四川盆地前寒武系重磁電物性特征與建模

向 葵 嚴良俊 胡 華 楊 輝 文百紅

（①油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室（長江大學），湖北武漢430100；②中國石油勘探開發研究院，北京100083）

0 引言

全世界的主力大油田經長期開發，淺層油氣產量呈下降趨勢，深層油氣的勘探與開發日趨緊迫［1］。在一些國家已發現大量深層油氣藏，如美國油氣井的鉆探深度達到7500m；中國的深層油氣藏主要分布在四川盆地、塔里木盆地和準噶爾盆地，四川盆地和塔里木盆地少數鉆井深度超過8000m［2］。四川盆地安岳特大型氣田的發現，進一步證實了中國元古界—寒武系油氣前景廣闊，中國三大克拉通盆地內的元古界也因此成為油氣勘探的新領域［3］。四川盆地震旦系發育多套烴源巖，是已被證實的含油氣層系；而南華系受裂陷盆地控制，發育優質烴源巖，也成為潛在的深層油氣勘探領域。其中，南華系大塘坡組野外露頭剖面及巖石學測試分析結果證實，川中南華紀裂谷具有發育大塘坡組烴源巖的可能性，對深層油氣勘探具有重要參考價值［4-5］。四川盆地克拉通盆地中—新元古界具備油氣成藏條件，但由于鉆井資料缺乏和深層地震資料品質差，油氣勘探及認識程度較低，油氣資源潛力及分布仍待進一步研究。

重、磁、電方法綜合應用于深部結構探測效果明顯，能夠在地震資料品質不好的地區及深層目標勘探區發揮重要作用［6］。在四川盆地新生界、中生界、古生界的油氣勘探中，前人建立了盆地后寒武系的物性模型，并基于物性成果開展了重磁電勘探。這些工作揭示了深部構造特征，也發現了上揚子地區的油氣潛力［7-8］，在非常規油氣勘探及開發中發揮了重大作用［9-11］。在盆地深層結構研究和油氣勘探中，電磁資料與重力、巖石物性成果相結合，揭示了慈利—保靖斷裂構造的深部特征［12］；電磁資料與地震資料結合，可有效識別火山巖儲層［13］。但四川盆地的基底埋深和起伏有待在已有成果的基礎上綜合地質、地震資料作進一步研究［14］。

在深層構造研究及油氣勘探中，密度、磁化率、電阻率等物性特征仍然是重要基礎［15-16］。在四川盆地深部油氣勘探及評價中，目前鮮見針對前寒武系的密度、磁化率、電阻率等物性方面的系統研究，相關數據缺乏整體性，深層鉆井資料也有限，未能建立該盆地完整的深層巖石物性模型。

本文基于四川盆地前寒武系地層730多塊露頭標本，通過測試獲取了不同地層巖樣的密度、磁化率、復電阻率等原始數據，建立了前寒武系古老地層密度、磁化率、電阻率、極化率等巖石物性模型，為在四川盆地應用重磁電方法進行深層油氣勘探提供了物性資料基礎。

1 前寒武系地質概況

四川盆地作為中國三大克拉通盆地之一，是一個多層系的含油氣盆地，也是中國天然氣勘探開發最具潛力的區域之一［17］。前寒武系作為盆地的基底發育典型的二元結構，包括太古代—早元古代形成的深部結晶基底，以及中—晚元古代形成的褶皺基底［18］。四川盆地前寒武系在不同地區存在巖性、厚度的明顯差異：川東地區以碎屑巖沉積為主，由東往西向盆地內逐漸尖滅；川北地區大巴山一帶也以碎屑巖沉積為主，厚度變化較大，局部缺失；川西地區在西昌、涼山一帶，發育中基性—酸性火成巖和火山碎屑巖，近南北向分布，巖性復雜，厚度變化劇烈。

圖1 四川盆地地質圖及采樣區分布

本次巖石采樣區主要分布于四川盆地的北部、西部和西南部。北部采樣區主要位于漢陰縣、城口縣、鎮巴縣、寧強縣和青川縣，采樣地層主要為上元古界的震旦系（Z）、南華系（Nh）、青白口系（Qb），中元古界（Pt2）、下元古界（Pt1）和上太古界（Ar3），火成巖主要出露流紋斑巖、輝綠玢巖、花崗巖、花崗斑巖、輝長巖等。西部采樣區主要位于雅安市、瀘定縣、康定市、漢源縣和甘洛縣，采樣地層主要為上元古界震旦系、南華系、下元古界和上太古界，巖漿巖主要出露花崗巖。西南部采樣區位于會理縣通安鎮，采樣地層主要為上元古界的震旦系和南華系以及中元古界，火成巖在本區出露花崗巖、輝長巖、閃長巖等。除盆地基底外，前寒武系地層主要包括元古界的震旦系、南華系、青白口系、薊縣系和長城系（圖1）。

