王勇剛，陳志財(cái)，孔志召，趙 璐

(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002)

0 引言

可控源音頻大地電磁法(簡(jiǎn)稱CSAMT)是一種測(cè)量卡尼亞電阻率和相位的電磁測(cè)深技術(shù)，屬于人工源頻率域測(cè)深，具有探測(cè)深度大、橫向分辨率高、抗干擾性能強(qiáng)等特點(diǎn)，在深部找礦勘探中發(fā)揮著重要作用[1-3]。但是在盆地中開展CSAMT工作中，根據(jù)正演分析，當(dāng)各地層之間電阻率差異小于30%，一般難以依靠該方法的電阻率值將不同巖組區(qū)分開來，而且隨著埋深增大，其分辨能力逐步降低，往往造成地層劃分不準(zhǔn)確，甚至多層少層的現(xiàn)象。為了對(duì)CSAMT資料進(jìn)行精細(xì)解釋，國內(nèi)外專家和學(xué)者開始研究電磁法資料的擬地震解釋。Lee等[4-5]根據(jù)電磁波與地震波的相似性，利用有限差分法實(shí)現(xiàn)了二維構(gòu)造的電磁相位偏移成像；王家映等[6-7]研究了MT資料擬地震解釋法，把地層劃分為電磁波具有相等雙程旅行時(shí)的“微層”，通過對(duì)二層、三層和四層斷面模型試算，驗(yàn)證了該方法的可行性；魏勝等[8]研究了大地電磁數(shù)據(jù)的偏移成像；李貅等[9-14]研究了瞬變電磁法的擬地震成像理論，提出直接用感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)求取波阻抗，繼而換算出反射序列，繪制擬地震剖面；底青云等[15]討論了CSAMT法的擬地震處理技術(shù)；韓自豪等[16]指出地質(zhì)雷達(dá)的超高頻電磁波可以直接利用地震勘探的處理解釋方法，而常規(guī)電磁法因使用的電磁波頻率較低，具有明顯的色散效應(yīng)，采用擬地震解釋難以得到理想效果；梁生賢等[17]對(duì)大地電磁阻抗張量模的反演進(jìn)行了研究，將反射系數(shù)時(shí)間剖面用于優(yōu)選反演結(jié)果模型，可彌補(bǔ)大地電磁反演電阻率斷面的模糊性，對(duì)劃分電性層、推斷隱伏斷層的位置等效果良好。

本文根據(jù)新疆和什托洛蓋盆地可控源音頻大地電磁測(cè)量資料，探索了波阻抗梯度變化的規(guī)律與不同巖石組分界面之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，波阻抗梯度法對(duì)低阻電性層縱向分層效果明顯，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法解釋結(jié)果的缺陷，提升了資料精細(xì)化解釋的效果。

1 阻抗梯度算法

1.1 方法原理

電磁波與彈性波具有相似的傳播理論，CSAMT通過電偶極子激發(fā)產(chǎn)生電磁波，傳播見示意圖1。其中體波S1、S2通過場(chǎng)源直接傳入地下，受地下介質(zhì)吸收作用，高頻短波S1很快衰減，僅能傳播到P點(diǎn)；只有低頻長波S2可以到達(dá)接收端Q點(diǎn)形成近場(chǎng)數(shù)據(jù)，構(gòu)成了遠(yuǎn)區(qū)地下電磁波主要部分；面波S0在空氣層和地表的接觸界面?zhèn)鞑ァ?/p>

在盆地中，可將地層近似看作水平層狀介質(zhì)，電磁波以近于垂直方向傳播(圖1中Sn1、Sn2)，測(cè)點(diǎn)上方所測(cè)得的電磁場(chǎng)反映了觀測(cè)點(diǎn)下方垂直方向上某深度范圍內(nèi)的電性變化，當(dāng)電磁波遇到波阻抗界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射，波阻抗值發(fā)生相應(yīng)的改變，不同頻率深度及阻抗各有不同，從而為探索波阻抗界面提供了前提條件(圖1中的界面1與界面2)。用波阻抗隨深度的變化可以更好地還原電磁波的變化規(guī)律。

圖1 CSAMT電磁波傳播及界面響應(yīng)示意圖

1.2 方法算法

電磁波和地震波的相似性主要體現(xiàn)在傳播的過程中均滿足波動(dòng)方程(1)：

(1)

