李曉昌， 鐘 清， 方 慧， 張小博， 裴發(fā)根

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

大地電磁測(cè)深數(shù)據(jù)處理技術(shù)與反演方法改進(jìn)及其應(yīng)用實(shí)例

李曉昌， 鐘 清， 方 慧， 張小博， 裴發(fā)根

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

介紹了大地電磁測(cè)深法在“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質(zhì)遠(yuǎn)景調(diào)查”中，其數(shù)據(jù)處理與反演的基本方法與運(yùn)用原則，提出了“淺部選擇Occam反演，深部選用NLCG反演”和“交叉測(cè)線剖面阻抗旋轉(zhuǎn)處理”及“多折線剖面等距離Li旋轉(zhuǎn)算法處理”的改進(jìn)方法技術(shù)組合，從整體上提高了MT資料處理與反演成果的質(zhì)量。應(yīng)用實(shí)例的反演結(jié)果真實(shí)有效，為后期的綜合解釋提供了可靠性資料。

MT； Occam二維反演； 非線性共軛梯度反演； 等距離Li旋轉(zhuǎn)算法； 突泉盆地

0 前言

我們?cè)凇八蛇|外圍中新生代盆地群油氣地質(zhì)綜合調(diào)查”中，開展了大地電磁測(cè)深(MT)勘查。從2011年-2014年，完成十余條MT剖面，測(cè)線長達(dá)1 399 km，測(cè)深點(diǎn)1 442個(gè)，高質(zhì)量完成了數(shù)據(jù)處理與反演解釋，其成果為分析火山巖覆蓋層下隱伏盆地分布范圍、盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造提供了可靠性資料[1-5]。

筆者介紹了在調(diào)查區(qū)內(nèi)MT數(shù)據(jù)處理和反演工作的基本方法與運(yùn)用原則。數(shù)據(jù)處理技術(shù)與反演方法包括對(duì)數(shù)據(jù)的定性分析和定量分析。定性分析包括介質(zhì)維性分析、傾子分析、磁感應(yīng)矢量分析、擬斷面分析；這里重點(diǎn)敘述了數(shù)據(jù)處理方法技術(shù)的改進(jìn)，包括“交叉測(cè)線剖面數(shù)據(jù)阻抗旋轉(zhuǎn)處理”和“多段線剖面等距離Li旋轉(zhuǎn)算法處理”新方法，經(jīng)過這兩項(xiàng)特殊剖面數(shù)據(jù)處理新技術(shù)的實(shí)施，從整體上提高了MT資料處理與反演成果的質(zhì)量。

在定性分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)研究目標(biāo)的不同，采用“淺部一維、二維反演選擇Occam反演”和“深部選用二維非線性共軛梯度反演(NLCG)”方法技術(shù)組合，淺部和深部分開單獨(dú)進(jìn)行反演。淺部反演深度范圍為8 km～10 km，可充分顯示橫向分塊、縱向分層的電性特征，有利于地層的劃分；深部反演深度范圍為70 km～120 km，可充分顯示構(gòu)造格架，有利于深淺構(gòu)造耦合關(guān)系的解釋。

列舉對(duì)突泉盆地FZ3與FZ6交叉剖面處理和FZ3折線長剖面處理及FZ6剖面淺部與深部反演的應(yīng)用實(shí)例，證實(shí)這套方法技術(shù)組合對(duì)野外實(shí)測(cè)資料處理是合理有效的，反演的結(jié)果接近地下真實(shí)地電模型。

