0 引言

可控源电磁勘探法是地球电磁勘探技术甚至地球物理勘探技术中最活跃、最具创新活力的一个分支，在油气、矿产、地热、地下水及工程等领域中应用广泛，并发挥着重要作用^[1-6]。目前，为应对矿产资源危机，降低战略矿产资源的对外依赖性，中国已将深地探测作为未来国家科技研究的四大重点方向之一，这为电磁勘探技术的快速发展提供了契机^[7]。

多年的火山岩勘探实践表明，非地震方法在火山岩目标研究中发挥了重要作用。火成岩储层具有明显的电性和磁性特征，火山岩地层的电磁属性可用来辅助地震勘探增强火山岩储层识别的可靠性^[4]。近年来，针对火成岩目标探测的非地震技术呈现百花齐放的态势，学者们在利用重磁电震综合研究火山岩方面进行了大量的探索，形成了研究热潮。刘云祥等^[5-6]基于岩石密度、磁性、电阻率差异，联合重磁电资料划分火山岩岩性、岩相，其成果得到其他资料的佐证。索孝东等^[7-8]基于重磁电异常信息建立一种火成岩识别模式，利用该模式识别石炭系火山岩岩性，并利用建场测深电阻率剖面和地震剖面对深层岩性垂直定深的优势，综合确定了火山岩的空间位置及形态。王耀辉等^[9]利用高精度重磁电资料的多种组合特征对基底岩性、岩相的识别取得了较好的效果。杨辉等^[10]根据酸性岩—中性岩—基性火山岩密度逐渐增大的特性，利用地震资料对重力异常进行剥层增强处理，实现了火山岩岩性的宏观预测，获得了较好效果。徐礼贵等^[11]利用电磁和重磁资料缩小并锁定深层火山岩有利靶区，再利用地震解释技术落实深层火山岩有利勘探目标。王玉华等^[12]应用重磁力弱信息提取、重力异常剥离、重磁震联合反演解释等技术，提取并增强了与火山岩有关的重磁异常信息，开展综合地质解释。张长江等^[13]基于火成岩的良好物性基础，利用建场测深法有效确定深部岩浆岩活动区，确定古生界火山岩的分布。

另一方面，自何展翔等^[14]提出时频电磁技术以来，业内学者在时频电磁油气预测技术方面进行了大量的探索。赵一丹等^[15]通过分析储层含油层段与非含油层段的电阻率、极化率差异，利用时频电磁的电阻率和极化率综合异常成功地检测并评价了含油气有利目标。李燕丽等^[16]总结了含油气古潜山的时频电磁数据具有高振幅、高相位、中-低电阻率异常的特征，据此成功进行了油气检测，其成果得到钻井资料的证实。高妍等^[17]研究了古潜山储层的含油饱和度与电阻率、极化率的相关特性，提出了潜山目标油气储层的检测方法。张春贺等^[18]研究和总结了含气页岩的极化率、电阻率等岩石物理特征，开展了基于时频电磁法的富有机质页岩层系的预测。王永涛等^[19]为了提高利用时频电磁法预测含油气性的准确性，采用多属性参数进行图像融合处理，预测了含油气最有利区，以提高解释结果的可靠性。张锐锋等^[20]引入等效介质复电阻率模型，应用于反演时频电磁参数，开展油气检测，取得了很好的效果。徐桂芬等^[21]通过联合电磁和地震信息，对深层火山岩多套夹层进行解释，成功圈定出了有利目标。He等^[22-25]系统、全面地总结了时频电磁技术在圈闭油气藏检测、火成岩储层识别、时频电磁数据采集处理及反演方法等方面的进展。这些研究和应用表明，时频电磁法已发展成为一种有效的油气检测技术。

