微重力资源勘查方法及应用前景

2020-07-26王庆国李英武于淑莉庞雨桐

物探与化探 2020年4期

王庆国，李英武，于淑莉，庞雨桐

(陕西地矿物化探队有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

微重力勘查是基于常规重力勘查技术，以资源勘查、工程勘察和考古为目的而逐步发展起来的新型勘查方法技术，其主要特点是探测对象小、测量范围小，而且测量精度高(微伽级)。20世纪70年代微重力测量由美国率先提出，在欧美兴起，并得到广泛应用。美国用微重力测量探测到大量地层圈闭油田，欧洲一些国家则在地基勘察、考古等方面取得了明显成效；前苏联和东南亚一些国家也在油气田勘测方面获得成功。1980年后我国在科研、地震、石油等部门引进高精度重力仪，微重力测量得以起步，并在地球动力学研究、地基勘测、资源探查、古墓探测等方面进行了实验研究，取得了初步成果和经验[1]。

近年来微重力勘查逐步向地下空间发展，如坑道微重力及钻孔微重力测量逐步兴起，配套技术手段正在逐步发展提高；海洋微重力仪器设备取得重大突破，配套技术手段也日趋成熟。微重力勘查空间域的技术进步和发展，为今后微重力勘查提供了更为广阔的市场前景。文中通过对两个金属矿区和一个石油钻采区的勘查实例进行异常分离、构造划分及三维反演，阐述了微重力资源勘查的方法技术及成果表达，并对微重力勘查应用范围及前景进行了分析论述。

1 微重力勘查方法特点

微重力勘查的主要目标任务是勘查、研究空间域和时间域重力场的微小变化。

通过地面或地下微重力系列测量点间重力场微小变化，获得重力场空间域数据。解释推断空间物质赋存空间，如地层及岩性结构划分、断裂构造识别、自然及人工构造物(溶洞、空洞、采空区、塌陷区、回填区、地铁隧道、防空洞等)圈定、自然资源(煤炭、石油天然气、钾盐、地下水、地热、干热岩、金属矿产等)赋存位置划分预测、地质灾害体圈定等。通过地面或地下若干观测站重力场随时间微小变化的连续或断续重复测量，获取重力场时间域数据，研究重力场随时间的变化特征。微重力可解决地震带监测及中长期预报；地质体、断裂及裂隙、地质灾害体、自然及人工构造物等时间域稳定性分析评述；观测自然资源开采过程重力场时间域变化特征，研究资源量的逐步减少量估算，资源开采对地形及环境的变化及影响等地质问题。

微重力测量与传统重力测量的差别主要表现在以下两个方面[3]：

1)重力测量精度及布格重力异常总精度大大提高。传统重力测量(如区域重力调查)布格重力异常总精度通常为(500～1 000)×10-8m·s-2，微重力测量布格重力异常总精度通常为(30～60)×10-8m·s-2，微重力异常的分辨率得到了极大提高，可以解决传统重力勘探不能解决的地质问题。

2)测量方法和途径有很大改变。传统重力测量测点稀疏，微重力测量测点密集[12-14]，而且除了在地表进行外，还可以深入竖井和多层坑道，可进入地质体或人工构造物内部进行观测，获得丰富的三维观测数据，为克服或改善多解性提供了条件。

