音频大地电磁数据非线性共轭梯度3D反演在江西相山铀矿勘查中的应用

夏广沛，翁爱华，李建平，李世文，杨悦，胡英才

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026;2.核工业北京地质研究院，北京100029

0 引言

相山铀矿田位于江西省中部抚州市乐安县与崇仁县毗邻地带，是华南最大的铀矿田，被誉为国家的“铀都”。相山铀矿田属于火山--侵入杂岩体的中低温热液型铀矿，已发现大中型铀矿数十个，蕴藏着极为丰富的铀矿资源。矿田位于扬子板块与华夏板块交汇部位，处在NE向赣杭火山岩成矿带与NNE向大王山—于山花岗岩成矿带交汇部位的相山大型塌陷式火山盆地[1]。

矿区北有江绍缝合带，东有鹰安断裂，西有遂川德兴断裂，矿区地质结构复杂，经历了多期构造运动和岩浆运动，尤以中生代强烈的火山岩浆活动对该区域的影响最为显著[2]。燕山中期后该区域的构造力由挤压变为拉张，火山活动逐渐减弱并向东迁移，先后形成了邹家山、河元背等大小数十个矿床。

核工业北京地质研究院、核工业二六一大队、东华理工大学、南京大学、核工业二七〇研究所等大批科研院所先后在相山地区开展勘察研究工作，发现火山机构和断裂构造是相山地区的铀矿主要控矿因素[3]。最近研究工作表明，界面控矿在相山矿田中也起着至关重要的作用[4]，主要是因为界面是构造薄弱地带，裂隙更为发育，构造裂隙具有导矿和容矿作用[5]。林锦荣[6]提出“两个成矿空间”观点，即相山火山岩组间界面变异部位为第一成矿空间，基底与火山岩之间的界面是第二成矿界面；并认为组间界面(变异部位)、基底界面与断裂构造复合处，为铀矿最有利的赋存部位，指明了相山铀矿田的找矿方向。

大地电磁法是研究地球深部结构重要的手段之一[7]，其中音频大地电磁法属于大地电磁法的一个分支。为进一步研究地下铀矿分布，核工业北京地质研究院在相山地区开展大面积高密度的音频大地电磁勘探。过去由于反演理论和技术的约束，主要在相山地区进行2D反演，进行2D反演的假设前提是整条剖面具有相同的构造走向[8]，但对于相山地区这样复杂的地质构造，难以满足2D反演方法的假设。对实测资料进行2D反演时，很难获得可靠的地电模型。随着计算机技术发展，3D反演方法的技术和理论已基本成熟[9]，目前3D反演方法有多种计算方法，主要有Occam反演[10]、数据空间Occam的反演[11]、拟牛顿法(QN)[12]和非线性共轭梯度法(NLCG)[13,14]等，其中NLCG法是目前大地电磁3D反演的最常用的方法之一[15]。为获取研究区3D组间界面，圈定更为可靠、精细的铀矿分布有利区，笔者采用大地电磁3D反演方法，获得可靠的3D电性模型和界面形态，结合钻井信息对3D电性结构进行解释，预测成矿有利区。

1 区域地质背景

相山火山塌陷盆地为2层结构，基底为中元古界变质岩，岩性以千枚岩、片岩为主；下石炭统华山岭组下部为石英砂岩，上部为紫红色砂岩，上三叠统安源组为含燧石石英砂岩夹碳质页岩[1]。盖层为一套下白垩统火山岩系及出露于火山盆地西侧的白垩纪红层，火山岩系由酸性、中酸性火山熔岩、火山碎屑岩及少量正常沉积夹层构成，总厚度>2 000 m，分为打鼓顶组和鹅湖岭组。每组的特点总体是由沉积到爆发再到喷溢式侵出，由此构成一个大的火山喷发旋回[16]。下部打鼓顶组由砂砾岩、砂岩、熔结凝灰岩和流纹英安岩等组成，上部鹅湖岭组由砂砾岩、晶玻屑凝灰岩和巨厚层碎斑熔岩组成[16](图1)。

