非目的岩层对MT薄层识别的影响研究

唐荣江， 甘 露

( 成都理工大学 地球物理学院,成都 610059)

非目的岩层对MT薄层识别的影响研究

唐荣江， 甘 露

( 成都理工大学 地球物理学院,成都 610059)

基于电法勘探具有对低阻体反应敏感的优点，在矿产和工程上，运用这一特性来寻找金属矿脉，含水砂岩层，破碎断层等低阻层状结构。实际情况下，对薄层分辨率造成影响因素非常多，除了薄层本身的厚度和电阻率以外，非目的层的复杂性、电阻率、厚度也对薄层识别造成巨大影响。为了正确认识非目的层地层对于目的薄层分辨率的影响，采用一维大地电磁解析式对有无薄层的地电模型进行计算成图，并计算薄层处的视电阻率相对异常，同时对多个模型相对异常曲线成图和对比，结合薄层处视电阻率相对异常，得出了非目的地层对薄层识别的影响因素的相关结论，用于指导实际情况。

大地电磁； 薄层识别； 非目的层

0 前言

对于大地电磁法对薄层识别能力的研究，前人已经做过一些工作，其主要过程在于设计三层地电模型，通过分析有无薄层情况下的相对异常，得出最终结论。朱仁学等[1]就对MT薄层识别做过系统研究，得出了异常体规模越大，埋深越浅，异常体与围岩电性差异越大，则分辨率越高的结论；戴前伟等[3]在此基础之上把薄层的影响因素完善，主要包括MT对低阻薄层的分辨率高于高阻薄层，低阻薄层对视电阻率曲线的影响主要由埋深和纵向电导决定，满足S等值性，且埋深越大，分辨率越低，高阻薄层对视电阻率曲线的影响主要由埋深和H等值性决定，厚度越大，埋深越浅，分辨率越高，并将薄层厚度与第一层厚度，薄层电阻率与第一层电阻率作了对比分析；蒋亚东等[4]主要针对大地电磁测深中薄层响应特征，与地质目标体拾取的探讨。

以上对薄层分辨率的研究，都是基于简单的三层模型来考虑薄层的分辨率，而且只考虑了薄层本身的厚度和相对电阻率对薄层分辨率的影响，并不考虑其他地层对薄层的分辨率的影响(如目标低阻薄层之上又存在一个低阻薄层的情况)，所以这里在前人的基础上，设计多层模型，主要分析非目的层地层结构和电阻率及厚度变化对于薄层识别的影响，实际情况中，对浅部的地质结构了解得比深部清楚，如果能更系统地认识浅部结构对MT识别深部薄层的影响，就能更加准确地了解MT对薄层的分辨能力，这对于地球物理勘探具有重要意义。

1 薄层的视电阻率响应计算

在均匀层状介质中，地表视电阻率的正演计算公式为式(1)。

(1)

式中：w为谐变场角频率；u为第一层介质的磁导率；Z1,n表示n层介质中第一层波阻抗，第一层的波阻抗是由第n层的波阻抗递推而得到的，而最底层可以假设它无限大而得到不存在反射波的波阻抗。即第n层特征阻抗，它可以直接计算出来。

考虑谐变场平面电磁波在均匀各项同性介质中的电场和磁场表达式，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为地层总层数；f为频率；hi为第i层厚度；σi为第i层电导率。为了研究电磁场到达目的层时的能量与其分辨率的关系，我们所提的平均衰减系数主要是考虑从地表到目的层的平均衰减系数。

为了量化MT对薄层的分辨率，借鉴文献[2]和文献[5]的公式，使用相对异常来量化薄层的分辨率，即计算有无薄层情况下视电阻率曲线的相对差异：

(5)

式中：ρs为有薄层时的两者视电阻率相差最大处的视电阻率；ρ0为该点频率对应的无薄层时的视电阻率。事实证明薄层埋藏深度所对应的异常段位置的视电阻率相对差异(即后文的相对异常)越大，薄层则更容易被识别出来。

2 MT薄层识别的局限性

由于大地电磁本身对高阻薄层非常不敏感[3]，在简单三层模型情况下，高阻薄层的异常响应较小，在较为复杂的地电模型下，难以识别高阻薄层，所以我们主要是针对低阻薄层分辨率的探讨。

用有无薄层的相对异常来识别薄层在实际运用中有较大的局限性，首先实际工作中难以得到无薄层情况下的测深曲线，更不必说相对异常；其次MT本身的体积效应和等值性存在，即使有相对异常地存在也难以判断一定是薄层，而可能是与薄层满足等值性的一个厚层，也可能是低阻层中夹有高阻薄层，所以要识别薄层需要做进一步的约束和反演。这里使用相对异常作为量化分辨率的参数，它在某种程度上代表分辨率的大小，用此来研究薄层分辨率。

一个非目的低阻层或高阻层的存在，必然会对低阻薄层识别造成一定程度的影响，其影响为：①埋深；②电阻率；③厚度。不难理解，其埋深越接近目的层埋深，对目的层识别的影响越大。低阻非目的层和目的层电阻率一致或比它更小，都会与目的层异常结合在一起难以分离；高阻非目的厚层埋深接近低阻目的薄层时，会完全掩盖掉应有的低阻异常。但是如果用相对异常作为识别薄层的参数，非目的层的埋深对有无薄层相对异常却没有影响。

