地球在漫长的构造演化过程中,会经历多期次的应力作用,导致岩石圈的纵向和横向结构具有不同的几何特征.张国伟等(1995, 1997)研究发现,秦岭造山带岩石圈深部结构以近南北向为主,而浅部则以近东西向为主.在北非阿特拉斯山脉,也发现地壳和上地幔构造走向的不同(Kiyan et al., 2010; Anahnah et al., 2011;Ledo et al., 2011).在本研究系列(五)中,我们利用大地电磁阻抗张量成像技术发现了合肥盆地的深部结构中存在多期次的立交桥组合构造(陈小斌和郭春玲,2017).此外,横向上也经常存在不同走向的构造之间的交叉接触关系,一条剖面会同时穿越多个具有不同走向的构造体系.更多的情况下,存在纵向立交桥交错模型和横向交错接触模型之间的组合.为论述简单,将此类构造模型(纵向立交桥交错模型、横向交错接触模型及它们的组合)统称为“交错模型”.
交错模型在本质上属于三维模型,不满足二维模型所假设的整条剖面具有相同的构造走向的要求,因而导致大地电磁二维反演中电性主轴方位选择的困难.北非阿特拉斯山脉的MT探测导致Jones课题组和Anahnah课题组之间出现了激烈的争论(Anahnah et al., 2012;Jones et al., 2012),因为二者在反演中选择了不同的电性主轴,反演结果出现了巨大的差异.但双方最终并没有达成共识——双方均未为阿特拉斯山脉壳幔电性结构这一交错模型的二维反演提出合理的解决方案.
然而,交错模型在空间上可以分解为一系列具有不同走向方位的二维线性构造,这意味着交错模型不是一般意义上的没有明确构造走向的三维模型.能否利用交错模型的这一特征,寻找一种比固定主轴方式更为合适的大地电磁二维反演技术呢?
在传统的二维反演中,遇到横向交错模型时,会采用分段反演,每一段分别有对应的主轴方位,各段之间会有些测点的重叠.然而,这种反演方式会造成各段之间对接的困难.即在重叠段,反演得到的电性结构多数情况下会有所差异.此外,这种传统的分区段反演,各区段主轴方位的确定不是来自大地电磁的信息,而主要依据地表地质调研所给出的构造分布.对于纵向交错模型,迄今并没有好的办法.
本文针对上述问题,利用大地电磁二维正演(陈小斌等,2000)、三维正演(Mackie et al., 1993)、阻抗张量统计成像(陈小斌等,2014)及二维非线性共轭梯度法反演(Rodi and Mackie, 2001)等技术,开展理论交错模型和实测数据的反演对比研究,力求为解决交错模型的大地电磁二维反演提供合理的新技术.
1 理论交错模型的二维反演 1.1 模型一:纵向交错模型(立交桥模型)的二维反演 1.1.1 模型与正演计算本文研究过程中设计了多个理论模型来研究交错模型的大地电磁二维反演问题.这里选择了其中的一个进行讨论.该模型中,浅部为走向呈45°的高阻体(电阻率10000 Ωm),深部为走向0°的低阻异常体(电阻率为1 Ωm),如图 1所示.很显然,这是纵向交错模型中比较简单的、典型的三维立交桥模型.我们对该三维模型及其目标剖面所对应的二维模型分别进行了三维正演和二维正演计算,获得了相应的正演响应数据,然后,采用MT-pioneer软件系统(陈小斌等,2004)进行后续的阻抗张量成像分析和二维反演的对比研究.
阻抗张量成像技术(陈小斌等,2014)为交错模型的二维反演提供了频率和空间上的完整的电性主轴分布信息,从而为探寻合理的交错模型二维反演方案提供了技术基础.图 2给出了立交桥模型中测线L上所有测点和频点的电性主轴的统计成像结果.由图可知,测区存在两个主要的电性主轴方位,分别为45°和0°,其中45°主轴方位分布在高频段(频率>0.3 Hz)和剖面中心位置附近,0°主轴方位分布在低频段(频率 < 0.3 Hz)的整个L剖面上.因此,利用阻抗张量成像技术,我们确定了L剖面上深浅不同走向构造所对应的频段:高频段(0.3~1000 Hz)对应于浅部45°走向的构造,而低频段(0.0001~0.3 Hz)对应于0°走向的构造.利用这些信息,我们就有可能采取比传统更合理的二维反演方案.
