陳延貴, 邢逸群, 朱禮春, 乃國茹, 張 亮, 郭家松, 陳 才, 任 憑

(1.中國石油塔里木油田 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000；2.成都理工大學 地球物理學院，成都 610059)

塔里木盆地西部的喀什凹陷周緣地區(qū)，因其獨特的大地構造位置，發(fā)育眾多的地表構造，豐富的油氣顯示。目前已發(fā)現有阿克莫木油氣田、克拉托淺層油藏以及康蘇和楊葉地表油苗。但由于受南天山與西昆侖山兩大造山帶對沖擠壓作用，區(qū)域構造變形強烈，使得該區(qū)地表地質條件復雜、地下構造破碎，同時地震資料品質較差，嚴重制約了該區(qū)的地質認識和油氣勘探。相比人工地震勘探而言，大地電磁探測數據采集較容易，且勘探深度較大，能夠刻畫基底結構和隆拗格局；尤其在地質、鉆井和地震資料的約束下，極大地提高了電磁資料的精度，可揭示深層結構和標志層位。前人在塔西南區(qū)域白堊系的沉積相、儲蓋層及分布等方面做了大量研究[1-3]，認為下白堊統(tǒng)克孜勒蘇群多以陸相沉積為主，且上白堊統(tǒng)-古近系發(fā)育儲蓋組合；并開展了沉積學、構造地質學和石油地質學等研究[4-6]，認為西昆侖山北部和塔西南拗陷之間盆山體系主要形成和發(fā)育于早更新世末，這一構造運動奠定了西昆侖-塔里木盆地南緣現今的盆山構造格架；同時，也開展了大量的重磁和電法勘探研究[7-8]，對區(qū)域整體地質結構和主要構造層取得一定認識。但關于塔西南地區(qū)的電性結構特征、目的層分布與規(guī)模大小以及基底隆拗格局，目前仍然缺乏統(tǒng)一的認識。

本文通過對喀什凹陷西北緣的烏泊爾-克拉托地區(qū)的大地電磁剖面的數據處理和反演解釋，使用基于等值性原理的約束反演方法和電阻率縱向求導技術，研究西昆侖和南天山雙向對沖推覆區(qū)域的深部電性結構特征及相互關系；以電性結構為主要依據，結合地質和測井資料，刻畫克孜勒蘇群分布范圍、區(qū)域斷層展布特征及基底形態(tài)。研究成果對于探明烏泊爾-克拉托地區(qū)的目的層分布及厚度規(guī)模有重要意義，對油氣勘探以及鉆井部署也有重要參考價值。

圖1 研究區(qū)大地構造圖(A)和區(qū)域地質圖(B)Fig.1 Geotectonic map and regional geological map of the study area

1 地質概況

喀什凹陷西北緣的烏泊爾-克拉托地區(qū)位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜州和喀什境內，區(qū)域構造屬于塔西南前陸沖斷帶，為盆山耦合的復雜區(qū)帶。復雜的地質演化過程使該區(qū)域的地質結構與構造極具特點，地層出露分布也錯綜復雜，地表主要出露新生界、中生界、古生界等(圖1)，巖性主要為灰?guī)r、砂巖、砂泥巖，覆蓋層為礫石和黃土層。其中新生界出露十分廣泛，從北部的康蘇至南部的依買克均有發(fā)育。中生界主要有侏羅系和白堊系，缺失三疊系；侏羅系在康蘇斷陷大量出露，在昆侖山山前的且末干地區(qū)也有部分出露；而白堊系則在天山和昆侖山前零星出露，出露范圍較侏羅系小。古生界露頭則主要分布在天山和昆侖山的山前部位。

