断层模型音频大地电磁测深数值模拟及应用

沈煜

摘 要：為探究音频大地电磁测深（AMT）对断层模型识别的效果，对不同倾角的断层模型进行数值模拟研究。采用MT2DModeling软件进行正演模拟，得到的初始模型加入10%的噪声后再采用Occam方法进行反演，数值模拟结果表明：1）音频大地电磁测深整体上对断层模型较为敏感，TE模式的纵向分辨率高，对模型的上下边界识别较为清晰，TM模式的横向分辨率高，对模型水平方向边界识别更好;2）对于不同电性组合断层模型，AMT对相对低阻断层的模型识别效果优于相对高阻断层的模型，其中TM模式对于高阻的识别效果要好于TE模式;3）对于不同倾角的低阻断层模型，TM模式对于反演结果上、下盘梯度变化率反应明显，即变化率大的方向为倾斜方向;4）TE模式正演结果对于断层倾角变化的反应明显，可以作为识别断层倾角的参考。通过对AMT法在琼北锦山地区活动断裂（马袅-铺前断裂东段）勘测的实际资料及钻孔结果进行分析，得到了断裂空间展布的定量认识，表明断裂自第三纪以来均有剧烈活动，活动期次已达到全新世。研究结果为海南地区开发建设提供了地质地球物理依据，也为其断层活动性、岩浆活动性等的进一步探究打下了良好的研究基础。

关键词：地电学;音频大地电磁测深法;数值模拟;活动断层;马袅-铺前断裂

中图分类号：P319.3+2 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04007[HJ3]

文章编号：1008-1534（2020）04-0253-07

Abstract：In order to explore the effect of audio-frequency magnetotelluric （AMT） method on fault model recognition， the fault models with different dip angles were simulated. MT2DModeling software was used to carry out forward simulation， from which the initial model was obtained. Then the initial model was added with 10% noise and inverted by Occam method. The numerical simulation results show that： 1） AMT is sensitive to the fault model on the whole. TE mode with high vertical resolution identifies the upper and lower boundaries of the model more clearly; while TM mode with high horizontal resolution identifies the horizontal boundaries of the model better; 2） For different electrical combination fault models， the recognition effect of AMT on relative low resistivity fault model is better than that of relatively high resistivity fault model， among which TM mode is better than TE mode in identifying high resistivity fault; 3） For the low resistivity fault models with different dip angles， TM model has obvious response to the gradient change rate of the upper and lower walls of the inversion results， that is， the direction with large change rate is the trend direction; 4） The forward modeling results of TE model have obvious response to the change of fault dip， which can be used as a reference to identify fault dip. Through the analysis of the actual data and drilling results of the survey of the active faults （the east section of Maxiao-Puqian fault） in Jinshan area of Qiongbei by AMT method， the quantitative understanding of the spatial distribution of the faults is obtained， which indicates that the faults have been active since the Tertiary， and the active period has reached the Holocene. The research result provides a geological and geophysical basis for the development and construction of Hainan area， and lays a good research foundation for further exploration of fault activity and magmatic activity in this area.

Keywords：geoelectrics;audio-frequency magnetotelluric method;numerical simulation;active fault;Maxiao-Puqian fault

大地电磁法是根据电磁场的趋肤效应，对地球深部结构进行探测的一种地球物理方法，具有探测深度范围大、不受高阻屏蔽影响、对低阻层反应灵敏等一系列优点，是地球深部结构探测、地震灾害监测、能源矿产及工程勘查的有效手段之一[1]。其中，场源频率在1 Hz～10 kHz的被称为音频大地电磁测深，被广泛应用于找水找矿[2-3]、地热勘探及工程勘查[4-6]，均取得了显著效果。前人大量的研究中，朱仁学[7]探讨了2种极化模式下垂直断层的一维大地电磁响应特征;李学民等[8]采用有限差分法得到TE和TM极化模式下断层的“喇叭”、“放大器”曲线特征;汤井田等[9]等采用有限元法进行了一维层状及二维地堑模型的数值模拟，得出一维测深曲线和二维测深曲线有较大区别，二维的TE和TM模式测深曲线也有较大区别;丁茂斌等[10]将地形影响加入数值模拟研究中，总结TE和TM模式下频率与地形起伏幅度的对应关系;化希瑞[11]结合山脊地形情况，建立由简单到复杂的模型，研究了在更加复杂多变的起伏地形条件下，AMT模拟的响应特征。

