重力勘探是根据地球重力场研究地球构造及寻找矿产资源的一门地球物理学科或地球物理方法, 重力勘探获得的原始资料经过处理和解释以后可提供丰富的地下地质构造信息。重力勘探方法已经被广泛地应用于地壳深部构造、 区域地质构造、 地质填图、 资源和能源的勘察中。在中国复杂地区进行油气勘探时, 特别是表层地震波衰减严重的地区, 如华北油田饶阳凹陷孙虎潜山构造区, 由于受到复杂深层地质条件的限制, 常规地震方法成像效果差, 地质效果不明显。随着综合地球物理勘探方法理论的成熟, 以地震资料约束的重力三维处理与正反演技术已经在理论和应用中逐渐成熟, 分辨率不断提高, 逐步在油气资源勘探中收到了良好的地质效果。历史上, 重力方法在华北盆地古潜山勘探中一直扮演着重要的角色。1999年在华北信安镇地区综合应用重力与地震勘探发现了信安镇北潜山, 获得了高产油气流。2000年应用重力、 地震联合反演解释, 在武清凹陷斜坡码头潜山发现了工业气流。之后相继发现了信安镇潜山、 码头潜山、 黄花店潜山、 泗村店潜山等一系列潜山, 勘探取得了重大进展(崔永谦, 2003)。

华北油田重力异常主控影响因素是古近系底界面, 与下伏地层密度差大, 界面分层明显。随着油田勘探开发的不断深入, 勘探区域逐步转向了地质条件复杂的地区, 延伸到了深潜山等复杂地质目标区域。孙虎凹陷虎8潜山是华北潜山型油田的高产区之一, 而虎8北是否存在另外1个潜山构造, 多年来一直是1个需要解决的难题。虎8北潜山若被证实存在并具有一定的规模, 则可能会成为1个新的油气构造。近年来在该地区相继完成了多轮三维地震勘探, 然而由于目标体之上风化壳覆盖等原因, 导致了地震资料品质不高, 一直无法探明虎8北潜山是否存在及其规模大小的问题。本文使用在该地区完成的三维高精度重力资料, 对虎8北潜山目标区进行详细的重力学方法研究。

孙虎潜山构造带位于饶阳凹陷南部, 为渐新世早期开始隆升的大型潜山构造, 基底由多个小潜山组成, 古近纪和新近纪发育披覆构造, 并被一系列断层复杂化, 形成断鼻、 断块圈闭, 是被虎北断层控制的断鼻构造, 该区潜山带是沙四、 孔店组的沉积中心, 古近纪晚期的地层被剥蚀, 潜山具有 “ 早隆、 早埋、 晚稳定” 的特征。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 工区地层密度参数表 Table1 Strata density parameter of research area 层位 密度范围 /g· cm-3 综合平均值 /g· cm-3 钻井取样数 N1g 2.237~2.283 2.261 9 Es2-Es3 2.240~2.369 2.341 14 Es4-Ek 2.332~2.468 2.421 12 Jx、 Chg、 Pt 2.610~2.828 2.693 8 Ar 2.548~2.736 2.652 1

表1 工区地层密度参数表 Table1 Strata density parameter of research area

地层密度是重力勘探资料解释的重要参数。为了密度模型的建模, 搜集了工区内44口井的不同井段的实测地层层位密度资料(表1), 统计出了饶阳凹陷虎8北地区的地层密度特征。从表1可以看出, 各套地层之间均存在一定的密度差, 其中密度差最大的界面在古近系和新近系与下伏中生界之间。根据地震资料, 该区地层起伏明显(图1), 目标区深度范围在3, 500~4, 300m, 可以形成一定幅度的局部重力异常。潜山主密度界面的存在为高精度重力勘探寻找潜山提供了良好的物性基础(徐晓芳等, 2006)。

图1

Fig. 1

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	图1 虎8北地区覆盖层的底层深度界面深度分布(单位:m)Fig. 1 Depth distribution of the bottom interface of the overburden in the northern Hu-8 area.

本次重力采集工作共部署勘探面积359km², 测网密度为250m× 250m, 测线110条。共布设重力测点5, 928个。重力测量采用了4台加拿大生产的CG-5型重力仪, 所有参加施工的重力仪均进行了静态试验、 动态试验和一致性试验。试验数据经固体潮改正后, 静态掉格曲线呈线性, 最大非线性偏差为0.007× 10^-5m/s², 满足≤ 0.030× 10^-5m/s²的设计与规范要求。基点连接时采用 “ 基-辅-基” 方式进行, 基点、 普点和检查点均采用了2次读数观测方式进行, 重力普点采用单次观测法进行施测。资料采集观测精度为± 0.018× 10^-5m/s², 布格异常总精度为± 0.023× 10^-5m/s²。高精度的重力观测资料为对潜山构造进行精细推断解释提供了重要基础。

