音頻大地電磁法TE、TM極化模式在基巖山區(qū)地?zé)峥辈橹械膽?yīng)用

王佳龍

(1.湖南聯(lián)智科技股份有限公司,湖南 長沙 410200;2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016)

音頻大地電磁法(Audio Magnetotelluric sounding,AMT)利用雷電活動(dòng)產(chǎn)生的天然音頻大地電磁場作為場源,觀測互相垂直方向上若干頻率的電場和磁場之比(亦稱波阻抗),通過研究地電斷面變化解決相關(guān)地質(zhì)問題,工作方式、觀測參數(shù)、數(shù)據(jù)處理及解釋與大地電磁法(Magnetotellurics,MT)相同。由于工作頻率(0.35～10 400 Hz)高,與大地電磁法相比,音頻大地電磁法對淺部地質(zhì)構(gòu)造的分辨率較高,更適合探測淺部地質(zhì)構(gòu)造,且工作效率比大地電磁法高。

音頻大地電磁測深可獲得2個(gè)方向的視電阻率曲線,分別是電場沿構(gòu)造走向的TE極化模式視電阻率曲線和電場沿垂直構(gòu)造走向的TM極化模式視電阻率曲線。研究表明,TE極化模式視電阻率曲線具有較好的縱向分辨能力,但其橫向分辨能力不足;TM極化模式視電阻率曲線具有較好的橫向分辨能力,但縱向分辨能力不足[1-3]。在實(shí)際工作中,常采用TM極化模式視電阻率曲線斷面等值線圖進(jìn)行分析、解釋,因其橫向分辨率高,異常反應(yīng)明顯,對地層的分層效果較好;但TM極化模式視電阻率曲線受地形起伏造成的靜態(tài)效應(yīng)影響大,淺層出現(xiàn)密集垂直的等值線或類似斷裂的異常,對推斷解釋造成困擾。TE極化模式視電阻率斷面等值線圖受靜態(tài)位移的影響相對較小,在地形起伏附近無明顯假異常出現(xiàn)。所以,有必要研究起伏地形條件下TE極化模式和TM極化模式的響應(yīng)特征,為更好地解釋基巖山區(qū)大地電磁測深資料提供支撐[4-9]。

為了研究地形起伏對TE極化模式和TM極化模式視電阻率曲線的響應(yīng)特征,本文基于邊界單元法[10-12]的MT 2D數(shù)值模擬起伏地形地電模型,分析兩種模式下的卡尼亞視電阻率曲線特征,為實(shí)際勘探解釋提供理論依據(jù)。以某山區(qū)地?zé)豳Y源勘查成果為例,通過總結(jié)前人在該區(qū)進(jìn)行的地質(zhì)、水文地質(zhì)填圖、測溫法、簡易地球化學(xué)調(diào)查和區(qū)域重力勘探等工作[13-17],結(jié)合研究區(qū)地?zé)岬刭|(zhì)和鉆孔資料[18-20],綜合對比分析TE極化模式和TM極化模式反演結(jié)果,得出符合區(qū)內(nèi)地電斷面特征的二維反演剖面,為下一步進(jìn)行地質(zhì)、地球物理綜合推斷解釋和查明區(qū)內(nèi)斷裂分布、熱儲(chǔ)位置及熱儲(chǔ)埋深提供依據(jù)。

1 TE極化模式和TM極化模式正演響應(yīng)特征

1.1 TE極化模式和TM極化模式卡尼亞視電阻率計(jì)算

進(jìn)行大地電磁理論分析時(shí),通常假設(shè)場源是垂直地面入射的平面電磁波,在均勻大地和水平層狀大地情況下,波阻抗Z是電場(E) 和磁場(H) 水平分量的比值,即

(1)

研究區(qū)應(yīng)用的是大地電磁矢量測量,根據(jù)不同方向測量的電場(E)和磁場(H), 分別計(jì)算卡尼亞電阻率:

(2)

(3)

式中:ω為圓頻率,rad/s;μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率,H/m;ρ為電阻率,Ω·m。

一般設(shè)計(jì)測線垂直于構(gòu)造走向布置,將沿測線方向測量稱為TM極化模式,計(jì)算出的卡尼亞視電阻率為ρyx;垂直測線方向(沿構(gòu)造走向)測量稱為TE極化模式,計(jì)算出的卡尼亞視電阻率為ρxy。

1.2 TE極化模式和TM極化模式視電阻率曲線

為了解不同地形下大地電磁測深曲線特征,利用邊界單元法數(shù)值模擬各種靜態(tài)效應(yīng)下的ρxy曲線和ρyx曲線(圖1),分析不同極化模式的曲線規(guī)律。圖1(a)左側(cè)模型背景介質(zhì)電阻率ρ為100 Ω·m,山谷地形底面寬AB=1.0 km,頂面寬CD=3.0 km,頂、底面高差為0.4 km;山脊地形頂面寬AB=1.0 km,底面寬CD=3.0 km,頂面、底面高差為0.4 km。

