基巖山區大地電磁法TE和TM極化特征

程 勃,羅潤林,李爾頔,呂玉增

(桂林理工大學 a.地球科學學院;b.廣西隱伏金屬礦產勘查重點實驗室,廣西 桂林 541006)

0 引 言

在山區進行公路或鐵路隧道選線勘探工作中,為了查明斷裂、巖溶發育等不良地質體空間分布特征,經常采用大地電磁測深法。大地電磁測深方法利用天然電磁場信號作為激發場源,天然場包含多種頻率的平面電磁波,垂直入射到大地介質中。由電磁場理論可知,高頻電磁場穿透深度小,反映淺部的電性特征；低頻電磁場穿透深度大,反映深部的電性特征。因此,在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息,并計算出卡尼亞電阻率和相位,可確定出大地的地電特征和地下構造。

大地電磁測深方法儀器相對輕便,工作效率較高,經常用于各種地形地貌條件下的地質構造勘探工作。但在山區進行施工時,地形起伏、電性分布不均,由此產生的靜態效應會對大地電磁測深數據產生嚴重影響,使電阻率數值畸變,卡尼亞電阻率斷面圖中等值線出現掛面條狀梯度很大的復雜形態。淺地表電性不均勻體產生的靜態效應引起的低阻或高阻異常有時會歪曲、掩蓋真正的斷裂或巖溶發育帶異常,無法準確分析地下電性分布,使后續處理和解釋工作出現錯誤。

理論計算證明,當地質體二維或三維分布、地表存在局部電性異常體或地形起伏的情況下,地電場的分布特征與方向有關。在大地電磁法測量中,一般情況下,TM極化模式橫向分辨率高,異常明顯;TE極化模式縱向分辨率高,對電性的橫向變化分辨率低。在以探測橫向電性變化的工作中,解釋資料時主要以TM極化模式的資料為主。但TM極化模式受靜態效應影響很大,僅有沿測線的數據無法區分是何種原因引起的異常, 也不能判斷是淺部還是深部地質體產生的異常。 而TE極化模式雖然橫向分辨率低,但從另一方面反映了地層的地電特征。此外，淺部局部地質體對TM和TE極化模式的卡尼亞電阻率測深曲線有明顯的差異,而延伸較大的地質體或地下的橫向電性變化對不同極化方向的電阻率測深曲線也有明顯的差異。但淺部地質體和深部地質體的測深曲線差異特征不同,利用這些差異特征及規律有助于人們分辨引起異常的原因,判斷異常地質體的性質和深度。

為了更好地解釋基巖山區大地電磁測深資料,消除淺部電性不均勻體的影響,本文設計了二維地電模型,利用理論模型的數據研究淺部局部地質體和地形等橫向電性變化對TM和TE極化模式測深曲線的影響,以及兩種極化模式的大地電磁測深曲線的組合特征,并總結規律,用于輔助定性解釋,為定量解釋提供依據。并將研究成果用于EH-4電導率成像系統在廣西弄內隧道采集的大地電磁測深資料解釋。

在解釋過程中,首先研究野外采集的各測點的兩種極化模式測深曲線特征,消除淺部橫向電性變化的影響后,根據兩種極化模式的特征確定深部異常體,最后再進行剖面反演,取得了較好的地質效果。研究結果表明,基巖山區大地電磁測深勘查工作中,采用矢量測量,并用不同極化模式的測深曲線組合特征進行綜合解釋,是提高勘查成果準確性的重要措施。

1 研究方法

為了認識各種靜態條件下大地電磁測深曲線的特征, 本文用數值模擬方法獲得不同極化模式的測深曲線, 并分析總結不同極化模式曲線的組合變化規律; 繪制EH-4電導率成像系統采集的不同極化模式的卡尼亞電阻率ρxy和ρyx曲線, 與理論曲線對比分析, 檢驗組合變化規律的適應性; 最后對實測數據中有靜態效應影響的數據用歸一化方法校正, 并用BOSTIK反演方法計算電阻率和深度。

1.1 TE和TM極化模式卡尼亞電阻率的計算

大地電磁測深資料解釋的基礎,是對測深曲線的類型和形態的認識。 有限元計算技術的發展,使人們能夠利用數值模擬的方法了解各種地質條件下測深曲線的特征。本文利用有限元直接迭代方法技術[1],計算4種有代表性的靜態效應條件下TM 、TE極化模式的卡尼亞電阻率ρxy和ρyx。

