非目的巖層對(duì)MT薄層識(shí)別的影響研究

唐榮江， 甘 露

( 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059)

非目的巖層對(duì)MT薄層識(shí)別的影響研究

唐榮江， 甘 露

( 成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059)

基于電法勘探具有對(duì)低阻體反應(yīng)敏感的優(yōu)點(diǎn)，在礦產(chǎn)和工程上，運(yùn)用這一特性來尋找金屬礦脈，含水砂巖層，破碎斷層等低阻層狀結(jié)構(gòu)。實(shí)際情況下，對(duì)薄層分辨率造成影響因素非常多，除了薄層本身的厚度和電阻率以外，非目的層的復(fù)雜性、電阻率、厚度也對(duì)薄層識(shí)別造成巨大影響。為了正確認(rèn)識(shí)非目的層地層對(duì)于目的薄層分辨率的影響，采用一維大地電磁解析式對(duì)有無薄層的地電模型進(jìn)行計(jì)算成圖，并計(jì)算薄層處的視電阻率相對(duì)異常，同時(shí)對(duì)多個(gè)模型相對(duì)異常曲線成圖和對(duì)比，結(jié)合薄層處視電阻率相對(duì)異常，得出了非目的地層對(duì)薄層識(shí)別的影響因素的相關(guān)結(jié)論，用于指導(dǎo)實(shí)際情況。

大地電磁； 薄層識(shí)別； 非目的層

0 前言

對(duì)于大地電磁法對(duì)薄層識(shí)別能力的研究，前人已經(jīng)做過一些工作，其主要過程在于設(shè)計(jì)三層地電模型，通過分析有無薄層情況下的相對(duì)異常，得出最終結(jié)論。朱仁學(xué)等[1]就對(duì)MT薄層識(shí)別做過系統(tǒng)研究，得出了異常體規(guī)模越大，埋深越淺，異常體與圍巖電性差異越大，則分辨率越高的結(jié)論；戴前偉等[3]在此基礎(chǔ)之上把薄層的影響因素完善，主要包括MT對(duì)低阻薄層的分辨率高于高阻薄層，低阻薄層對(duì)視電阻率曲線的影響主要由埋深和縱向電導(dǎo)決定，滿足S等值性，且埋深越大，分辨率越低，高阻薄層對(duì)視電阻率曲線的影響主要由埋深和H等值性決定，厚度越大，埋深越淺，分辨率越高，并將薄層厚度與第一層厚度，薄層電阻率與第一層電阻率作了對(duì)比分析；蔣亞東等[4]主要針對(duì)大地電磁測(cè)深中薄層響應(yīng)特征，與地質(zhì)目標(biāo)體拾取的探討。

以上對(duì)薄層分辨率的研究，都是基于簡(jiǎn)單的三層模型來考慮薄層的分辨率，而且只考慮了薄層本身的厚度和相對(duì)電阻率對(duì)薄層分辨率的影響，并不考慮其他地層對(duì)薄層的分辨率的影響(如目標(biāo)低阻薄層之上又存在一個(gè)低阻薄層的情況)，所以這里在前人的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)多層模型，主要分析非目的層地層結(jié)構(gòu)和電阻率及厚度變化對(duì)于薄層識(shí)別的影響，實(shí)際情況中，對(duì)淺部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)了解得比深部清楚，如果能更系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)淺部結(jié)構(gòu)對(duì)MT識(shí)別深部薄層的影響，就能更加準(zhǔn)確地了解MT對(duì)薄層的分辨能力，這對(duì)于地球物理勘探具有重要意義。

1 薄層的視電阻率響應(yīng)計(jì)算

在均勻?qū)訝罱橘|(zhì)中，地表視電阻率的正演計(jì)算公式為式(1)。

(1)

式中：w為諧變場(chǎng)角頻率；u為第一層介質(zhì)的磁導(dǎo)率；Z1,n表示n層介質(zhì)中第一層波阻抗，第一層的波阻抗是由第n層的波阻抗遞推而得到的，而最底層可以假設(shè)它無限大而得到不存在反射波的波阻抗。即第n層特征阻抗，它可以直接計(jì)算出來。