式中：v為傳播速度，δ為波動(dòng)函數(shù)，t為傳播時(shí)間。

式(2)至(6)介紹了傳統(tǒng)的電磁法擬地震解釋原理，其主要是將地層劃分為波的雙程旅行時(shí)間都相等的“微層”，通過式(2)建立反射函數(shù)：

(2)

(3)

式中：σj為介質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為西門子；hj為第j層介質(zhì)厚度，m。

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)各向同性大地介質(zhì)的電阻率和地面電磁場(chǎng)測(cè)量值之間的關(guān)系，定義平面波的波阻抗為均勻各向同性介質(zhì)中的電場(chǎng)E與磁場(chǎng)H的比值，在CSAMT中，測(cè)量的是相互正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，而波阻抗為在地面上觀測(cè)的兩個(gè)正交的電、磁場(chǎng)分量之比，即：

Z=Ex/Hy

(8)

式中：Z為阻抗，Ex為實(shí)測(cè)的電場(chǎng)振幅，Hy為實(shí)測(cè)的磁場(chǎng)振幅。

假設(shè)在觀測(cè)點(diǎn)Q處，測(cè)得某頻率深度面波上被反射并到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的反射波Sn1，又測(cè)得某頻率深度面波上被反射并到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的反射波Sn2，其阻抗的變化量為ΔZ，界面1與界面2的高差為Δh，將式(3)至(8)帶入式(2)，則可以將界面1上阻抗梯度(η)表示為

(9)

任意j層特征阻抗(Z0)：

(10)

(11)

式中：Z0是任意j層的特征阻抗，Ω·m；ω為圓頻率，mrad；ρm為介質(zhì)電阻率，Ω·m；μ為介質(zhì)的導(dǎo)磁率，4π×10-7H·m。

(12)

(13)

ΔZ=ηj-ηj-1

(14)

Δh=hj-hj-1

(15)

其中：φ為阻抗相位差，mrad；ηj是第j層的特征阻抗，Ω·m；hj為第j層介質(zhì)厚度，m。

由式(8)至(15)可知，阻抗梯度的實(shí)質(zhì)是各層阻抗隨厚度的矢量梯度變化值，當(dāng)下層阻抗大于上層阻抗時(shí)取正，反之取負(fù)。通過對(duì)比可以看出，阻抗梯度法不采用原有擬地震解釋微層的概念，取而代之的是各頻點(diǎn)的特征阻抗厚度。

2 模型正反演計(jì)算

為求證方法的有效性，筆者根據(jù)和什托洛蓋盆地的地電結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了5層電阻率結(jié)構(gòu)的理論正演模型(圖2)。本次建立5層電阻率模型：ρ1=50 Ω·m，h1=10 m；ρ2=10 Ω·m，h2=40 m；ρ3=200 Ω·m，h3=200 m；ρ4=100 Ω·m，h4=320 m；ρ5=500 Ω·m，h5=+∞。采用有限元法進(jìn)行模型正演，設(shè)置正演數(shù)據(jù)頻率范圍1～9600 Hz，頻點(diǎn)數(shù)41個(gè)，采樣間隔100 m。

圖2 正演網(wǎng)格模型

圖3為采用非線性共軛梯度法 (NLCG) 進(jìn)行二維反演后的結(jié)果，可以看出，在反演電阻率斷面圖中自上而下ρ1～ρ2～ρ3呈高—低—高變化特征，在淺部的第二層低阻體ρ2反映明顯；而在深部反演電阻率斷面圖中自上而下ρ3～ρ4～ρ5呈遞增變化特征，盡管其中的低阻體ρ4厚度已經(jīng)達(dá)到了320 m，盡管上下地層之間存在電阻率差異，但由于埋深大，并沒有在反演結(jié)果中顯示出來，從而造成了信息的丟失。另外，由于電阻率的漸變過程，從高阻到低阻有一個(gè)緩慢變化的過程，因此僅靠電阻率值難以區(qū)分各電性層的具體分界位置。

圖3 正演數(shù)據(jù)反演結(jié)果剖面

由前文所述原理，本次對(duì)正演阻抗進(jìn)行了計(jì)算，并繪制了阻抗梯度剖面(圖4)。由圖4可見，阻抗梯度對(duì)于各層反映較為清晰，基本上還原了初始模型的高低變化規(guī)律特征，阻抗梯度的零值線與電阻率的分界面位置總體一致，但對(duì)于電阻率值的大小反映不靈敏，結(jié)合反演電阻率斷面圖，可以實(shí)現(xiàn)有效的還原地下介質(zhì)原始面貌。

