連鑫葆，周子琨 ，張金會 ，王天琪，翁愛華

1.吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長春 130026；2.安徽省勘查技術(shù)院，合肥 230000

0 引言

長江中下游成礦帶地處揚(yáng)子陸塊北緣下?lián)P子地塊沿江褶斷帶內(nèi)，是中國勘查--研究程度相當(dāng)高的成礦帶之一[1]。繁昌地區(qū)按成礦帶分區(qū)屬長江中下游鐵、銅、硫和金等多金屬成礦帶的中段(圖1)；其西南為銅陵礦田，東北是寧蕪礦集區(qū)，而繁昌地區(qū)的礦產(chǎn)資源相對稀少。研究昌地區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、巖體分布以及地層與巖體的接觸關(guān)系，對明確該地區(qū)深部找礦方向、查明礦體的深部賦存狀態(tài)至關(guān)重要。

近年來，可控源電磁測深資料一維[2]、二維反演[3]已經(jīng)日臻成熟[4]，且更加符合實(shí)際的三維(3D)反演技術(shù)也已經(jīng)從理論到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了巨大的跨越[5--11]。在跨越多個(gè)地層單元、構(gòu)造復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，采集的數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的三維特性，采用三維反演技術(shù)對可控源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理更加合適。Weerachai et al.[12]利用理論模型和數(shù)據(jù)模擬了應(yīng)用三維反演算法解釋大地電磁(MT)二維剖面。結(jié)果顯示使用三維反演可以避免剖面外異常結(jié)構(gòu)對剖面下方地質(zhì)體的影響，與二維反演得到的結(jié)果模型相比，剖面下方和附近的電阻率值更接近設(shè)置的原始理論模型。林昌洪等[13]利用實(shí)測資料和合成二維剖面數(shù)據(jù)分別進(jìn)行三維反演，證實(shí)了利用三維反演的方法對MT二維剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行反演解釋的可行性。Anita et al.[14]利用喜馬拉雅山脈地區(qū)的實(shí)測MT剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演，結(jié)果顯示三維反演可以推測與剖面垂直距離20 km的地下結(jié)構(gòu)。并且與直接進(jìn)行二維反演得到的電阻率模型相比，三維反演得到的新的輪廓特征與該地區(qū)的地震學(xué)的速度模型和其他地球物理模型保持更好的一致性。因此，筆者采取三維反演技術(shù)對目標(biāo)區(qū)域獲得的可控源電場振幅|Ex|剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理研究，期待獲得地下電阻率結(jié)構(gòu)，并推測地層的接觸關(guān)系。

TLF.郯廬斷裂帶；YCF.陽新—常州斷裂帶。

1 反演方法

1.1 三維可控源正演理論

可控源三維正演計(jì)算中，背景場計(jì)算采用虛界面算法[16--17]，數(shù)值上采用直接積分法計(jì)算[18--19]。利用交錯網(wǎng)格有限差分法進(jìn)行如下微分方程的求解

(1)

1.2 L--BFGS反演理論

有限內(nèi)存擬牛頓法(L--BFGS)是基于牛頓法進(jìn)行改善后得到[20--21]，反演正則化目標(biāo)函數(shù)為

φ(m)=φd+λφm=‖d-F(m)‖2+λ‖Wm‖2

(2)

1.3 理論模型驗(yàn)證

設(shè)置觀測系統(tǒng)，發(fā)射及接收的位置參數(shù)(圖2)。模型設(shè)置：在背景電阻率為100 Ω·m的均勻半空間內(nèi)交錯兩層，每層4個(gè)，共計(jì)8個(gè)異常體；其中含有4個(gè)高阻體，電阻率為500 Ω·m，4個(gè)低阻體，電阻率為10 Ω·m，各異常體相對位置如圖2所示。發(fā)射源長度設(shè)置為1 km，工作頻率為0.125～8 192 Hz對數(shù)分布的17個(gè)頻率。測區(qū)內(nèi)測線總長度1 000 m，線距100 m，共計(jì)11條；相鄰點(diǎn)距50 m，共計(jì)231個(gè)物理觀測點(diǎn)。觀測參數(shù)與實(shí)測數(shù)據(jù)保持一致，采用|Ex|分量的幅值。

