關(guān)于音頻大地電磁法在相山地區(qū)鈾礦勘查應(yīng)用中測點連續(xù)缺失問題的探討

張濡亮，王恒，腰善叢，段書新，劉祜

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

相山鈾礦田是我國目前規(guī)模最大、品位最富的火山巖型鈾礦田［1-2］，隨著“攻深找盲”工作的進一步開展，發(fā)展能夠探測深部地質(zhì)信息的物探方法日益重要［2］。前人研究認為，相山地區(qū)的主要控礦要素有巖性界面控礦、斷裂構(gòu)造控礦、次火山巖體控礦等［3-6］。最近幾年音頻大地電磁法（AMT）在相山鈾礦基地的應(yīng)用效果表明該方法能夠解決相山鈾礦田的關(guān)鍵控礦要素識別問題［7-9］，但是在數(shù)據(jù)采集、處理過程中常常遇到影響結(jié)果準(zhǔn)確性的問題［10］，其中，測點連續(xù)缺失問題就是采集階段遇到的常見問題之一。本文針對該問題進行了模擬對比研究，以期確定不同條件下測點缺失數(shù)量與反演結(jié)果之間的關(guān)系，從而在實際應(yīng)用中盡量降低測點缺失帶來的影響，提高反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 相山礦田地質(zhì)概況

相山鈾礦田位于贛杭構(gòu)造火山巖鈾成礦帶的南西端［11］，受相山大型塌陷式火山盆地控制，區(qū)域上是NE 向遂川深大斷裂與NNE 向宜黃-安遠深斷裂交匯復(fù)合地帶。其東與華夏地塊的桃山-諸廣巖漿弧毗鄰，北接揚子陸塊區(qū)下?lián)P子陸塊的江南古島弧。相山及其鄰區(qū)的中生代巖漿活動強烈，鈾礦田受鈾含量較高的中酸性火山-侵入雜巖系控制。相山火山盆地基底地層為中元古界片巖、千枚巖；蓋層為上侏羅統(tǒng)打鼓頂組、鵝湖嶺組中酸性、酸性火山熔巖，火山碎屑巖，局部夾陸相碎屑沉積巖。礦田構(gòu)造主要為火山環(huán)狀構(gòu)造及NE 向斷裂構(gòu)造，次為近SN 向斷裂構(gòu)造與近EW 向推覆構(gòu)造，其中火山環(huán)狀構(gòu)造及NE 向斷裂構(gòu)造為礦田內(nèi)主要控礦構(gòu)造［12-14］。

2 方法應(yīng)用基礎(chǔ)

AMT 法是基于電磁感應(yīng)原理，利用巖石導(dǎo)電性差異的一種頻率域電磁勘探方法［15］。而相山地區(qū)的主要巖性間存在明顯的電性差異，這為該方法的應(yīng)用提供了物性基礎(chǔ)。陳越對相山地區(qū)主要巖石流紋英安巖、碎斑流紋巖、花崗斑巖、變質(zhì)巖等的電阻率進行了調(diào)查研究［16］，結(jié)果表明4 種主要巖石的電阻率變化范圍都很大（表1），但還是能夠區(qū)分出電阻率的差異，其中碎斑流紋巖和花崗斑巖的電阻率算術(shù)平均值相對較高，流紋英安巖則表現(xiàn)為低阻。

表1 相山地區(qū)主要巖石電阻率統(tǒng)計［16］Table 1 Statistics of electric resistivity of typical rocks in Xiangshan area

通過對表中數(shù)據(jù)分析可知，深部變質(zhì)巖為相對高阻，打鼓頂組流紋英安巖為低阻，鵝湖嶺組碎斑流紋巖為高阻，電性差異較明顯，利用AMT 方法通過反演能夠區(qū)分出不同巖性的界面，而不同巖性的界面正是相山鈾礦田的控礦要素之一。經(jīng)劉祜等［7，9］實際應(yīng)用證明，AMT 方法對于確定組間界面效果明顯。

3 二維電磁數(shù)值模擬

相山地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)達，人口密集，村莊、居住區(qū)多，因此在測量過程中常遇到因為建筑物或者地形原因舍棄測點的情況。隨著連續(xù)舍棄點數(shù)量的增多，反演結(jié)果的可靠性必然會受到質(zhì)疑，為研究連續(xù)舍棄點數(shù)量與反演結(jié)果準(zhǔn)確性之間的關(guān)系，本文設(shè)計了二維正演模型一（圖1）。

