磁矢量三维反演技术在深部铀矿勘查中的应用前景探讨

王培建

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），河北 石家庄 050002）

磁法是常用的地球物理方法之一，在矿产勘查、地质调查、工程勘察等方面应用广泛［1-2］。近年来，随着反演理论水平及计算机技术的不断提升，磁反演从二维向三维、从标量向矢量不断进步，磁测在深部地质填图、深部找矿方面的能力也不断提高［3-4］。磁三维矢量反演是近年才发展起来的技术，仅国外开展过少量的铁矿及多金属矿产勘查应用研究［5］，目前尚无在铀矿勘查中的应用案例。本文依托中国核工业地质局开展的航磁项目数据，开展了磁矢量三维反演技术在深部铀矿勘查中的应用效果研究，探讨了该技术在深部铀矿找矿中的应用前景，旨在为我国寻找隐伏铀矿提供一种技术方法参考。

1 基本理论

通常磁反演仅考虑感磁影响，而忽略了剩磁的影响，地下磁性源普遍存在剩磁的影响，造成磁异常磁场方向与地球磁场方向并不完全相同，使得磁反演结果与实际情况出现较大偏差，进而影响对地下深部地质状况的认知，导致资料难以发挥应有的作用。2012 年，Robert G.Ellis 提出了磁矢量三维反演 （Magnetization Vector 3D Inversion），该技术在无需事先了解剩磁方向或强度的前提下，加入了剩磁和感磁的影响［6］。

假设地质体的磁化状态可以用磁化强度M（r）表示［7］，而不假设场源是否为感应磁化或剩余磁化。根据静磁学，磁化强度为M（r）的体元与rj点位置处产生的磁感应强度B（rj）存在如下关系：

该方程式表明磁化强度矢量M（r）为反演中的基本参量。利用层析成像思想，假设将地下介质V 剖分为N 个vκ子体，每个子体的磁化强度矢量用mκ表示，假设磁化方向一致，那么：

这就定义了一个正演的问题：给出一组体元的磁化强度mκ（κ＝1，2，…，N），则Bj为每个体元在rj（j＝1，2，…，M）位置处的磁场。为方便起见，将式（2）写成矩阵形式为：

式（3）即是磁化强度矢量反演的基本方程。式中，B 是由观测数据组成的矢量，G 为灵敏度矩阵，m 是需要反演的模型磁化强度矢量。反演问题定义为给定B 且在适当的正则化条件下求解m，选择Tikohonov 正则化方法。反演问题是模型目标函数最小化的约束方程，是最优化问题，目标函数方程如下：

式中，Min Φ（m）是总的目标函数；ΦD（m）是数据拟合目标函数；ej是第j 个观测数据误差的标准差；ΦM是模型目标函数，根据∂rm的梯度和模型的幅度给出，其中wr、w0是深度加权函数；λ 是Tikohonov 正则化权衡参数，用来平衡低误差和最小目标函数的权重，基于对卡方分布中的数据拟合程度是否满意来选择Tikohonov 正则化权衡参数λ［8］。

2 应用实例及前景探讨

笔者依托中国核工业地质局近年来在龙首山及二连盆地开展的铀矿勘查航磁实例数据，采用oasis montaj 软件对磁数据进行磁矢量三维反演，反演了三维磁化强度矢量，并在三维磁化率参数进行地质解释，分别研究了反演磁化率在两种类型铀矿勘查中的效果，并进一步探讨了其应用前景。

2.1 龙首山中段碱交代型铀矿

2.1.1地质概况及岩石磁性特征

1）地质概况

研究区大地构造位置处于龙首山拱断带的中段，跨祁连山-龙首山铀成矿带［9-10］。发育古元古界龙首山群、中元古界墩子沟群、新元古界韩母山群和香山群、新近系和第四系［11-12］。龙首山群以混合岩、片麻岩为主，局部夹斜长角闪岩和大理岩；墩子沟群下部为含炭硅质板岩、石英砂岩，上部为白云岩；韩母山群以千枚岩、灰岩、绿片岩为主；香山群以变质砂岩、灰岩为主；新近系为含石膏红层堆积；第四系为冲洪积物（图1）。超基性到碱性侵入岩均有发育，芨岭岩体与钠交代铀矿化关系密切，岩性主要为花岗岩、闪长岩、碱性岩等。区内发育北西向、近东西向及南北向断裂，马路沟断裂带是区内主要控矿构造，沿该带发育新水井铀矿床、芨岭铀矿床、西岔、小青羊等众多铀矿化点。

芨岭铀矿床为钠交代型，铀矿化主要受断裂构造、岩性、钠交代热液蚀变 “三位一体” 的组合控制［13］。控矿构造主要为马路沟断裂（矿体产于断裂下盘），控矿岩性为钠交代岩，发育于花岗岩体和闪长岩体岩性界面［14-15］。

