川东地区大地电磁法在富钾卤水研究中的应用

赵文龙，王绪本，张 兵，岳云宝，朱红锦，黄 涛

（1．成都理工大学 地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059；2．四川省地质矿产勘察开发局 物探队，四川成都 610072）

川东地区大地电磁法在富钾卤水研究中的应用

赵文龙1，王绪本1，张 兵1，岳云宝2，朱红锦1，黄 涛1

（1．成都理工大学 地球探测与信息技术教育部重点实验室，四川成都 610059；2．四川省地质矿产勘察开发局 物探队，四川成都 610072）

川东地区三叠纪富钾卤水资源是近年来我国钾盐寻找主要的远景区之一，近年来成为富钾卤水研究和前期勘探的重点。该区域位于四川东部宣汉地段，属大巴山与华蓥山构造人字形交接的西区复合部位。通过对测区内的大地电磁数据进行二维反演，对比不同模型的正演模拟，分析该地区的岩矿石电磁特征属性和所测得的电磁曲线，并对该地区的岩矿石进行了岩石物性分析，结合地质、古水文地质以及测井资料等，初步圈定了四川东部富钾卤水的纵向分布层位和分布特征以及横向上的变化等，为下一步工作中富钾卤水资源量估算奠定了基础。

川东地区；三叠系；富钾卤水；大地电磁

0 前 言

四川盆地下中三叠统嘉陵江组的T1j4、T1j5－T2j1以及中三叠雷口坡组的T2j1，一直是我国寻找富钾卤水的重要地区和层位。大地电磁测深法，是一种利用天然交变电磁场为场源，以目标矿物与周围岩矿物的电性差异作为基础，通过电磁波在目标矿物和周围岩矿物的不同反映，利用地表仪器测量观测，研究地下不同地层的电性结构，进而划分地层、断裂带等构造的一种地球物理方法。富钾卤水所存在的地层与周围地层相比，表现为低阻，正是利用这一点，将大地电磁测深法引入其中，并作为一种重要的探明富钾卤水储层的地球物理方法之一，对目标地层的富钾卤水资源量评价有至关重要的作用，并对其他地区的富钾卤水探测具有现实指导意义。

1 区域地质概况

宣汉地区位于四川盆地上扬子地台东北部川东高褶背斜带东北段，该区经过复杂的地质构造运动，形成了大量的十分复杂的逆冲断层和褶皱［1］。该区主要构造为黄金口背斜，双石庙背斜，华蓥山复式背斜，棺木寨向斜，铁山背斜，凤凰山向斜，景市庙向斜，秦家河背斜，其中富钾卤水构造位于宣汉县北部地区双河、土主、胡家、黄金口一带，隶属于由大沙坝、铁山坡、罗家坪、黄家湾等四个背斜构造组成的北西南东向复合构造，俗称“黄金口背斜群”。

黄金口背斜群位于宣汉县双河场－官渡场地区，构造变化较之地表地质构造变化更为复杂，而富钾富钾卤水带便位于该构造带之中。

自地表至地层较深处，可分为三个相互独立的构造层，其中富钾卤水层位于中构造层，包含的地层为下、中三叠统的嘉陵江组和雷口坡组地层，主要表现为碳酸盐岩与蒸发岩互层组合，碳酸盐岩具有刚性，并夹于大套蒸发岩之中，厚度不大，因而在早期构造变形中容易产生裂缝、错断，构造发育复杂，为富钾卤水储集提供了运移通道和空间［2］，是该地区主要含卤水层。其上主要为嘉陵江组以上地层，构造变化与地表构造面基本相同，其下主要为二叠系以下地层，断层、褶皱发育十分成熟，构造更为复杂。

图1 研究区主要构造和大地电磁测线位置Fig．1 The main structure of the study area and magnetotelluric line position

2 大地电磁方法

2．1 大地电磁法简述

大地电磁法是以天然电磁场为场源来研究地球内部电性结构的一种重要地球物理手段，主要在地面上一点或多点同时观测天然变化的、互为垂直的电磁场水平分量，用以探测地球内部的电性构造。根据地下不同介质对电磁场的电磁感性现象，进而获取地下不同深度介质电性结构信息［4］。

根据趋肤深度公式可以知道频率越低电磁波传播越深，所以可以根据在地表观测电场（Ex、Ey）和磁场（Hx、Hy）信号，在均匀各向同性介质中，得到关于地下介质电性特征。

