可控源三維反演在繁昌地區(qū)地質填圖中的應用

連鑫葆，周子琨 ，張金會 ，王天琪，翁愛華

1.吉林大學 地球探測科學與技術學院，長春 130026；2.安徽省勘查技術院，合肥 230000

0 引言

長江中下游成礦帶地處揚子陸塊北緣下?lián)P子地塊沿江褶斷帶內，是中國勘查--研究程度相當高的成礦帶之一[1]。繁昌地區(qū)按成礦帶分區(qū)屬長江中下游鐵、銅、硫和金等多金屬成礦帶的中段(圖1)；其西南為銅陵礦田，東北是寧蕪礦集區(qū)，而繁昌地區(qū)的礦產資源相對稀少。研究昌地區(qū)內的地質構造、巖體分布以及地層與巖體的接觸關系，對明確該地區(qū)深部找礦方向、查明礦體的深部賦存狀態(tài)至關重要。

近年來，可控源電磁測深資料一維[2]、二維反演[3]已經日臻成熟[4]，且更加符合實際的三維(3D)反演技術也已經從理論到應用實現(xiàn)了巨大的跨越[5--11]。在跨越多個地層單元、構造復雜的地質環(huán)境下，采集的數(shù)據(jù)具有較強的三維特性，采用三維反演技術對可控源數(shù)據(jù)進行處理更加合適。Weerachai et al.[12]利用理論模型和數(shù)據(jù)模擬了應用三維反演算法解釋大地電磁(MT)二維剖面。結果顯示使用三維反演可以避免剖面外異常結構對剖面下方地質體的影響，與二維反演得到的結果模型相比，剖面下方和附近的電阻率值更接近設置的原始理論模型。林昌洪等[13]利用實測資料和合成二維剖面數(shù)據(jù)分別進行三維反演，證實了利用三維反演的方法對MT二維剖面數(shù)據(jù)進行反演解釋的可行性。Anita et al.[14]利用喜馬拉雅山脈地區(qū)的實測MT剖面數(shù)據(jù)進行三維反演，結果顯示三維反演可以推測與剖面垂直距離20 km的地下結構。并且與直接進行二維反演得到的電阻率模型相比，三維反演得到的新的輪廓特征與該地區(qū)的地震學的速度模型和其他地球物理模型保持更好的一致性。因此，筆者采取三維反演技術對目標區(qū)域獲得的可控源電場振幅|Ex|剖面數(shù)據(jù)進行處理研究，期待獲得地下電阻率結構，并推測地層的接觸關系。

TLF.郯廬斷裂帶；YCF.陽新—常州斷裂帶。

1 反演方法

1.1 三維可控源正演理論

可控源三維正演計算中，背景場計算采用虛界面算法[16--17]，數(shù)值上采用直接積分法計算[18--19]。利用交錯網格有限差分法進行如下微分方程的求解

(1)

1.2 L--BFGS反演理論

有限內存擬牛頓法(L--BFGS)是基于牛頓法進行改善后得到[20--21]，反演正則化目標函數(shù)為

φ(m)=φd+λφm=‖d-F(m)‖2+λ‖Wm‖2

(2)

1.3 理論模型驗證

設置觀測系統(tǒng)，發(fā)射及接收的位置參數(shù)(圖2)。模型設置：在背景電阻率為100 Ω·m的均勻半空間內交錯兩層，每層4個，共計8個異常體；其中含有4個高阻體，電阻率為500 Ω·m，4個低阻體，電阻率為10 Ω·m，各異常體相對位置如圖2所示。發(fā)射源長度設置為1 km，工作頻率為0.125～8 192 Hz對數(shù)分布的17個頻率。測區(qū)內測線總長度1 000 m，線距100 m，共計11條；相鄰點距50 m，共計231個物理觀測點。觀測參數(shù)與實測數(shù)據(jù)保持一致，采用|Ex|分量的幅值。

圖2 觀測裝置及三維正反演模型示意圖

a.深度25 m水平切片；b.深度375 m水平切片。

在反演過程中，三維模型水平及垂直方向剖分為50 m×50 m×50 m的單個立方體單元。進行數(shù)值模擬時，模型3個方向的擴邊個數(shù)均為5，擴邊比例系數(shù)2.5。

利用EMDesk三維電磁勘探計算平臺進行觀測系統(tǒng)設計，模擬建模，正演計算。三維反演從均勻半空間開始，背景電阻率選取為100 Ω·m，正則化參數(shù)初始值為1，誤差水平取5%。

過局部異常體中心進行水平切片，深度分別為25 m以及375 m，結果如圖3所示。圖3a的反演結果表明，在淺部，無論是高阻異常還是低阻異常，切片結果都可以清晰地刻畫出異常體的形態(tài)。淺部的反演結果電阻率值接近模型真實值，六面體異常輪廓表現(xiàn)明顯，與理論模型基本一致；深部反演結果電阻率數(shù)值最大為110 Ω·m，與真值相差較遠，但仍能分辨出高低阻異常分布。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 裝置布置

