音頻大地電磁數(shù)據(jù)非線性共軛梯度3D反演在江西相山鈾礦勘查中的應(yīng)用

夏廣沛，翁愛華，李建平，李世文，楊悅，胡英才

1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春130026;2.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京100029

0 引言

相山鈾礦田位于江西省中部撫州市樂安縣與崇仁縣毗鄰地帶，是華南最大的鈾礦田，被譽為國家的“鈾都”。相山鈾礦田屬于火山--侵入雜巖體的中低溫?zé)嵋盒外櫟V，已發(fā)現(xiàn)大中型鈾礦數(shù)十個，蘊藏著極為豐富的鈾礦資源。礦田位于揚子板塊與華夏板塊交匯部位，處在NE向贛杭火山巖成礦帶與NNE向大王山—于山花崗巖成礦帶交匯部位的相山大型塌陷式火山盆地[1]。

礦區(qū)北有江紹縫合帶，東有鷹安斷裂，西有遂川德興斷裂，礦區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動和巖漿運動，尤以中生代強(qiáng)烈的火山巖漿活動對該區(qū)域的影響最為顯著[2]。燕山中期后該區(qū)域的構(gòu)造力由擠壓變?yōu)槔瓘?，火山活動逐漸減弱并向東遷移，先后形成了鄒家山、河元背等大小數(shù)十個礦床。

核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、核工業(yè)二六一大隊、東華理工大學(xué)、南京大學(xué)、核工業(yè)二七〇研究所等大批科研院所先后在相山地區(qū)開展勘察研究工作，發(fā)現(xiàn)火山機(jī)構(gòu)和斷裂構(gòu)造是相山地區(qū)的鈾礦主要控礦因素[3]。最近研究工作表明，界面控礦在相山礦田中也起著至關(guān)重要的作用[4]，主要是因為界面是構(gòu)造薄弱地帶，裂隙更為發(fā)育，構(gòu)造裂隙具有導(dǎo)礦和容礦作用[5]。林錦榮[6]提出“兩個成礦空間”觀點，即相山火山巖組間界面變異部位為第一成礦空間，基底與火山巖之間的界面是第二成礦界面；并認(rèn)為組間界面(變異部位)、基底界面與斷裂構(gòu)造復(fù)合處，為鈾礦最有利的賦存部位，指明了相山鈾礦田的找礦方向。

大地電磁法是研究地球深部結(jié)構(gòu)重要的手段之一[7]，其中音頻大地電磁法屬于大地電磁法的一個分支。為進(jìn)一步研究地下鈾礦分布，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院在相山地區(qū)開展大面積高密度的音頻大地電磁勘探。過去由于反演理論和技術(shù)的約束，主要在相山地區(qū)進(jìn)行2D反演，進(jìn)行2D反演的假設(shè)前提是整條剖面具有相同的構(gòu)造走向[8]，但對于相山地區(qū)這樣復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，難以滿足2D反演方法的假設(shè)。對實測資料進(jìn)行2D反演時，很難獲得可靠的地電模型。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，3D反演方法的技術(shù)和理論已基本成熟[9]，目前3D反演方法有多種計算方法，主要有Occam反演[10]、數(shù)據(jù)空間Occam的反演[11]、擬牛頓法(QN)[12]和非線性共軛梯度法(NLCG)[13,14]等，其中NLCG法是目前大地電磁3D反演的最常用的方法之一[15]。為獲取研究區(qū)3D組間界面，圈定更為可靠、精細(xì)的鈾礦分布有利區(qū)，筆者采用大地電磁3D反演方法，獲得可靠的3D電性模型和界面形態(tài)，結(jié)合鉆井信息對3D電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋，預(yù)測成礦有利區(qū)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

