不同圍巖電阻率背景下音頻大地電磁探測(cè)效果與深度的關(guān)系討論

張濡亮

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團(tuán)鈾資源勘查與評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

經(jīng)過60 多年的發(fā)展，我國(guó)鈾礦勘查取得了重要進(jìn)展和顯著成果，針對(duì)北方砂巖和南方硬巖型鈾礦的系統(tǒng)研究得到了全面深化［1］。在北方砂巖地區(qū)，研究人員對(duì)塔里木盆地吐格爾明背斜的研究表明：該區(qū)的目標(biāo)層為含鈾砂體，含礦地層具有較穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)［2］，層間氧化帶型鈾礦大多與該區(qū)地下的砂體關(guān)系密切。而南方地區(qū)相山鈾礦田的關(guān)鍵控礦要素有巖性界面、斷裂構(gòu)造、次火山巖體等，火山巖組間界面的變異部位、基底界面與斷裂構(gòu)造的復(fù)合處是鈾礦最有利的賦存部位［3-6］。白面石地區(qū)的鈾礦體主要產(chǎn)于火山盆地基底花崗巖內(nèi)，礦化受構(gòu)造裂隙控制，在巖脈與斷裂構(gòu)造及基底花崗巖頂界面的交會(huì)部位，鈾礦化更為富集［7］。整體而言，上述控礦要素或鈾礦產(chǎn)出部位多與圍巖存在較為明顯的電性差異，從而為音頻大地電磁法（AMT）的實(shí)際應(yīng)用提供了物性前提［8-10］。

近年來，隨著勘探深度的進(jìn)一步加大，AMT方法深部分辨率不足的問題顯得日趨突出。李慧杰等認(rèn)為，在點(diǎn)位和點(diǎn)距布設(shè)合理的情況下，AMT 法對(duì)斷層傾向、發(fā)育平面位置的推斷是可靠的［11-12］。胡旭對(duì)AMT 的分辨率問題進(jìn)行過分析，得出了橫向分辨率主要和電極距有關(guān)，縱向分辨率主要由采樣頻點(diǎn)所決定的結(jié)論［13］。何俊飛從野外試驗(yàn)的角度，對(duì)比分析了在強(qiáng)干擾環(huán)境中CSAMT（可控源音頻大地電磁）法和AMT 法對(duì)于深部低阻礦體的電磁響應(yīng)差異，認(rèn)為CSAMT 法的抗干擾能力和深部分辨低阻體的能力更強(qiáng)［14］。本文基于不同圍巖電阻率背景下不同深度電性異常體的正反演計(jì)算，總結(jié)了電性體埋深、圍巖背景電阻率以及AMT 探測(cè)效果之間的關(guān)系，為后續(xù)AMT 方法的應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 AMT 方法概述

電磁感應(yīng)法是以地殼中巖石的導(dǎo)電性與導(dǎo)磁性差異為主要物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理觀測(cè)和研究電磁場(chǎng)空間與時(shí)間分布規(guī)律，從而尋找地下良導(dǎo)電礦體或解決其他地質(zhì)問題的一組分支電法勘探方法，簡(jiǎn)稱電磁法［15］。大地電磁測(cè)深法則是利用大地中廣泛分布的天然變化電磁場(chǎng)，進(jìn)行深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一種頻率域電磁測(cè)深法［16］。當(dāng)垂直入射的平面電磁波以交變電磁場(chǎng)的形式在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，地面觀測(cè)到的電磁場(chǎng)將包含地下介質(zhì)的電阻率信息。因此，根據(jù)地面采集到的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過一系列數(shù)值計(jì)算，即可得到該觀測(cè)點(diǎn)垂向上的電性信息，進(jìn)而達(dá)到測(cè)深目的。

AMT 工作方法與大地電磁測(cè)深相同，只是觀測(cè)的頻率范圍略有差異，其頻率范圍從n×10-1Hz到n×104Hz，適應(yīng)不同深度的工程勘察和金屬礦勘探。在電磁波向下傳播過程中，當(dāng)振幅衰減到原來的1/e（e：自然常數(shù)）時(shí)的深度稱為趨膚深度，其理論公式見式（1）。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到地質(zhì)體存在各向異性，引入探測(cè)深度的概念［17］，其表達(dá)式見式（2）。