2 巖樣采集與測試分析

2.1 前寒武系古老地層巖樣采集

本次物性采樣工作主要在四川盆地周緣古老地層出露區，主要巖性包括砂巖、灰巖、凝灰巖、白云巖、流紋巖、花崗巖、片巖、片麻巖、混合巖等，其統計結果見表1。

2.2 巖樣物性測試與分析

測試前，對采集露頭標本進行鉆取、切磨等加工處理，巖樣直徑為2.5cm，長度為2.5～5.0cm。在干燥條件下測量密度、磁化率，飽和鹽水浸泡后進行復電阻率測量，并對復電阻率測試數據進行處理，得到電阻率和極化率。密度、磁化率取3次測量平均值，復電阻率重復觀測2次且曲線平滑無異常后，保存數據。所有樣品測試完成后，抽取3%的樣品進行密度、磁化率、復電阻率質量檢查。

2.2.1 密度測試

密度測量選用排水法，先用高精度天平測量干燥后的巖心質量，然后將巖心浸入裝水的量筒，記錄浸入前后量筒的讀數差值，得到體積，最后根據質量和體積計算巖樣的密度。

2.2.2 磁化率測試

巖石磁化率主要取決于巖石的礦物成分和礦物含量、巖石結構以及礦物顆粒的大小和形狀等因素。巖石磁化率的測定選用捷克生產的KM-7高精度磁化率儀，靈敏度為1.0×10－6SI，可直接讀取樣品的磁化率。

2.2.3 復電阻率測試與數據處理

巖石復電阻率測試采用四極法，如圖2所示。測量電極為不極化電極，測量頻率范圍為0.01～10k Hz。測量前，采用標準電阻R和標準電容C制成RC并聯電路，對復電阻率測量系統及裝置進行標定，測量的阻抗幅值和相位值與理論值之差應滿足測量誤差要求。

表1 四川盆地前寒武系地層采樣統計表

測量時，通過供電電極A、B向巖石兩端供入不同頻率的交流電，由阻抗分析儀SI1260A 測量巖石兩端M、N 間的電位差（Δ～U）。測量完成后，得到測量頻率對應的阻抗幅值|Z|（Z 為測量阻抗）和相位（φ）。巖樣的電阻率為

式中：S 為巖樣截面積；L 為巖樣長度。

圖2 巖樣復電阻率測量原理圖

Cole-Cole模型是描述巖石復電阻率特性的基本模型，采用零頻電阻率、極化率、時間常數和頻率相關系數等4個參數定量表征［19］。模型復電阻率為

式中：ω 為角頻率；ρ0為零頻電阻率；m 為極化率；τ為時間常數；c為頻率相關系數。在單一形式的Cole-Cole模型基礎上，發展了多種改進模型，如Dias模 型、Debye 模 型、多 個 或 復 合Cole-Cole 模型［20-21］。多個Cole-Cole模型相加的表達式為

式中n是Cole-Cole模型的總個數。本文采用2個Cole-Cole模型（n＝2），其復電阻率為

式中m1、τ1、c1和m2、τ2、c2分別表示激電效應和電磁效應的頻譜參數，即極化率、時間常數和頻率相關系數。對式（4）進行反演可獲得頻譜參數，即零頻電阻率ρ0、極化率m1、時間常數τ1和頻率相關系數c1。這4個頻譜參數反映了巖石的激發極化特性。采用Cole-Cole模型和雙Cole-Cole模型分別對南華系砂巖和震旦系砂巖反演其復電阻率，復電阻率幅值對比見圖3 和圖4。對比可見，對于雙Cole-Cole模型，電阻率幅值在整個測量頻率范圍內擬合效果較Cole-Cole模型更接近于真實數據，表明其反演結果更可靠。

2.2.4 物性參數統計方法

對測量和處理的巖樣密度、磁化率、電阻率、極化率參數進行統計，繪制頻數分布直方圖進行分析，可獲取不同地層、不同巖性標本物性參數的分布范圍及均值，并在此基礎上建立巖石物性模型。這種統計方法在儲層孔隙度、滲透率和巖石重磁電物性參數等統計中應用廣泛［22-23］。這些參數均服從正態分布或近似正態分布。