1.2 實測數據TE和TM極化模式卡尼亞電阻率的計算

在均勻大地和水平層狀大地情況下, 波阻抗是電場E和磁場H的水平分量的比值。 在進行矢量測量時,根據在不同方向測量的電場E和磁場H, 用式(1)、 式(2)計算卡尼亞電阻率

(1)

(2)

式中:f是頻率(Hz);ρ是電阻率(Ωm);E是電場強度(mV/km);H是磁場強度(nT)。 一般地，將沿測線方向測量, 稱為TM 極化模式, 計算出的卡尼亞電阻率為ρxy； 垂直測線方向測量, 稱為TE極化模式, 計算出的卡尼亞電阻率為ρyx。

1.3 實測數據的靜態校正和反演解釋

利用曲線分析方法確定測深曲線受到局部地質體或地形影響后,用歸一化方法進行靜態校正。

歸一化校正法： 先計算待求測點鄰近地段視電阻率曲線類型相同的測點的平均視電阻率曲線

(3)

再求平均視電阻率曲線的幾何平均值

(4)

最后,對每一條視電阻率曲線作歸一化校正

(5)

在大地電磁測深的一維資料解釋中,常用BOSTIK反演方法計算電阻率和深度：

(6)

(7)

可知, 深度隨電阻率ρ和頻率f變化。

2 TE和TM極化模式測深曲線與斷面等值線特征

2.1 覆蓋層內存在局部低阻地質體

覆蓋層內含低阻體的接觸帶模型如圖1所示。

圖1 覆蓋層內含低阻體的接觸帶模型Fig.1 Model of low-resistivity abnormal contained in cover

測線長度1 200 m, 計算點距50 m, 低阻體位于水平方向測線-300～-200 m, 寬度100 m、 厚度25 m。 電性接觸帶頂點位于水平方向測線0 m處。

利用有限元直接迭代法計算圖1各測點上的測深曲線(圖2)， 這里主要分析測線上-425～125 m范圍內各測點的ρxy和ρyx兩種模式的曲線的形態及相互關系:

圖2 覆蓋層內含低阻體的接觸帶模型不同位置測點測深曲線Fig.2 Sounding curves of measuring points at different positions of model with low-resistivity contained in cover

在接近低阻體的-425～-325 m范圍內, 淺部低阻體對ρxy和ρyx的影響不同, 在高頻段, 兩種極化模式曲線形態相似,ρyx稍大于ρxy, 而在頻率低于10 Hz時, 兩種曲線所受低阻體和接觸帶的影響不同, 出現分離(喇叭口)。 在此區間，ρxy和ρyx受低阻體影響, 電阻率逐漸下降, 但形態基本不變, 各測點ρyx的下降幅度小于ρxy。 越接近接觸帶,ρxy曲線電阻率越低,出現兩曲線分離的形態。

在-275～-225 m范圍內,測點位于低阻體上方,ρxy和ρyx受低阻體影響,電阻率明顯下降,在此區間測點達到最低。ρyx下降幅度遠大于ρxy, 在低阻體上方出現明顯的ρxy大于ρyx現象。

在-175～-25 m范圍內,測點逐漸遠離低阻體,ρxy受低阻體影響逐漸消失,測點還在接觸面左側的高阻地層上方,而ρyx曲線受到接觸面右側的地層影響,電阻率降低,在此范圍內出現兩曲線分離的形態,ρxy小于ρyx。

在25～125 m范圍內,ρxy和ρyx曲線基本為水平二層大地形態,受接觸面的影響減小,兩者逐漸重合。

綜合各測點的曲線特征分析可知:在淺部有局部低阻體存在時,測點遠離低阻體,ρxy和ρyx曲線在高頻段形態接近,低頻段分開,形成喇叭口;在靠近低阻體或在其上方,ρxy和ρyx曲線同步下降,ρyx的下降幅度大于ρxy;遠離接觸帶，ρyx和ρxy兩曲線基本重合。這些特征為識別淺部地質體和深部斷裂提供了明確的識別信息。

覆蓋層中存在局部低阻體的接觸帶模型TE 和 TM 極化模式的斷面等值線特征，如圖3所示。兩種模式的等值線特征有明顯差異:TE極化模式的等值線明顯反映了局部有限延伸低阻體的存在,但沒有明顯反映出接觸帶異常；在TM 極化模式下,局部低阻體的等值線呈陡立狀,深部沒有封閉的趨勢,其變化特征和接觸帶或斷裂的曲線特征類似,而真正的接觸帶低阻異常不明顯。

圖3 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亞電阻率斷面等值線圖Fig.3 Apparent resistivity profile of TE (a) and TM (b) mode with low-resistivity contained in cover

