基于磁法三维反演对程潮地区找矿方向分析

杨龙彬, 高宝龙, 肖明顺, 陈石羡, 龚 强, 闵 丹

(1.中国冶金地质总局 中南地质勘查院,湖北 武汉 430081; 2.中国冶金地质总局 矿产资源信息中心,北京 100025)

磁法勘探是一种最常用的地球物理勘探方法,广泛应用于地质调查、油气勘探、固体矿产勘查以及水文、工程与环境调查等领域。随着勘探对地质体三维精细结构研究不断提高,磁法反演处理解释技术目前已经发展到 3D地质体描述和解释阶段[1-2]。磁法三维反演是利用磁测数据及物性资料,对地下地质体进行模拟,间接确定地质体的空间位置和形态。

本文通过对鄂城岩体、铁山岩体区域的航磁资料进行3D磁法反演,勾画出了两大岩体深部空间展布特征,同时结合程潮矿区CSAMT成果和物性、钻孔资料对下一步找矿方向进行分析。

1 地质概况

工作区地表出露的地层较简单,主要有第四系、侏罗系下统及三叠系中—上统蒲圻群地层,组成碧石紧闭向斜核部。该地区构造主要为碧石渡向斜,向斜核部地层为侏罗系下统及三叠系中统蒲圻组砂页岩,两翼为三叠系中下统嘉陵江组及大冶组白云岩、灰岩组成的一套碳酸盐岩建造。向斜南翼部分被铁山岩体上侵破坏,形成了一系列大理岩捕虏体,向斜南翼存在次级褶皱构造,使铁山岩体北缘接触面存在“隆凹”部位,为成矿有利部位。向斜北翼产状变化较大,由东到西产状逐渐变陡(图1)。

图1 工作区地质简图Fig.1 Geological map of working area1.花岗斑岩脉;2.花岗闪长斑岩脉;3.石英闪长玢岩脉;4.大冶组;5.花岗闪长岩脉;6.斑状闪长岩;7.闪长岩;8.花岗岩脉;9.CSAMT剖面;10.钻孔位置。

2 地球物理特征

据以往鄂城岩体的岩矿石磁性标本测量统计情况(见表1),可见,鄂城岩体岩矿石磁性有如下特征:

(1) 磁铁矿和围岩具有明显磁性差异,磁铁矿磁性最强,能引起明显异常。

(2) 闪长岩类,特别是黑云母辉石闪长岩的磁性较强,能引起一定强度的磁异常。

(3) 矽卡岩分布在矿区及接触带附近,其磁性强弱决定矿化的程度,引起的磁异常往往与矿异常叠加。

(4) 角页岩一般无磁性或弱磁性,但当其靠近岩体时,多变为矿化角岩,磁性增强,能引起规则低缓异常。

(5) 玄武岩、辉绿岩磁性较强,在地表能引起1 000～3 000 nT磁异常,但较紊乱。

(6) 赤铁矿磁性微弱,一般引不起明显异常,但假象赤铁矿磁性较强,能引起明显异常。

(7) 花岗岩磁性不强,一般不会引起明显磁异常。

综合分析:鉴于角页岩、赤铁矿、花岗岩磁性较弱,玄武岩、辉绿岩具有较强磁性但分布不均,闪长岩类磁性较强同时分布范围广,而矽卡岩和铁矿基本分布在接触带附近,故推断鄂城岩体主体为闪长岩类岩石,在岩体接触带附近分布一定规模的矽卡岩和磁铁矿,这也为找矿方向提供了有力依据。

表1 鄂城岩矿石磁参数统计表Table 1 Statistical table of magnetic parameters of rock ore in Echeng

3 三维反演原理

反演的目的是获取模型空间的磁化率分布(m),反演的物理基础是模型空间磁化率分布与观测数据之间的数据物理关系(G),反演首要的目标就是当前磁化率分布(m)通过数物关系(G)预测的磁场结果dpre与实际观测数据dobs的差异在观测误差范围内。通常可以采用最小二乘的方式来评价dpre和dobs的差异程度,如下式所示:

(1)

式中:N为观测数据的个数;σi为第i个观测数据所对应的观测误差。公式(1)就是反演计算最基本的内容,反映了dpre和dobs的差异或拟合程度,因此称Φd(m)为数据拟合差函数。最终的目标就是找到Φd(m)最小时对应的最优解,此过程也就属于最优化过程[3]。

对于三维反演来说,观测数据(方程组中方程的个数)的个数通常远远小于模型剖分块体(方程组中未知数)的个数,因而求解问题属于欠定问题,结果存在无穷多解的可能性；因此,需要在式(1)的基础上,通过加入模型稳定项(或称模型目标函数)来促使反演过程更加稳定,同时提供可靠的方法确定相关参数平衡数据拟合函数和模型稳定项的相对权重,这样的实现过程被称为正则化。

根据Tikhlnov正则化公式,反演目标函数可以写为:

Φ(m)=Φd(m)+λΦm(m)

式中:Φd和Φm分别为数据拟合差函数及模型目标函数,正则化参数λ作为两者之间的权重系数[4-5]。

4 磁异常特征及三维反演结果

本次采用的1∶1万航磁数据是由中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心2015年完成的鄂东四大岩体区域航磁测量中的,航磁异常的空间展布特征与鄂东四大岩体分布范围能够较好地吻合。图2-A、B分别是磁法原始异常等值线图和磁法化极异常等值线图,其中磁法原始异常等值线图ΔT最小值、最大值分别为-648.5 nT、1 049.4 nT,磁法化极异常等值线图ΔT最小值、最大值分别为-329.2 nT、1 161 nT。化极异常等值线图较原始异常等值线图的正异常范围变大并往北移动,与地质图进行对比能够和鄂城、铁山两大岩体很好地扣合(见图2),故三维磁法反演时采用化极后的数据进行。