1 MT數(shù)據(jù)處理方法技術(shù)的改進(jìn)

1.1 交叉測(cè)線數(shù)據(jù)阻抗旋轉(zhuǎn)處理

MT測(cè)線一般遵循垂直于構(gòu)造走向布設(shè)原則，但實(shí)際工作中出于對(duì)某些重點(diǎn)靶區(qū)閉合的考慮，會(huì)布設(shè)兩條交叉或多條交叉測(cè)線。根據(jù)相鄰區(qū)域MT測(cè)點(diǎn)曲線形態(tài)相似原理，地下沉積地層在橫向上是連續(xù)性的。由于MT測(cè)深采用張量觀測(cè)方式，采集結(jié)果有兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)，選擇不同方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演，結(jié)果可能偏差很大，所以在極化模式判定時(shí)，倘若仍按照常規(guī)對(duì)數(shù)據(jù)阻抗的旋轉(zhuǎn)原則，將阻抗張量旋轉(zhuǎn)到測(cè)線的法向方向，則交叉測(cè)線的極化模式可能相反，此時(shí)采用相同的極化模式進(jìn)行反演，結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)較大差異而拼接不上，有悖于地質(zhì)認(rèn)知?；诖?，在確定一條測(cè)線垂直于主體構(gòu)造走向布設(shè)的情況下，將另一條測(cè)線數(shù)據(jù)阻抗再旋轉(zhuǎn)90°，相當(dāng)于兩條測(cè)線數(shù)據(jù)都旋轉(zhuǎn)到主體構(gòu)造方向，此時(shí)再選擇同一極化模式進(jìn)行二維反演，反演結(jié)果交叉處附近呈現(xiàn)連續(xù)性，更符合地下真實(shí)地電特征。

1.2 多段線剖面“等距離 Li 旋轉(zhuǎn)算法”處理

在實(shí)際工作中，對(duì)由兩條或多條短測(cè)線連接而成的一條長折線剖面，MT二維反演通常采用各測(cè)線段剖面單獨(dú)反演，然后將各段的反演結(jié)果拼接起來，或是采取對(duì)折線剖面“截彎取直”式反演的方法。前者分段式反演由于邊界效應(yīng)的存在往往造成反演結(jié)果拼接不上，后者“截彎取直”式反演結(jié)果不能反應(yīng)測(cè)線剖面的真實(shí)長度，影響解釋工作。常規(guī)壓制邊界效應(yīng)的手段是采用測(cè)點(diǎn)中心網(wǎng)格設(shè)計(jì)技術(shù)，添加模型兩側(cè)的缺省網(wǎng)格，增加反演初始網(wǎng)格模型的長度[6-7]，此方法可降低但不能消除邊界效應(yīng)影響。為徹底消除邊界效應(yīng)，我們提出了“等距離Li旋轉(zhuǎn)算法”將多段線轉(zhuǎn)換成一段線的改進(jìn)方法[8]，以兩段線為例，如圖1所示的黑色實(shí)體線代表兩段線剖面，第一測(cè)線段方位不變，長度為L0，將第二段線剖面上測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)等距離順時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ角，使得兩段線剖面成為一段線剖面，虛線代表旋轉(zhuǎn)后的剖面測(cè)線。B1、B2、B3……為第二段線剖面上的測(cè)點(diǎn)，B1′、B2′、B3′……為等距離旋轉(zhuǎn)后與前者相對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)，假設(shè)測(cè)點(diǎn)B1(x1，y1)、B2(x2，y2)、B3(x3，y3)……的坐標(biāo)已知，則B2′(x2′，y2′)、B3′(x3′，y3′)……坐標(biāo)為：

(1)

由公式(1)解得：

(2)

式中：k為第一段測(cè)線的斜率；L1、L2為第二段測(cè)線上測(cè)點(diǎn)B2、B3分別到拐點(diǎn)B1的距離；k、L1、L2經(jīng)計(jì)算可得。同理可寫出

(3)

經(jīng)計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)后測(cè)線剖面上B2′(x2′,y2′)、B3′(x3′,y3′)、B4′(x4′,y4′)……的坐標(biāo)。

利用以上方法將多段線測(cè)點(diǎn)歸一到原先設(shè)定測(cè)線的方位上，形成一段線剖面數(shù)據(jù)后再進(jìn)行二維反演。其結(jié)果有效消除了邊界效應(yīng)，而且最大程度地反映了測(cè)線剖面的真實(shí)長度，提高了反演結(jié)果的可靠性。

