CSAMT阻抗梯度法之初探
——以新疆和什托洛蓋盆地為例

王勇剛，陳志財，孔志召，趙 璐

(1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點實驗室，河北 石家莊 050002)

0 引言

可控源音頻大地電磁法(簡稱CSAMT)是一種測量卡尼亞電阻率和相位的電磁測深技術(shù)，屬于人工源頻率域測深，具有探測深度大、橫向分辨率高、抗干擾性能強(qiáng)等特點，在深部找礦勘探中發(fā)揮著重要作用[1-3]。但是在盆地中開展CSAMT工作中，根據(jù)正演分析，當(dāng)各地層之間電阻率差異小于30%，一般難以依靠該方法的電阻率值將不同巖組區(qū)分開來，而且隨著埋深增大，其分辨能力逐步降低，往往造成地層劃分不準(zhǔn)確，甚至多層少層的現(xiàn)象。為了對CSAMT資料進(jìn)行精細(xì)解釋，國內(nèi)外專家和學(xué)者開始研究電磁法資料的擬地震解釋。Lee等[4-5]根據(jù)電磁波與地震波的相似性，利用有限差分法實現(xiàn)了二維構(gòu)造的電磁相位偏移成像；王家映等[6-7]研究了MT資料擬地震解釋法，把地層劃分為電磁波具有相等雙程旅行時的“微層”，通過對二層、三層和四層斷面模型試算，驗證了該方法的可行性；魏勝等[8]研究了大地電磁數(shù)據(jù)的偏移成像；李貅等[9-14]研究了瞬變電磁法的擬地震成像理論，提出直接用感應(yīng)電壓數(shù)據(jù)求取波阻抗，繼而換算出反射序列，繪制擬地震剖面；底青云等[15]討論了CSAMT法的擬地震處理技術(shù)；韓自豪等[16]指出地質(zhì)雷達(dá)的超高頻電磁波可以直接利用地震勘探的處理解釋方法，而常規(guī)電磁法因使用的電磁波頻率較低，具有明顯的色散效應(yīng)，采用擬地震解釋難以得到理想效果；梁生賢等[17]對大地電磁阻抗張量模的反演進(jìn)行了研究，將反射系數(shù)時間剖面用于優(yōu)選反演結(jié)果模型，可彌補(bǔ)大地電磁反演電阻率斷面的模糊性，對劃分電性層、推斷隱伏斷層的位置等效果良好。

本文根據(jù)新疆和什托洛蓋盆地可控源音頻大地電磁測量資料，探索了波阻抗梯度變化的規(guī)律與不同巖石組分界面之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，波阻抗梯度法對低阻電性層縱向分層效果明顯，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)方法解釋結(jié)果的缺陷，提升了資料精細(xì)化解釋的效果。

1 阻抗梯度算法

1.1 方法原理

電磁波與彈性波具有相似的傳播理論，CSAMT通過電偶極子激發(fā)產(chǎn)生電磁波，傳播見示意圖1。其中體波S1、S2通過場源直接傳入地下，受地下介質(zhì)吸收作用，高頻短波S1很快衰減，僅能傳播到P點；只有低頻長波S2可以到達(dá)接收端Q點形成近場數(shù)據(jù)，構(gòu)成了遠(yuǎn)區(qū)地下電磁波主要部分；面波S0在空氣層和地表的接觸界面?zhèn)鞑ァ?/p>

在盆地中，可將地層近似看作水平層狀介質(zhì)，電磁波以近于垂直方向傳播(圖1中Sn1、Sn2)，測點上方所測得的電磁場反映了觀測點下方垂直方向上某深度范圍內(nèi)的電性變化，當(dāng)電磁波遇到波阻抗界面時，會產(chǎn)生反射和折射，波阻抗值發(fā)生相應(yīng)的改變，不同頻率深度及阻抗各有不同，從而為探索波阻抗界面提供了前提條件(圖1中的界面1與界面2)。用波阻抗隨深度的變化可以更好地還原電磁波的變化規(guī)律。

圖1 CSAMT電磁波傳播及界面響應(yīng)示意圖

1.2 方法算法

電磁波和地震波的相似性主要體現(xiàn)在傳播的過程中均滿足波動方程(1)：

(1)

