蔣亞東，雷 宛，劉 倩，李 超，凌 飛

（成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059）

大地電磁測(cè)深中薄層響應(yīng)特征與地質(zhì)目標(biāo)體拾取的探討

蔣亞東，雷 宛，劉 倩，李 超，凌 飛

（成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059）

基于理論模型的正演模擬，探討了大地電磁測(cè)深法中的薄層響應(yīng)特征，考察不同蓋層深度、薄層厚度以及圍巖電阻率比等參數(shù)對(duì)測(cè)深曲線的影響，并采用背景值最大歸一化建立視電阻率與蓋厚比的關(guān)系曲線圖，總結(jié)出高、低薄層的電性響應(yīng)特征。針對(duì)地質(zhì)目標(biāo)體的拾取，建立了均勻半空間下的近地表非均勻體與地質(zhì)目標(biāo)體理論模型，對(duì)比TE、TM極化模式下視電阻率、阻抗相位的單點(diǎn)響應(yīng)曲線與正演響應(yīng)擬斷面圖，總結(jié)出區(qū)別非均勻體與局部地質(zhì)目標(biāo)體異常的重要響應(yīng)特征。

大地電磁測(cè)深；薄層響應(yīng)；地質(zhì)目標(biāo)體響應(yīng)；正演模擬

0 引言

在我國(guó)南方碳酸鹽巖海相油氣遠(yuǎn)景區(qū)勘探中，復(fù)雜的地表地質(zhì)情況使得大地電磁測(cè)深方法被廣泛應(yīng)用，人們總希望盡可能地分辨地下結(jié)構(gòu)，而在電磁法應(yīng)用于盆地沖湖積區(qū)域劃分第四系含水層時(shí)，由于區(qū)域上隔水層通常不連續(xù)、厚度較薄等因素，給劃分第四系地層結(jié)構(gòu)帶來(lái)困難［1］。為適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源、礦產(chǎn)、以及水資源等的大量需求，大地電磁測(cè)深的發(fā)展也必將滿足小尺度、精細(xì)詳查的高要求。

物性背景是地質(zhì)模型正演的基礎(chǔ)，而典型地質(zhì)模型的正演模擬則是獲取地層電磁響應(yīng)的重要方法。正演模型依托于我國(guó)南方碳酸鹽巖海相油氣遠(yuǎn)景區(qū)中上揚(yáng)子克拉通物性統(tǒng)計(jì)資料，其有利油氣儲(chǔ)集目標(biāo)層為下寒武統(tǒng)－晚元古界上部（∈1～P3t3），主要巖性為砂質(zhì)白云巖、炭質(zhì)頁(yè)巖（均相對(duì)低阻），但地層發(fā)育較薄或者不發(fā)育［3］。對(duì)此作者基于不同高、低阻薄層的正演模擬，對(duì)大地電磁測(cè)深曲線進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)不同蓋層深度、薄層厚度以及圍巖電阻率比等賦存情況下高、低阻薄層的響應(yīng)特征，以提高實(shí)測(cè)資料的處理和解釋準(zhǔn)確性。

在層狀介質(zhì)中，電磁場(chǎng)沿水平方向分布，感應(yīng)電流也總是沿水平方向流動(dòng)，但是淺層不均勻體改變了介質(zhì)電阻率的均勻性，從而也改變了介質(zhì)中水平方向電流密度的均勻性，致使在淺層中不均勻體周圍引起電流或密集或稀疏的畸變現(xiàn)象，導(dǎo)致地表觀測(cè)電場(chǎng)分量的突然增強(qiáng)或突然減弱。在解釋工作之前，需對(duì)觀測(cè)資料中造成曲線畸變的可能性加以判斷，正確區(qū)分非均勻體異常與地質(zhì)目標(biāo)體異常，是確保在資料處理中達(dá)到壓制靜態(tài)效應(yīng)而保證其他有效資料完整性的前提?；诖耍髡呓⑾鄳?yīng)模型，總結(jié)出區(qū)別近地表非均勻體與地質(zhì)異常體的響應(yīng)特征，為數(shù)據(jù)處理提供充分的理論依據(jù)。

