引用本文
张小博, 钟清, 方慧, 仇根根, 李晓昌, 何梅兴, 袁永真, 张鹏辉. 对多段线MT二维反演方法的一种改进[J]. 物探与化探, 2016,40(1): 104-110.
ZHANG Xiao-Bo, ZHONG Qing, FANG Hui, QIU Gen-Gen, LI Xiao-Chang, HE Mei-Xing, YUAN Yong-Zhen, ZHANG Peng-Hui. An improved method for MT two-dimensional inversion of polylines profile[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(1): 104-110.
Doi:10.11720/wtyht.2016.1.19  
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对多段线MT二维反演方法的一种改进
张小博1,2, 钟清1,2, 方慧1,2, 仇根根1,2, 李晓昌1,2, 何梅兴1,2, 袁永真1,2, 张鹏辉1,2
1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000
2.国土资源部 地球物理电磁法探测技术重点实验室,河北 廊坊 065000

作者简介: 张小博(1987-),男,助理工程师,主要从事电磁法方法技术研究与应用工作。

收稿日期: 2015-02-06
基金: 中国地质调查局地质调查项目(1212011120971,12120114005002); 国家“深部探测技术与实验研究”专项(SinoProbe-01-04)
摘要

对于多段线剖面的MT二维反演,通常采用各测线段剖面单独反演的方法,或者采用对多段线剖面“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”式反演结果不能反映测线剖面的真实长度,影响解释工作。提出一种多段线MT二维反演的改进方法,先选定一测线段剖面(通常是最长的一段)方位作为MT二维反演测线的固定方位,计算与之相邻的测线段上各测点到临近拐点的距离 Li,然后将需要旋转的测点坐标进行等距离 Li旋转,使测点归一到原先固定测线的方位上,逐级类推,最后对新形成的一段线剖面数据进行二维反演。应用这种改进方法,通过对设计模型不同极化模式下的正反演对比分析和实测数据的反演结果验证,认为该方法有效解决了多段线MT二维反演拼接部位边界效应的影响,并且最大程度上反映了测线剖面的真实长度,提高了反演结果的可靠性,有利于后期的综合解释。

关键词: 多段线; MT; 极化模式; 二维反演; 边界效应
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)01-0104-07 doi: 10.11720/wtyht.2016.1.19
An improved method for MT two-dimensional inversion of polylines profile
ZHANG Xiao-Bo1,2, ZHONG Qing1,2, FANG Hui1,2, QIU Gen-Gen1,2, LI Xiao-Chang1,2, HE Mei-Xing1,2, YUAN Yong-Zhen1,2, ZHANG Peng-Hui1,2
1. Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, Langfang 065000, China
2. Electromagnetic Detection Technology Key Laboratory of Ministry of Land and Resources, Langfang 065000, China
Abstract

For MT two-dimensional inversion of polylines profile, researchers usually use a separate profile inversion for each measured line profile, or conduct profile inversion with the type of "polylines bending straightening". The former of segmented inversion can't make the inversion results stitch up perfectly due to the boundary effect, and the latter inversion results can not reflect the true length of the measured profile, so that both situations affect interpretation work. The authors thus propose an improved method for two-dimensional polylines MT inversion. Firstly, a measured profile orientation is chosen as the fixed orientation of the MT two-dimensional inversion (usually, it is the longest one) , the distance Li between each points is calculated on the adjacent measured profiles and the inflection point nearby, then the coordinate of measured points is rotated in a distance Li . In this way, the measuring points will be normalized to the original fixed orientation of the measured line, with progressively analogy. Finally, the two-dimensional inversion can be conducted for the new profile data. Based on applying this improved method, the comparative analysis of forward and inversion in different polarization modes and the verification results of measured data, the authors hold that this method can effectively resolve the problem of the influence of the boundary effect in the stitching position of MT two-dimensional inversion and can also reflect the maximum possible extent of the true length of the measured profile, thus improving the reliability of the inversion results and helping later comprehensive interpretation.