2）岩石磁性特征

图1 新水井-芨岭地区地质简图Fig.1 Geological sketch map of Xingshuijing-Jiling area

板岩、石英砂岩、千枚岩、变质砂岩、大理岩基本呈无磁性，常见值为（7～70）×10-5SI；中细粒花岗岩具一定磁性，常见值为（120～130）×10-5SI；角闪片岩、花岗闪长岩、闪长岩具较强磁性，常见值为（250～590）×10-5SI。上述岩石之间存在明显的磁性差异，为本次航磁反演提供了磁性基础。

2.1.2龙首山中段磁场特征

龙首山中段磁场分区分带性特征明显：北部呈醒目正磁场，值一般为60～250 nT，为花岗闪长岩体和角闪片岩的反应；西南部呈稳定负磁场，值一般为－110～－70 nT，主要为硅质板岩、石英砂岩、千枚岩、变质砂岩和花岗岩体等的反应；中部呈跳跃变化磁场，表现为背景场上叠加带状、块状异常，背景值一般为－10～10 nT，主要为花岗岩及石英片岩的反应，异常值一般为30～100 nT，主要为斑状花岗岩体及闪长岩体等的反应（图2）。主要控矿构造—马路沟断裂带呈断续分布的梯度带或负磁异常带，为岩性界面及构造破碎发育的反应。磁平面数据可以分辨出浅部不同磁性地质体的分布及断裂构造发育部位，可以定位控矿构造的平面位置，但在解释具体发育铀矿化的有利地段及深部空间时存在困难。

2.1.3磁矢量三维反演效果分析

矿区磁矢量三维反演磁化率见图3，反演结果显示矿区深部存在大规模弱磁性体，铀矿化空间上位于弱磁性体顶部与磁性体的接触带部位。常规磁反演结果难以反演出大规模的弱磁性体，主要表现为背景上叠加磁性体，难以凸显该区晚期发育大规模花岗岩的特点。磁矢量三维反演结果与该区加里东早期发育中基性岩、加里东晚期发育中酸性岩的演化史一致，且与铀矿化发育于花岗岩体与闪长岩体界面的认识一致，在平面控矿构造定位明确的基础上，可较好的定位深部有利铀成矿空间。此外，陈云杰等在芨岭铀矿床发现了隐爆角砾岩［16］，这与本次反演显示矿区深部发育大规模花岗岩体（弱磁性体），铀矿体位于大规模花岗岩体顶部的结果一致，这与前人认识的碱交代型成矿模式有点出入，显示该区铀成矿的复杂性。

图2 新水井-芨岭地区航磁ΔT 化极及断裂分布图Fig.2 Distribution of aeromagnetic ΔT reduction to the pole and faults of Xingshuijing-Jiling area

图3 芨岭铀矿床矿体空间分布及磁矢量三维反演磁化率断面图Fig.3 Section of magnetic vector 3D inversed susceptibility and the orebody distribution of Jiling uranium deposit

结合磁矢量三维反演结果，可对芨岭铀成矿机制进一步研究，对于沿马路沟断裂带（特别是新水井-芨岭铀矿床之间）深部铀矿勘查突破提供地球物理依据。沿马路沟断裂深部磁反演结果显示西岔-新水井一带深部发育大规模弱磁性体（花岗岩体），该段马路沟断裂带深部存在有利的铀成矿环境，具有较好的铀矿找矿前景，如35 号铀异常点一带深部发育大规模弱磁性体，其顶部深度800～1 000 m 为不同岩性接触带（图4），是较好的铀矿找矿有利空间。总之，磁矢量三维反演可为寻找碱交代型隐伏铀矿的有利成矿环境提供地球物理依据，为深部找矿突破提供方法技术参考。

2.2 二连盆地中部

2.2.1地质概况

研究区大地构造位置位于二连盆地中北部，主要跨马尼特坳陷和苏尼特隆起两个次级构造单元（图5）。次级构造单元形成于侏罗纪–早白垩世，是典型的盆岭式断陷盆地群，盆地基底由华力西晚期褶皱岩系及侵入岩组成，盖层包括上侏罗统、白垩统、新近系及第四系［17］。贺根山岩石圈断裂控制马尼特坳陷和苏尼特隆起的形成、发育与空间展布。区内主要找矿类型为古河道砂岩型，主要找矿层位为下白垩统赛汉组，该组发育辫状河、辫状河三角洲、扇三角洲相，存在有利成矿的河流相砂体，是形成层间氧化带型铀矿的重要部位［18-20］。

