基于先驗信息約束的重磁電聯(lián)合三維交互反演技術(shù)實踐
——以彭山穹隆構(gòu)造為例

周月，官大維，延海濤，張小龍

(安徽省勘查技術(shù)院,安徽 合肥 230031)

0 引言

三維地質(zhì)建模是一種綜合的信息地質(zhì)解釋方法，其主要特點是利用各種物探物探方法，通過反演技術(shù)和三維可視化技術(shù)，獲得地下的地質(zhì)體信息[1]。近幾年，三維地質(zhì)建模方法得到了廣泛應(yīng)用，取得了較好的成果。

本次彭山地區(qū)地區(qū)的綜合物探數(shù)據(jù)采集主要包括重力、磁法以及音頻大地電磁測深，其中1∶5萬重磁面積性測量463.4 km2，1∶1萬重磁電剖面測量40.6 km，并在此基礎(chǔ)上進行了鉆井驗證與多參數(shù)測井，終孔深度為1201.80 m。

從20世紀(jì)80年代開始，原地質(zhì)部就在彭山地區(qū)開展過針對有色金屬的專題找礦工作，對該地區(qū)的成礦背景、控礦因素、成礦模式都進行了不同程度的研究[2-5]。21世紀(jì)以來，通過開展新的資源調(diào)查項目，在彭山巖體周邊又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的大中型礦床。近年來，在礦田東部又發(fā)現(xiàn)了張十八富鉛鋅礦床，這說明該地區(qū)找礦前景廣闊。在此工作之前，該地區(qū)只進行過1∶20萬的重磁面積性測量工作，區(qū)內(nèi)侵入巖體表現(xiàn)為明顯的重力低值異常和航磁高值異常。通過本次大比例尺綜合物探工作，同時結(jié)合地質(zhì)、礦產(chǎn)資料，對該地區(qū)進行三維地質(zhì)建模工作，有力地為該地區(qū)找礦突破提供了地球物理支撐。

為降低非震物探反演建模多解性，提高三維地質(zhì)模型的可靠性，本文引進了基于先驗信息約束的重磁電交互反演建模技術(shù)方案[1]。并初步建立了江西省彭山地區(qū)的三維地質(zhì)模型，在此基礎(chǔ)上對彭山穹隆的形成原因進行了討論。

1 地質(zhì)背景

本區(qū)地層發(fā)育較為齊全。新元古代以前，以大洋濁積巖沉積為主，夾細(xì)碧角斑巖及遠(yuǎn)洋軟泥。震旦紀(jì)至中三疊世以陸表海、陸緣海及深湖、潮坪相碳酸鹽巖沉積為主，常夾碎屑巖及泥巖，其間未發(fā)現(xiàn)角度不整合，該套地層不整合于下伏的變質(zhì)巖系之上。晚三疊世及侏羅紀(jì)地層缺失。白堊紀(jì)及新近紀(jì)陸相紅層不整合于下伏地層之上。范圍達180 km2,核部5 km2。組成地層：核部Pt2sh、Z1d～Z2d,分布于尖峰坡、舍里凹一帶，翼部Z1d～S1q，最外圍為志留系地層。平面呈橢圓狀，長軸軸跡北起面前山，經(jīng)梁家山、曾家垅、尖峰坡，至望夫山一線表現(xiàn)清楚。短軸近EW向。

彭山穹隆為區(qū)內(nèi)的主要褶皺構(gòu)造(圖1)，其位于瑞昌—彭澤復(fù)式向斜南翼，南接梓坊向斜。影響穹隆具有典型的底辟成因[6-9]。其翼部由其北傾伏端曾家垅、梁家山一帶有一些放射狀“麻花”狀軸面平緩的次級褶皺呈扇形展布。環(huán)繞穹隆核部發(fā)育3組外傾弧形斷層，多為左行層間滑動性質(zhì)。不同方向斷裂發(fā)育，造成穹隆形態(tài)的不協(xié)調(diào)，南較北寬展，西比東緊密。彭山正地形環(huán)弧狀山系，外觀地貌與穹隆褶皺形態(tài)基本一致。

