應(yīng)用航磁資料研究區(qū)域地溫場(chǎng)的方法

應(yīng)用航磁資料研究區(qū)域地溫場(chǎng)的方法

1區(qū)域航磁反演居里的地溫場(chǎng)計(jì)算高精度區(qū)域磁強(qiáng)數(shù)據(jù)用于解釋大地構(gòu)造研究、地球動(dòng)力學(xué)、地震、能源、成礦動(dòng)力學(xué)、深部磁體結(jié)構(gòu)的確定、深部熱的性質(zhì)、熱害的防治、生熱液體礦產(chǎn)鹽源的調(diào)查、火山噴發(fā)的監(jiān)測(cè)、油氣資源的評(píng)價(jià)和勘探具有重要意義。1985年，沈?qū)幦A等人指出結(jié)構(gòu)相對(duì)活躍，埋深平坦。在這個(gè)淺部的地區(qū)，含油氣的構(gòu)造分布在平坦的區(qū)域。由于地下熱的作用，油氣形成。古生代地層中含油氣的構(gòu)造分布在埋深大的地區(qū)。由于地下熱的影響，有利于油氣的保存。2006年，胡旭志等人通過(guò)對(duì)中國(guó)東北航磁特征和居住區(qū)的分析，揭示了地幔誘導(dǎo)熱在磁層下界面的影響，描述了當(dāng)前地殼的熱結(jié)構(gòu)，并指出了地幔誘導(dǎo)熱在地幔中的影響。地殼中的壓痕。1999年，李燕等人提出了應(yīng)用于該區(qū)域地殼變化的新方法，并通過(guò)有限單元法求解了熱傳導(dǎo)率方程。在該盆地中，由于盆地中的凹陷，地溫梯度在相應(yīng)區(qū)域中降低。因此，利用地溫梯度計(jì)算方法，可以預(yù)測(cè)局部擾動(dòng)的凹陷，并在松遼盆地東南的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)區(qū)域地震波分析表演軌跡的入積分，確定居里溫度與地溫場(chǎng)的關(guān)系，可以間接研究地溫場(chǎng)的分布特征。為了探索應(yīng)用空間中的新方法，探索松遼盆地北部油氣盆地的模擬應(yīng)用，并利用松遼盆地北部的航磁干燥地震，只使用特定數(shù)量的井溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)計(jì)算地溫場(chǎng)，以彌補(bǔ)大區(qū)域內(nèi)井溫變化的缺乏。為了滿足盆地模擬中通常需要不斷變化的地溫和地溫梯度，本研究提出了應(yīng)用區(qū)域內(nèi)航磁干燥地震波在井溫控制下的新方法。該方法在一定程度上提高了應(yīng)用空間中間接計(jì)算地溫梯度的可靠性。2組合磁異常法磁源物質(zhì)的底界既然存在,它必然在大面積的區(qū)域航磁中有所反映,與居里面相關(guān)的深部磁場(chǎng)主要表現(xiàn)為長(zhǎng)波磁異常的磁場(chǎng)特征.為此,需要對(duì)區(qū)域航磁異常進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理以便分離出與居里面相關(guān)的低頻長(zhǎng)波磁異常.高斯低通濾波、小波多尺度磁異常分解等方法可以提取相關(guān)的居里面磁異常[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].通過(guò)對(duì)區(qū)域航磁異常的多種處理進(jìn)行對(duì)比分析認(rèn)為把經(jīng)過(guò)化極處理的松遼盆地北部區(qū)域航磁異常經(jīng)過(guò)如下兩種處理提取的與居里面有關(guān)的磁異常信息更加可靠:(1)對(duì)化極處理的松遼盆地北部航磁異常(圖1)求取二次趨勢(shì)剩余場(chǎng),以消除由于幔源電流系而產(chǎn)生的大陸磁異常的影響;(2)為消除淺源磁異常的干擾,對(duì)二次趨勢(shì)剩余磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償圓滑濾波,突出與居里面有關(guān)的中間區(qū)域磁性地質(zhì)體所產(chǎn)生的磁異常.