400 m～4 100 m之間，由圖4可知，以上推斷結果與川25井鉆探結果劃分的層系非常吻合，可確定本次大地電磁法在富鉀鹵水的試驗中是非常成功的；最底層飛仙關組為高阻特征，巖性主要為白云巖，含少量鮞粒灰巖。

4 結論

通過對測區內的大地電磁（MT）、音頻大地電磁（AMT）測量，并對測區內地層進行巖石物性分析，結合地震、地質剖面等區域地質資料，可以得出：測區內的地下3 400 m～4 100 m的雷口坡組和嘉陵江組，巖性表現為灰巖、白云巖和膏鹽巖為主，電性上表現為高阻中的低阻，為此次勘察的目標層－富鉀鹵水層，并通過川25井得到了很好的驗證。本次開展的大地電磁法在尋找富鉀鹵水的應用非常成功，可為后人的研究提供了新的思路和方法。

圖3 剖面大地電磁視電阻率和視相位斷面圖Fig．3 Profile magnetotelluric apparent resistivity and apparent phase cross－sectional view

圖4 川東宣漢地區音頻大地電磁（AMT）和大地電磁（MT）測量勘探成果圖Fig．4 The east Sichuan Xuanhan audio magnetotelluric（AMT）and magnetotelluric（MT）measurements exploration results map

［1］ 朱揚明，王積寶，郝芳，等．川東宣漢地區天然氣地球化學特征及成因［J］．地質科學，2012，43（3）：518－532．

［2］ 林耀庭．四川盆地三疊紀鹵水成藏條件［J］．化工礦產地質，2001，23（1）：22－23．

［3］ 李亞文，蔡克勤，韓蔚田．四川盆地三疊系蒸發巖的變質作用與富鉀鹵水的成因［J］．現代地質，1998，12（2）：222－228．

［4］ 邱林．AMT法在某鐵路隧道工程勘察中的應用［J］．勘察科學技術，2011（6）：44－47．

［5］ 林耀庭，姚有成，康正華，等．四川宣達鹽盆富鉀富礦鹵水地球化學特征及資源意義研究［J］．鹽湖研究，2004，12（1）：8－18．

［6］ 林耀庭，趙澤君．四川盆地三疊系鹵水儲集層特征及其富集規律的研究．［J］．四川地質學報，1999，19（2）：138－143．

［7］ 林耀庭，何金權，葉茂才．論四川盆地下中三疊統成鹽模式及找鉀方向［J］．化工礦產地質，2003，25（2）：77－83．

［8］ 魏士俊，孫付川．大地電磁測深法在蜈蚣山隧道勘察中的應用研究［J］．內江科技，2012，9：123－124．

［9］ 唐海，汪全林，彭鑫嶺，等．川東宣漢地區飛仙關組裂縫特征及成因研究［J］．西南石油大學學報：自然科學版，2011，33（4）：78－86．

［10］黃磊，余東俊，裴尼松．大地電磁（MT）測深在鎮巴地區的應用［J］．化工礦產地質，2009，31（3）：180－182．

［11］張振宇，王緒本，方慧．龍門山構造帶中段大地電磁測深研究［J］．物探與化探，2012，36（3）：377－381．

The application on the magnetotelluric sounding method in study of brine rich in potassium of Sichuan eastern area

ZHAO Wen-long1，WANG Xu-ben1，ZHANG Bing1，YUE Yun-bao2ZHU Hong-jin1，HUANG Tao1
（1．Key Laboratory of Earth Exploration and Information Technology of MOE，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2．Sichuan Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Geophysical Team，Chengdu 610072，China）

In recent years，it is one of the main prospect areas in Triassic brine rich in potassium resources in the east of Sihuan Basin，which is an important region in recent years of the study and exploration of brine rich in potassium．This area is located in the Xuanhan county of Sichuan eastern，where is the west composite part of Dabashan mountain and Huayingshan tectonic herringbone area．According to the two－dimensional inverse of magnetotelluric，comparing with the different forward modeling，and analyzing electromagnetic characteristic properties of rock ore and the measured electromagnetic curve in this region．At the same time，analyzing the physical properties of rock，combining with the geology，paleo hydrogeology and logging information，we preliminary delineate the potassium longitudinal distribution of strata，distribution characteristics and lateral changes，etc，in the east of Sichuan basin，and work for the next step to do the basic for the rich brine potassium resources estimation．

the east of Sihuan basin；triassic；potassium－rich brine；potassium-rich brine

P 631．3＋25

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2014．05．08

1001-1749（2014）05-0560-06

2014-02-25 改回日期：2014-07-23

中國地質調查項目（1212010011803）

趙文龍（1988－），男，碩士，主要從事電磁法數據處理研究，E-mail：972722766＠qq．com。