基于磁法三維反演對(duì)程潮地區(qū)找礦方向分析

楊龍彬, 高寶龍, 肖明順, 陳石羨, 龔 強(qiáng), 閔 丹

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 中南地質(zhì)勘查院,湖北 武漢 430081; 2.中國(guó)冶金地質(zhì)總局 礦產(chǎn)資源信息中心,北京 100025)

磁法勘探是一種最常用的地球物理勘探方法,廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、油氣勘探、固體礦產(chǎn)勘查以及水文、工程與環(huán)境調(diào)查等領(lǐng)域。隨著勘探對(duì)地質(zhì)體三維精細(xì)結(jié)構(gòu)研究不斷提高,磁法反演處理解釋技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展到 3D地質(zhì)體描述和解釋階段[1-2]。磁法三維反演是利用磁測(cè)數(shù)據(jù)及物性資料,對(duì)地下地質(zhì)體進(jìn)行模擬,間接確定地質(zhì)體的空間位置和形態(tài)。

本文通過(guò)對(duì)鄂城巖體、鐵山巖體區(qū)域的航磁資料進(jìn)行3D磁法反演,勾畫(huà)出了兩大巖體深部空間展布特征,同時(shí)結(jié)合程潮礦區(qū)CSAMT成果和物性、鉆孔資料對(duì)下一步找礦方向進(jìn)行分析。

1 地質(zhì)概況

工作區(qū)地表出露的地層較簡(jiǎn)單,主要有第四系、侏羅系下統(tǒng)及三疊系中—上統(tǒng)蒲圻群地層,組成碧石緊閉向斜核部。該地區(qū)構(gòu)造主要為碧石渡向斜,向斜核部地層為侏羅系下統(tǒng)及三疊系中統(tǒng)蒲圻組砂頁(yè)巖,兩翼為三疊系中下統(tǒng)嘉陵江組及大冶組白云巖、灰?guī)r組成的一套碳酸鹽巖建造。向斜南翼部分被鐵山巖體上侵破壞,形成了一系列大理巖捕虜體,向斜南翼存在次級(jí)褶皺構(gòu)造,使鐵山巖體北緣接觸面存在“隆凹”部位,為成礦有利部位。向斜北翼產(chǎn)狀變化較大,由東到西產(chǎn)狀逐漸變陡(圖1)。

圖1 工作區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological map of working area1.花崗斑巖脈;2.花崗閃長(zhǎng)斑巖脈;3.石英閃長(zhǎng)玢巖脈;4.大冶組;5.花崗閃長(zhǎng)巖脈;6.斑狀閃長(zhǎng)巖;7.閃長(zhǎng)巖;8.花崗巖脈;9.CSAMT剖面;10.鉆孔位置。

2 地球物理特征

據(jù)以往鄂城巖體的巖礦石磁性標(biāo)本測(cè)量統(tǒng)計(jì)情況(見(jiàn)表1),可見(jiàn),鄂城巖體巖礦石磁性有如下特征:

(1) 磁鐵礦和圍巖具有明顯磁性差異,磁鐵礦磁性最強(qiáng),能引起明顯異常。

(2) 閃長(zhǎng)巖類(lèi),特別是黑云母輝石閃長(zhǎng)巖的磁性較強(qiáng),能引起一定強(qiáng)度的磁異常。

(3) 矽卡巖分布在礦區(qū)及接觸帶附近,其磁性強(qiáng)弱決定礦化的程度,引起的磁異常往往與礦異常疊加。

(4) 角頁(yè)巖一般無(wú)磁性或弱磁性,但當(dāng)其靠近巖體時(shí),多變?yōu)榈V化角巖,磁性增強(qiáng),能引起規(guī)則低緩異常。

(5) 玄武巖、輝綠巖磁性較強(qiáng),在地表能引起1 000～3 000 nT磁異常,但較紊亂。

(6) 赤鐵礦磁性微弱,一般引不起明顯異常,但假象赤鐵礦磁性較強(qiáng),能引起明顯異常。

(7) 花崗巖磁性不強(qiáng),一般不會(huì)引起明顯磁異常。

綜合分析:鑒于角頁(yè)巖、赤鐵礦、花崗巖磁性較弱,玄武巖、輝綠巖具有較強(qiáng)磁性但分布不均,閃長(zhǎng)巖類(lèi)磁性較強(qiáng)同時(shí)分布范圍廣,而矽卡巖和鐵礦基本分布在接觸帶附近,故推斷鄂城巖體主體為閃長(zhǎng)巖類(lèi)巖石,在巖體接觸帶附近分布一定規(guī)模的矽卡巖和磁鐵礦,這也為找礦方向提供了有力依據(jù)。

表1 鄂城巖礦石磁參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of magnetic parameters of rock ore in Echeng

3 三維反演原理

反演的目的是獲取模型空間的磁化率分布(m),反演的物理基礎(chǔ)是模型空間磁化率分布與觀測(cè)數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)物理關(guān)系(G),反演首要的目標(biāo)就是當(dāng)前磁化率分布(m)通過(guò)數(shù)物關(guān)系(G)預(yù)測(cè)的磁場(chǎng)結(jié)果dpre與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)dobs的差異在觀測(cè)誤差范圍內(nèi)。通?？梢圆捎米钚《说姆绞絹?lái)評(píng)價(jià)dpre和dobs的差異程度,如下式所示:

(1)

式中:N為觀測(cè)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);σi為第i個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)誤差。公式(1)就是反演計(jì)算最基本的內(nèi)容,反映了dpre和dobs的差異或擬合程度,因此稱(chēng)Φd(m)為數(shù)據(jù)擬合差函數(shù)。最終的目標(biāo)就是找到Φd(m)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解,此過(guò)程也就屬于最優(yōu)化過(guò)程[3]。

對(duì)于三維反演來(lái)說(shuō),觀測(cè)數(shù)據(jù)(方程組中方程的個(gè)數(shù))的個(gè)數(shù)通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于模型剖分塊體(方程組中未知數(shù))的個(gè)數(shù),因而求解問(wèn)題屬于欠定問(wèn)題,結(jié)果存在無(wú)窮多解的可能性；因此,需要在式(1)的基礎(chǔ)上,通過(guò)加入模型穩(wěn)定項(xiàng)(或稱(chēng)模型目標(biāo)函數(shù))來(lái)促使反演過(guò)程更加穩(wěn)定,同時(shí)提供可靠的方法確定相關(guān)參數(shù)平衡數(shù)據(jù)擬合函數(shù)和模型穩(wěn)定項(xiàng)的相對(duì)權(quán)重,這樣的實(shí)現(xiàn)過(guò)程被稱(chēng)為正則化。

根據(jù)Tikhlnov正則化公式,反演目標(biāo)函數(shù)可以寫(xiě)為:

Φ(m)=Φd(m)+λΦm(m)

式中:Φd和Φm分別為數(shù)據(jù)擬合差函數(shù)及模型目標(biāo)函數(shù),正則化參數(shù)λ作為兩者之間的權(quán)重系數(shù)[4-5]。

4 磁異常特征及三維反演結(jié)果

本次采用的1∶1萬(wàn)航磁數(shù)據(jù)是由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源航空物探遙感中心2015年完成的鄂東四大巖體區(qū)域航磁測(cè)量中的,航磁異常的空間展布特征與鄂東四大巖體分布范圍能夠較好地吻合。圖2-A、B分別是磁法原始異常等值線圖和磁法化極異常等值線圖,其中磁法原始異常等值線圖ΔT最小值、最大值分別為-648.5 nT、1 049.4 nT,磁法化極異常等值線圖ΔT最小值、最大值分別為-329.2 nT、1 161 nT?；瘶O異常等值線圖較原始異常等值線圖的正異常范圍變大并往北移動(dòng),與地質(zhì)圖進(jìn)行對(duì)比能夠和鄂城、鐵山兩大巖體很好地扣合(見(jiàn)圖2),故三維磁法反演時(shí)采用化極后的數(shù)據(jù)進(jìn)行。

本次航磁3D反演所采用的是由華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力實(shí)驗(yàn)中心孫石達(dá)博士編寫(xiě)的3DmagAll軟件進(jìn)行反演計(jì)算,經(jīng)多次反演對(duì)比,最終選擇以下反演控制參數(shù):網(wǎng)格剖分,250 m×250 m×250 m;正則化參數(shù),1012.2;深度加權(quán)(β,z0),(3.0,150)。

圖2 航磁原始與化極等值線對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of aero magnetic primordial and polar equivalents1.花崗斑巖脈;2.花崗閃長(zhǎng)斑巖脈;3.石英閃長(zhǎng)玢巖脈;4.大冶組;5.花崗閃長(zhǎng)巖脈;6.斑狀閃長(zhǎng)巖;7.閃長(zhǎng)巖;8.花崗巖脈;9.CSAMT剖面;10.鉆孔位置;11.高磁等值線;12.低磁等值線。

由航磁化極數(shù)據(jù)等值線圖和反演擬合等值線圖可以看出(見(jiàn)圖3),在工作區(qū)范圍南部由于金山店巖體的影響,導(dǎo)致該低磁異常沒(méi)有能夠很好地?cái)M合。但是鐵山巖體—鄂城巖體部分?jǐn)M合程度很好,本文主要針對(duì)鐵山巖體和鄂城巖體的深部形態(tài)及程潮鐵礦地區(qū)進(jìn)行研究分析,故本次3D反演結(jié)果是可靠的。

從本次磁法三維反演成果(圖4)來(lái)看,鄂城、鐵山巖體走向都是北西向,整體呈紡錘狀分布,自深部規(guī)模小、磁性強(qiáng)到中深部規(guī)模漸大、磁性較強(qiáng),再到淺部巖體分布范圍擴(kuò)大、磁性變?nèi)醯奶卣?圖5),淺部形態(tài)和化極后磁異常(圖2-B)形態(tài)基本一致。該成果對(duì)鄂城、鐵山巖體在深部的傾向、規(guī)模形態(tài)能夠很好地勾畫(huà)出來(lái)；尤其是鄂城巖體南部產(chǎn)狀變化較大,由東到西產(chǎn)狀逐漸變陡,也與地質(zhì)上推斷描述相對(duì)應(yīng)。