圖2 觀測裝置及三維正反演模型示意圖

a.深度25 m水平切片；b.深度375 m水平切片。

在反演過程中，三維模型水平及垂直方向剖分為50 m×50 m×50 m的單個(gè)立方體單元。進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，模型3個(gè)方向的擴(kuò)邊個(gè)數(shù)均為5，擴(kuò)邊比例系數(shù)2.5。

利用EMDesk三維電磁勘探計(jì)算平臺進(jìn)行觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，模擬建模，正演計(jì)算。三維反演從均勻半空間開始，背景電阻率選取為100 Ω·m，正則化參數(shù)初始值為1，誤差水平取5%。

過局部異常體中心進(jìn)行水平切片，深度分別為25 m以及375 m，結(jié)果如圖3所示。圖3a的反演結(jié)果表明，在淺部，無論是高阻異常還是低阻異常，切片結(jié)果都可以清晰地刻畫出異常體的形態(tài)。淺部的反演結(jié)果電阻率值接近模型真實(shí)值，六面體異常輪廓表現(xiàn)明顯，與理論模型基本一致；深部反演結(jié)果電阻率數(shù)值最大為110 Ω·m，與真值相差較遠(yuǎn)，但仍能分辨出高低阻異常分布。

2 數(shù)據(jù)采集

2.1 裝置布置

本文使用的可控源電磁法數(shù)據(jù)，由安徽省勘查技術(shù)院完成，使用加拿大鳳凰公司研制的V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法系統(tǒng)完成采集。野外工作采用AB-|Ex|形式的可控源電磁法；由于測線較長，為滿足赤道偶極裝置的需求，布設(shè)兩個(gè)源，源長均為1.4 km，收發(fā)距均為8.0 km，裝置布置如圖4所示；測線共計(jì)完成155個(gè)物理測點(diǎn)，點(diǎn)距100 m，累計(jì)施工有效長度15.4 km。

2.2 數(shù)據(jù)特點(diǎn)及質(zhì)量評述

本次數(shù)據(jù)采集工作頻段選擇1～9 600 Hz，頻點(diǎn)間隔均勻分布，高、中頻段適度加密，避開50 Hz及其倍數(shù)，共計(jì)78個(gè)頻點(diǎn)，觀測參數(shù)為電場Ex振幅。數(shù)據(jù)質(zhì)量對于反演結(jié)果的影響至關(guān)重要。圖5為本次反演數(shù)據(jù)點(diǎn)14850、10350、8750、12250的頻率--電場幅值曲線。圖5a和圖5b所展示的原始數(shù)據(jù)的電場振幅高頻部分出現(xiàn)跳點(diǎn)、飛點(diǎn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差；圖5c和圖5d所展示的電場振幅從高頻到低頻曲線整體較為圓滑，高頻處基本沒有出現(xiàn)偏差過大的點(diǎn)，數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較好。所選擇的4個(gè)測點(diǎn)在高頻部分的振幅--頻率曲線不圓滑，說明部分點(diǎn)高頻數(shù)據(jù)信息受到比較強(qiáng)烈的干擾；低頻部分的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好說明本次反演得到深部信息是較為可靠的。

注：藍(lán)色表示發(fā)射源A2B2以及測點(diǎn)，紅色表示源A1B1以及測點(diǎn)。

a.14850；b. 10350；c.8750；d.12250。

3 反演結(jié)果

3.1 反演參數(shù)

三維反演控制參數(shù)。使用的頻率范圍：1～9 600 Hz，選擇26個(gè)頻點(diǎn)；誤差門限設(shè)置：5%×|Ex|；背景電阻率：100 Ω·m ；水平xy方向網(wǎng)格：x方向，1/2倍點(diǎn)距，即50 m；y方向，100 m;沿z方向網(wǎng)格：首層厚度10 m，層遞增系數(shù)：1.1，共40層；擴(kuò)邊系數(shù)2.0，擴(kuò)邊網(wǎng)格10個(gè)，共330×15×40 個(gè)網(wǎng)格；反演數(shù)據(jù)：電場振幅；計(jì)算均是在Linux服務(wù)器進(jìn)行，主頻2.5 GHz，實(shí)際使用43個(gè)cpu核心。

