瞬變電磁三維擬合建模方法在芨嶺地區(qū)地質(zhì)體三維形態(tài)分析中的應(yīng)用

雷陽，牛立群，王芳芳

（核工業(yè)二〇三研究所，陜西 西安 712000）

瞬變電磁方法已成功在金屬礦產(chǎn)勘查［1］、地下水資源開發(fā)［2］、煤礦水害治理［3］、地質(zhì)災(zāi)害勘查［4］、工程測(cè)量［5］中應(yīng)用多年，其中也包括鈾礦勘查工作［6］。國(guó)外，20 世紀(jì)80 年代瞬變電磁方法就在加拿大麥克阿瑟河鈾礦勘查工作中開始應(yīng)用［7］；國(guó)內(nèi)，自20 世紀(jì)90 年代起，該方法由賀建國(guó)等應(yīng)用于十紅灘砂巖型鈾礦床勘探工作中，并成功查明了控礦構(gòu)造的位置、產(chǎn)狀及延伸方向。但受技術(shù)水平影響，該方法很長(zhǎng)一段時(shí)間只采用視電阻率斷面和一維正反演解釋［8-10］，導(dǎo)致該方法僅應(yīng)用在北方中-新生代沉積盆地鈾礦找礦工作中。

近年來，瞬變電磁方法三維數(shù)值模擬算法日趨完善，采用的主流數(shù)值方法有積分方程法［11-13］、有限元法［14-16］、有限差分法［17-19］、有限體積法［20-21］等。宋維琪等［22］采用有限差分方法對(duì)三維電偶源瞬變電磁響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，肖懷宇［23］在Wang 等［24］研究基礎(chǔ)上，對(duì)瞬變電磁帶地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，孫懷鳳等［25］提出了考慮關(guān)斷時(shí)間的瞬變電磁三維時(shí)域有限差分正演方法，邱稚鵬等［26］對(duì)非正交網(wǎng)格情況下的帶地形三維瞬變電磁場(chǎng)進(jìn)行了模擬，臧公瑾［27］利用瞬變電磁三維正演擬合對(duì)復(fù)雜地電模型（陷落柱、斷層破碎帶、海相火山巖型礦床等）進(jìn)行了建模研究。以上研究為開展本文所述研究提供了正演算法及數(shù)據(jù)分析建?；A(chǔ)。本文利用芨嶺地區(qū)三分量定源測(cè)量數(shù)據(jù)，采用積分方程法開展三維正演擬合建模，將所得模型與前人測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并淺析該方法在我國(guó)熱液型鈾礦勘查中的應(yīng)用前景。

1 地質(zhì)及地球物理概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

芨嶺地區(qū)位于龍首山-祁連山鈾成礦帶（圖1）。該成礦帶位于華北板塊阿拉善隆起帶西南緣。龍首山成礦帶是早古生代早期碰撞造山形成的一條隆起帶。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，按產(chǎn)狀可以分為4 組：東西、北西、近南北和北東向，其中以北西向最為發(fā)育，近東西向次之，近南北向發(fā)育最晚，橫切早期東西向和北西向構(gòu)造［28］。

圖1 芨嶺地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch geological structure map of Jiling area

根據(jù)前人研究成果［29-30］，龍首山地區(qū)基底產(chǎn)出古元古界龍首山巖群（Pt1ln），上覆墩子溝群（Pt2dz）和韓母山群（Pt3hm）不整合。區(qū)域內(nèi)早古生界局部分布有寒武紀(jì)碎屑巖、碳酸鹽巖。晚古生界分布有安山質(zhì)凝灰?guī)r、玄武巖，泥盆系紫紅色磨拉石和石炭系、二疊系碎屑巖。

1.2 區(qū)域電性特征

芨嶺地區(qū)主要巖性電阻率統(tǒng)計(jì)如表1 所示。該區(qū)板巖、角閃片巖為低阻體；千枚巖為偏低阻體；混合巖、正長(zhǎng)巖為中阻體；花崗巖為中高阻體；大理巖、閃長(zhǎng)巖為高阻體。區(qū)內(nèi)巖石電阻率差異明顯，具備開展電磁方法探測(cè)的前提。

表1 龍首山芨嶺地區(qū)主要巖性電阻率統(tǒng)計(jì)表［31-32］Table 1 Statistics on the resistivity of the main rocks in Jiling area of Longshoushan [31-32]