目前，时频电磁技术主要采用井震建模约束顺序反演，采用地震和测井资料对电性模型进行约束反演^[26-29]，但关于建模约束的细节问题，即电阻率、极化率模型的空间范围如何与已知物性结合，以及有利储层的评价标准等还存在诸多需要进一步解决的问题。因此，本文在已有反演方法的基础上，利用石北地区钻井和时频电磁资料，针对该区火成岩岩相、岩性展布复杂、地震剖面上石炭系反射不清等问题，探索出基于高斯分布的物性分析、进一步优化反演建模的方法，并依据已知钻井储层的电磁属性资料建立油气评价模板。最后，通过示例研究揭示研究区火成岩展布，分析针对石炭系火成岩的时频电磁数据处理反演方法的效果及有利火成岩含油气目标的预测方法，为类似火成岩储层的勘探数据处理、解释提供借鉴。

1 研究区地质—地球物理特征分析 1.1 构造地质特征

准噶尔盆地自晚古生代至第四纪经历了多期造山运动，在盆地中形成了类型多样的构造组合和沉积体系，控制了盆地的油气生成、运移、聚集^[30-31]。研究区位于准噶尔盆地北缘的石北构造带。根据盆地的构造沉积演化、断裂特征等，研究区可划分为上、下两个构造层，地震剖面上呈明显的角度不整合接触。

上构造层主要包括白垩系、侏罗系、三叠系。上构造层构造简单，地层平缓，构造主要以古地形之上继承性发育的低幅度披覆构造为主，三叠纪发生过两次大规模的水进，形成了两套区域性盖层，发育了两套有利储盖组合。

下构造层为上古生界石炭系—二叠系。下构造层相对复杂，钻井揭示研究区残留中、下二叠统正常沉积地层和上石炭统火成岩(局部发育碎屑岩地层)石炭系内幕不同期次的火山岩岩相、岩性有差异，可形成不同火山岩相的内幕局部盖层。

1.2 地层电阻率高斯分布特征

根据研究区内电测井资料，对深测井电阻率数据进行高斯分布统计(图 1)。表 1为基于测井数据统计的各地层电阻率高斯分布的均数μ和标准差σ以及最大、最小电阻率值，并以μ±σ和μ±2σ概率上/下限的电阻率值作为不同地层岩性条件下反演的约束范围。

由图 1和表 1可见，上构造层主要地层电性特征为：新生界(Q-E)为一套相对稳定的高阻层；白垩系(K)为一套低阻层；侏罗系(J)较上覆、下伏地层表现出相对高阻特征；三叠系(T)为一套相对低阻层。下构造层相对复杂，具体电性特征为：二叠系(P)地层表现出次高阻特征，地层发育不全，厚度较小，部分地区缺失，电阻率变化范围相对较大，由于研究区内二叠系地层厚度很小，本文建模时不予考虑；石炭系(C)总体为一套电阻率较高的高阻标志层，电阻率值变化较大，整体呈现出“火山岩—沉积岩—火山岩”三层结构，其中火山岩地层电阻率大于500Ω·m，碎屑岩沉积地层电阻率小于20Ω·m，从石炭系地层电阻率分布(图 2a)也可以很明显地看出曲线呈两个峰值。为进一步分析石炭系地层的电阻率特征，将电阻率分成高阻和低阻两部分，重新绘制了这两部分的高斯分布图(图 2b、图 2c)，可见对数电阻率曲线呈现对称的正态分布。基于石炭系电阻率测井数据统计了高斯分布特征数据及μ±σ、μ±2σ概率下电阻率值(表 2)。

钻井揭示研究区石炭系发育的火山岩主要是安山岩、火山角砾岩、凝灰岩及碎屑岩。上石炭统巴山组(C₂b)为陆相火山岩建造，发育红色火山熔岩，主要成分为辉绿岩、玄武岩、安山岩等，底部夹碎屑岩—火山碎屑岩，电阻率较高，可达几十至上万欧姆米，平均值约100Ω·m。下石炭统顶部松喀尔苏上亚组(C₁s^b)为一套海、陆过渡地层，属滨海相碎屑岩，上部为陆相含煤地层，局部夹火山碎屑岩，底部为浅海相火山碎屑岩、碎屑岩，电阻率相对较低，在几至几百欧姆米之间，平均值约为10Ω·m；下石炭统底部松喀尔苏下亚组(C₁s^a)为海相砂泥岩，底部发育中基性火山熔岩，主要为安山岩、火山角砾岩、火山碎屑岩等，电阻率相对较高，为几十至上万欧姆米，分层特征明显，上部平均值约为100Ω·m，下部平均值约为20Ω·m。