式中：v為傳播速度，δ為波動函數(shù)，t為傳播時間。

式(2)至(6)介紹了傳統(tǒng)的電磁法擬地震解釋原理，其主要是將地層劃分為波的雙程旅行時間都相等的“微層”，通過式(2)建立反射函數(shù)：

(2)

(3)

式中：σj為介質(zhì)的電導(dǎo)率，單位為西門子；hj為第j層介質(zhì)厚度，m。

(4)

(5)

(6)

(7)

根據(jù)各向同性大地介質(zhì)的電阻率和地面電磁場測量值之間的關(guān)系，定義平面波的波阻抗為均勻各向同性介質(zhì)中的電場E與磁場H的比值，在CSAMT中，測量的是相互正交的電場和磁場分量，而波阻抗為在地面上觀測的兩個正交的電、磁場分量之比，即：

Z=Ex/Hy

(8)

式中：Z為阻抗，Ex為實測的電場振幅，Hy為實測的磁場振幅。

假設(shè)在觀測點Q處，測得某頻率深度面波上被反射并到達(dá)觀測點的反射波Sn1，又測得某頻率深度面波上被反射并到達(dá)觀測點的反射波Sn2，其阻抗的變化量為ΔZ，界面1與界面2的高差為Δh，將式(3)至(8)帶入式(2)，則可以將界面1上阻抗梯度(η)表示為

(9)

任意j層特征阻抗(Z0)：

(10)

(11)

式中：Z0是任意j層的特征阻抗，Ω·m；ω為圓頻率，mrad；ρm為介質(zhì)電阻率，Ω·m；μ為介質(zhì)的導(dǎo)磁率，4π×10-7H·m。

(12)

(13)

ΔZ=ηj-ηj-1

(14)

Δh=hj-hj-1

(15)

其中：φ為阻抗相位差，mrad；ηj是第j層的特征阻抗，Ω·m；hj為第j層介質(zhì)厚度，m。

由式(8)至(15)可知，阻抗梯度的實質(zhì)是各層阻抗隨厚度的矢量梯度變化值，當(dāng)下層阻抗大于上層阻抗時取正，反之取負(fù)。通過對比可以看出，阻抗梯度法不采用原有擬地震解釋微層的概念，取而代之的是各頻點的特征阻抗厚度。

2 模型正反演計算

為求證方法的有效性，筆者根據(jù)和什托洛蓋盆地的地電結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建了5層電阻率結(jié)構(gòu)的理論正演模型(圖2)。本次建立5層電阻率模型：ρ1=50 Ω·m，h1=10 m；ρ2=10 Ω·m，h2=40 m；ρ3=200 Ω·m，h3=200 m；ρ4=100 Ω·m，h4=320 m；ρ5=500 Ω·m，h5=+∞。采用有限元法進(jìn)行模型正演，設(shè)置正演數(shù)據(jù)頻率范圍1～9600 Hz，頻點數(shù)41個，采樣間隔100 m。

圖2 正演網(wǎng)格模型

圖3為采用非線性共軛梯度法 (NLCG) 進(jìn)行二維反演后的結(jié)果，可以看出，在反演電阻率斷面圖中自上而下ρ1～ρ2～ρ3呈高—低—高變化特征，在淺部的第二層低阻體ρ2反映明顯；而在深部反演電阻率斷面圖中自上而下ρ3～ρ4～ρ5呈遞增變化特征，盡管其中的低阻體ρ4厚度已經(jīng)達(dá)到了320 m，盡管上下地層之間存在電阻率差異，但由于埋深大，并沒有在反演結(jié)果中顯示出來，從而造成了信息的丟失。另外，由于電阻率的漸變過程，從高阻到低阻有一個緩慢變化的過程，因此僅靠電阻率值難以區(qū)分各電性層的具體分界位置。

圖3 正演數(shù)據(jù)反演結(jié)果剖面

由前文所述原理，本次對正演阻抗進(jìn)行了計算，并繪制了阻抗梯度剖面(圖4)。由圖4可見，阻抗梯度對于各層反映較為清晰，基本上還原了初始模型的高低變化規(guī)律特征，阻抗梯度的零值線與電阻率的分界面位置總體一致，但對于電阻率值的大小反映不靈敏，結(jié)合反演電阻率斷面圖，可以實現(xiàn)有效的還原地下介質(zhì)原始面貌。