3.2 擬合情況

經(jīng)過94次迭代，耗時(shí)574 min，數(shù)據(jù)的擬合差由63.5下降到9.6迭代結(jié)束。一般情況下認(rèn)為擬合差趨近于1的反演結(jié)果比較好，但由于實(shí)測高頻數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較差，導(dǎo)致最終的擬合差遠(yuǎn)大于1。各測點(diǎn)擬合差分布情況如圖6a所示，虛線表示單點(diǎn)平均擬合差，為3.63；五角星表示選取的典型測點(diǎn)8550和9550。典型測點(diǎn)8550和測點(diǎn)9550的擬合情況如圖6b和圖6c所示，由于測區(qū)位置靠近城鎮(zhèn)，測得數(shù)據(jù)受干擾影響較大，原始數(shù)據(jù)和反演后數(shù)據(jù)擬合情況相對較差。

a.各測點(diǎn)擬合差分布情況，虛線為總體nRMS，黑色點(diǎn)為各點(diǎn)平均擬合差；b.測點(diǎn)8550反演擬合情況；c.測點(diǎn)9550反演擬合情況。

3.3 反演模型

圖7給出了使用上述反演參數(shù)得到的單剖面3D立體反演結(jié)果顯示。三維電場幅值反演結(jié)果揭示了研究剖面上的電性結(jié)構(gòu)特征。已有研究表明，只采用振幅信息進(jìn)行反演可以確定淺部異常分布規(guī)律，并且恢復(fù)深部異常體的基本輪廓，但是反演結(jié)果的深部分辨率有所欠缺[23]。從圖可見，在淺部深度<2 km以上異常明顯，整體上橫向分塊，縱向分層。從橫向上看，電阻率剖面從南到北呈現(xiàn)高阻--低阻--高阻--低阻--高阻相間的形態(tài)?？v向上根據(jù)電性特征大體分為兩層，高低阻分界較為明顯。

4 討論與解釋

4.1 地質(zhì)與地球物理概況

研究區(qū)所處的沿江褶斷帶在下?lián)P子前陸帶中較長時(shí)間處于水下隆起的狀態(tài)，并保持到寒武紀(jì)末[24]。褶斷帶內(nèi)晚震旦世沉積以白云巖為主，奧陶紀(jì)至早志留世接受了淺海--濱海碳酸鹽和單陸屑砂質(zhì)沉積。晚泥盆世以來，隨著海平面的上升和下降，褶斷帶時(shí)大時(shí)小。晚石炭世此地區(qū)下降形成凹陷地帶，成為下?lián)P子前陸帶的沉積中央。三疊紀(jì)沿江斷褶帶的中心部位形成一條狹長的海槽，形成了下?lián)P子前陸帶中唯一的沉降地帶。印支運(yùn)動后，沿江褶斷帶的褶皺、斷裂均十分發(fā)育。

區(qū)內(nèi)巖漿活動劇烈，陸相火山沉積盆地十分發(fā)育。自中生代以來，本區(qū)經(jīng)歷了印支、燕山等構(gòu)造運(yùn)動，之后又經(jīng)歷了以斷裂為主的構(gòu)造變動，導(dǎo)致深處的巖漿上涌，從而頻繁地出現(xiàn)巖漿活動，形成了大量的以中酸--酸性為主的噴出--侵入巖。

區(qū)內(nèi)地層及巖石的電阻率特征具體表現(xiàn)為：侏羅系—白堊系火山碎屑巖相對低阻；石炭系—三疊系灰?guī)r和白云巖相對高阻；志留系—泥盆系砂巖泥巖相對低阻；古生代盆地基底相對高阻的變化特征。根據(jù)工作區(qū)采集的巖礦石標(biāo)本測量結(jié)果，侏羅系—白堊系地層主要為火山碎屑巖，電阻率約為650～850 Ω·m；石炭系—三疊系主要為灰?guī)r和白云巖，電阻率平均值約2 700 Ω·m；區(qū)內(nèi)分布的巖漿巖具有中低電阻率值，其最大值在2 000 Ω·m±。礦石具有較低的電阻率，一般電阻率值為n×102Ω·m。電阻率差異是可控源電磁法勘探工作的前提，也是作為反演異常解釋的物性依據(jù)。

