大地電磁測深數據處理技術與反演方法改進及其應用實例

李曉昌， 鐘 清， 方 慧， 張小博， 裴發根

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

大地電磁測深數據處理技術與反演方法改進及其應用實例

李曉昌， 鐘 清， 方 慧， 張小博， 裴發根

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

介紹了大地電磁測深法在“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質遠景調查”中，其數據處理與反演的基本方法與運用原則，提出了“淺部選擇Occam反演，深部選用NLCG反演”和“交叉測線剖面阻抗旋轉處理”及“多折線剖面等距離Li旋轉算法處理”的改進方法技術組合，從整體上提高了MT資料處理與反演成果的質量。應用實例的反演結果真實有效，為后期的綜合解釋提供了可靠性資料。

MT； Occam二維反演； 非線性共軛梯度反演； 等距離Li旋轉算法； 突泉盆地

0 前言

我們在“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質綜合調查”中，開展了大地電磁測深(MT)勘查。從2011年-2014年，完成十余條MT剖面，測線長達1 399 km，測深點1 442個，高質量完成了數據處理與反演解釋，其成果為分析火山巖覆蓋層下隱伏盆地分布范圍、盆地結構、構造提供了可靠性資料[1-5]。

筆者介紹了在調查區內MT數據處理和反演工作的基本方法與運用原則。數據處理技術與反演方法包括對數據的定性分析和定量分析。定性分析包括介質維性分析、傾子分析、磁感應矢量分析、擬斷面分析；這里重點敘述了數據處理方法技術的改進，包括“交叉測線剖面數據阻抗旋轉處理”和“多段線剖面等距離Li旋轉算法處理”新方法，經過這兩項特殊剖面數據處理新技術的實施，從整體上提高了MT資料處理與反演成果的質量。

在定性分析的基礎上，針對研究目標的不同，采用“淺部一維、二維反演選擇Occam反演”和“深部選用二維非線性共軛梯度反演(NLCG)”方法技術組合，淺部和深部分開單獨進行反演。淺部反演深度范圍為8 km～10 km，可充分顯示橫向分塊、縱向分層的電性特征，有利于地層的劃分；深部反演深度范圍為70 km～120 km，可充分顯示構造格架，有利于深淺構造耦合關系的解釋。

列舉對突泉盆地FZ3與FZ6交叉剖面處理和FZ3折線長剖面處理及FZ6剖面淺部與深部反演的應用實例，證實這套方法技術組合對野外實測資料處理是合理有效的，反演的結果接近地下真實地電模型。

1 MT數據處理方法技術的改進

1.1 交叉測線數據阻抗旋轉處理

MT測線一般遵循垂直于構造走向布設原則，但實際工作中出于對某些重點靶區閉合的考慮，會布設兩條交叉或多條交叉測線。根據相鄰區域MT測點曲線形態相似原理，地下沉積地層在橫向上是連續性的。由于MT測深采用張量觀測方式，采集結果有兩個方向的數據，選擇不同方向的數據進行二維反演，結果可能偏差很大，所以在極化模式判定時，倘若仍按照常規對數據阻抗的旋轉原則，將阻抗張量旋轉到測線的法向方向，則交叉測線的極化模式可能相反，此時采用相同的極化模式進行反演，結果可能會出現較大差異而拼接不上，有悖于地質認知。基于此，在確定一條測線垂直于主體構造走向布設的情況下，將另一條測線數據阻抗再旋轉90°，相當于兩條測線數據都旋轉到主體構造方向，此時再選擇同一極化模式進行二維反演，反演結果交叉處附近呈現連續性，更符合地下真實地電特征。

1.2 多段線剖面“等距離 Li 旋轉算法”處理

在實際工作中，對由兩條或多條短測線連接而成的一條長折線剖面，MT二維反演通常采用各測線段剖面單獨反演，然后將各段的反演結果拼接起來，或是采取對折線剖面“截彎取直”式反演的方法。前者分段式反演由于邊界效應的存在往往造成反演結果拼接不上，后者“截彎取直”式反演結果不能反應測線剖面的真實長度，影響解釋工作。常規壓制邊界效應的手段是采用測點中心網格設計技術，添加模型兩側的缺省網格，增加反演初始網格模型的長度[6-7]，此方法可降低但不能消除邊界效應影響。為徹底消除邊界效應，我們提出了“等距離Li旋轉算法”將多段線轉換成一段線的改進方法[8]，以兩段線為例，如圖1所示的黑色實體線代表兩段線剖面，第一測線段方位不變，長度為L0，將第二段線剖面上測點的坐標等距離順時針旋轉θ角，使得兩段線剖面成為一段線剖面，虛線代表旋轉后的剖面測線。B1、B2、B3……為第二段線剖面上的測點，B1′、B2′、B3′……為等距離旋轉后與前者相對應的測點，假設測點B1(x1，y1)、B2(x2，y2)、B3(x3，y3)……的坐標已知，則B2′(x2′，y2′)、B3′(x3′，y3′)……坐標為：

(1)

由公式(1)解得：

(2)

