基岩山区大地电磁法TE和TM极化特征

程 勃,罗润林,李尔頔,吕玉增

(桂林理工大学 a.地球科学学院;b.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室,广西 桂林 541006)

0 引 言

在山区进行公路或铁路隧道选线勘探工作中,为了查明断裂、岩溶发育等不良地质体空间分布特征,经常采用大地电磁测深法。大地电磁测深方法利用天然电磁场信号作为激发场源,天然场包含多种频率的平面电磁波,垂直入射到大地介质中。由电磁场理论可知,高频电磁场穿透深度小,反映浅部的电性特征；低频电磁场穿透深度大,反映深部的电性特征。因此,在一个宽频带上观测电场和磁场信息,并计算出卡尼亚电阻率和相位,可确定出大地的地电特征和地下构造。

大地电磁测深方法仪器相对轻便,工作效率较高,经常用于各种地形地貌条件下的地质构造勘探工作。但在山区进行施工时,地形起伏、电性分布不均,由此产生的静态效应会对大地电磁测深数据产生严重影响,使电阻率数值畸变,卡尼亚电阻率断面图中等值线出现挂面条状梯度很大的复杂形态。浅地表电性不均匀体产生的静态效应引起的低阻或高阻异常有时会歪曲、掩盖真正的断裂或岩溶发育带异常,无法准确分析地下电性分布,使后续处理和解释工作出现错误。

理论计算证明,当地质体二维或三维分布、地表存在局部电性异常体或地形起伏的情况下,地电场的分布特征与方向有关。在大地电磁法测量中,一般情况下,TM极化模式横向分辨率高,异常明显;TE极化模式纵向分辨率高,对电性的横向变化分辨率低。在以探测横向电性变化的工作中,解释资料时主要以TM极化模式的资料为主。但TM极化模式受静态效应影响很大,仅有沿测线的数据无法区分是何种原因引起的异常, 也不能判断是浅部还是深部地质体产生的异常。 而TE极化模式虽然横向分辨率低,但从另一方面反映了地层的地电特征。此外，浅部局部地质体对TM和TE极化模式的卡尼亚电阻率测深曲线有明显的差异,而延伸较大的地质体或地下的横向电性变化对不同极化方向的电阻率测深曲线也有明显的差异。但浅部地质体和深部地质体的测深曲线差异特征不同,利用这些差异特征及规律有助于人们分辨引起异常的原因,判断异常地质体的性质和深度。

为了更好地解释基岩山区大地电磁测深资料,消除浅部电性不均匀体的影响,本文设计了二维地电模型,利用理论模型的数据研究浅部局部地质体和地形等横向电性变化对TM和TE极化模式测深曲线的影响,以及两种极化模式的大地电磁测深曲线的组合特征,并总结规律,用于辅助定性解释,为定量解释提供依据。并将研究成果用于EH-4电导率成像系统在广西弄内隧道采集的大地电磁测深资料解释。

在解释过程中,首先研究野外采集的各测点的两种极化模式测深曲线特征,消除浅部横向电性变化的影响后,根据两种极化模式的特征确定深部异常体,最后再进行剖面反演,取得了较好的地质效果。研究结果表明,基岩山区大地电磁测深勘查工作中,采用矢量测量,并用不同极化模式的测深曲线组合特征进行综合解释,是提高勘查成果准确性的重要措施。

1 研究方法

为了认识各种静态条件下大地电磁测深曲线的特征, 本文用数值模拟方法获得不同极化模式的测深曲线, 并分析总结不同极化模式曲线的组合变化规律; 绘制EH-4电导率成像系统采集的不同极化模式的卡尼亚电阻率ρxy和ρyx曲线, 与理论曲线对比分析, 检验组合变化规律的适应性; 最后对实测数据中有静态效应影响的数据用归一化方法校正, 并用BOSTIK反演方法计算电阻率和深度。

1.1 TE和TM极化模式卡尼亚电阻率的计算

大地电磁测深资料解释的基础,是对测深曲线的类型和形态的认识。 有限元计算技术的发展,使人们能够利用数值模拟的方法了解各种地质条件下测深曲线的特征。本文利用有限元直接迭代方法技术[1],计算4种有代表性的静态效应条件下TM 、TE极化模式的卡尼亚电阻率ρxy和ρyx。