利用邊界單元法數(shù)值模擬方法分析起伏地形視電阻率曲線的變化規(guī)律。無論山谷(圖1(a))還是山脊(圖1(b)),TM極化模式視電阻率曲線受地形起伏引起的畸變及位移強(qiáng)烈,而TE極化模式視電阻率曲線受地形起伏引起的畸變及位移較小。因此,在實(shí)際山區(qū)應(yīng)用中,直接用受地形影響的TM極化模式觀測資料進(jìn)行反演解釋可能會(huì)造成一定困擾,應(yīng)用TE極化模式對山區(qū)構(gòu)造進(jìn)行解譯更合適。

圖1 不同地形條件下ρxy和ρyx視電阻率特征曲線Fig. 1 ρxy and ρyx apparent resistivity characteristic curves in different topographical conditions

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于福建省三明市某地區(qū)。研究區(qū)主要出露加里東期二長花崗巖,東南部被第四系覆蓋(圖2)。區(qū)內(nèi)深大斷裂帶有NNE向光澤—武平斷裂帶和SWW向?qū)幓掀綐?gòu)造帶,這些網(wǎng)格狀構(gòu)造控制著研究區(qū)溫泉的分布[15-17]。

1. 第四系;2.二長花崗巖;3.地名;4.已知斷裂;5.河流;6.AMT測線及編號(hào);7.花崗斑巖脈;8.輝綠玢巖脈;9.偉晶巖脈;10.DR01井圖2 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及測線位置示意圖[17]Fig. 2 Geologic sketch and positions of survey lines in the study area[17]

2.2 研究區(qū)地形特征

研究區(qū)位于基巖山區(qū),地形起伏較大,進(jìn)行音頻大地電磁測深勘探時(shí),受靜態(tài)效應(yīng)影響,地形起伏會(huì)使反演斷面圖上出現(xiàn)密集垂直分布的等值線,混淆實(shí)際探測目標(biāo)體產(chǎn)生的異常, 給資料解釋帶來困擾。因此,本文以研究區(qū)NW向和NNE向各1條測線為研究對象,繪制研究測線地形剖面圖(圖3),對地形起伏和位置進(jìn)行簡要分析。

圖3 研究區(qū)地形剖面圖Fig. 3 Topographic profile of the study area

結(jié)合研究區(qū)實(shí)際地形及圖3可知,NW向測線從西邊山頂開始到山谷地形起伏較小,在測點(diǎn)218點(diǎn)至238點(diǎn)地形起伏較大,測點(diǎn)之間最大起伏達(dá)54 m;NNE向測線地形起伏較明顯,在110點(diǎn)至104點(diǎn)測點(diǎn)間的地形起伏最大達(dá)30 m。因此,需要排查地形起伏造成的假異常,減少此類異常對解譯的困擾。

2.3 大地電磁資料處理

音頻大地電磁測深測量采用加拿大V8大地電磁儀進(jìn)行觀測,單點(diǎn)觀測1 h以上,有效觀測頻率為0.35～10 400 Hz,有效探測深度>1 km。音頻大地電磁測量原始數(shù)據(jù)使用SSMT 2 000和MT editor進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、編輯,生成反演格式點(diǎn)文件(edi)。利用MTPioneer軟件進(jìn)行反演成圖[21-24],主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、一維反演數(shù)據(jù)處理、二維反演網(wǎng)格建立和二維反演(圖4)。

圖4 大地電磁資料處理流程圖Fig. 4 Flow chart of magnetotelluric data processing

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。包括畸變數(shù)據(jù)剔除、圓滑和靜校正,淺層因地形或干擾等因素導(dǎo)致電性不均勻或三維狀態(tài)高頻反應(yīng)強(qiáng)烈造成靜位移現(xiàn)象嚴(yán)重,需根據(jù)剖面視電阻率變化趨勢和前、后視電阻率曲線類型進(jìn)行手工校正。

(2)一維反演數(shù)據(jù)處理。采用自適應(yīng)正則化反演方法,主要建立各個(gè)測點(diǎn)的擬合和層狀模型,反演結(jié)果可作為二維反演的初始模型。該方法的優(yōu)點(diǎn)是每次迭代的正則化因子均可調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)擬合與模型約束的平衡,具有較高的精度和穩(wěn)定性。

(3)二維反演網(wǎng)格建立。根據(jù)目標(biāo)層大致位置和埋深對測點(diǎn)橫、縱網(wǎng)格進(jìn)行加密,構(gòu)建高質(zhì)量的反演網(wǎng)格,在網(wǎng)格數(shù)據(jù)建立后選擇合理的初始模型,為二維反演做準(zhǔn)備。

(4)二維反演。采用帶地形非線性共軛梯度反演方法,分別進(jìn)行TE極化模式和TM極化模式反演。如果反演迭代閉合差合格且數(shù)據(jù)擬合程度高,則將反演結(jié)果進(jìn)行成果圖件輸出;如果反演迭代閉合差不合格,則返回?cái)?shù)據(jù)預(yù)處理階段,進(jìn)行數(shù)據(jù)重新編輯再反演,一直循環(huán)到數(shù)據(jù)合格為止。