相山火山塌陷盆地為2層結(jié)構(gòu)，基底為中元古界變質(zhì)巖，巖性以千枚巖、片巖為主；下石炭統(tǒng)華山嶺組下部為石英砂巖，上部為紫紅色砂巖，上三疊統(tǒng)安源組為含燧石石英砂巖夾碳質(zhì)頁巖[1]。蓋層為一套下白堊統(tǒng)火山巖系及出露于火山盆地西側(cè)的白堊紀(jì)紅層，火山巖系由酸性、中酸性火山熔巖、火山碎屑巖及少量正常沉積夾層構(gòu)成，總厚度>2 000 m，分為打鼓頂組和鵝湖嶺組。每組的特點總體是由沉積到爆發(fā)再到噴溢式侵出，由此構(gòu)成一個大的火山噴發(fā)旋回[16]。下部打鼓頂組由砂礫巖、砂巖、熔結(jié)凝灰?guī)r和流紋英安巖等組成，上部鵝湖嶺組由砂礫巖、晶玻屑凝灰?guī)r和巨厚層碎斑熔巖組成[16](圖1)。

盆地基底主要構(gòu)造有EW， NE及SN向3組，主構(gòu)造線呈EW向，相山火山盆地蓋層構(gòu)造表現(xiàn)為以NE向為主導(dǎo)，NW向次之的線性斷裂和火山塌陷環(huán)狀斷裂的構(gòu)造格局[2]，蓋層構(gòu)造多是基底構(gòu)造的繼承和發(fā)展。其中相山地區(qū)的鄒家山—石洞斷裂及火山塌陷構(gòu)造均是重要的控礦構(gòu)造(圖1)。

1.砂礫巖；2.碎斑溶巖；3.流紋英安巖；4.砂礫巖、頁巖；5.變質(zhì)巖；6.次花崗斑巖；7.花崗斑巖；8.花崗巖；9.地質(zhì)邊界.圖1 相山地質(zhì)概況圖Fig.1 Geological map of Xiangshan

物性差異是地球物理工作的前提。測區(qū)內(nèi)主要的巖石為碎斑熔巖、流紋英安巖、變質(zhì)巖，其中碎斑熔巖是鵝湖嶺組的主體巖性，流紋英安巖是打鼓頂組的主體巖性，變質(zhì)巖為基底的主要巖性。3種主要的巖石電阻率的差異較大，其中碎斑熔巖電阻率和變質(zhì)巖相對較高，流紋英安巖電阻率較小(表1)，這為音頻大地電磁反演異常的解釋提供了基礎(chǔ)。

表1 測區(qū)主要巖石電性特征[1]Table 1 Electrical characteristics of main rocks in survey area

2 音頻大地電磁測深數(shù)據(jù)的處理

音頻大地電磁法(AMT)是利用1～104Hz頻段電磁信號進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)勘探的大地電磁方法[17]，主要適用于較淺深度要求的工程勘察和礦產(chǎn)勘探[18]。

2.1 測線布置及數(shù)據(jù)處理

本次研究采用的音頻大地電磁數(shù)據(jù)是北京核工業(yè)地質(zhì)研究院采集到的野外實測數(shù)據(jù)，共布設(shè)35條測線，分別命名為H1，H2到H35，測線方位為東偏南42°，線距大約100 m，點距大約50 m，每條測線大約69個測點，一共2 226個測點，測區(qū)面積約16 km2。將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)處理，主要進(jìn)行掃描時間序列，根據(jù)電磁干擾程度選擇合適的時間段參與Robust阻抗估計[19]。

數(shù)據(jù)質(zhì)量對反演結(jié)果影響至關(guān)重要。圖2為H35--65點的本次反演的數(shù)據(jù)阻抗Zxx、Zxy、Zyx、Zyy。原始數(shù)據(jù)的四個阻抗分量高頻部分出現(xiàn)跳點、飛點，數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，低頻部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量相對較好，說明數(shù)據(jù)高頻信息受到非常強(qiáng)的噪聲干擾，數(shù)據(jù)在低頻信息質(zhì)量較好說明本次反演得到深部信息是可靠的。

圖2 H35--65點全阻抗數(shù)據(jù)Fig.2 Full impedance data at point H35--65

3 三維反演

3.1 反演理論

目前多數(shù)大地電磁反演算法均是通過構(gòu)造由數(shù)據(jù)正則化項和模型正則化項構(gòu)成的目標(biāo)函數(shù)[9]，目標(biāo)函數(shù)可表示為：

(1)