1.2 实测数据TE和TM极化模式卡尼亚电阻率的计算

在均匀大地和水平层状大地情况下, 波阻抗是电场E和磁场H的水平分量的比值。 在进行矢量测量时,根据在不同方向测量的电场E和磁场H, 用式(1)、 式(2)计算卡尼亚电阻率

(1)

(2)

式中:f是频率(Hz);ρ是电阻率(Ωm);E是电场强度(mV/km);H是磁场强度(nT)。 一般地，将沿测线方向测量, 称为TM 极化模式, 计算出的卡尼亚电阻率为ρxy； 垂直测线方向测量, 称为TE极化模式, 计算出的卡尼亚电阻率为ρyx。

1.3 实测数据的静态校正和反演解释

利用曲线分析方法确定测深曲线受到局部地质体或地形影响后,用归一化方法进行静态校正。

归一化校正法： 先计算待求测点邻近地段视电阻率曲线类型相同的测点的平均视电阻率曲线

(3)

再求平均视电阻率曲线的几何平均值

(4)

最后,对每一条视电阻率曲线作归一化校正

(5)

在大地电磁测深的一维资料解释中,常用BOSTIK反演方法计算电阻率和深度：

(6)

(7)

可知, 深度随电阻率ρ和频率f变化。

2 TE和TM极化模式测深曲线与断面等值线特征

2.1 覆盖层内存在局部低阻地质体

覆盖层内含低阻体的接触带模型如图1所示。

图1 覆盖层内含低阻体的接触带模型Fig.1 Model of low-resistivity abnormal contained in cover

测线长度1 200 m, 计算点距50 m, 低阻体位于水平方向测线-300～-200 m, 宽度100 m、 厚度25 m。 电性接触带顶点位于水平方向测线0 m处。

利用有限元直接迭代法计算图1各测点上的测深曲线(图2)， 这里主要分析测线上-425～125 m范围内各测点的ρxy和ρyx两种模式的曲线的形态及相互关系:

图2 覆盖层内含低阻体的接触带模型不同位置测点测深曲线Fig.2 Sounding curves of measuring points at different positions of model with low-resistivity contained in cover

在接近低阻体的-425～-325 m范围内, 浅部低阻体对ρxy和ρyx的影响不同, 在高频段, 两种极化模式曲线形态相似,ρyx稍大于ρxy, 而在频率低于10 Hz时, 两种曲线所受低阻体和接触带的影响不同, 出现分离(喇叭口)。 在此区间，ρxy和ρyx受低阻体影响, 电阻率逐渐下降, 但形态基本不变, 各测点ρyx的下降幅度小于ρxy。 越接近接触带,ρxy曲线电阻率越低,出现两曲线分离的形态。

在-275～-225 m范围内,测点位于低阻体上方,ρxy和ρyx受低阻体影响,电阻率明显下降,在此区间测点达到最低。ρyx下降幅度远大于ρxy, 在低阻体上方出现明显的ρxy大于ρyx现象。

在-175～-25 m范围内,测点逐渐远离低阻体,ρxy受低阻体影响逐渐消失,测点还在接触面左侧的高阻地层上方,而ρyx曲线受到接触面右侧的地层影响,电阻率降低,在此范围内出现两曲线分离的形态,ρxy小于ρyx。

在25～125 m范围内,ρxy和ρyx曲线基本为水平二层大地形态,受接触面的影响减小,两者逐渐重合。

综合各测点的曲线特征分析可知:在浅部有局部低阻体存在时,测点远离低阻体,ρxy和ρyx曲线在高频段形态接近,低频段分开,形成喇叭口;在靠近低阻体或在其上方,ρxy和ρyx曲线同步下降,ρyx的下降幅度大于ρxy;远离接触带，ρyx和ρxy两曲线基本重合。这些特征为识别浅部地质体和深部断裂提供了明确的识别信息。

覆盖层中存在局部低阻体的接触带模型TE 和 TM 极化模式的断面等值线特征，如图3所示。两种模式的等值线特征有明显差异:TE极化模式的等值线明显反映了局部有限延伸低阻体的存在,但没有明显反映出接触带异常；在TM 极化模式下,局部低阻体的等值线呈陡立状,深部没有封闭的趋势,其变化特征和接触带或断裂的曲线特征类似,而真正的接触带低阻异常不明显。

图3 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亚电阻率断面等值线图Fig.3 Apparent resistivity profile of TE (a) and TM (b) mode with low-resistivity contained in cover