圖3 南華系砂巖復電阻率幅值反演擬合結果

圖4 震旦系砂巖復電阻率幅值反演擬合結果

假設隨機變量X 服從一個數學期望為μ、方差為σ2的正態分布，記為X～N（μ，σ2），則X 的概率密度函數為

3 重、磁、電巖石物性特征

采集的前寒武系古老地層測試巖樣共730 塊次，對樣本的物性進行統計與分析，得到上元古界、中元古界、下元古界和上太古界不同地層物性參數的正態分布特征，依照不同地層對密度、磁化率、電阻率和極化率等4個參數進行統計，獲取各層位物性參數的均值及其分布范圍，統計結果如表2所示。

根據統計結果，上元古界南華系的密度為2.26～3.00g／cm3；中元古界薊縣系、長城系密度為2.10～3.10g／cm3，分布范圍大；其他地層密度分布相對集中。前寒武系巖石密度平均值范圍為2.58～2.80g／cm3；震旦系陡山沱組砂巖、南華系砂巖密度相對較低；震旦系燈影組灰巖、中元古界及上太古—下元古界火成巖、變質巖密度較高。

因不同地層巖性的差異，磁性差異明顯，變化范圍較大：中元古界武當山群、通木梁群地層磁化率為（0.1～3700.0）×10－5SI，均值達323.0×10－5SI；上太古—下元古界康定群地層磁化率較高，為（4.0～5000.0）×10－5SI，均值達329.0×10－5SI；上元古界地層磁化率為（1.0～10.0）×10－5SI，屬于弱磁或無磁性。

復電阻率測量數據經反演，提取了電阻率、極化率等多個電性參數。根據電阻率統計結果，震旦系燈影組、中元古界、下元古界—上太古界地層具有高電阻率特征，均值達2800～4900Ω·m；震旦系陡山沱組、南華系、青白口系地層具有中—低阻特征。極化率是評價巖石激電特性的關鍵參數，采樣地層中，僅陡山沱組（Z1）砂巖地層具有較高的極化率均值，達23.2%，屬于高極化層；其他地層巖石極化率均值相對穩定，均在10%左右，屬于低極化。

表2 研究區密度、磁化率、電阻率、極化率統計表

4 重、磁、電巖石物性建模

基于表2，建立了前寒武系主要地層物性柱狀圖和重、磁、電物性模型，如圖5所示。

地層巖石物性特征表明，前寒武系地層可劃分為2個密度界面、1 個磁性界面及3 個電性界面（表3）。第一密度界面位于震旦系燈影組與陡山沱組之間，第二密度界面位于南華系與青白口系之間；磁性界面位于青白口系與中元古界之間；第一電性界面位于震旦系燈影組與陡山沱組之間，第二電性界面位于南華系與青白口系之間，第三電性界面位于青白口系與中元古界之間，其中，震旦系陡山沱組砂巖極化率明顯高于燈影組的灰巖、白云巖和南華系的砂泥巖，這也是一個電性參考界面。

圖5 四川盆地前寒武系地層柱狀圖及重磁電物性模型

表3 研究區物性特征及界面關系表

前寒武系沉積巖、火成巖、變質巖之間的物性參數存在較大差異，物性界面較清楚。由此可見，盆地的演化過程控制了前寒武系巖石物性的變化，盆地明顯的物性界面與盆地結晶基底和沉積褶皺基底之間界面一致。物性成果與模型為深入開展疊合盆地重、磁、電場結構特征研究，進行克拉通盆地重磁電資料處理及綜合解釋提供了物性資料基礎。

5 前寒武系重點層位巖石復電阻率響應特征及勘探意義

5.1.2 陡山沱組砂巖復電阻率特性

本次震旦系陡山沱組砂巖巖樣共33塊，具有低阻、高極化的電性特征，標本極化率為6.7%～36.8%，其中，20塊標本極化率超過29%，均值大于23%，屬于高極化，其電性異常特征明顯，統計結果見圖6。

為進一步分析高極化的原因，選取6塊砂巖標本進行礦物全巖組分分析，礦物成分及含量如表4所示。可見砂巖礦物成分中普遍含有黃鐵礦，而且最高含量達到3.6%。圖7和圖8分別為這6塊砂巖的復電阻率幅值和相位測量結果，可見在低

