音频大地电磁法TE、TM极化模式在基岩山区地热勘查中的应用

王佳龙

(1.湖南联智科技股份有限公司,湖南 长沙 410200;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016)

音频大地电磁法(Audio Magnetotelluric sounding,AMT)利用雷电活动产生的天然音频大地电磁场作为场源,观测互相垂直方向上若干频率的电场和磁场之比(亦称波阻抗),通过研究地电断面变化解决相关地质问题,工作方式、观测参数、数据处理及解释与大地电磁法(Magnetotellurics,MT)相同。由于工作频率(0.35～10 400 Hz)高,与大地电磁法相比,音频大地电磁法对浅部地质构造的分辨率较高,更适合探测浅部地质构造,且工作效率比大地电磁法高。

音频大地电磁测深可获得2个方向的视电阻率曲线,分别是电场沿构造走向的TE极化模式视电阻率曲线和电场沿垂直构造走向的TM极化模式视电阻率曲线。研究表明,TE极化模式视电阻率曲线具有较好的纵向分辨能力,但其横向分辨能力不足;TM极化模式视电阻率曲线具有较好的横向分辨能力,但纵向分辨能力不足[1-3]。在实际工作中,常采用TM极化模式视电阻率曲线断面等值线图进行分析、解释,因其横向分辨率高,异常反应明显,对地层的分层效果较好;但TM极化模式视电阻率曲线受地形起伏造成的静态效应影响大,浅层出现密集垂直的等值线或类似断裂的异常,对推断解释造成困扰。TE极化模式视电阻率断面等值线图受静态位移的影响相对较小,在地形起伏附近无明显假异常出现。所以,有必要研究起伏地形条件下TE极化模式和TM极化模式的响应特征,为更好地解释基岩山区大地电磁测深资料提供支撑[4-9]。

为了研究地形起伏对TE极化模式和TM极化模式视电阻率曲线的响应特征,本文基于边界单元法[10-12]的MT 2D数值模拟起伏地形地电模型,分析两种模式下的卡尼亚视电阻率曲线特征,为实际勘探解释提供理论依据。以某山区地热资源勘查成果为例,通过总结前人在该区进行的地质、水文地质填图、测温法、简易地球化学调查和区域重力勘探等工作[13-17],结合研究区地热地质和钻孔资料[18-20],综合对比分析TE极化模式和TM极化模式反演结果,得出符合区内地电断面特征的二维反演剖面,为下一步进行地质、地球物理综合推断解释和查明区内断裂分布、热储位置及热储埋深提供依据。

1 TE极化模式和TM极化模式正演响应特征

1.1 TE极化模式和TM极化模式卡尼亚视电阻率计算

进行大地电磁理论分析时,通常假设场源是垂直地面入射的平面电磁波,在均匀大地和水平层状大地情况下,波阻抗Z是电场(E) 和磁场(H) 水平分量的比值,即

(1)

研究区应用的是大地电磁矢量测量,根据不同方向测量的电场(E)和磁场(H), 分别计算卡尼亚电阻率:

(2)

(3)

式中:ω为圆频率,rad/s;μ为介质磁导率,H/m;ρ为电阻率,Ω·m。

一般设计测线垂直于构造走向布置,将沿测线方向测量称为TM极化模式,计算出的卡尼亚视电阻率为ρyx;垂直测线方向(沿构造走向)测量称为TE极化模式,计算出的卡尼亚视电阻率为ρxy。

1.2 TE极化模式和TM极化模式视电阻率曲线

为了解不同地形下大地电磁测深曲线特征,利用边界单元法数值模拟各种静态效应下的ρxy曲线和ρyx曲线(图1),分析不同极化模式的曲线规律。图1(a)左侧模型背景介质电阻率ρ为100 Ω·m,山谷地形底面宽AB=1.0 km,顶面宽CD=3.0 km,顶、底面高差为0.4 km;山脊地形顶面宽AB=1.0 km,底面宽CD=3.0 km,顶面、底面高差为0.4 km。

