三維斷層模型的MT正演響應(yīng)及極化模式分析

梁 霄，艾 林，吳仁學(xué)

(1. 長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100； 2. 新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院勘測總隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

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三維斷層模型的MT正演響應(yīng)及極化模式分析

梁 霄1，艾 林1，吳仁學(xué)2

(1. 長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100； 2. 新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院勘測總隊(duì)，新疆 昌吉 831100)

從三維斷層地質(zhì)體MT的正演響應(yīng)出發(fā)，通過兩條測線不同極化模式的對比分析，得出了斷層MT響應(yīng)的正演規(guī)律：TE極化模式縱向分辨率比TM極化模式要高；橫向分辨率上TM極化模式比TE極化模式分辨率高，對模型有更高的識別度和靈敏度，能更好地反應(yīng)斷層構(gòu)造形態(tài)上的電阻率差異；通過兩條測線的對比分析可判斷出斷層走向和傾向，對今后MT中的斷層識別，起到一定的指導(dǎo)作用。

MT；斷層；正演；三維；極化模式

大地電磁測深法(MT)是十分有效的地球物理勘探方法，在地質(zhì)構(gòu)造、石油勘探中發(fā)揮著巨大的作用[1-2]。目前，三維地質(zhì)體MT響應(yīng)的研究正是熱點(diǎn)和前沿問題，很多理論還不是很完善，有待于繼續(xù)深入研究[3]。斷層是十分常見的地質(zhì)體，對其研究，有利于了解該地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力、構(gòu)造背景特征和區(qū)域資源賦存情況。因此，本文構(gòu)造三維斷層地質(zhì)體模型，利用有限元算法模擬斷層的大地電磁測深正演響應(yīng)，分析了斷層的形態(tài)和不同測線、不同極化模式下斷層的MT響應(yīng)的區(qū)別。

1 視電阻率及阻抗相位的計(jì)算

在大地電磁測深(MT)的每一個測點(diǎn)上都可以獲得兩條不同極化模式下的視電阻率曲線，即TE極化和TM極化[4]。TE極化模式指測線包含電磁場Ex、Hy和Hz分量，電場平行于構(gòu)造走向；TM極化模式指測線包含電磁場Hx、Ey和Ez分量，磁場平行與構(gòu)造走向。

波阻抗描述了各向同性大地介質(zhì)的電阻率和地面電磁場測量值之間的關(guān)系，平面波的波阻抗Z=E/H。其中E為均勻各向同性介質(zhì)中的電場，H是該介質(zhì)中的磁場，E和H正交。在TE極化模式下，可由下面的兩個表達(dá)式分別求得E偏振和H偏振的視電阻率ρ：

(1)

兩種模式相應(yīng)的阻抗相位可由下面公式計(jì)算：

(2)

其中Ex，Ey，Hx，Hy分別為地面測點(diǎn)的電場和磁場的x，y分量;Re，Im分別表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。地表觀測到的阻抗相位和視電阻率是測點(diǎn)附近地下介質(zhì)中各層電性介質(zhì)的綜合反映[5-7]。本文通過斷層模型的MT正演，獲得每個測點(diǎn)上視電阻率和阻抗相位的值，分別繪出視電阻率與周期等值線圖和相位與周期的等值線圖，分析了不同測線不同極化模式電阻率和相位剖面圖對斷層的分辨能力。

2 斷層構(gòu)造模型的建立

斷層是三維地質(zhì)體模型，沿正交坐標(biāo)軸3個方向的地質(zhì)體電阻率都是變化的。如圖1所示，建立了如下模型：地面上設(shè)置了兩條測線，且測線都垂直于斷層構(gòu)造走向。同時，從模型側(cè)面可以看出斷層向下有一定的傾斜角度，滿足三維地質(zhì)體的要求。為了便于分析，設(shè)立的斷層模型的斷面與地面垂直，且斷面與地面的交線位于測線中點(diǎn)處。

圖1 MT三維斷層正演模型

3 兩條測線不同極化模式的對比分析

兩條測線距離斷層的距離依次減小，以圍巖電阻率取100 Ω·m，斷層構(gòu)造電阻率取2 000 Ω·m，斷層厚度取200 m，斷層深度取1 500 m為例，采用有限元法正演模擬斷層的MT響應(yīng)，獲得了兩條測線不同極化模式的電阻率和相位剖面圖，見圖2和圖3。