式（1）（2）中：δ—趨膚深度，m；D—探測(cè)深度，m；ρ—電阻率，Ω·m；f—頻率，Hz；ω—角頻率，rad/s；μ0—真空磁導(dǎo)率，N/A2；σ—電導(dǎo)率，s/m。由上式不難看出，當(dāng)工作頻率高時(shí)，探測(cè)深度??；隨著工作頻率降低，探測(cè)深度也逐漸增大。當(dāng)在某點(diǎn)觀測(cè)到從高到低多個(gè)頻率的電磁信息時(shí)，通過反演計(jì)算，即可得到該測(cè)點(diǎn)處從淺至深的電性分布。

此外，通過公式（1）（2）可以定性地得出深度與AMT 分辨率的關(guān)系。假設(shè)地下巖體電阻率值保持不變，這時(shí)探測(cè)深度與頻率的平方根成反比，隨著頻率從高到低，頻率每降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，其探測(cè)深度大約增加2.3倍。目前常用的測(cè)深儀器，每個(gè)頻段內(nèi)采集的頻點(diǎn)數(shù)是相同的，因此隨著深度的增加，在相同的厚度范圍內(nèi)，采集的頻點(diǎn)數(shù)少了，其對(duì)目標(biāo)體的識(shí)別能力必然是逐漸降低的。

2 AMT 對(duì)不同電阻率背景下不同埋深電性異常體探測(cè)效果對(duì)比

為對(duì)比AMT方法對(duì)不同電阻率背景下不同埋深電性異常體的識(shí)別情況，設(shè)計(jì)了二維高阻模型（圖1）。設(shè)置圍巖的電阻率依次為1 000、3 000、10 000 Ω·m，在高程為50、-450，-950，-1450，-1 950 m（地表高程300 m）處依次埋置500 m×150 m的低阻體（圖中小長(zhǎng)方形所示，低阻體頂板與上述高程對(duì)齊），低阻異常體橫向中心點(diǎn)位于1 975 m處（與S40和S41的分界面重合），低阻體電阻率值為100 Ω·m。模型核心范圍大小為4 000 m×2 800 m，核心范圍內(nèi)有81個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距50 m。為方便剖分，假定測(cè)點(diǎn)S1所在位置為0 m，測(cè)點(diǎn)S81所在位置為4 000 m。

圖1 二維高阻模型Fig.1 2D high resistance model

圖2是針對(duì)上述高阻模型中不同電阻率背景和不同埋深電性異常體進(jìn)行二維正反演（本文正反演計(jì)算采用意大利GEOSYSTEM公司開發(fā)的Winglink軟件）的結(jié)果對(duì)比，其中圖2 a、b、c 三列分別為圍巖電阻率是1 000、3 000和10 000 Ω·m時(shí)的反演結(jié)果，1～5行代表不同的異常體埋深時(shí)的結(jié)果。從整張對(duì)比圖上可以看出，AMT對(duì)3種不同電阻率背景下異常體的識(shí)別度都很高，參與對(duì)比計(jì)算的3個(gè)不同電阻率背景及5個(gè)不同深度條件下的15種情況通過AMT的反演計(jì)算都識(shí)別出了異常體。排除最深處（高程-1 950 m）的3種電阻率背景下的反演結(jié)果誤差較大外，其余4個(gè)深度的反演結(jié)果與異常體的真實(shí)深度信息差別不大，可見AMT方法對(duì)于識(shí)別高阻體中的低阻異常體效果明顯。

圖2 高阻模型不同背景電阻率下不同埋深的低阻異常體的二維反演結(jié)果對(duì)比Fig.2 Comparison of 2D inversion results of low resistivity abnormal bodies buried at different depths under different background resistivity