圖4 正演模型阻抗梯度剖面

綜上，通過正演模型的正反演計算，認(rèn)為阻抗梯度法在沉積盆地中進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造的解譯具備可行性性。

3 實例分析

由以上理論分析和模擬計算結(jié)果，證實該方法在理論上是可行的，本次在新疆和什托洛蓋盆地進(jìn)行了有效性試驗。試驗測線選擇L06線，過該線有6個鉆孔，為本文研究提供了對比基礎(chǔ)。

3.1 地質(zhì)條件

和什托洛蓋盆地處于哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊、準(zhǔn)噶爾-巴爾喀什微板塊、達(dá)爾布特石炭紀(jì)殘余洋盆與雪米斯坦泥盆紀(jì)陸緣火山巖帶交界部位[18]。

盆地基底構(gòu)造分區(qū)屬準(zhǔn)噶爾微板塊達(dá)爾布特石炭紀(jì)殘余洋盆，地層出露于扎伊爾山東部和哈拉阿拉特山，以大面積分布的石炭系為主；蓋層以陸相碎屑巖沉積為主，中下侏羅統(tǒng)主要為含鈾煤系建造，在盆內(nèi)廣泛出露，盆地南北緣山間亦有小面積殘留，最大厚度超過3000 m，地表可見厚度達(dá)2000 m。主要有下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)和三工河組(J1s)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t)等，主要巖性為砂巖、粉砂巖和泥巖等；缺失上侏羅統(tǒng)；新近系、古近系和白堊系以紅色建造為主，但白堊系分布十分有限；第四系多為沖洪積、堆積的礫石、沙土和黏土。盆地蓋層在沉積層序上出現(xiàn)了幾次沉積間斷，明顯的角度不整合現(xiàn)象見于基底與下侏羅統(tǒng)之間、中侏羅統(tǒng)與下白堊統(tǒng)之間、上白堊統(tǒng)與古近系之間。盆緣及盆內(nèi)發(fā)育大量近EW向或NEE向逆沖斷層，南部以達(dá)爾布特斷層為邊界。

3.2 巖石電阻率特征

工作區(qū)基底主體由泥盆系和石炭系組成，主要巖性為中基性、中酸性火山巖建造及碳酸鹽沉積組成，二疊系缺失；其次為華力西中晚期花崗巖及次火山巖，根據(jù)地質(zhì)資料及測井電性參數(shù)，工作區(qū)各地層及其巖性的電性具有如下特征：

1)不同時代的地層電阻率不同，由高至低依次為泥盆系火山巖(平均255 Ω·m)→第四系礫、砂和黏土(75 Ω·m)→新近系上巖段砂礫巖(42 Ω·m)→新近系下巖段泥巖(15 Ω·m)→古近系含礫砂巖(38 Ω·m)→侏羅系泥巖、泥質(zhì)粉砂巖(平均25 Ω·m)，另外中侏羅統(tǒng)頭屯河組砂巖和砂礫巖及煤層的電阻率約為40 Ω·m。

2)盆地蓋層中，除第四系外，新近系、古近系和侏羅系的泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖的平均電阻率較低，一般小于25 Ω·m，其次是泥質(zhì)砂巖及砂巖與泥巖互層的電阻率，再次是鈣質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖；礫巖、砂礫巖及粗砂巖和煤層的平均電阻率較高，可超過35 Ω·m。

3.3 L06線CSAMT測量剖面位置

L06測線位于和什托洛蓋鎮(zhèn)南西部(圖5)，橫跨西利克山和哈拉阿拉特山，測線全長18.3 km，方向為SN向。上地表主要出露有第四系、中新統(tǒng)塔西河組(N2t)、始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)烏倫古河組(E2-3w)、中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)及古生界基底，穿過已知的達(dá)爾布特斷裂帶(F3斷層)。

圖5 新疆和什托洛蓋盆地地質(zhì)簡圖

CSAMT測量采用的儀器為加拿大鳳凰公司V8多功能電法儀，單點標(biāo)量測量方式，測點距為100 m，收發(fā)距為10 km。

3.4 應(yīng)用效果分析

數(shù)據(jù)處理采用 Occam 法進(jìn)行了二維層狀結(jié)構(gòu)反演，其反演電阻率及地質(zhì)推斷解釋斷面見圖6。根據(jù)地質(zhì)資料及電阻率特征將該測線分為4個部分：

