音頻大地電磁法在相山鈾礦田基底界面探測中的應(yīng)用

張濡亮，蔡軍濤，王恒，劉祜

（1.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 2.國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085）

相山鈾礦田的鈾礦勘查工作始于20 世紀50 年代，經(jīng)過幾十年的研究，該礦田已成為我國目前規(guī)模最大、品位最高的火山巖型鈾礦田［1-2］。前人總結(jié)認為，相山地區(qū)主要有巖性界面控礦、斷裂構(gòu)造控礦、次火山巖體控礦等關(guān)鍵控礦要素［3-6］。近年來，研究人員進一步的研究認為相山鈾礦田火山巖組間界面變異部位為上部鈾礦的重要賦礦空間，基底界面控制著晚期花崗斑巖，也控制著下部鈾礦的空間定位［7］。因此，組間界面及基底界面的埋深成為鈾礦勘查的關(guān)鍵問題，也是近幾年AMT 方法在該地區(qū)的主要探測目標之一［8-10］。由于基底界面埋藏深度大、兩側(cè)巖石電阻率差異小以及AMT 施工過程中極距存在誤差等多種因素影響［11］，反演解譯的基底界面深度與實際深度存在較大誤差。本文通過對相山地區(qū)前期AMT數(shù)據(jù)資料進行再處理，并在二維反演過程中引入印模技術(shù)［12］，較好的解決了基底界面埋深解譯誤差較大的問題，為該區(qū)深部鈾礦定位及深部成礦環(huán)境研究提供了依據(jù)。

1 相山礦田地質(zhì)概況

相山鈾礦田地處江西省樂安、崇仁縣境內(nèi)，大地構(gòu)造上位于揚子陸塊與武夷-云開-臺灣造山系的過渡部位，處在北東向贛杭火山巖鈾成礦帶的南西段［13］與NNE 向展布的大王山-于山花崗巖成礦帶、北東向遂川-撫州深斷裂與NNE 向宜黃-安遠深斷裂及NW 向斷裂帶交匯部位［3］。盆地基底主要為中元古界片巖、千枚巖；蓋層為上白堊統(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［14-16］。

2 相山鈾礦田電性特征

相山地區(qū)的主要巖性間存在著明顯的電性差異，這為AMT 方法在該地區(qū)的應(yīng)用提供了物性基礎(chǔ)。陳越對相山地區(qū)主要巖性流紋英安巖、碎斑流紋巖、花崗斑巖、變質(zhì)巖等的電阻率進行了統(tǒng)計研究［17］，結(jié)果表明4 種主要巖石的電阻率變化范圍都很大，但仍存在較明顯的電阻率差異，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。

近幾年在相山地區(qū)施工了包括科學(xué)深鉆在內(nèi)的多個鉆孔，對鉆孔巖心進行取樣分析也支持上述結(jié)論。圖1 是對相山科學(xué)深鉆巖心進行分類取樣后繪制的巖心電阻率變化圖，經(jīng)過對比分析可以看出各大類巖石電阻率值都比較分散，但是仍然可以總結(jié)出如下特點：即三類巖石中流紋英安巖電阻率最小，碎斑流紋巖和變質(zhì)巖的電阻率較高。

圖1 相山科學(xué)深鉆巖心電阻率變化圖（大類統(tǒng)計）Fig.1 Change diagram of electrical resistivity of core from Xiangshan Science Deep Drilling（made by major categories）

具體來看：三大類主要巖石中碎斑流紋巖電阻率變化范圍大致在1 632～8 620 Ω·m，平均值4 259 Ω·m，中值為4 310 Ω·m，在深度700 m處電阻率達到最高值8 620 Ω·m；流紋英安巖電阻率變化范圍大致在444～3 696 Ω·m，電阻率平均值在1 064 Ω·m，其電阻率隨深度幾乎無變化；變質(zhì)巖電阻率變化范圍大致也在206～8 456 Ω·m，電阻率平均值為3 608 Ω·m，但在基底界面處，變質(zhì)巖的電阻率也很小，與流紋英安巖相差不大，從總體趨勢來看，變質(zhì)巖電阻率隨著深度的增加變大。三大類主要巖石的電阻率統(tǒng)計情況見表1。

表1 相山科學(xué)深鉆巖心電阻率統(tǒng)計Table 1 Statistics of electrical resistivity of cores from scientific deep drilling in Xiangshan area

通過以上分析可知，相山地區(qū)主要巖石的電阻率特征差異較明顯，鵝湖嶺組的碎斑流紋巖總體為高阻特征，打鼓頂組的流紋英安巖為低阻，變質(zhì)巖為高阻，利用電阻率差異可以區(qū)分組間界面，但是由于基底界面下部變質(zhì)巖電阻率相對上部的流紋英安巖差異很小，再疊加因為深度原因?qū)е碌目v向分辨率降低等原因，導(dǎo)致常規(guī)的反演算法在識別基底界面時往往存在較大的誤差。

