三维断层模型的MT正演响应及极化模式分析

梁 霄，艾 林，吴仁学

(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100； 2. 新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100)



三维断层模型的MT正演响应及极化模式分析

梁 霄1，艾 林1，吴仁学2

(1. 长江大学 油气资源与勘探技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100； 2. 新疆水利水电勘测设计研究院勘测总队，新疆 昌吉 831100)

从三维断层地质体MT的正演响应出发，通过两条测线不同极化模式的对比分析，得出了断层MT响应的正演规律：TE极化模式纵向分辨率比TM极化模式要高；横向分辨率上TM极化模式比TE极化模式分辨率高，对模型有更高的识别度和灵敏度，能更好地反应断层构造形态上的电阻率差异；通过两条测线的对比分析可判断出断层走向和倾向，对今后MT中的断层识别，起到一定的指导作用。

MT；断层；正演；三维；极化模式

大地电磁测深法(MT)是十分有效的地球物理勘探方法，在地质构造、石油勘探中发挥着巨大的作用[1-2]。目前，三维地质体MT响应的研究正是热点和前沿问题，很多理论还不是很完善，有待于继续深入研究[3]。断层是十分常见的地质体，对其研究，有利于了解该地区的构造应力、构造背景特征和区域资源赋存情况。因此，本文构造三维断层地质体模型，利用有限元算法模拟断层的大地电磁测深正演响应，分析了断层的形态和不同测线、不同极化模式下断层的MT响应的区别。

1 视电阻率及阻抗相位的计算

在大地电磁测深(MT)的每一个测点上都可以获得两条不同极化模式下的视电阻率曲线，即TE极化和TM极化[4]。TE极化模式指测线包含电磁场Ex、Hy和Hz分量，电场平行于构造走向；TM极化模式指测线包含电磁场Hx、Ey和Ez分量，磁场平行与构造走向。

波阻抗描述了各向同性大地介质的电阻率和地面电磁场测量值之间的关系，平面波的波阻抗Z=E/H。其中E为均匀各向同性介质中的电场，H是该介质中的磁场，E和H正交。在TE极化模式下，可由下面的两个表达式分别求得E偏振和H偏振的视电阻率ρ：

(1)

两种模式相应的阻抗相位可由下面公式计算：

(2)

其中Ex，Ey，Hx，Hy分别为地面测点的电场和磁场的x，y分量;Re，Im分别表示复数的实部和虚部。地表观测到的阻抗相位和视电阻率是测点附近地下介质中各层电性介质的综合反映[5-7]。本文通过断层模型的MT正演，获得每个测点上视电阻率和阻抗相位的值，分别绘出视电阻率与周期等值线图和相位与周期的等值线图，分析了不同测线不同极化模式电阻率和相位剖面图对断层的分辨能力。

2 断层构造模型的建立

断层是三维地质体模型，沿正交坐标轴3个方向的地质体电阻率都是变化的。如图1所示，建立了如下模型：地面上设置了两条测线，且测线都垂直于断层构造走向。同时，从模型侧面可以看出断层向下有一定的倾斜角度，满足三维地质体的要求。为了便于分析，设立的断层模型的断面与地面垂直，且断面与地面的交线位于测线中点处。

图1 MT三维断层正演模型

3 两条测线不同极化模式的对比分析

两条测线距离断层的距离依次减小，以围岩电阻率取100 Ω·m，断层构造电阻率取2 000 Ω·m，断层厚度取200 m，断层深度取1 500 m为例，采用有限元法正演模拟断层的MT响应，获得了两条测线不同极化模式的电阻率和相位剖面图，见图2和图3。