根據山前區(qū)域分散出露的少量白堊系以及區(qū)域內的鉆井資料，白堊系自下而上可劃分為克孜勒蘇群(K1kz)、庫克拜組(K2k)、烏依塔克組(K2w)、依格孜牙組(K2y)和吐依洛克組(K2t)。除克孜勒蘇群外的其余4個組均為上白堊統(tǒng)，稱之為英吉沙群，主要由泥灰?guī)r組成，含有膏巖，整體電阻率較高；克孜勒蘇群主要為陸相紅色碎屑巖系，是區(qū)域內的主要儲層。根據地表露頭及區(qū)域沉積-構造格架，認為烏泊爾-克拉托地區(qū)應廣泛發(fā)育克孜勒蘇群；但實際鉆探卻發(fā)現，克孜勒蘇群在區(qū)域內橫向展布不均勻，例如在WX1井鉆遇到克孜勒蘇群，而WB1井卻沒有鉆遇。

2 地層視電阻率特征

大地電磁測深法處理與分層解釋的前提是地層電性存在明顯差異。通過統(tǒng)計分析塔西南地區(qū)多個電測井資料并結合區(qū)域地質背景，可將該地區(qū)從上到下分為5個電性層(表1)。第1層在山前和凹陷均有分布，山前的西域組礫巖較多，電阻率相對較高；凹陷則以砂泥巖為主，表現為低阻。第2層通常為砂泥巖低阻層，為電磁剖面上的第一套低阻層；但當第2層出現較為純凈的砂巖時，可能出現局部的高阻層(烏泊爾構造帶出現此情況)。第3層為高阻層，其中含大量灰泥巖和石膏巖(平均電阻率接近 10 000 Ω·m)，為地震剖面上強反射標志層，通常也是典型的滑脫層。由于大地電磁對高阻層并不敏感，且第3層通常埋藏較深，所以當該套地層厚度<1 km時大地電磁難以識別。由于三疊系在整個工區(qū)內缺失，第4層為下白堊統(tǒng)和侏羅系砂泥巖低阻層，有時與二疊系卡倫達爾組的砂泥巖低阻合并在一起，確定為電磁剖面上的第二套低阻層，該套低阻層對于確定中生界是否缺失具有重要意義。第5層為古生界及元古界高阻基底，通常以白云巖、灰?guī)r和變質巖為主。

烏泊爾構造帶位于烏泊爾-克拉托地區(qū)，其地層電阻率與塔西南其他構造帶存在一定差異。根據已有的烏泊爾構造帶區(qū)域地質資料，并結合WB1井的電阻率測井曲線及錄井巖樣信息，將該地區(qū)不同地層的電性特征進行分層(表2)，由上到下依次為第四系西域組次高阻、新近系阿圖什組(N2a)低阻、帕卡布拉克組(N1p)次高阻、安居安組(N1a)低阻、克孜洛依組(N1k)次高阻、古近系上部低阻、古近系下部(E1a)以及上白堊系統(tǒng)高阻、下白堊統(tǒng)克孜勒蘇群低阻，以及古生界和元古界的高阻層，其中包括4套高低阻互層。 通過這4套高低阻互層，提高對該區(qū)域剖面的反演精細度，使得對目的層克孜勒蘇群的識別更加準確可靠。

表1 塔西南地區(qū)電性標志層統(tǒng)計Table 1 Statistics of electrical signs of the southwestern Tarim Basin

表2 烏泊爾構造帶電性標志層Table 2 Electric marker layer of the Wuboer structure belt

目的層克孜勒蘇群為一套砂泥巖互層，上部的古近系烏拉根組與巴什布拉克組以膏泥巖為主，可作為有效蓋層。大地電磁識別深部的低阻層，即白堊系克孜勒蘇群、侏羅系、二疊系卡倫達爾組砂泥巖有一定困難，原因主要是：①新近系整體電阻率較低，且厚度較大(凹陷區(qū)域通常在5 km以上)，對電磁場有較強的吸收能力，降低了大地電磁深部的分辨率，所以當目的層和新近系之間的高阻層厚度較薄時，上下2套低阻層的電磁異常因體積效應疊加在一起，難以區(qū)分。②大地電磁法探測地下深部的低阻薄層，即便獲得較好的反演結果，通常也只能得到一個相對較厚、電阻率相對較高的低阻層，該結果可能會很好地擬合觀測結果，卻不是最真實的地電模型。

