斷層模型音頻大地電磁測(cè)深數(shù)值模擬及應(yīng)用

沈煜

摘 要：為探究音頻大地電磁測(cè)深（AMT）對(duì)斷層模型識(shí)別的效果，對(duì)不同傾角的斷層模型進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用MT2DModeling軟件進(jìn)行正演模擬，得到的初始模型加入10%的噪聲后再采用Occam方法進(jìn)行反演，數(shù)值模擬結(jié)果表明：1）音頻大地電磁測(cè)深整體上對(duì)斷層模型較為敏感，TE模式的縱向分辨率高，對(duì)模型的上下邊界識(shí)別較為清晰，TM模式的橫向分辨率高，對(duì)模型水平方向邊界識(shí)別更好;2）對(duì)于不同電性組合斷層模型，AMT對(duì)相對(duì)低阻斷層的模型識(shí)別效果優(yōu)于相對(duì)高阻斷層的模型，其中TM模式對(duì)于高阻的識(shí)別效果要好于TE模式;3）對(duì)于不同傾角的低阻斷層模型，TM模式對(duì)于反演結(jié)果上、下盤梯度變化率反應(yīng)明顯，即變化率大的方向?yàn)閮A斜方向;4）TE模式正演結(jié)果對(duì)于斷層傾角變化的反應(yīng)明顯，可以作為識(shí)別斷層傾角的參考。通過對(duì)AMT法在瓊北錦山地區(qū)活動(dòng)斷裂（馬裊-鋪前斷裂東段）勘測(cè)的實(shí)際資料及鉆孔結(jié)果進(jìn)行分析，得到了斷裂空間展布的定量認(rèn)識(shí)，表明斷裂自第三紀(jì)以來均有劇烈活動(dòng)，活動(dòng)期次已達(dá)到全新世。研究結(jié)果為海南地區(qū)開發(fā)建設(shè)提供了地質(zhì)地球物理依據(jù)，也為其斷層活動(dòng)性、巖漿活動(dòng)性等的進(jìn)一步探究打下了良好的研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：地電學(xué);音頻大地電磁測(cè)深法;數(shù)值模擬;活動(dòng)斷層;馬裊-鋪前斷裂

中圖分類號(hào)：P319.3+2?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04007[HJ3]

文章編號(hào)：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

大地電磁法是根據(jù)電磁場(chǎng)的趨膚效應(yīng)，對(duì)地球深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)的一種地球物理方法，具有探測(cè)深度范圍大、不受高阻屏蔽影響、對(duì)低阻層反應(yīng)靈敏等一系列優(yōu)點(diǎn)，是地球深部結(jié)構(gòu)探測(cè)、地震災(zāi)害監(jiān)測(cè)、能源礦產(chǎn)及工程勘查的有效手段之一[1]。其中，場(chǎng)源頻率在1 Hz～10 kHz的被稱為音頻大地電磁測(cè)深，被廣泛應(yīng)用于找水找礦[2-3]、地?zé)峥碧郊肮こ炭辈閇4-6]，均取得了顯著效果。前人大量的研究中，朱仁學(xué)[7]探討了2種極化模式下垂直斷層的一維大地電磁響應(yīng)特征;李學(xué)民等[8]采用有限差分法得到TE和TM極化模式下斷層的“喇叭”、“放大器”曲線特征;湯井田等[9]等采用有限元法進(jìn)行了一維層狀及二維地塹模型的數(shù)值模擬，得出一維測(cè)深曲線和二維測(cè)深曲線有較大區(qū)別，二維的TE和TM模式測(cè)深曲線也有較大區(qū)別;丁茂斌等[10]將地形影響加入數(shù)值模擬研究中，總結(jié)TE和TM模式下頻率與地形起伏幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系;化希瑞[11]結(jié)合山脊地形情況，建立由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的模型，研究了在更加復(fù)雜多變的起伏地形條件下，AMT模擬的響應(yīng)特征。