圖4 正演模型阻抗梯度剖面

綜上，通過正演模型的正反演計(jì)算，認(rèn)為阻抗梯度法在沉積盆地中進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的解譯具備可行性性。

3 實(shí)例分析

由以上理論分析和模擬計(jì)算結(jié)果，證實(shí)該方法在理論上是可行的，本次在新疆和什托洛蓋盆地進(jìn)行了有效性試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)線選擇L06線，過該線有6個(gè)鉆孔，為本文研究提供了對(duì)比基礎(chǔ)。

3.1 地質(zhì)條件

和什托洛蓋盆地處于哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊、準(zhǔn)噶爾-巴爾喀什微板塊、達(dá)爾布特石炭紀(jì)殘余洋盆與雪米斯坦泥盆紀(jì)陸緣火山巖帶交界部位[18]。

盆地基底構(gòu)造分區(qū)屬準(zhǔn)噶爾微板塊達(dá)爾布特石炭紀(jì)殘余洋盆，地層出露于扎伊爾山東部和哈拉阿拉特山，以大面積分布的石炭系為主；蓋層以陸相碎屑巖沉積為主，中下侏羅統(tǒng)主要為含鈾煤系建造，在盆內(nèi)廣泛出露，盆地南北緣山間亦有小面積殘留，最大厚度超過3000 m，地表可見厚度達(dá)2000 m。主要有下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)和三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t)等，主要巖性為砂巖、粉砂巖和泥巖等；缺失上侏羅統(tǒng)；新近系、古近系和白堊系以紅色建造為主，但白堊系分布十分有限；第四系多為沖洪積、堆積的礫石、沙土和黏土。盆地蓋層在沉積層序上出現(xiàn)了幾次沉積間斷，明顯的角度不整合現(xiàn)象見于基底與下侏羅統(tǒng)之間、中侏羅統(tǒng)與下白堊統(tǒng)之間、上白堊統(tǒng)與古近系之間。盆緣及盆內(nèi)發(fā)育大量近EW向或NEE向逆沖斷層，南部以達(dá)爾布特?cái)鄬訛檫吔纭?/p>

3.2 巖石電阻率特征

工作區(qū)基底主體由泥盆系和石炭系組成，主要巖性為中基性、中酸性火山巖建造及碳酸鹽沉積組成，二疊系缺失；其次為華力西中晚期花崗巖及次火山巖，根據(jù)地質(zhì)資料及測(cè)井電性參數(shù)，工作區(qū)各地層及其巖性的電性具有如下特征：

1)不同時(shí)代的地層電阻率不同，由高至低依次為泥盆系火山巖(平均255 Ω·m)→第四系礫、砂和黏土(75 Ω·m)→新近系上巖段砂礫巖(42 Ω·m)→新近系下巖段泥巖(15 Ω·m)→古近系含礫砂巖(38 Ω·m)→侏羅系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖(平均25 Ω·m)，另外中侏羅統(tǒng)頭屯河組砂巖和砂礫巖及煤層的電阻率約為40 Ω·m。

2)盆地蓋層中，除第四系外，新近系、古近系和侏羅系的泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的平均電阻率較低，一般小于25 Ω·m，其次是泥質(zhì)砂巖及砂巖與泥巖互層的電阻率，再次是鈣質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖；礫巖、砂礫巖及粗砂巖和煤層的平均電阻率較高，可超過35 Ω·m。

3.3 L06線CSAMT測(cè)量剖面位置

L06測(cè)線位于和什托洛蓋鎮(zhèn)南西部(圖5)，橫跨西利克山和哈拉阿拉特山，測(cè)線全長18.3 km，方向?yàn)镾N向。上地表主要出露有第四系、中新統(tǒng)塔西河組(N2t)、始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)烏倫古河組(E2-3w)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)及古生界基底，穿過已知的達(dá)爾布特?cái)嗔褞?F3斷層)。

圖5 新疆和什托洛蓋盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖

CSAMT測(cè)量采用的儀器為加拿大鳳凰公司V8多功能電法儀，單點(diǎn)標(biāo)量測(cè)量方式，測(cè)點(diǎn)距為100 m，收發(fā)距為10 km。

3.4 應(yīng)用效果分析

數(shù)據(jù)處理采用 Occam 法進(jìn)行了二維層狀結(jié)構(gòu)反演，其反演電阻率及地質(zhì)推斷解釋斷面見圖6。根據(jù)地質(zhì)資料及電阻率特征將該測(cè)線分為4個(gè)部分：