本文提出的基于等值性原理的約束反演方法旨在解決第二個問題，該方法可以直接控制反演解收斂到預期薄層厚度，同時得到較為真實的薄層電阻率。在未知地層是薄層的情況下，該方法可以人為加強薄層約束，以增加擬合觀測數據的反演模型數量，便于與地質地震資料進行對比解釋，最終的結果更為真實。

3 等值性約束反演法

3.1 等值性約束算法

大地電磁法中，層狀一維介質的每一層波阻抗都是由最下面一層遞推而來，于是可以得到第m層的波阻抗為

(1)

大地電磁的S等值性原理的實質為：某一層dm和ρm(視電阻率)發(fā)生改變時，波阻抗卻保持不變，從而導致視電阻率響應幾乎相同。從(1)式中可以看出Zm是該層厚度和電阻率的函數，即可以寫作

Zm=f(dm,ρm)

(2)

為了弄清楚等值性的變化規(guī)律，考慮簡單3層模型(背景電阻率為 1 000 Ω·m，中間層埋深2.5 km)，以中間層dm為橫坐標，ρm為縱坐標，計算其波阻抗等值線(圖2-A)。圖中虛線框左上和左下分別代表高阻薄層的H等值性區(qū)域和低阻薄層的S等值性區(qū)域?？梢钥闯觯娮杪屎秃穸榷驾^小時，兩者的比值保持不變就能維持波阻抗恒定，這是S等值性；當厚度較小且電阻率大于背景電阻率時，厚度變大對波阻抗幾乎不再造成影響，這是H等值性。在其他范圍內，波阻抗的特征滿足廣義的等值性現象。低阻薄層是滿足S等值性的，但是反演得到的波阻抗結果通常已經在S等值性范圍以外，等值性約束算法的目的也就是改變目的層的層厚和電阻率，使得波阻抗向S等值性范圍靠近，即滿足

(3)

式中Δ表示步長，即參數改變的百分比，因為Δ過小導致計算時間增長，過大導致收斂精度降低，通常取5%～15%。ε表示收斂程度，ε越小表示波阻抗越靠近S等值性范圍。

由圖2中可知，當目標體為低阻時，保持頻率固定，一個dm僅對應著唯一的ρm。通過公式(1)解ρm較為困難，可以將(1)式變形為

(4)

已知目的層第m層的Zm、dm時，通過迭代的方法可以得到近似的ρm，于是約束算法的流程為：按Δ逐漸減小dm的值，每減小一次dm的值便迭代計算出唯一對應的ρm，直到dm和ρm的值滿足公式(3)，計算結束，得到約束后的薄層電阻率和厚度。該過程中保持ε恒定，ε只影響等值性算法的收斂結果，越小代表層位越接近S等值性，即層厚越薄，電阻率越小，理論上需要地層厚度趨于0，電阻率足夠小才滿足S等值性。

圖2-B是3層模型的等值性約束結果，其中常規(guī)反演采用共軛梯度反演，可以看出等值性約束對目標層位實現了異常突出、電阻率變低、層厚變薄。 圖2-C是約束算法迭代過程中， 保持波阻抗不變情況下約束層位的電阻率和層厚的變化結果，可以看出其變化趨勢滿足圖2-A中的規(guī)律。設定ε后(即多大程度上接近S等值性范圍)，滿足公式(3)時，迭代停止。

圖2 MT視電阻率-層厚的等值性平面圖、三層模型等值性反演對比圖及約束層的電阻率-層厚隨迭代次數變化結果Fig.2 Equivalent floor plan of MT apparent resistivity-layer thickness, correlation chart of three-layer model equivalent inversion, and constrained layer and layer thickness varied with the number of iterations (A)MT視電阻率-層厚的等值性平面圖，該圖來源于特定模型，不同模型將導致圖像存在差異，但整體上具有普遍的規(guī)律性，圖中電阻率單位乘3是為了使圖形更美觀，否則過于狹長；灰色和紅色圓點分別代表約束前和約束后的參數示意圖，紅色箭頭代表變化方向; (B)3層模型等值性反演對比圖; (C)約束層的電阻率和層厚隨迭代次數變化結果，一個圓圈代表一次迭代，參數設置為： ε=0.2， 根據式(3)計算機自動迭代47次， 電阻率層厚從1196 Ω·m/550 m 收斂到112 Ω·m /105 m