2 火成岩储层含油性评价电性模板 2.1 含油岩石频散特征分析

岩石电性特征亦可体现为激发极化效应，在油气电磁勘探中，储层多相孔隙介质在不同含油饱和度条件下具有不同的电磁频散特征。

图 3为研究区石炭系凝灰岩岩心的电磁频散测试结果，即不同含油饱和度下的电阻率特征。由图可见，含油饱和度越高，岩心的电阻率曲线幅度越大、斜率也越大，呈近似正比关系。为进一步分析饱和度参数的频散特性，求取了图 3中电阻率曲线的双频振幅以表征岩石的极化效应^[28](图 4)。可见电阻率、极化率均随饱和度的增加而增大，可作为储层含油气性评价指标，为该区火成岩储层数据建模及油气评价提供依据。

2.2 储层含油评价电磁属性模板

根据研究区及邻区39口探井与时频电磁油气相关数据的统计分析，以储层电阻率—极化率为坐标系，储层的含油性检测结果包括高产、低产和干井，据此建立了准噶尔盆地石炭系火成岩储层电磁油气评价模板(图 5)。可以看出，储层电阻率、极化率异常与含油气关系密切，可以作为储层评价的重要参数。其中，储层是否含有油气对电阻率的影响很大，电阻率参数主要反映岩性特征，是油气检测的必要指标；极化率主要反映流体特性，是储层含油气评价的关键指标。本文基于准噶尔盆地火成岩和碎屑岩储层电磁信息统计，绘制了电阻率、极化率测井数据交会图，据此形成该区含油气评价的量化指标，并作为实测资料含油气性评价的量板。

根据测井数据统计结果(图 3和图 4)，总结出该地区石炭系火成岩储层含油气评价标准(图 5)：工业油气井的极化率异常高于0.27，干井极化率异常低于0.21，极化率异常为0.21~0.27时则对应中-低产油井或油气显示井；工业油气井电阻率异常高于80Ω·m，低产油井或干井电阻率异常低于50Ω·m，电阻率异常为50~80Ω·m则一般对应油水同层或低产油井。

3 针对性的分层电性参数反演建模

基于分步约束顺序反演算法反演电阻率和极化率的详细步骤见文献[29]。本文主要讨论研究区上/下构造层的精细建模方法。

3.1 上构造层建模

研究区上构造层地震反射比较清晰，分辨率较高，模型的几何参数可根据地震解释成果确定，反演过程中固定不变，即几何模型参数不参与反演，只反演电阻率和极化率。由于浅层探井的测井资料多，基于前面对电阻率测井数据高斯分布特征的分析进行反演建模。上构造层电阻率模型可写为

$ m_i^{\mathrm{R}_0}=m_i^{\mathrm{dR}}{ }_{\mu-\sigma}+\beta_i\left(m_i^{\mathrm{dR}}{ }_{\mu+\sigma}-m_i^{\mathrm{dR}}{ }_{\mu-\sigma}\right) $

(1)

式中：m_i^R₀是模型第i层的初始电阻率；m_i^dR_μ-σ和m_i^dR_μ+σ分别为模型第i层电阻率高斯分布曲线参数μ-σ和μ+σ所对应的电阻率；β_i为0~1的随机数，i表示上构造层的编号。式(1)就构成了上构造层的电阻率模型空间，其中，初始值m_i^R₀等于表 1中各地层的电阻率。不同地质层位的模型参数随其高斯分布特征而变化。由式(1)可以看出，m_i^R₀代表不同的地质层位，在给定的模型空间(范围)[m_i^dR_μ－σ, m_i^dR_μ+σ]内变化，所有的m_i^R₀构成了模型的初始状态M^R₀。