众多研究中，前人对不同倾角的断层模型响应研究甚少，而由于地质过程的不确定性，所形成断层的倾角也是不规则的，因此，对这些成因复杂的断裂进行研究，是非常必要的。笔者以琼北锦山地区马袅-铺前断裂实际勘查资料为基础，设计不同倾角的断层模型，通过识别AMT数值模拟在断层模型下的响应特征，并对断裂进行处理分析，从而得到活动断裂的定量认识。此结果可为特定地质环境下实测资料的处理和解释拓宽思路。

1 数值模拟响应及结果分析

为探究音频大地电磁测深在断层模型识别上的作用，设计了2组不同的电性组合的断层模型，和3組不同倾角的断层模型，采用MT2DModeling软件实现模拟，其原理是利用有限元直接迭代（EIFE）、自动网格剖分算法（AGS）。遵循音频大地电磁测深要求，采集频率范围设置为10 Hz～100 kHz，选取37个采样频点进行模拟计算。水平方向采用等间距网格剖分，间隔50 m;垂直方向采用网格不等间距剖分的方式，由浅到深网格逐渐增大，共划分20层，纵深1 500 m。对正演模型加入10%的噪声后，再采用Occam方法进行反演，得到视电阻率拟断面结果。

1.1 2-D不同电性组合断层模型

断层破碎带中的各类岩体分布不均匀，孔隙较大，当断层破碎带未充水时一般表现为高阻异常;当断层破碎带充水时，则往往表现为低阻异常。因此分别建立2个二维断层破碎带模型，如图1所示。由图可知，相对低阻断层破碎带电阻率值为 100 Ω·m ，围岩电阻率值为1 000 Ω·m;相对高阻断层破碎带电阻率值为1 000 Ω·m，围岩电阻率值为100 Ω·m;断层宽度为100 m，顶部埋深200 m，总长600 m。数值模拟结果如图2所示。

从数值模拟的结果可以看出：1）音频大地电磁测深对2种断层均有一定反应，但对低阻断层的反应效果优于高阻断层;2）TM模式的正演、反演结果虽然在垂直方向上不收敛，但水平方向上电性梯度大，位置更准确，对于实测结果水平方向上断层位置的确定具有更好的指导作用;3）而TE模式下，低阻断层整体形态良好，水平范围略大于断裂实际位置，垂直方向上对于断层的整体埋深标定优于TM模式;高阻断层正演、反演结果顶部都呈现不收敛形态，反演结果整体形态呈浅表的高阻异常，说明TE模式对音频大地电磁测深寻找高阻断层作用较小，甚至可能产生虚假的异常。

1.2 2-D不同倾角的断层模型

结合琼北锦山地区地层组合中，深部花岗岩与浅部黏土、砾岩等电性参数[12-13]，设计了2-D不同倾角的相对低阻断层模型，如图3所示，背景电阻率为 1 000 Ω·m ，中间发育一条宽100 m，顶部埋深 200 m ，总长600 m的断层。断层中心垂直投影位置固定，设计其倾角a分别为30°，60°和90°的3个模型。数值模拟结果如图4所示。

从音频大地电磁测深对不同倾角的断层模型模拟的结果可以看出：1）整体上遵循低阻断层模型模拟结果的规律，TM模式对断层水平方向分辨率较高，TE模式对断层垂直方向上分辨率较高;2）在倾角的判断方面，TM模式正演结果在异常宽度形态上有一定反应，即倾角越大，异常宽度范围越大;TM模式反演结果在顶部的收敛状态上对于倾角具有一定反应，同时发现，断层下盘的梯度变化率大于断层上盘（见图4 c）），由此可以判断断层的倾向; 3）TE模 式正演结果倾角形态的变化明显，对于断层垂直方向的位置判定有一定的指导作用。

2 高频大地电磁实测资料分析

本次高频大地电磁资料来源于琼北锦山地区马袅-铺前断裂勘查的实测数据，采用美国EMI与Geometrics公司联合研发的EH4电磁测深系统进行采集，除具备大地电磁测深优点外，该系统还有设备轻便、采集信息量大、工作效率高等特点[14]。

作为勘查区的锦山地区在大地构造上属于华南褶皱系五指山褶皱带，以王五-文教构造带为界，位于该褶皱带北部的雷琼断陷次级分区[15]。地层方面，研究区内早第三系长期隆起，除上新统外，新近系大部分地层缺失;地表平坦，第四系盖层很薄;岩浆活动频繁，以侵入型花岗岩为主。如图5所示，研究区主要断裂马袅-铺前断裂为隐伏断裂。结合重力异常垂向一阶解译资料的结果可以清楚地看出马袅-铺前断裂的中东段从海南岛北部近岸穿过，规模大，走向大致为北东东向，并受到多条北西向断裂切割。

