古地磁学在我国油气勘探开发中的应用

程 鑫,姜 南,2,周亚楠,张 睿,张东海,范昌育,屈怡倩,王建强,吴汉宁

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室, 陕西 西安 710069;2.延安大学 石油工程与环境学院, 陕西 延安 716000)

古地磁学是地球物理学和地质学的一个交叉学科,通过测定岩石或某些古物的天然剩余磁性,分析它们的磁化历史,研究导致它们磁化的地磁场的特征[1-2]。古地磁学的研究始于19世纪中叶,20世纪50年代以后繁盛起来。随着古地磁学理论和研究方法完善,被广泛应用在大地构造学、构造地质学、地层学、古地理学和考古学等研究领域中,成为这些学科的重要支柱和必不可少的内容,并衍生出许多新兴方向[3]。石油和天然气在国民经济中占有极其重要的地位,近几十年来，众多学者利用古地磁学科本身特有的一些优势，在石油和天然气勘探开发实践中进行探索,提出了一些新的研究思路，并取得了较好的应用效果,为石油和天然气的勘探与开发带来了实际效益[4-5]。总体来讲,当前古地磁学在油气勘探开发中的应用，主要体现在2个方面：①利用剩磁,包括利用剩磁倾角、偏角及其变化，对盆地形成演化的大地构造背景以及盆地的后期改造历史进行研究,利用地磁极性倒转进行地层划分与对比,利用黏滞剩磁恢复钻井岩心的原始方位,利用古地磁方法测定油气成藏时限等等。②利用岩石磁组构信息，如利用磁化率各向异性判定古水流方向和埋藏砂体延伸方位,恢复沉积盆地古构造应力场等等。本文基于现有研究，重点介绍了古地磁学在我国油气勘探开发中几个重要应用场景的基本原理、技术方法和新进展,并对其应用前景进行展望,以期为未来的交叉学科发展和油气勘探开发实践提供参考。

1 构造磁学：研究油气资源富集构造背景的重要手段

全球油气资源的富集和分布与板块构造有着极其密切的关系[6-7],含油气盆地的形成与演化[8-11]、油气成藏要素的发育[12]、油气资源的聚集成藏等均与板块构造息息相关[13]。翟光明等认为富油气区形成的关键在于有利的区域板块构造背景和沉积地质演化[7],提出将“块体”视为相对独立的勘探单元,从区域构造背景出发考虑块体之间相互作用的影响,来宏观、整体地探寻和解剖一个地区的油气生成、运移和富集规律。靳久强等阐述了中国板块构造对油气盆地演化和油气分布特征的控制[8],认为中国的板块构造演化表现为小陆块拼合、多旋回运动以及强烈的陆内构造变动等特征，多旋回的构造运动和多期次的盆地叠加使中国的盆地多具叠合盆地的特征,影响到烃源岩的演化及油气的运移和分布，因此,中国的含油气系统多为复合油气系统。贾承造等认为中国海相沉积盆地的形成与演化主要经历了两大构造期和5个构造演化阶段[9],构造演化过程控制了中国海相沉积盆地的石油地质特征,古生代海相沉积盆地的形成奠定了油气藏形成的物质基础,中新生代的构造叠加与改造决定了油气成藏与保存的关键条件。何登发立足于油气勘探的新资料,分析了中国多旋回叠合沉积盆地的形成演化、地质结构与油气成藏模式及分布规律[11]，认为中国大陆是历经古亚洲洋、特提斯洋和环太平洋3个前后相继的地球动力学系统演化而形成的全球最新大陆,中国叠合沉积盆地经历了中新元古代、寒武纪—泥盆纪(或中泥盆世)、(晚泥盆世—)石炭纪—三叠纪、侏罗纪—第四纪4个构造旋回的演化。中国沉积盆地的多阶段发展、多旋回结构特征，决定了油气成藏要素发育、匹配关系的多样性与油气成藏时-空分布的复杂性,具有长期成藏、多机制聚集与晚期调整定位等特点,油气分布具有明显的有序性和层次性。李江海等依据古地磁方法对不同时期的全球古板块进行再造,开展不同时期古板块格局下的全球烃源岩分布研究[12]，认为烃源岩的沉积和保存受到超大陆旋回的控制,超大陆汇聚过程中陆架和适宜陆缘的消失，不利于烃源岩的沉积和保存,反之亦然。张光亚等在全球古板块重建基础上,探讨了全球原型盆地演化规律及其与烃源岩发育和油气富集的关系(见图1)[13]，认为全球原型盆地的形成与板块构造演化密切相关:① 罗迪尼亚(Rodinia)超大陆裂解、分离阶段,主要形成克拉通盆地和被动陆缘盆地;② 冈瓦纳(Gondwana)大陆漂移与潘基亚(Pangea)超大陆的形成控制古生代被动陆缘盆地、弧后盆地和前陆盆地的共同发育;③ 潘基亚(Pangea)超大陆的裂解，主要控制了裂谷盆地和被动陆缘盆地的发育。全球烃源岩发育与大陆裂解、海平面上升和海侵广泛有关,主要发育于拉张环境下形成的被动陆缘盆地和裂谷盆地,以侏罗纪和白垩纪最为发育。并提出针对多期叠加型盆地,通过分别恢复不同期次的盆地原型,预测其生-储-盖组合分布与油气富集有利区。