实测的重力资料反映了地下由浅到深各类地质体的物性差异在地面的综合效应, 包括密度界面起伏、 岩性不均匀、 地壳与壳下物质的厚度变化等诸多因素在内, 需要对重力资料进行数据处理和综合分析, 从实测资料中提取有用信息, 压抑干扰噪声, 提高重力勘探地质解释的能力。实测的重力资料经过地形改正和数据扩边处理后, 先通过采用向上延拓、 插值切割、 方向导数及小子域滤波、 小波变换与逼近、 带通滤波等方法处理, 再经过以地质-地球物理建模为基础的综合模型法进行综合解释, 就得到了重力异常分布图。再从局部重力异常中消除区域重力背景后, 就得到了剩余重力异常。剩余重力异常主要反映了深部密度界面的埋深和起伏, 可以用于研究深部潜山的规模与形态。

自从Parker(1973)将引力位引入频率域后, 便导出了三维重力场的正演计算方程式。地下二维连续密度界面起伏h(x, y)在地表产生的重力异常场可以在频率域中严格地给出(Parker, 1973)。Parker方程式的更广义形式可写为

FΔg)=-2πGe-kz0∑n=1∞kn-1n!F[ρ(r)hn(r)-gn(r)](1)

式(1)中, Δ g为重力异常, F[Δ g]为重力异常的二维富氏谱, G为万有引力常数, h为密度界面起伏(向下为正), z₀为界面的平均埋深, r为源坐标在x-y平面的投影, ρ 为物质界面的二维分布或上下物质界面的密度差, k为波数。

Parker方程式使用快速傅立叶变换(FFT)计算, 计算效率高, 是计算三维地球重磁场响应的1种快速有效的经典方法。在计算三维重力场的响应中, 不需要把地质体分解为若干小块, 避免了分割带来的误差和计算量大的缺点。在使用Parker方程式计算出浅层的沉积层的重力改正值后, 从布格异常值中减去其影响, 就可得到深部地层的重力异常。

Oldenburg(1974)重新整理了Parker 方程式, 将其变成了更适合于迭代反演的形式(Oldenburg, 1974):

F(h(x))=-FΔg)ekz02πGρ-∑n=2∞kn-1n!F[hn(x)](1)

利用式(2)可以反演计算不同密度界面起伏地层产生的重力异常。式(1)和式(2)的傅里叶变换都采用FFT算法来完成。将式(1)和式(2)交替使用, 可以进行单个密度界面的快速反演迭代计算(王石任等, 1992)。

反演中可能存在的问题是, 由于式(2)中含有向下延拓因子 ekz0,重力场高频成分的提高可能会影响收敛的稳定性(冯锐, 1986)。为了压制这种振荡, 采用正则化方法解决, 尤其在应用于下延深度较大时效果更好(梁锦文, 1989)。计算时, 可以对Oldenburg方程式第1项乘以正则化因子(王石任等, 1992):

v(α)=1/(1+αe2kz0)(3)

式(3)中, α为正则化参数, 其选取原则是既要保证反演收敛, 又要满足足够的精度。乘以正则化因子后, 重力异常中的高频成分得以抑制, 效果相对于低通滤波器, 可以使计算结果更加稳定。

根据虎8北地区勘探的资料, 该区布格重力异常(图2)总体反映了沉积盖层的厚度变化和基底的起伏形态。测区重力值最高点在测区的东北角, 重力最低点在测区西南角, 二者相差约12× 10^-5m/s², 从东到西布格异常值大致呈梯级带减小, 变化较为平缓。在图2的蔡园村位置(虎8井)存在1个闭合重力高, 已在该区钻遇高产的工业油流井, 说明闭合的高异常区可能存在圈闭油气藏。据统计, 冀中地区重力局部正异常与地震发现的古潜山的符合率高达83%(冀连胜等, 2001)。规模大、 埋藏浅的异常在布格异常图中容易找到, 但规模小、 埋藏深的异常体则容易被区域场掩盖而不易识别, 使用布格异常资料就存在一定的局限性。因此要分辨出规模小且埋藏深的异常体就需要消除区域场而分离出局部或剩余异常场。

图2

Fig. 2

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	图2 测区布格重力异常图Fig. 2 The Bouguer anomaly map of the study area.

图右色标表示重力值, 单位为mGal(10^-5m/s²); 图3, 5, 6, 图7上图的纵坐标与此相同重力异常的分离一直是重力资料处理的难题, 如何从观测异常中有效地提取目标体产生的异常, 是进行反演计算的前提。一般认为区域异常是由埋藏较深, 水平延伸较大的地质体或构造产生的, 在异常图中表现为形态宽缓、 幅值较大、 异常范围广; 而局部异常是由埋藏较浅、 水平延伸较小的地质体产生的, 在异常图中表现为形态陡窄、 幅值较小、 异常范围小, 叠加效应的结果使得部分局部小异常细节被淹没。而剩余重力异常一般则对应着这些局部异常。剩余异常也是1个相对的概念, 有时埋藏浅、 尺度大的地质体也会产生宽缓的异常, 所以区域异常具有的形态不一定就对应着深源(Skeeels, 1967), 表明了重力异常分离的复杂性。

图3

Fig. 3

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	图3 虎8北地区布格异常的区域场与剩余场的分离 a 滑动平均滤波区域场; b 滑动平均滤波局部场Fig. 3 Separation of regional and residual fields of Bouguer anomalies of the northern Hu-8 area

图4

Fig. 4

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	图4 单个潜山三维正演模型及正演响应Fig. 4 3D forward model of a single buried hill and its forward responses.