3 印模法原理及理論模擬

在（音頻）大地電磁法MT（AMT）的正反演研究中，普遍認為當前主流的二維反演算法有快速松弛反演［18］（RRI）、奧克姆反演［19］（OCCAM）、尖銳邊界的奧克姆反演［20］（REBOCC）、非線性共軛梯度反演［21］（NLCG）等。各算法優(yōu)缺點不同：RRI 反演速度很快，但效果一般；OCCAM 反演過程穩(wěn)定，結(jié)果可信度高，但速度很慢；REBOCC 是OCCAM 的變種，在提高OCCAM 反演速度的同時，降低了其可靠性；NLCG 既有較快的反演速度，又有較好的穩(wěn)定性和可靠性，是當前應(yīng)用最多的反演算法［12］，鑒于此，本文二維反演采用NLCG 算法。

根據(jù)前述相山地區(qū)的地電結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了3 層層狀階梯模型（圖2）。用來模擬相山地區(qū)的3 層地電結(jié)構(gòu)，其中，近地表是5 000 Ω·m的高阻層，用來模擬相山地區(qū)近地表的碎斑流紋巖地層；中間是1 000 Ω·m 的低阻層，用來模擬相山地區(qū)的流紋英安巖地層；低阻層下面是3 000 Ω·m 的高阻層，用來模擬變質(zhì)巖基底，各層厚度如圖2 所示（基底向下延伸），模型核心范圍（如圖2 所示范圍，核心范圍指地表測點對應(yīng)范圍，深度上指存在明顯電性差異的區(qū)域）大小為3 000 m×1 900 m，核心范圍內(nèi)有61 個測點，點距50 m，核心范圍剖面長度為3 000 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S61 所在位置為3 000 m，模型在1 475 m 處存在顯著抬升，用來模擬地下基底界面深度的變化。

圖2 二維層狀階梯模型Fig.2 2D layered ladder model

據(jù)前人研究結(jié)果，基于TM 極化模式數(shù)據(jù)的二維反演可以獲得較為合理的電性結(jié)構(gòu)模型，對于實測數(shù)據(jù)也應(yīng)優(yōu)先考慮采用TM 極化模式數(shù)據(jù)進行二維反演［22］，因此本次對比研究將只對TM 極化模式數(shù)據(jù)進行二維反演計算。對上述簡單模型正演，并對正演響應(yīng)進行NLCG 法反演，反演初始模型采用均勻半空間模型，二維反演的橫向網(wǎng)格為122 個（其中不包括模型兩側(cè)自動擴展的橫向邊界網(wǎng)格），測點位于網(wǎng)格單元中心；縱向網(wǎng)格為126 個，從地表開始往下遞增，地表初始縱向單元尺度為2 m，將地下設(shè)為6 個節(jié)段，分別對應(yīng)6 個深度，即1、2、5、10、30、90 km；對應(yīng)節(jié)段設(shè)置不同的遞增比例因子為1.04、1.05、1.1、1.2、1.3、1.5。將上述剖分網(wǎng)格作為初始模型，初始電阻率分別賦值為1 000、2 000、2 500、3 000、4 000、5 000 Ω·m，圖3 是針對不同的初始電阻率進行二維反演計算后得到的結(jié)果對比圖，考慮剖面兩端受邊界效應(yīng)影響易產(chǎn)生畸變及重點關(guān)注界面抬升處等原因，結(jié)果圖中只展現(xiàn)剖面中間2 000 m 范圍內(nèi)的結(jié)果（即測點s11～測點s51 之間的結(jié)果）。為統(tǒng)一解譯標準，減少人為因素造成的對比誤差，結(jié)合模型的電阻率設(shè)計特點，反演結(jié)果解譯基底界面時統(tǒng)一沿2 000 Ω·m（第二層和第三層電阻率的算術(shù)平均值）電阻率等值線延伸。

通過圖3 二維反演結(jié)果的對比可以得出：在其他參數(shù)相同的情況下，模型的初始電阻率值不同，最后得到的反演結(jié)果差別很大，對于模型的初始電阻率目前常用的賦值方法是根據(jù)一維反演結(jié)果或者結(jié)合研究區(qū)的物性資料來設(shè)置初始電阻率，但是從上述對比試驗初始電阻率賦值2 000、2 500、3 000 Ω·m 三者的對比結(jié)果來看，即便模型的初始電阻率差別不大，得到的結(jié)果仍然存在較大差別。

