應用航磁資料研究區域地溫場的方法

1區域航磁反演居里的地溫場計算高精度區域磁強數據用于解釋大地構造研究、地球動力學、地震、能源、成礦動力學、深部磁體結構的確定、深部熱的性質、熱害的防治、生熱液體礦產鹽源的調查、火山噴發的監測、油氣資源的評價和勘探具有重要意義。1985年，沈寧華等人指出結構相對活躍，埋深平坦。在這個淺部的地區，含油氣的構造分布在平坦的區域。由于地下熱的作用，油氣形成。古生代地層中含油氣的構造分布在埋深大的地區。由于地下熱的影響，有利于油氣的保存。2006年，胡旭志等人通過對中國東北航磁特征和居住區的分析，揭示了地幔誘導熱在磁層下界面的影響，描述了當前地殼的熱結構，并指出了地幔誘導熱在地幔中的影響。地殼中的壓痕。1999年，李燕等人提出了應用于該區域地殼變化的新方法，并通過有限單元法求解了熱傳導率方程。在該盆地中，由于盆地中的凹陷，地溫梯度在相應區域中降低。因此，利用地溫梯度計算方法，可以預測局部擾動的凹陷，并在松遼盆地東南的實際應用。通過區域地震波分析表演軌跡的入積分，確定居里溫度與地溫場的關系，可以間接研究地溫場的分布特征。為了探索應用空間中的新方法，探索松遼盆地北部油氣盆地的模擬應用，并利用松遼盆地北部的航磁干燥地震，只使用特定數量的井溫數據來計算地溫場，以彌補大區域內井溫變化的缺乏。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，本研究提出了應用區域內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用空間中間接計算地溫梯度的可靠性。2組合磁異常法磁源物質的底界既然存在,它必然在大面積的區域航磁中有所反映,與居里面相關的深部磁場主要表現為長波磁異常的磁場特征.為此,需要對區域航磁異常進行適當的數據處理以便分離出與居里面相關的低頻長波磁異常.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的居里面磁異常[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19].通過對區域航磁異常的多種處理進行對比分析認為把經過化極處理的松遼盆地北部區域航磁異常經過如下兩種處理提取的與居里面有關的磁異常信息更加可靠:(1)對化極處理的松遼盆地北部航磁異常(圖1)求取二次趨勢剩余場,以消除由于幔源電流系而產生的大陸磁異常的影響;(2)為消除淺源磁異常的干擾,對二次趨勢剩余磁場進行補償圓滑濾波,突出與居里面有關的中間區域磁性地質體所產生的磁異常.應用磁測數據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,由于在不同的區域,不同場源及其所產生的磁異常都有各自的特征,因此,基于SpectorGrant統計模型的組合磁異常統計功率譜分析法,適應于對大區域磁異常組合的分析,用此方法計算居里面深度在世界上得到了廣泛應用.國內外學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、磁場矩譜法、變磁化強度雙界面反演法、似功率譜法、導數譜法等多種居里面反演方法[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].數學理論表明:采用磁異常的矩譜具有增強底界面磁異常弱信息的能力.矩譜法對于反演磁性體的質心具有較高的精度.因此,在反演居里面時本文應用了矩譜法來反演磁性塊體的質心,應用平均徑向歸一化對數功率譜的方法獲取磁性塊體的頂深,間接地計算居里面的深度.在計算居里面時,將窗口內地下深處的磁性體視為具有統計意義上的垂直棱柱體,其磁異常的頻譜為式中,I為磁化強度;L、M、N為地磁場方向余弦;l、m、n為磁化強度方向余弦.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/單位長度;x0、y0為磁性體中心的水平坐標;zt為磁性體的頂深;zb為磁性體的底深;i為虛數單位.由磁性棱柱體的矩譜求出磁性棱柱體的水平坐標x0、y0及中心深度z0.磁性棱柱體的矩譜為經推導有:式中,H、I、K為與磁化方向及地磁方向有關的常數;通過解給定不同的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數功率譜求得;最后居里面深度由Hc=2z0-zt計算得到.松遼盆地北部的航磁異常劃分為2.5km×2.5km的規則網格.因受松遼盆地高地溫的影響,松遼盆地的居里深度不會很大,采用55km×55km的窗口可以近似反映17~30km的居里深度.對松遼盆地北部經過以上處理的航磁資料進行了掃描計算,共計算了272個居里點深度,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熱流升高而導致的居里面埋深淺(一般小于25km)的特點,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模較大的隱伏花崗巖所處的部位,花崗巖所產生的放射性熱能是導致居里面局部偏淺的一個重要原因,古老巨厚的前震旦變質巖系是導致居里面局部偏深的主要原因,基巖巖性的變化產生了地溫梯度以及地溫差異性的變化.3地溫梯度的指數形式在分析了松遼盆地北部地區同深2、肇12等32口深探井的井溫資料發現,松遼盆地北部的井溫并不是都以一定的地溫增加級隨井深呈線性增加的.