大地电磁测深资料的解释和应用

14.4.1 大地电磁测深资料的解释

大地电磁测深资料的解释工作就是将所观测的大地电磁测深资料转换成地电模型，解决所提出的地质任务。解释过程（图14-7）按照预处理、定性、半定量、一维反演和二维反演等阶段，由浅入深，逐步进行。

1.视电阻率ρTE，ρTM和相位φTE，φTM的预处理

（1）曲线的圆滑。野外采集的原始视电阻率和相位资料，由于干扰和观测误差的存在，相邻两频点的数据有时会出现非正常的跳跃。因此，必须根据最小方差原理和大地电磁测深曲线的固有特征进行圆滑。

（2）ρTE和ρTM的识别。在野外资料采集过程中，MT采集软件自动将采集结果转化为电性主轴方向，给出实测的ρxy和ρyx。由于张量阻抗主轴方向有90°的不确定性，经资料处理后的张量阻抗旋转方向可能是构造走向，也可能是倾向。因此，要确定ρxy和ρyx，谁代表TE极化，谁代表TM极化。如果对工区地下的构造方向有一定了解，当主阻抗Zxy（θ0）的主轴方位角θ0接近于已知的构造方向，那么ρxy就是纵向视电阻率曲线ρTE，而ρyx是横向视电阻率曲线ρTM。正演计算表明在有较厚低阻沉积盖层的平原区，横向曲线ρTM往往处于纵向视电阻率ρTE之下，但在隆起构造上，横向曲线ρTM在纵向曲线ρTE之上。

图14-7 大地电磁测深资料解释流程

（3）静校正。目前对大地电磁测深观测资料的解释是以水平均匀介质的理论为基础的，而测区地下地质条件相当复杂，介质电性的各向异性非常明显，这样就造成了大地电磁测深曲线的畸变，畸变类型可分为两种，一种是由地表电性不均匀或地形起伏引起的曲线畸变，称为电流型畸变；另一种是电流沿构造走向流动，引起横向电场的畸变，称为感应畸变。由浅层电性不均匀体的存在或地形不平产生的影响通常是使视电阻率ρTE和ρTM发生沿纵坐标平行移动，而相应的相位曲线φTE和φTM却保持一致，这就是所谓的静位移。对移动了的曲线进行反演解释，会得出错误的结论，须对静位移畸变进行校正。

在同一测线上分别对ρTE和ρTM曲线上数据精度较高，含有较多较深层信息的有关频段的观测值进行累加。理论上讲，该值是较深部以上地层的综合反映，沿测线在空间分布上应呈连续、渐变的低频特征。对累加值沿测线变化不符合上述特点的测点可认为是受静态效应影响的缘故，应把它校正到累加值沿测线变化的区域背景上来。在实际资料的处理中，可沿测线各点计算某一频段的视电阻率平均值，按最小平方差原理分别进行平滑获得的平滑曲线。这里将平滑后的值作为视电阻率曲线应有的正常平均值，而把它与每个测点平均值之差作为视电阻率曲线静校正的参考值，在此基础上进行静校正处理。

2.定性解释

解释工作的第一步就是进行实测电阻率曲线的特征和曲线类型分析。与直流电法中电测深法相比，电测深法的视电阻率曲线图是以供电极极距的一半为横坐标，而大地电磁测深的视电阻率曲线图是以对数周期为横坐标，两者都是以视电阻率对数为纵坐标。因此，大地电磁测深资料视电阻率曲线类型分类与电测深法的分类相同。

完成视电阻率曲线类型分类后，将测线（或测区）内各测点大地电磁测深曲线的类型按一定比例尺缩小绘在相应的图件上，获得曲线类型分布图，它反映了垂直方向上地下电性分层情况和各电性层沿水平方向的变化。

图14-8是南陵—无为地区从盆地边缘到腹部4处不同构造位置大地电磁测深的视电阻率曲线，可见从视电阻率曲线类型到同一种类型视电阻率曲线的极值位置都有变化。

图14-8 南陵—无为地区从盆地边缘到腹部4处不同位置大地电磁测深的视电阻率曲线

在视电阻率曲线分析的基础上，以测线为横坐标，以大地电磁场的周期T（或频率f）为纵坐标，将各测点相应周期T（或频率f）上的视电阻率ρTE（ρTM）标在对应的纵轴上，并沿测线构制等值线，制作视电阻率ρTE（ρTM）断面图。

从视电阻率断面图可以定性地了解基底的起伏，断层的分布以及电性层的划分（即有几个电性层，它们之间的关系，沿水平和垂直方向的变化情况等）等电性特征，因此视电阻率断面图是一个重要的定性图件。必须注意，由于ρTE和ρTM反映地电断面的特征不同，两种视电阻率断面图也不会处处完全一致，必须综合分析两种图件，才能得出正确的结论。

