大地电磁测深法在断裂识别中的应用

贾宛瑜，陈清礼,2，戴泽麟，黄江衡，薛毛毛，叶 甘

(1.长江大学 地球物理与石油资源学院，武汉 430100；2.长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，武汉 430100)

大地电磁测深法(MT)是一种频率域地球物理勘探方法，主要以岩矿石的电性差异为前提，通过在地表收集彼此正交的电场和磁场分量，经过一系列数学处理得到反映地下电性结构的视电阻率曲线、阻抗相位曲线及其他相关的大地电磁响应函数。之后建立模型，将观测资料与不同模型的反演结果做出对比，得到与实测资料最为契合的解释模型，对于研究地层中异常构造有重要的辅助作用。针对大地电磁在识别断裂构造方面的研究较多。范祥泰等[1]采用大地电磁法对安石隧道上方隐伏构造进行探测，结果与后期钻探成果相吻合，证明该方法可以有效探测出隐伏构造的位置与形态；刘组鉴等[2]通过构建6组大地电磁正演模型，分析在不同的断裂深度和围岩电性结构差异下大地电磁对低阻断裂带的分辨能力，并得出以下结论：①断裂埋深对反演结果的分辨率影响较大，浅部断裂可以准确地识别出来，而深部断裂无法直接反映在反演结果中；②电性差异对识别效果影响较大，低阻断裂与围岩的电性差异越大，则被识别的更明显；③当浅层存在低阻异常时，大部分电磁信号会被其吸收，导致深部低阻异常的识别效果不理想。

为了验证大地电磁在具有复杂构造的真实地形中对断裂构造的识别效果是否也符合以上结论，本文以藏北高原库木库里测区内的一条大地电磁测深线为研究对象，经过一系列数据处理，最后通过对比实测资料与反演结果图来做出分析。

1 测区内地电特征

库木库里盆地位于青藏高原北缘，四面环山，是一个典型的山间断陷盆地，它紧邻柴达木盆地，地质勘探程度却远低于后者。根据实际勘探资料显示，盆地周围山系皆由古生界及时代更老的变质岩系组成，中、新生代地层多分布于盆地中部。其中第三系集中分布在盆地中部，总厚度达5 483 m，露头区约占盆地面积1/4以上，主要岩性为砂岩，为盆地内低阻主要分布区。

库木库里测区的实际登记面积为6 150 km2。测区内部以电阻率特性大致可以分为五套地层，另外在测区南北两端边缘有局部发育的火成岩侵入，呈现高阻特征。具体的地层-电阻率分布情况如图1所示。

图1 测区内地层-电阻率分布

1)第四系平原组(Q)：电阻率为50～400 Ω·m，为测区高阻层。主要岩性为砂、砾。

2)第三系红梁组(N2h)：电阻率小于5～20 Ω·m，为测区低阻层。主要岩性为砂岩。

3)第三系石马沟组-石壁梁组(N1s-N2sb)：电阻率小于1～2 Ω·m，为测区最低阻层。主要岩性为砂岩。

4)奥陶系-侏罗系(O-T)：电阻率一般大于200 Ω·m，为中阻层。主要岩性为砂岩、灰岩。

5)前寒武系(An∈)：电阻率一般小于2 Ω·m，为测区次低阻层。主要岩性为花岗片麻岩、板岩等。

5套地层之间电阻率差异较为明显，且断裂构造常表现为低阻特征，两者为应用大地电磁测深方法识别断裂提供前提条件[3]。

2 方法原理

大地电磁测深法[4-5]的主要原理是电磁波的趋肤效应，即电磁波在地下介质中传播时会发生能量的衰减，其频率越大，探测可达的深度越小；反之，频率越小，探测深度越大。那么就可以利用不同频率下的电磁波信号来探测不同深度地层的电阻率分布特征。

为了研究大地介质的电阻率和地面电磁场分量之间的关系，引入了波阻抗(Z)的概念，将其定义为在地表上测得的任意正交的电场E和磁场分量H之比，单位为Ω。在均匀各向同性介质中，电场和磁场彼此正交，此时计算得到的阻抗为标量阻抗，在直角坐标系中利用场分量x和y表示为

(1)

之后根据式(2)将地面阻抗和地下介质电阻率两者之间建立联系:

(2)

式中：Z表示地面阻抗，Ω；ρ表示视电阻率，Ω·m；ω为角频率，数值上等于2πf，f表示频率；μ为介质磁导率，一般取值为4π×10-7H/m。

在水平不均匀或者各向异性介质中，由于受到介质电性主轴的影响，电场和磁场之间并非为正交关系，此时阻抗为张量阻抗，分别记为ZTE和ZTM，且ZTE≠ZTM。反映在二维大地电磁场模型中，则会呈现出完全不同的两条视电阻率曲线，一条是电场沿构造方向极化的曲线，叫作TE极化模式下的视电阻率曲线，另一条是电场沿垂直于构造方向极化的曲线，叫作TM极化模式下的视电阻率曲线。