3.2 反演原理與實現

目前多種約束反演方法[9-11]已經被成功應用于實際生產中。這里提出的等值性約束算法主要是基于反演結果的一種輔助算法，原則上可以適用于任意的大地電磁反演方法。文中二維常規(guī)反演主要使用非線性共軛梯度二維反演(基于MTSOFT2D軟件實現)，約束反演首先采用一維馬奎特反演，然后采用等值性約束反演交互模塊進一步處理，得到最終的約束反演結果。

本文算法的主要缺陷在于只能人工識別需要進行約束的層位，且收斂系數的設置需要通過嘗試來確定最佳值，這對于實際資料處理來說工作量巨大，于是需要開發(fā)人機交互反演模塊，具體實現步驟如下。

a.數據的導入：首先用MTSOFT2D做常規(guī)NLCG二維反演(對于某些地區(qū)為了達到更高的分辨率可以直接做一維反演)，然后使用該模塊導入反演結果數據。

b.等值性約束算法：使用前文所述方法對需要約束的構造作單點人機交互約束反演，反演結果以及擬合結果可以在每一次迭代中實時顯示，以便人為選定約束層位、收斂系數和其他反演參數(反演深度、層厚、迭代次數、阻尼因子等)，以及確定曲線擬合程度和反演終止條件等。

c.對于使用等值性約束后的模型響應相比原來的模型響應存在誤差，需要通過1～2次反演迭代來消除。但是通過一維反演來擬合二維模型的響應仍然是存在誤差的，這可以通過將最終得到的約束模型重新進行1～2次二維反演即可。

設計如圖3-A所示的理論模型，蓋層內含有厚度約為0.5 km的3個低阻薄層，常規(guī)的大地電磁反演方法很難明顯地將中間第二個與第三個低阻薄層區(qū)別開(圖3-B)。這里使用軟件模塊對已知的層位進行等值性約束，同時對薄層之間的電阻率進行修正以突出薄層，充分利用先驗信息實現了對薄層的識別(圖3-C)，可以有效地突出地層信息，一定程度上提高大地電磁的分辨率。

圖3 復雜模型等值性薄層約束反演試驗Fig.3 Constrained inversion test of complex model of equivalent thin layer

該試驗結果證明了該反演模塊的有效性。

4 地層識別與構造解釋

研究區(qū)位于塔里木盆地西南部，西昆侖山和南天山的盆山結合部位，是塔里木盆地油氣藏的重要潛力區(qū)。位于烏泊爾-克拉托區(qū)域的3條相鄰測線:A-A′(即KS02E-483)、B-B′(KS02E-499)、C-C′(KS02E-509)自西向東分布，3條測線的具體位置如圖1。對測線進行非線性共軛梯度二維反演，得出整體反演結果如圖4所示。由于同時受西昆侖山和南天山的相互擠壓作用，測線途徑區(qū)域廣泛發(fā)育有上沖推覆構造，測線北端南天山山前結構隆升明顯，造成北部區(qū)域基底埋藏較淺，蓋層較薄，地表直接出露侏羅系及更老的地層。推測該區(qū)域很難存在白堊系，即不存在目的層；測線南段位于昆侖山前，中生界整體發(fā)育良好，但根據WB1井的錄井信息發(fā)現，中生界曾出現過一定程度的剝蝕，造成目的層克孜勒蘇群的不均勻分布。