一般讲，在深部（即长周期T处）高视电阻率等值线的起伏形态与基底相应。而视电阻率等值线密集，扭曲和畸变的地方又往往与断层有关。断层（特别是基底断层）越浅，这种特征越明显。在剖面中，岩层电阻率差别越大，视电阻率断面图的效果也越明显。

同样也可制作相位断面图，总纵向电导S剖面图或平面图，各向异性断面图等定性解释图件，初步得出测量地区的地下构造概况和测区反映出的曲线形态和特点，再对照测区其他物探资料、构造资料等来选择初始模型。

图14-9、图14-10分别是上海奉城—浙江湖州MT剖面上视电阻率断面图、阻抗相位断面图。由视电阻率断面图可见，剖面由西向东的特征变化可分成以下几段：60—53号测点段、52—50号测点段、49—01号测点段。剖面上部的中高频段为低阻沉积层，由西向东逐渐抬升，低频段除湖州—苏州断裂位置的52—50号测点段为明显低阻外，均表现出高阻层，且这一高阻滞连续性较好，东段即49—01号测点段视电阻率幅值高。

图14-9 上海奉城—浙江湖州MT剖面上视电阻率断面图

阻抗相位断面图上极值位置与视电阻率断面图上高、低阻层之间的梯度带的位置基本上是一致的，同样表达了上述的特征。

图14-10 上海奉城—浙江湖州MT剖面上阻抗相位断面图

3.半定量和定量解释

视电阻率断面图只给出沿测线的视电阻率随电磁波周期（或频率）分布的信息，要直观了解沿测线地下电阻率随深度的分布，就需要对大地电磁测深资料进行反演。按近似程度的差异反演分半定量反演和定量反演；按地下介质模型的维度分一维、二维和三维反演。这里简单介绍一维大地电磁测深近似反演Bostick方法。其原理如下：

由三层地电模型在ρ3=∞时尾支渐近线为

当ρ3=0时尾支渐近线为

推广到在多层情况下，当ρn=∞和ρn=0时，曲线尾支近线的方程分别为

对任何一条一维大地电磁测深视电阻率曲线上的任何点，如果将其看成ρn=∞和ρn=0两条视电阻率曲线尾支渐近线的交点，如图14-11所示，由以上两式相乘和相除可以得到如下计算公式：

图14-11 Bostick法原理示意图

Bostick法就是利用上述的近似公式推广到在多层情况下来计算各频点相应的深度和电阻率：

图14-12就是利用Bostick法对上海奉城—浙江湖州测线MT资料半定量反演与解释结果。

图14-12 上海奉城—浙江湖州测线MT资料半定量解释结果

定量解释也称定量反演。定量解释是在定性和半定量解释的基础上进行的，任务是给出实测曲线所对应的地电断面参数，提出工区的地球物理模型。较成熟的反演方法有一维、二维反演。随着计算数学和计算机技术的使用和发展，大地电磁测深资料的反演已全部采用计算机进行全支曲线自动拟合的方法。当给定初始模型参数后，计算机按照程序设计的步骤，自动修改参数，直至使计算曲线与实测曲线重合，或者误差达到给定的要求为止。在一维情形下，这类反演方法可以解释多层介质的实测曲线。对二维情形，反演的基础仍然是正演，根据二维初始模型计算出二维正演理论曲线，与实测曲线对比，进而根据方差的大小及参数的特征对初始模型进行校正。在得到新的模型以后，又重复上述步骤，如此反复迭代，直至满足要求为止。

图14-13上海奉城—浙江湖州测线MT资料两维定量反演结果。由图可见，以38号测点为界，其东剖面高阻基底以上出现两个相对低阻层，西剖面高阻基底以上出现3个相对低阻层。研究人员依据地表露头和钻孔资料、岩石物性特征、区域地质特点，对高阻基底之上出现的相对低阻层的地质属性进行了标定和推断。他们认为沿测线近地表的第一个低阻层是新生代沉积层和中生界上白垩统的反映；第二个低阻层在55号测点以西地段为上古生界地层的反映，以东地段为中生界上侏罗统火山岩、火山碎屑岩地层的反映；38号测点以东地段可能也包括部分下古生界地层；38号测点以西地段的第三个低阻层被推测为下古生界地层的反映；深部高阻基底解释为前震旦变质岩系。

图14-13 上海奉城—浙江湖州测线MT资料两维定量反演结果

高阻基底面具有“西低东高中间隆”的特点。乌镇—马金断裂西支断层以西，高阻基底面埋深在6km左右。往东，在乌镇—马金断裂两支断层之间，高阻基底面埋深变浅为5.1km左右。从庙港—芦墟断裂至枫泾—川沙断裂间，表现为西低（4km左右）东浅（3km左右）中间凹（4.8km左右）。枫泾—川沙断裂至朱行断裂间，高阻基底面埋深明显变浅，从靠枫泾—川沙断裂的1.5km左右往靠朱行断裂方向加深为2.2～2.7km。朱行断裂至张堰—南汇断裂间，高阻基底面表现出“中间隆”的特点，埋深只有0.8～1.0km。张堰—南汇断裂至南通—上海断裂间，高阻基底面加深为1.2km，经过南通—上海断裂往东，高阻基底面埋深进一步加大为2.0km和2.7km。