圖1 正演模型一Fig.1 Forward model 1

模型一為3 層結(jié)構(gòu)，用來模擬相山地區(qū)的3 層地電結(jié)構(gòu)，其中，近地表是1 000 Ω·m 的高阻層，中間是500 Ω·m 的低阻層，低阻層下面是1 000 Ω·m 的高阻層，各層厚度如圖1所示。模型核心范圍（核心范圍指地表測點對應(yīng)范圍，深度上指存在電性差異的區(qū)域）大小為2 000 m×1 300 m，核心范圍內(nèi)有41 個測點，點距50 m，核心范圍剖面長度為2 000 m，模型向兩側(cè)和深部延伸。為方便剖分，假定測點S1所在位置為0 m，測點S41 所在位置為2 000 m，模型在975 m 處存在顯著抬升，用來模擬地下組間界面的變化。

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量（噪音強弱）對連續(xù)缺失點情況下反演結(jié)果的影響

在對野外數(shù)據(jù)進行反演處理的過程中，數(shù)據(jù)質(zhì)量往往對結(jié)果有很大的影響，因此在對比試驗過程中，首先研究數(shù)據(jù)質(zhì)量對連續(xù)缺失點情況下反演結(jié)果的影響。

對模型一進行正演，然后用正演結(jié)果作為理論數(shù)據(jù)進行非線性共軛梯度法反演，反演結(jié)果見圖2a?？梢钥闯?，反演結(jié)果準(zhǔn)確地解譯出了上界面的位置，并在975 m 處模擬出了界面的抬升，由于數(shù)值模擬本身的特點，在未進行改進的情況下，下界面的誤差稍微大一點（為避免在解譯過程中人為因素造成的誤差，在解譯界面時，上界面固定沿720 Ω·m 的電阻率等值線劃定，下界面沿660 Ω·m 的等值線劃定）。

圖2 模型一無噪音情況下不同數(shù)量缺失點的反演結(jié)果對比Fig.2 Comparison of inversion results by model 1 with different number of missing points without noise

針對模型一，從S20 點（界面抬升處，即975 m 處；當(dāng)刪除點數(shù)超過4 個點時，從925 m 處開始，下同）往大號點方向分別刪除1～9 個點，用來模擬野外缺失點的實際情況，并對缺點后的剖面數(shù)據(jù)進行反演。圖2 b～f 分別為缺失1、3、5、7、9 個測點時剖面的反演結(jié)果，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著缺失點數(shù)的增加，上界面的解譯位置（圖中黃虛線所示）變化不大，甚至在連續(xù)缺失7 個點（圖2e）時，解譯出的上界面與真實情況的差異目測也很難分辨，只有圖2f 表現(xiàn)出了較小的差異。由此可見，在沒有噪音的情況下，因為模型上每個測點都是地下各種信息的綜合反應(yīng)，在剩余測點數(shù)量較多的情況下，反演數(shù)據(jù)可以包含足夠多的地下信息，而數(shù)值模擬是一種體積效應(yīng)的綜合反應(yīng)，所以缺失點個數(shù)的增加對反演結(jié)果的影響很小。針對模型一，在正演計算時引入20%的隨機噪音，然后對加入噪音后的數(shù)據(jù)進行反演，并開展同上述實驗一樣的對比研究。對比結(jié)果如圖3a～d 分別代表缺失點數(shù)量為0、2、5、9），通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在加入噪音之后，反演結(jié)果產(chǎn)生了明顯變化，隨著缺失點數(shù)量的增多，反演結(jié)果與無缺失點結(jié)果之間的差異越來越明顯，假定沒有缺失點的結(jié)果是地下真實情況的反應(yīng)，那么隨著缺失點數(shù)量的增加，反演結(jié)果的準(zhǔn)確性越來越低。當(dāng)連續(xù)缺失5 個點時，關(guān)鍵部位的反演結(jié)果與真實情況的差異就已經(jīng)達到40～50 m 以上。

圖3 模型一加入20%隨機噪音后不同數(shù)量缺失點的反演結(jié)果對比Fig.3 Comparison of inversion results of model 1 with different number of missing points after adding 20% random noise

當(dāng)把引入噪音的強度增加到40%時，通過對反演結(jié)果的對比（圖4）發(fā)現(xiàn)，隨著缺失點數(shù)量的增加，反演結(jié)果之間的差異更加明顯。通過上述3 組對比研究可以得出，野外連續(xù)缺失點個數(shù)對反演結(jié)果的影響程度受野外數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，數(shù)據(jù)質(zhì)量高時，缺失點對反演結(jié)果的影響較小，數(shù)據(jù)質(zhì)量差時，缺失點對反演結(jié)果的影響較大。