本文使用的可控源電磁法數(shù)據(jù)，由安徽省勘查技術院完成，使用加拿大鳳凰公司研制的V8網絡化多功能電法系統(tǒng)完成采集。野外工作采用AB-|Ex|形式的可控源電磁法；由于測線較長，為滿足赤道偶極裝置的需求，布設兩個源，源長均為1.4 km，收發(fā)距均為8.0 km，裝置布置如圖4所示；測線共計完成155個物理測點，點距100 m，累計施工有效長度15.4 km。

2.2 數(shù)據(jù)特點及質量評述

本次數(shù)據(jù)采集工作頻段選擇1～9 600 Hz，頻點間隔均勻分布，高、中頻段適度加密，避開50 Hz及其倍數(shù)，共計78個頻點，觀測參數(shù)為電場Ex振幅。數(shù)據(jù)質量對于反演結果的影響至關重要。圖5為本次反演數(shù)據(jù)點14850、10350、8750、12250的頻率--電場幅值曲線。圖5a和圖5b所展示的原始數(shù)據(jù)的電場振幅高頻部分出現(xiàn)跳點、飛點，數(shù)據(jù)質量相對較差；圖5c和圖5d所展示的電場振幅從高頻到低頻曲線整體較為圓滑，高頻處基本沒有出現(xiàn)偏差過大的點，數(shù)據(jù)質量相對較好。所選擇的4個測點在高頻部分的振幅--頻率曲線不圓滑，說明部分點高頻數(shù)據(jù)信息受到比較強烈的干擾；低頻部分的數(shù)據(jù)質量較好說明本次反演得到深部信息是較為可靠的。

注：藍色表示發(fā)射源A2B2以及測點，紅色表示源A1B1以及測點。

a.14850；b. 10350；c.8750；d.12250。

3 反演結果

3.1 反演參數(shù)

三維反演控制參數(shù)。使用的頻率范圍：1～9 600 Hz，選擇26個頻點；誤差門限設置：5%×|Ex|；背景電阻率：100 Ω·m ；水平xy方向網格：x方向，1/2倍點距，即50 m；y方向，100 m;沿z方向網格：首層厚度10 m，層遞增系數(shù)：1.1，共40層；擴邊系數(shù)2.0，擴邊網格10個，共330×15×40 個網格；反演數(shù)據(jù)：電場振幅；計算均是在Linux服務器進行，主頻2.5 GHz，實際使用43個cpu核心。

3.2 擬合情況

經過94次迭代，耗時574 min，數(shù)據(jù)的擬合差由63.5下降到9.6迭代結束。一般情況下認為擬合差趨近于1的反演結果比較好，但由于實測高頻數(shù)據(jù)質量相對較差，導致最終的擬合差遠大于1。各測點擬合差分布情況如圖6a所示，虛線表示單點平均擬合差，為3.63；五角星表示選取的典型測點8550和9550。典型測點8550和測點9550的擬合情況如圖6b和圖6c所示，由于測區(qū)位置靠近城鎮(zhèn)，測得數(shù)據(jù)受干擾影響較大，原始數(shù)據(jù)和反演后數(shù)據(jù)擬合情況相對較差。

a.各測點擬合差分布情況，虛線為總體nRMS，黑色點為各點平均擬合差；b.測點8550反演擬合情況；c.測點9550反演擬合情況。

3.3 反演模型

圖7給出了使用上述反演參數(shù)得到的單剖面3D立體反演結果顯示。三維電場幅值反演結果揭示了研究剖面上的電性結構特征。已有研究表明，只采用振幅信息進行反演可以確定淺部異常分布規(guī)律，并且恢復深部異常體的基本輪廓，但是反演結果的深部分辨率有所欠缺[23]。從圖可見，在淺部深度<2 km以上異常明顯，整體上橫向分塊，縱向分層。從橫向上看，電阻率剖面從南到北呈現(xiàn)高阻--低阻--高阻--低阻--高阻相間的形態(tài)?？v向上根據(jù)電性特征大體分為兩層，高低阻分界較為明顯。

4 討論與解釋

4.1 地質與地球物理概況

研究區(qū)所處的沿江褶斷帶在下?lián)P子前陸帶中較長時間處于水下隆起的狀態(tài)，并保持到寒武紀末[24]。褶斷帶內晚震旦世沉積以白云巖為主，奧陶紀至早志留世接受了淺海--濱海碳酸鹽和單陸屑砂質沉積。晚泥盆世以來，隨著海平面的上升和下降，褶斷帶時大時小。晚石炭世此地區(qū)下降形成凹陷地帶，成為下?lián)P子前陸帶的沉積中央。三疊紀沿江斷褶帶的中心部位形成一條狹長的海槽，形成了下?lián)P子前陸帶中唯一的沉降地帶。印支運動后，沿江褶斷帶的褶皺、斷裂均十分發(fā)育。