同理，上构造层的极化率模型可写为

$ m_i^{\eta_0}=m_i^{\eta_{\min }}+\beta_i\left(m_i^{\mathrm{d} \eta_{\max }}-m_i^{\mathrm{d} \eta_{\min }}\right) $

(2)

式中：m_i^η₀表示模型第i层的初始极化率；m_i^dη_min和m_i^dη_max分别为模型第i层极化率的最小值和最大值。

由于研究区上构造层中的三叠系具有较好的储盖组合，邻区探井已获得油气显示，该地层的极化率最大值可参考图 5所示模板，以低产油气的极化率门限值给出；新生界、白垩系和侏罗系钻探未获油气显示，因此其极化率最大值可据干井的极化率门限值给定。本例中极化率最小值均赋值0。

3.2 下构造层建模

由于下构造层的正常沉积地层地震反射特征清晰，其深度和厚度可根据地震反射特征进行解释。但火成岩发育区反射杂乱，难以明确解释其展布，只能依据地层分布以及重磁电资料进行大致的地质解释。因此，对下构造层建模时需要同时考虑几何参数(地层界面)和电性参数(电阻率和极化率)的变化。空间模型M^Q的初始模型参数可表示为

$ m_j^{\mathrm{Q}_0}=m_j^{\mathrm{Q}_{\min }}+\beta_j\left(m_j^{\mathrm{Q}_{\max }}-m_j^{\mathrm{Q}_{\min }}\right) $

(3)

式中：m_j^Q₀是空间模型第j层厚度的初始值；m_j^Q_min和m_j^Q_max分别为空间模型层厚度的最小值和最大值；β_j为0~1的随机数，j表示下构造层的编号。这里将空间模型中的地层分为两类：一是地震剖面上有明确反射界面的沉积地层，上界面的深度是确定的，下界面则是变化的，这时m_j^Q₀的模型空间(变化范围)为$\left[m_j^{\widetilde{\mathrm{Q}}_{\min }}, m_j^{\mathrm{Q}_{\max }}\right]$，这里$m_j^{\widetilde{\mathrm{Q}}_{\min }}$中的$\widetilde{\mathrm{Q}}_{\min }$加上波浪线“~”表示该参数固定不变；另一类是反射杂乱的地层，对其不能给出明确的上、下界面的深度，此时m_j^Q₀的模型空间为[m_j^Q_min, m_j^Q_max]。由所有的m_j^Q₀就构成了下构造层的初始空间模型M^Q₀。

同理，下构造层的初始电阻率模型可写为

$ m_j^{\mathrm{R}_0}=m_j^{\mathrm{dR}_{\mu-2 \sigma}}+\beta_j\left(m_j^{\mathrm{dR}_{\mu+2 \sigma}}-m_j^{\mathrm{dR}_{\mu-2 \sigma}}\right) $

(4)

式中：m_j^R₀表示下构造层模型第j层的电阻率初始值；[m_j^dR_μ－2σ, m_j^dR_μ+2σ]是根据高斯分布确定的电阻率取值范围，即电阻率模型空间。同样，电阻率模型也分为两类，即碎屑岩沉积地层和火成岩发育区，其电阻率取值范围参照表 2。

下构造层的极化率模型可写为

$ m_j^{\eta_0}=m_j^{\eta_{\min }}+\beta_j\left(m_j^{\mathrm{d} \eta_{\max }}-m_j^{\mathrm{d} \eta_{\min }}\right) $

(5)