为进一步探明勘查区主断裂的发育情况，本研究共布设了3条近南北向测线，1条北东东向测线，测点间距为50 m，见图6。

选取Line01测线和Line04测线2条高频大地电磁测线，进行视电阻率反演并综合分析。在地球物理方面，低阻层整体较浅，加之实际存在的水田、水坑等富水低阻干扰，表层电阻率极低，因此在反演之前进行了个别“飞点”的剔除，再结合相位结果进行静态矫正;同时侵入岩体在不同因素作用下会有不同的起伏情况，所以高阻层顶部相对起伏可能较大。最终将处理好的资料进行Occam反演，并对比TE和TM模式的反演结果图，依据数值模拟理论中“TM模式反演结果对断层水平边界识别效果较好”的结论，最终得出Line01测线和Line04测线TM模式视电阻率断面图，见图7。

如图7所示，Line01测线反演断面图中，基岩整体较为完整，深色区域高阻异常对数值约为2.7～3.5，经过换算其视电阻率为600～3 000 Ω·m，根据地质资料推断为基性花岗岩;浅色低阻异常对数值约为0～2，经过换算其视电阻率为1～100 Ω·m，推断为黏土类、砂岩及砾岩岩性;浅表极低电阻率异常，根据数据采集时地形地貌记录来看，与富水地形相关。推断在剖面中共存在3处断裂，整体倾角较大。其中，北段F13，F14断裂宽约500 m，切割深度大，断裂带整体较为破碎，第四系沉积地层堆积较厚，断裂带呈低阻异常。结合2-D断层模型数值模拟可知，音频大地电磁测深对于相对低阻的电性体十分敏感，TM模式下断裂水平方向边界清晰，但结果会呈现深部不收敛的低阻异常，可能为虚假异常，因此推断北段F13，F14断裂深部的低阻异常可能由此引起。同时结合TE模式结果判断断层的倾角方向。

Line04测线位于Line01测线东部约6.5 km处，并与之平行布设。如图7所示，Line04测线反演断面的电性整体与Line01测线相似，其中F41，F42断裂与Line01测线的F13，F14断裂十分相近。通过拟三维图像对比，直观反映出2组断裂在空间展布和断裂性质上高度的一致性，并且2组断裂与马袅-铺前断裂构造性质相符合，因此推断该2组断裂为马袅-铺前断裂的东段隐伏部分。同时结合钻孔资料（见图8），证明了该断层的存在，且活动期次已达到全新世。

目前大部分学者认为，琼北地区活动断裂主要是由于新生代以来下地幔物质上涌的拉张作用力而形成的[16-18]。根据基底以下剩余深部重力异常分布情况[19]，推测云龙地区地幔物质上涌，从而该地区整体受到拉张应力作用而断陷，这与由马袅-铺前断裂所推断的正断层性质相一致。

3 结 语

在琼北锦山地区马袅-铺前断裂实际勘查资料的基础上，设计出不同倾角的断层模型，深入探讨了AMT对于不同倾角断层模型数值模拟的响应特征，得到了断裂的空间展布和活动性质的定量认识。这为海南开发建设提供了有利的地质地球物理资料，也为进一步探究该地区断层活动性、岩浆活动性等地质特征打下了良好的基础。

1）音频大地电磁测深整体上对断层模型较为敏感，TE模式的纵向分辨率高，对模型的上下边界识别较为清晰，TM模式的横向分辨率高，对模型水平方向边界识别更好，但纵向上受低阻的干扰较为严重。

2）对于不同电性组合的断层模型，音频大地电磁测深对相对低阻断层的模型识别效果优于相对高阻断层的模型;其中TM模式对于高阻的识别效果要好于TE模式。

3）对于不同倾角的低阻断层模型，TM模式正演结果在异常宽度形态上有所反应，同时对反演结果上、下盘梯度变化率反应明显，即变化率大的方向为倾斜方向;TE模式正演结果对于断层倾角变化的反应明显，可以作为识别断层倾角的参考。

4）通过音频大地电磁测深反演结果得到了马袅-铺前断裂的具体位置、埋深和倾角等断层性质;地质资料表明，该断裂自第三系以来均有剧烈活动，同时钻孔资料表明该断裂活动期次已达到全新世;结合剩余深部重力异常信息，该断裂可能成为云龙地区岩浆活动的良好通道。

5）琼北地区地幔物质上涌，该断裂可能成为岩浆的良好通道。在未来研究中，拟采用更低频率的大地电磁法或其他深部探測地球物理手段，探明第四纪岩浆活动与断裂之间的关系。

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