圖4 模型一模型加入40%隨機噪音后不同數(shù)量缺失點的反演結(jié)果對比Fig.4 Comparison of inversion results of model 1 with different number of missing points after adding 40% random noise

3.2 界面埋深對連續(xù)缺失點情況下反演結(jié)果的影響

針對模型一，改變界面的埋藏深度，建立模型二（圖5），模型二的核心尺寸與模型一相同，只是兩個界面各自上移了200 m。對模型二開展連續(xù)缺失點試驗后，對反演結(jié)果（圖6）進行對比發(fā)現(xiàn)，隨著缺失點數(shù)的增加，雖然沒有引入噪音，但是反演結(jié)果并未像圖2 所展現(xiàn)的結(jié)果一樣沒有變化，而是出現(xiàn)了類似圖3、圖4 一樣的結(jié)果，即隨著缺失點數(shù)量的增加，解譯出的界面差異明顯變大，這表明在對地下淺部信息的反演計算中，隨著野外測量過程中缺失點個數(shù)的增多，反演結(jié)果（巖性界面）的準(zhǔn)確性會明顯降低。

圖5 正演模型二Fig.5 Forward model 2

圖6 模型二無噪音情況下不同數(shù)量缺失點的反演結(jié)果對比Fig.6 Comparison of inversion results of model 2 with different number of missing points without noise

3.3 實測數(shù)據(jù)對比

在完成上述理論數(shù)據(jù)的對比試驗后，結(jié)合相山地區(qū)的一組實測數(shù)據(jù)對比一下真實的情況。圖7顯示的是該地區(qū)某剖面上連續(xù)刪除不同個數(shù)的測點時的反演結(jié)果，該實測剖面長度為3 900 m，點距50 m。圖7a～f是從7 號測點（300 m）開始分別連續(xù)刪除0、1、3、5、7、9 個測點時的反演結(jié)果，通過對比發(fā)現(xiàn)圖7b、c 與圖7a 非常相似，特別是圖7b與圖7a 幾乎一樣，解譯出的組間界面的深度大致相同，解譯界面多處幾乎重合，可以看出偶爾的舍掉一個測點對反演結(jié)果影響不大。但是隨著舍棄點數(shù)的增加，從圖6d、e 到圖6f與原剖面的差異越來越明顯，推測出的組間界面的深度差別也越來越大，特別是圖6f與圖6a 兩者的差別尤其明顯，解譯的組間界面深度差別可以達到三四百米，非常不準(zhǔn)確。

圖7 連續(xù)缺失測點個數(shù)不同時實測數(shù)據(jù)反演結(jié)果對比Fig.7 Comparison of measured and inversion results of data with different number of missing points

通過該實驗表明：當(dāng)反演剖面上存在較多的舍棄點時，會對整條剖面的反演結(jié)果造成一定的影響，缺失的點越多，反演結(jié)果越不真實，但特殊原因?qū)е聵O個別的一兩個測點丟失時，對結(jié)果的影響不大（上述結(jié)論基于50 m 點距時，當(dāng)點距更小時可以在丟掉1～3 個測點的情況下保證結(jié)果的準(zhǔn)確性）。

4 結(jié)論

通過開展上述理論模擬并結(jié)合相山地區(qū)的實際數(shù)據(jù)進行對比分析可以得出如下結(jié)論：

1）流紋英安巖電阻率較低，碎斑流紋巖電阻率較高，兩者電阻率差異明顯，AMT 探測兩者組間界面深度較準(zhǔn)確。對于流紋英安巖與基底變質(zhì)巖之間的基底界面，因為兩側(cè)的電性差異變小，同時深度增加帶來了垂向分辨率的降低，因此AMT在探測基底界面時通常存在一定誤差。

2）在相山地區(qū)電磁數(shù)據(jù)處理過程中，當(dāng)剖面上存在較多的缺失點時，會對整條剖面的反演結(jié)果造成一定的影響，缺失的點越多，反演結(jié)果越不真實，但因?qū)嶋H原因?qū)е乱粌蓚€點丟失時，對結(jié)果的影響不大。

3）野外數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞會干擾缺失點對反演結(jié)果的影響程度，數(shù)據(jù)質(zhì)量好（信噪比高）時，結(jié)果受缺失點的影響小，數(shù)據(jù)質(zhì)量差（信噪比低）時，反演結(jié)果受缺失點的影響較大。

4）缺失點對結(jié)果的影響還受界面或地質(zhì)要素埋深的影響，缺失點對淺地表的影響要大于對地下深部的影響。

致謝：感謝胡英才博士在本文反演計算過程中的幫助，胡博士從理論上給出了與本文一致的認識。