音频大地电磁法在相山铀矿田基底界面探测中的应用

张濡亮，蔡军涛，王恒，刘祜

（1.核工业北京地质研究院 中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029 2.国家自然灾害防治研究院，北京 100085）

相山铀矿田的铀矿勘查工作始于20 世纪50 年代，经过几十年的研究，该矿田已成为我国目前规模最大、品位最高的火山岩型铀矿田［1-2］。前人总结认为，相山地区主要有岩性界面控矿、断裂构造控矿、次火山岩体控矿等关键控矿要素［3-6］。近年来，研究人员进一步的研究认为相山铀矿田火山岩组间界面变异部位为上部铀矿的重要赋矿空间，基底界面控制着晚期花岗斑岩，也控制着下部铀矿的空间定位［7］。因此，组间界面及基底界面的埋深成为铀矿勘查的关键问题，也是近几年AMT 方法在该地区的主要探测目标之一［8-10］。由于基底界面埋藏深度大、两侧岩石电阻率差异小以及AMT 施工过程中极距存在误差等多种因素影响［11］，反演解译的基底界面深度与实际深度存在较大误差。本文通过对相山地区前期AMT数据资料进行再处理，并在二维反演过程中引入印模技术［12］，较好的解决了基底界面埋深解译误差较大的问题，为该区深部铀矿定位及深部成矿环境研究提供了依据。

1 相山矿田地质概况

相山铀矿田地处江西省乐安、崇仁县境内，大地构造上位于扬子陆块与武夷-云开-台湾造山系的过渡部位，处在北东向赣杭火山岩铀成矿带的南西段［13］与NNE 向展布的大王山-于山花岗岩成矿带、北东向遂川-抚州深断裂与NNE 向宜黄-安远深断裂及NW 向断裂带交汇部位［3］。盆地基底主要为中元古界片岩、千枚岩；盖层为上白垩统打鼓顶组、鹅湖岭组中酸性、酸性火山熔岩，火山碎屑岩，局部夹陆相碎屑沉积岩。矿田构造主要为火山环状构造及NE 向断裂构造，次为近SN 向断裂构造与近EW 向推覆构造，其中火山环状构造及NE 向断裂构造为矿田内主要控矿构造［14-16］。

2 相山铀矿田电性特征

相山地区的主要岩性间存在着明显的电性差异，这为AMT 方法在该地区的应用提供了物性基础。陈越对相山地区主要岩性流纹英安岩、碎斑流纹岩、花岗斑岩、变质岩等的电阻率进行了统计研究［17］，结果表明4 种主要岩石的电阻率变化范围都很大，但仍存在较明显的电阻率差异，其中碎斑流纹岩和花岗斑岩的电阻率算术平均值相对较高，流纹英安岩则表现为低阻。

近几年在相山地区施工了包括科学深钻在内的多个钻孔，对钻孔岩心进行取样分析也支持上述结论。图1 是对相山科学深钻岩心进行分类取样后绘制的岩心电阻率变化图，经过对比分析可以看出各大类岩石电阻率值都比较分散，但是仍然可以总结出如下特点：即三类岩石中流纹英安岩电阻率最小，碎斑流纹岩和变质岩的电阻率较高。

图1 相山科学深钻岩心电阻率变化图（大类统计）Fig.1 Change diagram of electrical resistivity of core from Xiangshan Science Deep Drilling（made by major categories）

具体来看：三大类主要岩石中碎斑流纹岩电阻率变化范围大致在1 632～8 620 Ω·m，平均值4 259 Ω·m，中值为4 310 Ω·m，在深度700 m处电阻率达到最高值8 620 Ω·m；流纹英安岩电阻率变化范围大致在444～3 696 Ω·m，电阻率平均值在1 064 Ω·m，其电阻率随深度几乎无变化；变质岩电阻率变化范围大致也在206～8 456 Ω·m，电阻率平均值为3 608 Ω·m，但在基底界面处，变质岩的电阻率也很小，与流纹英安岩相差不大，从总体趋势来看，变质岩电阻率随着深度的增加变大。三大类主要岩石的电阻率统计情况见表1。

表1 相山科学深钻岩心电阻率统计Table 1 Statistics of electrical resistivity of cores from scientific deep drilling in Xiangshan area

