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(1.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025； 2.山東省第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 臨沂 276000； 3.廣東核力工程勘察院，廣州 510800)

0 引 言

大地電磁測(cè)深法所利用的主要參數(shù)，即視電阻率和阻抗相位，其來(lái)源于張量阻抗參數(shù)和阻抗的計(jì)算結(jié)果[1]。在進(jìn)行大地電磁測(cè)深工作時(shí)，如果同時(shí)采集磁場(chǎng)的3個(gè)分量數(shù)據(jù)，就能夠計(jì)算相應(yīng)的傾子參數(shù)。但是實(shí)際計(jì)算得到的傾子數(shù)值通常較小，并且傾子對(duì)外界干擾比較敏感，一般而言信噪比較低，定量使用困難較大。所以與MT資料中的視電阻率與阻抗相位不同，傾子在大地電磁測(cè)深的資料解釋中只扮演輔助的角色，常常被用于地下構(gòu)造、構(gòu)造維度與走向的定性判斷。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相關(guān)電磁法儀器的精度提升明顯，采集得到的MT數(shù)據(jù)信噪比提升明顯。目前在進(jìn)行野外觀測(cè)時(shí)，已經(jīng)能夠獲得質(zhì)量較佳的垂直磁場(chǎng)分量，進(jìn)而能獲得較佳的傾子資料。其次，在諸多物探專家的努力之下，傾子資料可以依據(jù)實(shí)際觀測(cè)得到的視電阻率而近似計(jì)算得出，這就直接避免了傾子實(shí)測(cè)計(jì)算而帶來(lái)的誤差，使傾子資料的實(shí)際應(yīng)用擁有更加廣闊的前景。

本研究主要借助WinGlink軟件，利用有限差分法對(duì)MT傾子響應(yīng)進(jìn)行正演模擬，利用軟件獲取傾子響應(yīng)的振幅和相位數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證傾子資料在反映地下不均勻體的橫向分布情況上的優(yōu)勢(shì)，并總結(jié)其規(guī)律特點(diǎn)[2]。

1 傾子的計(jì)算

根據(jù)大地電磁測(cè)深理論，一維介質(zhì)的垂直磁場(chǎng)分量Hz=0，而在水平非均勻的二維介質(zhì)中垂直磁場(chǎng)分量Hz≠0。大地中天然變化的電磁場(chǎng)在入射大地時(shí)，可視為平面波，因此當(dāng)一次場(chǎng)垂直入射時(shí)，垂直磁場(chǎng)分量Hz與兩個(gè)水平磁場(chǎng)分量Hx和Hy之間有如下關(guān)系：

式中：T=[TzxTzy]是傾子矢量；Tzx、Tzy為傾子T在X和Y方向的分量。

傾子矢量是復(fù)數(shù)，與傾子相關(guān)的有3個(gè)不隨坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)而變化的不變量，它們都能提供與構(gòu)造相關(guān)的信息，這3個(gè)不變量分別是：

1) 傾子的幅值，公式如下：

2) 傾子的相位，公式如下：

這是Tzx及Tzy這兩個(gè)傾子元素的相位的加權(quán)和。在二維情況下，它變?yōu)椋?/p>

3) 傾子的二維偏離度，公式如下：

在二維情況下，有ST=0，故可用于衡量介質(zhì)偏離二維結(jié)構(gòu)的程度。

2 正演理論模型研究

在介質(zhì)模型為一維的條件下，大地電磁場(chǎng)存在解析解。而如果將維度提升至二維、三維，則電磁場(chǎng)的解析解將極難求得[3]。除了一些構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，其他模型一般都得不到解析解，因此通常采用各種數(shù)值計(jì)算方法對(duì)模型求解的結(jié)果進(jìn)行近似。目前，用于大地電磁測(cè)深正演的方法主要有有限差分法、有限單元法和積分方程法等[4]。本文所使用的WinGLink軟件，其正演模擬采用的是有限差分法。

本文設(shè)計(jì)了4種具有一定代表性的簡(jiǎn)單模型，分別是垂直巖性分界模型、垂直斷層模型、低阻覆蓋體模型、異常體模型。通過WinGlink軟件的正演模擬，得出對(duì)應(yīng)的傾子數(shù)據(jù)，采用傾子的幅值數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)成圖。與此同時(shí)，本文也針對(duì)每一種模型，在TE模式和TM模式下的視電阻率和阻抗相位進(jìn)行了成圖，方便進(jìn)行全方位的效果對(duì)比。