應(yīng)用磁測(cè)數(shù)據(jù)反演居里等溫面深度可分為單體磁異常法和組合磁異常法,由于在不同的區(qū)域,不同場(chǎng)源及其所產(chǎn)生的磁異常都有各自的特征,因此,基于SpectorGrant統(tǒng)計(jì)模型的組合磁異常統(tǒng)計(jì)功率譜分析法,適應(yīng)于對(duì)大區(qū)域磁異常組合的分析,用此方法計(jì)算居里面深度在世界上得到了廣泛應(yīng)用.國(guó)內(nèi)外學(xué)者也相繼提出了居里面反演的二維單一磁性界面深度的非線性反演的樣條函數(shù)法、自相似和分形模型法、三維磁性層下界面的反演方法、磁場(chǎng)矩譜法、變磁化強(qiáng)度雙界面反演法、似功率譜法、導(dǎo)數(shù)譜法等多種居里面反演方法[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].數(shù)學(xué)理論表明:采用磁異常的矩譜具有增強(qiáng)底界面磁異常弱信息的能力.矩譜法對(duì)于反演磁性體的質(zhì)心具有較高的精度.因此,在反演居里面時(shí)本文應(yīng)用了矩譜法來(lái)反演磁性塊體的質(zhì)心,應(yīng)用平均徑向歸一化對(duì)數(shù)功率譜的方法獲取磁性塊體的頂深,間接地計(jì)算居里面的深度.在計(jì)算居里面時(shí),將窗口內(nèi)地下深處的磁性體視為具有統(tǒng)計(jì)意義上的垂直棱柱體,其磁異常的頻譜為式中,I為磁化強(qiáng)度;L、M、N為地磁場(chǎng)方向余弦;l、m、n為磁化強(qiáng)度方向余弦.由于ΔT異常已化向地磁極,故L=M=I=m=0,N=n=1.a、b為棱柱體的水平寬;S=(u2+v2)1/2,u、v為沿x軸及y軸水平方向的波數(shù)/單位長(zhǎng)度;x0、y0為磁性體中心的水平坐標(biāo);zt為磁性體的頂深;zb為磁性體的底深;i為虛數(shù)單位.由磁性棱柱體的矩譜求出磁性棱柱體的水平坐標(biāo)x0、y0及中心深度z0.磁性棱柱體的矩譜為經(jīng)推導(dǎo)有:式中,H、I、K為與磁化方向及地磁方向有關(guān)的常數(shù);通過(guò)解給定不同的S的方程組可求得磁性棱柱體的x0、y0及z0;磁性棱柱體的頂面埋深(zt)由磁性棱柱體異常頻譜的高頻端的平均徑向歸一化對(duì)數(shù)功率譜求得;最后居里面深度由Hc=2z0-zt計(jì)算得到.松遼盆地北部的航磁異常劃分為2.5km×2.5km的規(guī)則網(wǎng)格.因受松遼盆地高地溫的影響,松遼盆地的居里深度不會(huì)很大,采用55km×55km的窗口可以近似反映17~30km的居里深度.對(duì)松遼盆地北部經(jīng)過(guò)以上處理的航磁資料進(jìn)行了掃描計(jì)算,共計(jì)算了272個(gè)居里點(diǎn)深度,勾繪了松遼盆地北部居里面深度平面等值線圖(圖2).在居里面的深度圖上,不僅反映了松遼盆地北部由于受上地幔上隆引起的地?zé)崃魃叨鴮?dǎo)致的居里面埋深淺(一般小于25km)的特點(diǎn),而且從局部的居里面埋藏淺或深也較好地反映了基巖巖性在控制地溫方面的作用.