大地电磁测深数据处理技术与反演方法改进及其应用实例

李晓昌， 钟 清， 方 慧， 张小博， 裴发根

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

大地电磁测深数据处理技术与反演方法改进及其应用实例

李晓昌， 钟 清， 方 慧， 张小博， 裴发根

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

介绍了大地电磁测深法在“松辽外围中新生代盆地群油气地质远景调查”中，其数据处理与反演的基本方法与运用原则，提出了“浅部选择Occam反演，深部选用NLCG反演”和“交叉测线剖面阻抗旋转处理”及“多折线剖面等距离Li旋转算法处理”的改进方法技术组合，从整体上提高了MT资料处理与反演成果的质量。应用实例的反演结果真实有效，为后期的综合解释提供了可靠性资料。

MT； Occam二维反演； 非线性共轭梯度反演； 等距离Li旋转算法； 突泉盆地

0 前言

我们在“松辽外围中新生代盆地群油气地质综合调查”中，开展了大地电磁测深(MT)勘查。从2011年-2014年，完成十余条MT剖面，测线长达1 399 km，测深点1 442个，高质量完成了数据处理与反演解释，其成果为分析火山岩覆盖层下隐伏盆地分布范围、盆地结构、构造提供了可靠性资料[1-5]。

笔者介绍了在调查区内MT数据处理和反演工作的基本方法与运用原则。数据处理技术与反演方法包括对数据的定性分析和定量分析。定性分析包括介质维性分析、倾子分析、磁感应矢量分析、拟断面分析；这里重点叙述了数据处理方法技术的改进，包括“交叉测线剖面数据阻抗旋转处理”和“多段线剖面等距离Li旋转算法处理”新方法，经过这两项特殊剖面数据处理新技术的实施，从整体上提高了MT资料处理与反演成果的质量。

在定性分析的基础上，针对研究目标的不同，采用“浅部一维、二维反演选择Occam反演”和“深部选用二维非线性共轭梯度反演(NLCG)”方法技术组合，浅部和深部分开单独进行反演。浅部反演深度范围为8 km～10 km，可充分显示横向分块、纵向分层的电性特征，有利于地层的划分；深部反演深度范围为70 km～120 km，可充分显示构造格架，有利于深浅构造耦合关系的解释。

列举对突泉盆地FZ3与FZ6交叉剖面处理和FZ3折线长剖面处理及FZ6剖面浅部与深部反演的应用实例，证实这套方法技术组合对野外实测资料处理是合理有效的，反演的结果接近地下真实地电模型。

1 MT数据处理方法技术的改进

1.1 交叉测线数据阻抗旋转处理

MT测线一般遵循垂直于构造走向布设原则，但实际工作中出于对某些重点靶区闭合的考虑，会布设两条交叉或多条交叉测线。根据相邻区域MT测点曲线形态相似原理，地下沉积地层在横向上是连续性的。由于MT测深采用张量观测方式，采集结果有两个方向的数据，选择不同方向的数据进行二维反演，结果可能偏差很大，所以在极化模式判定时，倘若仍按照常规对数据阻抗的旋转原则，将阻抗张量旋转到测线的法向方向，则交叉测线的极化模式可能相反，此时采用相同的极化模式进行反演，结果可能会出现较大差异而拼接不上，有悖于地质认知。基于此，在确定一条测线垂直于主体构造走向布设的情况下，将另一条测线数据阻抗再旋转90°，相当于两条测线数据都旋转到主体构造方向，此时再选择同一极化模式进行二维反演，反演结果交叉处附近呈现连续性，更符合地下真实地电特征。