3.1極化模式對比分析

對比TE極化模式與TM極化模式的視電阻率和阻抗相位圖得出：TE極化模式下的高阻和低阻出現(xiàn)的周期范圍區(qū)域明顯比TM極化模式下要大，兩種模式視電阻率剖面圖呈相反對稱，TE極化模式相當(dāng)于TM極化模式的區(qū)域放大，表明TE極化模式縱向分辨率比TM極化模式要高；TM極化模式橫向分辨率和對模型的識別度比TE極化模式分辨率高，能更好地反應(yīng)斷層構(gòu)造形態(tài)上的電阻率差異；在相位剖面上，TE極化模式與TM極化模式等值線圖大致是相反的，且相位曲線比視電阻率曲線更好地反映出斷層構(gòu)造。

圖2 測線1 正演響應(yīng)的TE極化模式和TM極化模式對比

圖3 測線2正演響應(yīng)的TE極化模式和TM極化模式對比

3.2兩條測線的對比分析

對比兩條測線相同極化模式下的視電阻率和阻抗相位圖得出：兩條測線無論是TE極化模式還是TM極化模式，他們的視電阻率曲線和相位曲線大致形態(tài)都是相同的。但由于建立的三維模型是傾斜的斷層，兩條測線到斷層的距離不同，響應(yīng)結(jié)果的大小也就有區(qū)別。從圖中也可以用看出相同的極化模式下，測線2的視電阻率范圍增大了。通過對比兩條測線對比，能識別斷層的傾向。

4 結(jié) 論

通過對斷層的MT正演，從兩條測線不同極化模式對視電阻率和阻抗相位進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1) MT方法可有效識別斷層構(gòu)造，對比兩條測線可識別斷層的走向及傾向；

2) TE極化模式縱向分辨率比TM極化模式要高，TM極化模式橫向分辨率和對模型的識別度比TE極化模式高；

3) 在相位剖面上，TE極化模式與TM極化模式剖面圖呈相反對稱，相位圖比視電阻率圖能更好地識別斷層構(gòu)造。

[1] 劉國棟. 我國大地電磁測深的發(fā)展[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 1994, 37(S1): 301-310.

[2] 陳小斌, 趙國澤. 基本結(jié)構(gòu)有限元算法及大地電磁測深一維連續(xù)介質(zhì)正演[J].地球物理學(xué)報(bào), 2004, 47(3): 535-541.

[3] Coggon J H. Electromagnetic and electrical modeling by the finite element method[J]. Geophysics, 1971, 36(1): 132-155.

[4] 李學(xué)民, 曹俊興, 賀桃娥. 斷層構(gòu)造的大地電磁響應(yīng)曲線變化特征的研究[J].天然氣工業(yè), 2004, 24(7): 42-44.

[5] 楊長福, 林長佑. 用大地電磁法研究構(gòu)造走向及維性特征[J]. 西北地震學(xué)報(bào), 2002, 24(1): 65-71.

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[7] 晉光文. MT大地電磁阻抗相位資料的特點(diǎn)和應(yīng)用[J]. 地震地質(zhì), 1988, 10(4): 159-168.

AnAnalysisofMTForwardModelingandDifferentPolarizationModesin3DFaultModel

LIANG Xiao1, AI Lin1, WU Renxue2

(1.MinistryofEducationKeyLaboratoryofOil&GasResourcesandExplorationTechnology;GeosciencesCollege,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 2.WaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstituteSurveyCorpsinXinjiang,Changji,Xinjiang831100,China)

Three-dimensional magnetotelluric sounding positive and negative speech technology is leading edge research in geophysical exploration field. The theoretical research is not deep enough. This study starts from MT forward response about three-dimensional structure of fault, by analyzing the difference between the different polarization modes of two lines. I draw the following conclusions: firstly, TM mode’s transverse resolution has a higher resolution than TE mode, and then I know TM mode is higher than the TE mode in the model identification and sensitivity. We can get the trend and tendency of the faults by comparing the response results of the two lines. These conclusions can play a guiding role in Fault identification in the MT in latterly study.

MT; Fault ; Forward; 3D; Polarization Modes

2016-08-21

梁霄(1991-)，男，安徽懷寧人，碩士研究生，研究方向：電磁勘探和煤層氣測井評價，手機(jī)：18062791086，E-mail：lx1068@126.com.

P628.3

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.011