大地电磁测深中薄层响应特征与地质目标体拾取的探讨

蒋亚东，雷 宛，刘 倩，李 超，凌 飞

（成都理工大学地球物理学院，成都 610059）

大地电磁测深中薄层响应特征与地质目标体拾取的探讨

蒋亚东，雷 宛，刘 倩，李 超，凌 飞

（成都理工大学地球物理学院，成都 610059）

基于理论模型的正演模拟，探讨了大地电磁测深法中的薄层响应特征，考察不同盖层深度、薄层厚度以及围岩电阻率比等参数对测深曲线的影响，并采用背景值最大归一化建立视电阻率与盖厚比的关系曲线图，总结出高、低薄层的电性响应特征。针对地质目标体的拾取，建立了均匀半空间下的近地表非均匀体与地质目标体理论模型，对比TE、TM极化模式下视电阻率、阻抗相位的单点响应曲线与正演响应拟断面图，总结出区别非均匀体与局部地质目标体异常的重要响应特征。

大地电磁测深；薄层响应；地质目标体响应；正演模拟

0 引言

在我国南方碳酸盐岩海相油气远景区勘探中，复杂的地表地质情况使得大地电磁测深方法被广泛应用，人们总希望尽可能地分辨地下结构，而在电磁法应用于盆地冲湖积区域划分第四系含水层时，由于区域上隔水层通常不连续、厚度较薄等因素，给划分第四系地层结构带来困难［1］。为适应社会经济发展对能源、矿产、以及水资源等的大量需求，大地电磁测深的发展也必将满足小尺度、精细详查的高要求。

物性背景是地质模型正演的基础，而典型地质模型的正演模拟则是获取地层电磁响应的重要方法。正演模型依托于我国南方碳酸盐岩海相油气远景区中上扬子克拉通物性统计资料，其有利油气储集目标层为下寒武统－晚元古界上部（∈1～P3t3），主要岩性为砂质白云岩、炭质页岩（均相对低阻），但地层发育较薄或者不发育［3］。对此作者基于不同高、低阻薄层的正演模拟，对大地电磁测深曲线进行对比分析，总结不同盖层深度、薄层厚度以及围岩电阻率比等赋存情况下高、低阻薄层的响应特征，以提高实测资料的处理和解释准确性。

在层状介质中，电磁场沿水平方向分布，感应电流也总是沿水平方向流动，但是浅层不均匀体改变了介质电阻率的均匀性，从而也改变了介质中水平方向电流密度的均匀性，致使在浅层中不均匀体周围引起电流或密集或稀疏的畸变现象，导致地表观测电场分量的突然增强或突然减弱。在解释工作之前，需对观测资料中造成曲线畸变的可能性加以判断，正确区分非均匀体异常与地质目标体异常，是确保在资料处理中达到压制静态效应而保证其他有效资料完整性的前提。基于此，作者建立相应模型，总结出区别近地表非均匀体与地质异常体的响应特征，为数据处理提供充分的理论依据。

1 层状地质体的薄层响应

1．1 薄层在大地电磁测深曲线中的响应

如图1所示，在均匀半空间模型M1（ρ0＝100 Ω·m）中嵌入低阻薄层。在满足薄层垂向可分辨的临界条件下，改变模型中不同的盖层厚度（H）、薄层厚度（T）和薄层电阻率（ρT）时，通过正演模拟得到相应的薄层响应曲线。

图1 模型M1Fig．1 Model M1

从图2可以看出，当薄层厚度T和薄层电阻率一定时，盖层厚度H越小，得到的视电阻率响应幅度越大，这是因为在深度或者低频时，长波信号勘探区域的扩大，导致分辨能力下降。

图3（a）、（b）、（c）、（d）分别为模型M1中嵌入ρT ＝1Ω·m、ρT＝10Ω·m、ρT＝1 000Ω·m、ρT＝10 000Ω·m时，H＝1 000m情况下不同薄层厚度的响应曲线。图4为在H＝1 000m的情况下，将图3中不同薄层厚度的响应曲线用背景值归一化，考察视电阻率异常极值与中间层的厚度埋深比的关系。其中每条曲线周围点虚线为“10%分辨包络线”。一般来说，在野外如果采集信号良好且地质条件简单，获得的异常大于或小于背景的10%，那么薄层电阻率的变化可以分辨出来。而在某些特定的环境中，薄层（地质体）产生的响应也可以比10%标准高或者低很多。如果任一曲线落入了另一曲线的分辨包络线内，那么两条曲线将不能分辨［5］。从图4可以看出，高阻薄层中ρT／ρ0＝100、ρT／ρ0＝10两条曲线基本重叠，且其产生的视电阻率极大异常值均约150Ω·m，与预设高阻模型背景电阻率存在极大误差。而在低阻薄层中，ρT／ρ0＝0．01、ρT／ρ0＝0．1有明显不同的响应，且只在薄层厚度（相对盖层）很小时，低阻薄层测深曲线的包络线存在一定的叠加区。