式中：λ是正則化因子；m為M維地下的電導(dǎo)率模型參數(shù)向量；d是N維的觀測數(shù)據(jù)向量；Cd是數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣；F(m)表示模型的正演響應(yīng)；m0為初始模型；Cm為模型的協(xié)方差矩陣，用來控制擬合數(shù)據(jù)和模型粗糙度的權(quán)衡參數(shù)。

本文所采用的NLCG方法可以直接求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)化問題。其模型的更新過程為(2)式：

mk+1=mk+αkuk

(2)

通過尋找αk從而使W(mk+αkuk)最優(yōu)化，由于此時的問題是非線性的，因此引入了行搜索方法來尋找搜索步長。新的共軛梯度方向uk通過Polak--Ribiere[20]或者其他方法求取。

由于NLCG法不需要構(gòu)造任何大型矩陣，因此它對內(nèi)存的需求較小，成為目前大地電磁3D反演的最流行的方法之一。其反演流程：

(1)讀取初始模型mk，由模型mk計算擬合差rms=Xk；

(2)選擇正則化因子λ；

(3)開始主要的NLCG迭代循環(huán)(第k次)：

(3.1)計算rk=-▽W(xué)(mk)；

(3.3)尋找使得W(mk+αkuk)最小的αk；

(3.4)更新模型mk+1=mk+αkuk和rk+1=-▽W(xué)((mk+1)；

(3.5)由模型mk+1計算擬合差rms=Xk+1；

(3.6)如果‖rk+1‖很小，或者當(dāng)擬合差rms<λ2，退出循環(huán)；

(4)退出NLCG主迭代。

3.2 反演參數(shù)設(shè)置

為減少模型網(wǎng)格數(shù)量，提高反演速度，對測線進(jìn)行132°的逆時針旋轉(zhuǎn)；建立X軸指向正北，Y軸指向正東，Z軸指向地心的坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)原點為H1--1點。反演使用的頻率范圍是0.000 1～1 Hz，共計24個頻點，測點有2 226個，合計頻率數(shù)為427 392個。反演模型沿X方向網(wǎng)格70個，每格相距50 m，長度一共3.5 km，兩側(cè)以2.5倍系數(shù)各擴(kuò)邊5個網(wǎng)格。沿Y方向網(wǎng)格：75個，每格相距50 m，長度一共3.7 km，兩側(cè)以2.5倍系數(shù)各擴(kuò)邊5個網(wǎng)格。沿Z方向首層厚度10 m，層厚度遞增系數(shù)是1.14，邊界以2.5倍系數(shù)擴(kuò)邊5個網(wǎng)格，最終生成的反演網(wǎng)格為70(東西)×75(南北)×30(垂向，不包含空氣層),反演初始模型采用100 Ω·m的均勻半空間模型，擴(kuò)邊網(wǎng)格的電阻率同樣設(shè)定為了100 Ω·m。誤差門限設(shè)置為5%的噪聲值。

3.3 反演結(jié)果

經(jīng)過了110次的反演計算得到rms為7.36，圖3給出迭代反演過程中3個反演參數(shù)的變化情況。其中λ和rms在收斂時表征觀測數(shù)據(jù)的擬合程度，‖m-m0‖表示的是模型修正量，表征模型的變化情況。一個好的反演，應(yīng)該是rms趨近于1，λ充分小，‖m-m0‖不再變化。從圖3可見，λ在收斂時<10-4，‖m-m0‖趨近于0.12，符合好的反演預(yù)期。但rms為7.36，遠(yuǎn)大于1，其原因主要是數(shù)據(jù)質(zhì)量不好。

圖3 反演參數(shù)Fig.3 Inversion parameters

由于本次反演的實測數(shù)據(jù)最低頻率的限制，反演深度僅限于1 500 m±，所以將反演模型中1 500 m以下的結(jié)果舍棄。圖4給出了1 500 m±的3D立體反演結(jié)果顯示。由于地表風(fēng)化層的影響，地表附近的淺部異常分辨力不足，因此將3D模型地表大約100 m厚度的電性信息舍棄，只顯示100 m厚度以下的電性信息?？梢钥闯觯瑴y區(qū)內(nèi)的電性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高低阻相間分布，如北部的石宜坑、東部的船坑等地區(qū)為低阻分布，石門口、以及中部的河元背、南部的小坡等大部分地區(qū)為高阻。這為研究該地區(qū)的巖性結(jié)構(gòu)、斷裂分布和組間界面等問題提供了豐富的電性依據(jù)。