區(qū)內巖漿活動劇烈，陸相火山沉積盆地十分發(fā)育。自中生代以來，本區(qū)經歷了印支、燕山等構造運動，之后又經歷了以斷裂為主的構造變動，導致深處的巖漿上涌，從而頻繁地出現(xiàn)巖漿活動，形成了大量的以中酸--酸性為主的噴出--侵入巖。

區(qū)內地層及巖石的電阻率特征具體表現(xiàn)為：侏羅系—白堊系火山碎屑巖相對低阻；石炭系—三疊系灰?guī)r和白云巖相對高阻；志留系—泥盆系砂巖泥巖相對低阻；古生代盆地基底相對高阻的變化特征。根據(jù)工作區(qū)采集的巖礦石標本測量結果，侏羅系—白堊系地層主要為火山碎屑巖，電阻率約為650～850 Ω·m；石炭系—三疊系主要為灰?guī)r和白云巖，電阻率平均值約2 700 Ω·m；區(qū)內分布的巖漿巖具有中低電阻率值，其最大值在2 000 Ω·m±。礦石具有較低的電阻率，一般電阻率值為n×102Ω·m。電阻率差異是可控源電磁法勘探工作的前提，也是作為反演異常解釋的物性依據(jù)。

圖7 可控源反演三維電阻率模型

4.2 地質解釋

圖8a和圖8b分別是該剖面重力和磁法勘探的實測與理論擬合曲線，圖8c給出了3D電阻率模型沿剖面的垂直切片圖。

反演結果顯示剖面最南段表層呈現(xiàn)高阻狀態(tài)R1，厚度約為1 km，其下方電阻率逐漸降低，在測線-6 km處，磁場有一個跳突，對應的電阻率剖面在此處有一個高低阻變化。結合研究區(qū)地質認為，此區(qū)第一層為殷坑組—周沖村組，二疊系孤峰組—大隆組，白堊系以及晚泥盆世和早志留世地層，在電性剖面上表現(xiàn)為高阻，下層為奧陶系地層，呈現(xiàn)出較第一層低阻的異常。

測線-5 km到-2 km處位置出現(xiàn)厚度約為0.5 km的低阻異常C1，顯示出低阻、高磁、低密度狀態(tài)，下方電阻率明顯升高。結合研究區(qū)地質，我們認為，此區(qū)分層明顯，第一層為白堊系地層，電阻率較低，第二層為花崗斑巖，電阻率較第一層高。

剖面往北-2 km到1 km處整體呈現(xiàn)上覆高阻R2，下方電阻率逐漸降低的特征，且高阻異常厚度約在1 km±；剖面1 km位置推測為斷裂位置，磁場有一個跳突，電阻率變化與磁場一致。結合研究區(qū)地質認為，此區(qū)分層較為明顯，第一層為晚泥盆世和早志留世地層，電阻率較高，第二層為奧陶系地層，電阻率比較低。

測線1 km到4 km處，表層約0.4 km±的低阻異常C2，剖面4 km處，電阻率突然升高，磁場出現(xiàn)臺階狀的提升。結合研究區(qū)地質認為，第一層為殷坑組—周沖組，二疊系孤峰組—大隆組，石炭系黃龍組—二疊系棲霞組地層，電阻率較低，第二層為花崗斑巖，電阻率相對于第一層高。

測線4 km到7 km上層出現(xiàn)高阻異常R3，厚度約為0.8 km，其下電阻率逐漸變?。恢亓ζ拭鏀?shù)據(jù)在剖面5.5 km處，重力有小的變化，對應電阻率也逐漸降低；測線最北段電阻率剖面異常顯示不明顯。結合研究區(qū)地質認為，此區(qū)第一層為二疊系孤峰組—大隆組，石炭系黃龍組—二疊系棲霞組以及晚泥盆世和早志留世地層，電阻率較高，第二層為奧陶系地層，電阻率相比于第一層低；測線7 km之后，地質圖上顯示的花崗巖在電性剖面上表現(xiàn)不明顯。

圖8d為最終的地質解釋結果。

a.重力擬合曲線；b.磁法擬合曲線[25];c.三維反演結果切片；d.綜合地質解釋圖。a和b中黑色實線表示實測的曲線，紅色虛線表示根據(jù)地質體模型計算的理論曲線。

5 結論

(1)可控源電磁法三維反演得到的電阻率異常與重、磁剖面上的異常在位置上對應良好；電阻率剖面橫向分塊，巖性分界面明顯；縱向分層，但深度對應準確度有所欠缺。

(2)研究區(qū)地表發(fā)育白堊系、晚泥盆統(tǒng)、早志留統(tǒng)、二疊系地層，深部主要發(fā)育奧陶系地層，且在2 km內廣泛發(fā)育花崗斑巖。

致謝感謝安徽省勘查技術院提供了可控源觀測數(shù)據(jù)；感謝吉林金太地球探測技術有限公司提供的EMDesk可控源電磁數(shù)據(jù)處理軟件包和三維反演的計算服務器。