(1) 常规二维反演
对于一条实测的大地电磁剖面,常规的二维反演一般要求全剖面处于同一电性主轴方位下.对于图 1所示的模型而言,存在两个构造主轴方位:0°和45°,那么在常规的二维反演中,可能存在以下几种处理方式:整条剖面都采用0°走向反演、45°走向反演、二者的平均值22.5°走向反演.为了能够全面地对比常规反演与可能的新反演技术,本文分别对45°、0°、22.5°走向三种情形进行了二维反演,反演中初始模型均为100 Ωm的均匀半空间,反演结果见图 3a、b、c.由于TE极化模式对于二维性的要求要远远强于TM模式(蔡军涛等,2010),TE模式数据参与反演,会使得反演结果带有更大的不确定性,影响对比分析,故以下反演中我们均只采用了TM极化模式进行二维反演.
(2) 分频段二维反演
我们已经通过阻抗张量成像技术得到了图 1所示立交桥模型的深浅构造电性主轴所对应的频率范围,即高频段(0.3~1000 Hz)对应于45°走向的构造,低频段(0.0001~0.3 Hz)对应于0°走向的构造.根据这些主轴方位的频率分布信息,我们很自然地想到,可以先做某一频段的二维反演,然后以其为初始模型做另一频段的二维反演.这种方案下,由于每次反演所面对的数据都是同一主轴的数据,在一定程度上可以实现各线性构造体之间的解耦,从而其二维反演结果有可能更为可靠.
对于图 1这样的较为简单的立交桥模型而言,可以有两种分解反演的方式:其一、先做高频反演,然后以其为初始模型进行低频反演;其二、先做低频段反演,然后以其为初始模型进行高频数据的反演.每一种反演过程中,网格是完全相同的,且所有模型参数都将得到修正.以这两种方式得到的二维反演结果见图 3d和图 3e,其中最原始的初始模型为100 Ωm的均匀半空间.作为一个比较的标准,图 3f为图 1中测线L剖面所对应的二维模型响应的二维反演结果.
根据图 3中二维反演结果的比较,我们可以得出:
(1) 45°主轴常规反演结果(图 3a),浅部高阻异常体的结构形态与图 3f几乎吻合,深部低阻异常体顶、底边界与图 3f反演结果相同,但左右边界引入了冗余构造.
(2) 0°主轴常规反演结果(图 3b),浅部高阻体结构形态扭曲变形,下方出现低阻体假构造,且低阻块体包围在高阻异常体周围,与图 3f形态差异较大.
(3) 22.5°主轴常规反演结果(图 3c),整体能较好地反映真实的模型信息,但浅部高阻体底部深度不够准确,下方出现假高导体,深部低阻体上边界左右两侧向高阻体弯曲严重.
(4) 高频反演结果作为低频数据反演的初始模型,反演结果见图 3d,浅部高阻体底边界引入了高导环假构造,深部低阻体上边界与图 3f相一致,但体积差异大.
(5) 低频反演结果作为高频数据反演的初始模型,反演结果见图 3e,深、浅异常体与实际模型吻合良好.
因此,根据上述比较结果,可以得出一个结论:先反演低频段,以其为初始模型再反演高频段数据,得到的反演结果最为可靠.这可能是因为低频数据反演不仅能反映深部电性结构,而且对浅部结构也有一定反映,以低频反演结果为初始模型进行高频数据反演,在保证低频反演结果可靠的基础上,对高频数据作出进一步的改善.
在常规反演结果中,22.5°主轴方位的反演结果也比较可靠,这主要是因为22.5°与0°和45°的差别都不是很大的原因.陈小斌等(2008)曾经对大地电磁二维反演中的数据旋转方向的选择做过讨论,认为在旋转角小于30°时,反演结果的差别不是特别大,是可以用于解释的.
1.2 模型二:横向交错模型的反演 1.2.1 模型与正演计算图 4为本文设计的另一种交错模型.该模型的浅部有一个0°走向的低阻体、深部存在45°走向的高阻体,选择的剖面位置在两个异常体交错点的一侧,使得该剖面上存在两个构造走向不一样的测段,形成横向交错模型.对该模型进行了三维正演和L剖面所对应的二维模型进行了二维正演计算.