2.2 覆蓋層內存在局部高阻體

模型與圖1類似，將圖1中的局部低阻體改為高阻體,其他參數不變。高阻體中心位于測線-250 m處,電阻率500 Ωm,與覆蓋層電性差異比為10,并出露地表。測線0 m處有高低阻接觸帶,電阻率與圖1相同。為簡單起見,僅考查測線上-275 m、-225 m(位于高阻體上)及-175 m測點(距離高阻體25 m)的不同極化模式測深曲線， 如圖 4所示。 在淺部有局部高阻體存在, 測點靠近高阻體或在其上方時,ρyx和ρxy曲線同步上升, 受淺部高阻體的放大作用影響,ρyx的上升幅度大于ρxy數倍, 局部高阻體的影響范圍較大。離開高阻體,ρxy和ρyx曲線受高阻體影響立刻減小, 如-175 m測點。

圖4 覆蓋層內含高阻體的接觸帶模型不同位置測點測深曲線Fig.4 Sounding curves of measuring points at different positions of model with high-resistivity contained in cover

綜合各測點的曲線特征分析可知:在淺部有局部高阻體存在時,靠近高阻體或在其上方,ρxy和ρyx曲線同步上升,ρyx的上升幅度遠大于ρxy。這一信息為識別淺部高阻地質體的明顯特征。

覆蓋層內存在局部高阻體的大地電磁測深TE 和 TM 極化模式的斷面等值線,如圖5所示。兩種模式的等值線特征有明顯差異：TM 極化模式對高阻體和接觸帶反映同樣明顯,但高阻異常范圍集中在高阻體和接觸帶斷裂附近,幾乎掩蓋了接觸帶異常;TE極化模式的等值線則僅反映了局部有高阻體的存在,接觸帶特征不明顯。

圖5 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亞電阻率斷面等值線圖Fig.5 Apparent resistivity profile model of TE (a) and TM (b) mode of high-resistivity contained in cover

2.3 山谷地形的影響

山谷地形模型如圖6所示。計算的測線長度1 200 m,計算點距50 m,最大高差200 m。

圖6 山谷地形模型Fig.6 Valley model

理論計算的二維條件下山谷地形的測深曲線如圖7所示。 由于模型的對稱性, 選擇了-225、 -125、-25 m三個測點的曲線,依次為山谷斜坡到谷底的不同極化模式測深曲線。

圖7 山谷地形不同位置測深曲線Fig.7 Sounding curves of few locations in valley model

綜合山谷地形各測點的曲線特征分析可知:在山谷地形,測點靠近山谷底部的過程中,ρxy和ρyx曲線平行分離;在斜坡上,ρxy幅值大于ρyx;在山谷底部,ρxy幅值小于ρyx, TM極化模式的ρxy曲線呈現高阻異常, TE極化模式的ρyx曲線則變化不大。這些特征為識別山谷地形影響提供了明確的識別信息。

山谷地形2種模式的等值線特征如圖8所示。TM 極化模式對山谷地形反映明顯,出現高阻異常,高阻異常中心為谷底。TE極化模式在山谷地形條件下異常范圍及特征不明顯。

圖8 山谷地形的TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亞電阻率斷面等值線圖Fig.8 Apparent resistivity profile of TE (a) and TM (b) mode

2.4 山脊地形的影響

山脊地形模型與圖6類似,只是將地形改為山脊。計算的測線長度1 200 m,計算點距50 m,最大高差180 m。地層電阻率與圖6相同。

理論計算的二維條件下山脊斜坡到山脊頂的不同極化模式測深曲線如圖9所示。由于模型的對稱性,選擇了-125、-75、-25 m三個測點的曲線。

圖9 山脊地形斜坡上不同位置測深曲線Fig.9 Sounding curves of different locations in ridge model

綜合山脊地形各測點的曲線特征分析可知:在山脊斜坡上,ρxy和ρyx曲線平行分離,ρxy幅值大于ρyx; 靠近在山脊頂部,ρyx幅值達到極小。 因此, TE極化模式的ρyx曲線呈現低阻異常, TM極化模式的ρxy曲線則變化不大。這些特征為識別山脊地形影響提供了明確的識別信息。

山脊地形兩種極化模式的等值線特征如圖10所示。TM 極化模式對山脊地形反映明顯,出現低阻異常,低阻異常中心為山脊頂部。TE極化模式地形異常范圍及特征不明顯。

圖10 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亞電阻率斷面等值線圖Fig.10 Apparent resistivity profiles of TE (a) and TM (b) mode