2.2 覆盖层内存在局部高阻体

模型与图1类似，将图1中的局部低阻体改为高阻体,其他参数不变。高阻体中心位于测线-250 m处,电阻率500 Ωm,与覆盖层电性差异比为10,并出露地表。测线0 m处有高低阻接触带,电阻率与图1相同。为简单起见,仅考查测线上-275 m、-225 m(位于高阻体上)及-175 m测点(距离高阻体25 m)的不同极化模式测深曲线， 如图 4所示。 在浅部有局部高阻体存在, 测点靠近高阻体或在其上方时,ρyx和ρxy曲线同步上升, 受浅部高阻体的放大作用影响,ρyx的上升幅度大于ρxy数倍, 局部高阻体的影响范围较大。离开高阻体,ρxy和ρyx曲线受高阻体影响立刻减小, 如-175 m测点。

图4 覆盖层内含高阻体的接触带模型不同位置测点测深曲线Fig.4 Sounding curves of measuring points at different positions of model with high-resistivity contained in cover

综合各测点的曲线特征分析可知:在浅部有局部高阻体存在时,靠近高阻体或在其上方,ρxy和ρyx曲线同步上升,ρyx的上升幅度远大于ρxy。这一信息为识别浅部高阻地质体的明显特征。

覆盖层内存在局部高阻体的大地电磁测深TE 和 TM 极化模式的断面等值线,如图5所示。两种模式的等值线特征有明显差异：TM 极化模式对高阻体和接触带反映同样明显,但高阻异常范围集中在高阻体和接触带断裂附近,几乎掩盖了接触带异常;TE极化模式的等值线则仅反映了局部有高阻体的存在,接触带特征不明显。

图5 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亚电阻率断面等值线图Fig.5 Apparent resistivity profile model of TE (a) and TM (b) mode of high-resistivity contained in cover

2.3 山谷地形的影响

山谷地形模型如图6所示。计算的测线长度1 200 m,计算点距50 m,最大高差200 m。

图6 山谷地形模型Fig.6 Valley model

理论计算的二维条件下山谷地形的测深曲线如图7所示。 由于模型的对称性, 选择了-225、 -125、-25 m三个测点的曲线,依次为山谷斜坡到谷底的不同极化模式测深曲线。

图7 山谷地形不同位置测深曲线Fig.7 Sounding curves of few locations in valley model

综合山谷地形各测点的曲线特征分析可知:在山谷地形,测点靠近山谷底部的过程中,ρxy和ρyx曲线平行分离;在斜坡上,ρxy幅值大于ρyx;在山谷底部,ρxy幅值小于ρyx, TM极化模式的ρxy曲线呈现高阻异常, TE极化模式的ρyx曲线则变化不大。这些特征为识别山谷地形影响提供了明确的识别信息。

山谷地形2种模式的等值线特征如图8所示。TM 极化模式对山谷地形反映明显,出现高阻异常,高阻异常中心为谷底。TE极化模式在山谷地形条件下异常范围及特征不明显。

图8 山谷地形的TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亚电阻率断面等值线图Fig.8 Apparent resistivity profile of TE (a) and TM (b) mode

2.4 山脊地形的影响

山脊地形模型与图6类似,只是将地形改为山脊。计算的测线长度1 200 m,计算点距50 m,最大高差180 m。地层电阻率与图6相同。

理论计算的二维条件下山脊斜坡到山脊顶的不同极化模式测深曲线如图9所示。由于模型的对称性,选择了-125、-75、-25 m三个测点的曲线。

图9 山脊地形斜坡上不同位置测深曲线Fig.9 Sounding curves of different locations in ridge model

综合山脊地形各测点的曲线特征分析可知:在山脊斜坡上,ρxy和ρyx曲线平行分离,ρxy幅值大于ρyx; 靠近在山脊顶部,ρyx幅值达到极小。 因此, TE极化模式的ρyx曲线呈现低阻异常, TM极化模式的ρxy曲线则变化不大。这些特征为识别山脊地形影响提供了明确的识别信息。

山脊地形两种极化模式的等值线特征如图10所示。TM 极化模式对山脊地形反映明显,出现低阻异常,低阻异常中心为山脊顶部。TE极化模式地形异常范围及特征不明显。

图10 TE模式(a)和TM模式(b)卡尼亚电阻率断面等值线图Fig.10 Apparent resistivity profiles of TE (a) and TM (b) mode