考慮諧變場(chǎng)平面電磁波在均勻各項(xiàng)同性介質(zhì)中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)表達(dá)式，如式(2)所示[7]

Hy=Hy0e-bze-i(wt+az)

Ex=Ex0e-bze-i(wt+az)

(2)

其中[8]

(3)

(4)

其中：n為地層總層數(shù)；f為頻率；hi為第i層厚度；σi為第i層電導(dǎo)率。為了研究電磁場(chǎng)到達(dá)目的層時(shí)的能量與其分辨率的關(guān)系，我們所提的平均衰減系數(shù)主要是考慮從地表到目的層的平均衰減系數(shù)。

為了量化MT對(duì)薄層的分辨率，借鑒文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[5]的公式，使用相對(duì)異常來量化薄層的分辨率，即計(jì)算有無薄層情況下視電阻率曲線的相對(duì)差異：

(5)

式中：ρs為有薄層時(shí)的兩者視電阻率相差最大處的視電阻率；ρ0為該點(diǎn)頻率對(duì)應(yīng)的無薄層時(shí)的視電阻率。事實(shí)證明薄層埋藏深度所對(duì)應(yīng)的異常段位置的視電阻率相對(duì)差異(即后文的相對(duì)異常)越大，薄層則更容易被識(shí)別出來。

2 MT薄層識(shí)別的局限性

由于大地電磁本身對(duì)高阻薄層非常不敏感[3]，在簡(jiǎn)單三層模型情況下，高阻薄層的異常響應(yīng)較小，在較為復(fù)雜的地電模型下，難以識(shí)別高阻薄層，所以我們主要是針對(duì)低阻薄層分辨率的探討。

用有無薄層的相對(duì)異常來識(shí)別薄層在實(shí)際運(yùn)用中有較大的局限性，首先實(shí)際工作中難以得到無薄層情況下的測(cè)深曲線，更不必說相對(duì)異常；其次MT本身的體積效應(yīng)和等值性存在，即使有相對(duì)異常地存在也難以判斷一定是薄層，而可能是與薄層滿足等值性的一個(gè)厚層，也可能是低阻層中夾有高阻薄層，所以要識(shí)別薄層需要做進(jìn)一步的約束和反演。這里使用相對(duì)異常作為量化分辨率的參數(shù)，它在某種程度上代表分辨率的大小，用此來研究薄層分辨率。

一個(gè)非目的低阻層或高阻層的存在，必然會(huì)對(duì)低阻薄層識(shí)別造成一定程度的影響，其影響為：①埋深；②電阻率；③厚度。不難理解，其埋深越接近目的層埋深，對(duì)目的層識(shí)別的影響越大。低阻非目的層和目的層電阻率一致或比它更小，都會(huì)與目的層異常結(jié)合在一起難以分離；高阻非目的厚層埋深接近低阻目的薄層時(shí)，會(huì)完全掩蓋掉應(yīng)有的低阻異常。但是如果用相對(duì)異常作為識(shí)別薄層的參數(shù)，非目的層的埋深對(duì)有無薄層相對(duì)異常卻沒有影響。

3 非目的層對(duì)目的薄層分辨率的影響

這里主要針對(duì)多層水平地層情況下，進(jìn)行非目的層的埋深、電阻率、厚度對(duì)于薄層分辨率的影響的研究。

3.1 非目的層順序?qū)δ繕?biāo)薄層分辨率的影響

這里設(shè)計(jì)的地質(zhì)模型如表(1)所示，進(jìn)行MT正演計(jì)算，采用40個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍1Hz～213Hz，為了直觀地顯示薄層造成的異常響應(yīng)，將有無薄層情況下的視電阻率相對(duì)異常進(jìn)行成圖(圖1)，同時(shí)計(jì)算出地表到目標(biāo)薄層處的平均衰減系數(shù),相對(duì)異常的高低可以定性地代表分辨率的高低。