眾多研究中，前人對(duì)不同傾角的斷層模型響應(yīng)研究甚少，而由于地質(zhì)過程的不確定性，所形成斷層的傾角也是不規(guī)則的，因此，對(duì)這些成因復(fù)雜的斷裂進(jìn)行研究，是非常必要的。筆者以瓊北錦山地區(qū)馬裊-鋪前斷裂實(shí)際勘查資料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)不同傾角的斷層模型，通過識(shí)別AMT數(shù)值模擬在斷層模型下的響應(yīng)特征，并對(duì)斷裂進(jìn)行處理分析，從而得到活動(dòng)斷裂的定量認(rèn)識(shí)。此結(jié)果可為特定地質(zhì)環(huán)境下實(shí)測(cè)資料的處理和解釋拓寬思路。

1?數(shù)值模擬響應(yīng)及結(jié)果分析

為探究音頻大地電磁測(cè)深在斷層模型識(shí)別上的作用，設(shè)計(jì)了2組不同的電性組合的斷層模型，和3組不同傾角的斷層模型，采用MT2DModeling軟件實(shí)現(xiàn)模擬，其原理是利用有限元直接迭代（EIFE）、自動(dòng)網(wǎng)格剖分算法（AGS）。遵循音頻大地電磁測(cè)深要求，采集頻率范圍設(shè)置為10 Hz～100 kHz，選取37個(gè)采樣頻點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。水平方向采用等間距網(wǎng)格剖分，間隔50 m;垂直方向采用網(wǎng)格不等間距剖分的方式，由淺到深網(wǎng)格逐漸增大，共劃分20層，縱深1 500 m。對(duì)正演模型加入10%的噪聲后，再采用Occam方法進(jìn)行反演，得到視電阻率擬斷面結(jié)果。

1.1?2-D不同電性組合斷層模型

斷層破碎帶中的各類巖體分布不均勻，孔隙較大，當(dāng)斷層破碎帶未充水時(shí)一般表現(xiàn)為高阻異常;當(dāng)斷層破碎帶充水時(shí)，則往往表現(xiàn)為低阻異常。因此分別建立2個(gè)二維斷層破碎帶模型，如圖1所示。由圖可知，相對(duì)低阻斷層破碎帶電阻率值為?100 Ω·m?，圍巖電阻率值為1 000 Ω·m;相對(duì)高阻斷層破碎帶電阻率值為1 000 Ω·m，圍巖電阻率值為100 Ω·m;斷層寬度為100 m，頂部埋深200 m，總長(zhǎng)600 m。數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出：1）音頻大地電磁測(cè)深對(duì)2種斷層均有一定反應(yīng)，但對(duì)低阻斷層的反應(yīng)效果優(yōu)于高阻斷層;2）TM模式的正演、反演結(jié)果雖然在垂直方向上不收斂，但水平方向上電性梯度大，位置更準(zhǔn)確，對(duì)于實(shí)測(cè)結(jié)果水平方向上斷層位置的確定具有更好的指導(dǎo)作用;3）而TE模式下，低阻斷層整體形態(tài)良好，水平范圍略大于斷裂實(shí)際位置，垂直方向上對(duì)于斷層的整體埋深標(biāo)定優(yōu)于TM模式;高阻斷層正演、反演結(jié)果頂部都呈現(xiàn)不收斂形態(tài)，反演結(jié)果整體形態(tài)呈淺表的高阻異常，說明TE模式對(duì)音頻大地電磁測(cè)深尋找高阻斷層作用較小，甚至可能產(chǎn)生虛假的異常。

1.2?2-D不同傾角的斷層模型

結(jié)合瓊北錦山地區(qū)地層組合中，深部花崗巖與淺部黏土、礫巖等電性參數(shù)[12-13]，設(shè)計(jì)了2-D不同傾角的相對(duì)低阻斷層模型，如圖3所示，背景電阻率為?1 000 Ω·m?，中間發(fā)育一條寬100 m，頂部埋深?200 m?，總長(zhǎng)600 m的斷層。斷層中心垂直投影位置固定，設(shè)計(jì)其傾角a分別為30°，60°和90°的3個(gè)模型。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。

