大地電磁測深在固市凹陷基底探測與氦氣勘探中的應用

張瑾愛， 周少偉

(陜西省礦產地質調查中心，西安 710000)

0 引言

渭河盆地是位于秦嶺造山帶和鄂爾多斯盆地交接部位的新生代斷陷盆地，在渭河盆地內有豐富的地熱水資源和天然氣資源，而且天然氣資源的成分和成因都不盡相同[1]，其中包括氦氣等天然氣資源，氦氣是一種稀有的惰性氣體，是國防軍工和高科技產業發展不可或缺的戰略性物資之一，其需求量隨著高科技產業的發展與日俱增[2]，本次對其渭河盆地內部固市凹陷進行系統深入的研究，分析其深部基底結構，為氦等天然氣資源的有利選區提供借鑒。

渭河盆地地處有利的區域地質環境，使得渭河盆地熱水資源、油氣資源較為豐富，在該地區開展過很多基礎調查和勘探工作，工作程度相對較高，主要是覆蓋全區的1∶200 000重力調查，其中有部分大比例尺的重力剖面；渭河盆地磁測工作主要是1∶200 000 航空磁測，局部地區有1∶50 000 航磁調查，部分有大比例尺的地磁剖面；早期在渭河盆地做過10條視電阻率剖面，后來在渭河盆地扶風-咸陽、戶縣-蒲城、周至-新安一帶開展過大的電磁測深工作；在渭河盆地凹陷主體位置開展過地震反射剖面探測和二維地質勘探工作，對渭河盆地的蓋層和基底有了初步的二維速度結構，在2013年-2015年期間，開展完成兩條二維地震剖面[3-4]，前面敘述的物探工作僅局限于較淺區域，對于深部研究較少，能夠涉及到基底的物探工作更少，但2013年-2015年開展的這兩條地震剖面對本次研究工作具有重要的參考意義，其他一條二維地震剖面正好穿過本次研究區，對本次利用大地電磁測深資料利用電阻率劃分地層層位具有很好的約束作用。

在油氣勘探方面，渭河盆地一直受到高度重視，在其內部已經開展了很多不同程度的勘探[5]，勘探結構顯示渭河盆地地熱井廣泛伴生有富氦天然氣[6-9]。總結前人認識，固市凹陷含氦天然氣主要以殼源氦為主，但有少量幔源氦加入的富氦天然氣[8]，并具有較高含量的幔源甲烷；該地區甲烷氣具有兩種成因類型：①淺部氣層為新近系張家坡組生物成因氣，源巖為張家坡組泥巖，中深部天然氣來自前新生界煤型熱解-裂解氣；②伴有CO2氣成因。利用生氣率法和生聚系數法，計算固市凹陷張家坡組生物氣總生氣量為23.61×1012m3，總資源量為5 460×108m3，評價表明固市凹陷具有較大的生物氣資源潛力和勘探前景[9-10]。還有前人認為渭河盆地殘留有厚度較大的古生界地層，有可能在上、下古生界地層中發育有天然氣的多套富集成藏組合[11]。在渭河盆地由于沉積層較厚，又沒有鉆遇基底的深鉆，對于固市凹陷深部地質結構和基底特征不明，為了更好地了解渭河盆地固市凹陷深部結構和基底特征，故本次在固市凹陷布設大地電磁測深剖面工作，為下一步氦氣等油氣勘探提供借鑒。

1 地質概況

渭河盆地地處秦嶺板塊、華北板塊和揚子板塊的交界過渡位置，經過長期的構造演化作用，該處經受的大地構造作用頻繁，與它的形成和發展有密切關系。渭河盆地是鄂爾多斯盆地和秦嶺造山帶之間的一個走向呈東西向展布的新生代盆地[1-2,5]。固市凹陷位于渭河盆地東北部，南部以渭河斷裂與臨藍凸起相隔，西部以涇河斷裂與咸禮斷階相鄰，北部以口鎮-關山斷裂與蒲城凸起為界，面積約5 200 km2[3-4](圖1)。