式中：m_j^η₀是下构造层模型第j层的极化率初始；m_j^dη_max、m_j^dη_min分别为第j层极化率的最大值和最小值模型。

由于研究区下构造层中石炭系火成岩是良好储层，该套地层的极化率最大值可以根据图 2以高产油气层极化率门限值确定，最小值据干井极化率门限值确定；石炭系沉积地层也有油气显示，因此其极化率最大值可根据模板中低产储层的极化率门限值确定，极化率的最小值则赋值0。

4 应用效果分析 4.1 实际资料应用效果分析

基于研究区重磁电及测井资料对地震剖面进行层位解释，依据解释的层位及表 1和表 2的电性参数进行建模，见图 6a。基于所建初始模型，对采集的时频电磁数据进行反演，得到电阻率(图 6b)和极化率(图 6c)剖面，据此可进行地质解释及效果分析。

根据图 6b，自上而下主要发育高阻—低阻—次高阻—低阻—高阻五套电性层。剖面中上、下构造层电阻率差异特征明显：上部构造层中的新生界、白垩系、侏罗系和三叠系相对较稳定，保持了地震界面的基本特征。新生界(Q+R)总体表现出相对高阻的特征，白垩系(K)表现出低阻特征，侏罗系(J)为一套沉积相对稳定的相对高阻层，三叠系(T)表现出低阻特征。各层电阻率与电测井数据的高斯分布均值接近，变化范围在模型给定的范围内。下构造层石炭系(C)整体表现为高—低—高的电阻率特征，上、下两套高阻层分别对应上石炭统巴山组和下石炭统姜巴斯套组下段，中间相对低阻层对应下石炭统姜巴斯套组的中—上段碎屑岩地层。此外，剖面左段表现为明显的三套电性层，电阻率剖面上异常相对平缓；剖面中部三层电性特征不太明显，受火山侵入岩的影响，呈现向上刺穿状高阻异常体；剖面右段缺失碎屑岩低阻地层。

由图 6c可见：上构造层及深部地层极化率都在背景范围内，低于干井的门槛值；石炭系火成岩出现两处极化率较高的目标区域，其值高于低产井的门槛指标，主体达到工业油井门槛指标。在测线左段发育团块状相对强极化率异常区段，极化率异常大于0.21，长度约4.6km；在测线中部发育层状、相对强极化率的异常区段，极化率异常大于0.27，长度约4.8km，厚度约1200m。剖面上中间高值异常区整体呈左厚右薄状。

4.2 石炭系火成岩有利储层评价

研究区二叠系—三叠系低阻泥岩地层与下伏石炭系火成岩地层形成良好的储盖组合，地震约束下的时频电磁电阻率反演剖面(图 6b)很好地揭示出该储盖组合的特征，剖面上横向0~15km区域可见由断层控制发育的两个高阻火成岩目标体(图中虚线椭圆所示)。在时频电磁极化率反演剖面(图 6c)上也可见两个较强的极化率异常区段(图中虚线椭圆所示)，可解释为有利目标。但是，这两个目标区域位于火成岩目标体的略上方，这一现象可能有两种原因：一是火成岩为储层，由于油气运移渗透到储层上方，导致围岩蚀变，形成激发极化强异常；二是已有钻探发现了石炭系碎屑岩储层，这两个激发极化异常是油气自生自储及下生上储形成的油气藏引起的。不论是哪种情况，这两个异常都需引起重视，可作为下一步钻探的有利目标。

5 结束语

本文以准北缘石北探区实测时频电磁数据为基础，通过物性统计分析各地层的电阻率分布，获得研究区上、下构造层岩石的不同电性特征；通过火成岩储层岩石频散测试分析，证明该区火成岩具有随饱和度变化的频散特性，即随着饱和度的升高，电阻率和极化率不断增大。基于物性数据的高斯分布，建立时频电磁反演模型，充分利用研究区地震和电测井等资料，形成研究区上、下构造层不同的建模方法。最后，对实测数据剖面进行建模反演，并对反演电阻率和极化率剖面进行地质解释，为研究区石炭系储盖组合和油气储层评价提供有价值的参考。