圖7 可控源反演三維電阻率模型

4.2 地質(zhì)解釋

圖8a和圖8b分別是該剖面重力和磁法勘探的實(shí)測與理論擬合曲線，圖8c給出了3D電阻率模型沿剖面的垂直切片圖。

反演結(jié)果顯示剖面最南段表層呈現(xiàn)高阻狀態(tài)R1，厚度約為1 km，其下方電阻率逐漸降低，在測線-6 km處，磁場有一個(gè)跳突，對應(yīng)的電阻率剖面在此處有一個(gè)高低阻變化。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)為，此區(qū)第一層為殷坑組—周沖村組，二疊系孤峰組—大隆組，白堊系以及晚泥盆世和早志留世地層，在電性剖面上表現(xiàn)為高阻，下層為奧陶系地層，呈現(xiàn)出較第一層低阻的異常。

測線-5 km到-2 km處位置出現(xiàn)厚度約為0.5 km的低阻異常C1，顯示出低阻、高磁、低密度狀態(tài)，下方電阻率明顯升高。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)，我們認(rèn)為，此區(qū)分層明顯，第一層為白堊系地層，電阻率較低，第二層為花崗斑巖，電阻率較第一層高。

剖面往北-2 km到1 km處整體呈現(xiàn)上覆高阻R2，下方電阻率逐漸降低的特征，且高阻異常厚度約在1 km±；剖面1 km位置推測為斷裂位置，磁場有一個(gè)跳突，電阻率變化與磁場一致。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)為，此區(qū)分層較為明顯，第一層為晚泥盆世和早志留世地層，電阻率較高，第二層為奧陶系地層，電阻率比較低。

測線1 km到4 km處，表層約0.4 km±的低阻異常C2，剖面4 km處，電阻率突然升高，磁場出現(xiàn)臺階狀的提升。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)為，第一層為殷坑組—周沖組，二疊系孤峰組—大隆組，石炭系黃龍組—二疊系棲霞組地層，電阻率較低，第二層為花崗斑巖，電阻率相對于第一層高。

測線4 km到7 km上層出現(xiàn)高阻異常R3，厚度約為0.8 km，其下電阻率逐漸變?。恢亓ζ拭鏀?shù)據(jù)在剖面5.5 km處，重力有小的變化，對應(yīng)電阻率也逐漸降低；測線最北段電阻率剖面異常顯示不明顯。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)認(rèn)為，此區(qū)第一層為二疊系孤峰組—大隆組，石炭系黃龍組—二疊系棲霞組以及晚泥盆世和早志留世地層，電阻率較高，第二層為奧陶系地層，電阻率相比于第一層低；測線7 km之后，地質(zhì)圖上顯示的花崗巖在電性剖面上表現(xiàn)不明顯。

圖8d為最終的地質(zhì)解釋結(jié)果。

a.重力擬合曲線；b.磁法擬合曲線[25];c.三維反演結(jié)果切片；d.綜合地質(zhì)解釋圖。a和b中黑色實(shí)線表示實(shí)測的曲線，紅色虛線表示根據(jù)地質(zhì)體模型計(jì)算的理論曲線。

5 結(jié)論

(1)可控源電磁法三維反演得到的電阻率異常與重、磁剖面上的異常在位置上對應(yīng)良好；電阻率剖面橫向分塊，巖性分界面明顯；縱向分層，但深度對應(yīng)準(zhǔn)確度有所欠缺。

(2)研究區(qū)地表發(fā)育白堊系、晚泥盆統(tǒng)、早志留統(tǒng)、二疊系地層，深部主要發(fā)育奧陶系地層，且在2 km內(nèi)廣泛發(fā)育花崗斑巖。

致謝感謝安徽省勘查技術(shù)院提供了可控源觀測數(shù)據(jù)；感謝吉林金太地球探測技術(shù)有限公司提供的EMDesk可控源電磁數(shù)據(jù)處理軟件包和三維反演的計(jì)算服務(wù)器。