图 5给出了横向交错模型中测线L上所有测点和频点的电性主轴的统计成像结果.统计玫瑰图表明,该剖面上存在两个显著的主轴方位:0°和45°,其中0°特别突出,在传统的二维反演中,极可能被作为全剖面的主轴方位;由频率分布云图可知,0°主轴方位几乎占据了整个频率范围,45°主轴方位则主要分布于中低频,亦即不同的电性主轴方位分布在频率域存在重叠现象,表明不能在频率域将不同走向的线性构造区分出来;而由测点分布云图可知,大致以剖面中部的47号测点为界,0°主轴方位分布在剖面的右侧,45°主轴方位则分布在剖面的左侧.统计云图的这些特征与模型剖面的实际电性结构是相吻合的.
因此,依据阻抗张量成像的分析结果,确定了横向交错模型中不同走向构造所对应的区段:以测点47为界,左侧(测点编号≤47)对应于45°走向的构造,而右侧(测点编号>47)对应于0°走向的构造.与分频段反演类似,下一步采用分区段的方式进行二维反演.
1.2.3 二维反演结果比较(1) 常规二维反演
与纵向交错模型(模型一,立交桥模型)的处理方式相同,将测线L上参与反演的所有测点的所有频点数据分别在0°、45°、22.5°主轴方位角下进行二维NLGG反演,反演中初始模型均为100 Ωm的均匀半空间,反演结果见图 6a、b、c.
(2) 分区段二维反演
根据上述阻抗张量成像分析结果,得到了左、右两个不同走向方位的区段,因此可以采用分区段的方式进行反演.与分频段反演类似,存在两种可能的分区段反演方式:方案一(先右后左方案),先对右半剖面(测点编号>47)的数据以0°主轴方位进行反演,通过将误差增大为100万倍使得左半剖面的测点数据在反演中不起作用,然后以其结果为初始模型,在45°主轴方位反演左半剖面的(测点编号≤47)数据,此时右半剖面的数据误差被增大为100万倍使其在反演中不起作用;方案二(先左后右方案),先对左半剖面(测点编号≤47)的数据以45°主轴方位进行反演,然后以其结果为初始模型,在0°主轴方位反演右半剖面(测点编号>47)的数据,误差处理方式同方案一.按照这两种方式进行NLCG二维反演的结果见图 6d和图 6e.
根据图 6中二维反演结果的比较,我们可以发现:
(1) 0°主轴方位的常规反演结果(图 6a),低阻异常体与图 6f吻合较好,但高阻异常体分辨率低,体积小,且顶、底边界较实际模型差异较大.
(2) 45°主轴方位的反演结果(图 6b),高阻异常体分辨率高,较好地反映了真实的模型信息,但与图 6f相比较,体积更大,电阻率更高;浅部低阻体确实也反演出来了,但在其下方出现了显著的高阻假构造,其电阻率值甚至比剖面左边的高阻异常体还要大,该假高阻体将严重干扰反演结果的解释.
(3) 22.5°主轴方位的反演结果模型(6c)较好地反映了高、低阻体的位置特征,但与图 6f相比较,高阻体有点过于突出而低阻体得到了一定程度的压抑;此外,在低阻体下方,也出现了假高阻异常体.
(4) 分区段反演方案一(先右后左)的结果(图 6d)中,高、低阻体的电性结构都反映地较好,但相较于图 6f,高阻体的分辨率稍弱,且其上、下边界均偏浅.
(5) 分区段反演方案二(先左后右)的结果(图 6e)是所有横向交错模型的二维反演中最接近于图 6f的模型.
上述结果对比表明,采用分区段二维反演,比常规的单一主轴方位的二维反演结果要更加可靠,其出现冗余假构造的可能性更小一些.此外,我们还发现,上述分区段二维反演中,方案二(先左后右方案)的反演结果与二维理论模型的反演结果最为接近.根据图 6所示阻抗张量成像分析可知,右半剖面的0°主轴方位的显著度要远远强于45°主轴方位的显著度,意味着,我们在分区段反演时,先反演主轴方位显著度弱的所在的区段,然后在其基础上再反演主轴方位显著度强的区段.这个规律与分频段反演是一致的.分频段反演也是先反演深部的显著度弱的构造结果更好一些.
2 实测算例:郯庐断裂带南段深部电性结构特征研究以上我们基于三维交错模型的两种典型模型:纵向交错模型(立交桥模型)和横向交错模型,详细对比分析了交错模型下不同主轴方位选择方式的二维反演结果,提出了分频段反演方法和分区段反演方法,为交错模型的二维反演提供新的技术手段.但这两种理论模型毕竟是简单的,在实际复杂的地质构造条件下,我们提出的这种反演技术,是否依然有效呢?以下我们通过实测数据来进行检验.
