磁矢量三維反演技術(shù)在深部鈾礦勘查中的應(yīng)用前景探討

王培建

（1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），河北 石家莊 050002）

磁法是常用的地球物理方法之一，在礦產(chǎn)勘查、地質(zhì)調(diào)查、工程勘察等方面應(yīng)用廣泛［1-2］。近年來(lái)，隨著反演理論水平及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提升，磁反演從二維向三維、從標(biāo)量向矢量不斷進(jìn)步，磁測(cè)在深部地質(zhì)填圖、深部找礦方面的能力也不斷提高［3-4］。磁三維矢量反演是近年才發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，僅國(guó)外開展過(guò)少量的鐵礦及多金屬礦產(chǎn)勘查應(yīng)用研究［5］，目前尚無(wú)在鈾礦勘查中的應(yīng)用案例。本文依托中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局開展的航磁項(xiàng)目數(shù)據(jù)，開展了磁矢量三維反演技術(shù)在深部鈾礦勘查中的應(yīng)用效果研究，探討了該技術(shù)在深部鈾礦找礦中的應(yīng)用前景，旨在為我國(guó)尋找隱伏鈾礦提供一種技術(shù)方法參考。

1 基本理論

通常磁反演僅考慮感磁影響，而忽略了剩磁的影響，地下磁性源普遍存在剩磁的影響，造成磁異常磁場(chǎng)方向與地球磁場(chǎng)方向并不完全相同，使得磁反演結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差，進(jìn)而影響對(duì)地下深部地質(zhì)狀況的認(rèn)知，導(dǎo)致資料難以發(fā)揮應(yīng)有的作用。2012 年，Robert G.Ellis 提出了磁矢量三維反演 （Magnetization Vector 3D Inversion），該技術(shù)在無(wú)需事先了解剩磁方向或強(qiáng)度的前提下，加入了剩磁和感磁的影響［6］。

假設(shè)地質(zhì)體的磁化狀態(tài)可以用磁化強(qiáng)度M（r）表示［7］，而不假設(shè)場(chǎng)源是否為感應(yīng)磁化或剩余磁化。根據(jù)靜磁學(xué)，磁化強(qiáng)度為M（r）的體元與rj點(diǎn)位置處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（rj）存在如下關(guān)系：

該方程式表明磁化強(qiáng)度矢量M（r）為反演中的基本參量。利用層析成像思想，假設(shè)將地下介質(zhì)V 剖分為N 個(gè)vκ子體，每個(gè)子體的磁化強(qiáng)度矢量用mκ表示，假設(shè)磁化方向一致，那么：

這就定義了一個(gè)正演的問(wèn)題：給出一組體元的磁化強(qiáng)度mκ（κ＝1，2，…，N），則Bj為每個(gè)體元在rj（j＝1，2，…，M）位置處的磁場(chǎng)。為方便起見，將式（2）寫成矩陣形式為：

式（3）即是磁化強(qiáng)度矢量反演的基本方程。式中，B 是由觀測(cè)數(shù)據(jù)組成的矢量，G 為靈敏度矩陣，m 是需要反演的模型磁化強(qiáng)度矢量。反演問(wèn)題定義為給定B 且在適當(dāng)?shù)恼齽t化條件下求解m，選擇Tikohonov 正則化方法。反演問(wèn)題是模型目標(biāo)函數(shù)最小化的約束方程，是最優(yōu)化問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)方程如下：

式中，Min Φ（m）是總的目標(biāo)函數(shù)；ΦD（m）是數(shù)據(jù)擬合目標(biāo)函數(shù)；ej是第j 個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差；ΦM是模型目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)?rm的梯度和模型的幅度給出，其中wr、w0是深度加權(quán)函數(shù)；λ 是Tikohonov 正則化權(quán)衡參數(shù)，用來(lái)平衡低誤差和最小目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重，基于對(duì)卡方分布中的數(shù)據(jù)擬合程度是否滿意來(lái)選擇Tikohonov 正則化權(quán)衡參數(shù)λ［8］。

2 應(yīng)用實(shí)例及前景探討

筆者依托中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局近年來(lái)在龍首山及二連盆地開展的鈾礦勘查航磁實(shí)例數(shù)據(jù)，采用oasis montaj 軟件對(duì)磁數(shù)據(jù)進(jìn)行磁矢量三維反演，反演了三維磁化強(qiáng)度矢量，并在三維磁化率參數(shù)進(jìn)行地質(zhì)解釋，分別研究了反演磁化率在兩種類型鈾礦勘查中的效果，并進(jìn)一步探討了其應(yīng)用前景。

