频谱激电法在天然气水合物勘查中的应用

武 斌，邹 俊，马代海，陈 宁，张 皓

（四川省地质矿产勘查开发局物探队，成都 610072）



频谱激电法在天然气水合物勘查中的应用

武 斌，邹 俊，马代海，陈 宁，张 皓

（四川省地质矿产勘查开发局物探队，成都 610072）

摘要：利用频谱激电法在青海沱沱河地区进行天然气水合物勘查，确定天然气水合物的赋存地层和深度，并探讨天然气水合物的在沱沱河地区的赋存特点，为沱沱河地区天然气水合物的勘查，提供了可靠的地球物理依据，为探测常年冻土层的厚度提供了一种有效的地球物理方法。

关键词：频谱激电法；天然气水合物；常年冻土；沱沱河地区

全球天然气水合物矿产的发现与日俱增，截止目前，世界上已经直接或间接发现天然气水合物的矿点共有123处，其中海洋及少数深水湖泊114处，陆地永久性冻土带9处。直接见到天然气水合物样品的有24处，利用探测资料推断天然气水合物存在的有99处（海洋64处，陆地35处）。

天然气水合的赋存主要受控于温度、压力、孔隙水盐度和气源等基本因素。首先温度要低，以0～10℃为宜，最高20℃左右，再高天然气水合物就被分解了；其次压力要大，但也不能太大，0℃时，30MPa以上它就可以生成；第三，沉积物孔隙水盐度对水合物的形成在一定程度上起到抑制作用；第四，要有充足的气源，如西伯利亚的永冻土层则具备了天然气水合物形成、稳定的固态的条件，在海洋深层300～500的沉积物中也具备这样的低温高压条件。

在天然气水合物中，水分子构成笼型多面体格架，以甲烷为主的气体分子包裹于其中。由于天然气中80%～99.9%的成份是甲烷，故也称甲烷水合物。天然气水合物多呈白色或浅灰色晶体，似冰状，易点燃，故也称为“可燃冰”。

我国冻土带面积达215×104km2，占国土总面积的22.4%(周幼吾等，2000)，是世界上仅次于俄罗斯、加拿大的第三冻土大国。国家相关科研机构对青藏高原冻土区开展了地质、地球物理、地球化学和遥感等方面的探索性调查和评价，初步研究结果显示，青藏高原特别是羌塘盆地具备良好的天然气水合物成矿条件和找矿前景，其次是祁连山木里地区、东北漠河盆地和青藏高原的风火山地区等。2008年11月和2009年6月，我国在青海天峻县木里镇永久冻土带多次成功钻获天然气水合物实物样品，成为世界上第一次在中低纬度冻土区发现天然气水合物的国家，也是继加拿大1992年在北美麦肯齐三角洲、美国2007年在阿拉斯加北坡钻探发现天然气水合物之后，第三个在陆域通过钻探获得天然气水合物的国家。

青藏高原多年冻土区天然气水合物的勘查主要依靠地震勘探、测井、色谱测定，还有音频大地电磁测深等深部地球物理勘探方法。相继开展的工作有祁连山冻土区DK-1钻孔天然气水合物测井响应特征与评价（郭星旺，祝有海，2011）；祁连山冻土区天然气水合物气体组分的气相色谱测定；祁连山及邻区天然气水合物资源地震勘查祁连山及邻区天然气水合物资源音频大地电磁测深勘查。

频谱激电法是工程地球物理勘探主要方法，是一种高密度几何测深方法。在所测得的频谱中包含了由导电性引起的近场区电磁谱（EM）和由电极化性引起的激电谱（IP）。两种谱在频带上占据不同的位置，用不同的模型做实测视频谱的拟合反演可以分离它们，进而达到去电磁谱（EM）响应并求取四个激电谱（IP）参数：金属因子 (Js) 、视充电率（ms） 、视时间常数（τs） 、视频率相关系数（Cs）。这四个激电谱参数反映了地下异常地质体的导电和电极化的性质，可以对异常的物质属性做出较准确的判断。