印模法是葉濤等［12］最先提出并應(yīng)用在MT的數(shù)據(jù)研究中，其理論基礎(chǔ)是利用已有反演結(jié)果和均勻半空間模型的加權(quán)組合來構(gòu)建大地電磁二維反演初始模型，這種已有的反演結(jié)果可以是一維反演的結(jié)果，也可以是二維反演結(jié)果。圖4 是對模型一進行印模處理之后的結(jié)果，其過程是利用圖3 所示的結(jié)果與均勻半空間結(jié)果組合成新的初始模型，通過多次的印模迭代，最后得到結(jié)果。從圖4 的結(jié)果對比可以看出，經(jīng)過印模處理后，不同初始電阻率模型的二維反演結(jié)果最終趨于一致，差別非常小，并且其結(jié)果也比較接近真實情況。

圖3 同一模型不同初始電阻率的二維反演結(jié)果對比Fig.3 Comparison of 2D inversion results with different initial electrical resistivity of the same model

圖4 同一模型不同初始電阻率印模處理前后的反演結(jié)果對比Fig.4 Comparison of inversion results of the same model with different initial resistivity before and after impression processing

4 實際應(yīng)用及鉆探驗證

相山地區(qū)過去幾年開展了較多物探工作，特別是“龍燦工程”項目在相山地區(qū)完成了大量的AMT 測量工作，本次對比試驗選取了相山中部的AMT 測線L1，圖5 是相山中部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造簡圖，AMT 剖面附近施工了鉆孔ZK-1，鉆孔的結(jié)果可以對二維反演解譯的結(jié)果進行驗證。

圖5 相山鈾礦田中部地質(zhì)構(gòu)造示意圖（據(jù)參考文獻［10］修改）Fig.5 Geological structure map of central Xiangshan uranium ore field（modified after reference［10］）

針對剖面L1 的原始數(shù)據(jù)資料進行精細處理，在此基礎(chǔ)上對其進行了二維反演，并保存二維反演結(jié)果。之后引入印模法，利用上述二維反演結(jié)果構(gòu)建新的反演初始模型，經(jīng)過進一步迭代計算得到新的二維反演結(jié)果。圖6 是應(yīng)用印模法處理前后剖面L1 的TM 極化模式數(shù)據(jù)的二維反演結(jié)果的對比圖，通過圖6的對比可以看出，引入印模法處理前后的反演結(jié)果的形態(tài)大致是一樣的，除淺部地表電性異常外，剖面L1 的電性結(jié)構(gòu)明顯分成3 層，即淺部是高阻的鵝湖嶺組碎斑流紋巖，中間是低阻的打鼓頂組流紋英安巖，下部是相對高阻的前震旦系變質(zhì)巖，這在圖6a、b 上表現(xiàn)都非常明顯。但是印模前后解譯的界面特別是基底界面的深度差別較大，依據(jù)印模前AMT 解譯結(jié)果（圖6a），鉆孔的組間界面和基底界面的深度分別約為1 326 m 和1 761 m，但是經(jīng)過印模法處理后，根據(jù)反演結(jié)果（圖6b），鉆孔ZK-1 位置的組間界面和基底界面的深度分別約為1 418 m 和1 980 m，基底界面的解譯結(jié)果與原解譯結(jié)果相差了219 m。后續(xù)經(jīng)過鉆探施工ZK-1 實際揭露的組間界面和基底界面的深度分別約為1 564 m 和2 065 m（如圖7），組間界面的解譯結(jié)果誤差由17.9% 降為9.3%，基底界面深度的解譯誤差由17.2%降為4.1%，反演的精度得到了較大提高。

圖6 印模前后LI 剖面電阻率二維反演斷面圖Fig.6 Comparison of 2D inversion results of profile L1 before and after impression

圖7 ZK-1 鉆孔巖性柱狀圖與鉆孔電阻率測井曲線對比Fig.7 Lithologic histogram and electrical resistivity logging curve of borehole ZK-1

5 結(jié)論

本文通過開展理論模擬并結(jié)合相山地區(qū)的實際數(shù)據(jù)進行對比分析得出如下結(jié)論：

1）相山地區(qū)流紋英安巖的電阻率較低，碎斑流紋巖的電阻率較高，兩者電阻率差異較明顯，可以通過AMT 方法進行識別。對于流紋英安巖與基底變質(zhì)巖之間的基底界面，因為界面兩側(cè)的巖石的電阻率差異變小，同時由于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誤差較大。

2）對于同一測量剖面的數(shù)據(jù)和剖分模型，采用不同的初始電阻率值進行二維反演，反演結(jié)果可能存在較大差別，因此在選取初始電阻率時應(yīng)該盡可能的接近研究區(qū)的實際情況。

3）通過對數(shù)據(jù)進行精細處理，運用印模法構(gòu)建基于二維反演結(jié)果的初始模型并進行多次迭代反演，可以有效的提高基底界面反演結(jié)果的準確性。

致謝：感謝胡英才博士在本文多種反演方法對比時給予的各種幫助及對本文提出的寶貴建議，使文章呈現(xiàn)出更豐富的內(nèi)容，在此表示感謝。