從表1和圖1，可以看出：對(duì)比模型一、二，第一層和第二層順序交換；對(duì)比模型一和模型三，第一層和第四層交換，分辨率幾乎不發(fā)生變化。而模型三、模型四與模型一、模型二相比分辨率提高，是因?yàn)楸拥穆癫厣疃茸儨\所導(dǎo)致的，所以只要保持目標(biāo)薄層的深度和基底電阻率不變，無論其余地層的順序如何變化，都不會(huì)影響相對(duì)異常的大小。

從圖2和圖3可以看出，雖然第一層地層和第四層發(fā)生變化，卻不會(huì)對(duì)相對(duì)異常造成太大影響，但對(duì)視電阻率測(cè)深曲線的形態(tài)有很大影響。由表1可以看出，越低衰減系數(shù)對(duì)應(yīng)著越高的相對(duì)異常，這表明能量越強(qiáng)電磁場(chǎng)具有更強(qiáng)的分辨率。

表1 不同非目的層組合的低阻薄層視電阻率相對(duì)異常及平均衰減系數(shù)Tab 1 Average attenuation coefficient and relative abnormality of apparent resistivity of lowresistance thin layer with different non target layers combination

圖1 不同非目的低阻薄層組合的視電阻率相對(duì)異常曲線圖Fig.1 Relative abnormality curves of apparent resistivity with different Combination of non target layer

非目的層順序的變化不會(huì)影響相對(duì)異常即非目的層埋深的變化不會(huì)影響相對(duì)異常，因?yàn)榉悄康膶勇裆畹淖兓覀兛梢詫⒋丝醋髟搶优c另外一層發(fā)生位置交換，例如表1中的模型一和模型二，第一層和第二層發(fā)生位置交換實(shí)質(zhì)相當(dāng)于800Ω·m的非目層的埋深增加，其結(jié)果對(duì)相對(duì)異常的影響是不變的。但是這并不表明著非目的層埋深的變化不影響薄層分辨率，因?yàn)橄鄬?duì)異常只在某種程度上代表薄層分辨率的大小。

圖2 模型三有無薄層視電阻率對(duì)比圖Fig.2 An apparent resistivity contrast figure with and without thin layers of modle 3

圖3 模型四有無薄層視電阻率對(duì)比圖Fig.3 An apparent resistivity contrast figure with and without thin layers of modle 4

3.2 基底電阻率對(duì)目標(biāo)薄層分辨率的影響

設(shè)計(jì)兩個(gè)地質(zhì)模型，分別為含30m厚的低阻薄層和不含低阻薄層。

模型一：ρ1=1 000 Ω·m,ρ2=2 500 Ω·m,ρ3=1 500 Ω·m,ρ4=1 200 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800 Ω·m、2 500 Ω·m,3 000 Ω·m,h1=300 m,h2=300 m,h3=300 m

模型二：ρ1=1000 Ω·m,ρ2=2 500 Ω·m,ρ3=300 Ω·m,h1= 300 m,h2= 300 m,h3= 30 m,ρ4=1 500 Ω·m，h4= 300 m,ρ5=1 200 Ω·m、1 500 Ω·m、1 800Ω·m、2 500 Ω·m、3 000 Ω·m

計(jì)算出不同視電阻率的基底模型視電阻率相對(duì)異常，如表2所示，從表2可以看出，隨著基底電阻率的升高，相對(duì)異常緩慢增大，說明高基底電阻率有利于薄層分辨率的提高，但同時(shí)在低頻段視電阻率被大幅拉大，掩蓋了相對(duì)異常的提高，所以在實(shí)際情況中，基底高電阻率情況可以認(rèn)為對(duì)薄層分辨率影響不大。如圖4所示，表面上看2 500 Ω·m的基底更難以分辨出薄層，實(shí)則是其高阻基底將視電阻率范圍拉大，掩蓋了相對(duì)異常地識(shí)別。

