Occam反演在衛(wèi)境地區(qū)花崗巖型鈾礦勘查CSAMT資料處理中的應(yīng)用

孟凡興, 全旭東, 徐國蒼, 孔志召, 張 偉， 朱佳寧

(1.核工業(yè)航測遙感中心， 石家莊 050002；2.中核集團公司 鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)， 石家莊 050002)

Occam反演在衛(wèi)境地區(qū)花崗巖型鈾礦勘查CSAMT資料處理中的應(yīng)用

孟凡興1,2, 全旭東1,2, 徐國蒼1,2, 孔志召1,2, 張 偉1，2， 朱佳寧1,2

(1.核工業(yè)航測遙感中心， 石家莊 050002；2.中核集團公司 鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點實驗室)， 石家莊 050002)

花崗巖型鈾礦床一般產(chǎn)在巖體內(nèi)部或巖體周邊，因此巖體發(fā)育情況的探測對鈾礦勘查工作的進一步開展具有重要意義。為了解Occam反演方法處理花崗巖型鈾礦勘查CSAMT數(shù)據(jù)時的應(yīng)用效果，這里設(shè)計了隱伏巖體的理論模型，正演理論數(shù)據(jù)采用Occam反演方法進行反演。實驗表明，Occam反演對隱伏巖體的CSAMT理論數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定收斂性，反演結(jié)果和理論模型能夠很好的吻合。結(jié)合衛(wèi)境地區(qū)的勘查實例驗證了Occam反演方法的有效性，為以后CSAMT方法間接尋找花崗巖型鈾礦提供了參考。

Occam反演； CSAMT方法； 隱伏巖體； 衛(wèi)境地區(qū)； 花崗巖型鈾礦

0 引言

可控源音頻大地電磁(CSAMT)法作為地球物理勘探方法中一種有效的電磁法勘探手段，已廣泛應(yīng)用于各種深部金屬和非金屬礦產(chǎn)勘查[1-3]。總結(jié)不同地區(qū)的勘查經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，針對不同的勘查目的，選擇不同的反演方法處理，往往可以取得更好的效果[4-5]。

花崗巖型鈾礦床與花崗巖體有緊密空間關(guān)系和成因關(guān)系，它可產(chǎn)在巖體內(nèi)部或巖體外圍不遠的一定范圍內(nèi)[6-7]，因此巖體發(fā)育情況的探測對鈾礦勘查工作的進一步開展具有重要意義。

這里闡述了Occam反演的原理，并根據(jù)花崗巖型鈾礦勘查經(jīng)驗建立了隱伏巖體的正演模型，通過理論模型的反演以及在內(nèi)蒙古北部衛(wèi)境地區(qū)的應(yīng)用成果表明，采用Occam反演方法處理以探索隱伏巖體為目的的CSAMT數(shù)據(jù)，可以取得較好的效果。

1 Occam反演基本原理

Occam反演理論首先由Constable等[7-8]提出。地球物理反演因非唯一性，反演結(jié)果存在多個能滿足擬合數(shù)據(jù)的模型，Constable[8-9]認(rèn)為反演為了獲得最優(yōu)解，反演的最終模型應(yīng)盡可能的簡單、光滑，為了壓制來自非數(shù)據(jù)的模型構(gòu)造，模型的粗糙度應(yīng)盡可能的小。因此，Occam法是一種帶平滑約束的最小二乘法反演，這種方法反演是一種正則化的反演方法，它在尋找模型與原始數(shù)據(jù)最大擬合時，要求模型最光滑，因此受初始模型影響小，運算穩(wěn)定收斂，是一種有效的數(shù)據(jù)反演處理方法[10-11]。其反演的目標(biāo)函數(shù)為：

U=R1+Q‖Rm‖2+

(1)

其中：μ-1為拉格朗日乘子；d為觀測數(shù)據(jù)向量；F為模型的響應(yīng)；X*為期望擬合差水平；R=‖Rm‖2為模型粗糙度；W是m、μ駐點相關(guān)的一個泛函數(shù)。

F(m))]}

(2)

其中：m為模型參數(shù)；m0為初始模型參數(shù)；Cm為模型的協(xié)方差。

由于目標(biāo)函數(shù)要同時尋求模型粗糙度和擬合差的最優(yōu)解，故在此引入拉格朗日乘子μ-1，產(chǎn)生一個無條件約束的目標(biāo)泛函數(shù)U(m)來解最小化問題。

F(m)]-X*}

(3)

由于U(m)和Wμ對模型求導(dǎo)，駐點是相同的，則式(2)的駐點可由式(3)對一系列的μ求極小值，從而得到在擬合差允許范圍內(nèi)模型粗糙度最小的迭代解[12-16]。