式中：Z表示波阻抗，Ω；ρT为介质电阻率，Ω·m；T为周期，s；Ex、Ey、Hx、Hy为地面上互相正交地磁场分量的振幅。

其中：ρ为介质电阻率，Ω·m；T为周期，s。

2．2 大地电磁测深正演模拟

大地电磁测深正演问题的基本理论是建立在Maxwell方程组的基础上的，是大地电磁反演的基础。对于简单的一维层状介质模型，大地电磁场具有解析解；而对于较为复杂的一维连续介质或更为复杂的二维、三维介质模型，大地电磁场则没有解析解，只有借助数学方法所得到的数值解。常用的大地电磁测深正演数值模拟的方法主要有有限单元法、有限差分法、边界单元法、混合法和积分方程法等，本次正演模拟采用了曲边四边形有限差分法。

有限单元法是将研究区域剖分成互不重叠的多边形（本次为四边形）单元网格。对每一个单元格，用结点处的场值来表示的插值函数来逼近每个单元内的场分布，从而将求泛函极值问题转变成求多元函数的极值问题。有限元单元法首先是将连续场域离散化，建立离散单元模型，然后进行单元分析和总体合成，最后求解总刚度矩阵方程获得场的分布。

所设计模型为褶皱模型，轴向90°左右，上覆地层电阻率1 500Ω·m，中间一层薄的低电阻地层电阻率200Ω·m，地层深处电阻率2 000Ω·m，网格剖分0．3*0．5 km。对此模型进行正演计算和反演成像，对比其TE和TM模式的电阻率图，进行分析。

通过以上模型，分析判断其正反演结果（图2），

图2 褶皱模型正演（左）、反演（右）TE和TM电阻率Fig．2 Fold forward modeling（left），inversion（right）TE and TM resistivity

用P来表示电磁波的穿透深度有可以看出对于褶皱背斜而言，正演结果的TE、TM模式相差不大，RRI反演结果TE模式响应较之TM模式更为准确，基本反映出目标地阻层，位于对数频率－3～2．5之间（即0．001Hz～320 Hz），而电阻率值在138Ω·m～1 954Ω·m之间，与模型设计的100Ω·m～2 000Ω·m很接近，且达到模型电阻率分辨要求。总体而言，对水平方向或偏水平方向的地质体来说，TM模式的视电阻率反应不如TE模式；而在纵向上的变化，大地电磁正演的TE模式电阻率较TM模式更好，且TE模式视电阻率可以更好地反映出断层的倾向和位置。

3 大地电磁在测区内的应用

3．1 电性分析

3．1．1 岩石电阻率特征分析

通过采集的野外岩石标本进行测量，获取原始数据，川东地区岩电特征分析如下：

1）灰岩与白云岩的电阻率最高，可达2 500 Ω·m以上，钙质泥岩和膏盐蒸发岩，碳酸盐岩，包括灰岩、白云岩与膏岩互层，也呈高阻特征。

2）沉积碎屑岩、煤泥质烃源岩和砂岩，电阻率介于中高阻之间，表现为中高阻层。

3）砂岩的电阻率介于300Ω·m～3 000Ω·m，电阻率具有中阻特征。

4）部分砂岩，长石石英砂岩、岩屑长石石英砂岩、浅灰色长石岩屑砂岩及岩屑砂岩等，表现为中低－低阻层。

5）砂质泥岩与泥岩电阻率最低，一般小于150 Ω·m。

表1 研究区岩石电阻率（露头小四极）统计表Tab．1 Statistics of average formation resistivity of the study area（outcrop small quadrupole）

3．1．2 地层电阻率特征分析

通过曲线类型分析，并结合物性特征，确定研究区地层由6个电性层组成（表2），各电性层具有以下电性特征：

1）第一电性层：三叠系飞仙关组，主要岩性为白云岩，又分为结晶白云岩、粒屑白云岩和微晶白云岩，表现为高阻层。

2）第二电性层：上三叠统雷口坡组、嘉陵江组，雷口坡组主要岩性以泥质白云岩为主，伴有钙质泥岩和膏盐蒸发岩，嘉陵江组以碳酸盐岩沉积为主，包括灰岩、白云岩与膏岩互层，均呈高阻特征；若地层中富含卤水，呈现高阻中的低阻特征。

3）第三电性层：须家河组，该组岩层有在地表有大量裸露，主要岩性为沉积碎屑岩、煤泥质烃源岩和砂岩，表现为中高阻层。

4）第四电性层：珍珠冲组到新田沟组，主要岩性为砂岩，表现为中低阻层。

5）第五电性层：沙溪庙组，主要岩性为灰白色长石石英砂岩、岩屑长石石英砂岩、浅灰色长石岩屑砂岩及岩屑砂岩等，表现为中低－低阻层。

6）第六电性层：遂宁组，要为一套滨浅湖相鲜紫红色泥岩、粉砂质泥岩与薄层状钙泥质粉砂岩韵律互层组合，表现为地阻层。

表2 地质断面与地电断面对比表Tab．2 Comparison of geological cross－section and geoelectric section