具體到每列圖，a列中的5幅圖（圖2 a1～a5）雖然對(duì)背景電阻率的反演結(jié)果都比較接近真實(shí)的模型情況1 000 Ω·m，但是對(duì)異常體電阻率的反演結(jié)果卻差別較大。其中，對(duì)異常體的反演結(jié)果最接近模型真實(shí)情況的是圖2a1，其對(duì)低阻異常體電阻率的反演結(jié)果是102 Ω·m，非常接近100 Ω·m的模型電阻率，可以看出在此深度上，AMT法對(duì)于比圍巖電阻率低一個(gè)數(shù)量級(jí)及以上的常規(guī)異常體（異常體的長(zhǎng)度、寬度要有一定規(guī)模，至少要與異常體埋深接近）的埋深和電阻率可以較準(zhǔn)確地反映出來。對(duì)比圖2 a1～a5 五幅圖，AMT 對(duì)異常體電阻率的反演結(jié)果分別為102、715、908、960 以及970 Ω·m，可以看出隨著異常體埋深的加大，在地表探測(cè)到的異常體與圍巖的電阻率越來越小，而異常體埋深在1 000 m以下時(shí)，這種差別雖然可以在理論模擬時(shí)區(qū)別出來，并且通過等值線的顏色刻意區(qū)分出來，但是在野外實(shí)際探測(cè)時(shí)由于受到環(huán)境噪音以及復(fù)雜的地質(zhì)背景影響，這種微弱的差異在實(shí)際測(cè)量的過程中會(huì)難以區(qū)分。

上述情況也出現(xiàn)在了圖2 列b 和列c 的圖中，即：隨著異常體埋深的增大，反演得到的異常體電阻率較圍巖電阻率差異逐漸減小。圖2 列b 的5 幅圖中，從淺到深反演得到的異常體的電阻率依次是48、93、240、365、2 423 Ω·m，而在列c 的5 幅圖中，反演得到的異常體的電阻率分別為37、40、75、220、5 600 Ω·m，可見隨著異常體埋深的增加，反演得到的異常體的電阻率值呈現(xiàn)逐漸增大的情況。而對(duì)異常體電阻率反演的最佳結(jié)果也隨著圍巖與異常體差異的增大而逐漸變深，其中圍巖1 000 Ω·m 時(shí)反演的最佳結(jié)果出現(xiàn)在50 m 高程處（以異常體上頂板所在位置的高程統(tǒng)計(jì)），此處異常體的反演電阻率最接近真實(shí)值；圍巖3 000 Ω·m 時(shí)在高程-450 m 時(shí)最接近模型真實(shí)值，此處的反演結(jié)果為93 Ω·m；圍巖電阻率10 000 Ω·m 時(shí)，反演的最佳結(jié)果出現(xiàn)在高程-950 m以下位置（-950 m時(shí)75＜100 Ω·m，而-1 450 m時(shí)240＞100 Ω·m，故在兩者之間位置）。

此外，針對(duì)異常體埋深相同而圍巖電阻率不同的情況，從對(duì)比圖中可以得出：在異常體高程0 m 時(shí)，三種圍巖背景下AMT 對(duì)異常體埋深的反演結(jié)果都比較準(zhǔn)確；而隨著深度的逐漸增加，1 000 Ω·m 圍巖背景下AMT 法對(duì)異常體埋深的反演結(jié)果比模型的真實(shí)情況偏淺一點(diǎn)，而3 000 和10 000 Ω·m 兩種圍巖背景下則表現(xiàn)出相反的結(jié)論，即隨著深度的增加，AMT 對(duì)異常體埋深的反演結(jié)果比模型的真實(shí)情況要偏深一點(diǎn)。

最后，縱觀全圖可以得出，反演結(jié)果中大部分低阻異常體的上方有明顯的一個(gè)假高阻體存在，這種現(xiàn)象在圖2b、c 兩列圖尤其是圖2 b2、b3、b4、c1、c2、c3 及c4 中表現(xiàn)明顯，且可以看出圍巖與異常體電阻率差異越大，這種現(xiàn)象越明顯。

將高阻模型的初始條件重新賦值，設(shè)計(jì)成低阻模型。低阻模型的圍巖電阻率依次為100、30、10 Ω·m，而其中的高阻異常體阻值1 000 Ω·m，異常體的規(guī)模、埋深及模型尺寸等信息不變。

圖3 是針對(duì)低阻圍巖背景且埋深不同的高阻異常體反演的結(jié)果對(duì)比圖，從整幅圖中可以看出，當(dāng)圍巖電阻率與異常體電阻率差異在10～100 倍之間時(shí)，只要高阻異常體埋深2 300 m 以內(nèi)，理論上可以通過對(duì)AMT 測(cè)深得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算來解決一定規(guī)模異常體的定位問題。