3.1极化模式对比分析

对比TE极化模式与TM极化模式的视电阻率和阻抗相位图得出：TE极化模式下的高阻和低阻出现的周期范围区域明显比TM极化模式下要大，两种模式视电阻率剖面图呈相反对称，TE极化模式相当于TM极化模式的区域放大，表明TE极化模式纵向分辨率比TM极化模式要高；TM极化模式横向分辨率和对模型的识别度比TE极化模式分辨率高，能更好地反应断层构造形态上的电阻率差异；在相位剖面上，TE极化模式与TM极化模式等值线图大致是相反的，且相位曲线比视电阻率曲线更好地反映出断层构造。

图2 测线1 正演响应的TE极化模式和TM极化模式对比

图3 测线2正演响应的TE极化模式和TM极化模式对比

3.2两条测线的对比分析

对比两条测线相同极化模式下的视电阻率和阻抗相位图得出：两条测线无论是TE极化模式还是TM极化模式，他们的视电阻率曲线和相位曲线大致形态都是相同的。但由于建立的三维模型是倾斜的断层，两条测线到断层的距离不同，响应结果的大小也就有区别。从图中也可以用看出相同的极化模式下，测线2的视电阻率范围增大了。通过对比两条测线对比，能识别断层的倾向。

4 结 论

通过对断层的MT正演，从两条测线不同极化模式对视电阻率和阻抗相位进行对比分析，得出以下结论：

1) MT方法可有效识别断层构造，对比两条测线可识别断层的走向及倾向；

2) TE极化模式纵向分辨率比TM极化模式要高，TM极化模式横向分辨率和对模型的识别度比TE极化模式高；

3) 在相位剖面上，TE极化模式与TM极化模式剖面图呈相反对称，相位图比视电阻率图能更好地识别断层构造。

[1] 刘国栋. 我国大地电磁测深的发展[J]. 地球物理学报, 1994, 37(S1): 301-310.

[2] 陈小斌, 赵国泽. 基本结构有限元算法及大地电磁测深一维连续介质正演[J].地球物理学报, 2004, 47(3): 535-541.

[3] Coggon J H. Electromagnetic and electrical modeling by the finite element method[J]. Geophysics, 1971, 36(1): 132-155.

[4] 李学民, 曹俊兴, 贺桃娥. 断层构造的大地电磁响应曲线变化特征的研究[J].天然气工业, 2004, 24(7): 42-44.

[5] 杨长福, 林长佑. 用大地电磁法研究构造走向及维性特征[J]. 西北地震学报, 2002, 24(1): 65-71.

[6] Randall L M, Torquil S J. Madden T R. Three-dimensional electromagnetic modeling using finite difference equations: The magnetotelluric example [J]. Radio Science, 1994, 29(4): 923-935.

[7] 晋光文. MT大地电磁阻抗相位资料的特点和应用[J]. 地震地质, 1988, 10(4): 159-168.

AnAnalysisofMTForwardModelingandDifferentPolarizationModesin3DFaultModel

LIANG Xiao1, AI Lin1, WU Renxue2

(1.MinistryofEducationKeyLaboratoryofOil&GasResourcesandExplorationTechnology;GeosciencesCollege,YangtzeUniversity,Wuhan,Hubei430100,China; 2.WaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstituteSurveyCorpsinXinjiang,Changji,Xinjiang831100,China)

Three-dimensional magnetotelluric sounding positive and negative speech technology is leading edge research in geophysical exploration field. The theoretical research is not deep enough. This study starts from MT forward response about three-dimensional structure of fault, by analyzing the difference between the different polarization modes of two lines. I draw the following conclusions: firstly, TM mode’s transverse resolution has a higher resolution than TE mode, and then I know TM mode is higher than the TE mode in the model identification and sensitivity. We can get the trend and tendency of the faults by comparing the response results of the two lines. These conclusions can play a guiding role in Fault identification in the MT in latterly study.

MT; Fault ; Forward; 3D; Polarization Modes

2016-08-21

梁霄(1991-)，男，安徽怀宁人，硕士研究生，研究方向：电磁勘探和煤层气测井评价，手机：18062791086，E-mail：lx1068@126.com.

P628.3

：Bdoi：10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2016.04.011