A 前寒武纪(630 Ma); B 奥陶纪(480 Ma); C 二叠纪(270 Ma); D 白垩纪(80 Ma)图1 全球古大陆再造和原型盆地[13]Fig.1 Reconstruction of global paleo-continents and proto-type basins

古地磁学可以定量确定出板块(地块)的古纬度、古方位及相对位置关系,是研究大陆漂移、板块构造和古板块重建的重要手段[1-2，14]。构造磁学研究基于轴向地心偶极子场(geocentric axial dipole,GAD)的假说,利用岩石中的剩磁记录获取古地磁视极移曲线(apparent polar wander path,APWP)，确定地质体在地质历史时期的古纬度和运动学过程,定量半定量地重建地质体之间的碰撞拼合关系和造山带的形成演化历史,为分析含油气盆地形成的构造背景、成盆机制以及地球动力学背景提供重要依据。基本原理如下:假设研究的目标板块都为刚性,并可简化为一个刚性质点,那么当我们获得了一个板块在不同时代的可靠古地磁极之后,可以对其进行连续投影到现代地理坐标系中,这个随时代变化的古地磁极漂移曲线就叫作古地磁视极移曲线[15]。根据轴向地心偶极子场(GAD)假设,古地磁视极移曲线应该代表了地球旋转轴相对于观测大陆的视运动,因此，真正漂移的并不是古地磁极,而是板块在运动[1]。目前已有多位学者通过稳定大陆高质量的古地磁数据、海底磁异常条带及板块回路旋转方法，建立了全球主要板块古地磁视极移曲线[16-18]。Torsvik等对300 Ma以来的主要板块进行了一系列古地理重建[17],并进一步将这一时限提前到了500 Ma[18],他们总结了来自冈瓦纳(Gondwana)大陆主要组成陆块、劳伦(Laurentia)大陆、波罗地/欧洲(Baltica/Europe)板块、西伯利亚(Siberia)板块的古地磁数据,并分别建立了其各自的视极移曲线,随着加里东造山作用结束,劳伦(Laurentia)与波罗地(Baltica)完成碰撞拼合,利用主路径(master path)方法可以将二者的视极移曲线整合为劳伦西亚(Laurasia) APWP,大陆从晚二叠世开始劳俄大陆(Laurussia) 与西伯利亚(Siberia)板块完成拼合,从而整合为一条完整的劳亚大陆(Laurasia) APWP。另外,自320 Ma以后,冈瓦纳大陆(Gondwana)与劳俄/劳亚大陆(Laurussia/Laurasia)开始拼合形成潘基亚(Pangea A2),因此，可以将二者从晚古生代之后的视极移曲线整合为全球视极移曲线(GAPWaP)。同时,中外古地磁学者为了研究中国大陆的起源、构造演化和碰撞拼合过程,在中国大陆各主要块体上积累了大量古地磁数据,相继建立了华北、华南、塔里木及柴达木等块体较完整的显生宙古地磁视极移曲线[19-28],为定量研究中国大陆的板块构造演化及含油气盆地的形成演化做出了重要贡献。李江海等基于古板块再造的古地磁方法,在对全球不同时期古板块构造格局和演化综合研究的基础上[29],编制了11个时间节点的全球古板块再造系列图,阐述了显生宙以来全球板块构造演化的主线及其重大地质事件。最近,杨风丽等尝试利用中国三大陆块盆地(鄂尔多斯、四川、塔里木盆地)古生界钻井岩心样品开展构造磁学研究[30],对华南、华北和塔里木三大陆块在全球洋陆格局中的古地理位置进行重建和定位,这是古地磁学与油气勘探实践深度结合的有益探索。