2.1 垂直巖性分界模型

垂直巖性分界模型見圖1。模型a和模型b均以X=0為分界面。模型a的巖性分界面左側(cè)電阻率為10 Ω·m，巖性分界面右側(cè)電阻率為1 000 Ω·m；模型b的電阻率分布則與模型a相反。

該模型所設(shè)定的測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距為250 m，合計(jì)41個(gè)測(cè)點(diǎn)；頻率范圍為10 kHz～0.01 Hz，采用對(duì)數(shù)等間隔排布，共60個(gè)頻點(diǎn)。本文其他模型的測(cè)點(diǎn)布置情況和頻率范圍的選取均與此相同。

垂直巖性分界模型的傾子資料(幅值和相位)以及TE/TM模式下視電阻率、阻抗相位的斷面圖見圖2。對(duì)比模型a和模型b的傾子資料正演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，傾子的幅值和相位對(duì)巖性分界面的反映情況較佳，從地表一直延伸至地下，分界情況反映的比較清楚(圖2(a)(b)(c)(d)中黑色線段標(biāo)明的位置)。

圖1 垂直巖性分界模型示意圖

圖2 垂直巖性分界模型MT資料正演結(jié)果

以傾子幅值斷面圖為例，以巖性分界面為界，兩邊分別為相對(duì)高值和相對(duì)低值，這實(shí)際上反映了傾子能夠較為顯著地反映地下電性在橫向上的不均勻分布。

觀察模型a和模型b的傾子幅值斷面圖可以知道，幅值的相對(duì)高值對(duì)應(yīng)著模型電阻率的相對(duì)高值，幅值的相對(duì)低值對(duì)應(yīng)著模型電阻率的相對(duì)低值；從傾子相位斷面圖來(lái)看，雖然表現(xiàn)的不明顯，但是總體上也存在這一特征，也有相對(duì)較佳的巖性分界特征。例如模型b的傾子相位斷面圖，其巖性劃分情況則更為明顯，低值到高值的變化線度相對(duì)于其他傾子資料體現(xiàn)得更為密集。

對(duì)比TE模式和TM模式的視電阻率和阻抗相位斷面圖，可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論是TE模式還是TM模式，其對(duì)于巖性分界面的區(qū)分度都是較佳的，且都能夠與模型的巖性電阻率的互相對(duì)應(yīng)。

2.2 垂直斷層模型

圖3中，模型c和模型d分別為低阻垂直斷層模型和高阻垂直斷層模型。低阻垂直斷層模型的背景電阻率為1 000 Ω·m，斷層電阻率為10 Ω·m；高阻垂直斷層模型的背景電阻率為10 Ω·m，斷層電阻率為1 000 Ω·m。模型c和模型d的斷層寬度都設(shè)定為500 m。

垂直斷層模型的傾子資料(幅值和相位)以及TE/TM模式下視電阻率、阻抗相位的斷面圖見圖4。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：

傾子的幅值斷面圖和相位斷面圖對(duì)低阻斷層和高阻斷層的反映效果均較佳。尤其是對(duì)于低阻斷層，其分界效果最明顯，從地表往下延伸，均有明顯的分界面。并且傾子幅值數(shù)據(jù)甚至能對(duì)斷層的寬度有所體現(xiàn)。

圖3 垂直斷層模型示意圖

圖4 垂直斷層模型MT資料正演結(jié)果

分別對(duì)比模型c和模型d可以發(fā)現(xiàn)，傾子的幅值數(shù)據(jù)與模型的對(duì)應(yīng)效果最佳，斷層的位置大體處于圖中兩個(gè)數(shù)值最大區(qū)域的中間帶上。模型c和模型d的傾子圖件基本相似，它們的相位斷面圖能體現(xiàn)斷層的存在，且圖件呈反向?qū)ΨQ的特征，雖然效果較幅值斷面圖較差，但是能看出斷層是垂直展布的這一特征。

在TE模式和TM模式的視電阻率和阻抗相位的圖件中，模型c在TM模式下的視電阻率斷面圖效果最好，模型d的圖件總體反映情況也較佳，尤以TM模式下的視電阻率斷面圖效果最好。