2 理論模型的正反演

為驗證Occam反演對花崗巖型鈾礦勘查地區(qū)CSAMT測深數(shù)據(jù)的反演效果，現(xiàn)結(jié)合衛(wèi)境地區(qū)實際工作中所采用的參數(shù)來進行理論模型的正反演。模型總深度600 m，背景電阻率為100 Ω·m，水平距離200 m～800 m的位置設(shè)計了埋深200 m、電阻率為1 000 Ω·m的高阻體對應(yīng)隱伏的花崗巖體。

正演計算采用二維有限元方法，計算參數(shù)如下：計算測點距與野外實測點距50 m相同，收發(fā)距為6 km，正演網(wǎng)格為40×24。正演計算結(jié)果為1 Hz～8 192 Hz的28個頻率的TM模式的模型響應(yīng)卡尼亞電阻率及阻抗相位數(shù)據(jù)。圖1為測線中心點處模型計算數(shù)據(jù)的展示。

反演模型是初始電阻率值為100 Ω·m的均勻半空間介質(zhì)，圖2是理論模型和Occam反演結(jié)果圖。從反演結(jié)果與理論模型的對比中可以得出以下結(jié)論：高阻異常體反演結(jié)果的位置和理論模型設(shè)計的位置基本一致，但反演結(jié)果的高阻體有向上小幅度的延展，總體來看，反演結(jié)果的高阻體分布范圍與理論模型吻合較好，電阻率值也大致相同，低阻、高阻之間能夠漸變。說明采用Occam反演方法處理花崗巖型鈾礦勘查地區(qū)的CSAMT資料，可以大致查明隱伏花崗巖體的分布范圍，為鈾礦勘查工作的進一步開展提供參考。

圖1 500 m處模型計算數(shù)據(jù)Fig.1 Model calculation data in 500m(a)視電阻率曲線；(b)相位曲線

圖2 理論模型與反演效果對比Fig.2 The contrast of theoretical model and the inversion results(a)理論模型；(b)反演效果

3 應(yīng)用實例

內(nèi)蒙古衛(wèi)境地區(qū)經(jīng)過多年勘查，已發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多的花崗巖型鈾礦化點及放射性異常點，目前工作的重點是圍繞這些礦化點和異常點進行深部找礦。采用Occam反演方法處理衛(wèi)境地區(qū)的CSAMT數(shù)據(jù)，取得了較好的效果。

3.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)內(nèi)出露地層主要是中新元古界青白口系艾勒格廟組(Qba)變質(zhì)巖系，局部地區(qū)第四系覆蓋。

研究區(qū)內(nèi)巖漿巖分布較廣，主要出露為早侏羅世灰白色中粗粒黑云母花崗巖。巖漿巖侵入于前寒武系地層中(圖3)，使本區(qū)巖性、構(gòu)造復(fù)雜化，與此同時，形成了局部鈾的聚集，為鈾成礦提供了有利的條件[17]。

圖3 研究區(qū)地質(zhì)及測線布置作圖Fig.3 Geological and line layout in the research area

3.2 研究區(qū)地球物理特征

該區(qū)巖石的物性特征見表1[4]，青白口系艾勒格廟組大理巖、結(jié)晶灰?guī)r電阻率平均值在400 Ω·m左右；早侏羅世中粗粒黑云母花崗巖電阻率平均值達1 000 Ω·m。依據(jù)巖石物性參數(shù)資料，總結(jié)得出艾勒格廟組變質(zhì)巖(Qna)與早侏羅世花崗巖(J1γ)的電性特征，變質(zhì)巖呈低阻特征，花崗巖呈高阻特征，二者接觸帶往往處于電阻率變化的梯度帶上。

3.3 野外工作參數(shù)

野外工作采用美國Zonge公司的GDP-32Ⅱ多功能電法儀，測量裝置見圖4，工作技術(shù)參數(shù)為：赤道偶極觀測裝置，標(biāo)量測量；工作頻率為8 Hz～8 192 Hz，收發(fā)距不小于6 km，供電電流不小于8 A，勘探深度>600 m；視電阻率相對均方差±5 Ω·m，相位相對均方差在±20 mrad。

表1 衛(wèi)境地區(qū)巖石電阻率參數(shù)統(tǒng)計表Tab.1 The rock resistivity parameter statistics of Weijing area

圖4 CSAMT測量示意圖Fig.4 Instrumentation plan with CSAMT

3.4 應(yīng)用效果分析

3.4.1 鉆孔驗證

根據(jù)勘查目的要求，在研究區(qū)布設(shè)剖面3條，其中L03線過鉆孔ZKG2。根據(jù)ZKG2鉆孔資料，淺部埋深80 m為艾勒格廟組變質(zhì)巖，變質(zhì)巖下部均為早侏羅世花崗巖。

圖5中清晰地反映出高阻電性層(反演電阻率一般大于500 Ω·m)分布在標(biāo)高約1 020 m以下，推斷為早侏羅世花崗巖的反映；低阻電性層(反演電阻率多集中在200 Ω·m～400 Ω·m之間)分布在其上部，推斷為艾勒格廟組變質(zhì)巖的反映。