微重力勘查技术不等同高精度重力测量技术，主要表现在以下3个方面[1]：

1)应用领域和目的不同。微重力多用于资源开发、工程勘察、小构造探测等方面；高精度重力测量多用于重力基准的建立、重力场动态变化的监测等。

2)观测及研究区域的差异。微重力测量的作业区域较小，测区重力场变化不大，但高精度重力测量可能涉及较大区域，测区重力场变化可达几十至数百毫伽。

3)处理方法和解释方法侧重不同。高精度重力测量强调系统和时间基准的统一；微重力测量则强调突出各地质体重力效应的分离及正反演计算。

微重力勘查的技术指标为：

1)微重力常用的高精度重力仪：加拿大CG-5(CG-6)自动重力仪，美国Burris重力仪。

2)微重力仪器的分辨率及精度：分辨率为(0.1～1.0)×10-8m·s-2，观测精度为(5～30)×10-8m·s-2。

3)微重力观测精度：(±10～±30)×10-8m·s-2(根据实际需求设定)。

4)布格重力异常总精度：(±30～±60)×10-8m·s-2(根据实际需求设定)。

5)微重力勘查(检测)比例尺选取：1∶1 000～1∶5 000。

6)地形测量精度：点位中误差： ±5～±10 mm。

7)高程中误差： ±3～±5 mm 。

8)微重力测量各项改正：理论固体潮改正，零点位移改正，基点改正。

9)随时间变化量改正：需试验并逐步完善。

10)微重力异常各项改正：正常场改正、高度改正、地形改正、中间层改正。

11)微重力地形改正范围：0～2 000 m(根据地形条件和实际需要设定)。

2 微重力勘查应用及实例分析

2.1 徐州市利国镇鱼塘区隐伏磁铁矿勘查实例

厉广军曾在2006年指出[8]，徐州市利国镇鱼塘区隐伏磁铁矿区存在有以磁异常为主的综合物探异常。磁异常辅之以重力、低阻异常是寻找铁矿的有利依据。区内物探测量表明：① 磁性，块状磁铁矿磁性最强，平均磁化强度可达166.429 A·m-1，矽卡岩类(特别是含铁矽卡岩)平均磁化强度可达5.488 A·m-1，闪长斑岩平均磁化强度可达0.471 A·m-1，花岗斑岩、花岗闪长斑岩与沉积岩基本无磁性；② 密度，磁铁矿、赤铁矿含铁矽卡岩，矽卡岩平均密度在3.0 g·cm-3以上，奥陶系地层平均密度为2.7 g·cm-3左右，岩浆密度较低，花岗闪长斑岩密度2.29 g·cm-3左右。

利国磁铁矿区位于华北地台豫淮台褶带北缘，属于EW向坳陷与徐州复背斜的交汇部位。断层较发育，主要为NE向，沿EW向断裂，燕山期中酸性岩侵入与奥陶系碳酸盐岩接触，为接触交代型铁(铜、金)矿形成提供了地质条件，奥陶系碳酸盐岩顶部为成矿的有利层位[7]。区内第四系分布较广，厚度一般为20 ～30 m。

收集前人1∶1万地质矿产资料及航磁异常，绘制出工作区(研究区)及周边简明地质图(图1)。研究区及周边主要研究地层为肖县组(O1x) 及阁庄组(O2g)，岩性以中厚层灰岩、白云质灰岩为主，通常密度值小于2.7 g·cm-3，呈无磁或微弱磁性；二叠系砂岩及页岩密度值约2.7 g·cm-3，呈无磁或微弱磁性，研究区大多风化剥蚀(残留很少)。研究区及周边的主要侵入岩主要有：闪长玢岩(δμ)、花岗闪长斑岩(γδπ) 及花岗斑岩(γπ)，通常密度2.55～2.66 g·cm-3，磁性呈弱磁—中强磁性变化(与磁性矿物含量相关)。研究区及周边共有航磁异常12个，研究区外有8个航磁异常，已开采过磁铁矿十余个(留下矿坑多个)；研究区内包含了M1～M4等4个幅值200～600 nT的航磁异常，推测与隐伏磁铁矿体关系密切。

研究区位于万亩鱼塘，受到大片水域干扰，工作条件十分有限。直流电法及电磁法勘探效果较差，为了保证数据采集密度以及内插数据的客观准确，优选微重力和磁力联合勘探，采用了微重力测量的布点方式及数据处理手段，得到的解释推断结果能最大限度的接近真实铁矿异常，发现和研究隐伏构造、隐伏岩脉与磁铁矿的成因联系，圈定隐伏磁铁矿的空间展布，为钻探工程提供物探依据。根据研究区周边5个钻孔资料及磁铁矿开采调研，该区磁铁矿埋藏深度通常20～250 m，矿层多呈水平层状，形态复杂，单个矿体面积通常104～105 m2，矿层厚度通常10～40 m(厚度变化较大)，储量30～300万t不等。