2.1 龍首山中段堿交代型鈾礦

2.1.1地質(zhì)概況及巖石磁性特征

1）地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置處于龍首山拱斷帶的中段，跨祁連山-龍首山鈾成礦帶［9-10］。發(fā)育古元古界龍首山群、中元古界墩子溝群、新元古界韓母山群和香山群、新近系和第四系［11-12］。龍首山群以混合巖、片麻巖為主，局部夾斜長(zhǎng)角閃巖和大理巖；墩子溝群下部為含炭硅質(zhì)板巖、石英砂巖，上部為白云巖；韓母山群以千枚巖、灰?guī)r、綠片巖為主；香山群以變質(zhì)砂巖、灰?guī)r為主；新近系為含石膏紅層堆積；第四系為沖洪積物（圖1）。超基性到堿性侵入巖均有發(fā)育，芨嶺巖體與鈉交代鈾礦化關(guān)系密切，巖性主要為花崗巖、閃長(zhǎng)巖、堿性巖等。區(qū)內(nèi)發(fā)育北西向、近東西向及南北向斷裂，馬路溝斷裂帶是區(qū)內(nèi)主要控礦構(gòu)造，沿該帶發(fā)育新水井鈾礦床、芨嶺鈾礦床、西岔、小青羊等眾多鈾礦化點(diǎn)。

芨嶺鈾礦床為鈉交代型，鈾礦化主要受斷裂構(gòu)造、巖性、鈉交代熱液蝕變 “三位一體” 的組合控制［13］?？氐V構(gòu)造主要為馬路溝斷裂（礦體產(chǎn)于斷裂下盤），控礦巖性為鈉交代巖，發(fā)育于花崗巖體和閃長(zhǎng)巖體巖性界面［14-15］。

2）巖石磁性特征

圖1 新水井-芨嶺地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Xingshuijing-Jiling area

板巖、石英砂巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖、大理巖基本呈無(wú)磁性，常見值為（7～70）×10-5SI；中細(xì)?；◢弾r具一定磁性，常見值為（120～130）×10-5SI；角閃片巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖具較強(qiáng)磁性，常見值為（250～590）×10-5SI。上述巖石之間存在明顯的磁性差異，為本次航磁反演提供了磁性基礎(chǔ)。

2.1.2龍首山中段磁場(chǎng)特征

龍首山中段磁場(chǎng)分區(qū)分帶性特征明顯：北部呈醒目正磁場(chǎng)，值一般為60～250 nT，為花崗閃長(zhǎng)巖體和角閃片巖的反應(yīng)；西南部呈穩(wěn)定負(fù)磁場(chǎng)，值一般為－110～－70 nT，主要為硅質(zhì)板巖、石英砂巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖和花崗巖體等的反應(yīng)；中部呈跳躍變化磁場(chǎng)，表現(xiàn)為背景場(chǎng)上疊加帶狀、塊狀異常，背景值一般為－10～10 nT，主要為花崗巖及石英片巖的反應(yīng)，異常值一般為30～100 nT，主要為斑狀花崗巖體及閃長(zhǎng)巖體等的反應(yīng)（圖2）。主要控礦構(gòu)造—馬路溝斷裂帶呈斷續(xù)分布的梯度帶或負(fù)磁異常帶，為巖性界面及構(gòu)造破碎發(fā)育的反應(yīng)。磁平面數(shù)據(jù)可以分辨出淺部不同磁性地質(zhì)體的分布及斷裂構(gòu)造發(fā)育部位，可以定位控礦構(gòu)造的平面位置，但在解釋具體發(fā)育鈾礦化的有利地段及深部空間時(shí)存在困難。

2.1.3磁矢量三維反演效果分析

礦區(qū)磁矢量三維反演磁化率見圖3，反演結(jié)果顯示礦區(qū)深部存在大規(guī)模弱磁性體，鈾礦化空間上位于弱磁性體頂部與磁性體的接觸帶部位。常規(guī)磁反演結(jié)果難以反演出大規(guī)模的弱磁性體，主要表現(xiàn)為背景上疊加磁性體，難以凸顯該區(qū)晚期發(fā)育大規(guī)模花崗巖的特點(diǎn)。磁矢量三維反演結(jié)果與該區(qū)加里東早期發(fā)育中基性巖、加里東晚期發(fā)育中酸性巖的演化史一致，且與鈾礦化發(fā)育于花崗巖體與閃長(zhǎng)巖體界面的認(rèn)識(shí)一致，在平面控礦構(gòu)造定位明確的基礎(chǔ)上，可較好的定位深部有利鈾成礦空間。此外，陳云杰等在芨嶺鈾礦床發(fā)現(xiàn)了隱爆角礫巖［16］，這與本次反演顯示礦區(qū)深部發(fā)育大規(guī)模花崗巖體（弱磁性體），鈾礦體位于大規(guī)?；◢弾r體頂部的結(jié)果一致，這與前人認(rèn)識(shí)的堿交代型成礦模式有點(diǎn)出入，顯示該區(qū)鈾成礦的復(fù)雜性。