1.2 多段线剖面“等距离 Li 旋转算法”处理

在实际工作中，对由两条或多条短测线连接而成的一条长折线剖面，MT二维反演通常采用各测线段剖面单独反演，然后将各段的反演结果拼接起来，或是采取对折线剖面“截弯取直”式反演的方法。前者分段式反演由于边界效应的存在往往造成反演结果拼接不上，后者“截弯取直”式反演结果不能反应测线剖面的真实长度，影响解释工作。常规压制边界效应的手段是采用测点中心网格设计技术，添加模型两侧的缺省网格，增加反演初始网格模型的長度[6-7]，此方法可降低但不能消除边界效应影响。为彻底消除边界效应，我们提出了“等距离Li旋转算法”将多段线转换成一段线的改进方法[8]，以两段线为例，如图1所示的黑色实体线代表两段线剖面，第一测线段方位不变，长度为L0，将第二段线剖面上测点的坐标等距离顺时针旋转θ角，使得两段线剖面成为一段线剖面，虚线代表旋转后的剖面测线。B1、B2、B3……为第二段线剖面上的测点，B1′、B2′、B3′……为等距离旋转后与前者相对应的测点，假设测点B1(x1，y1)、B2(x2，y2)、B3(x3，y3)……的坐标已知，则B2′(x2′，y2′)、B3′(x3′，y3′)……坐标为：

(1)

由公式(1)解得：

(2)

式中：k为第一段测线的斜率；L1、L2为第二段测线上测点B2、B3分别到拐点B1的距离；k、L1、L2经计算可得。同理可写出

(3)

经计算得到旋转后测线剖面上B2′(x2′,y2′)、B3′(x3′,y3′)、B4′(x4′,y4′)……的坐标。

利用以上方法将多段线测点归一到原先设定测线的方位上，形成一段线剖面数据后再进行二维反演。其结果有效消除了边界效应，而且最大程度地反映了测线剖面的真实长度，提高了反演结果的可靠性。

图1 等距离Li旋转算法示意图Fig.1 Sketch map of Li equidistant rotation algorithm

2 MT反演方法技术组合

2.1 浅部采用Occam一维、二维反演

针对盆地内沉积地层的主要特点是横向上的连续性和纵向上的分层性，浅部一维、二维反演选择Occam反演。Occam反演是要寻找一个尽可能与实际观测数据既相吻合，又具有最小粗糙度的地电结构模型。反演要求多层模型光滑，受初始模型影响小，运算稳定、收剑性好，特别值得关注的是低阻体异常在深部的形态受Occam光滑影响变得不太明显[9-10]。杨长福等[11]研究表明，用Occam反演计算可以取得很好的效果。二维反演初始模型选择一维反演结果，它保留了已有一维反演结果关于层状介质模型的宏观轮廓信息，一维和二维反演结果有很好的对应关系，这对盆地岩体和沉积地层的划分有很好的参照作用。选择参与反演的MT数据频率范围为0.01 Hz～320 Hz，反演深度为8 km～10 km。

2.2 深部采用二维非线性共轭梯度反演方法

NLCG反演仅需利用一阶导数信息，是解大型非线性方程组最优化最有效的算法之一。其优点是所需存储量小、收敛快、而且不需任何外来参数，与Occam反演相比有很强的互补性[12-13],而且NLCG反演分辨率较高、与实际模型更加接近。为开展盆地深部电性构造的分析与研究，结合数据采集频率范围，采用二维NLCG反演方法，初始模型选择均匀半空间模型，它保证了深部电性结构的均匀性。选择参与反演的MT数据频率范围为0.000 5 Hz～320 Hz，反演深度范围为70 km～120 km。

2.3 数据处理与反演的步骤及实现过程

数据处理与反演的步骤及实现的过程如图2所示。

图2 数据处理流程图Fig.2 Data processing flow chart

1)进行特殊剖面处理。经过预处理后的剖面数据，首先要求对交叉测线剖面和多段线剖面分别进行“交叉测线剖面数据阻抗旋转处理”和“多段线剖面等距离Li旋转算法处理”，然后和其他的测线数据一起进行其后的定性分析。