2 地层单元划分与对比

岩石地层学和生物地层学作为传统地层学两大分支,无论是在地层学研究的理论范畴,还是油气勘探的生产实践中,曾经一直是地层划分和对比最基本和最广泛的比较方法,在沉积稳定、富含生物化石的海相地层中发挥的作用最为显著。但对于陆相沉积盆地而言,沉积层序常有横向相变,生物化石呈点状分布且时常缺乏,传统方法已难以正确比较和划分盆地间沉积相关系,从而导致油气勘探过程难以为油气开发提供正确的地层指导依据。借助最新的理论科学探索,特别是不断更新和确立的全球地磁极性倒转序列的时间标尺,以及利用行星间轨道周期性变化对沉积记录影响的天文年代标尺,磁性地层和旋回地层更容易还原区域地层的时间序列,为进一步的陆相地层划分和勘探开发助力。

2.1 磁性地层学

磁性地层学(magnetostratigraphy)也称古地磁地层学,是以地质历史记录中古地磁极(场)的频繁、不规则倒转记录研究为主要任务,进而厘定沉积序列的地层学分支,是古地磁学与地层学的交叉学科。现在的磁性地层学研究不仅关注于岩石和沉积物的极性倒转,还由此引申,聚焦于综合层序特征划分与对比[31],尤其是已经建立了较为完整的国际层序对比的中新生代地层。在前沿科学领域,磁性地层学的研究工作作为地质时间尺度的核心线索和标志,代替传统岩石地层学,起到将生物地层、同位素地层和绝对年龄等证据有序衔接的作用[32]。由于地磁极性倒转记录具有全球同时性的特点,并且沉积地层中磁性矿物的剩磁可靠性较少受岩石类型和沉积相变影响,也不像生物化石经常受环境干扰而缺乏,在研究对象为具有上述变化的“哑层”时,其综合优势更可以得到充分发挥。因此,现代地层学往往将磁性地层(和旋回地层)的最终确立作为区域性地层工作全面完善的标志。

据美国《油气杂志》(Oil&GasJournal)最新统计,中东、委内瑞拉和加拿大已探明石油储量占全球总量的90%以上,油藏主要为古生界—中生界的海相沉积层序[33-34]。这些地区引入磁性地层学已有30多年的历史,并不断开展油藏储层的划分和对比研究[35-36]。此外,在北海油田[37]、巴黎盆地[38]和日本西部沿海含油气盆地[39-41]中,也有关于磁性地层学应用的相关报道。由于之前研究理论、应用工具的不完善以及绝对年龄尺度仅限于晚新生代的限制,与其他层序地层方法相比,磁性地层学在我国含油气盆地勘探研究开展的工作还相对较少。

