可控电磁测深数据有限内存拟牛顿二维反演

郭岩

（甘肃煤田地质局综合普查队，甘肃 天水741002）

可控源音频（CSAMT）利用人工场源的有效控制，解决了大地电磁场源随机性和信号弱的问题，具有探测效率高、探测深度深、分辨率高的优点，被广泛应用于矿产普刊与勘探、地热资源勘查、水文及工程建设等方面[1]。近年来随着计算机技术及电磁测法设备的发展和完善，二维和三维反演技术有了很大的提升，例如雷达等（2004）为提高复杂地形可控音频大地电磁探测解释成果的可靠性，对模型进行CSAMT 二维反演，得到的结果与正演分析成果吻合，能有效的反应地下地质结构特征；张昆等（2011）提出了一种验证电磁测深数据正演及反演算法程序，通过实际验证测点能有效压制地面噪音，为资料解释提供了更好的分辨率；王俊生（2015）针对粤西某金多金属矿勘探工作，采用了CSAMT 方法，有效的探明了测线范围内的地层构造及岩体空间特征，其结果与已知的地质情况较为吻合；任宏等（2017）采用CSAMT 方法对广西某铅锌矿床开展了相关研究，明确了矿区浅层矿体剩余潜力资源，为深部探矿决策提供了支持；杨乃峰等（2015）利用CSAMT 对翠宏山铁多金属矿开展了二维反演，落实了高磁异常区域和低阻异常区，进一步探明了矿区中的大规模矿床；汪正（2018）分析了CSAMT 的各项技术优势，认为在物探综合剖面上实施可控源电磁测深，能更加有效的识别区域地质特征及深部构造特征。综上所述，近年来国内外学者对于可控源大地电磁测深技术研究取得了大量的成果，但总体来看针对二维反演方面研究较少[2-4]。本文介绍了拟二维反演的基本原理及流程，基于有限内存拟牛顿法加入噪声阻抗数据来进行你二维反演，对甘肃某地区的测线数据开展反演分析，验证了该方法的实践意义。

1 拟二维反演原理及流程

电磁法二维及三位反演在成果精度上相比一维反演效果较好，但在资料解释过程反演较为复杂，数据计算量大、内存需求量大。一维反演在一条测线上采用逐个反演的方式，得到的反演电阻率在剖面上呈现出面条状，而二维反演对测线上每个点都进行反演，每个点之间进行了相互约束，使得反演结果在横向上连续性更强。

为对二维反演有效性进行分析，采用构建的层状及台阶组合模型进行三维正演，然后利用二维反演成果与三维正演成果进行对比分析，进而利用拟合度判断二维反演的有效性。发射源为1000m 导线，设定中心坐标为（0，0，0），供电电流1A，测线位于y 轴9000m，初始模型设定电阻值为100Ω·m，第一层厚度20m，为设置层位厚度极差，往下层厚度按照每层为上一层1.1倍的厚度逐增加（图1）。拟合度表达为：

图1 层状及台阶组合模型示意图

通过反演结果表明，反演得到的阻抗值与正演阻抗值结果一致，仅仅极个别点存在一定的误差，拟合度基本上控制在±5%%内，拟合效果较好（图2）。二维拟合结果浅部低阻层位显示特征明显，电阻率值分布于25～35Ω·m 之间，第二层电阻率值分布于200～800Ω·m 之间，第三层电阻率值分布于600～1200Ω·m 之间，反演电阻率值与三维模型的整体趋于一致，因此，认为对于层状模型而言，采用有限内存牛顿拟二维反演具有一定的有效性。二维迭代反演次数为38 次，收敛速度较快，后期逐步降低到0.3，在模型中纵向及横向比例幅度较大，纵向上变化幅度更加明显。

图2 三维正演及二维反演拟合度对比

2 拟二维反演应用

以甘肃为地区某金属矿为实例一共有两条测线，信号发射及接收示意图如图3 所示，一共20 个测点，最大电流8A，设定初始模型为100Ω·m，第一层设定为2m，按照1.4 倍的级差向下逐步增加层厚度，共计13 层，模型反演深度为380m。

图3 甘肃某金属矿区测线布线示意图

通过反演分析阻抗剖面拟合度在±10%内，但由于该地区地形较为复杂，出现了极个别的异常点，拟合度误差超过了80%，这是由于测点低频值变化较大，因此产生了较大的阻抗。根据测线附近地层已钻探的研究成果，地质分层成果见表1。

表1 甘肃为地区某金属矿地层分层成果

通过二维反演成果反应出测点1 到12 号电阻率随着地层深度加深而逐渐成斜坡状的形态，测点从13 到20 号深部位置中高阻层内嵌入了一共低阻体，且随着埋藏深度的提升电阻率有所增加。反演成果在剖面上具有一定的连续性，横向上变化平缓稳定，整体分辨率较高（图4）。反演结果与地质成果较为一致，在浅层层厚100m 内，地层厚度呈现出条带状分布特征，电阻率分布在20～80Ω·m 之间，与本地区第四系泥岩、泥砂岩石电阻率值相吻合，随着地层深度的提升，电阻率值逐渐变大。测点1 到4 号之间大约有50m 左右厚度的第四系黄土沉积，主要为泥岩和砂泥岩。下部岩层主要为千枚岩和片岩，电阻率分布范围为200～800Ω·m。最深部为花岗岩，电阻率较大，一般超过了1500Ω·m。测点17 到20 号之间有一个低阻体，分析认为在探测深度180m 处形成一共铁矿，电阻率大致在50～150Ω·m。测点16 号深部向下为一个发育在浅层的断裂。

图4 甘肃某金属矿区拟二维反演剖面

3 结论

对新疆某尽速矿区开展了可控电磁测深拟牛顿拟二维反演，与地质研究成果相对照分析，认为反演成果与地质特征相互吻合，反演分析阻抗剖面拟合度在±10%内。通过研究探明了该矿区180m 层位下可能还有铁金属矿床，建议下一步可以开展勘探工作，探明矿产资料的整体含量。