大地電磁測深中薄層響應特征與地質目標體拾取的探討

蔣亞東，雷 宛，劉 倩，李 超，凌 飛

（成都理工大學地球物理學院，成都 610059）

大地電磁測深中薄層響應特征與地質目標體拾取的探討

蔣亞東，雷 宛，劉 倩，李 超，凌 飛

（成都理工大學地球物理學院，成都 610059）

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

大地電磁測深；薄層響應；地質目標體響應；正演模擬

0 引言

在我國南方碳酸鹽巖海相油氣遠景區勘探中，復雜的地表地質情況使得大地電磁測深方法被廣泛應用，人們總希望盡可能地分辨地下結構，而在電磁法應用于盆地沖湖積區域劃分第四系含水層時，由于區域上隔水層通常不連續、厚度較薄等因素，給劃分第四系地層結構帶來困難［1］。為適應社會經濟發展對能源、礦產、以及水資源等的大量需求，大地電磁測深的發展也必將滿足小尺度、精細詳查的高要求。

物性背景是地質模型正演的基礎，而典型地質模型的正演模擬則是獲取地層電磁響應的重要方法。正演模型依托于我國南方碳酸鹽巖海相油氣遠景區中上揚子克拉通物性統計資料，其有利油氣儲集目標層為下寒武統－晚元古界上部（∈1～P3t3），主要巖性為砂質白云巖、炭質頁巖（均相對低阻），但地層發育較薄或者不發育［3］。對此作者基于不同高、低阻薄層的正演模擬，對大地電磁測深曲線進行對比分析，總結不同蓋層深度、薄層厚度以及圍巖電阻率比等賦存情況下高、低阻薄層的響應特征，以提高實測資料的處理和解釋準確性。

在層狀介質中，電磁場沿水平方向分布，感應電流也總是沿水平方向流動，但是淺層不均勻體改變了介質電阻率的均勻性，從而也改變了介質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象，導致地表觀測電場分量的突然增強或突然減弱。在解釋工作之前，需對觀測資料中造成曲線畸變的可能性加以判斷，正確區分非均勻體異常與地質目標體異常，是確保在資料處理中達到壓制靜態效應而保證其他有效資料完整性的前提。基于此，作者建立相應模型，總結出區別近地表非均勻體與地質異常體的響應特征，為數據處理提供充分的理論依據。

1 層狀地質體的薄層響應

1．1 薄層在大地電磁測深曲線中的響應

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，通過正演模擬得到相應的薄層響應曲線。

圖1 模型M1Fig．1 Model M1

從圖2可以看出，當薄層厚度T和薄層電阻率一定時，蓋層厚度H越小，得到的視電阻率響應幅度越大，這是因為在深度或者低頻時，長波信號勘探區域的擴大，導致分辨能力下降。

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，H＝1 000m情況下不同薄層厚度的響應曲線。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系。其中每條曲線周圍點虛線為“10%分辨包絡線”。一般來說，在野外如果采集信號良好且地質條件簡單，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。而在某些特定的環境中，薄層（地質體）產生的響應也可以比10%標準高或者低很多。如果任一曲線落入了另一曲線的分辨包絡線內，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，且其產生的視電阻率極大異常值均約150Ω·m，與預設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，且只在薄層厚度（相對蓋層）很小時，低阻薄層測深曲線的包絡線存在一定的疊加區。

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

結合圖3、圖4中高阻、低阻薄層在不同情況下的響應曲線可以看出：①薄層更薄（T減小）、更深（H變大）或ρT／ρ0變大，得到的薄層視電阻率異常的響應幅度減小；②埋深一定時，薄層厚度越大，其響應的幅度越大；③當厚度T與埋深H一定時，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幅度越大；④大地電磁測深中，對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關；⑤縱向電導和薄層深度影響低阻薄層的電性響應，而“電導率與厚度積”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或兩個參數的情況下，薄層厚度的測定非常困難；⑥大地電磁測深中對低阻薄層反應靈敏，對高阻薄層卻沒有良好的響應，并且不能從一個中等電阻體中區分一個更高的電阻體。

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

1．2 縱向電導對低阻薄層的影響

分析電測深理論曲線時，三層曲線最具有代表性，因為它充分表示了上、下電性層電阻率和厚度發生變化時曲線形態所發生的變化，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對測深曲線的影響。

圖6是同時改變h1和ρ1，但保持s1＝h1／ρ1不變時測深響應曲線。可以看出，盡管高頻段各曲線變化不同，但低頻段各曲線形態相同。因此當薄層的縱向電導相同時，其對測深曲線影響也相同。