從以上4種情況的TM模式斷面等值線形態可知, 靜態效應引起的等值線形態變化, 很容易與斷裂或巖溶發育產生的異?；煜?。但不同極化模式的測深曲線及其組合方式還是能反映出淺部和深部地質體的差異。

(1)存在近地表的電性橫向不均勻性,測點在異常體上方時,TM極化模式的ρxy在高阻體上方小于ρyx,在低阻體上方時，大于ρyx；TE極化模式的ρyx在近地表電性不均勻體上方時,也會上升或下降,但幅度小于TM極化模式。

(2)測點靠近淺部電性不均勻體時,兩種極化模式的曲線會在高頻段交叉或出現喇叭口。

(3)TM和TE極化模式的ρxy和ρyx兩曲線在山谷或山脊的斜坡上時,兩曲線近平行分離,TM極化模式的ρxy在山谷谷底或山脊頂部處出現高阻或低阻異常。

(4)對于延伸到深部的低阻地質體,TM和TE極化模式的ρxy和ρyx兩曲線在異常體上方或附近會出現低頻段交叉或喇叭口。

這些不同極化模式的曲線特征和組合規律,可以用于實測數據的資料解釋中,獲得準確的地層結構劃分,避免錯誤的解釋。

3 基巖山區資料解釋實例

3.1 工區概況及地質特征

工區位于廣西南寧—柳州高速公路的弄內隧道選址區。測區為巖溶峰叢溝谷地貌,地形起伏較大,溝谷較發育,地面高程為281.5～474.8 m，相對高差約193 m。

測區出露地層主要為第四系殘坡積層(Qel+dl)、 由粉質粘土、 含碎石粉質粘土組成; 二疊系下統茅口階(P1m),巖性為含燧石灰巖、硅質白云巖。

據地質及鉆探資料推測, 隧道選址區發育兩條斷層： 斷層F1， 正斷層,南北走向, 沿南北向的溝谷發育, 斷層傾向北西, 傾向約276°, 傾角約55°； 斷層F2，逆斷層, 東西走向, 沿東西向的溝谷發育, 傾向南,傾角約80°。 測區除存在兩條斷裂帶外, 巖溶洞隙發育, 局部富集巖溶水、 斷層帶水。 富水斷裂帶及巖溶發育帶與圍巖相比均為低阻特征, 且具有一定的空間分布, 具備利用大地電磁法勘查斷裂帶和巖溶發育帶的地球物理前提條件。

3.2 野外工作方法

為了確定斷層和巖溶發育的空間分布特征,在弄內隧道測區布置8條測線,其中有2條平行隧道走向的縱測線,6條垂直隧道的橫測線,測線總長6 100 m， 測線布置如圖11所示。 大地電磁法野外工作采用矢量測量方式， 測量采用EH-4電導率成像系統。測量時用4個電極,2個電極組成一對,測量2個互相垂直的電場，極距為40 m。測量頻率范圍為10～10 000 Hz。

圖11 大地電磁測深工作布置圖Fig.11 Position of MT profiles

3.3 大地電磁法資料解釋

大地電磁法的工作目的是探測測區斷裂帶及巖溶分布,工區地形起伏較大,地表局部有基巖裸露,資料中存在近地表高、 低阻地質體、 山谷和山脊地形對測深曲線的影響。因此,首先要結合地形特征,分析各測線的TE、TM模式的測深曲線畸變,排除靜態效應的干擾。

3.3.1 山谷地形對測深曲線的影響 4線540號點處為山谷,其測深曲線如圖12所示。根據2.3節中理論曲線對比,TM模式卡尼亞電阻率小于TE模式是典型的山谷地形特征。在TM模式斷面卡尼亞電阻率等值線圖13中,可以看到540號點附近有明顯的高阻異常。圖14為消除地形影響后的反演電阻率剖面,可知540號點附近沒有斷裂或巖溶異常存在。

圖12 4線540號點大地電磁測深實測曲線Fig.12 Sounding curves of 540 m/Line 4

圖13 4線TM模式測深卡尼亞電阻率斷面Fig.13 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 4

圖14 4線反演電阻率斷面Fig.14 Inverse result of Line 4

3.3.2 局部低阻體的影響 13線260號點地形較平坦, 附近有一輸水管道通過, 其測深曲線如圖15所示。 TE模式卡尼亞電阻率曲線呈現明顯的低阻特征, 但TM模式曲線則沒有明顯的電阻率降低。與2.1節圖2中-225 m測點理論曲線對比,這種TM曲線在上,TE曲線在下,近似平行分離的曲線形態類似測點附近存在低阻體。另外,在TM模式卡尼亞電阻率斷面等值線圖16中,可以看到260號點附近有明顯的低阻異常。因此推斷圖15中260號點附近的異常是由金屬管道引起。