2.1 电性主轴的确定实测数据来自郯庐断裂带南段的一条大地电磁宽频带探测剖面,其测点分布情况见图 7.在本研究系列(五)(陈小斌和郭春玲,2017)中,已对其进行了全面详细的阻抗张量成像分析,并得出该实测剖面所经区域存在复杂的交错式结构.本文将在该文分析结果的基础上,进一步比较常规二维反演与分频段-分区段二维反演之间的差异.
根据我们先前的分析(陈小斌和郭春玲,2017),得到了如图 8a所示的阻抗主轴分布结果图.依据实感应矢量分布图(如图 8b)我们可以排除阻抗张量主轴方位的90°模糊性,结果如图 9a所示.由图 9a可见,在剖面的西北段,原阻抗主轴分布图上的0.015~3 Hz频段又可分出两个频段:0.15~3 Hz频段北东向主轴分布和0.015~0.15 Hz的北西向主轴分布,二者由于相差大致为90°而在阻抗主轴分布图上不能分辨出来.
为了能够获得可靠的反演结果,还需要考虑主轴方位与剖面展布方位之间的关系.一般来说,在剖面设计过程中,会考虑到测区主要构造的走向而使测线尽量与之垂直布设.在本文中,郯庐带南段的测线展布方位为NE115°左右,基本与郯庐带的北北东的走向垂直,但与其邻近地区一些构造的主轴方位夹角较小(< 30°),此时单纯以电性主轴方位为反演中的数据旋转方位,结果的可靠性会降低.一般要求测线展布方位与反演主轴方位的夹角要大于45°,以保证TE、TM极化模式的正确性.而在主轴方位的选择而言,陈小斌等(2008)曾经开展过相关的研究,对于纯二维模型,当反演中数据旋转方位与电性主轴方位相差不超过15°时,反演结果的可靠性是可以保证的,而对于三维模型响应或者实际数据而言,此条件还可以放宽.因此,我们规定以下两条主轴选择的标准:
(1) 反演中主轴方位与测线的夹角不小于45°;
(2) 反演中主轴方位与阻抗张量成像确定的主轴方位的偏差不超过30°.
在上述两个标准的约束下,我们将图 9a所示的电性主轴方位分布图进一步修正为图 9b所示的反演用的电性主轴分布.至此,我们完成了二维反演所用的主轴方位的选取方案,接下来将在图 9b的主轴方位下,开展交错模型的二维反演.
在理论交错模型的二维反演研究中已归纳出,分频段反演,宜先反演低频段数据,将其结果作为初始模型进行高频反演;分区段反演,宜先反演主轴方位显著性弱的区段,再反演主轴方位显著性强的区段.从上述电性主轴分析中已经看出,这条实测剖面的电性结构可视为一个复杂的交错模型,既需要分频段反演,又需要分区段反演.针对这一实测数据,在图 9b所示的主轴方位基础上,将分频段反演和分区段反演组合起来,其反演过程与结果如图 10所示,图中还给出了常规二维反演结果(图 10f)以为参照.显然,分频段-分区段二维反演较常规二维反演在操作上更为复杂,不过在MT-Pioneer软件中却易于实现,图 10所示的所有反演过程在一天之内即可全部完成.
由图 10可知,分频段-分区段反演结果(图 10e)与常规反演结果(图 10f)在浅部(< 10 km)具有较好的相似性,测区的一些标志性构造,如张八岭隆起(R1)、合肥盆地(C1)及其西侧基底高阻(R2)等都比较清楚.不过,作为该剖面探测目标、测区主要构造的郯庐断裂带,二者的反映存在较大的差异.常规的单主轴反演结果中,基本上看不出类似于断裂带特征的结构,仅隐约在张八岭隆起高阻体的西侧有所显示(图 10f中的C3),而在分频段-分区段反演结果中,类似于断裂带特征(推测为郯庐断裂带)的显示非常清晰:无论是中上地壳高阻层中的可能的分支断裂,还是深部延伸到地幔的高导通道(C3),都得到较好地分辨.
分频段-分区段反演结果虽然能提供更为丰富的信息,但这些信息是否是可靠的呢?由于无法获得岩石圈电性结构的确切信息,因而这个问题无法给出确切的答案.我们只能从以下几个方面进行一定程度的分析,力求使我们的结论能够建立在比较好的逻辑推理之上.