盆地基底主要构造有EW， NE及SN向3组，主构造线呈EW向，相山火山盆地盖层构造表现为以NE向为主导，NW向次之的线性断裂和火山塌陷环状断裂的构造格局[2]，盖层构造多是基底构造的继承和发展。其中相山地区的邹家山—石洞断裂及火山塌陷构造均是重要的控矿构造(图1)。

1.砂砾岩；2.碎斑溶岩；3.流纹英安岩；4.砂砾岩、页岩；5.变质岩；6.次花岗斑岩；7.花岗斑岩；8.花岗岩；9.地质边界.图1 相山地质概况图Fig.1 Geological map of Xiangshan

物性差异是地球物理工作的前提。测区内主要的岩石为碎斑熔岩、流纹英安岩、变质岩，其中碎斑熔岩是鹅湖岭组的主体岩性，流纹英安岩是打鼓顶组的主体岩性，变质岩为基底的主要岩性。3种主要的岩石电阻率的差异较大，其中碎斑熔岩电阻率和变质岩相对较高，流纹英安岩电阻率较小(表1)，这为音频大地电磁反演异常的解释提供了基础。

表1 测区主要岩石电性特征[1]Table 1 Electrical characteristics of main rocks in survey area

2 音频大地电磁测深数据的处理

音频大地电磁法(AMT)是利用1～104Hz频段电磁信号进行地下结构勘探的大地电磁方法[17]，主要适用于较浅深度要求的工程勘察和矿产勘探[18]。

2.1 测线布置及数据处理

本次研究采用的音频大地电磁数据是北京核工业地质研究院采集到的野外实测数据，共布设35条测线，分别命名为H1，H2到H35，测线方位为东偏南42°，线距大约100 m，点距大约50 m，每条测线大约69个测点，一共2 226个测点，测区面积约16 km2。将收集到的数据进行室内处理，主要进行扫描时间序列，根据电磁干扰程度选择合适的时间段参与Robust阻抗估计[19]。

数据质量对反演结果影响至关重要。图2为H35--65点的本次反演的数据阻抗Zxx、Zxy、Zyx、Zyy。原始数据的四个阻抗分量高频部分出现跳点、飞点，数据质量较差，低频部分数据质量相对较好，说明数据高频信息受到非常强的噪声干扰，数据在低频信息质量较好说明本次反演得到深部信息是可靠的。

图2 H35--65点全阻抗数据Fig.2 Full impedance data at point H35--65

3 三维反演

3.1 反演理论

目前多数大地电磁反演算法均是通过构造由数据正则化项和模型正则化项构成的目标函数[9]，目标函数可表示为：

(1)

式中：λ是正则化因子；m为M维地下的电导率模型参数向量；d是N维的观测数据向量；Cd是数据协方差矩阵；F(m)表示模型的正演响应；m0为初始模型；Cm为模型的协方差矩阵，用来控制拟合数据和模型粗糙度的权衡参数。

本文所采用的NLCG方法可以直接求取目标函数的最优化问题。其模型的更新过程为(2)式：

mk+1=mk+αkuk

(2)

通过寻找αk从而使W(mk+αkuk)最优化，由于此时的问题是非线性的，因此引入了行搜索方法来寻找搜索步长。新的共轭梯度方向uk通过Polak--Ribiere[20]或者其他方法求取。