14.4.2 大地电磁测深法的应用研究

1.地壳和上地幔电性结构的研究

中国、苏联、美国等多个国家和地区应用大地电磁测深法开展了地壳和上地幔电性结构的研究，总体将地壳和上地幔分成3个大的电性层。

第一电性层为地表的沉积盖层，厚度为0～20km，电阻率为0.2～500Ω·m，总纵向电导为（0～3）×104s。不同的地质构造中划分出更细的层次。

第二电性层为坚硬的岩石圈，包括地壳及上地幔上部，在电性上表现为高电阻率，可达103Ω·m以上。其厚度在不同的构造单元差别很大。一般在活动区较薄，为10～20km。在稳定的地台区较厚，可达上百千米。特别是在巨厚的岩石圈中发现了低电阻异常或低电阻层。

第三电阻层为软流圈，表现为良导性。电阻率大致为几或几十欧姆·米。

我国大陆地区壳内较普遍地存在高导层，但不同地区由于壳内高导层形成的原因不同，其埋藏深度变化范围很大。例如福建东部地区壳内高导层埋深在20～30km，它与地热活动及壳内低速层密切相关。在内蒙古、新疆和西藏某些地区，壳内存在两个高导层：上地幔中高导层的深度，也即软流层埋深，从东向西有加深的趋势。东南沿海大陆地区软流层顶部埋深平均约90km，向西逐渐加深到150～200km。即使在同一测区内，软流层顶部埋深的变化往往也很大。例如内蒙古东部，软流层顶部埋深在大兴安岭火山岩分布区为75km，而其两侧为100km。

壳内低阻层的成因是个复杂的问题，不同地区，不同条件下，引起壳内低阻层的原因也不尽相同。岩石电阻率的高温高压实验结果表明，岩石电阻率随温度的增加而减小（图14-14）。

当温度达到岩石的固相线时岩石部分熔融，其电阻率急剧下降。地壳内的温度随深度增加，当其温度达到岩石的固相线时地壳内的岩石开始熔融并引起低阻异常，同时使岩石的刚性减弱，塑性增强而具有非弹性蠕变特性。此外，在一定的温压条件下，含结晶水的矿物有可能发生脱水。脱出的自由水储存于地壳内也能形成壳内低阻层，含各种流体的地层以及含导电矿物的地层、石墨化地层均能引起地壳内的低阻异常。

图14-14 岩石电阻率随温度变化曲线

在我国，大陆的壳内低阻层有以下特点：

（1）在新生代裂谷区和近代构造活动区内大多存在着壳内低阻层，且埋藏深度较浅，厚度一般也较大，如攀西构造带和东南沿海地区。

（2）大部分的壳内低阻层隆起区与莫霍界面上隆区以及上地幔低阻层的隆起区有一定的对应关系，这些都说明壳内低阻层与上地幔活动过程密切相关，这在西北造山带和沉积盆地地区反映十分突出。

（3）壳内低阻层的隆起区大多与高地温区对应，因此壳内低阻层对了解地壳内的温度分布与热状态能提供有效的资料，在地热资源的预测中能给出深部热源的信息。

（4）浅源地震的震源一般分布在壳内低阻层以上，因此壳内低阻层对研究地震的孕育和发生有着重要的构造意义，如唐山地震地区，邢台地震地区及海城地震地区等。

（5）多数的壳内低阻层具有塑性蠕变特性，在地壳内能形成韧性剪切带，它在地壳的构造运动中起着滑脱面的作用，在青藏高原的雅鲁藏布江以南、以北均很典型。

2.油气勘探中的应用

在油气勘探中可利用大地电磁测深法研究高阻基底表面的起伏，划分沉积岩层，依据资料识别断层以及寻找高阻基底上的局部构造等。

图14-15至图14-17是过新疆北天山推覆带某测线大地电磁测深资料的反演结果和地质解释。由地电断面较好地划分出了4棵树凹陷，山前段褶带，北天山推覆带，中天山隆起带四大构造单元。其中北天山推覆带地表裸露石炭系基岩，在推覆断层之下显示在中浅部存在层状低阻异常带，推测为侏罗与白垩系地层，是油气勘探的远景区。

图14-15 过北天山推覆带MT测线两维连续介质反演电阻率断面

图14-16 过北天山推覆带MT测线两维层状介质反演电阻率断面

图14-17 过北天山推覆带MT测线地质解释剖面

目前，大地电磁测深法还用于寻找地下水和地热田勘探，河流、湖泊及地下水污染监测，地质填图、海水厚度和永冻层填图等。