我国原油产量在千万吨级的十大油田中,储层主要以中—新生代陆相沉积为主。仅有的含海相油藏(非单一的海相)发育在塔里木油田和西南油田的古生代地层中[34]。这些分布于陆相中—新生界的广阔油田，为引入磁性地层学开展更深入的国际间地层划分和对比提供了必要性和可能性。近年来,我国学者逐步在渤海湾盆地[42-43]、塔里木盆地[44-45]、柴达木盆地[46-47]等新生代含油气盆地开展磁性地层学工作。磁性地层学作为地层尺度的核心,明显引领着全球中—新生代地层精细化研究。因此适时实现我国油气田地层的国际化划分和对比尤为重要。全面有序开展磁性地层工作,有望深入地解决盆地沉积构造演化、古环境和古生态恢复等一系列综合性问题。以目前在研的松辽盆地钻探等项目为切入点[48-50],可以预测我国北方广泛分布的中—新生代陆相沉积物中蕴含的古东亚季风演化、青藏高原隆升环境效应、亚洲内陆干旱化等学术热点信息。不断深入开展的超精细磁性(和旋回)地层的研究也将为油藏建立可靠的高分辨率时间标尺。

2.2 旋回地层学

年代地层格架的建立在石油的勘探中具有重要的作用。地层的绝对年龄主要来自岩浆岩中所含锆石的放射性同位素测年,但岩浆岩在沉积地层中相对稀少，而且年龄跨度相对较大,因此，通过旋回地层学来重建该沉积地层的高精度连续天文年代标尺,可弥补同位素年龄数据不足的问题[51-53]。旋回地层学研究的理论基础是米兰科维奇旋回理论(Milankovitch cycles),这是从全球尺度上研究太阳辐射量与地球气候波动之间关系的天文理论。该理论认为,由于太阳系行星之间的相互作用，导致地球公转和自转轨道参数发生了(准)周期性变化,这种变化导致了地质历史时期全球气候的(准)周期性的变化,并且这种气候变化信息被记录在沉积地层中,对这种天文信号的恢复，可以用来确定或校准沉积地层的年代[54-56]。在目标地层的生物地层、磁性地层或同位素测年的研究基础上,从地层剖面的古气候环境变化的替代指标中通过小波分析等手段提取出相关的天文周期,将相关周期的滤波曲线与理论目标曲线直接进行对比,通过天文调谐来建立天文地质年代标尺[57-58]。天文调谐是旋回地层学中建立天文年代标尺的关键。天文调谐是指将古气候变化的替代性指标直接校准到偏心率、斜率、岁差或日照量理论目标曲线上(见图2)[59]。

v为近日点和地球位置间的角度;w为升交点方向与近日点间的角度;Ω为昼夜平分点Y与升交点方向的夹角;i为日黄道面与固定参考系的夹角，固定参考系为平均黄道面;φ为地球自转角;ε为黄道面法线和自转轴之间的夹角;Ψ表示了地球自转轴绕黄道面法线的运动。A 偏心率; B 岁差和斜率图2 地球角度参数示意图[59]Fig.2 Schematic diagram of earth angle parameters

古气候替代指标指的是能够反映过去气候变化的各类地球物理、地球化学等参数,常用的古气候变化替代指标包括岩性变化、古生物指标、氧(碳)稳定同位素、测井曲线、及磁化率和环境磁学参数等多种岩石磁学指标[58]。各种磁性参数似乎都在一定程度上反映了轨道的周期性。其中,磁化率(magnetic susceptibility)由于其易于测量，且可对岩心或野外露头高分辨率连续采样,被作为一种气候变化替代指标，在黄土序列、湖泊相以及海相地层研究中广泛应用[60-62]。虽然影响磁化率的因素有很多,但磁化率对于沉积物中磁性物质的含量具有很高的敏感性,而盆地内磁性物质的输入很可能是对天文轨道驱动的气候变化的响应[63]。