由于NLCG法不需要构造任何大型矩阵，因此它对内存的需求较小，成为目前大地电磁3D反演的最流行的方法之一。其反演流程：

(1)读取初始模型mk，由模型mk计算拟合差rms=Xk；

(2)选择正则化因子λ；

(3)开始主要的NLCG迭代循环(第k次)：

(3.1)计算rk=-▽W(mk)；

(3.3)寻找使得W(mk+αkuk)最小的αk；

(3.4)更新模型mk+1=mk+αkuk和rk+1=-▽W((mk+1)；

(3.5)由模型mk+1计算拟合差rms=Xk+1；

(3.6)如果‖rk+1‖很小，或者当拟合差rms<λ2，退出循环；

(4)退出NLCG主迭代。

3.2 反演参数设置

为减少模型网格数量，提高反演速度，对测线进行132°的逆时针旋转；建立X轴指向正北，Y轴指向正东，Z轴指向地心的坐标系，其中坐标原点为H1--1点。反演使用的频率范围是0.000 1～1 Hz，共计24个频点，测点有2 226个，合计频率数为427 392个。反演模型沿X方向网格70个，每格相距50 m，长度一共3.5 km，两侧以2.5倍系数各扩边5个网格。沿Y方向网格：75个，每格相距50 m，长度一共3.7 km，两侧以2.5倍系数各扩边5个网格。沿Z方向首层厚度10 m，层厚度递增系数是1.14，边界以2.5倍系数扩边5个网格，最终生成的反演网格为70(东西)×75(南北)×30(垂向，不包含空气层),反演初始模型采用100 Ω·m的均匀半空间模型，扩边网格的电阻率同样设定为了100 Ω·m。误差门限设置为5%的噪声值。

3.3 反演结果

经过了110次的反演计算得到rms为7.36，图3给出迭代反演过程中3个反演参数的变化情况。其中λ和rms在收敛时表征观测数据的拟合程度，‖m-m0‖表示的是模型修正量，表征模型的变化情况。一个好的反演，应该是rms趋近于1，λ充分小，‖m-m0‖不再变化。从图3可见，λ在收敛时<10-4，‖m-m0‖趋近于0.12，符合好的反演预期。但rms为7.36，远大于1，其原因主要是数据质量不好。

图3 反演参数Fig.3 Inversion parameters

由于本次反演的实测数据最低频率的限制，反演深度仅限于1 500 m±，所以将反演模型中1 500 m以下的结果舍弃。图4给出了1 500 m±的3D立体反演结果显示。由于地表风化层的影响，地表附近的浅部异常分辨力不足，因此将3D模型地表大约100 m厚度的电性信息舍弃，只显示100 m厚度以下的电性信息。可以看出，测区内的电性结构复杂，高低阻相间分布，如北部的石宜坑、东部的船坑等地区为低阻分布，石门口、以及中部的河元背、南部的小坡等大部分地区为高阻。这为研究该地区的岩性结构、断裂分布和组间界面等问题提供了丰富的电性依据。

图4 3D音频大地电磁测深反演结果3D图Fig.4 3D inversion results of AMT

4 讨论

4.1 典型测线电阻率断面图

图5为3D电阻率模型沿测线方向的切片图，由于篇幅有限只选取了具有代表性的几张剖面，分别为H4、H10、H15、H19、H25、H34线的切片；根据3D模型中所反映出的电阻率变化，可以明显的看出垂向上呈三层电性结构，即高、低、高的电阻率变化结构。其中第一层电阻>5 000 Ω·m，根据相山地区岩石电阻率特征，推测其为下白垩统鹅湖岭组；第二层电阻率显著低于第一层电阻率，电性模型中呈现出低阻形态，电阻率大约500 Ω·m，推测其为下白垩统打鼓顶组；第三层电阻率在电性模型中呈现出高阻特征，电阻率>1 000 Ω·m，推测其为中元古界基底变质岩。段书新[2]在相山地区应用音频大地电磁法得出与此观点一致的结论。

根据各层间电阻率的差异，在图5中绘制了组间界面的形态。第一成矿界面处于深度600 m±，第二成矿界面大约在深度1 200 m±。第二成矿界面在H4线处并不明显，只有较小的一部分。在H4、H10、H15、H19四条测线，2个成矿界面比较清晰，第一界面均呈现出波形弯曲形态，主要是断层作用导致；第二界面形态类似于一个小型岩盆，推测可能是岩浆岩早期冷却时的形态。H34线位于测区边缘，第一成矿组间界面被多条断层切断，已不太明显，第二成矿界面呈现出2个半球形的形状。