Keyword: polylines; MT; polarization mode; two-dimensional inversion; boundary effect

在实际工作中, 大地电磁测深(MT)的测线一般垂直于地质构造走向布设, 这样方便极化模式的选取, 当研究的区域较大, 可能会遇到由多条短测线连接而成的一条折线长剖面的情况。对此类MT长剖面的处理流程, 多数是先将各测线段的MT数据进行单独反演, 然后将各段的反演结果拼接在一起, 最后再针对拼接后的反演结果图进行综合解释; 但是这种处理方式忽略了反演边界效应的影响, 造成的最直接后果就是相邻的两条反演剖面“ 拼接” 不上, 或者是吻合的不好, 出现虚假的信息, 为解释工作带来了极大的困扰。还有一种常用的处理手段是对多段线MT长剖面“ 截弯取直” , 将多段线剖面上的测点投影到一条对所有测点都相近的测线上, 然后进行整体反演解释; 虽然这种方法消除了相邻两条剖面拼接处边界效应的影响, 但是这样新形成的测线剖面大大缩短了原来剖面的长度, 特别是在工区范围较大, 多段线剖面相接处拐角较大的情况下, 这种处理方法会对后续的解释工作带来诸多的不便。笔者提出一种多段线MT二维反演的改进方法, 该方法能有效解决多段线MT二维反演拼接部位边界效应的影响, 最大程度上反映了测线剖面的真实长度, 提高反演结果的可靠性, 有利于后期的综合解释。

1 方法原理
1.1 两段线剖面模型设计与正反演分析

建立一个两段线剖面模型mod1, 如图1所示。测线剖面两段线相交, 夹角θ (0< θ < π ), 测点共计36个, 点距1 km, 两段线交汇处A21和B1测点位置重合, 长度34 km。第一层厚度h1=5 km, 电阻率ρ 1=2 000 Ω · m; 第二层厚度h2=3 km, ρ 2=200 Ω · m; 第三层向下无线延伸, ρ 3=1 000 Ω · m。第一段线L1长度d1=20 km, 有21个测点, 第二段线L2长度d2=14 km, 有15个测点。采用二维有限单元法(FEM)正演得到36个测点的MT数据。

图1 mod1剖面示意

对获得的MT数据进行分段反演, 二维反演方法采用当前主流的非线性共轭梯度法(NLCG), 对反演结果进行拼接, 如图2所示。

图2 mod1不同极化模式反演拼接结果

从图2中可看出两段线剖面的反演结果图拼接处出现一条界线(红色椭圆内), 这主要是由边界效应引起的, 在靠近边界处, 低阻体的周围存在一定的畸变, TM模式反演结果中视电阻率等值线向外辐射, 低阻层变厚, TE模式反演结果中视电阻率等值线向内收敛, 低阻层变薄, 长度缩短。对比三种极化模式的反演结果:①TE+TM模式的反演效果最好, 边界效应的影响最小, 三层介质的界线清晰, 较好地反映了模型的真实情况; ②TM模式的反演结果次之, 三层介质的界线也较清晰, 但是L2段剖面低阻层相对L1段低阻层较厚, 出现向下拉伸现象, 在低阻层之下介质电阻率值偏低, 造成这一结果的原因可能是因为TM极化模式反演对纵向的分辨率能力不够, 也和剖面长度、低阻层的分布形态以及反演深度有关[1, 2, 16]; ③TE模式反演结果相对较差, 横向分辨能力不足, 原来的低阻层区域被两块椭圆形低阻体代替, L2段低阻体也出现向下拉伸现象。从边界效应的影响方面来看, TE模式受边界效应的影响程度大于TE+TM模式和TM模式。

为了更好地进行对比说明, 设计了另一个二维模型mod2, 如图3所示。

图3 mod2剖面示意

mod2除了中间低阻层的形状和mod1的不一致外, 其他的参数均相同。由图3中可见, L1段低阻层的最左端位于测点A10正下方, 距离测点A1的水平距离d4=9 km; L2段低阻层的最右端位于测点B9的正下方, 距离B15的水平距离d5=6 km。采用二维有限单元法(FEM)正演计算得到36个测点的数据, 其中测点A21和B1位置重合。