目前,旋回地层学的主要研究范围覆盖了整个新生代[57,63-66]。由于太阳系行星运动轨迹的扰乱[67-68],很难对60 Ma之前的行星轨道运动进行准确的确定,因此，对新生代之前的地层进行旋回地层学研究是相对困难的,但是，405 kyr稳定周期的出现使其变成现实[69-70],米兰科维奇旋回也正不断地从不同地质历史时期的海、陆相地层中揭示出来[57,71-77],在进行高分辨率地层划分对比和建立高分辨率地层格架方面展示出巨大应用潜力。

3 钻井岩心原始方位恢复

在油气勘探开发过程中,钻井岩心作为地下地质信息的直接载体，具有重要的研究价值。然而,在钻探工程中获取的钻孔岩心绝大部分为非定向取心,需要对岩心重定向才能使得一些重要的地质信息能够被充分利用[4]。如岩心样品上观测到的储层裂缝特征,不仅是判断油气运移通道和追踪油气储集场所的重要资料,还是储层压裂改造和注水开发工艺设计的重要依据[78-79]；又如用岩石的最小磁化率主轴方向来确定沉积盆地古构造应力场的最大主压应力方位[80];再如利用岩心磁组构分析古水流方向[81-83]。上述研究方法均需要在岩心定向的基础上才能发挥作用，古地磁岩心定向方法以其经济、高效、定量化等特点，逐渐成为岩心定向的重要手段,在油气等矿产资源的勘探开发过程中受到越来越多的关注和应用[84-93]。古地磁岩心定向方法基于对岩心样品的剩磁测量确定岩心方向,对岩心钻取工艺和岩心钻取时限均无明确限制,无论是新近钻取的岩心还是很久以前取出的岩心，都可实现定向[85，90]。

古地磁学岩心定向的基本原理是岩石中记录的稳定剩磁方向与岩石获取该剩磁时的地球磁场方向一致,且地球磁场具有地心偶极子场特征[4,94]。一般来说,岩心样品记录的黏滞剩磁分量(viscous remanent magnetization,VRM)方向通常与现代地磁场方向一致,原生剩磁方向与岩石形成时期的地磁场有关[95]。因此,使用磁清洗方法分离岩心样品中的各剩磁成分,通过矢量拟合提取黏滞剩磁分量和特征(原生)剩磁分量,再将这些分量与现代地磁场方向或露头区样品记录的原生剩磁方向比对，即可实现岩心定向(见图3)[85,90,96-97]。这项技术的关键在于:①岩心样品中多磁成分的分离、剩磁分量拟合及剩磁分量性质的判定;②岩心定向结果的精准度判断。

A 岩心坐标系; B 岩心定向图3 古地磁岩心定向示意图Fig.3 Schematic diagram of the paleomagnetic core-orientation technique

目前已有许多文章对古地磁岩心定向的原理、 实验方法和定向结果的可靠性展开研究和讨论[85,89-90,97], 并有学者尝试构建古地磁岩心定向新方法[91]。 总体来讲, 为保障定向结果的可靠性有如下建议： ①需有足量的测试样品(在同一岩心至少测试3块样品)[85]; ②需结合岩石磁学研究和地层情况设计合理的退磁方案， 并提取稳定剩磁分量; ③需结合一定的地质检验方法判定稳定剩磁分量的性质[89-90], 如可使用拟合得到的黏滞剩磁分量倾角与采样地地磁场倾角期待值比对， 判定该分量是否与现代地磁场关联, 可使用褶皱检验或倒转检验等方法判定特征剩磁分量是否为原生剩磁信息; ④最好能同时使用黏滞剩磁和原生剩磁信息进行岩心定向, 2种方法相互验证。 使用与现代地磁场相关的黏滞剩磁分量进行岩心定向， 简单易行、 成本低且预测的准确性更好[98]。

4 研究储层裂缝空间展布

天然裂缝不仅是重要的油气储集空间类型,还是油气渗流的有效通道,并且决定了储层的有效产能和后期压裂改造及油气藏开发方案设计的优化,是控制低渗透油气藏开发效果的关键性因素[99]。因此,储层裂缝发育特征、定量识别及分布规律预测等是国内外油气勘探开发实践中的一项重要内容[100]。