圖1 固市凹陷構造及大地電磁測深剖面布置圖Fig.1 Layout of structure and MT sounding section in Gushi depression

固市凹陷地表為第四系覆蓋，地層從上到下主要有秦川群、三門組、張家坡組、藍田-灞河組、高陵群，巖性以砂泥巖為主；中生界沉積砂巖與頁巖；古生界以灰巖、頁巖為主。新近系張家坡組泥巖是本次油氣勘探主要層位[8-10,12]。

2 大地電磁測深工作布置及處理反演

為了深入研究固市凹陷深部基底結構構造特征，在該區域布置了兩條大地電磁測深剖面(D1和D2剖面)，兩條剖面走向為近南北向和近東西向，這兩條剖面近垂直，長度分別為63 km和134 km。

本次研究區內收集到的鉆孔地層電性特征如下：新生界地層的電阻率平均值最低，其平均數值在幾十歐姆米左右，其次為中生界地層，平均數值為700 Ω·m；而古生界及太古界地層電阻率相對較高，分別為2 416 Ω·m、2 035 Ω·m；元古界地層的電阻率最高，其平均數值大于8 000 Ω·m。由收集到的地層物性特征可知，在渭河盆地內，新生界沉積地層與基底其他地層電性差異較大，為該區開展大地電磁測深工作提供物性基礎。

本次大地電磁測深工作采用加拿大鳳凰公司生產的V5-2000型儀器，大地電磁工作點距為500 m，野外采用手持GPS導航至設計點位，遇不利地形時，測點位置可選擇在地形平坦遠離電磁干擾源的地方，但偏移距不超過500 m。在偏移過程中保持各測點的連續性。觀測裝置以十字型裝置為主，在原始資料計算處理階段主站測量數據采用主站電道、主站磁道進行計算，分站測量數據采用分站電道、主站磁道進行計算。為了進一步提高原始數據質量，本次引入遠參考道大地電磁觀測技術。本次大地電磁測深數據處理反演采用MTsoft2D軟件進行，對大地電磁測深數據預處理、靜態位移校正與地形改正、反演、解釋等[11-12](圖2)， 得到剖面的電阻率斷面圖。其中在利用MTsoft2D軟件進行反演過程時，一維BOSTICK反演結果可作為二維NLCG反演的初始模型參與進一步反演，最終得到電阻率斷面圖，通過地下電性分布規律，用以揭示地下深部地質結構。

圖2 大地電磁法數據處理與反演流程圖Fig.2 Data processing and inversion flow chart of MT method

3 反演結果定性分析與定量解釋

3.1 電性特征

對固市凹陷的兩條大地電磁測深剖面的視電阻率反演結果進行定性分析，了解其對應的不同構造單元不同地層的電性特征以及變化規律。

大地電磁測深D1剖面橫穿固市凹陷，走向為近南北向，該剖面與固市凹陷構造走向幾乎垂直，圖3為D1剖面二維視電阻率反演斷面圖，從圖3可以看出,電阻率斷面具有較好的縱向分層、橫向分段的特征。在縱向上，存在很明顯的上低下高的電阻率特征，它們之間分界清晰，從地表往深部，電性呈現低阻-高阻的特征，低阻最深可達7 km左右，位于20 km處的固市東部，在橫向上，整條剖面低阻呈現中間厚、兩邊薄，呈現南陡北緩的特征，向北緩慢抬升，在50 km處往北無低阻存在，該低阻形態與固市凹陷的凹陷形態相對應，南部高阻對應北秦嶺褶皺帶，北部高阻對應蒲城凸起，中部高阻對應固市凹陷的深部基底特征。渭河以南深部呈近乎直立的高低阻相間的電阻特征，與基底斷裂中的裂隙水有關。

圖3 D1剖面大地電磁測深二維反演斷面圖和綜合解釋推斷圖Fig.3 The map of 2D inversion section of MT in section D1 and comprehensive interpretation and inference(a)視電阻率反演斷面圖;(b)綜合解釋推斷圖