1 層狀地質(zhì)體的薄層響應(yīng)

1．1 薄層在大地電磁測(cè)深曲線中的響應(yīng)

如圖1所示，在均勻半空間模型M1（ρ0＝100 Ω·m）中嵌入低阻薄層。在滿足薄層垂向可分辨的臨界條件下，改變模型中不同的蓋層厚度（H）、薄層厚度（T）和薄層電阻率（ρT）時(shí)，通過(guò)正演模擬得到相應(yīng)的薄層響應(yīng)曲線。

圖1 模型M1Fig．1 Model M1

從圖2可以看出，當(dāng)薄層厚度T和薄層電阻率一定時(shí)，蓋層厚度H越小，得到的視電阻率響應(yīng)幅度越大，這是因?yàn)樵谏疃然蛘叩皖l時(shí)，長(zhǎng)波信號(hào)勘探區(qū)域的擴(kuò)大，導(dǎo)致分辨能力下降。

圖3（a）、（b）、（c）、（d）分別為模型M1中嵌入ρT ＝1Ω·m、ρT＝10Ω·m、ρT＝1 000Ω·m、ρT＝10 000Ω·m時(shí)，H＝1 000m情況下不同薄層厚度的響應(yīng)曲線。圖4為在H＝1 000m的情況下，將圖3中不同薄層厚度的響應(yīng)曲線用背景值歸一化，考察視電阻率異常極值與中間層的厚度埋深比的關(guān)系。其中每條曲線周圍點(diǎn)虛線為“10%分辨包絡(luò)線”。一般來(lái)說(shuō)，在野外如果采集信號(hào)良好且地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，獲得的異常大于或小于背景的10%，那么薄層電阻率的變化可以分辨出來(lái)。而在某些特定的環(huán)境中，薄層（地質(zhì)體）產(chǎn)生的響應(yīng)也可以比10%標(biāo)準(zhǔn)高或者低很多。如果任一曲線落入了另一曲線的分辨包絡(luò)線內(nèi)，那么兩條曲線將不能分辨［5］。從圖4可以看出，高阻薄層中ρT／ρ0＝100、ρT／ρ0＝10兩條曲線基本重疊，且其產(chǎn)生的視電阻率極大異常值均約150Ω·m，與預(yù)設(shè)高阻模型背景電阻率存在極大誤差。而在低阻薄層中，ρT／ρ0＝0．01、ρT／ρ0＝0．1有明顯不同的響應(yīng)，且只在薄層厚度（相對(duì)蓋層）很小時(shí)，低阻薄層測(cè)深曲線的包絡(luò)線存在一定的疊加區(qū)。

圖2 薄層在不同埋深下的視電阻率響應(yīng)曲線Fig．2 Thin－bed at different depths under theapparent resistivity response curve

結(jié)合圖3、圖4中高阻、低阻薄層在不同情況下的響應(yīng)曲線可以看出：①薄層更薄（T減?。?、更深（H變大）或ρT／ρ0變大，得到的薄層視電阻率異常的響應(yīng)幅度減?。虎诼裆钜欢〞r(shí)，薄層厚度越大，其響應(yīng)的幅度越大；③當(dāng)厚度T與埋深H一定時(shí)，在滿足垂向可分辨的情況下低阻薄層與圍巖電阻率之比（ρT／ρ0）越小，得到的視電阻率響應(yīng)幅度越大；④大地電磁測(cè)深中，對(duì)低阻薄層的分辨主要依賴于其與圍巖電阻率的比，而高阻薄層的分辨幾乎與其電阻率之比無(wú)關(guān)；⑤縱向電導(dǎo)和薄層深度影響低阻薄層的電性響應(yīng)，而“電導(dǎo)率與厚度積”的不確定性，使得在沒有其他資料或者方法中確定其中一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)的情況下，薄層厚度的測(cè)定非常困難；⑥大地電磁測(cè)深中對(duì)低阻薄層反應(yīng)靈敏，對(duì)高阻薄層卻沒有良好的響應(yīng)，并且不能從一個(gè)中等電阻體中區(qū)分一個(gè)更高的電阻體。