圖1 等距離Li旋轉(zhuǎn)算法示意圖Fig.1 Sketch map of Li equidistant rotation algorithm

2 MT反演方法技術(shù)組合

2.1 淺部采用Occam一維、二維反演

針對(duì)盆地內(nèi)沉積地層的主要特點(diǎn)是橫向上的連續(xù)性和縱向上的分層性，淺部一維、二維反演選擇Occam反演。Occam反演是要尋找一個(gè)盡可能與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)既相吻合，又具有最小粗糙度的地電結(jié)構(gòu)模型。反演要求多層模型光滑，受初始模型影響小，運(yùn)算穩(wěn)定、收劍性好，特別值得關(guān)注的是低阻體異常在深部的形態(tài)受Occam光滑影響變得不太明顯[9-10]。楊長福等[11]研究表明，用Occam反演計(jì)算可以取得很好的效果。二維反演初始模型選擇一維反演結(jié)果，它保留了已有一維反演結(jié)果關(guān)于層狀介質(zhì)模型的宏觀輪廓信息，一維和二維反演結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這對(duì)盆地巖體和沉積地層的劃分有很好的參照作用。選擇參與反演的MT數(shù)據(jù)頻率范圍為0.01 Hz～320 Hz，反演深度為8 km～10 km。

2.2 深部采用二維非線性共軛梯度反演方法

NLCG反演僅需利用一階導(dǎo)數(shù)信息，是解大型非線性方程組最優(yōu)化最有效的算法之一。其優(yōu)點(diǎn)是所需存儲(chǔ)量小、收斂快、而且不需任何外來參數(shù)，與Occam反演相比有很強(qiáng)的互補(bǔ)性[12-13],而且NLCG反演分辨率較高、與實(shí)際模型更加接近。為開展盆地深部電性構(gòu)造的分析與研究，結(jié)合數(shù)據(jù)采集頻率范圍，采用二維NLCG反演方法，初始模型選擇均勻半空間模型，它保證了深部電性結(jié)構(gòu)的均勻性。選擇參與反演的MT數(shù)據(jù)頻率范圍為0.000 5 Hz～320 Hz，反演深度范圍為70 km～120 km。

2.3 數(shù)據(jù)處理與反演的步驟及實(shí)現(xiàn)過程

數(shù)據(jù)處理與反演的步驟及實(shí)現(xiàn)的過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.2 Data processing flow chart

1)進(jìn)行特殊剖面處理。經(jīng)過預(yù)處理后的剖面數(shù)據(jù)，首先要求對(duì)交叉測(cè)線剖面和多段線剖面分別進(jìn)行“交叉測(cè)線剖面數(shù)據(jù)阻抗旋轉(zhuǎn)處理”和“多段線剖面等距離Li旋轉(zhuǎn)算法處理”，然后和其他的測(cè)線數(shù)據(jù)一起進(jìn)行其后的定性分析。

2)進(jìn)行定性分析。通過介質(zhì)維性分析定性判斷地下構(gòu)造特征維數(shù)；通過傾子分析定性反映地下介質(zhì)橫向電性的不均勻性，從宏觀上對(duì)斷裂的位置、大小、深度和傾向等做出定性解釋；通過磁感應(yīng)矢量分析定性了解測(cè)點(diǎn)下方相應(yīng)深度上的側(cè)向電性信息；通過繪制頻率-視電阻率擬斷面圖和頻率-相位擬斷面圖大致了解地下電阻率、相位沿測(cè)線的整體變化特征，指示大斷裂的存在。另外還可將反演電性模型相應(yīng)數(shù)據(jù)擬斷面和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬斷面圖進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證反演結(jié)果的可靠性。

3)進(jìn)行定量反演。剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)反演，得到可以進(jìn)行定量解釋的地下電性結(jié)構(gòu)模型。淺部進(jìn)行一維、二維Occam反演；深部則進(jìn)行二維NLCG反演。定性分析與定量分析采用了MTSoft2D軟件(成都理工大學(xué))和MTPioneer軟件(中國地震局地質(zhì)研究所)反演可視化平臺(tái)。

4)根據(jù)二維反演結(jié)果，綜合地質(zhì)、物性、其他地球物理等資料進(jìn)行地質(zhì)解釋，編制地質(zhì)解釋斷面圖。

3 應(yīng)用實(shí)例

選擇在突泉盆地南部開展MT測(cè)深的FZ6測(cè)線和FZ3測(cè)線數(shù)據(jù)處理為例。其中FZ6剖面穿過突泉盆地跨入松遼盆地，呈NNW向展布,剖面全長145 km。FZ3剖面位于松遼盆地與大興安嶺東麓結(jié)合部位，呈NE向布設(shè)，貫穿扎魯特和突泉盆地，該剖面為兩段線折線剖面，第一段測(cè)線長121 km，第二段測(cè)線長112 km，與研究區(qū)大多數(shù)測(cè)線(NW向)幾近垂直。