圖15 13線260號點大地電磁測深曲線Fig.15 MT curves of point 260 on Line 13

圖16 13線TM模式測深卡尼亞電阻率斷面Fig.16 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 13

3.3.3 局部高阻體造成的影響 在隧道選址區內, 巖溶發育,地面溝壑縱橫, 很多地方有基巖出露或巖石埋藏很淺, 這種橫向不均勻在電阻率斷面圖上, 出現很多類似斷裂的異常。 13線1440號點處地形為斜坡, 其測深曲線如圖17所示。 根據2.2節中理論曲線對比, TE模式曲線呈現明顯的高阻特征, 但TM曲線則沒有明顯的電阻率升高, 說明不存在深部高阻體。 在TM模式卡尼亞電阻率斷面等值線圖18中, 可以看到1440號點附近有明顯的高阻異常, 異常幅度達到2 000 Ωm以上。 推斷圖17中1440號點的異常是由于局部高阻體引起的。

圖17 13線1440號點大地電磁測深曲線Fig.17 MT curves of point 1440 on Line 13

圖18 13線TM模式測深卡尼亞電阻率斷面Fig.18 Aparent resistivity profile of TM mode on Line 13

3.3.4 斷裂異常與巖溶發育帶的推斷 排除了各種局部高、低阻地質體,地形等橫向電性變化影響后,根據測深曲線特征和斷面等值圖推斷異常,并進行反演處理。如圖19所示,3線480號點TM模式曲線和TE模式曲線首支基本重合,到低頻段呈喇叭褲張開,這是斷裂存在的特征。圖20是TM模式的卡尼亞電阻率斷面等值線圖,在3線480號點附近沒有出現明顯的斷裂特征。根據地質資料及測區內的F1斷裂的走向判斷, F1斷裂在3線480號點附近通過。這一實例表明，TM、TE模式的兩種曲線提供了更多的資料解釋信息,確定了斷裂的存在。

圖19 3線480號點大地電磁測深曲線Fig.19 MT curves of point 480 on Line 3

圖20 3線TM模式測深卡尼亞電阻率斷面Fig.20 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 3

11線820號點地形相對平坦,測深曲線如圖21所示。TM、TE模式曲線首支基本重合,低頻段兩曲線分離,TM、TE模式曲線的電阻率同步下降, 但TE模式電阻率下降幅度大, 說明測點及其附近深部有較大范圍的低阻體。11線的反演斷面等值線圖如圖22所示,根據測深曲線的特征,排除了存在淺部低阻體,推斷深部存在范圍較大低阻體。后經過地面地質調查,在11線820～1000號點附近存在多個規模較大的巖溶塌陷坑,說明地下有巖溶通道,11測線800～1100號點范圍內有強烈的巖溶發育。

圖21 11線820號點大地電磁測深曲線Fig.21 MT curves of point 820 on Line 11

圖22 11線反演電阻率斷面Fig.22 Inverse resistivity profile on Line 11

由此,在巖溶發育地區,利用曲線分析和反演結合的方法排除局部地質體和地形的影響,較好地解釋了大地電磁測深資料,在測區內確定了2條斷裂的位置,并確定了測區內的巖溶發育區,為隧道建設提供了較為準確的工程設計參考信息。

4 結 論

通過研究4種靜態效應模型的不同極化模式大地電磁測深曲線,總結出靜態效應影響下的TE和 TM 極化模式測深曲線的形態、幅度變化和二者的特定組合關系及規律。這些獨特的曲線組合形態和規律,結合地質和地形資料,可以排除淺部橫向電性不均勻的干擾,確定深部的地質構造異常信息。將研究的曲線組合規律用于巖溶地區探測實例,發現和排除了多個測點的高、低阻局部地質體和山谷地形的影響,獲得了較好的地質效果。通過這一研究得到以下結論:(1)為克服山區電磁法勘查工作的靜態影響,最好采用電磁法矢量測量法;(2)利用ρxy、ρyx卡尼亞電阻率曲線特征及其組合形態和規律，可以識別淺部橫向電性不均勻引起的干擾;(3)TE和 TM 極化模式的曲線及組合規律有助于解釋深部的巖溶發育帶或斷裂等地質構造,且能獲得較好的地質效果。