图2 薄层在不同埋深下的视电阻率响应曲线Fig．2 Thin－bed at different depths under theapparent resistivity response curve

结合图3、图4中高阻、低阻薄层在不同情况下的响应曲线可以看出：①薄层更薄（T减小）、更深（H变大）或ρT／ρ0变大，得到的薄层视电阻率异常的响应幅度减小；②埋深一定时，薄层厚度越大，其响应的幅度越大；③当厚度T与埋深H一定时，在满足垂向可分辨的情况下低阻薄层与围岩电阻率之比（ρT／ρ0）越小，得到的视电阻率响应幅度越大；④大地电磁测深中，对低阻薄层的分辨主要依赖于其与围岩电阻率的比，而高阻薄层的分辨几乎与其电阻率之比无关；⑤纵向电导和薄层深度影响低阻薄层的电性响应，而“电导率与厚度积”的不确定性，使得在没有其他资料或者方法中确定其中一个或两个参数的情况下，薄层厚度的测定非常困难；⑥大地电磁测深中对低阻薄层反应灵敏，对高阻薄层却没有良好的响应，并且不能从一个中等电阻体中区分一个更高的电阻体。

图3 嵌于半空间中的薄层响应Fig．3 Embedded in a thin layer of half－space response

1．2 纵向电导对低阻薄层的影响

分析电测深理论曲线时，三层曲线最具有代表性，因为它充分表示了上、下电性层电阻率和厚度发生变化时曲线形态所发生的变化，利用三层曲线变化也可分析二层或者多层曲线的规律。由此建立如图5所示模型M2三层H型断面（h2＝h3＝500m，ρ2＝100Ω·m，ρ3＝1Ω·m，ρ4＝100Ω·m）上覆盖层薄层模型，研究低阻薄层的纵向电导对测深曲线的影响。

图6是同时改变h1和ρ1，但保持s1＝h1／ρ1不变时测深响应曲线。可以看出，尽管高频段各曲线变化不同，但低频段各曲线形态相同。因此当薄层的纵向电导相同时，其对测深曲线影响也相同。

1．3 高阻薄层厚度等值现象

对模型M1（ρ0＝100Ω·m）改变其中高阻薄层电阻率，得出H＝200m、H＝1 000m时高阻薄层不同电阻率的测深曲线（图7）。在同一深度下，不同电阻率的测深曲线基本重合。并结合图3（（c）、（d））可以看出，高阻薄层的视电阻率响应主要依赖于中间层厚度，而中间层电阻率在一定范围内的变化不影响测深曲线形态。高阻薄层或者高阻夹层的这种现象，称为大地电磁测深K型断面上中间高阻层的厚度H等值，其物理解释是，对于夹有高阻中间层的K型断面而言，电磁能量传播主要依靠上、下导电层中形成的涡旋电流磁场的感应作用，高阻中间层只是电磁场的通路，它本身并无明显的感应电流产生［4］。中间层电阻在某一范围内变化时很少影响磁场的感应量，而其厚度的变化却影响着互感场之间的距离。所以如果中间层厚度不变，在某一范围内中间层电阻率不同的断面曲线之间是等值的。

图4 最大归一化视电阻率异常与中间层厚度埋深比关系曲线Fig．4 The maximum normalized apparent resistivity anomaly and the middle layer thickness ratio curve depth

图5 模型M2Fig．5 Model M2

图6 低阻薄层的纵向电导在测深曲线上的响应Fig．6 Thin layer vertical conductance response in the low resistivity sounding curve

2 静态效应下地质目标体的拾取

在大地电磁测深工作中，由于近地表局部电阻率的异常，当测点及其附近存在局部电性非均匀性时，不均匀体表面积累的电荷使电场造成的畸变对测深曲线产生严重的影响。而当地表存在地质目标体时，同样会对测深曲线产生一定的影响。因此在解释工作之前，必须对观测资料中造成曲线畸变的可能加以判断，正确区分不均匀体异常与目标体异常，是确保在资料处理中达到压制静态效应而保证其他有效资料完整性的前提，并为解释工作提供足够丰富的地质信息。

建立如图8所示模型M3，构建一个均匀半空间模型，长为7km、深为3km，背景电阻率ρ0＝100 Ω·m，点距为0．5km。里程为1．98km～2．02km有一40m×40m静态体，盖层厚度为10m；里程为4．8km～5．2km处有一400m×400m的地质异常体，盖层厚度为400m。取其中3个典型测点做大地电磁测深曲线分析，位置分别在0km（point1）、2 km（point2）、5km（point3）。