3 数据处理

本研究共设置测点57个，点距为400 m。选用大地电磁测深仪器V5-2000系统进行原始数据采集，记录随时间变化的2个电道数据和3个磁道数据。通过傅立叶变换将采集到的原始时间序列的电磁场数据转换到频率域，再由频率域的电磁场数据求得各频率的波阻抗，最后由波阻抗计算出视电阻率-相位曲线。对各个测点进行极化模式识别、电性主轴分析、静态校正和曲线光滑等反演前操作，最后进行一维及二维反演，绘制视电阻率等值线剖面图。

4 数据分析

经处理后的测点数据质量较高，走势明显。以10～26号测点为例，观察单个测点在两种极化模式下视电阻率-相位曲线(图2)，发现整体上TE模式下视电阻率曲线形态变化明显，而TM模式下视电阻率曲线除了部分测点在低频段发生频点上下跳动外并无明显变化，因此TE模式相对TM模式的灵敏度更高，可以更好地反映电性变化。在10号和12号测点TE模式下视电阻率曲线在TM模式下视电阻率曲线的上方，两条曲线无接触；从14号到24号测点TE模式下视电阻率曲线在高频段逐渐下移，直至与TM模式下视电阻率曲线发生部分重合，并与之形成“喇叭状”曲线形态，这是断裂构造体现在视电阻率曲线形态上的一个较为明显的特征，是判断断裂存在的重要证据[6]；在26号测点两条曲线分开，“喇叭状”消失。由此推断在14号和26号测点之间存在断裂构造，这个推断将在下面的反演结果中得到验证。

横坐标为周期/s，纵坐标为视电阻率/(Ω·m)，上面曲线为TE模式，下面曲线为TM模式。图2 10～26号测点视电阻率-相位曲线

5 反演结果分析

使用大地电磁正反演专业软件WinGLink进行反演计算[7-9]。通过读取各测点的功率谱文件，建立一维OCCAM地电模型，将一维反演结果作为初始模型进行二维非线性共轭梯度反演。设置二维反演的参数为：反演模式为TE模式，反演深度为10 km，视电阻率和相位的拟合误差值为5%，静校正值为5%，迭代终止误差为1.5%，圆滑因子为3，最小迭代次数为100次。

反演剖面图如图3所示。查阅测区实测资料，显示测区内自南向北分布着4条较为明显的断裂构造-阿其格断裂(F1)、梯子梁断裂(F3)、风尘口断裂(F4)和阿牙克湖断裂(F2)，下文将分别以F1、F2、F3、F4进行代替说明。

图3 MT二维反演视电阻率剖面图

通过对比实测资料与反演结果发现：

1)位于测区两端的两条断裂(F1、F2)可以较为清晰地显示出来，其中资料显示F1断裂大致位于13～24号测点之间，与上文中推断一致。分析是由于测区两端火成岩大范围的侵入导致南北部新生界地层以下呈现出明显的高阻特征，与之相邻的F1、F2则呈现低阻特征，两者由于电性差异较大，自然有较好的断裂识别效果；而中部的F3、F4周围皆为中低阻区，两者电性差异不大，故断裂识别效果差。

2)位于测区中部的两条相对展布的断裂(F3、F4)并没有表现出明显的低阻特征，但在F3和F4之间深度约5～10 km的地层中夹裹着“△”状中高阻体，考虑是倾向相对的两个逆断裂之间相互作用使深部中高阻物质发生相对向上的滑动移位，是F3、F4两处断裂的侧面显示。

3)在地下深度约5 km处横向分布着少量异常低阻块，根据实测资料显示在该深度处存在横向延伸形态的断裂构造，分析是由于大部分电磁信号被位于测区中部浅层的N1s-N2sb低阻带所吸收，导致对深部断裂识别效果变差。

6 结论

在地质构造较为复杂的地区，大地电磁测深方法对浅部断裂构造有较好的识别效果；断裂构造与周围区域电性差异越大，识别效果越好；浅层低阻带的存在会导致对中深部断裂构造的识别效果变差。以上结论与建立模型得到的结论一致。另外在实际勘探工作中若发现存在三角状异常电性构造体，可以考虑存在是由多条相对距离较小的断裂构造运动所造成。

大地电磁测深方法对于识别浅层断裂构造有较高的有效性和准确性，且较适用于地层电阻率差异较大的地区。