圖2 新水井-芨嶺地區(qū)航磁ΔT 化極及斷裂分布圖Fig.2 Distribution of aeromagnetic ΔT reduction to the pole and faults of Xingshuijing-Jiling area

圖3 芨嶺鈾礦床礦體空間分布及磁矢量三維反演磁化率斷面圖Fig.3 Section of magnetic vector 3D inversed susceptibility and the orebody distribution of Jiling uranium deposit

結(jié)合磁矢量三維反演結(jié)果，可對(duì)芨嶺鈾成礦機(jī)制進(jìn)一步研究，對(duì)于沿馬路溝斷裂帶（特別是新水井-芨嶺鈾礦床之間）深部鈾礦勘查突破提供地球物理依據(jù)。沿馬路溝斷裂深部磁反演結(jié)果顯示西岔-新水井一帶深部發(fā)育大規(guī)模弱磁性體（花崗巖體），該段馬路溝斷裂帶深部存在有利的鈾成礦環(huán)境，具有較好的鈾礦找礦前景，如35 號(hào)鈾異常點(diǎn)一帶深部發(fā)育大規(guī)模弱磁性體，其頂部深度800～1 000 m 為不同巖性接觸帶（圖4），是較好的鈾礦找礦有利空間?？傊攀噶咳S反演可為尋找堿交代型隱伏鈾礦的有利成礦環(huán)境提供地球物理依據(jù)，為深部找礦突破提供方法技術(shù)參考。

2.2 二連盆地中部

2.2.1地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置位于二連盆地中北部，主要跨馬尼特坳陷和蘇尼特隆起兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（圖5）。次級(jí)構(gòu)造單元形成于侏羅紀(jì)–早白堊世，是典型的盆嶺式斷陷盆地群，盆地基底由華力西晚期褶皺巖系及侵入巖組成，蓋層包括上侏羅統(tǒng)、白堊統(tǒng)、新近系及第四系［17］。賀根山巖石圈斷裂控制馬尼特坳陷和蘇尼特隆起的形成、發(fā)育與空間展布。區(qū)內(nèi)主要找礦類型為古河道砂巖型，主要找礦層位為下白堊統(tǒng)賽漢組，該組發(fā)育辮狀河、辮狀河三角洲、扇三角洲相，存在有利成礦的河流相砂體，是形成層間氧化帶型鈾礦的重要部位［18-20］。

2.1.2磁場(chǎng)特征

研究區(qū)磁場(chǎng)分區(qū)特征較明顯：以賀根山巖石圈斷裂為界，北部為平緩背景場(chǎng)上疊加塊狀、帶狀異常，背景值一般為－20～30 nT，異常值一般為150～250 nT，平緩變化背景場(chǎng)反映了坳陷區(qū)弱磁性蓋層的分布特點(diǎn)，疊加異常主要為局部中基性侵入巖的反應(yīng)；南部表現(xiàn)為雜亂磁場(chǎng)，異常值一般為－500～1 000 nT，主要為中基性火山巖或侵入巖的反應(yīng)（圖6）。磁場(chǎng)特征能大體區(qū)分蘇尼特隆起區(qū)及馬尼特坳陷分布范圍，但難以表現(xiàn)局部隆坳格局空間分布特點(diǎn)。

圖4 35 號(hào)鈾異常地段視磁化率斷面及推斷鈾礦找礦空間分布圖［21］Fig.4 Section of visual magnetic susceptibility of Anomalous 35 and inferred prospecting space for the uranium exploration

圖5 二連盆地中部大地構(gòu)造位置圖Fig.5 Geotectonic location of the middle Erlian basin area

圖6 二連盆地中部航磁ΔT 化極圖Fig.6 The image map of Aeromagnetic ΔT reduced to pole in the middle Erlian basin area