根据物性成果，该区域磁铁矿体本身具有“重磁同源”的基本特征，且磁铁矿体多呈水平层状展布，利用重磁联合反演的方法技术及先进软件，将取得良好效果。重力和磁测剖面均位于鱼塘分割坝梗上，采用非规则测网，基本点距5～10 m，覆盖了所有可工作区域。微重力观测精度±15.8×10-8m·s-2，布格重力异常总精度±28.5×10-8m·s-2；磁测观测精度±1.6 nT，磁测总精度±3.1 nT。

测区内最高密度应为磁铁矿，最低密度为第四系砂土。闪长玢岩、花岗斑岩、煌斑岩、矽卡岩等相对于二叠系的砂岩、页岩为高密度，而相对于奥陶系灰岩则为低密度(表1)。收集前人测定钻孔岩芯(岩矿)标本成果(表2)，沉积岩无磁性或微弱磁性，闪长玢岩具弱磁性。磁铁矿具有高密度强磁性的特征，因此磁铁矿上方具有重力高、磁力高的基本特征，据此可圈定隐伏磁铁矿体。

表1 徐州市利国镇鱼塘区岩矿石密度测定成果统计

表2 徐州市利国镇鱼塘区岩矿石磁参数测定成果统计

经过各种校正得到的研究区布格重力异常如图2所示，异常等值线走向以近EW向为主，局部出现近NE向和NW向，重力场变化区间为(611～615)×10-5m·s-2，变化平缓、最大变化幅度4×10-5m·s-2。局部重力异常发育，重力场扭曲变形特征明显，中南部出现较大范围局部重力高异常，揭示该区域出现较大规模的相对高密度岩体。

图2 研究区布格重力异常Fig.2 Bouguer gravity anomaly map

磁场等值线走向以NW向和近EW向为主，变化区间为-520～680 nT，最大变化幅度1 200 nT，该区域主要为正磁异常组成(图3)。

图3 研究区磁力异常Fig.3 Magnetic anomaly area map

依据布格重力异常和磁力异常形态特征初步分析，该区隐伏磁铁矿具有重磁同源基本特征。根据测区及周边岩矿石密度资料，结合测区地质情况，测区局部重力高异常最主要成因是相对高密度的磁铁矿(化)、闪长玢岩、花岗斑岩等；第四系松散沉积层为绝对低密度层，二叠系的砂岩、页岩等相对低密度，因此局部重力低异常最主要成因是第四系松散沉积层和二叠系的砂岩、页岩分布[5]。

使用Geosoft软件制作该区布格重力异常三维体元图(图4)和化极磁异常三维体元图(图5)。布格重力异常三维体元100 m×100 m×400 m，磁测化极异常三维体元50 m×50 m×200 m。

图5 化极磁异常三维体元图Fig.5 3D voxel map of polarizing magnetic anomaly

图4 布格重力异常三维体元图Fig.4 3D voxel map of Bouguer gravity anomaly

微重力及磁剩余异常均出现似环状特征，局部重力高异常下限为0.14×10-5m·s-2(图6中黑线表示)；局部重力低的异常上限为-0.14×10-5m·s-2(图6中蓝线表示)。

图6 圈定矿体在剩余布格重力异常的显示Fig.6 Delimitation of orebody in Bouguer gravity anomaly map

局部磁异常下限为100 nT(图7中黑线表示)。KT1重磁综合异常是本次勘查最重要的综合异常，与重力剩余异常的关系密切(图6)；和磁测剩余异常的范围和边界基本吻合(图7)。推测KT1综合异常主要由磁铁矿体+岩体引起。

图7 剩余化极磁异常及圈定的矿体分布Fig.7 Residualized pole anomaly and delineated ore body distribution map

选择KT1重磁综合异常进行2.5D反演，列举穿过KT1的1 pm及2 pm进行，反演首先应用中国地质调查局的RGIS 2014版软件的重磁联合反演模块，采用重磁剩余异常进行联合反演。反演密度参数选取相对密度，平均密度取2.65kg·m-3(视为0值)，高于平均密度的单元取0.01～1.35kg·m-3，低于平均密度的单元取-0.85～-0.01kg·m-3，磁铁矿体相对密度取值范围0.9～1.35kg·m-3；反演磁性采用相对磁化强度，磁倾角取90°，磁化强度取值范围为-50～180 A·m-1，磁铁矿体相对磁化强度取100～180 A·m-1。为避免反演成果图上表达冗杂，未标明单元的反演参数，特此说明。