1　沱沱河地区地形地质及地球物理特征

沱沱河盆地位于青藏高原腹地，该区多年冻土区从北往南依次存在着三套主要沉积建造：即分布于不冻泉—五道梁地区的以第三系灰白色灰岩为主的沉积；沱沱河地区二叠系黑色含煤系地层；雁石坪—安多地区的侏罗系海相地层为。其中，在雁石坪—安多地区，侏罗系海相地层主要为一套砂岩夹深灰色含生物碎屑灰岩，局部如土门格拉地区还含有一套三叠系煤系地层。在这三套主要沉积建造中，二叠系含煤地层、三叠系含煤地层、侏罗系灰岩是该地区潜在天然气水合物的有利气源生烃层系。

采用频谱激电率法勘查，是结合了该地区近几年已经开展的音频大地电磁测深、地质雷达，大功率激电测深的基础上进行的地球物理勘查研究。2013年和2014年对287块岩性标本进行了面团法和水槽法测量，总结了该区的物性特点，从而为频谱激电法的开展提供了理论基础。

根据区内已有地质资料，通过标本物性测试，对区内主要地层岩石视电阻率进行了统计（表）。表中可以看出，区内第四纪全新统风积层（Qheol）、晚更新世冲洪积（Qp3pal）岩性主要为砂砾岩、粉砂岩及泥岩；古近纪渐新世-古新世沱沱河组（Et）、新近纪中-渐新世雅西措组（E3N1y）地层岩性主要为砂岩、砾岩、泥灰岩夹钙质细砂岩或泥岩，表现为中低阻特征；区内晚三叠世结扎群（T3j）、晚二叠世乌丽群那益雄组（P3n）等地层岩性主要为石英砂岩、泥晶灰岩、石英质砾岩等，为中高阻，所杂细砂岩、泥钙质板岩、碳质页岩及煤线等为低阻。并且，该区岩浆岩的极化率较高，烃源地层的极化率次之，灰岩、泥灰岩、白云岩和泥岩的极化率最低。

沱沱河地区标本物性参数统计表

此前虽然取得了大量的物性资料，但采集的标本多是地表，风化、氧化比较严重，所以测得的电阻率（ρ）偏小。因为裸露的烃源地层，天然气水合物已经散失，所以测得的物性电阻率偏低，对解释会产生偏差。本次采用新的电法参数（视频散率Ps）同样存在这样的问题，所测极化率（Ps）偏大，在资料的分析研究中要特别注意。建议收集些钻孔中的新鲜烃源地层，但必须在低温下保存；但经常钻机在取芯的时候对它也有破坏作用。该区岩石致密和裂隙发育，决定了研究区是裂隙型的天然气水合物为主，孔隙型的天然气水合物次之。对我们研究频谱激电的激电谱（IP）参数：Js(金属因子)、ms（视充电率）、τs（视时间常数）、Cs（视频率相关系数）提供了基础。

2　频谱激电法方法技术

装置选择频谱激电测量最常用，也是最有效的偶极—偶极装置（图1）。本次选用电道数为12道，每个电道控制深度为30m，合为180～460m，加上地表有120m的隔离带，底部延展带60m（即如果激化体也会反映到上面电道中去），总体探测深度在120～520m之间，电道设置满足探测深度要求。为尽可能使探测深度达到这个范围，并充分考虑分辨率及仪器设备自身施工要求，决定在垂向及纵向上数据间距定为30m一个，对应的接收极距为60m。通过野外试验，最终选择5倍接收极距，即300m的发射极距。分别选择1倍、2倍、3倍接收极距，这样也可将数据层从460m扩大至520m，达到地质要求。频率设置一般选择在2的整幂数倍，本次物探勘查选择0.031 25～256HZ较宽的区域进行测量。为了保证果数据平滑可靠，排除自然人为干扰，对每个频率都给了4次读取数据，根据0.031 25～256HZ的频率域，最终每个排列测量的时间需要31分钟。