從音頻大地電磁測(cè)深對(duì)不同傾角的斷層模型模擬的結(jié)果可以看出：1）整體上遵循低阻斷層模型模擬結(jié)果的規(guī)律，TM模式對(duì)斷層水平方向分辨率較高，TE模式對(duì)斷層垂直方向上分辨率較高;2）在傾角的判斷方面，TM模式正演結(jié)果在異常寬度形態(tài)上有一定反應(yīng)，即傾角越大，異常寬度范圍越大;TM模式反演結(jié)果在頂部的收斂狀態(tài)上對(duì)于傾角具有一定反應(yīng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，斷層下盤的梯度變化率大于斷層上盤（見圖4 c）），由此可以判斷斷層的傾向;?3）TE模?式正演結(jié)果傾角形態(tài)的變化明顯，對(duì)于斷層垂直方向的位置判定有一定的指導(dǎo)作用。

2?高頻大地電磁實(shí)測(cè)資料分析

本次高頻大地電磁資料來源于瓊北錦山地區(qū)馬裊-鋪前斷裂勘查的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用美國EMI與Geometrics公司聯(lián)合研發(fā)的EH4電磁測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行采集，除具備大地電磁測(cè)深優(yōu)點(diǎn)外，該系統(tǒng)還有設(shè)備輕便、采集信息量大、工作效率高等特點(diǎn)[14]。

作為勘查區(qū)的錦山地區(qū)在大地構(gòu)造上屬于華南褶皺系五指山褶皺帶，以王五-文教構(gòu)造帶為界，位于該褶皺帶北部的雷瓊斷陷次級(jí)分區(qū)[15]。地層方面，研究區(qū)內(nèi)早第三系長(zhǎng)期隆起，除上新統(tǒng)外，新近系大部分地層缺失;地表平坦，第四系蓋層很薄;巖漿活動(dòng)頻繁，以侵入型花崗巖為主。如圖5所示，研究區(qū)主要斷裂馬裊-鋪前斷裂為隱伏斷裂。結(jié)合重力異常垂向一階解譯資料的結(jié)果可以清楚地看出馬裊-鋪前斷裂的中東段從海南島北部近岸穿過，規(guī)模大，走向大致為北東東向，并受到多條北西向斷裂切割。

為進(jìn)一步探明勘查區(qū)主斷裂的發(fā)育情況，本研究共布設(shè)了3條近南北向測(cè)線，1條北東東向測(cè)線，測(cè)點(diǎn)間距為50 m，見圖6。

選取Line01測(cè)線和Line04測(cè)線2條高頻大地電磁測(cè)線，進(jìn)行視電阻率反演并綜合分析。在地球物理方面，低阻層整體較淺，加之實(shí)際存在的水田、水坑等富水低阻干擾，表層電阻率極低，因此在反演之前進(jìn)行了個(gè)別“飛點(diǎn)”的剔除，再結(jié)合相位結(jié)果進(jìn)行靜態(tài)矯正;同時(shí)侵入巖體在不同因素作用下會(huì)有不同的起伏情況，所以高阻層頂部相對(duì)起伏可能較大。最終將處理好的資料進(jìn)行Occam反演，并對(duì)比TE和TM模式的反演結(jié)果圖，依據(jù)數(shù)值模擬理論中“TM模式反演結(jié)果對(duì)斷層水平邊界識(shí)別效果較好”的結(jié)論，最終得出Line01測(cè)線和Line04測(cè)線TM模式視電阻率斷面圖，見圖7。

如圖7所示，Line01測(cè)線反演斷面圖中，基巖整體較為完整，深色區(qū)域高阻異常對(duì)數(shù)值約為2.7～3.5，經(jīng)過換算其視電阻率為600～3 000 Ω·m，根據(jù)地質(zhì)資料推斷為基性花崗巖;淺色低阻異常對(duì)數(shù)值約為0～2，經(jīng)過換算其視電阻率為1～100 Ω·m，推斷為黏土類、砂巖及礫巖巖性;淺表極低電阻率異常，根據(jù)數(shù)據(jù)采集時(shí)地形地貌記錄來看，與富水地形相關(guān)。推斷在剖面中共存在3處斷裂，整體傾角較大。其中，北段F13，F(xiàn)14斷裂寬約500 m，切割深度大，斷裂帶整體較為破碎，第四系沉積地層堆積較厚，斷裂帶呈低阻異常。結(jié)合2-D斷層模型數(shù)值模擬可知，音頻大地電磁測(cè)深對(duì)于相對(duì)低阻的電性體十分敏感，TM模式下斷裂水平方向邊界清晰，但結(jié)果會(huì)呈現(xiàn)深部不收斂的低阻異常，可能為虛假異常，因此推斷北段F13，F(xiàn)14斷裂深部的低阻異常可能由此引起。同時(shí)結(jié)合TE模式結(jié)果判斷斷層的傾角方向。