图5 3D电性结构模型测线切片图Fig.5 Section profile of 3D electrical structure model

断裂是相山地区的主要控矿因素[2]。在断裂带发育的地方，往往存在破碎带并富含水或者其他低阻介质，同时断裂带使地层结构发生异常变化，从而形成典型的低阻异常带或者电性梯度带[21]；根据3D电性剖面中的电性特征以及相关地质资料，每张切片中画出每条测线的断层分布。其中F1断层表示河元背—小坡断裂，该断裂控制区内牛头山、河元背和湖港矿床[22]，是区内重要的控矿断裂。F1断裂呈近NW方向延伸，切过区内大部分测线，在图5中的H4，H10，H15，H19断面图中有所呈现，只是在H10线中不太明显，在X=2 000 m处微微有些迹象，可能是该处反演网格不恰当引起的。该支断裂切过第一成矿界面，未有切过第二成矿界面。F2断裂表示的是小坡断裂，小坡断裂为西部控盆断裂之次级断裂[11]。该断裂南起小坡，北至石门口，位于测区东部，呈南北走向，向西倾。该支断裂同样切过第一成矿界面，在石门口和小坡地区过第二成矿界面。F3断裂是西山断裂，位于测区北部，在图6中的H25，H34有所体现，F3断层走向近南北。F3断裂切过第一成矿界面和第二成矿界面。F4是贺山王龙断裂，是西部控盆断裂之次级断裂。该条断裂经过测区西部，切过测区第一成矿界面，在Y=1 000 m处切过第二成矿界面。

图6 CUSD2井物性剖面图和H11线切片图Fig.6 Physical property profile of Well CUSD2 and section of line H11

4.2 钻井方法检验

为避免单一方法引起的多解性问题，现把测区深钻井资料应用于本文的研究。该钻井位于第H11线的X=1 750 m附近(图6右)。经过对比，发现电阻率测井曲线和3D反演测线切片图可以较好地对应起来，表明本次反演结果真实可靠。具体表现在：电阻率测井曲线和3D反演剖面图同样表现出3层电性结构，即高、低、高3层结构，分别对应于物性柱状图中鹅湖岭组、打鼓顶组和中元古界变质岩；一些薄的低阻层在反演结果中未能体现，但3层结构可以清晰的呈现，每层结构的实际电阻率的范围和电性模型中的电阻率范围基本对应；从界面的角度来看，2个成矿界面的大致深度与钻井资料得到的实际界面深度和电性模型推断的成矿界面深度相对应。根据以上分析，可以从钻井电阻率曲线上读取2个成矿界面的电阻率大小，第一成矿界面电阻率约为2 000 Ω·m，第二成矿界面的电阻率约为500 Ω·m。

4.3 有利区圈定

为更直观地展示第一成矿界面和第二成矿界面的形态，分别用2 000 Ω·m和500 Ω·m的电阻率等值面反映其立体图像。由于浅部异常分辨力不足，所以将地表附近约100 m的信息舍弃，得到的异常体形态如图7和图8所示。从图7中可见，由于断层对界面的切断作用，第一成矿界面形态不规则，且只主要分布于测区东部、南部和西部，在测区北半部分主要是变质岩分布，组间界面不明显。在图8中，绘制了第二成矿界面，其与第一成矿界面形态大为不同，主要分布于测区中部和南部，在河元背地区保存较好。

图7 第一成矿界面形态Fig.7 Morphology of the first metallogenic interface

图8 第二成矿界面形态Fig.8 Morphology of the second metallogenic interface

断裂是相山地区最为关键的的控矿因素，组间界面变异部位与断裂构造复合部位才有铀矿赋存，组间界面变异部位形态变化主要表现为褶皱及突然变陡[4]。在3D电性剖面中寻找组间界面变异部位与断裂构造复合部位(图7和图8)。横向上来看，石门口、西山、小坡均是成矿有利区，河元背、船坑的第一成矿界面是铀矿资源有利区。石宜坑位于测区北部，没有发现成矿有利区域。纵向上来看，第一成矿界面的铀矿有利区比较丰富，中部地区相对集中，在研究区东南部分布较为密集。第二成矿界面主要分布于测区边缘。

5 结论

(1)使用NLCG法进行反演计算得到电性模型。通过钻井资料分析，认为模型相对可靠地展示了测区的电性特征。

(2)测区地下结构呈明显的3层结构，第一层高阻表示是下白垩统鹅湖岭组，第二层低阻表示下白垩统打鼓顶组，第三层为高阻分布，是相山地区的中元古界基底。

(3)根据反演结果中断裂和成矿界面的分布，圈定研究区内铀矿资源有利分布区，其主要分布于测区东部和边缘。

致谢：感谢核工业北京地质研究院提供本文研究所需要的音频大地电磁数据。