居里面埋藏淺的部位一般是規(guī)模較大的隱伏花崗巖所處的部位,花崗巖所產(chǎn)生的放射性熱能是導(dǎo)致居里面局部偏淺的一個(gè)重要原因,古老巨厚的前震旦變質(zhì)巖系是導(dǎo)致居里面局部偏深的主要原因,基巖巖性的變化產(chǎn)生了地溫梯度以及地溫差異性的變化.3地溫梯度的指數(shù)形式在分析了松遼盆地北部地區(qū)同深2、肇12等32口深探井的井溫資料發(fā)現(xiàn),松遼盆地北部的井溫并不是都以一定的地溫增加級(jí)隨井深呈線性增加的.當(dāng)把井溫曲線轉(zhuǎn)化為地溫梯度曲線,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地溫梯度分三種情況變化:第一是地溫梯度不變;第二是地溫梯度隨深度的加深而減小(圖3);第三是地溫梯度隨深度的加深而增加.這三種變化也正說(shuō)明了松遼盆地北部地溫梯度變化的復(fù)雜性.通過(guò)對(duì)上述三種地溫梯度曲線的分析發(fā)現(xiàn),應(yīng)用地溫梯度隨深度按的形式擬合實(shí)際的井溫梯度曲線效果較好.其中,是地溫梯度;TD0是近地表地溫梯度;β是地溫梯度隨深度變化的指數(shù)因子;H是深度;H0是常溫層深度.同時(shí)這種地溫梯度形式的提出改變了以往應(yīng)用計(jì)算地溫梯度的經(jīng)典方法，而經(jīng)典方法本身標(biāo)志著從常溫層到居里面之間的地溫梯度是一個(gè)常數(shù),盡管它的含義是平均地溫梯度,但地溫梯度在深度為20km以上為一個(gè)常數(shù)是不可能的.因此地溫梯度隨深度的加深而在變化是普遍的.根據(jù)前面所提的求地溫梯度的指數(shù)形式,通過(guò)對(duì)深度的積分得到某一深度的地溫表達(dá)式為式中,T(H)是H深度處的地溫;T0是常溫層的溫度;Tc是居里溫度;T0一般為一個(gè)地區(qū)的年平均溫度,松遼盆地北部地區(qū)取T0=15℃,H0=15m.常溫層溫度與深度對(duì)反演地溫梯度影響不大為了應(yīng)用以上地溫梯度、地溫的公式計(jì)算出某一深度處的地溫梯度及地溫,必須知道計(jì)算點(diǎn)處的TD0、β.這兩個(gè)參數(shù)均可以通過(guò)在已知探井的井溫資料控制下應(yīng)用插值的方法獲得.關(guān)于已知探井處的TD0,采用井溫曲線前500m的平均地溫梯度(圖4):結(jié)合已知探井所處的居里面深度Hc及常溫層深度,在固定Tc=578℃就可以計(jì)算出β的值.β的計(jì)算方法如下:應(yīng)用一定的數(shù)學(xué)變換手段,通過(guò)迭代的方法解此方程就可以獲得β.應(yīng)用同深2等32口井的β勾繪出控制松遼盆地北部β的平面分布(圖5),從β分布圖可以看到,在松遼盆地北部大部分地區(qū)地溫梯度隨著深度的增加而降低.借此β分布圖可以查出未知區(qū)的β.既然采用地溫梯度的指數(shù)變化形式,則地溫梯度自常溫層直到居里面也按同一規(guī)律變化.只有這樣才有可能利用居里面來(lái)求出未知區(qū)的近地表地溫梯度.當(dāng)然也可以應(yīng)用已知探井的井溫資料得到控制全區(qū)的近地表地溫梯度.如果采用居里面控制的方法,則:有了以上兩種參數(shù),就可以應(yīng)用公式(5)、(6)來(lái)計(jì)算任何一點(diǎn)任何深度的地溫梯度及地溫.圖6、圖7給出了應(yīng)用上述方法得到的松遼盆地北部地下3km處的地溫梯度及地溫.為了很好地評(píng)價(jià)盆地的地溫場(chǎng)特征,應(yīng)用一定深度范圍內(nèi)的平均地溫梯度則更具有代表性.