野外施工采用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的測(cè)量儀器V5—2000，測(cè)量點(diǎn)距為1 km，采用五分量張量測(cè)量方式，觀測(cè)頻率為0.000 5 Hz～320 Hz。為了保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，每個(gè)MT測(cè)深點(diǎn)的野外采集記錄時(shí)間一般不低于8 h。

3.1 交叉測(cè)線數(shù)據(jù)處理實(shí)例

突泉盆地中FZ3測(cè)線近乎平行于大興安嶺東緣斷裂走向，F(xiàn)Z6測(cè)線與其相交，且基本垂直于主體斷裂走向布設(shè)，將FZ3和FZ6測(cè)線數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到構(gòu)造走向方向，即將FZ3測(cè)線數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)90°，F(xiàn)Z6測(cè)線數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)0°，然后選擇TM極化模式進(jìn)行二維反演，反演結(jié)果如圖3所示，圖3中紅色線位置為兩條剖面相交位置。

圖3 FZ3剖面與FZ6剖面交叉處反演結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFig.3 Comparison of the inversion results at the intersection of FZ3 and FZ6 profiles

從圖3可以看出，F(xiàn)Z3剖面與FZ6剖面相接處,斷面上由淺至深所遇高阻體(桔黃色標(biāo))和低阻體(深藍(lán)色標(biāo))都有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，F(xiàn)Z3剖面的高阻體處在-4.5 km ～-2 km，低阻體處在-12 km～-6 km；FZ6剖面的高阻體處在-4.2 km～-1.5 km，低阻體處在-11.5 km～-5.5 km,以下層次也一一對(duì)應(yīng)，十分清晰，較符合地下真實(shí)地電特征。

3.2 多段線剖面處理實(shí)例

FZ3剖面上的測(cè)點(diǎn)分布所擬合的測(cè)線呈一條折線，第一段線為A-B，第二條線為B-C,兩段測(cè)線方位相差17°，按照“等距離Li旋轉(zhuǎn)算法”將第二段測(cè)線上測(cè)點(diǎn)進(jìn)行等距離Li順時(shí)針旋轉(zhuǎn)17°，使擬合測(cè)線轉(zhuǎn)化為一段線剖面(A-B-C’)。按照常規(guī)對(duì)二段線分別反演的結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，分段式反演由于邊界效應(yīng)的存在造成反演結(jié)果拼接不上，產(chǎn)生地下電性連續(xù)體出現(xiàn)錯(cuò)斷，如圖4中在邊界處的D、E、F、G低阻體(層)受邊界效應(yīng)影響發(fā)生嚴(yán)重畸變，如此形成的虛假信息，勢(shì)必給解釋帶來錯(cuò)覺。

經(jīng)過“等距離Li旋轉(zhuǎn)算法”改進(jìn)后的反演結(jié)果如圖5所示，其二維反演結(jié)果要好于圖4中的反演結(jié)果，圖4中兩段線剖面拼接處的邊界效應(yīng)基本消失，D、E、F、G區(qū)域不連續(xù)的低阻帶在圖5中恢復(fù)連續(xù)，結(jié)果更接近于真實(shí)地電模型。

圖4 二段線二維反演結(jié)果Fig.4 2D inversion results of two polyline

圖5 一段線二維反演結(jié)果Fig.5 1D inversion results of new profile data

3.3 方法技術(shù)組合反演實(shí)例

突泉盆地FZ6大地電磁剖面的反演電阻率斷面如圖6所示。由圖6可知，淺部和深部低阻和高阻的整體形態(tài)對(duì)應(yīng)較好。圖6(a)中橫向分塊、縱向分層的電性特征明顯，有利于地層的劃分。0 km～32 km以高阻、中高阻異常為特征，表明該處主要為中酸性巖體和酸性巖體分布區(qū)；32 km～71 km電性以低阻異常為特征，電阻率只有n×100Ω·m～n×101Ω·m，是剖面上電阻率最低地段，局部穿插中高阻異常，主體對(duì)應(yīng)凹陷內(nèi)中、新生代地層發(fā)育區(qū)，局部有巖體侵入；在縱向上呈現(xiàn)高、低阻互層特征，電阻率斷面圖反應(yīng)了沉積地層的展布。71 km～145 km電性以中、低阻異常為特征，縱向上都表現(xiàn)出明顯的低、中阻、低阻、中高互層特征。中西部47 km～70 km對(duì)應(yīng)于牤牛海凹陷，電阻率為n×10-1Ω·m～1×101Ω·m，是連續(xù)性好的低阻層，具有尋找中生代侏羅系和晚古生代油氣資源的有利遠(yuǎn)景。