圖4 不同基底電阻率的有無薄層視電阻率曲線Fig.4 The base apparent resistivity of 1 200 Ω·m and 2 500 Ω·m with and without thin layer apparent resistivity curve(a)基底電阻率為1 200 Ω·m;(b)基底電阻率為2 500 Ω·m表2 不同基底電阻率的視電阻相對(duì)誤差(基于模型一、二)Tab.2 Relative abnormality of apparent resistivity with different base resistivity (base on the modle 1 and modle 2)

基底電阻率/Ω·m12001500180025003000相對(duì)異常/%8.18.99.610.811.5

3.3 高阻厚層對(duì)目標(biāo)薄層分辨率的影響

采用40個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍1 Hz～213Hz計(jì)算10個(gè)模型的視電阻率相對(duì)誤差見圖5。

從圖5可以看出，有無薄層情況下，相對(duì)異常隨著非目的高阻厚層的電阻率升高而緩慢升高，隨著厚度的升高而降低的幅度較大。從圖6可以看出，隨著高阻層電阻率的升高，相對(duì)異常有所提高，但提高的幅度較小，當(dāng)電阻率提高到原來的十倍時(shí)，分辨率僅上升2%。從圖7可以看出，隨著高阻層厚度的增加，目標(biāo)薄層分辨率明顯降低，厚度提高到原來的十倍時(shí)，分辨率降低到6.2%(模型十)，薄層難以識(shí)別。由圖8可以看出，隨著目的低阻薄層的電阻率與圍巖電阻率接近時(shí)，其相對(duì)異常大幅下降，薄層也變得難以識(shí)別。

綜上所述可以判定，非目的高阻層的厚度比電阻率更能影響相對(duì)異常的大小。這同時(shí)也符合高阻層具有H等值性的特性。

表3 多個(gè)薄層模型的視電阻率的相對(duì)異常和平均衰減系數(shù)(隨非目的高阻層變化)Tab 3 Mean attenuation coefficients and Relative abnormality of apparent resistivity of multiple thin layer models (Change with the non target high resistance layer)

圖5 非目的高阻層電阻率和厚度 變化相對(duì)異常曲線圖Fig.5 Relative abnormality curves of high resistivity non target layer with resistivity and thickness variation

3.4 低阻薄層對(duì)目標(biāo)薄層分辨率的影響

同樣采用40個(gè)頻點(diǎn)，頻率范圍1Hz～213Hz計(jì)算10個(gè)模型(表4)的視電阻率相對(duì)異常成圖，其電阻率和厚度變化對(duì)相對(duì)異常的影響和S等值性情況如圖(9)所示。

結(jié)合圖9(a)，對(duì)比模型一、模型三、模型五，得出有無薄層的視電阻率相對(duì)異常隨著非目的低阻薄層電阻率的降低而降低；對(duì)比模型七、模型九、模型十一可以看出相對(duì)異常隨著非目的低阻薄層厚度的降低而升高。

結(jié)合圖9(b)，對(duì)比模型二和模型十二、模型一和模型六，非目的層厚度和電阻率變?yōu)?/10和1/5(后者比前者)，相對(duì)異常差異較小，曲線基本重合，滿足S等值性；對(duì)比模型七和模型十三，厚度和電阻率變?yōu)?/10，相對(duì)異常曲線略有差異，也基本符合S等值性。通過以上試驗(yàn)可以看出，MT的S等值性在一定范圍內(nèi)滿足，其等值范圍受圍巖電阻率綜合影響。

從圖10(a)可以看出，要識(shí)別200 Ω·m，30 m厚度的薄層，當(dāng)存在500 Ω·m的較高電阻率(相對(duì)目的薄層)的非目的薄層時(shí)，相對(duì)異常到達(dá)26.7%，薄層可以有效識(shí)別。從圖10(b)可以看出，當(dāng)存在50 Ω·m的較低電阻率的非目的薄層時(shí)，視電阻率曲線幾乎重合，薄層難以有效識(shí)別。