WB1井位于烏泊爾構造帶內，在測線KS02E-499以西大約2 km處，井底層位為下二疊統(tǒng)比尤列提群(P1by)(深度 7 265 m，未穿，灰?guī)r為主)，未鉆遇克孜勒蘇群。圖5中右側的紅線表示測線KS02E-499反演的電阻率結果，可以清晰地看到有4套高低阻互層。雖然測線電阻率與錄井電阻率對應電阻率層位出現一定的錯位，但考慮到WB1井位于測線KS02E-499西側2 km左右，說明反演電阻率整體上與電測井(WB1井)結果對應良好。結合該現象以及區(qū)域3條測線的反演結果，推測東側地層比西側埋藏要深，地層整體向東傾斜；南側地層比北側埋藏要深，南側地層發(fā)育也較北側完整。

圖4 烏泊爾-克拉托地區(qū)測線NLCG反演結果Fig.4 Inversion results along NLCG measuring line in the Wuboer-Cratto area

圖5 WB1井的電阻率測井曲線Fig.5 Resistivity logging curve of Well WB1

4.1 區(qū)域地層的層序識別及劃分

根據區(qū)域地質資料及測井的錄井信息，推斷西昆侖山山前中生界主要為白堊系。由于該區(qū)域的上白堊統(tǒng)為深部高阻薄層，對于MT來說響應十分微弱，難以識別。為了有效追蹤中生界，大地電磁探測應當以識別古近系上部的低阻層為主，根據該層推測中生界的厚度以及目的層存在的可能性。采用本文所述的等值性約束人機交互反演模塊，根據電測井信息，將已有的較厚低阻層約束到更加符合實際地層厚度的低阻薄層，并結合已有的反演結果在橫向上進行連續(xù)追蹤；同時對靠近地表的2個低阻層在保證數據擬合情況下進行人機交互調整，使其層次更加分明。測線KS02E-499經過等值性約束后的反演結果如圖6-A所示，反演結果有效追蹤到目的層較真實的厚度。為了更加準確地識別斷層位置，對測線KS02E-499電阻率反演結果求取縱向導數，縱向導數突出了電阻率橫向上的不連續(xù)性，從縱向倒數圖中可看到對斷層進行了有效的識別(圖6-B)。

根據測線KS02E-499的反演結果以及縱向求導結果(圖6)，取得以下認識：①測線0～15 km可能缺失。在0～5 km范圍內深部低阻異常增大，推測可能存在克孜勒蘇群低阻目的層，造成低阻異常向深部擴散。在5～15 km范圍內，結合WB1井的數據，判斷測線15 km處的低阻異常完全由古近系上部導致，克孜勒蘇群可能缺失。②測線15～33 km范圍內烏帕爾背駝盆地的地層整體較為平緩，發(fā)育3套高低阻互層，其中克孜洛依組較厚，至少有2 km，且以砂巖為主，高阻異常與電測井結果吻合良好。根據等值性約束反演結果，發(fā)現15～24 km范圍異常規(guī)模和大小不變，可以認為該區(qū)域地層與WB1井情況類似，不存在克孜勒蘇群。根據異常顯示，推測在測線24 km處存在逆斷層，該斷層為烏帕爾深部斷裂所致；測線24～33 km處異常減弱，推測是由于古近系上部低阻層變薄導致，仍不存在低阻克孜勒蘇群。③測線33～63 km主要受南天山推覆影響，其中在33～38 km處，第3套低阻(古近系上部)異常重新加強，但是此時古近系低阻層已經減弱，推測可能存在白堊系低阻，低阻異常的增強是古近系低阻和克孜勒蘇群低阻層的共同作用導致，即在33～38 km處可能存在克孜勒蘇群；測線38～63 km高阻基底抬升，低阻異常分布于地表，侏羅系出露，認為沒有克孜勒蘇群。

圖6 KS02E-499等值性約束反演剖面和縱向導數結果Fig.6 KS02E-499 equivalent constraint inversion profile and longitudinal derivative results

范圍內，受深部逆斷層抬升影響，反演剖面上呈現明顯的背斜構造，第2套和第3套低阻層異常合在一起，說明克孜洛依組較薄甚至通過測線反演結果以及結合區(qū)域相關的地質認識，判斷測線KS02E-499在0～5 km處以及33～38 km處深部的低阻層是由于克孜勒蘇群的存在導致，這2個區(qū)域內可能發(fā)育該套目的層，但判斷目的層克孜勒蘇群的厚度均小于1 km。