圖6(b)斷面圖中出現(xiàn)一明顯的低阻異常帶，其形態(tài)呈“八”字型分布。位于中部的低阻層近似水平，與牤牛海凹陷區(qū)對(duì)應(yīng)；東側(cè)的低阻帶，產(chǎn)狀近似直立，傾向南東，分析認(rèn)為是嫩江-八里罕深大斷裂的反映。圖6(b)構(gòu)造格架清晰，有利于深淺構(gòu)造耦合關(guān)系的解釋。

由圖6可見，數(shù)據(jù)處理過程中針對(duì)不同的研究目標(biāo),淺部采用Occam二維反演，深部采用NLCG二維反演的方法技術(shù)組合是有效合理的。

圖6 FZ6剖面淺部Occam和深部NLCG二維反演結(jié)果Fig.6 Two dimensional inversion results of shallow Occam and deep NLCG in FZ6 section(a)淺部反演;(b)深部反演

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)在“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質(zhì)綜合調(diào)查”中，MT數(shù)據(jù)處理技術(shù)與反演方法的改進(jìn)有以下認(rèn)識(shí)：

1)對(duì)特殊剖面的處理是進(jìn)行定性與定量分析之前的重要環(huán)節(jié)。它的實(shí)施，從整體上提高了定性分析與定量反演成果的質(zhì)量。交叉測(cè)線剖面數(shù)據(jù)阻抗旋轉(zhuǎn)處理反演結(jié)果在測(cè)線相交處附近呈現(xiàn)很好的連續(xù)性和一致性；多折線剖面“等距離 Li 旋轉(zhuǎn)算法”處理有效消除了分段式單獨(dú)反演結(jié)果拼接部位的邊界效應(yīng)，提高了后期的綜合解釋水平。

2)定量分析方法的選擇是重中之重。針對(duì)盆地內(nèi)沉積地層的特征和研究盆地深部構(gòu)造的要求，采用“淺部選擇Occam反演，深部采用NLCG反演”方法技術(shù)組合，經(jīng)野外實(shí)測(cè)資料處理證實(shí)是合理有效的，反演結(jié)果接近地下真實(shí)地電模型。

致謝：

參加該項(xiàng)目的：袁永真、張鵬輝、盧景奇、高保屯、何梅興、仇根根、白大為、杜炳銳、劉暢往,在此致以謝意！

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The application examples and improvement for data processing technology and inversion methods of the magnetotelluric sounding

LI Xiaochang, ZHONG Qing, FANG Hui, ZHANG Xiaobo, PEI Fagen

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，CAGS，Langfang 065000，China)

In this paper,the data processing technology and the inversion methods of the magnetotelluric sounding are introduced in the program,that called oil and gas geological survey prospect in Mesozoic and Cenozoic basin groups of the peripheral of Songliao basin. Combination of technologies that are 1D and 2D Occam inversion methods are selected in the shallow strata and the NLCG inversion method is applied in deep strata that have been proposed. The new methods that are the technology of cross survey-lines impedance rotation processing and the technology of Li equidistant rotation algorithm in polyline sections have been used. The quality of inversion results is improved by the application of these technologies. The examples of inversion results are real and effective. This method provides reliable information for the comprehensive explanation.

magnetotelluric sounding; the inversion method of Occam; the nonlinear conjugate gradient inversion method; Li equidistant rotation algorithm; Tuquan basin

2016-03-25 改回日期：2016-05-20

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(1212011120971)

李曉昌(1964-)，男，教高，從事大地測(cè)量和大地電磁法方法技術(shù)研究和應(yīng)用開發(fā)工作， E-mail：lixiaochang@igge.cn。

1001-1749(2017)03-0313-06

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.03.03