图1　频谱激电测量偶极-偶极装置

主要测量地下地质体的金属因子（Je），视频散率（Ps），视电阻率（rs）。同时测量反应电极排列勘探体积内的可极化物质体积含量正相关的视充电率（mS），反应电极排列勘探体积内的可极化物质的粒度大小等结构信息的视时间常数（tS），反应电极排列勘探体积内的可极化物质混合分布均匀性的视频率相关系数（сS）。获得上述物理参数后，充分研究天然气水合物与这些物理特征的相关性。频谱激电法工作的三个参数ms、ts、cs主要反应了岩层中电子导电矿物含量高低、颗粒大小及各种构造特征，通过研究这些特征找出与天然气水合物运移储集地质条件的关联性。

3　频谱激电法资料分析研究

通过多次反演资料分析，得出如下结论：天然气水合物的储集地层为炭质泥岩，其晶体结构较稳定，电离常数低于冰，其电阻率值一般大于100Ω •m，与围岩电阻率差异较明显，因此推断存在天然气水合物规模性储集的地段其电阻率值不应太低。天然气水合物本身不产生IP效应，其储集地段的IP效应主要来自于地层中的炭质或卤水，因此其Je﹑Ps和ms三个参数的断面图会显示出相对高值。反之，在天然气水合物规模性储集的地段其Je﹑Ps和ms值低。需要特别说明的是，ms参数与反应IP效应的Je﹑Ps参数不同，当Je﹑Ps参数值较低时，表明IP效应不明显，而ms参数仍能指示出可极化物质的空间分布，与地层中极化物质的连通性较差等因素有关。ts值越小的区域，其石墨含量较低或可极化物质的连通性较差，与天然气水合物规模性储集地层的物性特征较为相似。根据天然气水合物生成的地质条件及成矿特点分析，天然气水合物形成后会使炭质泥岩地层产生不均匀性，其Cs值应偏低。本次主要采用rs、ms、ts、Cs四个电性参数研究。

综上所述，在天然气水合物探测领域，我们总结出了新的“一高三低”的多类电性谱参数组合特征，即高视电阻率﹑低充电率﹑低时间常数﹑低视频率相关系数。根据这样的特征，在图2中划出了天然气水合物最有可能的储集区域。同时，我们可以看出，天然气水合物的上部，就是常年冻土层。

图2　天然气水合物储集区域推断成果图

4　结论

本次工作采用频谱激电法进行天然气水合物的勘查是一次成功的尝试。天然气水合物是一种刚被人们认识和研究的能源，我国对它的勘探和开发都处于探索阶段，频谱激电法无疑给天然气水合物的勘探研究提供了一个有效的手段和方法。同时，天然气水合物处在常年冻土层的下部，也是为探测常年冻土层的深度提供了一种有效的地球物理方法。

在天然气水合物探测领域，我们总结出了新的“一高三低”的多类电性谱参数组合特征，即高视电阻率﹑低充电率﹑低时间常数﹑低视频率相关系数。由于天然气水合物以固态为主，亦存在游离性气体。

频谱激电法设备庞大，需要的人员配合也比较多，在地形较差的地区开展这样的工作比较困难。在勘探面积大的地区，使用该种地球物理方法其经济效益和效率受到影响，但对天然气水合物勘查仍具有独特的意义。

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The Application of Spectrum Induced Polarization to Gas Hydrate Exploration

WU Bin ZOU Jun MA Dai-hai CHEN Ning ZHANG Hao
(Geophysical Exploration Team,SBGEEMR,Chengdu 610072)

Abstract:This paper deals with the basic principles and technical method of the application of spectrum induced polarization method to gas hydrate exploration.The method was used to determine the occurrence and depth of gas hydrate in the Tuotuo River region.Several electrical property parameters can be obtained by the use of the spectrum induced polarization method.The exploration depth of this method is large.This method provides reliable geophysical basis for the exploration of gas hydrate and an effective geophysical technique for detection of the thickness of the permafrost layer in the Tuotuo River region.

Key words:spectrum induced polarization method; gas hydrate; permafrost layer; Tuotuo River region.

作者简介：武斌（1971-），男（汉族），山西临猗人，高级工程师，地球物理学博士，现在从事地球物理及科研工作

收稿日期：2015-01-14

DOI：10.3969/j.issn.1006-0995.2016.01.030

中图分类号：P631.3

文献标识码：A

文章编号：1006-0995（2016）01-0135-04