从测区布格重力异常场(图2)来看, 基本无法发现虎8北地区的重力异常高是否存在。这里采用滑动平均滤波方法(图3)来分离区域场和剩余场, 通过选择不同的滤波窗口和滤波系数, 在去除浅层干扰的基础上, 虎8北地区目标体的局部异常特征被突出(图3b中黑色圆圈部分)。分离出来的局部异常场的极大值约0.2× 10^-5m/s²。对比地质和地震勘探结果可知, 图3反映的局部异常形态与地震勘探识别的古潜山构造规模形态与位置基本接近。

前面采用重力异常场分离的方法, 定性地发现了虎8北的潜山目标体的存在。为了定量地确定该潜山的规模大小, 这里采用三维反演的方法。先正演计算出地下潜山模型是否能够产生出足以在地表被仪器探测到的重力异常, 再通过对正演模型的不断修正, 实现三维反演的目的。以工区地层密度资料和三维地震勘探结果(图1)为初始模型建立了工区1个台阶状的初始三维潜山模型, 如图4所示。对于密度差为270kg/m³、 顶面埋深为3, 500m的密度体, 当潜山模型顶、 底面宽度幅度分别为600m和2, 500m时, 其在地表可以产生约0.2× 10^-5m/s²的异常(图4), 与虎8北目标区域分离出的局部异常值大小接近。而本次的高精度重力观测的精度为± 0.023× 10^-5m/s², 对应局部剩余异常的分辨率≥ ± 0.075× 10^-5m/s²(陈社教等, 2006), 因而异常值为0.2× 10^-5m/s²的异常体在地表是完全能够被探测到的。

图5为研究地区剩余重力异常场, 从中可以看出, 目标区域异常体在地表形成的局部异常高的范围约为5km× 5km(图5中椭圆所示)。而图4中的单个潜山模型, 没有考虑到其周围异常体的影响(图5中几个红色方框所示), 其在地表形成的异常值范围要> 5km× 5km, 表明该异常体的规模与实际情况尚存在一定的差别。

图5

Fig. 5

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	图5 研究地区剩余重力异常图Fig. 5 Residual gravity anomaly of survey area.

为了更好地拟合图5中红色实线方框所示的几个低密度异常, 在地震和地质背景上重新设计了1个较为复杂的三维初始模型(图6a), 即在虎8北潜山模型周围增加3个长方体和1个圆柱体的负密度地质模型, 在三维正演的基础上采用Parker方程式进行了三维反演, 通过不断调整模型的形态和密度差, 使得虎8北潜山能够满足在地表产生的重力异常范围接近5km× 5km以及极大值≈ 0.2× 10^-5m/s²的条件(图6b)。最终反演的结果是潜山规模顶面幅度由初始模型的600m调整到了700m, 底面则由2, 500m调整到了2, 800m, 其在地表引起的重力异常与剩余重力异常的数值与展布特征(图5)近似一致, 该潜山模型更加接近于实际潜山模型。

图6

Fig. 6

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	图6 三维模型示意图(a)及对应的平面异常等值线(b)Fig. 6 Sketch of the 3D model(a)and the corresponding plane contours of gravity anomalies(b).

为了更准确地控制虎8北潜山的深度和规模, 选取图5中1条过虎8北潜山的重力测线进行2D反演, 反演结果如图7所示。从图7可见, 反演结果比较清晰地显示出了虎8北潜山的顶底面埋深与延伸规模, 与前面的3D正演的结果相吻合。重力反演的结果表明虎8北确实可能存在1个埋深较深、 规模较小的潜山。

图7

Fig. 7

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	图7 图5中虎8北潜山的重力测线的2D反演结果 D密度Fig. 7 Results of 2D inversion of the gravity data measured by the survey line in the northern Hu-8 area in Fig. 5.

由于受到火山岩体或风化壳覆盖的影响, 深层地震资料品质不佳, 难以识别盖层之下的小规模的潜山构造, 本文以饶阳凹陷虎8北潜山目标区为例, 尝试使用高精度重力资料对风化壳盖层之下的深部潜山目标体进行了研究。地面重力资料的正演计算表明, 深部密度异常体常形成叠加在区域背景重力场之上的低缓重力响应。通过场的变换与分离, 在去除区域背景场之后, 可以见到在饶阳凹陷虎8北地区仍然存在小范围的局部重力高。再根据剩余重力异常的幅值及地层密度差进行密度建模, 使用三维重力正反演方法, 确定了虎8北潜山的存在及基本规模。计算结果表明, 三维高精度重力方法作为地震方法的补充, 在确定深部潜山构造上具有比较明显的地质效果, 这对于那些无法取得可靠地震资料的地区, 以深层目标为目的勘探中具有重要的实际意义和参考价值。

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵意见。