天然裂缝按照尺度规模可分为4级,分别为微裂缝、小裂缝、中裂缝和大裂缝[101]。钻井岩心观测是表征中小尺度裂缝的重要手段,微裂缝发育特征也可借助于显微镜、扫描电镜和三维 CT 扫描等微观分析方法对岩心进行观察描述[102]。但是,常规无定向岩心无法确定裂缝的产状。古地磁岩心裂缝定向方法是研究储层裂缝发育与空间分布特征的前提和关键技术。

20世纪90年代,就有学者将古地磁岩心定向方法应用在油田储层天然裂缝定向中[97，103-104]。岳乐平等较早阐述了利用古地磁原理与方法确定岩心裂缝方位[97],并通过对长庆油田40口井的含裂缝岩心的定向,揭示了油层地下裂缝展布方位。此后,古地磁岩心裂缝定向方法被广泛应用在辽河潜山裂缝性储集层[105-112]、松辽盆地火山岩裂缝[113-116]、鄂尔多斯盆地低渗透储集层[79，87-88，117-124]、渤海油田砂岩储集层[125]、哈南油田[126-127]、三塘湖盆地[128]及四川盆地[129]等各大油田的裂缝系统研究实践中。

王海军等归纳总结了各种岩心定向和储层裂缝探测技术[86],认为古地磁岩心裂缝定向技术最方便、快捷、经济,是有效且应用广泛的岩心定向技术。韦乐乐等在深入探讨古地磁岩心裂缝定向原理和工作方法的基础上[78],针对垂直及平行于岩心中心轴的2种样品加工方式,推导出可直接利用退磁结果表达裂缝方向的公式(见图4)。周亚楠等对古地磁岩心裂缝定向方法的可靠性进行了分析[87],并提出可用剩磁倾角和相似地质特征的露头观测验证定向结果的可靠性,完善了古地磁岩心定向方法的理论与技术体系。此外,侯冰等探索了利用交变退磁方法开展页岩岩心定向[130]，卫弼天探讨了利用黏滞剩磁(VRM)来对煤心定位的方法[131]。总之,古地磁法具有经济、效率、精度较高等优点,已成为当前油气储层裂缝系统研究的重要方法之一。

A 岩心坐标系； B 样品坐标系图4 岩心裂缝定向样品采集与坐标系示意图 [78]Fig.4 Core crack reorientation sampling method and coordinate system

5 恢复沉积盆地古构造应力场

构造应力场是沉积盆地成盆、成烃和成藏的主要动力,对盆地及其内部构造和油气矿产资源的形成演化起重要的控制作用[80]。构造应力不仅为油气生成和运聚提供能量,也是异常压力形成的重要因素,影响着油气在地层中的流动过程[132-133]。油气田勘探开发实践中,构造应力场的研究包括主应力方向、大小、作用时间、应力场的数学模拟、构造应力的起源等方面。目前,对地应力方向的确定主要依据现场地应力测试、地质地震资料分析和岩心室内测试等方法[134-135]。其中,岩心实验分析建立在地层取心的基础上,包括使用波速各向异性[136]、声发射[130，137-140]、差应变分析[141-142]等不同测定原理。所有基于岩心分析的方法都需要使用定向岩心,故古地磁岩心定向在其中发挥着重要作用。曹峰等基于波速各向异性、差应变及古地磁等实验测试分析[135],并结合特殊测井与微地震监测资料,开展了各类地应力方向测试与解释方法在致密砂岩储层中应用的适用性评价研究,表明差应变联合古地磁的实验测试结果与微地震和成像测井述评价结果具有较高的一致性,更加适用于均质且各向异性较弱的砂岩地层。侯冰等结合古地磁实验和声发射Kaiser效应测试实验，对取自川南某区块2口页岩气井的73块岩心进行室内测试[130],并将测试结果与先期地震数据以及现场测井数据进行比较,数据结果吻合度较高,说明在实验误差校正后,利用交变退磁结合声发射实验测量多裂缝页岩储层地应力方位的可靠性较高。