曾家壟礦田的范圍與彭山穹隆構(gòu)造基本一致，南北長約15 km,東西寬約12 km,總面積約180 km2。礦田內(nèi)，出露的地層以震旦系及寒武系、奧陶系為主，其次是志留系。前震旦系變質(zhì)巖僅在穹隆核部的劉家山及南緣烏石門一帶有分布。震旦系分布于穹隆核部，是錫(或鉛鋅)礦床的賦礦圍巖。

2 重磁電交互反演約束的三維地質(zhì)建模

2.1 方法

本文所構(gòu)建的三維模型是建立在充分消化吸收研究區(qū)內(nèi)的巖石物性、面積性重磁場特征，以及重磁電剖面的基礎(chǔ)之上。其技術(shù)方法主要包括3個部分：2.5D初始模型的構(gòu)建、2D/3D重磁電反演擬合和3D地質(zhì)模型的構(gòu)建與解釋(圖2)[10-12]。其中，重磁電2.5D聯(lián)合反演在建模過程中起著至關(guān)重要的作用，通過重磁電的反演結(jié)果，不斷修正初始地質(zhì)模型，構(gòu)建解釋精度較高的縱剖面，并以此作為骨干剖面，連接相鄰剖面為實體，最終達到構(gòu)建三維地質(zhì)模型的目的。

圖2 基于先驗信息約束重磁電反演的三維地質(zhì)建模技術(shù)流程Fig.2 Flow chart of 3D geological modeling based prior information constraint gravity magnetic and electrical inversion

2.2 重磁電特征定性分析

2.2.1 重磁異常特征

從布格重力異常(圖3)看，布格異常為全區(qū)最低處，異常NW走向，且在總礦—螢石礦一線被NW向異常切分為東南、北西兩個部分：

東南部布格重力異常中心在曾家垅附近，異常走向近NW向，異常極低值為-46.7×10-5m/s2，剩余重力異常幅值為-3.3×10-5m/s2。航磁異常主要表現(xiàn)為總體高背景下的，極大值異常圈閉的梯級帶上。前人在梁家山(曾家壟旁)實施的鉆孔于95～199.03 m孔深見花崗巖，推測該異常中心應(yīng)是隱伏花崗巖體向地表侵位的頂部位置。結(jié)合本區(qū)巖體普遍具有的低密度相對較高磁化率特征，并根據(jù)以往重磁推斷巖體的一般規(guī)律[13-14]把重低磁邊作為本次圈定隱伏巖體的主要物探依據(jù)。

北西部異常中心在培家垅附近，有NW向、NE向異常交叉組合，異常極低值為-43.8×10-5m/s2。志留系砂巖、泥巖出露，通過與曾家壟附近的重力低對比發(fā)現(xiàn)二者均表現(xiàn)為重力低加磁異常梯度帶的物探組合特征，推斷該處重力低也是由隱伏巖引起。

含螢石礦的硅化破碎帶從兩處重力低值異常中間位置穿過，為培家壟隱伏巖體與曾家壟隱伏巖體之間的“鞍”部地段，布格重力、剩余重力(圖4)與重力垂向二階導(dǎo)數(shù)均表現(xiàn)為相對的重力高條帶，布格重力異常值一般在-40.8×10-5m/s2，異常兩側(cè)被弧形斷裂束所夾持，地表出露的奧陶系灰?guī)r是造成布格重力相對較高的主要原因。結(jié)合已有物探資料初步分析，推測該弧形斷裂束為巖體上侵的主要通道，上侵巖體在此分成了北西和南東兩處。