圖5 實測剖面反演結(jié)果Fig.5 The inversion results of measured profile

鉆孔資料中花崗巖和變質(zhì)巖接觸界線與圖2推斷解釋接觸界線存在一定的誤差(誤差范圍約50 m)，但整體上高阻電性層反映的下部早侏羅世花崗巖和低阻電性層反映的上部艾勒格廟組變質(zhì)巖與鉆探揭露地質(zhì)情況一致。

3.4.2 三維切片分析

圖6為海拔1 120 m和820 m反演電阻率平面分布及地質(zhì)推斷解釋示意圖，從圖6中可以清晰地看出自淺部至深部(埋深約50 m～350 m)反演電阻率的分布特征及地質(zhì)體的空間分布情況。

圖6 研究區(qū)反演電阻率平面切片示意圖Fig.6 The inversion of resistivity plane section sketch in the study area

海拔1 120 m反演電阻率平面圖中黑色虛線外部呈低阻電性特征，為變質(zhì)巖(Qba)的反映，內(nèi)部呈高阻電性特征，為花崗巖體(J1γ)的反映。海拔820 m反演電阻率平面圖整體表現(xiàn)為高阻電性特征，為花崗巖體(J1γ)的反映。

從淺部到深部，反演電阻率高阻體擴大，反映出南部的花崗巖厚度大、北部花崗巖厚度稍薄，總體上呈北薄、南厚的特征。

從圖7中可以看出：距離700 m橫切反演電阻率斷面呈上低下高的雙層電性結(jié)構(gòu)，大面積花崗巖下伏在薄層變質(zhì)巖之下；L02線上部低阻電性層、下部高阻電性層，高阻層為花崗巖體的反映， 低阻層為變質(zhì)巖的反映，表明花崗巖體下伏在變質(zhì)巖之下，變質(zhì)巖厚度小于300 m；海拔820 m平面上高阻體均勻展布，為花崗巖的反映，也表明了研究區(qū)變質(zhì)巖厚度不超過300 m。

圖7 研究區(qū)反演電阻率十字切片示意圖Fig.7 The inversion of resistivity cross section sketch in the study area

綜上所述：圖6和圖7清晰地顯示出衛(wèi)境地區(qū)反演電阻率高阻體和低阻體的空間分布情況，其變化特征直觀地反映出三維空間內(nèi)早侏羅世花崗巖(J1γ)和艾勒格廟組變質(zhì)巖(Qba)的空間展布情況。本次物探測量大致查明了隱伏花崗巖體的展布范圍，以及花崗巖和變質(zhì)巖接觸帶的深部發(fā)育特征，為本地區(qū)鈾礦勘查工作的進一步開展提供了參考。

4 結(jié)論

Occam反演對初始模型的依賴程度較低，反演結(jié)果與理論模型可以很好的吻合，并且具有較高精確性和穩(wěn)定收斂特征。

通過衛(wèi)境地區(qū)勘查實例表明，采用Occam反演方法處理以探索隱伏巖體為目的的CSAMT數(shù)據(jù)，可以取得較好的效果，為以后花崗巖型鈾礦勘查區(qū)CSAMT資料的處理提供參考。

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Occam inversion in the application of the CSAMT data in granite type uranium deposit exploration in Weijing area

MENG Fanxing1,2， QUAN Xudong1,2， XU Guocang1,2，KONG Zhizhao1,2， ZHANG Wei1,2, ZHU Jianing1,2

(1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry, Shijiazhuang 050002,China ;2.Key Laboratory for Geophysical Exploration Technology Center of Uranium Resource, Shijiazhuang 050002,China)

Granite type uranium deposit mainly locates in inner rock body or adjacent encasing body. Thus probing the developmental conditions of rock body have significance for uranium deposit exploration. In order to understand Occam inversion method processing granite type uranium deposit exploration and application effect of CSAMT data,The theory model of concealed rock mass is designed and he forward theory of Occam inversion method is adopted to improve the inversion data in this paper. Experiments show that Occam inversion of concealed rock mass possesses stable convergence theory of CSAMT data, the inversion result can match well to the theoretical model. Combined with guard position the exploration examples verify the effectiveness of Occam inversion method, for the CSAMT indirectly to find granite type uranium deposit provides the theoretical basis and practical experience.

Occam inversion; CSAMT; concealed rock mass; Weijing area; granite type uranium deposit

2016-02-22 改回日期：2016-03-31

中國核工業(yè)地質(zhì)局基礎(chǔ)地質(zhì)專項(201543)

孟凡興(1987-)，男，碩士，工程師，主要從事電磁法研究工作， E-mail：mfx911007@163.com。

1001-1749(2017)01-0032-06

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.01.05