2.1.2磁场特征

研究区磁场分区特征较明显：以贺根山岩石圈断裂为界，北部为平缓背景场上叠加块状、带状异常，背景值一般为－20～30 nT，异常值一般为150～250 nT，平缓变化背景场反映了坳陷区弱磁性盖层的分布特点，叠加异常主要为局部中基性侵入岩的反应；南部表现为杂乱磁场，异常值一般为－500～1 000 nT，主要为中基性火山岩或侵入岩的反应（图6）。磁场特征能大体区分苏尼特隆起区及马尼特坳陷分布范围，但难以表现局部隆坳格局空间分布特点。

图4 35 号铀异常地段视磁化率断面及推断铀矿找矿空间分布图［21］Fig.4 Section of visual magnetic susceptibility of Anomalous 35 and inferred prospecting space for the uranium exploration

图5 二连盆地中部大地构造位置图Fig.5 Geotectonic location of the middle Erlian basin area

图6 二连盆地中部航磁ΔT 化极图Fig.6 The image map of Aeromagnetic ΔT reduced to pole in the middle Erlian basin area

2.2.3磁矢量三维反演效果分析

反演磁化率显示研究区南部发育大规模的磁性体（岩浆岩发育区），值一般为（200～2 000）×10-5SI，对应苏尼特隆起区；北部发育大规模的弱磁性体 （沉积盖层区），值一般为（5～30）×10-5SI，对应马尼特坳陷区；两者过渡部位总体呈不同磁性体的分界线，反映了贺根山岩石圈断裂的位置及空间展布。磁矢量三维反演结果不仅清晰反映出区内隆坳格局及构造格架，还在马尼特坳陷中发现局部隆起，苏尼特隆起中发现局部凹陷。反演磁化率显示苏尼特隆起南部存在一条北东向的带状弱磁性体（坳陷D），该带地表为第四系玄武岩覆盖，推测该带为局部坳陷沉积中新生代无微磁性地层的反应；反演磁化率显示马尼特坳陷被带状隆起带 （带状磁性体）分割为3 片局部坳陷区，分别为坳陷A、坳陷B、坳陷C（图7）。局部隆坳格局对上部盖层沉积具有一定控制作用，隆起带与盆内的过渡带部位可形成有利的沉积相带（如辫状河、辫状河三角洲、扇三角洲相），对于进一步缩小寻找古河道地段的范围及深部铀成矿研究具有重要意义。

此外，可以利用不同深度的反演磁化率描绘各隆起、坳陷的空间展布及规模，可进一步对地下三维空间进行地质填图，为深部矿产勘查提供地球物理依据。

2.3 应用前景探讨

作为近几年才发展起来的磁反演新技术，目前磁矢量三维反演还处在与实践相结合验证方法阶段，国内外开展过少量的铁及多金属矿产勘查试验研究，磁矢量三维反演可较好地定位磁性矿体的深部空间位置。依托中国核工业地质局项目，本研究开展了磁矢量三维反演技术在铀矿勘查的应用尝试，显示其可以有效定位深部碱交代型铀矿化的有利岩性界面的空间位置，还可在古河道型铀矿勘查时分辨出隆坳格局，以缩小寻找深部古河道发育有利地段的范围，并可辅助地下三维地质填图，为寻找隐伏铀矿提供地球物理依据。

磁矢量三维反演可进一步发挥深部探测的技术优势，特别在地下三维地质填图、深部矿产勘查方面具有较好的应用前景。继续在我国铀矿勘查中应用该技术，可有效助推深部铀成矿的研究及找矿突破。

图7 二连盆地中部磁矢量三维反演磁化率三维显示图Fig.7 3D display of magnetic susceptibility of magnetic vector 3D inversion in the the middle Erlian basin

3 结论与建议

1）常规磁反演仅考虑感磁影响，使得磁反演结果与实际偏差较大，磁矢量三维反演考虑了剩磁的影响，反演结果与地质认识基本一致，特别是突出了深部的地质找矿认识。实例显示磁矢量三维反演可以有效定位深部碱交代型铀矿的有利岩性界面环境空间（大规模花岗岩体顶部与闪长岩体接触部位）；在二连盆地古河道型铀矿勘查中，可以有效反映局部隆坳格局及构造展布，可进一步缩小寻找古河道有利地段的范围。磁矢量三维反演可为深部铀矿勘查提供地球物理依据，并可定位深部碱交代型铀矿的有利成矿环境空间。

2）磁矢量三维反演可以有效给出深部不同磁性体的空间分布，可以应用于地下三维地质填图、深部矿产勘查等领域，应用前景广阔。在我国铀矿勘查中应用该技术，有助于我国隐伏铀矿找矿突破。此外，利用已有航磁数据开展相关研究，项目成本低，值得大规模推广应用。