3．2 大地电磁测深曲线分析

大地电磁测深电阻率曲线的曲线形态变化，既能反映地下电性层随深度的变化，又能反映测点及测点附近地下结构的电性不均匀。通过观察对比单点曲线和横向上各测点之间的曲线类型变化，可以得到测区内纵向上的电性分布特征和地层在横向上的电性变化特征。

根据测区内的岩石物性特征和地层分布情况，由于本次研究所探测的深度在5 km以内，而根据大地电磁（MT）和音频大地电磁（AMT）测量频率不同探测深度也不下相同。音频大地电磁频率测量范围为10 000 Hz～0．1 Hz，而大地电磁的频率测量范围为320 Hz～0．001 Hz，音频大地电磁测深范围可达2．5 km左右，大地电磁则主要研究5 km以内的地层电性特征，因此本次测量采用大地电磁（MT）和音频大地电磁（AMT）。本次测量中，音频大地电磁测量点距为300 m，大地电磁点距1 500 m，由于10 000 Hz～320 Hz频段缺失，故测量结果表现为音频大地电磁较大地电磁对中阻层和低阻层地层分辨率更优，对大地电磁反演结果可作为对比验证。

3．2．1 单点测深曲线分析

测线呈北西－南东走向，穿越胡家镇与花池乡，全长45 km，起点（南东端点）：N31°22′03．2″E107° 49′58．9″；终点（北西端点）：N31°39′13．5″E107°29′49．8″。

测线南东段曲线类型总体变化不大，呈HKH型曲线，在测线的北西方向局部分布似HKH型曲线，测线右段曲线类型主要呈似HA型，通过单点测深曲线和相位断面图的分析，结合测区的内的岩石物性测试结果，可将测区内的地层按电性特征不同分为6个不同的电性层，电性层划分和各地层间的关系见表2。

3．2．2 大地电磁测深曲线定性解释

结合地质、钻井等信息，综合研究相位图和视电阻率断面图（图3），初步探讨断裂的展布规律等，划分地电断面，为进一步的地质地球物理综合解释提供了可靠的依据。

通过以上工作，综合分析后确定研究区由6个电性层组成（图4），从顶至底首先为低阻层的遂宁组，其泥岩含量较高，局部夹砂质成份，因此电性特征表现为低阻；往下沙溪庙组，以泥岩，砂泥岩互层为主，表现为中低－地阻层；再往下的珍珠沟组到新田沟组作为同一电性层，因其以泥岩为主，含部分砂岩，因而表现为中低阻特征；其下为须家河组，以砂岩为主，含少量泥岩，夹有煤系地层，表现为中高阻特征；再往下由雷口坡组和嘉陵江组组成，作为目标层，岩性中不仅白云岩和灰岩较发育，膏盐岩也比较富集，以局限－蒸发台地为沉积背景，作为富钾卤水的主要物质来源，因研究区断层与裂隙相对发育，内部运移通道联通性较好。富钾卤水层岩性虽以白云岩、灰岩和膏盐岩组成，但因其含水，故电性特征为中阻，埋藏深度约在3 400 m～4 100 m之间，由图4可知，以上推断结果与川25井钻探结果划分的层系非常吻合，可确定本次大地电磁法在富钾卤水的试验中是非常成功的；最底层飞仙关组为高阻特征，岩性主要为白云岩，含少量鲕粒灰岩。

4 结论

通过对测区内的大地电磁（MT）、音频大地电磁（AMT）测量，并对测区内地层进行岩石物性分析，结合地震、地质剖面等区域地质资料，可以得出：测区内的地下3 400 m～4 100 m的雷口坡组和嘉陵江组，岩性表现为灰岩、白云岩和膏盐岩为主，电性上表现为高阻中的低阻，为此次勘察的目标层－富钾卤水层，并通过川25井得到了很好的验证。本次开展的大地电磁法在寻找富钾卤水的应用非常成功，可为后人的研究提供了新的思路和方法。

图3 剖面大地电磁视电阻率和视相位断面图Fig．3 Profile magnetotelluric apparent resistivity and apparent phase cross－sectional view

图4 川东宣汉地区音频大地电磁（AMT）和大地电磁（MT）测量勘探成果图Fig．4 The east Sichuan Xuanhan audio magnetotelluric（AMT）and magnetotelluric（MT）measurements exploration results map

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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

中国地质调查项目（1212010011803）

赵文龙（1988－），男，硕士，主要从事电磁法数据处理研究，E-mail：972722766＠qq．com。