圖3 彭山地區(qū)布格重力異常Fig.3 Gravity anomalies of Pengshan area

圖4 彭山地區(qū)剩余布格重力異常Fig.4 Residual gravity anomalies of Pengshan area

圖5是彭山三維建模區(qū)航磁化極異常等值線圖，其呈現(xiàn)為NW走向的寬緩的幅值不大的高磁異常，與布格異常走向一致，推測由隱伏巖體引起。異常等值線在螢石礦總礦一帶發(fā)生扭曲，將測區(qū)磁異常切分為西北和東南兩個部分，西北側(cè)異常值變化平緩，幅值較低。東南磁異常幅值高變化大，走向SN向，與彭山穹隆核部地層走向一致，并在高磁異常背景上疊加3個小橢圓狀—圓狀局部高磁異常，從地表看，此處分布的曾家垅錫礦、尖峰坡錫礦及多個錫礦化點應(yīng)是引起局部磁異常的主要原因。

圖5 彭山地區(qū)航磁化極異常Fig.5 Reduced to pole aeromagnetic anomalies of Pengshan area

2.2.2 AMT空間電性特征

本測區(qū)共完成AMT測量剖面12條，NW向8條，編號為NW0—NW7線，NE向4條，編號為NEA線、NEB線、NEC線和NED線。

反演電阻率平面切片圖是提取各剖面各測點某一特定深度(一般為海拔)電阻率值并賦予平面坐標(biāo)，進行平面成圖。分析不同深度切片圖，可以直觀的描述測區(qū)電性值的空間變化。

圖6為測區(qū)海拔0 m的反演電阻率平面等值線圖，反映了地表淺部的電阻率分布特征，電性分界線基本是地層或構(gòu)造分界線的位置，等值線走向整體為NE向，在彭山穹隆核部(低阻—中阻區(qū)域)，等值線走向為SN向，與測區(qū)構(gòu)造走向一致。垂直構(gòu)造走向，測區(qū)從W向SE可以分為4個電性區(qū)域：

圖6 海拔0 m反演電阻率平面等值線Fig.6 Plane isoline map of resistivity inversion at 0 m above sea level

圖7 海拔-500 m反演電阻率平面等值線Fig.7 Plane isoline map of resistivity inversion at -500 m above sea level

西側(cè)中低阻區(qū)域，范圍較大，出露志留系砂巖，向東電性值有變大趨勢，推測是志留系的反映；中西部高阻帶，推測為奧陶系—上寒武統(tǒng)灰?guī)r層的反映；中部中低阻帶，為彭山穹隆核部及邊緣范圍，推測是下寒武統(tǒng)頁巖及以下地層的綜合反映，局部位置有近SN向展布中阻—次高阻的帶狀電性異常，根據(jù)重磁電綜合建模及地質(zhì)鉆孔等資料，推測為淺部巖株的反映；東部高阻區(qū)，為上寒武統(tǒng)灰?guī)r層的反映。

圖7為海拔-500 m反演電阻率平面等值線圖，可以看出，西側(cè)中低阻層消失和中西部高阻層無明顯界限，推測此深度下志留統(tǒng)不發(fā)育，整體是奧陶系及上寒武統(tǒng)灰?guī)r層的反映；中部中低阻區(qū)域面積變大，符合地層展布規(guī)律，局部被帶狀高阻電性異常錯開，推測為巖體或巖株發(fā)育；東部高阻區(qū)面積變小呈NE—NNE向分布。

圖8為海拔-1 000 m反演電阻率等值線，電性特征與-500 m電阻率分布圖相似，但東部高阻區(qū)消失，均表現(xiàn)為低阻特征，東南部高阻范圍變大，根據(jù)重磁電綜合建模，此處高阻推測可能是巖體的反映。

圖8 海拔-1 000 m反演電阻率平面等值線Fig.8 Plane Isoline map of resistivity inversion at -1 000 m above sea level

2.3 三維建模

2.3.1 建模范圍

本次三維地質(zhì)建模范圍主要為曾家壟礦集區(qū)的主體部分(圖1),在垂直于本區(qū)構(gòu)造線方向上布置了NW向展布的重、磁、AMT剖面8條,測線之間大致平行，線距1 km；布置了NE向聯(lián)絡(luò)剖面4條。各剖面建模深度均為3 km。