结合图9、图10测深曲线响应与拟断面响应可知：①低阻非均匀体和低阻地质目标体对TE极化模式下的视电阻率与阻抗相位影响很小，其对低阻异常都有一定的响应，但在不知道预设背景模型的情况下，不能准确地区分出非均匀体与地质异常体；②TM极化模式视电阻率拟断面受静态效应影响严重，引起纺锤状陡变，从地表贯穿至深部，而地质目标体引起的视电阻率变化为渐变，从异常位置开始到深部；③对比图9（（a）、（b））视电阻率测深曲线可知，低阻非均匀体（point2）引起TM极化模式中视电阻率的变化只能使电阻率曲线的上、下平移，而曲线形态却无法改变，而低阻地质异常体的TM极化模式视电阻率测深曲线大小与形态都发生改变；④对比图9（（a）、（b））阻抗相位曲线可知，TM极化模式下低阻非均匀体（point2）对相位的影响很小，其大小与形态基本不变，而低阻地质异常体（point3）引起相位的大小与形态均发生较大变化。

图11、图12是对于高阻非均匀体和高阻地质目标体的响应，同样可以看出：①TM极化模式非均匀体视电阻率曲线发生平移，而TM极化模式下的非均匀体相位曲线基本无变化，地质目标体（point3）视电阻率、相位曲线大小与形态均发生了变化；②在TE极化模式中存在的极大为108．2Ω·m，与预设高阻体电阻率1 000Ω·m存在很大差异。在TM极化模式中，因为静态效应的影响使point2视电阻率曲线平移增大一个数量级，存在一定强度的假极大值（508．1Ω·m），而位于高阻地质目标体上的point3测深曲线极大值为172Ω·m，与背景预设的电阻率1 000Ω·m同样存在很大误差。这表明，大地电磁测深中TE、TM极化模式都对高阻异常体的识别存在局限。

图7 高阻薄层的等值现象Fig．7 The equivalent phenomenon of high resistance in thin layer （a）H＝200m，T＝50m，ρ0＝100Ω·m时高阻薄层电阻率的测深曲线；（b）H＝1 000m，T＝50m，ρ0＝100Ω·m时高阻薄层电阻率的测深曲线

图8 模型M3Fig．8 Model M3

3 结论

虽然在AMT、CSAMT中存在非平面波效应与场源效应的影响，但基于MT中薄层与地质异常体响应特征的分析同样对这两种频率域电磁法具有适应性。静态效应的影响也存在于所有的频率域电磁测深中，并且这种效应与频率无关，通常引起测深曲线的上、下位移，由于相位与视电阻率对频率的梯度成线性变化，若合理利用相位资料，则可以消除这种效应。因此通过对大量理论模型正演模拟结果的比较分析，对于一维、二维地电断面，可把大地电磁测深中薄层响应特征与地质目标体的响应特征做如下总结：

1）低阻薄层的响应依赖于其与围岩电阻率的比，而高阻薄层的响应几乎与其电阻率之比无关。

2）大地电磁测深不仅容易对低阻薄层产生响应，还可以分辨其导电程度，但对高阻薄层没有明显的异常响应，更不能从一个中等电阻中区分一个很高的电阻层（体）。

3）低阻薄层的响应是由低阻薄层纵向电导决定的，高阻（薄）层的大地电磁响应存在厚度等值现象。

图9 M3模型响应曲线Fig．9 The response curve of model M3 （a）M3模型视TE、TM极化模式视电阻率曲线；（b）M3模型TE、TM极化模式阻抗相位曲线

图10 M3模型正演响应Fig．10 The forward response of model M3 （a）M3模型TE模式视电阻率拟断面图；（b）M3模型TE模式阻抗相位拟断面图；（c）M3模型TM模式视电阻率拟断面图；（d）M3模型TM模式阻抗相位拟断面图

4）在二维情况下，TM受到的静态效应影响远大于TE极化模式，浅层电性不均匀对大地电磁测深的影响主要表现在TM极化模式上。

5）TM极化模式下，静态效应（非均匀态体）引起视电阻率的上、下平移，而不改变视电阻率曲线的基本形态，但对相位曲线影响较小；而局部异常体引起视电阻率大小和曲线形态的改变，同时也引起相位大小和曲线形态的改变。这是区别非均匀体与局部地质目标（异常）体的重要响应特征之一。

图11 M3模型响应曲线Fig．11 The response curve of model M3 （a）M3模型视TE、TM极化模式视电阻率曲线；（b）M3模型TE、TM极化模式阻抗相位曲线

图12 M3模型正演响应Fig．12 The forward response of model M3 （a）M3模型TE模式视电阻率拟断面图；（b）M3模型TE模式阻抗相位拟断面图；（c）M3模型TM模式视电阻率拟断面图；（d）M3模型TM模式阻抗相位拟断面图

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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

中国地质调查局地质调查项目（1212011220750）

蒋亚东（1990－），男，硕士，主要从事应用地球物理研究工作，E-mail：591436569＠qq．com。