2)进行定性分析。通过介质维性分析定性判断地下构造特征维数；通过倾子分析定性反映地下介质横向电性的不均匀性，从宏观上对断裂的位置、大小、深度和倾向等做出定性解释；通过磁感应矢量分析定性了解测点下方相应深度上的侧向电性信息；通过绘制频率-视电阻率拟断面图和频率-相位拟断面图大致了解地下电阻率、相位沿测线的整体变化特征，指示大断裂的存在。另外还可将反演电性模型相应数据拟断面和实测数据拟断面图进行对比分析，验证反演结果的可靠性。

3)进行定量反演。剖面数据进行精细反演，得到可以进行定量解释的地下电性结构模型。浅部进行一维、二维Occam反演；深部则进行二维NLCG反演。定性分析与定量分析采用了MTSoft2D软件(成都理工大学)和MTPioneer软件(中国地震局地质研究所)反演可视化平台。

4)根据二维反演结果，综合地质、物性、其他地球物理等资料进行地质解释，编制地质解释断面图。

3 应用实例

选择在突泉盆地南部开展MT测深的FZ6测线和FZ3测线数据处理为例。其中FZ6剖面穿过突泉盆地跨入松辽盆地，呈NNW向展布,剖面全长145 km。FZ3剖面位于松辽盆地与大兴安岭东麓结合部位，呈NE向布设，贯穿扎鲁特和突泉盆地，该剖面为两段线折线剖面，第一段测线长121 km，第二段测线长112 km，与研究区大多数测线(NW向)几近垂直。

野外施工采用加拿大凤凰公司生产的测量仪器V5—2000，测量点距为1 km，采用五分量张量测量方式，观测频率为0.000 5 Hz～320 Hz。为了保证数据质量，每个MT测深点的野外采集记录时间一般不低于8 h。

3.1 交叉测线数据处理实例

突泉盆地中FZ3测线近乎平行于大兴安岭东缘断裂走向，FZ6测线与其相交，且基本垂直于主体断裂走向布设，将FZ3和FZ6测线数据旋转到构造走向方向，即将FZ3测线数据旋转90°，FZ6测线数据旋转0°，然后选择TM极化模式进行二维反演，反演结果如图3所示，图3中红色线位置为两条剖面相交位置。

图3 FZ3剖面与FZ6剖面交叉处反演结果对照图Fig.3 Comparison of the inversion results at the intersection of FZ3 and FZ6 profiles

从图3可以看出，FZ3剖面与FZ6剖面相接处,断面上由浅至深所遇高阻体(桔黄色标)和低阻体(深蓝色标)都有很好的对应关系，FZ3剖面的高阻体处在-4.5 km ～-2 km，低阻体处在-12 km～-6 km；FZ6剖面的高阻体处在-4.2 km～-1.5 km，低阻体处在-11.5 km～-5.5 km,以下层次也一一对应，十分清晰，较符合地下真实地电特征。

3.2 多段线剖面处理实例

FZ3剖面上的测点分布所拟合的测线呈一条折线，第一段线为A-B，第二条线为B-C,两段测线方位相差17°，按照“等距离Li旋转算法”将第二段测线上测点进行等距离Li顺时针旋转17°，使拟合测线转化为一段线剖面(A-B-C’)。按照常规对二段线分别反演的结果如图4所示。由图4可知，分段式反演由于边界效应的存在造成反演结果拼接不上，产生地下电性连续体出现错断，如图4中在边界处的D、E、F、G低阻体(层)受边界效应影响发生严重畸变，如此形成的虚假信息，势必给解释带来错觉。

经过“等距离Li旋转算法”改进后的反演结果如图5所示，其二维反演结果要好于图4中的反演结果，图4中两段线剖面拼接处的边界效应基本消失，D、E、F、G区域不连续的低阻带在图5中恢复连续，结果更接近于真实地电模型。