2.3.2 三維物性自動反演

利用本項目所取得的1∶5萬剩余重力異常數(shù)據(jù)，基于RGIS 2016平臺進行三維自動物性反演(圖9、圖10)，并在此體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上切出NW0—NW7這8條剖面的重力物性反演數(shù)據(jù)。

RGIS系統(tǒng)的三維自動物性反演模塊采用的反演方法是隨機子域加權(quán)物性反演，該法根據(jù)三維物性反演中高維空間引起的超大計算量，提出子域反演方法；針對子域固定劃分的弊端，提出隨機子域方式；針對全權(quán)異常反演的缺點，提出格架權(quán)分離異常反演措施；通過理論模型誤差分析對比，發(fā)現(xiàn)子域生成需要具有深部優(yōu)先傾向性，提出子域隨機生成深度概率，以提高反演的準(zhǔn)確性[15-16]。

圖9 三維自動物性反演體數(shù)據(jù)顯示Fig.9 Three-dimensional volume data display chart of automatic inversion of animal nature

圖10 三維物性體數(shù)據(jù)各方向切片F(xiàn)ig.10 Slice image of three-dimensional physical data in all directions

三維自動反演模塊的反演計算步驟如下：

1) 對于面積性重磁數(shù)據(jù)，確定反演三維場源的范圍；

2) 迭代選取子域，子域的位置、子域的尺度都是隨機產(chǎn)生的，但具有傾向性，即較深處子域有更大的選中概率；針對子域的深度位置及大小，提取集合格架(權(quán))；

3) 根據(jù)子域幾何格架(權(quán))在整個反演模型區(qū)格架中所占的比重，提起相應(yīng)的異常份額，作為反演目標(biāo)異常；對選出的子域進行物性反演。

4) 通過反演確定的三維物性模型各單元的物性，進行分析、顯示物性單元的變化，解釋推斷地質(zhì)模型的三維空間分布狀態(tài)。

2.3.3 重磁電聯(lián)合2.5D反演

本項目共計完成重、磁、AMT測線12條，其中NW向測線(垂直構(gòu)造方向)8條，NE向測線(聯(lián)絡(luò)剖面)4條，其中重磁AMT剖面點距250 m，重磁剖面點距40 m，剖面位置如圖1所示。

重磁2.5D聯(lián)合反演使用RGIS軟件，以AMT資料所推斷的地質(zhì)模型為初始模型，以巖(礦)石物性為紐帶，將地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為重磁反演初始模型，對12條剖面逐條進行交互反演。反演過程中，以地表地質(zhì)填圖結(jié)果和已掌握的鉆孔資料為約束條件，參考三維物性反演切面圖。

對剖面反演，達到最佳擬合效果后，反過來根據(jù)巖(礦)石物性，賦予模型地質(zhì)意義，將模型轉(zhuǎn)換為基于物性層劃分的地質(zhì)模型，研究深部地質(zhì)構(gòu)造格架，重要地層的展布范圍、埋藏深度和起伏形態(tài)，以及巖體的分布范圍、規(guī)模和埋深等，進一步結(jié)合對本區(qū)的成礦規(guī)律的認(rèn)識，研究深部侵入部位與成礦類型，探索第二找礦空間。

通過RGIS計算，本次2.5D重磁聯(lián)合反演，磁場擬合參數(shù)如下：地磁場強度48 718 nT，地磁場傾角44.97°，地磁場偏角-4.33 nT，剖面方位角130°，有效磁化傾角125°。各地層密度及磁化強度參數(shù)選取如表1所示。

現(xiàn)以NW向NW5線(圖11)為例做簡要敘述。NW5線剖面自NW—SE，經(jīng)過地區(qū)地質(zhì)上依次穿過志留系砂巖、奧陶系灰?guī)r、下寒武統(tǒng)頁巖、震旦系灰?guī)r和頁巖互層、中寒武統(tǒng)灰?guī)r。