3 非目的层对目的薄层分辨率的影响

这里主要针对多层水平地层情况下，进行非目的层的埋深、电阻率、厚度对于薄层分辨率的影响的研究。

3.1 非目的层顺序对目标薄层分辨率的影响

这里设计的地质模型如表(1)所示，进行MT正演计算，采用40个频点，频率范围1Hz～213Hz，为了直观地显示薄层造成的异常响应，将有无薄层情况下的视电阻率相对异常进行成图(图1)，同时计算出地表到目标薄层处的平均衰减系数,相对异常的高低可以定性地代表分辨率的高低。

从表1和图1，可以看出：对比模型一、二，第一层和第二层顺序交换；对比模型一和模型三，第一层和第四层交换，分辨率几乎不发生变化。而模型三、模型四与模型一、模型二相比分辨率提高，是因为薄层的埋藏深度变浅所导致的，所以只要保持目标薄层的深度和基底电阻率不变，无论其余地层的顺序如何变化，都不会影响相对异常的大小。

从图2和图3可以看出，虽然第一层地层和第四层发生变化，却不会对相对异常造成太大影响，但对视电阻率测深曲线的形态有很大影响。由表1可以看出，越低衰减系数对应着越高的相对异常，这表明能量越强电磁场具有更强的分辨率。

表1 不同非目的层组合的低阻薄层视电阻率相对异常及平均衰减系数Tab 1 Average attenuation coefficient and relative abnormality of apparent resistivity of lowresistance thin layer with different non target layers combination

图1 不同非目的低阻薄层组合的视电阻率相对异常曲线图Fig.1 Relative abnormality curves of apparent resistivity with different Combination of non target layer

非目的层顺序的变化不会影响相对异常即非目的层埋深的变化不会影响相对异常，因为非目的层埋深的变化我们可以将此看作该层与另外一层发生位置交换，例如表1中的模型一和模型二，第一层和第二层发生位置交换实质相当于800Ω·m的非目层的埋深增加，其结果对相对异常的影响是不变的。但是这并不表明着非目的层埋深的变化不影响薄层分辨率，因为相对异常只在某种程度上代表薄层分辨率的大小。

图2 模型三有无薄层视电阻率对比图Fig.2 An apparent resistivity contrast figure with and without thin layers of modle 3

图3 模型四有无薄层视电阻率对比图Fig.3 An apparent resistivity contrast figure with and without thin layers of modle 4

3.2 基底电阻率对目标薄层分辨率的影响

设计两个地质模型，分别为含30m厚的低阻薄层和不含低阻薄层。

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

计算出不同视电阻率的基底模型视电阻率相对异常，如表2所示，从表2可以看出，随着基底电阻率的升高，相对异常缓慢增大，说明高基底电阻率有利于薄层分辨率的提高，但同时在低频段视电阻率被大幅拉大，掩盖了相对异常的提高，所以在实际情况中，基底高电阻率情况可以认为对薄层分辨率影响不大。如图4所示，表面上看2 500 Ω·m的基底更难以分辨出薄层，实则是其高阻基底将视电阻率范围拉大，掩盖了相对异常地识别。

图4 不同基底电阻率的有无薄层视电阻率曲线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)基底电阻率为1 200 Ω·m;(b)基底电阻率为2 500 Ω·m表2 不同基底电阻率的视电阻相对误差(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)

基底电阻率/Ω·m12001500180025003000相对异常/%8.18.99.610.811.5

3.3 高阻厚层对目标薄层分辨率的影响

采用40个频点，频率范围1 Hz～213Hz计算10个模型的视电阻率相对误差见图5。

从图5可以看出，有无薄层情况下，相对异常随着非目的高阻厚层的电阻率升高而缓慢升高，随着厚度的升高而降低的幅度较大。从图6可以看出，随着高阻层电阻率的升高，相对异常有所提高，但提高的幅度较小，当电阻率提高到原来的十倍时，分辨率仅上升2%。从图7可以看出，随着高阻层厚度的增加，目标薄层分辨率明显降低，厚度提高到原来的十倍时，分辨率降低到6.2%(模型十)，薄层难以识别。由图8可以看出，随着目的低阻薄层的电阻率与围岩电阻率接近时，其相对异常大幅下降，薄层也变得难以识别。

综上所述可以判定，非目的高阻层的厚度比电阻率更能影响相对异常的大小。这同时也符合高阻层具有H等值性的特性。

表3 多个薄层模型的视电阻率的相对异常和平均衰减系数(随非目的高阻层变化)Tab 3 Mean attenuation coefficients and Relative abnormality of apparent resistivity of multiple thin layer models (Change with the non target high resistance layer)

图5 非目的高阻层电阻率和厚度 变化相对异常曲线图Fig.5 Relative abnormality curves of high resistivity non target layer with resistivity and thickness variation