对获得的MT数据进行二维NLCG分段反演, 将反演结果进行拼接, 如图4所示。

图4 mod2不同极化模式反演拼接结果

从图4中可以看出, 两段线反演结果拼接处的界线依然存在(红色椭圆内)。在靠近边界处, TM模式反演结果视电阻率等值线向外辐射, 低阻区域变厚, TE模式反演结果视电阻率等值线向内收敛, 低阻区域变薄。相比mod1的反演结果, mod2的反演结果拼接处出现错断, 相互吻合得不好。从整体的反演结果来看:①TE+TM模式的反演结果相对较好, 低阻体的电阻率值、形态、埋深较接近真实情况; ②TM模式的反演结果横向上分辨出低阻体的长度, 纵向上分辨能力不足, 出现向下拉伸现象; ③TE模式的反演结果横向上直接显示两个椭球形低阻体, 彼此不相连, L1段的低阻体位置靠下, L2段的低阻体位置偏上, 这点与模型低阻体形态左低右高相似, 但总体上不能识别出低阻异常体的形态。从边界效应的影响方面来看, TE模式受边界效应的影响程度大于TE+TM模式和TM模式。

1.2 等距离Li旋转算法

对于边界效应的影响, 通常采用的方法是在构建反演初始网格模型时, 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长度[1, 3], 以此来降低反演时边界效应的影响, 但是边界效应依然是存在的。此次提出的改进方法, 可以确实消除反演结果拼接处的边界效应, 下面就对这种方法进行说明。

如图5所示, 黑色实体线代表两段线剖面, 第一测线段方位不变, 长度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, 测点坐标已知。B1(x1, y1)、B2(x2, y2)、B3(x3, y3)、…, B2'(x'2, y'2)、B3'(x'3, y'3)、…, 则有

(y'2-y1)(x'2-x1)=k, (y'2-y1)2+(x'2-x1)2=L12。(1)

图5 测点坐标等距离旋转θ 角

由式(1)解得

x'2=L1/k2+1+x1, y'2=k(x'2-x1)+y1。(2)

式中k为第一段测线的斜率, L1、L2分别为第二段测线上测点B2、B3到拐点B1的距离, k、L1、L2经计算很容易得到。同理

x'n=Ln/k2+1+x1y'n=k(x'n-x1)+y1　(n> 2)(3)

经过计算得到旋转后测线剖面上B2'(x'2, y'2), B3'(x'3, y'3), B4'(x'4, y'4), …的坐标。

1.3 数据再反演与结果分析

利用以上方法对mod1 L2段剖面上测点的坐标进行等距离旋转, 形成一个一段线的新剖面, mod1则转化为一个新的二维模型mod1-1(图6), 新测线命名为测线L'1。

图6 mod1-1剖面示意

对测线L'1上的数据重新进行二维NLCG反演, 得到如图7所示的反演结果。

图7 mod1-1不同极化模式反演结果

从图7可以看出, 本次的反演效果明显好于之前的两段线反演(图2), 三层介质的界面清晰可见, 原两段线拼接处由边界效应引起的不吻合现象消失, 反演结果更加逼近真实的地电模型。不过在长剖面边界处, 低阻体周围的畸变特征依然存在, TM模式反演结果视电阻率等值线向外辐射, 低阻层变厚, TE模式反演结果视电阻率等值线向内收敛, 低阻层变薄, 长度缩短。从整体的反演结果来看, TE+TM模式和TM模式的反演结果均优于TE模式的反演结果; 在低阻层的整体分布特征方面, 尤其是TM模式的反演结果甚至好于TE+TM模式的反演结果, 它显示的低阻部分水平层状分布更加均匀(除去两端部分); 从边界效应的影响方面来看, TE+TM模式和TM模式受边界效应的影响程度均小于TE模式。

同理, 对mod2 L2段剖面上各测点坐标进行等距离旋转, 使其转化为一个纯粹的二维模型mod2-1(图8), 新测线命名为测线L'2。对测线L'2上的测点数据重新进行二维NLCG反演, 结果见图9。

图8 mod2-1剖面示意

图9 mod2-1不同极化模式反演结果

从图9中可看出原两段线拼接处由边界效应引起的不吻合现象消失了, 整体的反演效果比较好, 低阻体形态、埋深等均比较接近真实的地电模型。对比三种模式的反演结果, TE+TM模式的反演结果最好, TM模式和TE模式的反演结果相对差些; 从低阻异常体的介质分布情况来看, TM模式的反演结果相对较好, 介质分布均匀, 但TM模式反演结果两端受边界效应的影响较大。

2 实测数据反演

随着国家对火山岩覆盖区油气资源调查的深入研究, 大地电磁测深等非震物探技术也越来越受到重视。这些年, 在松辽外围乌兰盖盆地、突泉盆地、扎鲁特盆地等地区完成了多条大地电磁测深(MT)和音频大地电磁测深(AMT)剖面, 取得了大量的成果, 为该地区油气资源潜力评价提供了依据[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]。此次选取的实测MT剖面就是一条跨越扎鲁特盆地和突泉盆地的两段线长剖面, 测线号fz3, 测点212个, 点距1 km。