準(zhǔn)噶爾盆地北緣 位于地表平距-100 m～1350 m段，在反演電阻率斷面圖和擬地震剖面圖上均表現(xiàn)為上下兩部分：上部呈相對(duì)低阻特征，為第四系及侏羅系的綜合反映；下部反演電阻率值大于100 Ω?m，呈高阻特征，為古生界基底的反映。

南部單斜帶 位于地表平距1350～10 500 m段，在反演電阻率斷面圖上自上而下主要表現(xiàn)為高—低—高特征，上地表主要為薄層狀中阻體，反演電阻率為40～100 Ω?m，在擬地震剖面圖中呈正負(fù)相變特征，根據(jù)鉆孔揭露，解釋為第四系、烏倫古河組的綜合反映；中部以低阻為特征，反演電阻率值多小于20 Ω?m，在擬地震剖面中主要為負(fù)相位異常特征，推斷為侏羅系的綜合反映；下部反演電阻率值大于100 Ω?m，呈高阻特征，在阻抗梯度剖面上表現(xiàn)為平穩(wěn)的正相變化特征，為古生界基底的反映。

風(fēng)臺(tái)隆起 位于地表平距10 500～14 250 m段，以高程0 m為界，自上而下可分為兩部分：①上部以低阻為特征，呈多層交互狀，自上而下電阻率值遞減，反演電阻率值為30～100 Ω?m，等值線舒緩變化，在擬地震剖面圖中呈正負(fù)相變特征，推斷為第四系砂礫石、中新統(tǒng)塔西河組砂礫巖及侏羅系砂巖、泥巖的綜合反映；②下部中高阻體，在阻抗梯度剖面上表現(xiàn)為平穩(wěn)的正相變化特征，反演電阻率大于100 Ω?m，推斷為古生界基底的反映。

北部斷褶帶 位于地表平距14 250～18 200 m段，反演電阻率等值線變化較快。其中，①在平距14 700～16 200 m段呈縱彎褶曲狀，其形態(tài)特征與地質(zhì)資料及地表出露的背斜相吻合，推斷即為該背斜的反映，由電阻率特征推斷其軸向南，主要受兩側(cè)擠壓形成，大致以150 m為界，上部為侏羅系，下部為古生界基底；②16 200～18 200 m段，反演電阻率等值線呈疊瓦式特征，在橫向上可分為兩部分：平距16 200～17 200 m、高程600 m以下至平距16 800～18 200 m、高程-1500～300 m區(qū)域，等值線較為平緩，反演電阻率斷面總體呈相對(duì)低—高—低—高變化，推斷為第四系砂礫石、中新統(tǒng)塔西河組砂礫巖、侏羅系砂泥巖及古生界基底的綜合反映。③平距17 200～18 200 m、高程-300 m以上的中高阻體，推斷為古生界基底，超覆在古近系之上。

該測(cè)線南部斜坡帶及準(zhǔn)噶爾盆地北緣基底埋深較淺，基底頂界面的高程為0～250 m，至北部斷褶帶及風(fēng)臺(tái)隆起段基底埋深較大，基底頂界面的高程為-500 m～-100 m，在北部形成復(fù)式背斜，受逆沖推覆斷層和南斷層F2及其次級(jí)斷層的影響，在北部斷褶帶基底明顯推覆于侏羅系之上。該測(cè)線有6個(gè)鉆孔資料(圖6)，與實(shí)際揭露結(jié)果吻合較好。

圖6 L06線反演電阻率斷面及阻抗梯度剖面地質(zhì)推斷解釋圖

4 結(jié)論

CSAMT 阻抗梯度法是從擬地震解釋法中發(fā)展而來的，采用各頻點(diǎn)的特征阻抗厚度進(jìn)行分析，對(duì)數(shù)據(jù)反演處理進(jìn)行了創(chuàng)新性探索，通過在和什托洛蓋盆地的應(yīng)用取得了較好的應(yīng)用效果。

通過正反演模型分析，利用阻抗梯度法的零值線能較好地劃分不同電性層的分層位置，證實(shí)了該方法在盆地 CSAMT 資料解釋中具有可行性和有效性。

根據(jù)在和什托洛蓋盆地中鉆孔揭露與反演電阻率斷面、阻抗梯度剖面對(duì)比來看，阻抗梯度法對(duì)于電性差異不大的地層界線反映較為靈敏，為地層劃分提供了有利依據(jù)，提高了資料解釋的效果和精度。