从以上4种情况的TM模式断面等值线形态可知, 静态效应引起的等值线形态变化, 很容易与断裂或岩溶发育产生的异常混淆。但不同极化模式的测深曲线及其组合方式还是能反映出浅部和深部地质体的差异。

(1)存在近地表的电性横向不均匀性,测点在异常体上方时,TM极化模式的ρxy在高阻体上方小于ρyx,在低阻体上方时，大于ρyx；TE极化模式的ρyx在近地表电性不均匀体上方时,也会上升或下降,但幅度小于TM极化模式。

(2)测点靠近浅部电性不均匀体时,两种极化模式的曲线会在高频段交叉或出现喇叭口。

(3)TM和TE极化模式的ρxy和ρyx两曲线在山谷或山脊的斜坡上时,两曲线近平行分离,TM极化模式的ρxy在山谷谷底或山脊顶部处出现高阻或低阻异常。

(4)对于延伸到深部的低阻地质体,TM和TE极化模式的ρxy和ρyx两曲线在异常体上方或附近会出现低频段交叉或喇叭口。

这些不同极化模式的曲线特征和组合规律,可以用于实测数据的资料解释中,获得准确的地层结构划分,避免错误的解释。

3 基岩山区资料解释实例

3.1 工区概况及地质特征

工区位于广西南宁—柳州高速公路的弄内隧道选址区。测区为岩溶峰丛沟谷地貌,地形起伏较大,沟谷较发育,地面高程为281.5～474.8 m，相对高差约193 m。

测区出露地层主要为第四系残坡积层(Qel+dl)、 由粉质粘土、 含碎石粉质粘土组成; 二叠系下统茅口阶(P1m),岩性为含燧石灰岩、硅质白云岩。

据地质及钻探资料推测, 隧道选址区发育两条断层： 断层F1， 正断层,南北走向, 沿南北向的沟谷发育, 断层倾向北西, 倾向约276°, 倾角约55°； 断层F2，逆断层, 东西走向, 沿东西向的沟谷发育, 倾向南,倾角约80°。 测区除存在两条断裂带外, 岩溶洞隙发育, 局部富集岩溶水、 断层带水。 富水断裂带及岩溶发育带与围岩相比均为低阻特征, 且具有一定的空间分布, 具备利用大地电磁法勘查断裂带和岩溶发育带的地球物理前提条件。

3.2 野外工作方法

为了确定断层和岩溶发育的空间分布特征,在弄内隧道测区布置8条测线,其中有2条平行隧道走向的纵测线,6条垂直隧道的横测线,测线总长6 100 m， 测线布置如图11所示。 大地电磁法野外工作采用矢量测量方式， 测量采用EH-4电导率成像系统。测量时用4个电极,2个电极组成一对,测量2个互相垂直的电场，极距为40 m。测量频率范围为10～10 000 Hz。

图11 大地电磁测深工作布置图Fig.11 Position of MT profiles

3.3 大地电磁法资料解释

大地电磁法的工作目的是探测测区断裂带及岩溶分布,工区地形起伏较大,地表局部有基岩裸露,资料中存在近地表高、 低阻地质体、 山谷和山脊地形对测深曲线的影响。因此,首先要结合地形特征,分析各测线的TE、TM模式的测深曲线畸变,排除静态效应的干扰。

3.3.1 山谷地形对测深曲线的影响 4线540号点处为山谷,其测深曲线如图12所示。根据2.3节中理论曲线对比,TM模式卡尼亚电阻率小于TE模式是典型的山谷地形特征。在TM模式断面卡尼亚电阻率等值线图13中,可以看到540号点附近有明显的高阻异常。图14为消除地形影响后的反演电阻率剖面,可知540号点附近没有断裂或岩溶异常存在。

图12 4线540号点大地电磁测深实测曲线Fig.12 Sounding curves of 540 m/Line 4

图13 4线TM模式测深卡尼亚电阻率断面Fig.13 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 4

图14 4线反演电阻率断面Fig.14 Inverse result of Line 4

3.3.2 局部低阻体的影响 13线260号点地形较平坦, 附近有一输水管道通过, 其测深曲线如图15所示。 TE模式卡尼亚电阻率曲线呈现明显的低阻特征, 但TM模式曲线则没有明显的电阻率降低。与2.1节图2中-225 m测点理论曲线对比,这种TM曲线在上,TE曲线在下,近似平行分离的曲线形态类似测点附近存在低阻体。另外,在TM模式卡尼亚电阻率断面等值线图16中,可以看到260号点附近有明显的低阻异常。因此推断图15中260号点附近的异常是由金属管道引起。