大地電磁測深D2剖面橫跨固市凹陷，走向為近東西向，該剖面與固市凹陷構造走向幾乎平行，圖4為D2剖面二維視電阻率反演斷面圖，從圖4可以看出,電阻率斷面具有較好的縱向分層、橫向分段的特征。在縱向上，從地表往深部，電性呈現低阻-高阻的特征，低阻最深可達7 km左右，在橫向上，整條剖面低阻呈現中間厚，兩邊薄的特征，與固市凹陷的凹陷形態相對應，高阻對應固市凹陷的深部基底特征。

圖4 D2剖面大地電磁測深二維反演斷面圖和綜合解釋推斷圖Fig.4 The map of 2D inversion section of MT in section D2 and comprehensive interpretation and inference(a)視電阻率反演斷面圖;(b)綜合解釋推斷圖

從D1、D2這兩條剖面反演結果可以看出，固市凹陷內部電性結構分為四層，具體各層特征如下：

1)第一層視電阻率值在10 Ω·m左右，視電阻率等值線較為連續，深度為0 km～1.5 km，該層反映第四系沉積層。

2)第二層視電阻率值在1 Ω·m～10 Ω·m之間窄幅波動，視電阻率等值線總體連續，其中有等值線曲線較大扭曲現象，可能是由于斷裂影響，深度約1.5 km～5.5 km，該層顯示了沉積地層的基本特征，反映新近系地層，該地層較厚。更低的視電阻率可能與富水程度較高等有關。

3)第三層視電阻率值相對較高，一般幾十歐姆米，深度約5.5 km～7 km，該層為過渡層，反映古近系地層。

4)第四層7 km以上的高阻層，視電阻率值可達數百歐姆米，等值線不連續，反映較為復雜的基底特征，地層變化較大，一般為古生界或太古界地層。

3.2 綜合解釋及地質成果

為了進一步研究固市凹陷內地層及基底的地質結構情況，利用收集到的井位(渭參4、渭深14)資料(表1)、二維地震資料[11](圖5)作為約束，并結合地質情況對大地電磁測深反演剖面進行綜合解釋。

圖5 渭河地區固市凹陷近南北向地震剖面Fig.5 Near-north-south seismic profile of Gushi sag in Weihe area

表1 收集井位參數表

綜合上述資料分析解釋，對固市凹陷進行層位劃分，各個地層具體劃分如下(表2)：

表2 固市凹陷主要地層地球物理特征參數表

1)第四系(Q)：從反演結果可知，整個固市凹陷均被具有一定厚度的第四系地層覆蓋，厚度從300 m至1 100 m不等，與前人認識一致，南北向上地層整體反映為南厚北薄的特征，南部最大厚度近1 100 m，北部最薄處厚度小于300 m。東西向上，地層薄、厚相間，其中櫟陽附近、田市-孝義一帶第四系覆蓋層較薄，分別為250 m、380 m，最厚處位于涇陽-永樂一帶及蘇村-陽村一帶，厚度約為1 100 m。渭參4井揭示該層厚度為1 295 m，北部的渭深14井揭示厚度為491 m。

2)新近系張家坡組(N2z)：南北向上表現為三角洲-湖泊的沉積體系，地層厚度整體具有南厚北薄的特征，渭參4井揭示該層厚度為849 m，北部的渭深14井揭示厚度為584 m；剖面顯示在固市凹陷最大沉積厚度為1 170 m，蒲城凸起北邊被剝蝕至180 m。東西向上該層表現為兩端薄、中部厚的特征；西端涇陽一帶最薄厚度約700 m，東部的孝義鎮-新安村之間厚度約為1 500 m，中部的櫟陽鎮-固市鎮之間厚度增大到2 400 m左右，最大厚度約為2 500 m，位于橋鎮附近，底界面最大深度為1 910 m。地層巖性主要為灰綠色泥巖、含砂泥巖夾疏松的砂泥巖。