測線磁異常曲線跳動頻繁，總體表現(xiàn)為NW低、SE高。北西段磁場值較低，磁場基本平穩(wěn)，基本穩(wěn)定在120 nT左右。在距北西端7.7 km以遠(yuǎn)磁力曲線高低錯亂，推測由近地表的強磁性地質(zhì)體引起。

測線的重力異?？傮w變現(xiàn)為“低—高—低—高”的曲線形態(tài)。距北西端3.5 km附近為重力異常低值區(qū)，異常中心布格重力值為-43.2×10-5m/s2，地表出露志留系，該處重力低主要由淺部密度較低的志留系砂巖及深部的酸性巖體共同作用引起；距北西端6 km附近為重力異常高值區(qū)，異常中心布格重力值為-40.5×10-5m/s2，地表出露奧陶系，該處重力高主要由高密度的奧陶系灰?guī)r引起；距北西端9.5 km附近為重力異常低值區(qū)，異常中心布格重力值為-45.3×10-5m/s2，地表出露下寒武統(tǒng)，該處重力低主要由于巖體侵入近地表引起；距北西端9.5 km以遠(yuǎn)地區(qū)重力值逐漸升高，主要由于巖體越往東邊侵入越深，且奧陶系灰?guī)r厚度逐漸增大共同作用引起。

表1 彭山地區(qū)物性統(tǒng)計

剖面西段地層受巖體侵蝕幅度較小，下寒武統(tǒng)及以下地層這套低阻層埋深相對較淺，局部在海拔-2 000 m處。巖體頂界面自西向東經(jīng)過深—淺—深的變化，西段埋深約在海拔-1 000～-1 500 m之間，在132～142號點處埋深最小，局部位置(093～095、098～100號點)有巖脈或巖株向上侵入地層淺部。東段160～170點深部高阻體范圍相比NW4線明顯變小，推測巖體向北逐漸變小尖滅。166～184號點淺部展布厚約數(shù)百米的高阻層，向東變厚，推測為東南翼上寒武統(tǒng)灰?guī)r層的反映。

圖11 NW5線重磁重磁正演擬合解釋推斷Fig.11 NW5-line gravity-magnetic forward fitting interpretation interpretation diagram

2.3.4 三維地質(zhì)模型

1) 主干重磁電剖面綜合建模

將AMT剖面作為主干建模剖面，結(jié)合1∶5萬重磁力數(shù)據(jù)，在地質(zhì)調(diào)查剖面和局部鉆孔約束下展開綜合建模工作，建模深度為-3 000 m。二維地質(zhì)模型既要符合地球物理觀測數(shù)據(jù)，又要附合地質(zhì)規(guī)律。

2) 加密剖面重磁建模

對主干剖面未能控制的局部重磁異常帶上或地質(zhì)體尖滅變化線上切取重磁加密剖面，在參考前后主干剖面地質(zhì)模型變化的基礎(chǔ)上，進行2.5D建模擬合，以保證在相應(yīng)比例尺條件下的三維建模過程中，局部小的地質(zhì)體或構(gòu)造信息不會丟失。

3) 剖面模型空間化

利用3DMine軟件將所有剖面的二維地質(zhì)模型上的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三維空間坐標(biāo)。結(jié)果見圖12。

4) 三維地質(zhì)模型建立

利用相鄰剖面同一地質(zhì)體閉合邊界聯(lián)立三角網(wǎng)的方式，斷裂空間形態(tài)構(gòu)建采用單線到單線聯(lián)立三角網(wǎng)的方式，從而建立測區(qū)的三維地質(zhì)構(gòu)造模型，并對相應(yīng)地層、巖體等做顏色和實體模型渲染，以為成圖美觀(圖13)。