3.4 低阻薄层对目标薄层分辨率的影响

同样采用40个频点，频率范围1Hz～213Hz计算10个模型(表4)的视电阻率相对异常成图，其电阻率和厚度变化对相对异常的影响和S等值性情况如图(9)所示。

结合图9(a)，对比模型一、模型三、模型五，得出有无薄层的视电阻率相对异常随着非目的低阻薄层电阻率的降低而降低；对比模型七、模型九、模型十一可以看出相对异常随着非目的低阻薄层厚度的降低而升高。

结合图9(b)，对比模型二和模型十二、模型一和模型六，非目的层厚度和电阻率变为1/10和1/5(后者比前者)，相对异常差异较小，曲线基本重合，满足S等值性；对比模型七和模型十三，厚度和电阻率变为1/10，相对异常曲线略有差异，也基本符合S等值性。通过以上试验可以看出，MT的S等值性在一定范围内满足，其等值范围受围岩电阻率综合影响。

从图10(a)可以看出，要识别200 Ω·m，30 m厚度的薄层，当存在500 Ω·m的较高电阻率(相对目的薄层)的非目的薄层时，相对异常到达26.7%，薄层可以有效识别。从图10(b)可以看出，当存在50 Ω·m的较低电阻率的非目的薄层时，视电阻率曲线几乎重合，薄层难以有效识别。

从图11(a)可以看出，要识别200 Ω·m，30 m厚度的薄层，当存在200 m的较厚(相对目的薄层)非目的薄层时，相对异常较小，达10.7%，薄层难以有效识别。 从图11(b)可以看出，当存在50 m厚的非目的薄层时，相对异常较大，达20.6%。薄层可以有效识别。

图6 不同非目的高阻厚层电阻率为1 500 Ω·m和15 000 Ω·m的有无薄层视电阻率曲线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

图7 不同非目的高阻厚层厚度为100 m和300 m有无薄层视电阻率曲线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

图8 不同目的层厚度为300 Ω·m和600 Ω·m有无薄层视电阻率曲线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 多个薄层模型的视电阻率的相对异常和平均衰减系数(随非目的低阻层变化)Tab.4 Attenuation coefficients and relative abnormality of apparent resistivity of multiple thin layer models (Change with the non target low resistance layer)

模型层位参数第一层Ω·m/km第二层(非目的层)Ω·m/km第三层Ω·m/km第四层(目的薄层)Ω·m/km第五层Ω·m视电阻率相对异常(与去掉薄层的模型相比)/%平均衰减系数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

图9 非目的低阻层参数变化时的有无薄层相对异常曲线图及S等值性情况Fig.9 Relative error curves of resistivity and thickness variation of non target layer with high resistivity(a)电阻率和厚度变化；(b)S等值性情况

图10 不同非目的低阻薄层电阻率500Ω·m和50Ω·m有无薄层视电阻率曲线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

图11 不同非目的低阻薄层厚度为200 m和50 m有无薄层视电阻率曲线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 总结

大地电磁法[6]的分辨率受目标层埋藏深度、电性差异、接受数据质量、信噪比、仪器等多种因素影响，在前人对目的薄层埋深、厚度、相对电阻率等几个单一影响因素研究基础之上，为解决多层结构对薄层识别的影响，分析单一的非目的层埋深，电阻率、厚度对目的低阻薄层识别的影响，而多层结构是由每一个单一层的影响效果的叠加，从而进一步得出以下结论：

1)只要保持基底电阻率和目标薄层埋藏深度不变，不论非目的层的埋深如何，尽管实质上对薄层分辨率有较大影响，但却并不影响有无薄层的相对异常。

2)基底的电阻率变化会对视电阻率曲线低频段造成较大变化，但相对异常曲线并不会有太大变化。

3)对于非目的高阻层来说，其厚度越大，电阻率越高，相对异常就越低，而且厚度的变化比电阻率的变化更能影响目的薄层的识别。当高阻层厚度足够薄时，满足H等值性，电阻率变化时视电阻率曲线不变，对目的薄层识别不影响。但是非目的高阻层厚度足够大时，会使得相对异常大幅下降，所以当地层中存在很厚高阻厚层时，我们认为此时大地电磁法难以有效识别薄层。

4)对非目的低阻薄层来说，在电阻率和厚度相对较低的范围内，其电阻率的变化与厚度的变化对目的薄层的识别造成相同影响，也就是说非目的层电阻率和厚度同时上升或下降相同的比例，相对异常不变。这是由于MT自身的S等值性造成的，视电阻率曲线形态不发生变化，不影响对薄层识别。当低阻层足够厚时，也会导致薄层分辨率大幅下降。所以当地层中存在比目的低阻薄层电阻率更低或存在较厚的低阻层时，我们也认为此时大地电磁难以有效识别薄层。

5)随着衰减系数的上升，薄层分辨率总体上呈现下降趋势(因S等值性可能出现小范围例外，例如表4模型一和模型六)，这说明能量越强的电磁场具有更高的分辨率。

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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

国家仪器重大专项(2011YQ05006007)

唐荣江(1992-),男，硕士，研究方向为电磁地球物理正反演，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