圖3 嵌于半空間中的薄層響應(yīng)Fig．3 Embedded in a thin layer of half－space response

1．2 縱向電導(dǎo)對(duì)低阻薄層的影響

分析電測(cè)深理論曲線時(shí)，三層曲線最具有代表性，因?yàn)樗浞直硎玖松稀⑾码娦詫与娮杪屎秃穸劝l(fā)生變化時(shí)曲線形態(tài)所發(fā)生的變化，利用三層曲線變化也可分析二層或者多層曲線的規(guī)律。由此建立如圖5所示模型M2三層H型斷面（h2＝h3＝500m，ρ2＝100Ω·m，ρ3＝1Ω·m，ρ4＝100Ω·m）上覆蓋層薄層模型，研究低阻薄層的縱向電導(dǎo)對(duì)測(cè)深曲線的影響。

圖6是同時(shí)改變h1和ρ1，但保持s1＝h1／ρ1不變時(shí)測(cè)深響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，盡管高頻段各曲線變化不同，但低頻段各曲線形態(tài)相同。因此當(dāng)薄層的縱向電導(dǎo)相同時(shí)，其對(duì)測(cè)深曲線影響也相同。

1．3 高阻薄層厚度等值現(xiàn)象

對(duì)模型M1（ρ0＝100Ω·m）改變其中高阻薄層電阻率，得出H＝200m、H＝1 000m時(shí)高阻薄層不同電阻率的測(cè)深曲線（圖7）。在同一深度下，不同電阻率的測(cè)深曲線基本重合。并結(jié)合圖3（（c）、（d））可以看出，高阻薄層的視電阻率響應(yīng)主要依賴于中間層厚度，而中間層電阻率在一定范圍內(nèi)的變化不影響測(cè)深曲線形態(tài)。高阻薄層或者高阻夾層的這種現(xiàn)象，稱為大地電磁測(cè)深K型斷面上中間高阻層的厚度H等值，其物理解釋是，對(duì)于夾有高阻中間層的K型斷面而言，電磁能量傳播主要依靠上、下導(dǎo)電層中形成的渦旋電流磁場(chǎng)的感應(yīng)作用，高阻中間層只是電磁場(chǎng)的通路，它本身并無(wú)明顯的感應(yīng)電流產(chǎn)生［4］。中間層電阻在某一范圍內(nèi)變化時(shí)很少影響磁場(chǎng)的感應(yīng)量，而其厚度的變化卻影響著互感場(chǎng)之間的距離。所以如果中間層厚度不變，在某一范圍內(nèi)中間層電阻率不同的斷面曲線之間是等值的。

圖4 最大歸一化視電阻率異常與中間層厚度埋深比關(guān)系曲線Fig．4 The maximum normalized apparent resistivity anomaly and the middle layer thickness ratio curve depth

圖5 模型M2Fig．5 Model M2

圖6 低阻薄層的縱向電導(dǎo)在測(cè)深曲線上的響應(yīng)Fig．6 Thin layer vertical conductance response in the low resistivity sounding curve

2 靜態(tài)效應(yīng)下地質(zhì)目標(biāo)體的拾取

在大地電磁測(cè)深工作中，由于近地表局部電阻率的異常，當(dāng)測(cè)點(diǎn)及其附近存在局部電性非均勻性時(shí)，不均勻體表面積累的電荷使電場(chǎng)造成的畸變對(duì)測(cè)深曲線產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。而當(dāng)?shù)乇泶嬖诘刭|(zhì)目標(biāo)體時(shí)，同樣會(huì)對(duì)測(cè)深曲線產(chǎn)生一定的影響。因此在解釋工作之前，必須對(duì)觀測(cè)資料中造成曲線畸變的可能加以判斷，正確區(qū)分不均勻體異常與目標(biāo)體異常，是確保在資料處理中達(dá)到壓制靜態(tài)效應(yīng)而保證其他有效資料完整性的前提，并為解釋工作提供足夠豐富的地質(zhì)信息。