通过以上分析可知，相山地区主要岩石的电阻率特征差异较明显，鹅湖岭组的碎斑流纹岩总体为高阻特征，打鼓顶组的流纹英安岩为低阻，变质岩为高阻，利用电阻率差异可以区分组间界面，但是由于基底界面下部变质岩电阻率相对上部的流纹英安岩差异很小，再叠加因为深度原因导致的纵向分辨率降低等原因，导致常规的反演算法在识别基底界面时往往存在较大的误差。

3 印模法原理及理论模拟

在（音频）大地电磁法MT（AMT）的正反演研究中，普遍认为当前主流的二维反演算法有快速松弛反演［18］（RRI）、奥克姆反演［19］（OCCAM）、尖锐边界的奥克姆反演［20］（REBOCC）、非线性共轭梯度反演［21］（NLCG）等。各算法优缺点不同：RRI 反演速度很快，但效果一般；OCCAM 反演过程稳定，结果可信度高，但速度很慢；REBOCC 是OCCAM 的变种，在提高OCCAM 反演速度的同时，降低了其可靠性；NLCG 既有较快的反演速度，又有较好的稳定性和可靠性，是当前应用最多的反演算法［12］，鉴于此，本文二维反演采用NLCG 算法。

根据前述相山地区的地电结构特点，设计了3 层层状阶梯模型（图2）。用来模拟相山地区的3 层地电结构，其中，近地表是5 000 Ω·m的高阻层，用来模拟相山地区近地表的碎斑流纹岩地层；中间是1 000 Ω·m 的低阻层，用来模拟相山地区的流纹英安岩地层；低阻层下面是3 000 Ω·m 的高阻层，用来模拟变质岩基底，各层厚度如图2 所示（基底向下延伸），模型核心范围（如图2 所示范围，核心范围指地表测点对应范围，深度上指存在明显电性差异的区域）大小为3 000 m×1 900 m，核心范围内有61 个测点，点距50 m，核心范围剖面长度为3 000 m，模型向两侧和深部延伸。为方便剖分，假定测点S1 所在位置为0 m，测点S61 所在位置为3 000 m，模型在1 475 m 处存在显著抬升，用来模拟地下基底界面深度的变化。

图2 二维层状阶梯模型Fig.2 2D layered ladder model

据前人研究结果，基于TM 极化模式数据的二维反演可以获得较为合理的电性结构模型，对于实测数据也应优先考虑采用TM 极化模式数据进行二维反演［22］，因此本次对比研究将只对TM 极化模式数据进行二维反演计算。对上述简单模型正演，并对正演响应进行NLCG 法反演，反演初始模型采用均匀半空间模型，二维反演的横向网格为122 个（其中不包括模型两侧自动扩展的横向边界网格），测点位于网格单元中心；纵向网格为126 个，从地表开始往下递增，地表初始纵向单元尺度为2 m，将地下设为6 个节段，分别对应6 个深度，即1、2、5、10、30、90 km；对应节段设置不同的递增比例因子为1.04、1.05、1.1、1.2、1.3、1.5。将上述剖分网格作为初始模型，初始电阻率分别赋值为1 000、2 000、2 500、3 000、4 000、5 000 Ω·m，图3 是针对不同的初始电阻率进行二维反演计算后得到的结果对比图，考虑剖面两端受边界效应影响易产生畸变及重点关注界面抬升处等原因，结果图中只展现剖面中间2 000 m 范围内的结果（即测点s11～测点s51 之间的结果）。为统一解译标准，减少人为因素造成的对比误差，结合模型的电阻率设计特点，反演结果解译基底界面时统一沿2 000 Ω·m（第二层和第三层电阻率的算术平均值）电阻率等值线延伸。

通过图3 二维反演结果的对比可以得出：在其他参数相同的情况下，模型的初始电阻率值不同，最后得到的反演结果差别很大，对于模型的初始电阻率目前常用的赋值方法是根据一维反演结果或者结合研究区的物性资料来设置初始电阻率，但是从上述对比试验初始电阻率赋值2 000、2 500、3 000 Ω·m 三者的对比结果来看，即便模型的初始电阻率差别不大，得到的结果仍然存在较大差别。