2.3.5 鉆井驗證情況

在三維地質(zhì)模型建立的基礎(chǔ)上，項目組進行了鉆探驗證。鉆孔編號為“葛洪村ZK001”，鉆孔位于德安縣吳橋鄉(xiāng)螢石礦區(qū)，孔終孔孔深為1 201.80 m。上部O1l厚度700 m，其巖性主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，為高阻體；中部∈3450 m，其巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r，為中高阻；1 150 m以下為二云母花崗巖，為高阻體。這與電法剖面的反演深度基本一致(圖11)，客觀上證明了本次建模工作的可靠性。

2.3.6 彭山穹隆成因討論

彭山穹隆是NNE向的短軸背斜，是典型的日爾曼式褶皺構(gòu)造，其巖性從中心向外依次為：筲箕洼組變質(zhì)基底(細(xì)碧角斑巖、千枚巖等)、蓮沱組(石英砂巖)、南沱組(凝灰質(zhì)粉砂巖、礫巖)、陡山沱組(灰?guī)r、粉砂巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖等)、燈影組(硅質(zhì)巖)、荷塘組(粉砂巖、碳質(zhì)頁巖)、觀音堂組(粉砂巖)。前人認(rèn)為彭山為典型的巖漿穹隆構(gòu)造，穹隆的形成是巖漿底辟形成的。但根據(jù)近年的工作，發(fā)現(xiàn)了眾多巖漿穹隆構(gòu)造不能解釋的地質(zhì)現(xiàn)象，故有人提出了“構(gòu)造穹隆”的說法。根據(jù)本次物探工作研究成果，更傾向于后者。具體依據(jù)為：

圖12 彭山地區(qū)2.5D反演剖面三維空間分布Fig.12 2.5D invert profiles of Pengshan area

圖13 彭山地區(qū)三維地質(zhì)模型立體圖Fig.13 3D geological model of Pengshan area

1)NW向穿過彭山穹隆的AMT反演剖面，均顯示在剖面深度范圍內(nèi)穹隆核部高阻體不發(fā)育，主要表現(xiàn)為中—低阻電性層，推測是下寒武統(tǒng)及更老沉積地層，這與花崗巖體是高阻體相矛盾。

2) 從1∶5萬布格重力異常圖上看，重力值最低的點位于彭山穹隆核部偏西北，并非穹隆中心且偏差較大，同時異常等值線走向北東，而穹隆走向為近SN向，兩者不一致；而從剩余重力異常圖上看，穹隆核部表現(xiàn)為高值異常，其西北側(cè)為NE向的低值異常，根據(jù)本次解釋成果，低值異常是淺部巖體和下寒武統(tǒng)泥頁巖共同引起的，從平面上看物探異常明顯受構(gòu)造控制。

3) 根據(jù)重磁電綜合建模成果知，中淺部巖體的展布是明顯受到NE向和SN向兩組斷裂控制的，主要表現(xiàn)為兩組斷裂均為巖漿上升到淺地表的通道，但NE向的斷裂被巖體侵蝕，而SN向斷裂后期以走滑為主的運動又切割了巖體。

3 結(jié)論

1) 開展以綜合物探數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的三維地質(zhì)建模工作，是了解深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進而開展深部礦產(chǎn)調(diào)查的重要手段。本文在定性分析彭山地區(qū)重磁電特征的基礎(chǔ)上，以物性特征為紐帶，進行主干重磁電剖面2.5D建模，進而建立了三維地質(zhì)模型。在此基礎(chǔ)上進行鉆探驗證工作，反演結(jié)果與地質(zhì)模型較為吻合，客觀上證明了本次建模工作的可靠性。

2) 基于本次建立的彭山穹隆的三維地質(zhì)模型，對彭山穹隆的成因進行了討論。結(jié)合近年的工作，發(fā)現(xiàn)了眾多巖漿穹隆構(gòu)造不能解釋的地質(zhì)現(xiàn)象，認(rèn)為彭山穹隆更傾向于為構(gòu)造穹隆。