建立如圖8所示模型M3，構(gòu)建一個(gè)均勻半空間模型，長(zhǎng)為7km、深為3km，背景電阻率ρ0＝100 Ω·m，點(diǎn)距為0．5km。里程為1．98km～2．02km有一40m×40m靜態(tài)體，蓋層厚度為10m；里程為4．8km～5．2km處有一400m×400m的地質(zhì)異常體，蓋層厚度為400m。取其中3個(gè)典型測(cè)點(diǎn)做大地電磁測(cè)深曲線分析，位置分別在0km（point1）、2 km（point2）、5km（point3）。

結(jié)合圖9、圖10測(cè)深曲線響應(yīng)與擬斷面響應(yīng)可知：①低阻非均勻體和低阻地質(zhì)目標(biāo)體對(duì)TE極化模式下的視電阻率與阻抗相位影響很小，其對(duì)低阻異常都有一定的響應(yīng)，但在不知道預(yù)設(shè)背景模型的情況下，不能準(zhǔn)確地區(qū)分出非均勻體與地質(zhì)異常體；②TM極化模式視電阻率擬斷面受靜態(tài)效應(yīng)影響嚴(yán)重，引起紡錘狀陡變，從地表貫穿至深部，而地質(zhì)目標(biāo)體引起的視電阻率變化為漸變，從異常位置開始到深部；③對(duì)比圖9（（a）、（b））視電阻率測(cè)深曲線可知，低阻非均勻體（point2）引起TM極化模式中視電阻率的變化只能使電阻率曲線的上、下平移，而曲線形態(tài)卻無(wú)法改變，而低阻地質(zhì)異常體的TM極化模式視電阻率測(cè)深曲線大小與形態(tài)都發(fā)生改變；④對(duì)比圖9（（a）、（b））阻抗相位曲線可知，TM極化模式下低阻非均勻體（point2）對(duì)相位的影響很小，其大小與形態(tài)基本不變，而低阻地質(zhì)異常體（point3）引起相位的大小與形態(tài)均發(fā)生較大變化。

圖11、圖12是對(duì)于高阻非均勻體和高阻地質(zhì)目標(biāo)體的響應(yīng)，同樣可以看出：①TM極化模式非均勻體視電阻率曲線發(fā)生平移，而TM極化模式下的非均勻體相位曲線基本無(wú)變化，地質(zhì)目標(biāo)體（point3）視電阻率、相位曲線大小與形態(tài)均發(fā)生了變化；②在TE極化模式中存在的極大為108．2Ω·m，與預(yù)設(shè)高阻體電阻率1 000Ω·m存在很大差異。在TM極化模式中，因?yàn)殪o態(tài)效應(yīng)的影響使point2視電阻率曲線平移增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，存在一定強(qiáng)度的假極大值（508．1Ω·m），而位于高阻地質(zhì)目標(biāo)體上的point3測(cè)深曲線極大值為172Ω·m，與背景預(yù)設(shè)的電阻率1 000Ω·m同樣存在很大誤差。這表明，大地電磁測(cè)深中TE、TM極化模式都對(duì)高阻異常體的識(shí)別存在局限。

圖7 高阻薄層的等值現(xiàn)象Fig．7 The equivalent phenomenon of high resistance in thin layer （a）H＝200m，T＝50m，ρ0＝100Ω·m時(shí)高阻薄層電阻率的測(cè)深曲線；（b）H＝1 000m，T＝50m，ρ0＝100Ω·m時(shí)高阻薄層電阻率的測(cè)深曲線

圖8 模型M3Fig．8 Model M3

3 結(jié)論

雖然在AMT、CSAMT中存在非平面波效應(yīng)與場(chǎng)源效應(yīng)的影響，但基于MT中薄層與地質(zhì)異常體響應(yīng)特征的分析同樣對(duì)這兩種頻率域電磁法具有適應(yīng)性。靜態(tài)效應(yīng)的影響也存在于所有的頻率域電磁測(cè)深中，并且這種效應(yīng)與頻率無(wú)關(guān)，通常引起測(cè)深曲線的上、下位移，由于相位與視電阻率對(duì)頻率的梯度成線性變化，若合理利用相位資料，則可以消除這種效應(yīng)。因此通過(guò)對(duì)大量理論模型正演模擬結(jié)果的比較分析，對(duì)于一維、二維地電斷面，可把大地電磁測(cè)深中薄層響應(yīng)特征與地質(zhì)目標(biāo)體的響應(yīng)特征做如下總結(jié)：