圖4 3D音頻大地電磁測深反演結(jié)果3D圖Fig.4 3D inversion results of AMT

4 討論

4.1 典型測線電阻率斷面圖

圖5為3D電阻率模型沿測線方向的切片圖，由于篇幅有限只選取了具有代表性的幾張剖面，分別為H4、H10、H15、H19、H25、H34線的切片；根據(jù)3D模型中所反映出的電阻率變化，可以明顯的看出垂向上呈三層電性結(jié)構(gòu)，即高、低、高的電阻率變化結(jié)構(gòu)。其中第一層電阻>5 000 Ω·m，根據(jù)相山地區(qū)巖石電阻率特征，推測其為下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組；第二層電阻率顯著低于第一層電阻率，電性模型中呈現(xiàn)出低阻形態(tài)，電阻率大約500 Ω·m，推測其為下白堊統(tǒng)打鼓頂組；第三層電阻率在電性模型中呈現(xiàn)出高阻特征，電阻率>1 000 Ω·m，推測其為中元古界基底變質(zhì)巖。段書新[2]在相山地區(qū)應(yīng)用音頻大地電磁法得出與此觀點一致的結(jié)論。

根據(jù)各層間電阻率的差異，在圖5中繪制了組間界面的形態(tài)。第一成礦界面處于深度600 m±，第二成礦界面大約在深度1 200 m±。第二成礦界面在H4線處并不明顯，只有較小的一部分。在H4、H10、H15、H19四條測線，2個成礦界面比較清晰，第一界面均呈現(xiàn)出波形彎曲形態(tài)，主要是斷層作用導(dǎo)致；第二界面形態(tài)類似于一個小型巖盆，推測可能是巖漿巖早期冷卻時的形態(tài)。H34線位于測區(qū)邊緣，第一成礦組間界面被多條斷層切斷，已不太明顯，第二成礦界面呈現(xiàn)出2個半球形的形狀。

圖5 3D電性結(jié)構(gòu)模型測線切片圖Fig.5 Section profile of 3D electrical structure model

斷裂是相山地區(qū)的主要控礦因素[2]。在斷裂帶發(fā)育的地方，往往存在破碎帶并富含水或者其他低阻介質(zhì)，同時斷裂帶使地層結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變化，從而形成典型的低阻異常帶或者電性梯度帶[21]；根據(jù)3D電性剖面中的電性特征以及相關(guān)地質(zhì)資料，每張切片中畫出每條測線的斷層分布。其中F1斷層表示河元背—小坡斷裂，該斷裂控制區(qū)內(nèi)牛頭山、河元背和湖港礦床[22]，是區(qū)內(nèi)重要的控礦斷裂。F1斷裂呈近NW方向延伸，切過區(qū)內(nèi)大部分測線，在圖5中的H4，H10，H15，H19斷面圖中有所呈現(xiàn)，只是在H10線中不太明顯，在X=2 000 m處微微有些跡象，可能是該處反演網(wǎng)格不恰當(dāng)引起的。該支斷裂切過第一成礦界面，未有切過第二成礦界面。F2斷裂表示的是小坡斷裂，小坡斷裂為西部控盆斷裂之次級斷裂[11]。該斷裂南起小坡，北至石門口，位于測區(qū)東部，呈南北走向，向西傾。該支斷裂同樣切過第一成礦界面，在石門口和小坡地區(qū)過第二成礦界面。F3斷裂是西山斷裂，位于測區(qū)北部，在圖6中的H25，H34有所體現(xiàn)，F(xiàn)3斷層走向近南北。F3斷裂切過第一成礦界面和第二成礦界面。F4是賀山王龍斷裂，是西部控盆斷裂之次級斷裂。該條斷裂經(jīng)過測區(qū)西部，切過測區(qū)第一成礦界面，在Y=1 000 m處切過第二成礦界面。