式中：k為第一段測線的斜率；L1、L2為第二段測線上測點B2、B3分別到拐點B1的距離；k、L1、L2經計算可得。同理可寫出

(3)

經計算得到旋轉后測線剖面上B2′(x2′,y2′)、B3′(x3′,y3′)、B4′(x4′,y4′)……的坐標。

利用以上方法將多段線測點歸一到原先設定測線的方位上，形成一段線剖面數據后再進行二維反演。其結果有效消除了邊界效應，而且最大程度地反映了測線剖面的真實長度，提高了反演結果的可靠性。

圖1 等距離Li旋轉算法示意圖Fig.1 Sketch map of Li equidistant rotation algorithm

2 MT反演方法技術組合

2.1 淺部采用Occam一維、二維反演

針對盆地內沉積地層的主要特點是橫向上的連續性和縱向上的分層性，淺部一維、二維反演選擇Occam反演。Occam反演是要尋找一個盡可能與實際觀測數據既相吻合，又具有最小粗糙度的地電結構模型。反演要求多層模型光滑，受初始模型影響小，運算穩定、收劍性好，特別值得關注的是低阻體異常在深部的形態受Occam光滑影響變得不太明顯[9-10]。楊長福等[11]研究表明，用Occam反演計算可以取得很好的效果。二維反演初始模型選擇一維反演結果，它保留了已有一維反演結果關于層狀介質模型的宏觀輪廓信息，一維和二維反演結果有很好的對應關系，這對盆地巖體和沉積地層的劃分有很好的參照作用。選擇參與反演的MT數據頻率范圍為0.01 Hz～320 Hz，反演深度為8 km～10 km。

2.2 深部采用二維非線性共軛梯度反演方法

NLCG反演僅需利用一階導數信息，是解大型非線性方程組最優化最有效的算法之一。其優點是所需存儲量小、收斂快、而且不需任何外來參數，與Occam反演相比有很強的互補性[12-13],而且NLCG反演分辨率較高、與實際模型更加接近。為開展盆地深部電性構造的分析與研究，結合數據采集頻率范圍，采用二維NLCG反演方法，初始模型選擇均勻半空間模型，它保證了深部電性結構的均勻性。選擇參與反演的MT數據頻率范圍為0.000 5 Hz～320 Hz，反演深度范圍為70 km～120 km。

2.3 數據處理與反演的步驟及實現過程

數據處理與反演的步驟及實現的過程如圖2所示。

圖2 數據處理流程圖Fig.2 Data processing flow chart

1)進行特殊剖面處理。經過預處理后的剖面數據，首先要求對交叉測線剖面和多段線剖面分別進行“交叉測線剖面數據阻抗旋轉處理”和“多段線剖面等距離Li旋轉算法處理”，然后和其他的測線數據一起進行其后的定性分析。

2)進行定性分析。通過介質維性分析定性判斷地下構造特征維數；通過傾子分析定性反映地下介質橫向電性的不均勻性，從宏觀上對斷裂的位置、大小、深度和傾向等做出定性解釋；通過磁感應矢量分析定性了解測點下方相應深度上的側向電性信息；通過繪制頻率-視電阻率擬斷面圖和頻率-相位擬斷面圖大致了解地下電阻率、相位沿測線的整體變化特征，指示大斷裂的存在。另外還可將反演電性模型相應數據擬斷面和實測數據擬斷面圖進行對比分析，驗證反演結果的可靠性。

3)進行定量反演。剖面數據進行精細反演，得到可以進行定量解釋的地下電性結構模型。淺部進行一維、二維Occam反演；深部則進行二維NLCG反演。定性分析與定量分析采用了MTSoft2D軟件(成都理工大學)和MTPioneer軟件(中國地震局地質研究所)反演可視化平臺。

4)根據二維反演結果，綜合地質、物性、其他地球物理等資料進行地質解釋，編制地質解釋斷面圖。

3 應用實例

選擇在突泉盆地南部開展MT測深的FZ6測線和FZ3測線數據處理為例。其中FZ6剖面穿過突泉盆地跨入松遼盆地，呈NNW向展布,剖面全長145 km。FZ3剖面位于松遼盆地與大興安嶺東麓結合部位，呈NE向布設，貫穿扎魯特和突泉盆地，該剖面為兩段線折線剖面，第一段測線長121 km，第二段測線長112 km，與研究區大多數測線(NW向)幾近垂直。

野外施工采用加拿大鳳凰公司生產的測量儀器V5—2000，測量點距為1 km，采用五分量張量測量方式，觀測頻率為0.000 5 Hz～320 Hz。為了保證數據質量，每個MT測深點的野外采集記錄時間一般不低于8 h。

3.1 交叉測線數據處理實例

突泉盆地中FZ3測線近乎平行于大興安嶺東緣斷裂走向，FZ6測線與其相交，且基本垂直于主體斷裂走向布設，將FZ3和FZ6測線數據旋轉到構造走向方向，即將FZ3測線數據旋轉90°，FZ6測線數據旋轉0°，然后選擇TM極化模式進行二維反演，反演結果如圖3所示，圖3中紅色線位置為兩條剖面相交位置。