1 pm投影长度1 485.29 m(图8)，主要穿过G1重力高；穿过M1和M2正磁异常；依次穿过F5、F4、F3、F1四条局部断裂带。反演解释推断M1正磁异常(G1重力高)基本异常成因为“花岗闪长岩、闪长玢岩+磁铁矿化体”；M2正磁异常主要成因是砂、页岩及薄层灰岩中的局部磁铁矿化、磁黄铁矿化，有形成局部小磁铁矿(化)体的可能，不足以形成较大磁铁矿(化)体。

图8 1 pm 2.5D重磁联合反演Fig.8 1 pm 2.5D inversion of a profile

1 pm下部磁铁矿(化)体也呈相对均匀水平状分布，具有ES较薄、WN增厚的基本特征，推断厚度小于30 m，埋深约80～120 m。有关矿层厚度、平均品位、伴生矿种等情况，有待工程验证。

2 pm投影长度1 060.42 m(图9)，主要穿过G1重力高；穿过M1正磁异常；依次穿过F5、F4、F3、F1等4条局部断裂带。反演解释推断M1正磁异常(G1重力高)基本异常成因为“闪长玢岩+磁铁矿化体”。

图9 2 pm 2.5D重磁联合反演Fig.9 2 pm 2.5D inversion of three profiles

2 pm下部磁铁矿(化)体分为两部分：

1)ES部磁铁矿(化)体主要由G2重力高和M1正磁异常的ES分支形成，磁铁矿(化)体呈现菱形分布，推断埋深50～150 m，平均厚度超过20 m，初步认为该磁铁矿化体相对贫化。

2)WN部磁铁矿(化)体主要由G1重力高和M1正磁异常的WN分支形成，磁铁矿(化)体呈近水平分布，推断埋深70～110 m，平均厚度30 m，为相对富的磁铁矿(化)体。

2.2 克拉玛依稠油钻采区

微重力测量用于油气勘查的物理原理是含油气藏地层的密度可比正常地层下降0.05～0.40 g·cm-3，因而能在地表产生(30～600)×10-8m·s-2的重力低异常。无疑通过测量这种重力低异常能在很大概率上寻找到油气藏。特别是当油气层越厚、孔隙度越大、面积越大，也即工业价值越高，则重力低异常越强。通常油气储层上方地表存在微弱重力低异常标志。这种异常有两大特点：一是非常微弱，多数中小型油气藏异常通常只有十几至几百微伽；二是属亏空性低异常，故通常被称为“微重力低异常”或“微重力亏空”，属常规重力勘探技术难以测取的微弱信息[2]。

油气田可分两大类：构造圈闭和地层圈闭。前者规模大，相应的重力异常也大；后者规模小，相应的重力异常通常只有数十微伽。传统的重力勘探一般只参与普查，而且是作为综合勘探的方法之一和其他地球物理方法共同应用。微重力勘查可找到油田富集有利区段，发现微小构造(如微小断裂、微隆起、微凹陷)和其他相关地质问题(如油气储层厚薄、油气流向、开采资源量及剩余资源量估算)，为油气田开采工程和环境评价治理提供详实的物探依据。

图10 研究区简明地质图Fig.10 Geological map of the study area

微重力测量主要解决以下几点问题：

1)解决该区域的微断裂和微构造，重点是解决测区内的微隆起以及微凹陷的空间展布情况；

2)稠油开采会造成重力场的逐年微小变化，通过时移微重力多次测量，可达到计算开采量、预测剩余资源量的目的；

3)稠油开采过程中加注高温蒸汽，在储层上部地层中形成蒸汽腔，蒸汽腔中含有大量烃类，汽腔烃类的运移及泄露，存在着燃爆及塌陷风险。微重力测量可提供蒸汽腔的赋存空间信息，为后续的工程治理提供物探依据。

微重力采用规则布网，网度10 m×10 m～40 m×40 m。实达平面位置精度±0.039 m；高程精度±0.021 m。实达重力观测精度:±18×10-8m·s-2；布格重力异常总精度±29.42×10-8m·s-2。数据采集质量良好，为处理及解释推断提供了基础条件。