另外，利用岩石磁化率各向异性(anisotropy of magnetic susceptibility,AMS)确定地应力，是一种方便、快捷的方法,是油气田地应力研究行之有效的手段[4,80，143-144]。磁组构为岩石内部磁性矿物定向分布排列的特点,它决定磁化率(K)在各个方向上的差异性, 这一特点称为磁化率各向异性,其特征可由磁化率量值三轴椭球体表征,椭球体的长轴(K1)、中间轴(K2)和最小轴(K3)分别与磁化率的最大、中间和最小值相对应[145]。

沉积岩的形成过程中,磁性矿物定向排列主要受重力场、水流和地磁场3个因素影响[146]。在未变形的沉积物中,重力作用往往使得磁性矿物颗粒以扁平面(Kmax-Kint)平行于沉积层面,矿物优选方位长轴的方向取决于水动力条件[4]。若沉积物发生构造变形,变形的岩石内部因受应力作用会使磁性矿物定向排列,引发磁化率各向异性特征和参数的变化,并反映出一定的规律性[147]。Pares等在比利牛斯南部中始新世泥岩的磁化率各向异性(AMS)研究中[148]，提出了磁组构演化的初始变形、铅笔状构造和弱劈理3个阶段。贾东等在龙门山褶皱冲断带前锋带的沉积岩层中鉴别出沉积磁组构、初始变形磁组构、铅笔构造磁组构、弱劈理磁组构、强劈理磁组构和拉伸线理磁组构这6种磁组构类型(见图5)[149],丰富了沉积岩中磁组构演化的理论基础。

图5 沉积岩中6种主要的磁组构类型及其代表的应变状态[148-149]Fig.5 Six elementary types of magnetic fabrics and their representing finite strains in sedimentary rocks

磁化率各向异性因其数据获取具有快速、经济、无损测量、高灵敏度等优点,已广泛应用于造山带岩石构造变形和古应力恢复[144，150-153]。朱德武首次在张天渠油田开展了磁组构结合古地磁确定地应力方向的尝试[143],并与差应变、声发射、注采井生产响应情况及鄂尔多斯盆地地应力分布规律进行对比,表明磁组构法测试简便、节省费用且结果可靠,可广泛用于油田地应力研究。曾联波等通过磁组构实验与构造解析方法所确定的最大主压应力方向对比研究[80],对沉积盆地利用岩石磁组构确定主应力方向的可靠性进行了分析，认为在构造变形较强的沉积覆盖区,用岩石的最小磁化率主轴方向来确定沉积盆地古构造应力场的最大主压应力方位是可行的。该文同时指出利用磁化率各向异性恢复构造应力场需进一步探讨的问题,如不同岩性中磁性矿物组合类型对磁化率各向异性测试结果的影响，岩石变形强度与磁化率各向异性应用结果的可信度，磁化率各向异性主轴所反映的古构造应力场的分期等。由于常规磁化率各向异性测试结果揭示的是岩石内所有磁性矿物磁化率各向异性叠加的综合响应[150-154],利用磁化率各向异性分离技术获得岩石中不同磁性矿物AMS所反映的构造信息，是深入开展岩石磁化率各向异性地质应用的关键[147]。近年来,针对不同磁性矿物组合的磁化率各向异性分离方法有了较多理论和技术创新[144-152],为解决常规磁组构结果应用于传统构造变形分析时存在的局限性与复杂性，提供了新的研究方法与思路。

总之,利用岩石磁组构确定主应力方向已展示出良好的应用前景,尤其是缺少常规应变分析标志的地区(如盆地覆盖区),更能显示这种方法的优越性[150]。以古地磁定向加岩心应力测试或磁化率各向异性确定地应力结果为约束,以数值模拟为手段,可恢复油区的古、今应力场。在此基础上,利用构造挤压增压的数学物理模型进行油区构造挤压增压评价,以流体动力场为纽带，有利于研究构造挤压增压与油气成藏的关系,以及评价和预测有利探区[155]。