針對(duì)圍巖電阻率100 Ω·m條件下異常體不同埋深的情況（圖3 a1～a5），可以得出隨著異常體埋深的增大，反演計(jì)算出的電阻率逐漸由200、125、106減小到103、102 Ω·m，與圍巖的電阻率差異逐漸減小。這種情況同樣也出現(xiàn)在圖3列b、c中，列b的5幅圖反映的是在圍巖電阻率為30 Ω·m 時(shí)異常體的電阻率值，結(jié)果依次為66.5、35.6、31.5、30.8、30.5 Ω·m，列c 中反演的異常體的電阻率值分別為17、11、10.3、10.1、10.3 Ω·m，可見圍巖電阻率為低阻時(shí)，AMT法反演的高阻異常體的電阻率值與圍巖背景的電阻率值有較大的關(guān)系，其中呈現(xiàn)出兩條明顯的規(guī)律：①當(dāng)圍巖電阻率一定時(shí)，隨著異常體埋深的增加，反演得到的異常體的電阻率值逐漸趨近圍巖的電阻率值；②當(dāng)深度一定時(shí)，隨著圍巖背景的電阻率逐漸變小，反演出的異常體的電阻率值也在不斷減小，以50 m高程為例，其反演電阻率從200、66.5最后到17 Ω·m，呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)，且減小的幅度與背景圍巖電阻率減小的幅度的相對(duì)值大致相等，這種現(xiàn)象在5個(gè)深度上表現(xiàn)一致。

圖3 低阻模型不同背景電阻率下不同埋深的高阻異常體的二維反演結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of 2D inversion results of high resistivity abnormal bodies buried at different depths under different background resistivity

此外，對(duì)比反演結(jié)果中異常體埋深的信息可以得出，圍巖電阻率為100 Ω·m 時(shí)對(duì)異常體埋深的反演結(jié)果隨著異常體深度的增加而逐漸深于模型的真實(shí)情況，而圍巖電阻率是30 Ω·m和10 Ω·m 時(shí)隨著深度的增大，反演得出的異常體的埋深要淺于模型真實(shí)的情況。這與高阻圍巖背景下低阻異常體的情況恰好相反。

最后，針對(duì)圍巖電阻率10 Ω·m 條件下異常體不同埋深的情況（圖3 c1～c5），雖然在此次理論模擬時(shí)，可以通過設(shè)置顏色有針對(duì)性地區(qū)分出高阻異常體，但是在該電阻率背景下，異常體的高阻特征已經(jīng)不明顯，異常體埋深最淺時(shí)反演的電阻率值最大也僅有17 Ω·m，而在-1 950 m 處時(shí)更是在淺地表反演出了一個(gè)假的高阻層，可見隨著圍巖與異常體電阻率差異的變大，在低阻圍巖背景下反而更難區(qū)分高阻異常體。這也與高阻圍巖背景下夾有低阻體的情況正好相反。

3 AMT 對(duì)不同圍巖背景下板狀異常體的探測(cè)效果對(duì)比

在對(duì)比了上述塊狀異常體的不同情況后，我們引入板狀模型。其圍巖條件也分為高阻體和低阻體兩種情況，圍巖的電阻率設(shè)置與前面類似，圍巖為高阻體時(shí)其電阻率依次設(shè)置為1 000、3 000、10 000 Ω·m，低阻異常體的電阻率為100 Ω·m；圍巖是低阻體時(shí)其電阻率分別設(shè)置為100、30、10 Ω·m，高阻異常體電阻率為1 000 Ω·m，異常體的頂?shù)装鍖?duì)應(yīng)的高程分別為-950、-1 250 m。模型的大小及網(wǎng)格剖分與前述模型一樣。