图4 二段线二维反演结果Fig.4 2D inversion results of two polyline

图5 一段线二维反演结果Fig.5 1D inversion results of new profile data

3.3 方法技术组合反演实例

突泉盆地FZ6大地电磁剖面的反演电阻率断面如图6所示。由图6可知，浅部和深部低阻和高阻的整体形态对应较好。图6(a)中横向分块、纵向分层的电性特征明显，有利于地层的划分。0 km～32 km以高阻、中高阻异常为特征，表明该处主要为中酸性岩体和酸性岩体分布区；32 km～71 km电性以低阻异常为特征，电阻率只有n×100Ω·m～n×101Ω·m，是剖面上电阻率最低地段，局部穿插中高阻异常，主体对应凹陷内中、新生代地层发育区，局部有岩体侵入；在纵向上呈现高、低阻互层特征，电阻率断面图反应了沉积地层的展布。71 km～145 km电性以中、低阻异常为特征，纵向上都表现出明显的低、中阻、低阻、中高互层特征。中西部47 km～70 km对应于牤牛海凹陷，电阻率为n×10-1Ω·m～1×101Ω·m，是连续性好的低阻层，具有寻找中生代侏罗系和晚古生代油气资源的有利远景。

图6(b)断面图中出现一明显的低阻异常带，其形态呈“八”字型分布。位于中部的低阻层近似水平，与牤牛海凹陷区对应；东側的低阻带，产状近似直立，倾向南东，分析认为是嫩江-八里罕深大断裂的反映。图6(b)构造格架清晰，有利于深浅构造耦合关系的解释。

由图6可见，数据处理过程中针对不同的研究目标,浅部采用Occam二维反演，深部采用NLCG二维反演的方法技术组合是有效合理的。

图6 FZ6剖面浅部Occam和深部NLCG二维反演结果Fig.6 Two dimensional inversion results of shallow Occam and deep NLCG in FZ6 section(a)浅部反演;(b)深部反演

4 结语

综上所述，对在“松辽外围中新生代盆地群油气地质综合调查”中，MT数据处理技术与反演方法的改进有以下认识：

1)对特殊剖面的处理是进行定性与定量分析之前的重要环节。它的实施，从整体上提高了定性分析与定量反演成果的质量。交叉测线剖面数据阻抗旋转处理反演结果在测线相交处附近呈现很好的连续性和一致性；多折线剖面“等距离 Li 旋转算法”处理有效消除了分段式单独反演结果拼接部位的边界效应，提高了后期的综合解释水平。

2)定量分析方法的选择是重中之重。针对盆地内沉积地层的特征和研究盆地深部构造的要求，采用“浅部选择Occam反演，深部采用NLCG反演”方法技术组合，经野外实测资料处理证实是合理有效的，反演结果接近地下真实地电模型。

致谢：

参加该项目的：袁永真、张鹏辉、卢景奇、高保屯、何梅兴、仇根根、白大为、杜炳锐、刘畅往,在此致以谢意！

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The application examples and improvement for data processing technology and inversion methods of the magnetotelluric sounding

LI Xiaochang, ZHONG Qing, FANG Hui, ZHANG Xiaobo, PEI Fagen

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，CAGS，Langfang 065000，China)

In this paper,the data processing technology and the inversion methods of the magnetotelluric sounding are introduced in the program,that called oil and gas geological survey prospect in Mesozoic and Cenozoic basin groups of the peripheral of Songliao basin. Combination of technologies that are 1D and 2D Occam inversion methods are selected in the shallow strata and the NLCG inversion method is applied in deep strata that have been proposed. The new methods that are the technology of cross survey-lines impedance rotation processing and the technology of Li equidistant rotation algorithm in polyline sections have been used. The quality of inversion results is improved by the application of these technologies. The examples of inversion results are real and effective. This method provides reliable information for the comprehensive explanation.

magnetotelluric sounding; the inversion method of Occam; the nonlinear conjugate gradient inversion method; Li equidistant rotation algorithm; Tuquan basin

2016-03-25 改回日期：2016-05-20

中国地质调查局地质调查项目(1212011120971)

李晓昌(1964-)，男，教高，从事大地测量和大地电磁法方法技术研究和应用开发工作， E-mail：lixiaochang@igge.cn。

1001-1749(2017)03-0313-06

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.03.03