2 實(shí)驗(yàn)工程部署

為方便將三維擬合建模結(jié)果與前人測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，將實(shí)驗(yàn)區(qū)選擇在前人工作區(qū)，三條測(cè)線為S1、S2 及S3，其中，測(cè)線S3 與前人工作測(cè)線、測(cè)點(diǎn)重合（圖2）。圖2 中黑色線條為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)線，長(zhǎng)度為700 m，點(diǎn)距為25 m，線距50 m；藍(lán)色線條為前人工作測(cè)線，長(zhǎng)度為1 000 m，點(diǎn)距為50 m；紅色方框?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)射線框。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置布設(shè)圖Fig.2 Layout of the survey line

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)布設(shè)400 m×400 m 方形發(fā)射線框，三條測(cè)線均位于框外，測(cè)量?jī)x器選用加拿大Geonics 公司產(chǎn)PROTEM 系列瞬變電磁儀，發(fā)射電流為12 A，測(cè)量頻率為25 Hz，接收線圈面積為200 m2，單次數(shù)據(jù)采集積分時(shí)間2 分鐘，每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)量2 次。

為準(zhǔn)確查明測(cè)區(qū)地質(zhì)體三維形態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)采用接收線圈測(cè)量Hx、Hy、Hz 三分量數(shù)據(jù)（圖3）。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中Hz 分量數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，顯示了完整的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率衰減過程；Hx 和Hy 分量數(shù)據(jù)尾支受到部分干擾，出現(xiàn)跳點(diǎn)，但跳點(diǎn)主要出現(xiàn)于15—20 道數(shù)據(jù)中，對(duì)本次數(shù)據(jù)建模分析工作影響不大。

圖3 S1 測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)衰減曲線Fig.3 Decay curve of measured data from some stations at survey line S1

3 數(shù)據(jù)三維擬合建模

3.1 三維擬合觀測(cè)系統(tǒng)建立

對(duì)采集數(shù)據(jù)質(zhì)檢后進(jìn)行預(yù)處理，在進(jìn)行數(shù)據(jù)三維擬合建模前，先進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)系統(tǒng)建立，即在計(jì)算機(jī)上重建測(cè)區(qū)信息，觀測(cè)系統(tǒng)主要由發(fā)射源信息、接收參數(shù)信息、測(cè)線測(cè)點(diǎn)信息、地下電性層分布及目標(biāo)地質(zhì)體信息組成。在新區(qū)建立觀測(cè)系統(tǒng)時(shí)，由于掌握的已知資料受限，不可能掌握地下電性層分布及目標(biāo)地質(zhì)體信息，可先建立均勻半空間介質(zhì)，明確目標(biāo)勘探深度，之后的三維擬合建模過程中根據(jù)數(shù)據(jù)信息逐漸明確地下電性層分布及目標(biāo)地質(zhì)體信息。

本次實(shí)驗(yàn)所選研究區(qū)為已知區(qū)，已掌握地下電性層分布信息，大致了解目標(biāo)地質(zhì)體位置，但對(duì)目標(biāo)地質(zhì)體三維形態(tài)還不清楚。

3.2 三維擬合建模網(wǎng)格建立

進(jìn)行地質(zhì)體精細(xì)三維形態(tài)分析的必要前提條件為建立復(fù)雜地電模型，這要求構(gòu)建合適的網(wǎng)格剖分。由于復(fù)雜模型形態(tài)不規(guī)則，采用非結(jié)構(gòu)化Delaunay 四面體網(wǎng)格剖分進(jìn)行擬合建模貼合實(shí)際情況。

Delaunay 四面體網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格精細(xì)度可用最小二面角大小控制，據(jù)臧公瑾［27］研究，一般模型計(jì)算最小二面角可取12～16 即可。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，本文三維擬合建模網(wǎng)格最終采用的最小二面角為12。

3.3 異常體地電模型建立

市售專業(yè)數(shù)據(jù)處理及建模軟件如EMIGMA、Surpac、XModel 等均包含豐富的可視化三維模型建模功能，本次采用EMIGMA 軟件中的POLY Generator 可視化建模工具包，以近似橢球形異常體為初始模型進(jìn)行異常體地電模型建立，包含三維模型導(dǎo)入（自Vulcan、Surpac、AutoCAD 等軟件導(dǎo)入模型文件）及六種三維初始模型（圓柱體、空心圓柱體、球體、橢球體、長(zhǎng)方體及橢圓柱體）。