圖6 CUSD2井物性剖面圖和H11線切片圖Fig.6 Physical property profile of Well CUSD2 and section of line H11

4.2 鉆井方法檢驗

為避免單一方法引起的多解性問題，現(xiàn)把測區(qū)深鉆井資料應(yīng)用于本文的研究。該鉆井位于第H11線的X=1 750 m附近(圖6右)。經(jīng)過對比，發(fā)現(xiàn)電阻率測井曲線和3D反演測線切片圖可以較好地對應(yīng)起來，表明本次反演結(jié)果真實可靠。具體表現(xiàn)在：電阻率測井曲線和3D反演剖面圖同樣表現(xiàn)出3層電性結(jié)構(gòu)，即高、低、高3層結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)于物性柱狀圖中鵝湖嶺組、打鼓頂組和中元古界變質(zhì)巖；一些薄的低阻層在反演結(jié)果中未能體現(xiàn)，但3層結(jié)構(gòu)可以清晰的呈現(xiàn)，每層結(jié)構(gòu)的實際電阻率的范圍和電性模型中的電阻率范圍基本對應(yīng)；從界面的角度來看，2個成礦界面的大致深度與鉆井資料得到的實際界面深度和電性模型推斷的成礦界面深度相對應(yīng)。根據(jù)以上分析，可以從鉆井電阻率曲線上讀取2個成礦界面的電阻率大小，第一成礦界面電阻率約為2 000 Ω·m，第二成礦界面的電阻率約為500 Ω·m。

4.3 有利區(qū)圈定

為更直觀地展示第一成礦界面和第二成礦界面的形態(tài)，分別用2 000 Ω·m和500 Ω·m的電阻率等值面反映其立體圖像。由于淺部異常分辨力不足，所以將地表附近約100 m的信息舍棄，得到的異常體形態(tài)如圖7和圖8所示。從圖7中可見，由于斷層對界面的切斷作用，第一成礦界面形態(tài)不規(guī)則，且只主要分布于測區(qū)東部、南部和西部，在測區(qū)北半部分主要是變質(zhì)巖分布，組間界面不明顯。在圖8中，繪制了第二成礦界面，其與第一成礦界面形態(tài)大為不同，主要分布于測區(qū)中部和南部，在河元背地區(qū)保存較好。

圖7 第一成礦界面形態(tài)Fig.7 Morphology of the first metallogenic interface

圖8 第二成礦界面形態(tài)Fig.8 Morphology of the second metallogenic interface

斷裂是相山地區(qū)最為關(guān)鍵的的控礦因素，組間界面變異部位與斷裂構(gòu)造復(fù)合部位才有鈾礦賦存，組間界面變異部位形態(tài)變化主要表現(xiàn)為褶皺及突然變陡[4]。在3D電性剖面中尋找組間界面變異部位與斷裂構(gòu)造復(fù)合部位(圖7和圖8)。橫向上來看，石門口、西山、小坡均是成礦有利區(qū)，河元背、船坑的第一成礦界面是鈾礦資源有利區(qū)。石宜坑位于測區(qū)北部，沒有發(fā)現(xiàn)成礦有利區(qū)域?？v向上來看，第一成礦界面的鈾礦有利區(qū)比較豐富，中部地區(qū)相對集中，在研究區(qū)東南部分布較為密集。第二成礦界面主要分布于測區(qū)邊緣。

5 結(jié)論

(1)使用NLCG法進(jìn)行反演計算得到電性模型。通過鉆井資料分析，認(rèn)為模型相對可靠地展示了測區(qū)的電性特征。

(2)測區(qū)地下結(jié)構(gòu)呈明顯的3層結(jié)構(gòu)，第一層高阻表示是下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組，第二層低阻表示下白堊統(tǒng)打鼓頂組，第三層為高阻分布，是相山地區(qū)的中元古界基底。

(3)根據(jù)反演結(jié)果中斷裂和成礦界面的分布，圈定研究區(qū)內(nèi)鈾礦資源有利分布區(qū)，其主要分布于測區(qū)東部和邊緣。

致謝：感謝核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供本文研究所需要的音頻大地電磁數(shù)據(jù)。