從圖11(a)可以看出，要識(shí)別200 Ω·m，30 m厚度的薄層，當(dāng)存在200 m的較厚(相對(duì)目的薄層)非目的薄層時(shí)，相對(duì)異常較小，達(dá)10.7%，薄層難以有效識(shí)別。 從圖11(b)可以看出，當(dāng)存在50 m厚的非目的薄層時(shí)，相對(duì)異常較大，達(dá)20.6%。薄層可以有效識(shí)別。

圖6 不同非目的高阻厚層電阻率為1 500 Ω·m和15 000 Ω·m的有無薄層視電阻率曲線Fig.6 Apparent resistivity curve with and without thin layers of the non target high resistance thick-layer with resistivity of 1 500 Ω·m and 15 000 Ω·m(a)模型一；(b)模型五

圖7 不同非目的高阻厚層厚度為100 m和300 m有無薄層視電阻率曲線Fig.7 Apparent resistivity curve with and without thin layers of the non target high resistance thick-layer with the thickness of 100 m and 3 000 m(a)模型六；(b)模型十

圖8 不同目的層厚度為300 Ω·m和600 Ω·m有無薄層視電阻率曲線Fig.8 Apparent resistivity curve with and without thin layers of the target layer with the resistivity of 300 Ω·m and 600 Ω·m(a)模型十一；(b)模型十二表4 多個(gè)薄層模型的視電阻率的相對(duì)異常和平均衰減系數(shù)(隨非目的低阻層變化)Tab.4 Attenuation coefficients and relative abnormality of apparent resistivity of multiple thin layer models (Change with the non target low resistance layer)

模型層位參數(shù)第一層Ω·m/km第二層(非目的層)Ω·m/km第三層Ω·m/km第四層(目的薄層)Ω·m/km第五層Ω·m視電阻率相對(duì)異常(與去掉薄層的模型相比)/%平均衰減系數(shù)模型一2000/0.3500/0.032500/0.1200/0.03300026.90.177模型二2000/0.3200/0.032500/0.1200/0.03300023.60.182模型三2000/0.3100/0.032500/0.1200/0.03300019.70.188模型四2000/0.350/0.032500/0.1200/0.03300015.10.197模型五2000/0.320/0.032500/0.1200/0.0330009.00.213模型六2000/0.3100/0.0062500/0.1200/0.03300027.50.208模型七2000/0.3200/0.52500/0.1200/0.0330005.60.402模型八2000/0.3200/0.22500/0.1200/0.03300010.70.262模型九2000/0.3200/0.12500/0.1200/0.03300015.70.215模型十2000/0.3200/0.052500/0.1200/0.03300020.60.192模型十一2000/0.3200/0.012500/0.1200/0.03300027.80.173模型十二2000/0.320/0.0032500/0.1200/0.03300024.00.170模型十三2000/0.320/0.052500/0.1200/0.0330006.30.248

圖9 非目的低阻層參數(shù)變化時(shí)的有無薄層相對(duì)異常曲線圖及S等值性情況Fig.9 Relative error curves of resistivity and thickness variation of non target layer with high resistivity(a)電阻率和厚度變化；(b)S等值性情況

圖10 不同非目的低阻薄層電阻率500Ω·m和50Ω·m有無薄層視電阻率曲線Fig.10 Apparent resistivity curve with and without thin layers of the non target low resistance layer with resistivity of 500 Ω·m and 50 Ω·m(a)模型一；(b)模型四

圖11 不同非目的低阻薄層厚度為200 m和50 m有無薄層視電阻率曲線Fig.11 Apparent resistivity curve with and without thin layers of the non target low resistance layer with the thickness of 200 m and 50 m(a)模型八；(b)模型十

4 總結(jié)