3.4 數(shù)據(jù)三維擬合建模

在計(jì)算機(jī)中重建測(cè)區(qū)信息并完成三維初始模型建立后，經(jīng)檢查可開展數(shù)據(jù)三維擬合建模。通過調(diào)整模型參數(shù)（圍巖地層電阻率及層厚、異常體模型形態(tài)、傾向、傾角、電阻率等）進(jìn)行正演得到正演衰減曲線，與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行對(duì)比，之后重復(fù)該步驟，逐漸將正演曲線擬合實(shí)測(cè)曲線。在多次正演建模對(duì)比數(shù)據(jù)之后，最逼近實(shí)測(cè)曲線的正演模型即為測(cè)區(qū)地下三維擬合建模結(jié)果。

本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與三維模型建模流程圖見圖4，S3 線擬合曲線對(duì)比圖見圖5。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與三維模型建模流程圖Fig.4 Flow chart of data measurement and 3D model modeling

圖5 S3 線各模型擬合曲線對(duì)比圖Fig.5 Comparison of fitting curves of line S3 by each model

圖4 演示了三維模型擬合建模流程，除重建測(cè)區(qū)信息外，每個(gè)步驟都包含多次數(shù)據(jù)擬合以得到最佳擬合曲線。本次數(shù)據(jù)得到的各步驟最佳模型參數(shù)為：

1）均勻半空間模型：半空間電阻率為700 Ω·m；

2）最佳電性層模型：第一電性層包含關(guān)斷盲區(qū)和地表覆蓋；下覆中低阻電性層，該層面電阻率為500 Ω·m，層厚140 m；下覆電阻率為1 500 Ω·m 的高阻電性層；

3）最佳電性層與橢球體模型：電性層信息與模型2 相同，橢球體信息為走向近北東向，最淺處埋深約50 m，橢球體長(zhǎng)軸長(zhǎng)500 m，短軸長(zhǎng)220 m，電阻率為300 Ω·m；

4）最佳電性層與復(fù)雜三維地質(zhì)體模型：電性層信息與模型2 相同，復(fù)雜三維地質(zhì)體異常電阻率為300 Ω·m，其形態(tài)上中南側(cè)向內(nèi)凹進(jìn)，北側(cè)發(fā)育，近地表處形態(tài)尖銳。該異常體延長(zhǎng)深度大，數(shù)據(jù)未能揭露異常體深部形態(tài)。

圖5 為各個(gè)步驟三維建模數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，其中，紅色曲線為采集數(shù)據(jù)，橙色曲線為均勻半空間模型擬合數(shù)據(jù)，綠色曲線為最佳地層模型信息擬合數(shù)據(jù)，棕色曲線為添加近似橢球形異常體后，在不改變異常體形狀時(shí)的最佳擬合數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線為最終擬合數(shù)據(jù)。圖5 中最終模型三分量的擬合曲線與實(shí)測(cè)曲線形態(tài)基本吻合，故認(rèn)為該模型是最佳模型。

4 三維擬合建模結(jié)果與前人成果對(duì)比分析

2010 年賀建國(guó)［33］在測(cè)區(qū)開展了瞬變電磁測(cè)量工作，采用中心回線裝置，測(cè)量視電阻率斷面與三維模型對(duì)比圖見圖6。

圖6a 中Y 方向公里網(wǎng)坐標(biāo)4393900～4394100 m 處地下存在明顯異常，該異常屬于低阻體反映，且反映強(qiáng)烈，淺部直接穿透了地表覆蓋層，最寬處超過300 m，且主要向北延伸，從視電阻率斷面中難以判斷該異常形態(tài)。較淺，淺部異常特征明顯。模型在測(cè)線間亦有形態(tài)變化，記錄該形態(tài)變化的主要數(shù)據(jù)來源于Hx 及Hy 分量。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)該異常體建模能夠和視電阻率斷面圖較好的吻合。圖6b 為本次實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)三維擬合模型，模型中異常體向西北部發(fā)育，最淺部埋深

5 結(jié) 論

1）三分量定源測(cè)量結(jié)合三維擬合建模的技術(shù)手段可以滿足一般地質(zhì)工作的要求，提供合理的物探異常解釋后能夠直觀的轉(zhuǎn)化為地質(zhì)模型。同時(shí)，相對(duì)于視電阻率斷面圖，三維擬合可以更好地收斂異常邊界，為地質(zhì)體三維形態(tài)分析提供較為精確的模型。

2）測(cè)量時(shí)應(yīng)注意點(diǎn)線距不能過大，否則對(duì)于異常體沒有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯，可能出現(xiàn)單線或單點(diǎn)引起的假異常。

3）三分量數(shù)據(jù)對(duì)揭示測(cè)線間地下異常體形態(tài)具有重要的參考作用。

4）地質(zhì)情況越復(fù)雜，進(jìn)行三維擬合建模模型計(jì)算的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，這種工作手段更適用于詳查階段的勘查工作。