3)新近系藍田-灞河組(N2l+N2b)：南北向上剖面反映該組地層與張家坡組具有相似的地質結構，總體表現為北薄南厚的特點，渭參4井揭示該層厚度為580 m，北部的渭深14井揭示厚度為292 m；剖面顯示該層最大厚度為770 m左右，在蒲城凸起高部位被剝蝕至240 m。東西向上該組地層沉積厚度較為穩定，約為1 000 m左右，最厚處位于相橋鎮附近，厚度為1 100 m；該組地層底界面最大深度約2 680 m。地層主要為粘土和砂質粘土。

4)新近系高陵群(N1gl)：南北向上該層厚度變化較大，固市凹陷最大厚度為1 470 m，向北凸起部位超覆減薄，北部被藍田-灞河組剝蝕至120 m。東西向上該組地層受下伏古近系地層控制，沉積厚度較為穩定，基本在900 m～1 000 m之間，相橋鎮附近最大厚度約為1 470 m，底界面最大深度4 150 m。沿剖面線方向(東西方向上)厚度變化不大，基本在900 m～1 000 m之間，相橋鎮附近厚度稍厚約1 400 m，底界最深約6 100 m。北部的渭深14井揭示該組地層厚度為572 m(未穿)。

5)古近系：收集到的兩口鉆井均為打到古近系，該層及以下地層厚度及深度主要受二維地震解釋結果進行約束，南北向剖面上，反映古近系只在凹陷主體發育，基本表現為南厚北薄的特征，最大厚度為3 700 m，向北底部超覆頂部剝蝕減薄，最大厚度為1 160 m，在蒲城斷階帶上沒有接受沉積。東西向上該層厚度變化較為穩定，厚度最大約為1 400 m，位于固市鎮附近，底界面最大深度為8 100 m；在D1和D2剖面交匯處，由大地電磁測深剖面推斷古近系地層底界面深度為8 100 m左右。古生界及以下地層：電性層呈現高阻特征，以田市為界，兩側的電性特征明顯不同，顯示存在基底斷裂。

6)上古生界：固市凹陷古生界最大厚度位于凹陷中部，最大厚度為2 420 m，受控于渭河和蒲城斷裂，蒲城凸起沒有接受上古生界的沉積，蒲城凸起現今賦存下古生界，最薄為470 m左右，上古生界底界最大埋深為9 100 m。

7)下古生界：該套地層在固市凹陷全段均有殘留，一般厚度在300 m～1 200 m左右，相對較為穩定，最厚處位于興平附近。下古生界底界最大埋深為10 300 m。

從D1、D2剖面綜合解釋推斷圖(圖4(b))上，可以看出固市凹陷東西向新生界沉積較為穩定，秦嶺北緣斷裂(F1)和乾縣-富平斷裂(F4)在剖面上共同控制了固市凹陷的沉積、演化。固市凹陷從第四系到古近系均有沉積，整體表現為中部厚、東西兩側變薄的特征，凹陷主體位于固市附近即高陵-孝義鎮之間，新近系地層底界最深為6 100 m，古近系地層底界最深為8 100 m。由于古生界與元古界地層的電性差異較小(高阻反映)，剖面上未加劃分，剖面東、西兩端未到固市凹陷邊界。

5 結論

通過本次研究，可知固市凹陷新生界沉積厚度約為8 100 m，遠深于西安凹陷的6 600 m[11]；新近系和古近系厚度分別為4 800 m和4 000 m，顯示固市凹陷有巨厚的古近系沉積；固市凹陷的沉積中心位于相橋-固市-大荔一帶；核心部位存在上古生界石炭-二疊系，北部缺失上古生界，基底為下古生界碳酸鹽巖類，其余地區基底為上古生界；固市凹陷張家坡組發育巖性主要為深湖相泥巖、粉砂質泥巖，厚度大可達400 m～900 m，為凹陷區內甲烷氣的重要烴源巖。