賈宛瑜，陳清禮,2，戴澤麟，黃江衡，薛毛毛，葉 甘

(1.長江大學(xué) 地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100；2.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點實驗室，武漢 430100)

大地電磁測深法(MT)是一種頻率域地球物理勘探方法，主要以巖礦石的電性差異為前提，通過在地表收集彼此正交的電場和磁場分量，經(jīng)過一系列數(shù)學(xué)處理得到反映地下電性結(jié)構(gòu)的視電阻率曲線、阻抗相位曲線及其他相關(guān)的大地電磁響應(yīng)函數(shù)。之后建立模型，將觀測資料與不同模型的反演結(jié)果做出對比，得到與實測資料最為契合的解釋模型，對于研究地層中異常構(gòu)造有重要的輔助作用。針對大地電磁在識別斷裂構(gòu)造方面的研究較多。范祥泰等[1]采用大地電磁法對安石隧道上方隱伏構(gòu)造進(jìn)行探測，結(jié)果與后期鉆探成果相吻合，證明該方法可以有效探測出隱伏構(gòu)造的位置與形態(tài)；劉組鑒等[2]通過構(gòu)建6組大地電磁正演模型，分析在不同的斷裂深度和圍巖電性結(jié)構(gòu)差異下大地電磁對低阻斷裂帶的分辨能力，并得出以下結(jié)論：①斷裂埋深對反演結(jié)果的分辨率影響較大，淺部斷裂可以準(zhǔn)確地識別出來，而深部斷裂無法直接反映在反演結(jié)果中；②電性差異對識別效果影響較大，低阻斷裂與圍巖的電性差異越大，則被識別的更明顯；③當(dāng)淺層存在低阻異常時，大部分電磁信號會被其吸收，導(dǎo)致深部低阻異常的識別效果不理想。

為了驗證大地電磁在具有復(fù)雜構(gòu)造的真實地形中對斷裂構(gòu)造的識別效果是否也符合以上結(jié)論，本文以藏北高原庫木庫里測區(qū)內(nèi)的一條大地電磁測深線為研究對象，經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)處理，最后通過對比實測資料與反演結(jié)果圖來做出分析。

1 測區(qū)內(nèi)地電特征

庫木庫里盆地位于青藏高原北緣，四面環(huán)山，是一個典型的山間斷陷盆地，它緊鄰柴達(dá)木盆地，地質(zhì)勘探程度卻遠(yuǎn)低于后者。根據(jù)實際勘探資料顯示，盆地周圍山系皆由古生界及時代更老的變質(zhì)巖系組成，中、新生代地層多分布于盆地中部。其中第三系集中分布在盆地中部，總厚度達(dá)5 483 m，露頭區(qū)約占盆地面積1/4以上，主要巖性為砂巖，為盆地內(nèi)低阻主要分布區(qū)。

庫木庫里測區(qū)的實際登記面積為6 150 km2。測區(qū)內(nèi)部以電阻率特性大致可以分為五套地層，另外在測區(qū)南北兩端邊緣有局部發(fā)育的火成巖侵入，呈現(xiàn)高阻特征。具體的地層-電阻率分布情況如圖1所示。

圖1 測區(qū)內(nèi)地層-電阻率分布

1)第四系平原組(Q)：電阻率為50～400 Ω·m，為測區(qū)高阻層。主要巖性為砂、礫。

2)第三系紅梁組(N2h)：電阻率小于5～20 Ω·m，為測區(qū)低阻層。主要巖性為砂巖。

3)第三系石馬溝組-石壁梁組(N1s-N2sb)：電阻率小于1～2 Ω·m，為測區(qū)最低阻層。主要巖性為砂巖。

4)奧陶系-侏羅系(O-T)：電阻率一般大于200 Ω·m，為中阻層。主要巖性為砂巖、灰?guī)r。

5)前寒武系(An∈)：電阻率一般小于2 Ω·m，為測區(qū)次低阻層。主要巖性為花崗片麻巖、板巖等。

5套地層之間電阻率差異較為明顯，且斷裂構(gòu)造常表現(xiàn)為低阻特征，兩者為應(yīng)用大地電磁測深方法識別斷裂提供前提條件[3]。

2 方法原理

大地電磁測深法[4-5]的主要原理是電磁波的趨膚效應(yīng)，即電磁波在地下介質(zhì)中傳播時會發(fā)生能量的衰減，其頻率越大，探測可達(dá)的深度越小；反之，頻率越小，探測深度越大。那么就可以利用不同頻率下的電磁波信號來探測不同深度地層的電阻率分布特征。

為了研究大地介質(zhì)的電阻率和地面電磁場分量之間的關(guān)系，引入了波阻抗(Z)的概念，將其定義為在地表上測得的任意正交的電場E和磁場分量H之比，單位為Ω。在均勻各向同性介質(zhì)中，電場和磁場彼此正交，此時計算得到的阻抗為標(biāo)量阻抗，在直角坐標(biāo)系中利用場分量x和y表示為

(1)

之后根據(jù)式(2)將地面阻抗和地下介質(zhì)電阻率兩者之間建立聯(lián)系:

(2)

式中：Z表示地面阻抗，Ω；ρ表示視電阻率，Ω·m；ω為角頻率，數(shù)值上等于2πf，f表示頻率；μ為介質(zhì)磁導(dǎo)率，一般取值為4π×10-7H/m。