大地電磁法[6]的分辨率受目標(biāo)層埋藏深度、電性差異、接受數(shù)據(jù)質(zhì)量、信噪比、儀器等多種因素影響，在前人對(duì)目的薄層埋深、厚度、相對(duì)電阻率等幾個(gè)單一影響因素研究基礎(chǔ)之上，為解決多層結(jié)構(gòu)對(duì)薄層識(shí)別的影響，分析單一的非目的層埋深，電阻率、厚度對(duì)目的低阻薄層識(shí)別的影響，而多層結(jié)構(gòu)是由每一個(gè)單一層的影響效果的疊加，從而進(jìn)一步得出以下結(jié)論：

1)只要保持基底電阻率和目標(biāo)薄層埋藏深度不變，不論非目的層的埋深如何，盡管實(shí)質(zhì)上對(duì)薄層分辨率有較大影響，但卻并不影響有無薄層的相對(duì)異常。

2)基底的電阻率變化會(huì)對(duì)視電阻率曲線低頻段造成較大變化，但相對(duì)異常曲線并不會(huì)有太大變化。

3)對(duì)于非目的高阻層來說，其厚度越大，電阻率越高，相對(duì)異常就越低，而且厚度的變化比電阻率的變化更能影響目的薄層的識(shí)別。當(dāng)高阻層厚度足夠薄時(shí)，滿足H等值性，電阻率變化時(shí)視電阻率曲線不變，對(duì)目的薄層識(shí)別不影響。但是非目的高阻層厚度足夠大時(shí)，會(huì)使得相對(duì)異常大幅下降，所以當(dāng)?shù)貙又写嬖诤芎窀咦韬駥訒r(shí)，我們認(rèn)為此時(shí)大地電磁法難以有效識(shí)別薄層。

4)對(duì)非目的低阻薄層來說，在電阻率和厚度相對(duì)較低的范圍內(nèi)，其電阻率的變化與厚度的變化對(duì)目的薄層的識(shí)別造成相同影響，也就是說非目的層電阻率和厚度同時(shí)上升或下降相同的比例，相對(duì)異常不變。這是由于MT自身的S等值性造成的，視電阻率曲線形態(tài)不發(fā)生變化，不影響對(duì)薄層識(shí)別。當(dāng)?shù)妥鑼幼銐蚝駮r(shí)，也會(huì)導(dǎo)致薄層分辨率大幅下降。所以當(dāng)?shù)貙又写嬖诒饶康牡妥璞与娮杪矢突虼嬖谳^厚的低阻層時(shí)，我們也認(rèn)為此時(shí)大地電磁難以有效識(shí)別薄層。

5)隨著衰減系數(shù)的上升，薄層分辨率總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(因S等值性可能出現(xiàn)小范圍例外，例如表4模型一和模型六)，這說明能量越強(qiáng)的電磁場(chǎng)具有更高的分辨率。

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Non target layer's impact on thin layer identification study in MT

TANG Rongjiang, GAN Lu

(Geophysical college of Chengdu university of technology，Chengdu 610059,China)

Electrical prospecting, due to it always has the advantage of being sensitive to low resistance body, is used to find the metal ore, sand rock, broken fault of low resistivity layer structure in minerals exploration and engineering. In the actual situation, there are many factors that affect the resolution of target thin layer. In addition to the thickness and resistivity of the target layer itself, the complexity, resistivity and thickness of the non-target layers also have a great impact on the identification of the target layer. In order to correctly recognize the influence of non-target layer on the resolution of the target layer, this paper uses one-dimensional magnetotelluric analysis to calculate and map on geoelectric model with thin layer or without thin layer, and the relative anomaly of apparent resistivity at the thin layer is calculated. At the same time, the relative abnormal curves of several models are mapped and compared. Based on the relative anomaly of the apparent resistivity of the thin layer, the conclusion of the influence factors of the non-target layer on the thin layer identification is obtained, which is used to guide the actual situation.

magnetotelluric; thin layer identification; non target layer

2016-01-04 改回日期：2016-05-07

國(guó)家儀器重大專項(xiàng)(2011YQ05006007)

唐榮江(1992-),男，碩士，研究方向?yàn)殡姶诺厍蛭锢碚囱?，E-mail：jonny_tang@sina.com。

1001-1749(2017)01-0023-09

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.04