图15 13线260号点大地电磁测深曲线Fig.15 MT curves of point 260 on Line 13

图16 13线TM模式测深卡尼亚电阻率断面Fig.16 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 13

3.3.3 局部高阻体造成的影响 在隧道选址区内, 岩溶发育,地面沟壑纵横, 很多地方有基岩出露或岩石埋藏很浅, 这种横向不均匀在电阻率断面图上, 出现很多类似断裂的异常。 13线1440号点处地形为斜坡, 其测深曲线如图17所示。 根据2.2节中理论曲线对比, TE模式曲线呈现明显的高阻特征, 但TM曲线则没有明显的电阻率升高, 说明不存在深部高阻体。 在TM模式卡尼亚电阻率断面等值线图18中, 可以看到1440号点附近有明显的高阻异常, 异常幅度达到2 000 Ωm以上。 推断图17中1440号点的异常是由于局部高阻体引起的。

图17 13线1440号点大地电磁测深曲线Fig.17 MT curves of point 1440 on Line 13

图18 13线TM模式测深卡尼亚电阻率断面Fig.18 Aparent resistivity profile of TM mode on Line 13

3.3.4 断裂异常与岩溶发育带的推断 排除了各种局部高、低阻地质体,地形等横向电性变化影响后,根据测深曲线特征和断面等值图推断异常,并进行反演处理。如图19所示,3线480号点TM模式曲线和TE模式曲线首支基本重合,到低频段呈喇叭裤张开,这是断裂存在的特征。图20是TM模式的卡尼亚电阻率断面等值线图,在3线480号点附近没有出现明显的断裂特征。根据地质资料及测区内的F1断裂的走向判断, F1断裂在3线480号点附近通过。这一实例表明，TM、TE模式的两种曲线提供了更多的资料解释信息,确定了断裂的存在。

图19 3线480号点大地电磁测深曲线Fig.19 MT curves of point 480 on Line 3

图20 3线TM模式测深卡尼亚电阻率断面Fig.20 Apparent resistivity profile of TM mode on Line 3

11线820号点地形相对平坦,测深曲线如图21所示。TM、TE模式曲线首支基本重合,低频段两曲线分离,TM、TE模式曲线的电阻率同步下降, 但TE模式电阻率下降幅度大, 说明测点及其附近深部有较大范围的低阻体。11线的反演断面等值线图如图22所示,根据测深曲线的特征,排除了存在浅部低阻体,推断深部存在范围较大低阻体。后经过地面地质调查,在11线820～1000号点附近存在多个规模较大的岩溶塌陷坑,说明地下有岩溶通道,11测线800～1100号点范围内有强烈的岩溶发育。

图21 11线820号点大地电磁测深曲线Fig.21 MT curves of point 820 on Line 11

图22 11线反演电阻率断面Fig.22 Inverse resistivity profile on Line 11

由此,在岩溶发育地区,利用曲线分析和反演结合的方法排除局部地质体和地形的影响,较好地解释了大地电磁测深资料,在测区内确定了2条断裂的位置,并确定了测区内的岩溶发育区,为隧道建设提供了较为准确的工程设计参考信息。

4 结 论

通过研究4种静态效应模型的不同极化模式大地电磁测深曲线,总结出静态效应影响下的TE和 TM 极化模式测深曲线的形态、幅度变化和二者的特定组合关系及规律。这些独特的曲线组合形态和规律,结合地质和地形资料,可以排除浅部横向电性不均匀的干扰,确定深部的地质构造异常信息。将研究的曲线组合规律用于岩溶地区探测实例,发现和排除了多个测点的高、低阻局部地质体和山谷地形的影响,获得了较好的地质效果。通过这一研究得到以下结论:(1)为克服山区电磁法勘查工作的静态影响,最好采用电磁法矢量测量法;(2)利用ρxy、ρyx卡尼亚电阻率曲线特征及其组合形态和规律，可以识别浅部横向电性不均匀引起的干扰;(3)TE和 TM 极化模式的曲线及组合规律有助于解释深部的岩溶发育带或断裂等地质构造,且能获得较好的地质效果。