圖3 磁法三維反演初始與擬合結(jié)果等值線圖Fig.3 Contour inversion of initial and fitting results by magnetic 3D inversion

圖4 磁法三維反演成果圖Fig.4 Three dimensional inversion results of magnetic method

程潮鐵礦床的礦體,主要都賦存于圍巖(矽卡巖、閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)斑巖、閃長(zhǎng)玢巖)的接觸帶—斷裂復(fù)合帶中,同時(shí)礦體空間展布規(guī)律受到接觸帶構(gòu)造及其與次級(jí)褶皺斷裂復(fù)合疊加組成的接觸帶構(gòu)造系統(tǒng)的嚴(yán)格控制。鐵礦體宏觀產(chǎn)狀的變化常與雜巖體接觸帶(面)產(chǎn)狀相一致,隨雜巖體接觸帶(面)產(chǎn)狀的變化而變化,各礦體的長(zhǎng)軸走向與接觸帶(面)走向一致,總體受雜巖體接觸帶(面)控制。

由磁法三維反演成果圖切(圖6)與CSAMT勘探線重合剖面及鉆孔投影(圖7)可知:鄂城巖體南部產(chǎn)狀較陡,同時(shí)ZK01、ZK02都在高磁、低磁的梯度帶上見(jiàn)到礦體,同時(shí)礦體位置也處于CSAMT剖面成果的中阻與低阻過(guò)渡帶附近。結(jié)合磁法3D反演、CSAMT剖面成果及鉆孔剖面圖對(duì)下一步找礦方向進(jìn)行分析:

(1) 從物性特征分析得出巖體主體為閃長(zhǎng)巖類(lèi)巖石,矽卡巖和鐵礦體主要賦存于巖體接觸帶附近,并且鐵礦體宏觀產(chǎn)狀的變化與巖體接觸帶(面)產(chǎn)狀相一致,ZK01、ZK02見(jiàn)礦位置均在磁法3D反演的高磁、低磁梯度帶部位。同時(shí)由已知礦體的呈燕列式分布特征等綜合分析,ZK01所見(jiàn)Ⅶ礦體與ZK02所見(jiàn)礦體是否為同一礦體,抑或在兩者礦體之間是否存在另一礦體則有待驗(yàn)證。

(2) 在上述分析的基礎(chǔ)上,由磁法3D反演成果可以看出,ZK02南部巖體產(chǎn)狀相對(duì)較陡,并且有向北回拐的趨勢(shì)。另由CSAMT反演成果在ZK02所見(jiàn)礦體附近中阻、低阻梯度帶產(chǎn)狀同樣較陡(與磁法3D反演成果一致);已知礦體不僅呈“燕列式”特征分布,同時(shí)位于CSAMT反演成果的中阻、低阻的梯度帶附近,由此推斷在ZK02所見(jiàn)礦體以下部位存在沿磁法3D反演巖體界面和CSAMT反演成果的中阻、低阻梯度帶,并且與ZK02所見(jiàn)礦體相連呈“S”型礦體,有待驗(yàn)證。

圖5 磁法三維反演成果圖Fig.5 Three dimensional inversion results of magnetic method

圖6 磁法三維反演剖面切片成果圖Fig.6 Three dimensional inversion section results of magnetic method

5 結(jié)論

通過(guò)磁法3D反演成果并結(jié)合物性特征資料,對(duì)鐵山、尤其是鄂城巖體在深部的空間展布狀態(tài)有了更宏觀清晰的認(rèn)識(shí)。同時(shí)對(duì)鄂城巖體南部產(chǎn)狀由東到西逐漸變陡的特征及鐵礦體主要賦存在巖體接觸帶附近有了更直觀的認(rèn)識(shí)。

圖7 CSAMT反演成果及鉆孔投影圖Fig.7 CSAMT inversion results and bolehole projection

由磁法3D反演成果、CSAMT反演成果和ZK01、ZK02所見(jiàn)礦體位置及已知礦體呈“燕列式”的分布特征,分析了ZK01所見(jiàn)Ⅶ礦體和ZK02所見(jiàn)礦體之間存在礦體的可能性,同時(shí)對(duì)ZK02所見(jiàn)礦體位置深部是否存在與所見(jiàn)礦體相連呈“S”型分布的礦體進(jìn)行了分析。

綜上所述,磁測(cè)3D反演在對(duì)地質(zhì)體的三維空間分布、成礦有利部位等方面的解釋和指導(dǎo)是有較大的優(yōu)勢(shì)的。同時(shí)結(jié)合CSAMT成果、地質(zhì)資料、物性特征和鉆孔資料綜合分析、研究，可以為后期開(kāi)展深部找礦提供靶區(qū)。

致謝:感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局國(guó)土資源航空物探遙感中心提供的航磁資料,感謝華中科技大學(xué)物理學(xué)院引力實(shí)驗(yàn)中心孫石達(dá)博士在三維反演方面提供的幫助。