圖3 FZ3剖面與FZ6剖面交叉處反演結果對照圖Fig.3 Comparison of the inversion results at the intersection of FZ3 and FZ6 profiles

從圖3可以看出，FZ3剖面與FZ6剖面相接處,斷面上由淺至深所遇高阻體(桔黃色標)和低阻體(深藍色標)都有很好的對應關系，FZ3剖面的高阻體處在-4.5 km ～-2 km，低阻體處在-12 km～-6 km；FZ6剖面的高阻體處在-4.2 km～-1.5 km，低阻體處在-11.5 km～-5.5 km,以下層次也一一對應，十分清晰，較符合地下真實地電特征。

3.2 多段線剖面處理實例

FZ3剖面上的測點分布所擬合的測線呈一條折線，第一段線為A-B，第二條線為B-C,兩段測線方位相差17°，按照“等距離Li旋轉算法”將第二段測線上測點進行等距離Li順時針旋轉17°，使擬合測線轉化為一段線剖面(A-B-C’)。按照常規對二段線分別反演的結果如圖4所示。由圖4可知，分段式反演由于邊界效應的存在造成反演結果拼接不上，產生地下電性連續體出現錯斷，如圖4中在邊界處的D、E、F、G低阻體(層)受邊界效應影響發生嚴重畸變，如此形成的虛假信息，勢必給解釋帶來錯覺。

經過“等距離Li旋轉算法”改進后的反演結果如圖5所示，其二維反演結果要好于圖4中的反演結果，圖4中兩段線剖面拼接處的邊界效應基本消失，D、E、F、G區域不連續的低阻帶在圖5中恢復連續，結果更接近于真實地電模型。

圖4 二段線二維反演結果Fig.4 2D inversion results of two polyline

圖5 一段線二維反演結果Fig.5 1D inversion results of new profile data

3.3 方法技術組合反演實例

突泉盆地FZ6大地電磁剖面的反演電阻率斷面如圖6所示。由圖6可知，淺部和深部低阻和高阻的整體形態對應較好。圖6(a)中橫向分塊、縱向分層的電性特征明顯，有利于地層的劃分。0 km～32 km以高阻、中高阻異常為特征，表明該處主要為中酸性巖體和酸性巖體分布區；32 km～71 km電性以低阻異常為特征，電阻率只有n×100Ω·m～n×101Ω·m，是剖面上電阻率最低地段，局部穿插中高阻異常，主體對應凹陷內中、新生代地層發育區，局部有巖體侵入；在縱向上呈現高、低阻互層特征，電阻率斷面圖反應了沉積地層的展布。71 km～145 km電性以中、低阻異常為特征，縱向上都表現出明顯的低、中阻、低阻、中高互層特征。中西部47 km～70 km對應于牤牛海凹陷，電阻率為n×10-1Ω·m～1×101Ω·m，是連續性好的低阻層，具有尋找中生代侏羅系和晚古生代油氣資源的有利遠景。

圖6(b)斷面圖中出現一明顯的低阻異常帶，其形態呈“八”字型分布。位于中部的低阻層近似水平，與牤牛海凹陷區對應；東側的低阻帶，產狀近似直立，傾向南東，分析認為是嫩江-八里罕深大斷裂的反映。圖6(b)構造格架清晰，有利于深淺構造耦合關系的解釋。

由圖6可見，數據處理過程中針對不同的研究目標,淺部采用Occam二維反演，深部采用NLCG二維反演的方法技術組合是有效合理的。

圖6 FZ6剖面淺部Occam和深部NLCG二維反演結果Fig.6 Two dimensional inversion results of shallow Occam and deep NLCG in FZ6 section(a)淺部反演;(b)深部反演

4 結語

綜上所述，對在“松遼外圍中新生代盆地群油氣地質綜合調查”中，MT數據處理技術與反演方法的改進有以下認識：

1)對特殊剖面的處理是進行定性與定量分析之前的重要環節。它的實施，從整體上提高了定性分析與定量反演成果的質量。交叉測線剖面數據阻抗旋轉處理反演結果在測線相交處附近呈現很好的連續性和一致性；多折線剖面“等距離 Li 旋轉算法”處理有效消除了分段式單獨反演結果拼接部位的邊界效應，提高了后期的綜合解釋水平。

2)定量分析方法的選擇是重中之重。針對盆地內沉積地層的特征和研究盆地深部構造的要求，采用“淺部選擇Occam反演，深部采用NLCG反演”方法技術組合，經野外實測資料處理證實是合理有效的，反演結果接近地下真實地電模型。

致謝：

參加該項目的：袁永真、張鵬輝、盧景奇、高保屯、何梅興、仇根根、白大為、杜炳銳、劉暢往,在此致以謝意！

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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

中國地質調查局地質調查項目(1212011120971)

李曉昌(1964-)，男，教高，從事大地測量和大地電磁法方法技術研究和應用開發工作， E-mail：lixiaochang@igge.cn。

1001-1749(2017)03-0313-06

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.03.03