利用边界单元法数值模拟方法分析起伏地形视电阻率曲线的变化规律。无论山谷(图1(a))还是山脊(图1(b)),TM极化模式视电阻率曲线受地形起伏引起的畸变及位移强烈,而TE极化模式视电阻率曲线受地形起伏引起的畸变及位移较小。因此,在实际山区应用中,直接用受地形影响的TM极化模式观测资料进行反演解释可能会造成一定困扰,应用TE极化模式对山区构造进行解译更合适。

图1 不同地形条件下ρxy和ρyx视电阻率特征曲线Fig. 1 ρxy and ρyx apparent resistivity characteristic curves in different topographical conditions

2 应用实例

2.1 地质概况

研究区位于福建省三明市某地区。研究区主要出露加里东期二长花岗岩,东南部被第四系覆盖(图2)。区内深大断裂带有NNE向光泽—武平断裂带和SWW向宁化—南平构造带,这些网格状构造控制着研究区温泉的分布[15-17]。

1. 第四系;2.二长花岗岩;3.地名;4.已知断裂;5.河流;6.AMT测线及编号;7.花岗斑岩脉;8.辉绿玢岩脉;9.伟晶岩脉;10.DR01井图2 研究区地质简图及测线位置示意图[17]Fig. 2 Geologic sketch and positions of survey lines in the study area[17]

2.2 研究区地形特征

研究区位于基岩山区,地形起伏较大,进行音频大地电磁测深勘探时,受静态效应影响,地形起伏会使反演断面图上出现密集垂直分布的等值线,混淆实际探测目标体产生的异常, 给资料解释带来困扰。因此,本文以研究区NW向和NNE向各1条测线为研究对象,绘制研究测线地形剖面图(图3),对地形起伏和位置进行简要分析。

图3 研究区地形剖面图Fig. 3 Topographic profile of the study area

结合研究区实际地形及图3可知,NW向测线从西边山顶开始到山谷地形起伏较小,在测点218点至238点地形起伏较大,测点之间最大起伏达54 m;NNE向测线地形起伏较明显,在110点至104点测点间的地形起伏最大达30 m。因此,需要排查地形起伏造成的假异常,减少此类异常对解译的困扰。

2.3 大地电磁资料处理

音频大地电磁测深测量采用加拿大V8大地电磁仪进行观测,单点观测1 h以上,有效观测频率为0.35～10 400 Hz,有效探测深度>1 km。音频大地电磁测量原始数据使用SSMT 2 000和MT editor进行数据预处理、编辑,生成反演格式点文件(edi)。利用MTPioneer软件进行反演成图[21-24],主要包括数据预处理、一维反演数据处理、二维反演网格建立和二维反演(图4)。

图4 大地电磁资料处理流程图Fig. 4 Flow chart of magnetotelluric data processing

(1)数据预处理。包括畸变数据剔除、圆滑和静校正,浅层因地形或干扰等因素导致电性不均匀或三维状态高频反应强烈造成静位移现象严重,需根据剖面视电阻率变化趋势和前、后视电阻率曲线类型进行手工校正。

(2)一维反演数据处理。采用自适应正则化反演方法,主要建立各个测点的拟合和层状模型,反演结果可作为二维反演的初始模型。该方法的优点是每次迭代的正则化因子均可调节数据拟合与模型约束的平衡,具有较高的精度和稳定性。

(3)二维反演网格建立。根据目标层大致位置和埋深对测点横、纵网格进行加密,构建高质量的反演网格,在网格数据建立后选择合理的初始模型,为二维反演做准备。

(4)二维反演。采用带地形非线性共轭梯度反演方法,分别进行TE极化模式和TM极化模式反演。如果反演迭代闭合差合格且数据拟合程度高,则将反演结果进行成果图件输出;如果反演迭代闭合差不合格,则返回数据预处理阶段,进行数据重新编辑再反演,一直循环到数据合格为止。