1．3 高阻薄層厚度等值現象

對模型M1（ρ0＝100Ω·m）改變其中高阻薄層電阻率，得出H＝200m、H＝1 000m時高阻薄層不同電阻率的測深曲線（圖7）。在同一深度下，不同電阻率的測深曲線基本重合。并結合圖3（（c）、（d））可以看出，高阻薄層的視電阻率響應主要依賴于中間層厚度，而中間層電阻率在一定范圍內的變化不影響測深曲線形態。高阻薄層或者高阻夾層的這種現象，稱為大地電磁測深K型斷面上中間高阻層的厚度H等值，其物理解釋是，對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、下導電層中形成的渦旋電流磁場的感應作用，高阻中間層只是電磁場的通路，它本身并無明顯的感應電流產生［4］。中間層電阻在某一范圍內變化時很少影響磁場的感應量，而其厚度的變化卻影響著互感場之間的距離。所以如果中間層厚度不變，在某一范圍內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在測深曲線上的響應Fig．6 Thin layer vertical conductance response in the low resistivity sounding curve

2 靜態效應下地質目標體的拾取

在大地電磁測深工作中，由于近地表局部電阻率的異常，當測點及其附近存在局部電性非均勻性時，不均勻體表面積累的電荷使電場造成的畸變對測深曲線產生嚴重的影響。而當地表存在地質目標體時，同樣會對測深曲線產生一定的影響。因此在解釋工作之前，必須對觀測資料中造成曲線畸變的可能加以判斷，正確區分不均勻體異常與目標體異常，是確保在資料處理中達到壓制靜態效應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信息。

建立如圖8所示模型M3，構建一個均勻半空間模型，長為7km、深為3km，背景電阻率ρ0＝100 Ω·m，點距為0．5km。里程為1．98km～2．02km有一40m×40m靜態體，蓋層厚度為10m；里程為4．8km～5．2km處有一400m×400m的地質異常體，蓋層厚度為400m。取其中3個典型測點做大地電磁測深曲線分析，位置分別在0km（point1）、2 km（point2）、5km（point3）。

結合圖9、圖10測深曲線響應與擬斷面響應可知：①低阻非均勻體和低阻地質目標體對TE極化模式下的視電阻率與阻抗相位影響很小，其對低阻異常都有一定的響應，但在不知道預設背景模型的情況下，不能準確地區分出非均勻體與地質異常體；②TM極化模式視電阻率擬斷面受靜態效應影響嚴重，引起紡錘狀陡變，從地表貫穿至深部，而地質目標體引起的視電阻率變化為漸變，從異常位置開始到深部；③對比圖9（（a）、（b））視電阻率測深曲線可知，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，而曲線形態卻無法改變，而低阻地質異常體的TM極化模式視電阻率測深曲線大小與形態都發生改變；④對比圖9（（a）、（b））阻抗相位曲線可知，TM極化模式下低阻非均勻體（point2）對相位的影響很小，其大小與形態基本不變，而低阻地質異常體（point3）引起相位的大小與形態均發生較大變化。

圖11、圖12是對于高阻非均勻體和高阻地質目標體的響應，同樣可以看出：①TM極化模式非均勻體視電阻率曲線發生平移，而TM極化模式下的非均勻體相位曲線基本無變化，地質目標體（point3）視電阻率、相位曲線大小與形態均發生了變化；②在TE極化模式中存在的極大為108．2Ω·m，與預設高阻體電阻率1 000Ω·m存在很大差異。在TM極化模式中，因為靜態效應的影響使point2視電阻率曲線平移增大一個數量級，存在一定強度的假極大值（508．1Ω·m），而位于高阻地質目標體上的point3測深曲線極大值為172Ω·m，與背景預設的電阻率1 000Ω·m同樣存在很大誤差。這表明，大地電磁測深中TE、TM極化模式都對高阻異常體的識別存在局限。

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

圖8 模型M3Fig．8 Model M3

3 結論

雖然在AMT、CSAMT中存在非平面波效應與場源效應的影響，但基于MT中薄層與地質異常體響應特征的分析同樣對這兩種頻率域電磁法具有適應性。靜態效應的影響也存在于所有的頻率域電磁測深中，并且這種效應與頻率無關，通常引起測深曲線的上、下位移，由于相位與視電阻率對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。因此通過對大量理論模型正演模擬結果的比較分析，對于一維、二維地電斷面，可把大地電磁測深中薄層響應特征與地質目標體的響應特征做如下總結：

1）低阻薄層的響應依賴于其與圍巖電阻率的比，而高阻薄層的響應幾乎與其電阻率之比無關。

2）大地電磁測深不僅容易對低阻薄層產生響應，還可以分辨其導電程度，但對高阻薄層沒有明顯的異常響應，更不能從一個中等電阻中區分一個很高的電阻層（體）。

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

圖9 M3模型響應曲線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受到的靜態效應影響遠大于TE極化模式，淺層電性不均勻對大地電磁測深的影響主要表現在TM極化模式上。

5）TM極化模式下，靜態效應（非均勻態體）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，但對相位曲線影響較小；而局部異常體引起視電阻率大小和曲線形態的改變，同時也引起相位大小和曲線形態的改變。這是區別非均勻體與局部地質目標（異常）體的重要響應特征之一。

圖11 M3模型響應曲線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

中國地質調查局地質調查項目（1212011220750）

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