4.2 區(qū)域斷裂識別及基底起伏

根據大地電磁反演剖面結構，并結合區(qū)域地質資料，特別是通過電阻率縱向求導結果，可大致確定烏帕爾斷裂的位置。在測線KS02E-499中(圖6)，烏帕爾斷裂位于測線35 km位置附近，可以看到斷裂兩側電阻率有一定差異。烏帕爾斷裂是烏帕爾弧形上沖推覆帶的主沖斷裂，主要由烏帕爾上沖斷裂系和斷裂上盤的烏帕爾背馱盆地組成，斷層滑動距離由造山帶向盆地遞減，斷面呈上陡下緩“犁式”形態(tài)。烏帕爾斷裂的存在，導致斷裂左側及右側的地層分布以及沉積演化都發(fā)生了一定的變化。確定烏帕爾斷裂的位置對尋找目的層有一定的幫助。

從測線KS02E-483、KS02E-499、KS02E-509的反演剖面上看(圖4)，可以發(fā)現以下現象：①在測線的南側及昆侖山的山前，基底都呈一個明顯的背斜形態(tài)且上部低阻層較厚，推測這個背斜構造的形成是受到烏帕爾上沖推覆帶的影響導致；結合測線KS02E-499的等值性約束反演結果，推測該區(qū)域可能零星存在克孜勒蘇群。②在兩山之間，即測線的20～40 km處，烏帕爾斷裂的南側基底形態(tài)表現為深部的凹槽，由西向東該區(qū)域內低阻體逐漸增厚，判斷克孜勒蘇群可能有不均勻的零星分布。③天山山前基底的整體隆升明顯，受南天山強烈的向南推覆影響，侏羅系出露地表且為高阻，基底也抬升至近地表較淺位置，新生界、白堊系幾乎全部被剝蝕，表明該區(qū)域不存在克孜勒蘇群。

根據圖4中3條測線的反演結果以及區(qū)域的地質資料，認為該區(qū)域基底總體表現為南低北高和東低西高的特點。北部基底整體埋藏較淺，且康蘇斷陷內出露大量的侏羅系，推測北部克孜勒蘇群存在的可能性較?。荒喜康貙影l(fā)育較為完整，根據上述的解釋推測昆侖山前部分區(qū)域存在克孜勒蘇群，但分布零星且厚度較薄。

5 結 論

a.利用等值性約束反演，以大地電磁一維層狀模型解析解的遞推公式為基礎，變換為可用于等值性約束的迭代公式，并結合一維理論模型，詳細論證其算法的有效性，應用于塔西南地區(qū)深部薄層探測。根據WB1井的先驗信息進行等值性約束模塊，有效地對深部薄層進行約束，并在該地層上進行連續(xù)追蹤，從而進一步判斷目的層的位置與規(guī)模。相對常規(guī)反演結果，等值性約束反演結果能更好地反映深部地電信息，一定程度上提高了深層大地電磁探測的分辨率和目標地層的識別能力，具有較好的推廣應用前景。

b.通過對烏泊爾-克拉托地區(qū)大地電磁資料處理和解釋，根據反演剖面和縱向求導結果，分析目的層——克孜勒蘇群可能的存在區(qū)域，刻畫區(qū)域斷裂及基底隆拗關系。兩山對沖結構在反演剖面中顯示明顯且山前形態(tài)各不相同，中生界主要分布在兩山山前，在昆侖山前整體發(fā)育較天山山前好；在山前前陸盆地覆蓋區(qū)分布較少，局部地區(qū)可能發(fā)育。西昆侖山前的 WB1井以南3～5 km(即烏帕爾背駝盆地最南端)區(qū)域基底隆升形成背駝，上部地層發(fā)育良好，推測該處深部的背斜構造發(fā)育克孜勒蘇群，并認為烏帕爾斷裂下盤部分區(qū)域可能存在目的層；南天山山前大量地層遭受剝蝕，地表出露侏羅系且基底埋藏較淺，推測不存在目的層。