2.2.3磁矢量三維反演效果分析

反演磁化率顯示研究區(qū)南部發(fā)育大規(guī)模的磁性體（巖漿巖發(fā)育區(qū)），值一般為（200～2 000）×10-5SI，對(duì)應(yīng)蘇尼特隆起區(qū)；北部發(fā)育大規(guī)模的弱磁性體 （沉積蓋層區(qū)），值一般為（5～30）×10-5SI，對(duì)應(yīng)馬尼特坳陷區(qū)；兩者過(guò)渡部位總體呈不同磁性體的分界線，反映了賀根山巖石圈斷裂的位置及空間展布。磁矢量三維反演結(jié)果不僅清晰反映出區(qū)內(nèi)隆坳格局及構(gòu)造格架，還在馬尼特坳陷中發(fā)現(xiàn)局部隆起，蘇尼特隆起中發(fā)現(xiàn)局部凹陷。反演磁化率顯示蘇尼特隆起南部存在一條北東向的帶狀弱磁性體（坳陷D），該帶地表為第四系玄武巖覆蓋，推測(cè)該帶為局部坳陷沉積中新生代無(wú)微磁性地層的反應(yīng)；反演磁化率顯示馬尼特坳陷被帶狀隆起帶 （帶狀磁性體）分割為3 片局部坳陷區(qū)，分別為坳陷A、坳陷B、坳陷C（圖7）。局部隆坳格局對(duì)上部蓋層沉積具有一定控制作用，隆起帶與盆內(nèi)的過(guò)渡帶部位可形成有利的沉積相帶（如辮狀河、辮狀河三角洲、扇三角洲相），對(duì)于進(jìn)一步縮小尋找古河道地段的范圍及深部鈾成礦研究具有重要意義。

此外，可以利用不同深度的反演磁化率描繪各隆起、坳陷的空間展布及規(guī)模，可進(jìn)一步對(duì)地下三維空間進(jìn)行地質(zhì)填圖，為深部礦產(chǎn)勘查提供地球物理依據(jù)。

2.3 應(yīng)用前景探討

作為近幾年才發(fā)展起來(lái)的磁反演新技術(shù)，目前磁矢量三維反演還處在與實(shí)踐相結(jié)合驗(yàn)證方法階段，國(guó)內(nèi)外開展過(guò)少量的鐵及多金屬礦產(chǎn)勘查試驗(yàn)研究，磁矢量三維反演可較好地定位磁性礦體的深部空間位置。依托中國(guó)核工業(yè)地質(zhì)局項(xiàng)目，本研究開展了磁矢量三維反演技術(shù)在鈾礦勘查的應(yīng)用嘗試，顯示其可以有效定位深部堿交代型鈾礦化的有利巖性界面的空間位置，還可在古河道型鈾礦勘查時(shí)分辨出隆坳格局，以縮小尋找深部古河道發(fā)育有利地段的范圍，并可輔助地下三維地質(zhì)填圖，為尋找隱伏鈾礦提供地球物理依據(jù)。

磁矢量三維反演可進(jìn)一步發(fā)揮深部探測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別在地下三維地質(zhì)填圖、深部礦產(chǎn)勘查方面具有較好的應(yīng)用前景。繼續(xù)在我國(guó)鈾礦勘查中應(yīng)用該技術(shù)，可有效助推深部鈾成礦的研究及找礦突破。

圖7 二連盆地中部磁矢量三維反演磁化率三維顯示圖Fig.7 3D display of magnetic susceptibility of magnetic vector 3D inversion in the the middle Erlian basin

3 結(jié)論與建議

1）常規(guī)磁反演僅考慮感磁影響，使得磁反演結(jié)果與實(shí)際偏差較大，磁矢量三維反演考慮了剩磁的影響，反演結(jié)果與地質(zhì)認(rèn)識(shí)基本一致，特別是突出了深部的地質(zhì)找礦認(rèn)識(shí)。實(shí)例顯示磁矢量三維反演可以有效定位深部堿交代型鈾礦的有利巖性界面環(huán)境空間（大規(guī)?；◢弾r體頂部與閃長(zhǎng)巖體接觸部位）；在二連盆地古河道型鈾礦勘查中，可以有效反映局部隆坳格局及構(gòu)造展布，可進(jìn)一步縮小尋找古河道有利地段的范圍。磁矢量三維反演可為深部鈾礦勘查提供地球物理依據(jù)，并可定位深部堿交代型鈾礦的有利成礦環(huán)境空間。

2）磁矢量三維反演可以有效給出深部不同磁性體的空間分布，可以應(yīng)用于地下三維地質(zhì)填圖、深部礦產(chǎn)勘查等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。在我國(guó)鈾礦勘查中應(yīng)用該技術(shù)，有助于我國(guó)隱伏鈾礦找礦突破。此外，利用已有航磁數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究，項(xiàng)目成本低，值得大規(guī)模推廣應(yīng)用。