2.4 TE極化模式和TM極化模式反演成像特征

研究區(qū)屬于山區(qū),地形起伏較大,應(yīng)用音頻大地電磁法勘探地?zé)豳Y源時(shí),容易受山區(qū)地形及地表電性不均勻影響,產(chǎn)生靜態(tài)效應(yīng)。對理論模型TE極化模式和TM極化模式正演響應(yīng)特征進(jìn)行研究,以研究區(qū)2條AMT測線(L104、L106)二維反演結(jié)果為例,對比分析同一剖面TE極化模式和TM極化模式下的NLCG反演結(jié)果(圖5)。

L104線TE極化模式剖面(圖5(a))在測點(diǎn)號(hào)212～218段深度約400 m處等值線橫向不連續(xù),電阻率與周圍存在明顯差異,表現(xiàn)為團(tuán)塊狀低阻異常,寬度約200 m;TM極化模式剖面(圖5(b))在測點(diǎn)號(hào)212～218段深度約300 m處等值線橫向不連續(xù),由淺至深未識(shí)別出低阻異常。在測點(diǎn)號(hào)214～220段地形起伏較大,TE極化模式在此段受靜態(tài)影響較小,淺表及以下反映出的等值線連續(xù)有序;而TM極化模式在此段受靜態(tài)影響較大,淺表及以下顯示條帶狀高阻圈閉異常體。

圖5 L104線TE極化模式(a)和TM極化模式(b)反演剖面圖Fig. 5 Inversion profiles of TE polarization mode (a) and TM polarization mode (b) of line 104

L 106線TE極化模式剖面(圖6(a))在測點(diǎn)號(hào)210～218段出現(xiàn)近直立低阻帶,寬度約150 m,延伸至地下約550 m;而TM極化模式剖面(圖6(b))在測點(diǎn)號(hào)210～218段和測點(diǎn)216附近等值線橫向不連續(xù),由淺至深未識(shí)別出低阻異常。在測點(diǎn)號(hào)218～226段地形起伏較大,TE極化模式在此段受靜態(tài)效應(yīng)影響較小,淺表及以下反應(yīng)出的等值線連續(xù)有序;而TM極化模式在此段受靜態(tài)效應(yīng)影響較大,淺表以下有低、高阻圈閉異常體,且不連續(xù)。

圖6 L106線TE極化模式(a)和TM極化模式(b)反演剖面圖Fig. 6 Inversion profiles of TE polarization mode (a) and TM polarization mode (b) of line 106

通過對比發(fā)現(xiàn),TE 極化模式縱向分辨率高,起伏地形對反演結(jié)果影響小,較好地反應(yīng)了研究區(qū)地層地電特征;TM 極化模式縱向分辨率不佳,反演結(jié)果受局部地形起伏影響,不能較好地反應(yīng)地層地電特征,未能識(shí)別出地?zé)岙惓^(qū)地下低阻異常信息。

2.5 鉆孔驗(yàn)證

DR01井位于L106測線214點(diǎn)上(圖7),井深501.05 m,井底水溫43.74 ℃,鉆井遇多層巖石破碎帶,其中-246.90～-259.55 m和-474.50～-475.98 m的側(cè)向電阻率分別為124.47～350.51 Ω·m和 219.77～430.49 Ω·m,相對圍巖表現(xiàn)為低電阻率異常,且長源距伽瑪曲線幅度變大,聲波曲線幅值變大,此二段為富水區(qū)[20]。根據(jù)音頻大地電磁測深L106線TE極化模式反演結(jié)果,214測點(diǎn)地表以下150～250 m深度范圍與周圍存在明顯的電性差異,表現(xiàn)為低電阻異常,推斷此區(qū)域?yàn)楹畬?反演低電阻異常區(qū)電阻率為50～200 Ω·m。綜上所述,音頻大地電磁測深法TE極化模式反演剖面地質(zhì)解釋結(jié)果與鉆井資料吻合較好。

1. 第四系;2. 加里東期二長花崗巖;3. 破碎帶;4. 加里東期輝綠巖;5. DR01井中側(cè)向電阻率曲線圖7 DR01鉆孔驗(yàn)證圖Fig. 7 Verification chart of borehole DR01

通過鉆孔驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)TE極化模式反演能有效地識(shí)別山區(qū)基巖斷裂充水表現(xiàn)的低阻異常特征,在查明山區(qū)構(gòu)造特征方面效果較好,而TM極化模式未能識(shí)別該構(gòu)造異常。

3 結(jié)論

(1)在開展音頻大地電磁探測解釋前，TE極化模式和TM極化模式正演開展研究工作十分必要,從理論正演到實(shí)例反演解釋是應(yīng)用大地電磁法勘探的關(guān)鍵,也是獲得合理地質(zhì)解釋的前提。

(2)通過對山谷和山脊地形地電模型數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)TM極化模式電阻率曲線受地形影響比TE極化模式大,且TM極化模式低頻視電阻率曲線比高頻視電阻率曲線更易受地形起伏影響。

(3)TE極化模式反演地電斷面縱向分辨率高于TM極化模式,且受地形影響較小,能有效地反映基巖山區(qū)斷裂特征。