在水平不均勻或者各向異性介質(zhì)中，由于受到介質(zhì)電性主軸的影響，電場和磁場之間并非為正交關(guān)系，此時阻抗為張量阻抗，分別記為ZTE和ZTM，且ZTE≠ZTM。反映在二維大地電磁場模型中，則會呈現(xiàn)出完全不同的兩條視電阻率曲線，一條是電場沿構(gòu)造方向極化的曲線，叫作TE極化模式下的視電阻率曲線，另一條是電場沿垂直于構(gòu)造方向極化的曲線，叫作TM極化模式下的視電阻率曲線。

3 數(shù)據(jù)處理

本研究共設(shè)置測點57個，點距為400 m。選用大地電磁測深儀器V5-2000系統(tǒng)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，記錄隨時間變化的2個電道數(shù)據(jù)和3個磁道數(shù)據(jù)。通過傅立葉變換將采集到的原始時間序列的電磁場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻率域，再由頻率域的電磁場數(shù)據(jù)求得各頻率的波阻抗，最后由波阻抗計算出視電阻率-相位曲線。對各個測點進(jìn)行極化模式識別、電性主軸分析、靜態(tài)校正和曲線光滑等反演前操作，最后進(jìn)行一維及二維反演，繪制視電阻率等值線剖面圖。

4 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)處理后的測點數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，走勢明顯。以10～26號測點為例，觀察單個測點在兩種極化模式下視電阻率-相位曲線(圖2)，發(fā)現(xiàn)整體上TE模式下視電阻率曲線形態(tài)變化明顯，而TM模式下視電阻率曲線除了部分測點在低頻段發(fā)生頻點上下跳動外并無明顯變化，因此TE模式相對TM模式的靈敏度更高，可以更好地反映電性變化。在10號和12號測點TE模式下視電阻率曲線在TM模式下視電阻率曲線的上方，兩條曲線無接觸；從14號到24號測點TE模式下視電阻率曲線在高頻段逐漸下移，直至與TM模式下視電阻率曲線發(fā)生部分重合，并與之形成“喇叭狀”曲線形態(tài)，這是斷裂構(gòu)造體現(xiàn)在視電阻率曲線形態(tài)上的一個較為明顯的特征，是判斷斷裂存在的重要證據(jù)[6]；在26號測點兩條曲線分開，“喇叭狀”消失。由此推斷在14號和26號測點之間存在斷裂構(gòu)造，這個推斷將在下面的反演結(jié)果中得到驗證。

橫坐標(biāo)為周期/s，縱坐標(biāo)為視電阻率/(Ω·m)，上面曲線為TE模式，下面曲線為TM模式。圖2 10～26號測點視電阻率-相位曲線

5 反演結(jié)果分析

使用大地電磁正反演專業(yè)軟件WinGLink進(jìn)行反演計算[7-9]。通過讀取各測點的功率譜文件，建立一維OCCAM地電模型，將一維反演結(jié)果作為初始模型進(jìn)行二維非線性共軛梯度反演。設(shè)置二維反演的參數(shù)為：反演模式為TE模式，反演深度為10 km，視電阻率和相位的擬合誤差值為5%，靜校正值為5%，迭代終止誤差為1.5%，圓滑因子為3，最小迭代次數(shù)為100次。

反演剖面圖如圖3所示。查閱測區(qū)實測資料，顯示測區(qū)內(nèi)自南向北分布著4條較為明顯的斷裂構(gòu)造-阿其格斷裂(F1)、梯子梁斷裂(F3)、風(fēng)塵口斷裂(F4)和阿牙克湖斷裂(F2)，下文將分別以F1、F2、F3、F4進(jìn)行代替說明。

圖3 MT二維反演視電阻率剖面圖

通過對比實測資料與反演結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)位于測區(qū)兩端的兩條斷裂(F1、F2)可以較為清晰地顯示出來，其中資料顯示F1斷裂大致位于13～24號測點之間，與上文中推斷一致。分析是由于測區(qū)兩端火成巖大范圍的侵入導(dǎo)致南北部新生界地層以下呈現(xiàn)出明顯的高阻特征，與之相鄰的F1、F2則呈現(xiàn)低阻特征，兩者由于電性差異較大，自然有較好的斷裂識別效果；而中部的F3、F4周圍皆為中低阻區(qū)，兩者電性差異不大，故斷裂識別效果差。

2)位于測區(qū)中部的兩條相對展布的斷裂(F3、F4)并沒有表現(xiàn)出明顯的低阻特征，但在F3和F4之間深度約5～10 km的地層中夾裹著“△”狀中高阻體，考慮是傾向相對的兩個逆斷裂之間相互作用使深部中高阻物質(zhì)發(fā)生相對向上的滑動移位，是F3、F4兩處斷裂的側(cè)面顯示。

3)在地下深度約5 km處橫向分布著少量異常低阻塊，根據(jù)實測資料顯示在該深度處存在橫向延伸形態(tài)的斷裂構(gòu)造，分析是由于大部分電磁信號被位于測區(qū)中部淺層的N1s-N2sb低阻帶所吸收，導(dǎo)致對深部斷裂識別效果變差。

6 結(jié)論

在地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的地區(qū)，大地電磁測深方法對淺部斷裂構(gòu)造有較好的識別效果；斷裂構(gòu)造與周圍區(qū)域電性差異越大，識別效果越好；淺層低阻帶的存在會導(dǎo)致對中深部斷裂構(gòu)造的識別效果變差。以上結(jié)論與建立模型得到的結(jié)論一致。另外在實際勘探工作中若發(fā)現(xiàn)存在三角狀異常電性構(gòu)造體，可以考慮存在是由多條相對距離較小的斷裂構(gòu)造運動所造成。

大地電磁測深方法對于識別淺層斷裂構(gòu)造有較高的有效性和準(zhǔn)確性，且較適用于地層電阻率差異較大的地區(qū)。