本次航磁3D反演所采用的是由华中科技大学物理学院引力实验中心孙石达博士编写的3DmagAll软件进行反演计算,经多次反演对比,最终选择以下反演控制参数:网格剖分,250 m×250 m×250 m;正则化参数,1012.2;深度加权(β,z0),(3.0,150)。

图2 航磁原始与化极等值线对比图Fig.2 Contrast diagram of aero magnetic primordial and polar equivalents1.花岗斑岩脉;2.花岗闪长斑岩脉;3.石英闪长玢岩脉;4.大冶组;5.花岗闪长岩脉;6.斑状闪长岩;7.闪长岩;8.花岗岩脉;9.CSAMT剖面;10.钻孔位置;11.高磁等值线;12.低磁等值线。

由航磁化极数据等值线图和反演拟合等值线图可以看出(见图3),在工作区范围南部由于金山店岩体的影响,导致该低磁异常没有能够很好地拟合。但是铁山岩体—鄂城岩体部分拟合程度很好,本文主要针对铁山岩体和鄂城岩体的深部形态及程潮铁矿地区进行研究分析,故本次3D反演结果是可靠的。

从本次磁法三维反演成果(图4)来看,鄂城、铁山岩体走向都是北西向,整体呈纺锤状分布,自深部规模小、磁性强到中深部规模渐大、磁性较强,再到浅部岩体分布范围扩大、磁性变弱的特征(图5),浅部形态和化极后磁异常(图2-B)形态基本一致。该成果对鄂城、铁山岩体在深部的倾向、规模形态能够很好地勾画出来；尤其是鄂城岩体南部产状变化较大,由东到西产状逐渐变陡,也与地质上推断描述相对应。

图3 磁法三维反演初始与拟合结果等值线图Fig.3 Contour inversion of initial and fitting results by magnetic 3D inversion

图4 磁法三维反演成果图Fig.4 Three dimensional inversion results of magnetic method

程潮铁矿床的矿体,主要都赋存于围岩(矽卡岩、闪长岩、正长斑岩、闪长玢岩)的接触带—断裂复合带中,同时矿体空间展布规律受到接触带构造及其与次级褶皱断裂复合叠加组成的接触带构造系统的严格控制。铁矿体宏观产状的变化常与杂岩体接触带(面)产状相一致,随杂岩体接触带(面)产状的变化而变化,各矿体的长轴走向与接触带(面)走向一致,总体受杂岩体接触带(面)控制。

由磁法三维反演成果图切(图6)与CSAMT勘探线重合剖面及钻孔投影(图7)可知:鄂城岩体南部产状较陡,同时ZK01、ZK02都在高磁、低磁的梯度带上见到矿体,同时矿体位置也处于CSAMT剖面成果的中阻与低阻过渡带附近。结合磁法3D反演、CSAMT剖面成果及钻孔剖面图对下一步找矿方向进行分析:

(1) 从物性特征分析得出岩体主体为闪长岩类岩石,矽卡岩和铁矿体主要赋存于岩体接触带附近,并且铁矿体宏观产状的变化与岩体接触带(面)产状相一致,ZK01、ZK02见矿位置均在磁法3D反演的高磁、低磁梯度带部位。同时由已知矿体的呈燕列式分布特征等综合分析,ZK01所见Ⅶ矿体与ZK02所见矿体是否为同一矿体,抑或在两者矿体之间是否存在另一矿体则有待验证。

(2) 在上述分析的基础上,由磁法3D反演成果可以看出,ZK02南部岩体产状相对较陡,并且有向北回拐的趋势。另由CSAMT反演成果在ZK02所见矿体附近中阻、低阻梯度带产状同样较陡(与磁法3D反演成果一致);已知矿体不仅呈“燕列式”特征分布,同时位于CSAMT反演成果的中阻、低阻的梯度带附近,由此推断在ZK02所见矿体以下部位存在沿磁法3D反演岩体界面和CSAMT反演成果的中阻、低阻梯度带,并且与ZK02所见矿体相连呈“S”型矿体,有待验证。

图5 磁法三维反演成果图Fig.5 Three dimensional inversion results of magnetic method

图6 磁法三维反演剖面切片成果图Fig.6 Three dimensional inversion section results of magnetic method

5 结论

通过磁法3D反演成果并结合物性特征资料,对铁山、尤其是鄂城岩体在深部的空间展布状态有了更宏观清晰的认识。同时对鄂城岩体南部产状由东到西逐渐变陡的特征及铁矿体主要赋存在岩体接触带附近有了更直观的认识。

图7 CSAMT反演成果及钻孔投影图Fig.7 CSAMT inversion results and bolehole projection

由磁法3D反演成果、CSAMT反演成果和ZK01、ZK02所见矿体位置及已知矿体呈“燕列式”的分布特征,分析了ZK01所见Ⅶ矿体和ZK02所见矿体之间存在矿体的可能性,同时对ZK02所见矿体位置深部是否存在与所见矿体相连呈“S”型分布的矿体进行了分析。

综上所述,磁测3D反演在对地质体的三维空间分布、成矿有利部位等方面的解释和指导是有较大的优势的。同时结合CSAMT成果、地质资料、物性特征和钻孔资料综合分析、研究，可以为后期开展深部找矿提供靶区。

致谢:感谢中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心提供的航磁资料,感谢华中科技大学物理学院引力实验中心孙石达博士在三维反演方面提供的帮助。