主要岩性为砂砾岩、石英砂岩、砂岩、泥质砂岩等，密度特征见表3。

表3 密度汇总成果

研究区的微重力布格重力异常(图11)，不仅展示了稠油钻采区重力场微变化，而且蕴含着丰富的解释推断信息。经数据处理试验求得测区的区域场[5-6]，重力场变化区间为(-98.77～-96.68)×10-5m·s-2，揭示该区地质构造较为复杂的特征，结合该区石油钻探开采情况，将该区划分为WN隆起带、WS凹陷区、EN凹陷区、凹中隆起带等4个分区。见图12。

图12 布格重力区域场分区示意Fig.12 Sketch map of Bouguer's gravity area

图11 布格重力异常Fig.11 Bouguer gravity anomaly map

1)WN隆起带：位于测区WN角，约占该区面积的10%。重力场从ES—WN递增，反映出自侏罗系底部的隆起和中上侏罗统地层抬升的基本趋势特征。

2)WS凹陷区：位于测区WS部，约占该区面积的50%。重力场从东—西递增，反映出自侏罗系底部斜坡西南倾和中上侏罗统地层西南倾的基本趋势特征。

3)EN凹陷区：位于测区EN部，约占该区面积的20%。重力场从东—西递增，反映出自侏罗系底部斜坡东倾和中侏罗统地层东倾的基本趋势特征。

4)凹中隆起带：位于测区中部—ES部，约占该区面积的20%，呈带状展布。重力场总体处于相对高值带，反映出自侏罗系底部相对隆起和中侏罗统地层鼻状隆起构造的基本趋势特征。

研究区局部异常发育(图13)，局部重力高主要分布于西北隆起带，东北凹陷区、凹中隆起带；其局部重力低主要分布于东北凹陷区、北部及西南凹陷区。需特别指出，北部重力低异常对稠油聚集成藏较为有利，目前开采不足，值得进一步开采。大片重力低是稠油聚集有利区，需密切关注。

图13 剩余布格重力异常示意Fig.13 Schematic diagram of residual Bouguer gravity anomaly

局部异常图中包含了带状重力低异常信息，推测带状重力低与地层中的蒸汽腔空间分布相关，今后再加强蒸汽腔的异常识别及圈定研究。

通过水平总梯度及水平方向一阶导数，识别和划分出F1～F6等6条断裂，水平总梯度与划分断裂展示出断裂分布(图14)。其中F1和F2等2条为较大断裂；F3～F6等4条为小断裂，其中F5和F6为控制局部鼻状构造断裂。F2断裂以北区域基底抬升及中上侏罗统抬升，对稠油聚集极为不利。而F5与F6断裂带之间区域属于中上侏罗统鼻状隆起构造区，亦不利于运移困难的稠油聚集，但F5与F6断裂带内或邻近地区，则对稠油聚集极为有利。

图14 断裂构造划分示意Fig.14 Division of fault structre

在该区域每100 m提取一条剖面，共提取11条剖面，使用ModelVision软件对该区域进行2.5D和三维反演(图15～图17)，剖面1和剖面7位置见图13。由于研究区石油开采井约180孔，收集到部分井位的钻探编录资料，作为2.5D及三维反演的约束条件。预设旁侧距离100 m，以剖面为中心，两边各外推50 m作为控制范围，获得各剖面反演和最终的三维反演地质—地球物理模型。

图17 三维立体图Fig.17 Graphic model

图15 1剖面2.5D反演Fig.15 2.5D inversion of a profile

通过11条剖面的2.5D反演，较准确地推测出了剖面所经过区域的第四系覆盖、白垩、侏罗、储油层、三叠等地层的埋深、厚度以及空间展布情况。

由11条剖面的2.5D反演成果，合成了三维地质—地球物理模型，相对准确和客观地反映了整个测区的沉积层以及储油层的整体形态、起伏变化等空间展布特征。根据收集石油钻探资料，该区2017年前已知采油钻孔分布情况与微重力测量及解释推断成果较吻合，其中相对重力高异常区钻孔稀、出油情况较差；相对重力低异常区钻孔密集，出油情况良好；临近断裂带钻孔利于稠油聚集，在高温高压蒸汽驱动作用下高产油井较多。