當把井溫曲線轉化為地溫梯度曲線,發現該地區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.這三種變化也正說明了松遼盆地北部地溫梯度變化的復雜性.通過對上述三種地溫梯度曲線的分析發現,應用地溫梯度隨深度按的形式擬合實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因子;H是深度;H0是常溫層深度.同時這種地溫梯度形式的提出改變了以往應用計算地溫梯度的經典方法，而經典方法本身標志著從常溫層到居里面之間的地溫梯度是一個常數,盡管它的含義是平均地溫梯度,但地溫梯度在深度為20km以上為一個常數是不可能的.因此地溫梯度隨深度的加深而在變化是普遍的.根據前面所提的求地溫梯度的指數形式,通過對深度的積分得到某一深度的地溫表達式為式中,T(H)是H深度處的地溫;T0是常溫層的溫度;Tc是居里溫度;T0一般為一個地區的年平均溫度,松遼盆地北部地區取T0=15℃,H0=15m.常溫層溫度與深度對反演地溫梯度影響不大為了應用以上地溫梯度、地溫的公式計算出某一深度處的地溫梯度及地溫,必須知道計算點處的TD0、β.這兩個參數均可以通過在已知探井的井溫資料控制下應用插值的方法獲得.關于已知探井處的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℃就可以計算出β的值.β的計算方法如下:應用一定的數學變換手段,通過迭代的方法解此方程就可以獲得β.應用同深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的β.既然采用地溫梯度的指數變化形式,則地溫梯度自常溫層直到居里面也按同一規律變化.只有這樣才有可能利用居里面來求出未知區的近地表地溫梯度.當然也可以應用已知探井的井溫資料得到控制全區的近地表地溫梯度.如果采用居里面控制的方法,則:有了以上兩種參數,就可以應用公式(5)、(6)來計算任何一點任何深度的地溫梯度及地溫.圖6、圖7給出了應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.為了很好地評價盆地的地溫場特征,應用一定深度范圍內的平均地溫梯度則更具有代表性.根據上述求地溫及地溫梯度的方法及公式經進一步推導,得到某一深度(H)范圍內的平均地溫梯度為根據上式計算了松遼盆地北部地下5km以上的平均地溫梯度(圖8).4深層和淺層居里點溫度選取的對比從大規律角度,應用居里面計算的地溫梯度主要反映的是深部地溫梯度的變化規律,經典算法與指數算法都能體現這一規律,甚至經典算法在反映深部地溫場方面更具代表性,因為經典算法沒有受井溫資料的約束.雖然有時應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律,而這樣作校正只是強行地把反映深層的地溫梯度變化規律拉到盆地淺部作為盆地淺部的地溫梯度指標來評價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,這已被蘇聯的科拉超深鉆得到的溫度資料所證實.應用航磁資料研究地溫場,不論是經典算法還是指數算法都具有一個共同的特點:兩者都是借助于居里面和同一個固定的居里點溫度.居里面計算的方法以及從區域航磁中提取有關居里面的異常信息的準確與否都會影響居里面深度計算的可靠性,間接地影響地溫梯度計算的準確與否.居里溫度選取的是否準確也是影響地溫梯度精度的一個重要因素,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構,隨Fe2TiO4比例增加居里點溫度降低.此系列固溶體存在于高溫條件,溫度降低時成分不穩定,其TiO2含量與結晶溫度和氧的揮發度條件關系密切.當鈦磁鐵礦發生氧化時居里點溫度升高;當鐵氧化物及固溶體中鐵離子被其他金屬離子置換時,居里點下降.通常我們無法知道所研究地區的消磁界面是由什么樣的磁性物質組成,因而也就無法選準居里溫度,從而導致地溫梯度計算的誤差.因無法確切的知道一個地區的居里溫度,在松遼盆地北部地溫場計算中,使用的居里溫度是578℃,為鐵磁性礦物的居里溫度,利用這一溫度結合居里面計算的地溫梯度及地溫與以實際的井所描繪的區域地溫場基本上是吻合的.說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對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5km以上地層平均地溫梯度大于4.0℃/100m的地區:一是林甸地區,二是泰康地區,三是肇東地區,其原因在于在這些地區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晶巖系所引起的.因而可以得出結論:基巖巖性與地溫梯度之間是密切相關的,在一定程度上控制了局部地溫場的分布.當然松遼盆地的地溫場是