印模法是叶涛等［12］最先提出并应用在MT的数据研究中，其理论基础是利用已有反演结果和均匀半空间模型的加权组合来构建大地电磁二维反演初始模型，这种已有的反演结果可以是一维反演的结果，也可以是二维反演结果。图4 是对模型一进行印模处理之后的结果，其过程是利用图3 所示的结果与均匀半空间结果组合成新的初始模型，通过多次的印模迭代，最后得到结果。从图4 的结果对比可以看出，经过印模处理后，不同初始电阻率模型的二维反演结果最终趋于一致，差别非常小，并且其结果也比较接近真实情况。

图3 同一模型不同初始电阻率的二维反演结果对比Fig.3 Comparison of 2D inversion results with different initial electrical resistivity of the same model

图4 同一模型不同初始电阻率印模处理前后的反演结果对比Fig.4 Comparison of inversion results of the same model with different initial resistivity before and after impression processing

4 实际应用及钻探验证

相山地区过去几年开展了较多物探工作，特别是“龙灿工程”项目在相山地区完成了大量的AMT 测量工作，本次对比试验选取了相山中部的AMT 测线L1，图5 是相山中部地区的地质构造简图，AMT 剖面附近施工了钻孔ZK-1，钻孔的结果可以对二维反演解译的结果进行验证。

图5 相山铀矿田中部地质构造示意图（据参考文献［10］修改）Fig.5 Geological structure map of central Xiangshan uranium ore field（modified after reference［10］）

针对剖面L1 的原始数据资料进行精细处理，在此基础上对其进行了二维反演，并保存二维反演结果。之后引入印模法，利用上述二维反演结果构建新的反演初始模型，经过进一步迭代计算得到新的二维反演结果。图6 是应用印模法处理前后剖面L1 的TM 极化模式数据的二维反演结果的对比图，通过图6的对比可以看出，引入印模法处理前后的反演结果的形态大致是一样的，除浅部地表电性异常外，剖面L1 的电性结构明显分成3 层，即浅部是高阻的鹅湖岭组碎斑流纹岩，中间是低阻的打鼓顶组流纹英安岩，下部是相对高阻的前震旦系变质岩，这在图6a、b 上表现都非常明显。但是印模前后解译的界面特别是基底界面的深度差别较大，依据印模前AMT 解译结果（图6a），钻孔的组间界面和基底界面的深度分别约为1 326 m 和1 761 m，但是经过印模法处理后，根据反演结果（图6b），钻孔ZK-1 位置的组间界面和基底界面的深度分别约为1 418 m 和1 980 m，基底界面的解译结果与原解译结果相差了219 m。后续经过钻探施工ZK-1 实际揭露的组间界面和基底界面的深度分别约为1 564 m 和2 065 m（如图7），组间界面的解译结果误差由17.9% 降为9.3%，基底界面深度的解译误差由17.2%降为4.1%，反演的精度得到了较大提高。

图6 印模前后LI 剖面电阻率二维反演断面图Fig.6 Comparison of 2D inversion results of profile L1 before and after impression

图7 ZK-1 钻孔岩性柱状图与钻孔电阻率测井曲线对比Fig.7 Lithologic histogram and electrical resistivity logging curve of borehole ZK-1

5 结论

本文通过开展理论模拟并结合相山地区的实际数据进行对比分析得出如下结论：

1）相山地区流纹英安岩的电阻率较低，碎斑流纹岩的电阻率较高，两者电阻率差异较明显，可以通过AMT 方法进行识别。对于流纹英安岩与基底变质岩之间的基底界面，因为界面两侧的岩石的电阻率差异变小，同时由于深度增加带来了垂向分辨率的降低，因此AMT 在探测基底界面时通常误差较大。

2）对于同一测量剖面的数据和剖分模型，采用不同的初始电阻率值进行二维反演，反演结果可能存在较大差别，因此在选取初始电阻率时应该尽可能的接近研究区的实际情况。

3）通过对数据进行精细处理，运用印模法构建基于二维反演结果的初始模型并进行多次迭代反演，可以有效的提高基底界面反演结果的准确性。

致谢：感谢胡英才博士在本文多种反演方法对比时给予的各种帮助及对本文提出的宝贵建议，使文章呈现出更丰富的内容，在此表示感谢。