2.4 TE极化模式和TM极化模式反演成像特征

研究区属于山区,地形起伏较大,应用音频大地电磁法勘探地热资源时,容易受山区地形及地表电性不均匀影响,产生静态效应。对理论模型TE极化模式和TM极化模式正演响应特征进行研究,以研究区2条AMT测线(L104、L106)二维反演结果为例,对比分析同一剖面TE极化模式和TM极化模式下的NLCG反演结果(图5)。

L104线TE极化模式剖面(图5(a))在测点号212～218段深度约400 m处等值线横向不连续,电阻率与周围存在明显差异,表现为团块状低阻异常,宽度约200 m;TM极化模式剖面(图5(b))在测点号212～218段深度约300 m处等值线横向不连续,由浅至深未识别出低阻异常。在测点号214～220段地形起伏较大,TE极化模式在此段受静态影响较小,浅表及以下反映出的等值线连续有序;而TM极化模式在此段受静态影响较大,浅表及以下显示条带状高阻圈闭异常体。

图5 L104线TE极化模式(a)和TM极化模式(b)反演剖面图Fig. 5 Inversion profiles of TE polarization mode (a) and TM polarization mode (b) of line 104

L 106线TE极化模式剖面(图6(a))在测点号210～218段出现近直立低阻带,宽度约150 m,延伸至地下约550 m;而TM极化模式剖面(图6(b))在测点号210～218段和测点216附近等值线横向不连续,由浅至深未识别出低阻异常。在测点号218～226段地形起伏较大,TE极化模式在此段受静态效应影响较小,浅表及以下反应出的等值线连续有序;而TM极化模式在此段受静态效应影响较大,浅表以下有低、高阻圈闭异常体,且不连续。

图6 L106线TE极化模式(a)和TM极化模式(b)反演剖面图Fig. 6 Inversion profiles of TE polarization mode (a) and TM polarization mode (b) of line 106

通过对比发现,TE 极化模式纵向分辨率高,起伏地形对反演结果影响小,较好地反应了研究区地层地电特征;TM 极化模式纵向分辨率不佳,反演结果受局部地形起伏影响,不能较好地反应地层地电特征,未能识别出地热异常区地下低阻异常信息。

2.5 钻孔验证

DR01井位于L106测线214点上(图7),井深501.05 m,井底水温43.74 ℃,钻井遇多层岩石破碎带,其中-246.90～-259.55 m和-474.50～-475.98 m的侧向电阻率分别为124.47～350.51 Ω·m和 219.77～430.49 Ω·m,相对围岩表现为低电阻率异常,且长源距伽玛曲线幅度变大,声波曲线幅值变大,此二段为富水区[20]。根据音频大地电磁测深L106线TE极化模式反演结果,214测点地表以下150～250 m深度范围与周围存在明显的电性差异,表现为低电阻异常,推断此区域为含水层,反演低电阻异常区电阻率为50～200 Ω·m。综上所述,音频大地电磁测深法TE极化模式反演剖面地质解释结果与钻井资料吻合较好。

1. 第四系;2. 加里东期二长花岗岩;3. 破碎带;4. 加里东期辉绿岩;5. DR01井中侧向电阻率曲线图7 DR01钻孔验证图Fig. 7 Verification chart of borehole DR01

通过钻孔验证,发现TE极化模式反演能有效地识别山区基岩断裂充水表现的低阻异常特征,在查明山区构造特征方面效果较好,而TM极化模式未能识别该构造异常。

3 结论

(1)在开展音频大地电磁探测解释前，TE极化模式和TM极化模式正演开展研究工作十分必要,从理论正演到实例反演解释是应用大地电磁法勘探的关键,也是获得合理地质解释的前提。

(2)通过对山谷和山脊地形地电模型数值模拟,发现TM极化模式电阻率曲线受地形影响比TE极化模式大,且TM极化模式低频视电阻率曲线比高频视电阻率曲线更易受地形起伏影响。

(3)TE极化模式反演地电断面纵向分辨率高于TM极化模式,且受地形影响较小,能有效地反映基岩山区断裂特征。