2.3 低阻覆蓋體模型

實(shí)際條件中，通常斷層構(gòu)造并非直接出露在地表，在地表常會(huì)存在覆蓋體，且呈現(xiàn)低阻的電性特征?；诖?，本文設(shè)計(jì)了模型e和模型f兩種低阻覆蓋體模型。見圖5。

圖5中，在低阻垂直斷層模型的基礎(chǔ)上，增加了電阻率為5 Ω·m的覆蓋層。模型e的覆蓋層厚度為500 m，模型f的覆蓋層厚度為2 000 m。

低阻覆蓋體模型的傾子資料(幅值和相位)以及TE/TM模式下視電阻率、阻抗相位的斷面圖見圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：

低阻覆蓋體的存在對(duì)于傾子資料的成圖效果有很大的影響，圖中垂直斷層的分界位置變低(圖6(a)(b)(c)(d)黑色線段標(biāo)示)，高值集中區(qū)的位置也變低。對(duì)于傾子相位斷面圖而言，在其圖示水平黑色線段上部(圖6(c)(d))出現(xiàn)更多高值和低值交錯(cuò)的畸變點(diǎn)。

由于低阻覆蓋層的影響，模型e和模型f在TE和TM模式下的視電阻率斷面圖和阻抗相位斷面圖，對(duì)模型特征幾乎沒有典型的反映。

圖5 低阻覆蓋體模型示意圖

圖6 低阻覆蓋體模型MT資料正演結(jié)果

2.4 異常體模型

圖7中，模型g和模型h分別為低阻異常體模型和高阻異常體模型。低阻異常體模型的背景電阻率為1 000 Ω·m，異常體電阻率為10 Ω·m；高阻異常體模型的背景電阻率為10 Ω·m，異常體電阻率為1 000 Ω·m。兩個(gè)模型的異常體形狀均為邊長(zhǎng)2 000 m的正方形，異常體中心都位于地下3 000 m。

異常體模型的傾子資料(幅值和相位)以及TE/TM模式下視電阻率、阻抗相位的斷面圖見圖8。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，傾子的幅值斷面圖對(duì)異常體的橫向邊界有較佳的反映，而縱向邊界則反映不明顯。從圖8(a)和圖8(b)來(lái)看，異常體大致位于兩個(gè)數(shù)值最大的曲線簇的中間區(qū)域。這證明了傾子資料在反映地下地質(zhì)異常體橫向不均勻性上的優(yōu)越性；而傾子資料的相位擬斷面圖對(duì)異常體的反映則不太直觀，圖件特征與圖6(c)和圖6(d)類似。

圖7 異常體模型示意圖

圖8 異常體模型MT資料正演結(jié)果

從圖8(e)至圖8(l)可以發(fā)現(xiàn)，TE模式的視電阻率斷面圖對(duì)異常體中心位置的反映較好，TM模式的視電阻率斷面圖和阻抗相位斷面圖則能較好地表征出地下異常體的存在。

3 結(jié) 論

基于以上4個(gè)模型的正演結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，總體而言，傾子對(duì)地下異常體的電性差異有相對(duì)不錯(cuò)的反映，對(duì)比TE模式/TM模式的視電阻率數(shù)據(jù)和阻抗相位數(shù)據(jù)，有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

1) 傾子的幅值反映情況總體較佳，與模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系體現(xiàn)得比較明顯，可以作為判定地下電性異常的主要數(shù)據(jù)。傾子的相位資料，則較容易受到地下構(gòu)造的影響，成圖結(jié)果也較為復(fù)雜，直觀性不如傾子幅值資料[5]。

2) 傾子資料對(duì)于斷層構(gòu)造有較佳的反映，傾子幅值資料甚至能表征出斷層寬度。而對(duì)于地下高阻/低阻異常體，傾子幅值資料對(duì)其左右邊界有較佳的反映。但無(wú)論是傾子幅值資料還是傾子相位資料，對(duì)于地下異常體的形狀，其辨識(shí)度都十分有限。

3) 從各個(gè)模型的視電阻率斷面圖和阻抗相位斷面圖來(lái)看，TE模式和TM模式的圖件，對(duì)于簡(jiǎn)單的地下模型有較好的反映情況。而如果模型偏復(fù)雜，對(duì)于其中的細(xì)節(jié)，其反映程度有限。例如模型e和模型f，由于低阻覆蓋層的存在，TE模式和TM模式甚至失去了顯示效果。