圖4 是不同背景電阻率下板狀異常體的二維反演結(jié)果對(duì)比，第一行的三幅圖是高阻環(huán)境中夾有低阻層的結(jié)果對(duì)比，可以看出，三種情況下都能從高阻圍巖背景下區(qū)分出低阻異常體，但是對(duì)異常體的電阻率及深度信息的反演結(jié)果卻不甚相同，通過對(duì)比可以看出隨著圍巖電阻率值的增大，其與低阻層電阻率的差異變大，此時(shí)對(duì)低阻層部分電阻率值的反演的準(zhǔn)確性有顯著的提高。同時(shí)，對(duì)比反演出的板狀異常體頂?shù)捉缑婵芍庾g出的頂、底界面均較實(shí)際情況偏深，且底界面的這種差異較頂界面更突出。第二行的三幅圖是低阻環(huán)境中夾有高阻層的反演結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出，圖d 和e 能夠區(qū)分出高阻層，但是圖f 已經(jīng)很難區(qū)分出低阻圍巖中的高阻層了，隨著圍巖與高阻體電阻率差異的變大，即隨著圍巖電阻率的變小，對(duì)高阻層的反演結(jié)果不論是電阻率值還是高阻體頂?shù)装逦恢枚荚絹碓讲?，這從圖d 與圖f 的對(duì)比可以明確得出。

圖4 不同背景電阻率下板狀異常體的二維反演結(jié)果對(duì)比Fig.4 Comparison of 2D inversion results of plate abnormal body under different background resistivity

通過對(duì)低阻圍巖背景中高阻板狀體的模擬可以得出下列結(jié)論，即在其他條件不變的情況下，對(duì)于固定的高阻異常體，AMT 法對(duì)其的識(shí)別能力并不隨著圍巖電阻率的降低即兩者電阻率差異的變大而增加，相反的，隨著這種差異的變大，其識(shí)別能力反而減弱了，這與高阻圍巖背景下夾雜低阻體的情況截然相反。

4 野外實(shí)際情況討論

圖5 是在南方某地區(qū)施工的一條剖面的電阻率反演斷面圖與鉆孔電阻率測(cè)井曲線的對(duì)比圖。該剖面是典型的高阻圍巖中夾有低阻層，低阻層與上下兩層高阻體的電性差異比較明顯，可以通過AMT 方法對(duì)低阻層的頂?shù)装迓裆钸M(jìn)行探測(cè)，且剖面上有鉆孔ZK-1 通過，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 LI 剖面電阻率二維反演斷面圖與鉆孔電阻率測(cè)井曲線圖Fig.5 2D inversion section of resistivity of profile LI and borehole resistivity logging curve

通過對(duì)該剖面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的反演計(jì)算，解譯的低阻層的頂?shù)捉缑嫒鐖D中虛線、實(shí)線所示。經(jīng)與鉆孔揭露的實(shí)際情況（圖中“十”字）對(duì)比可得，低阻層頂板反演解譯的結(jié)果比較準(zhǔn)確，而低阻層的底界面與實(shí)際情況差別較大，這與我們?cè)诘谌?jié)中對(duì)高阻體圍巖中夾有低阻板狀體情況的理論模擬結(jié)果相一致，說明在野外的實(shí)際測(cè)量過程中，對(duì)于高阻體圍巖中夾有板狀或?qū)訝畹妥梵w的情況，其通過AMT反演揭露的下底板埋深往往要比真實(shí)情況要偏深，在實(shí)際解決問題的過程中，可以據(jù)此對(duì)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，以提高?shù)據(jù)解譯的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)不同圍巖電阻率背景下不同埋深電性異常體的正反演模擬，結(jié)合實(shí)際資料進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1）在開展的對(duì)比試驗(yàn)中，當(dāng)?shù)妥鑷鷰r中夾有高阻體時(shí)，圍巖與高阻體的差異并不是越大越好，兩者之間的差異需要一個(gè)合適的范圍，當(dāng)超出這個(gè)范圍時(shí)，高阻體的異常信息可能被屏蔽掉。

2）當(dāng)高阻圍巖中夾有低阻體時(shí)，圍巖與低阻體的差異越顯著越好，兩者差異越大，對(duì)低阻體阻值和埋深的反演結(jié)果就越準(zhǔn)確。

3）對(duì)于板狀體的識(shí)別，當(dāng)圍巖是高阻體，而異常體是低阻體時(shí)，對(duì)低阻體底界面埋深的反演結(jié)果通常會(huì)比真實(shí)情況偏深一點(diǎn)，需在實(shí)際資料解譯時(shí)予以適當(dāng)修正。

4）上述結(jié)論是基于無噪音情況下的理論模擬，現(xiàn)實(shí)中因?yàn)楸尘霸胍艏捌渌蛩氐挠绊?，反演結(jié)果是否會(huì)有效識(shí)別模型中所示規(guī)模的異常體，需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。