首先,从反演结果本身来看,图 10中分频段-分区段的反演结果更加符合我们对郯庐断裂带深部结构的预设的认识,更易于解释.常规方法中,15 km以下的深部基本没有分辨率,郯庐断裂带在深部无法分辨,这不符合我们对一条曾经左旋走滑数百公里的巨型断裂带的深部结构的经验认识.不过,我们也知道在科学研究中预设的认识经常是错误的.
此外,在常规反演的结果中,合肥盆地C1正下方出现了一个在本文中似曾相识的八字形的高阻体(R3),很可能正是这个八字形高阻体的存在使得该反演结果在深部失去了分辨能力.在理论模型反演结果(图 6)的比较中,我们已经知道,当数据旋转角与高导线性体的主轴方位存在偏差时,在高导体的下方会出现八字形假高阻异常.图 6结果表明,即使旋转角与高导体的主轴方位仅相差22.5°,其下方的八字形假高阻异常也已非常明显.而图 10f中的R3上方正好为合肥盆地的高导区,按照阻抗张量成像分析,合肥盆地的电性主轴为南北向,而在图 10f的反演中,数据旋转角为NE35°,二者相差35°,这足以引起其下方出现较大规模的八字形假高阻异常.类似的八字形高阻体我们在其他地区、其他剖面的反演中也曾多次遇到,一直被视为浅部高导区的高阻基底,现在看来其很可能是上述原因导致的假构造.因此,从这方面看,分频段-分区段的反演结果要更为可靠一些.
在图 10中我们还注意到,在新方法结果中,合肥盆地西部下方的高导异常体C2位于测点07的正下方,与本研究系列(五)(陈小斌和郭春玲,2017)中阻抗张量成像分析中该处线性构造较显著的结论相一致.而反观常规结果中,C2最显著处位于测点05的正下方,而该处未见有明显线性构造分布.
郯庐断裂带是中国东部一条巨型的断裂带,曾被视为大陆裂谷,其内部存在高大地热流异常(王良书等,1995;祖金华等,1996)、低速异常带和岩石圈地幔的隆升(刘福田等,1986;朱光等,2002),这些现象与新方法反演结果更为吻合.朱光等(2002)认为郯庐带在白垩纪的大规模走滑运动是以莫霍面为大型滑移拆离带进行的,壳幔之间发生了显著的解耦.此结论与我们依据阻抗张量成像技术确定的郯庐带附近壳幔间可能存在不整合接触的结论是吻合的(陈小斌和郭春玲,2017).此外,地震各向异性研究结果认为,郯庐带东侧扬子地块的快波偏振方向为NEE—SWW向,其西侧华北地块的快波偏振方向为E—W向,二者与地表构造存在一定的夹角(吴萍萍等,2012),这也与本文在低频部分所采用的NEE—SWW电性主轴方位一致.
通过以上分析来看,大地电磁分频段-分区段二维反演结果较之常规固定轴二维反演结果具有更高的分辨率和可靠性.除了能提供反演结果以外,我们还可以依据不同频段、不同区段的反演结果来查看相应数据在深度和剖面距离上的影响范围,可以为大地电磁数据解释提供一些新的参考信息.
3 结语交错模型是由不同走向的二维模型组合而成的一类特殊的三维模型,是实际情形下经常可能会遇见的一种大地构造.由于这类模型的三维特性,不适于采用传统的大地电磁二维反演技术进行反演.为了解决此一问题,本文提出了分频段-分区段二维反演方法.通过理论模型和横跨郯庐带的一条大地电磁实测剖面的反演结果对比分析,展示和讨论了该反演方法的实施过程和反演结果的可靠性和分辨率.
分频段-分区段方法的基本思想是将交错模型中不同构造走向的二维模型响应分离出来,在二维反演中对该部分数据选择对应的电性主轴方位进行反演,除了第一次反演采用传统的初始模型处理方式以外,其他反演的初始模型是其他响应的反演结果,最终自动形成所有数据的反演结果.采用阻抗张量成像方法,结合感应矢量,可以得到不同区段、不同频段的电性主轴方位,从而可以从三维交错模型的综合响应中分解出单个二维模型的响应数据.理论模型的研究表明在进行大地电磁分频段-分区段二维反演时,对于纵向交错模型(立交桥模型),宜先反演低频数据,再反演高频数据;而对于横向交错模型,宜先反演主轴方位显著度低的区段,再反演主轴方位显著度高的区段.理论交错模型、横跨郯庐带实测剖面的分频段-分区段反演与常规反演的对比研究结果表明,采用本文提出的分频段-分区段二维反演方法较常规单主轴反演方法可以获得具有更高的可靠性和分辨率的二维反演结果.
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