6 判定古水流方向和古沉积环境

如前所述，沉积物的起始磁化率各向异性(AMS)是磁性矿物在沉积和成岩过程中受地磁场、重力场和沉积动力的作用,使其以一定的方式排列而形成。也就是说,成岩过程中岩石内部磁性矿物的分布排列特点与造岩矿物具一致性,故而,可利用沉积岩的磁化率各向异性特征进行原生沉积(如古流向、古河道和物源方位)信息的恢复[81,156-160]。

磁化率各向异性识别古流向的基本原理，是建立在沉积物中磁性矿物颗粒或晶格在其长短轴方向磁化率有所不同,即磁化强度随方向变化的性质[148，150,154，161]。沉积岩在形成过程中,原生磁组构特征(未受到后期强烈构造应力改造)受到地磁场、重力场和水流3个要素的影响,其中重力场和水动力作用为主要因素,地磁场仅能影响到粒径微小的磁颗粒。当沉积面平缓,水动力条件不强时,磁化率椭球体的K1轴方向与水流方向一致,K3轴方向垂直于层面,K1轴的方向指示水流方向。当水流速度较大时(>1 cm/s),颗粒就有可能发生滚动,此时K1垂直于水流方向(见图6)[81,162-163]。因此,磁颗粒长轴K1的方向与水流方向垂直或平行,通过磁化率测定就可以进行古河道、古水流方位恢复,进而分析物源方向[82,164]。

利用磁化率各向异性确定沉积岩形成时的古水流方向,适用于剖面露头样品和钻孔岩心样品。对于露头样品,可直接在采样剖面量取岩层产状,但对于井下岩心则需先定向,在其原始方位恢复之后,磁组构特征可以恢复砂体形成时的水动力条件,判定河道砂体或堤坝砂体以及它们的延伸方位,为油田决策者提供参考。值得注意的是,利用这一方法的前提条件是岩石在搬运和沉积过程中,水流要有一定的优势方位，而一些沉积环境中,如潮坪相沉积,水流交互往复,AMS特征易表现出多方位,因而很难判识优势方向。在野外观察识别非磁古水流标志(如沉积构造和沉积现象,砾石、古生物化石的定向排列),非磁与磁标志相结合能更准确地判断古水流方向和水动力条件。另外,该方法基于统计学原理,一定数量的样本也是保证数据可靠的另外一个因素。

7 应用前景展望

古地磁学作为一门典型的交叉学科,在许多研究领域中得到了广泛的应用,衍生出如构造磁学、磁性地层学、古强度、岩石磁学、海洋磁学、生物地磁学、环境磁学、行星磁学等新兴研究方向。

A 静水沉积; B 水流平稳; C 水流湍急图6 沉积物的磁化率各向异性(AMS)特征[163]Fig.6 Characteristics of AMS data from sediments deposited

相对而言, 古地磁学在石油天然气勘探开发领域的研究和应用尚处在将前沿理论科学应用于实际生产勘探领域的初期阶段,但初步的研究成果已经显示出巨大的潜力和广阔的前景。除了本文重点介绍的古地磁学在研究油气资源富集构造背景、地层单元划分与对比、钻井岩心原始方位恢复、储层裂缝空间展布、沉积盆地古应力场、判定古流向和古沉积环境等方面的应用,还有学者探索利用古地磁方法确定油气成藏时限[165],约束油气生成、运移和破坏过程[166-169],利用磁组构确定隐伏地层产状[170],利用“烟囱效应”圈定地面油气异常[4]等,均取得了较好的应用效果。可以预见,随着古地磁理论和研究方法的日趋完善,古地磁学在石油与天然气勘探开发中还有很多新领域有待开发。古地磁学在石油与天然气勘探开发中具有良好的应用前景。