1）低阻薄層的響應(yīng)依賴于其與圍巖電阻率的比，而高阻薄層的響應(yīng)幾乎與其電阻率之比無(wú)關(guān)。

2）大地電磁測(cè)深不僅容易對(duì)低阻薄層產(chǎn)生響應(yīng)，還可以分辨其導(dǎo)電程度，但對(duì)高阻薄層沒有明顯的異常響應(yīng)，更不能從一個(gè)中等電阻中區(qū)分一個(gè)很高的電阻層（體）。

3）低阻薄層的響應(yīng)是由低阻薄層縱向電導(dǎo)決定的，高阻（薄）層的大地電磁響應(yīng)存在厚度等值現(xiàn)象。

圖9 M3模型響應(yīng)曲線Fig．9 The response curve of model M3 （a）M3模型視TE、TM極化模式視電阻率曲線；（b）M3模型TE、TM極化模式阻抗相位曲線

圖10 M3模型正演響應(yīng)Fig．10 The forward response of model M3 （a）M3模型TE模式視電阻率擬斷面圖；（b）M3模型TE模式阻抗相位擬斷面圖；（c）M3模型TM模式視電阻率擬斷面圖；（d）M3模型TM模式阻抗相位擬斷面圖

4）在二維情況下，TM受到的靜態(tài)效應(yīng)影響遠(yuǎn)大于TE極化模式，淺層電性不均勻?qū)Υ蟮仉姶艤y(cè)深的影響主要表現(xiàn)在TM極化模式上。

5）TM極化模式下，靜態(tài)效應(yīng)（非均勻態(tài)體）引起視電阻率的上、下平移，而不改變視電阻率曲線的基本形態(tài)，但對(duì)相位曲線影響較??；而局部異常體引起視電阻率大小和曲線形態(tài)的改變，同時(shí)也引起相位大小和曲線形態(tài)的改變。這是區(qū)別非均勻體與局部地質(zhì)目標(biāo)（異常）體的重要響應(yīng)特征之一。

圖11 M3模型響應(yīng)曲線Fig．11 The response curve of model M3 （a）M3模型視TE、TM極化模式視電阻率曲線；（b）M3模型TE、TM極化模式阻抗相位曲線

圖12 M3模型正演響應(yīng)Fig．12 The forward response of model M3 （a）M3模型TE模式視電阻率擬斷面圖；（b）M3模型TE模式阻抗相位擬斷面圖；（c）M3模型TM模式視電阻率擬斷面圖；（d）M3模型TM模式阻抗相位擬斷面圖

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Discuss of the response characteristics of magnetotelluric sounding in the thin layer and the picking up of geological target body

JIANG Ya-dong，LEI Wan，LIU Qian，LI Chao，LING Fei
（College of Geophysics，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

The response characteristics of thin－bed of magnetotelluric sounding is discussed based on theoretical model of forward numerical simulation in former part of the paper．Different depth of cover layer，the thickness of the thin layer and the resistivity ratio of surrounding rock parameters of the impact on sounding curves is investigated．The relationship curve diagram of apparent resistivity and the ratio of the thin layer thickness with cover layer depth is found based on the background value maximum normalized．Sum up the high and low electrical response characteristics of thin layer．The geologic abnormal body is picked up to establishment of uniform half space under the static body and geologic abnormal body theory model in the later part of the paper．Compared the TE and TM polarization mode of apparent resistivity and impedance phase single point response curves and forward response influence，summed up the difference response characteristics between static body and the local geologic abnormal body．

magnetotelluric sounding；thin－bed response；geological target body response；forward modeling

P 631．3＋25

A

10．3969／j．issn．1001-1749．2015．03．05

1001-1749（2015）03-0292-08

2014-08-25 改回日期：2014-09-22

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（1212011220750）

蔣亞東（1990－），男，碩士，主要從事應(yīng)用地球物理研究工作，E-mail：591436569＠qq．com。