在反演之前通常先采用“ Robust” 数据处理, “ Rhoplus” 分析, 阻抗张量分解, 基于层状介质的相位和视电阻率互换技术等先进的方法对野外采集获得的MT数据进行分析优选, 然后再对优选的MT数据进行反演解释[12]。

测点分布图如图10 所示, 拟合出的测线呈一条折线。由于拟合的两段测线方位相差17° , 所以按照前面的改进方法将第二段测线上(红色椭圆内)测点进行等距离顺时针旋转17° , 使拟合测线转化为图11形式。

图10 fz3线(两段线)测点分布

图11 fz3线(一段线)测点分布

前人大量的研究成果表明, 采用TM极化模式的二维反演通常能较好地重建原始模型信息, 尤其是在研究地球深部复杂电性结构特征时, TM极化模式反演具有更好的探测深度及分辨能力, 反演结果相比其他模式反演结果更为可靠[12, 13, 14, 15]。对比前面模型改进后的反演结果也可以看出TM极化模式的反演效果相对较好, 能够反映模型真实的电性结构特征。故本次采用TM极化模式对实测数据进行二维NLCG反演。

虽然地下实际的电性结构是非常复杂的, 远非简单的模型就可以模拟, 但是两段剖面相交处附近的电性分布情况应该是连续的。显而易见, 图13的反演结果要好于图12的反演结果。从图13可以看出深蓝色高阻区域为大兴安岭南部酸性火山岩体的分布区, 剖面中部地表甚至有大片岩体出露, 在岩体的根部之下分布有一条连续的低阻带(层), 如图13中A区所示, 低阻带一直向北东方向延伸, 并逐渐在160~170 km处出露地表, 推测这里可能分布着一条突泉盆地南侧的控盆断裂。fz3(两段线剖面)二维反演结果(图12), 整体的电性分布特征与fz3(一段线剖面)二维反演结果(图13)相似, 但在两段线剖面拼接部位出现差异, 主要集中在C区域(红色虚线区域), 低阻带(层)的分布不是连续的, 出现错断, 拼接的界线明显, B区域(中低阻)也出现相同的情况。C区域中靠近拼接接线处低阻带(层)抬升, 低阻、中低阻层变厚, 中阻过渡带变薄; 相比之下高阻区域的变化不明显, 这说明边界效应对高阻的影响较小, 对低阻的影响较大, 这一点从前面的模型反演对比实验中也可以看出, 界线处低阻带(层)错动较大可能还受上部B区域中低阻屏蔽作用和边界效应的双重影响。

图12 fz3线(两段线剖面)二维反演结果

图13 fz3线(一段线剖面)二维反演结果

3 结论

1)多段线剖面MT二维反演结果拼接处由于边界效应的存在造成地下电性连续体出现错断, 影响后期解释工作。采用改进后的MT二维反演方法, 将多段线剖面转化为一段线剖面, 消除了二维反演结果拼接处边界效应的影响, 并且不同于对测线剖面“ 截弯取直” 式的反演, 最大程度地保留了原始剖面的真实长度, 使反演结果更接近地下真实断面特征。

2)在边界处, 低阻带(层)受边界效应影响发生畸变, TM模式的视电阻率等值线向外辐射扩散, 造成低阻带(层)变厚, TE模式的视电阻率等值线向内收敛, 造成低阻带(层)变薄, 长度变短。

3)不论是模型数据反演结果还是实测数据二维反演结果都显示出地下高阻体受边界效应的影响较小, 低阻体受边界效应的影响较大, 特别是非水平层状分布的低阻带(层), 多段线剖面的二维反演结果相邻部分不能很好地吻合, 甚至出现错断。所以, 在必须要分段反演时, 尽量把测线段在高阻区域划分开, 然后再分段进行二维反演。

4)边界效应会给反演结果带来虚假信息, 影响解释工作, 尤其是对于地下非水平层状分布的异常体, 相邻两段剖面的反演结果往往拼接不上, 出现错断。因此, 在研究地下深部电性结构特征时, 尽量选择长剖面进行二维反演, 并适当增加反演初始网格模型的长度。

The authors have declared that no competing interests exist.

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