準(zhǔn)噶爾盆地北緣 位于地表平距-100 m～1350 m段，在反演電阻率斷面圖和擬地震剖面圖上均表現(xiàn)為上下兩部分：上部呈相對低阻特征，為第四系及侏羅系的綜合反映；下部反演電阻率值大于100 Ω?m，呈高阻特征，為古生界基底的反映。

南部單斜帶 位于地表平距1350～10 500 m段，在反演電阻率斷面圖上自上而下主要表現(xiàn)為高—低—高特征，上地表主要為薄層狀中阻體，反演電阻率為40～100 Ω?m，在擬地震剖面圖中呈正負(fù)相變特征，根據(jù)鉆孔揭露，解釋為第四系、烏倫古河組的綜合反映；中部以低阻為特征，反演電阻率值多小于20 Ω?m，在擬地震剖面中主要為負(fù)相位異常特征，推斷為侏羅系的綜合反映；下部反演電阻率值大于100 Ω?m，呈高阻特征，在阻抗梯度剖面上表現(xiàn)為平穩(wěn)的正相變化特征，為古生界基底的反映。

風(fēng)臺隆起 位于地表平距10 500～14 250 m段，以高程0 m為界，自上而下可分為兩部分：①上部以低阻為特征，呈多層交互狀，自上而下電阻率值遞減，反演電阻率值為30～100 Ω?m，等值線舒緩變化，在擬地震剖面圖中呈正負(fù)相變特征，推斷為第四系砂礫石、中新統(tǒng)塔西河組砂礫巖及侏羅系砂巖、泥巖的綜合反映；②下部中高阻體，在阻抗梯度剖面上表現(xiàn)為平穩(wěn)的正相變化特征，反演電阻率大于100 Ω?m，推斷為古生界基底的反映。

北部斷褶帶 位于地表平距14 250～18 200 m段，反演電阻率等值線變化較快。其中，①在平距14 700～16 200 m段呈縱彎褶曲狀，其形態(tài)特征與地質(zhì)資料及地表出露的背斜相吻合，推斷即為該背斜的反映，由電阻率特征推斷其軸向南，主要受兩側(cè)擠壓形成，大致以150 m為界，上部為侏羅系，下部為古生界基底；②16 200～18 200 m段，反演電阻率等值線呈疊瓦式特征，在橫向上可分為兩部分：平距16 200～17 200 m、高程600 m以下至平距16 800～18 200 m、高程-1500～300 m區(qū)域，等值線較為平緩，反演電阻率斷面總體呈相對低—高—低—高變化，推斷為第四系砂礫石、中新統(tǒng)塔西河組砂礫巖、侏羅系砂泥巖及古生界基底的綜合反映。③平距17 200～18 200 m、高程-300 m以上的中高阻體，推斷為古生界基底，超覆在古近系之上。

該測線南部斜坡帶及準(zhǔn)噶爾盆地北緣基底埋深較淺，基底頂界面的高程為0～250 m，至北部斷褶帶及風(fēng)臺隆起段基底埋深較大，基底頂界面的高程為-500 m～-100 m，在北部形成復(fù)式背斜，受逆沖推覆斷層和南斷層F2及其次級斷層的影響，在北部斷褶帶基底明顯推覆于侏羅系之上。該測線有6個鉆孔資料(圖6)，與實際揭露結(jié)果吻合較好。

圖6 L06線反演電阻率斷面及阻抗梯度剖面地質(zhì)推斷解釋圖

4 結(jié)論

CSAMT 阻抗梯度法是從擬地震解釋法中發(fā)展而來的，采用各頻點的特征阻抗厚度進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)反演處理進(jìn)行了創(chuàng)新性探索，通過在和什托洛蓋盆地的應(yīng)用取得了較好的應(yīng)用效果。

通過正反演模型分析，利用阻抗梯度法的零值線能較好地劃分不同電性層的分層位置，證實了該方法在盆地 CSAMT 資料解釋中具有可行性和有效性。

根據(jù)在和什托洛蓋盆地中鉆孔揭露與反演電阻率斷面、阻抗梯度剖面對比來看，阻抗梯度法對于電性差異不大的地層界線反映較為靈敏，為地層劃分提供了有利依據(jù)，提高了資料解釋的效果和精度。