Line04測(cè)線位于Line01測(cè)線東部約6.5 km處，并與之平行布設(shè)。如圖7所示，Line04測(cè)線反演斷面的電性整體與Line01測(cè)線相似，其中F41，F(xiàn)42斷裂與Line01測(cè)線的F13，F(xiàn)14斷裂十分相近。通過擬三維圖像對(duì)比，直觀反映出2組斷裂在空間展布和斷裂性質(zhì)上高度的一致性，并且2組斷裂與馬裊-鋪前斷裂構(gòu)造性質(zhì)相符合，因此推斷該2組斷裂為馬裊-鋪前斷裂的東段隱伏部分。同時(shí)結(jié)合鉆孔資料（見圖8），證明了該斷層的存在，且活動(dòng)期次已達(dá)到全新世。

目前大部分學(xué)者認(rèn)為，瓊北地區(qū)活動(dòng)斷裂主要是由于新生代以來下地幔物質(zhì)上涌的拉張作用力而形成的[16-18]。根據(jù)基底以下剩余深部重力異常分布情況[19]，推測(cè)云龍地區(qū)地幔物質(zhì)上涌，從而該地區(qū)整體受到拉張應(yīng)力作用而斷陷，這與由馬裊-鋪前斷裂所推斷的正斷層性質(zhì)相一致。

3?結(jié)?語

在瓊北錦山地區(qū)馬裊-鋪前斷裂實(shí)際勘查資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出不同傾角的斷層模型，深入探討了AMT對(duì)于不同傾角斷層模型數(shù)值模擬的響應(yīng)特征，得到了斷裂的空間展布和活動(dòng)性質(zhì)的定量認(rèn)識(shí)。這為海南開發(fā)建設(shè)提供了有利的地質(zhì)地球物理資料，也為進(jìn)一步探究該地區(qū)斷層活動(dòng)性、巖漿活動(dòng)性等地質(zhì)特征打下了良好的基礎(chǔ)。

1）音頻大地電磁測(cè)深整體上對(duì)斷層模型較為敏感，TE模式的縱向分辨率高，對(duì)模型的上下邊界識(shí)別較為清晰，TM模式的橫向分辨率高，對(duì)模型水平方向邊界識(shí)別更好，但縱向上受低阻的干擾較為嚴(yán)重。

2）對(duì)于不同電性組合的斷層模型，音頻大地電磁測(cè)深對(duì)相對(duì)低阻斷層的模型識(shí)別效果優(yōu)于相對(duì)高阻斷層的模型;其中TM模式對(duì)于高阻的識(shí)別效果要好于TE模式。

3）對(duì)于不同傾角的低阻斷層模型，TM模式正演結(jié)果在異常寬度形態(tài)上有所反應(yīng)，同時(shí)對(duì)反演結(jié)果上、下盤梯度變化率反應(yīng)明顯，即變化率大的方向?yàn)閮A斜方向;TE模式正演結(jié)果對(duì)于斷層傾角變化的反應(yīng)明顯，可以作為識(shí)別斷層傾角的參考。

4）通過音頻大地電磁測(cè)深反演結(jié)果得到了馬裊-鋪前斷裂的具體位置、埋深和傾角等斷層性質(zhì);地質(zhì)資料表明，該斷裂自第三系以來均有劇烈活動(dòng)，同時(shí)鉆孔資料表明該斷裂活動(dòng)期次已達(dá)到全新世;結(jié)合剩余深部重力異常信息，該斷裂可能成為云龍地區(qū)巖漿活動(dòng)的良好通道。

5）瓊北地區(qū)地幔物質(zhì)上涌，該斷裂可能成為巖漿的良好通道。在未來研究中，擬采用更低頻率的大地電磁法或其他深部探測(cè)地球物理手段，探明第四紀(jì)巖漿活動(dòng)與斷裂之間的關(guān)系。

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