根據(jù)上述求地溫及地溫梯度的方法及公式經(jīng)進(jìn)一步推導(dǎo),得到某一深度(H)范圍內(nèi)的平均地溫梯度為根據(jù)上式計(jì)算了松遼盆地北部地下5km以上的平均地溫梯度(圖8).4深層和淺層居里點(diǎn)溫度選取的對(duì)比從大規(guī)律角度,應(yīng)用居里面計(jì)算的地溫梯度主要反映的是深部地溫梯度的變化規(guī)律,經(jīng)典算法與指數(shù)算法都能體現(xiàn)這一規(guī)律,甚至經(jīng)典算法在反映深部地溫場(chǎng)方面更具代表性,因?yàn)榻?jīng)典算法沒有受井溫資料的約束.雖然有時(shí)應(yīng)用淺部的井溫梯度作校正,但從總體上仍然反映深層的地溫梯度變化規(guī)律,而這樣作校正只是強(qiáng)行地把反映深層的地溫梯度變化規(guī)律拉到盆地淺部作為盆地淺部的地溫梯度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)盆地的地溫梯度的高低,這是不合適的,深層與淺層在地溫梯度的變化上是不相同的,存在很大的差異,這已被蘇聯(lián)的科拉超深鉆得到的溫度資料所證實(shí).應(yīng)用航磁資料研究地溫場(chǎng),不論是經(jīng)典算法還是指數(shù)算法都具有一個(gè)共同的特點(diǎn):兩者都是借助于居里面和同一個(gè)固定的居里點(diǎn)溫度.居里面計(jì)算的方法以及從區(qū)域航磁中提取有關(guān)居里面的異常信息的準(zhǔn)確與否都會(huì)影響居里面深度計(jì)算的可靠性,間接地影響地溫梯度計(jì)算的準(zhǔn)確與否.居里溫度選取的是否準(zhǔn)確也是影響地溫梯度精度的一個(gè)重要因素,居里溫度是隨著巖礦石類型不同而變化的,其主要的影響因素取決于巖礦石中鈦的含量.業(yè)已證明,鈦磁鐵礦系列是巖石磁性主要礦物,兩端分別為亞鐵磁性的磁鐵礦和順磁性的鈦尖晶石.鈦磁鐵礦具反尖晶石結(jié)構(gòu),隨Fe2TiO4比例增加居里點(diǎn)溫度降低.此系列固溶體存在于高溫條件,溫度降低時(shí)成分不穩(wěn)定,其TiO2含量與結(jié)晶溫度和氧的揮發(fā)度條件關(guān)系密切.當(dāng)鈦磁鐵礦發(fā)生氧化時(shí)居里點(diǎn)溫度升高;當(dāng)鐵氧化物及固溶體中鐵離子被其他金屬離子置換時(shí),居里點(diǎn)下降.通常我們無(wú)法知道所研究地區(qū)的消磁界面是由什么樣的磁性物質(zhì)組成,因而也就無(wú)法選準(zhǔn)居里溫度,從而導(dǎo)致地溫梯度計(jì)算的誤差.因無(wú)法確切的知道一個(gè)地區(qū)的居里溫度,在松遼盆地北部地溫場(chǎng)計(jì)算中,使用的居里溫度是578℃,為鐵磁性礦物的居里溫度,利用這一溫度結(jié)合居里面計(jì)算的地溫梯度及地溫與以實(shí)際的井所描繪的區(qū)域地溫場(chǎng)基本上是吻合的.說(shuō)明所選擇的居里溫度還是較合適的.5基巖巖性與地溫梯度通過(guò)對(duì)松遼盆地北部平均地溫梯度平面等值線圖的分析可以看出,盆地內(nèi)具有較高的地溫梯度,5km以上地層的平均地溫梯度為3.6℃/100m,存在三個(gè)5km以上地層平均地溫梯度大于4.0℃/100m的地區(qū):一是林甸地區(qū),二是泰康地區(qū),三是肇東地區(qū),其原因在于在這些地區(qū)的基巖巖性為大面積分布的花崗巖,花崗巖的放射性熱能是產(chǎn)生地溫梯度較高的主要原因.大慶、望奎、明水、依安一帶的5km以上的平均地溫梯度較低,最低為2.2℃/100m,這主要是由于基底巖性為前震旦古老結(jié)晶巖系所引起的.因而可以得出結(jié)論:基巖巖性與地溫梯度之間是密切相關(guān)的,在一定程度上控制了局部地溫場(chǎng)的分布.當(dāng)然松遼盆地的地溫場(chǎng)是