5.1 前寒武系重點層位的地球物理認識

5.1.1 震旦系物性特征

震旦系燈影組（Z2）呈現高密度、高電阻率和低極化率特征，而陡山沱組（Z1）的密度和電阻率相對較低，極化率較高，這兩套地層的密度、電阻率、極化率差異明顯。目前，陡山沱組是深層古老層系的潛在烴源巖層系，震旦系已成為四川盆地深層天然氣的有效儲層，同時也是未來勘探開發的潛力地層，其物性特征為重力和電法勘探提供了很好的物性條件，但仍需進一步加深勘探和認識的程度。頻段（0.01～100Hz），電阻率幅值隨頻率的降低而增大，表現出較強的頻散現象；相位變化幅度明顯，尤其是編號為S24-018 的砂巖，低頻相位最大，表現出較強的激發極化效應。

圖6 陡山沱組砂巖極化率分布直方圖

表4 震旦系陡山沱組砂巖礦物及含量表

圖7 震旦系陡山沱組砂巖復電阻率幅值曲線

圖8 震旦系陡山沱組砂巖復電阻率相位曲線

有學者對富有黃鐵礦的礦藏和油氣藏進行了研究，均認為黃鐵礦與沉積環境密切相關，而且是還原環境下的特征礦物。目前，在油氣研究領域，研究者通過富含黃鐵礦頁巖的電性響應特征尋找或圈定富有機質頁巖甜點區［24-26］；對于砂礫巖儲層，通過砂巖儲層中的黃鐵礦指示含油砂體的分布，并指出黃鐵礦的形成與油氣運移有關［27］。含油氣盆地中的成巖礦物通常具有一定的示烴意義，如鐵白云石、鐵方解石、高嶺石和黃鐵礦等，它們是在油氣生成、運移和聚集過程中形成的，能夠反映油氣的活動方式和賦存狀態［28］。

陡山沱組砂巖黃鐵礦存在富集現象，因此極化現象顯著。這為重磁電勘探發掘了新的評價參數，為深部油氣勘探提供了新思路。

5.2 前寒武系含油氣地層與志留系、奧陶系油頁巖物性對比與認識

根據筆者在川黔地區的物性研究成果［25-26］，下古生界五峰組—龍馬溪組頁巖具有低密度、無磁、低阻、高極化的物性特征，且頁巖普遍含黃鐵礦，具備低阻高極化的電性特征。而上元古界古老地層物性統計成果（表3）表明，震旦系燈影組的灰巖、白云巖具有高密度、無磁、高阻、低極化的物性特征。志留系五峰—龍馬溪組屬于非常規油氣，震旦系燈影組為常規天然氣，兩者密度、電阻率、極化率差異明顯，物性對比鮮明。震旦系陡山沱組泥頁巖作為優質烴源巖，富含特征礦物黃鐵礦，與下古生界多套頁巖層一樣，具有低密度、無磁、低阻、中—高極化的物性特征［29］。

此外，前震旦南華系包括南沱組、大塘坡組、古城組和蓮沱組，發育優質烴源巖，被認為是間冰川期含油氣系統。研究發現，大塘坡組含有錳碳酸鹽巖和黑色碳質頁巖，頁巖礦物組成包括黏土礦物、石英、長石、碎屑石英、巖屑、方解石、白云母、黃鐵礦等，主要為一套陸源碎屑沉積組合，是潛在的油氣勘探領域［5］。南華系露頭標本以砂泥巖為主，具有中低密度、弱磁、低阻、低極化的物性特征，該套地層沒有發生變質或為淺變質，進一步表明該區存在深層—超深層天然氣資源的潛力。

6 結論

本文圍繞中西部地區前寒武系油氣勘探重大需求，以四川盆地為重點，基于古老地層密度、磁化率、復電阻率等巖石物性研究，建立了前寒武系盆地重、磁、電巖石物性模型，為發揮巖石復電阻率在油氣勘探中的獨特作用提供了基礎。具體來說，可以得出如下結論：

（1）開展四川盆地前寒武系古老地層巖石物性標本的采集與測試工作，較全面地獲取了不同地層、不同巖性標本的密度、磁化率和復電阻率原始數據，完善了四川盆地前寒武系重、磁、電勘探的基礎資料。

（2）基于密度、磁化率、電阻率和極化率參數的統計與分析成果，總結了前寒武系的巖石物性及界面特征，建立了四川盆地前寒武系的重、磁、電物性模型，為該盆地重磁電資料處理及綜合解釋提供了有效的巖石物性數據。

（3）首次發現四川盆地下震旦統陡山沱組砂巖具有高極化的特征。研究證實，黃鐵礦是砂巖產生高極化的原因，由于黃鐵礦的形成及其電性異常特征與油氣運移有關，據此可判斷曾經發生過油氣生成、運移和聚集。該發現為進一步將復電阻率數據應用于該區油氣勘探提供了新的思路。