秦善强 长江大学地球物理与石油资源学院油气资源与勘探技术教育部重点实验室 (长江大学),湖北荆州434023

胡玉平 (北京矿产地质研究院,北京100012)

赵学平 (新疆杰奥勘查技术有限公司,新疆乌鲁木齐830011)

音频大地电磁测深 (AMT,Audio Magnetotelluric)法主要用于金属矿、地热田、工程和埋藏不深的油气田勘探。20世纪60年代初,Strangway等提出LE音频大地电磁法[1]。在20世纪70年代,Strangway等在应用音频大地电磁测深法寻找金属硫化矿床方面做了大量工作,取得了有意义的成果[2]。音频大地电磁测深法是通过观测由天然平面电磁波信号以确定地下的电阻率值的方法,具有对低阻体有较好的分辨率的优点,高效低成本。由于频率较高,对浅部的分辨率较高,更适于资源勘探,是重要的地球物理探勘手段。缺点是场源不可控制并且信号微弱,易受自然环境的影响,尤其是在矿山、城区附近很难开展工作。

下面,笔者利用软件处理解释某矿区的AMT数据,得到TM极化模式 (横向极化模式)下的二维视电阻率断面图,根据对比地质剖面和钻孔资料,结合超基性岩体的矿化规律,论述了AMT法在某矿区金属矿勘查中的应用效果。

1 矿区地质与地球物理特征

1.1 地质特征

矿区地处太平洋板块向亚洲板块俯冲,消减形成一系列北东-北北东向深断裂以及东西向和北西向3组断裂构造并存的格子状断裂系统。这些格子状排列的断隆、断陷带和格子状断裂构造系统是该区主要的构造形式,它们不仅控制了中生代断陷盆地,也控制了区内矿产的分布格局。

该矿区地下岩体为中元古代超基性岩,由斜方辉石和贵橄榄石组成,岩石强烈镁铁闪石化,与其伴生较多金属矿物沿其矿物节理或空隙分布,属镁质超基性岩。地表见超基性岩,呈北东向透镜状产出,总体向北西陡倾斜,自北向南西侧伏。岩石主要矿物成分为橄榄石、普通辉石和片状金云母。橄榄岩面呈灰黑色,块状构造,较强蛇纹石化。

1.2 地球物理特征

该矿区超基性岩体具低阻高极化异常特征。在矿区内共采集了3个钻孔 (井-1、井-2、井-3)岩芯、探槽及地表露头岩石标本,根据采集的岩芯和岩石标本发现该区的蚀变大理岩、橄榄岩的密度特别高,平均值达3.00g/cm3以上;角岩、辉绿岩的密度较高,平均密度值达2.90g/cm3以上;此类岩石若有一定的规模,则能引起明显的局部重力高异常。在磁性方面,辉绿岩的磁性最强,磁化率值达2909×4π×10-6(SI);橄榄岩、花岗岩的磁性较强,磁化率平均值分别为1599×4π×10-6(SI)和1162×4π×10-6(SI);若此类岩石埋藏较浅,在地面则能引起峰值不同的局部高磁异常。

2 AMT原理及数据处理

2.1 AMT方法原理

采用标量的方式,即在测点同时观测相互垂直的电场(Ex)和磁场(Ey)分量,并按:

计算视电阻率,绘出视电阻率曲线,并对它进行解释[1]。式中,ρa是视电阻率;ω是电磁波的频率;μ0是真空中的磁导率。

2.2 反演算法

1)Occam反演 Occam反演实际是求一个多层地球模型的最光滑解,即在一定的拟合误差标准下使模型的粗糙度最小。Occam反演以其稳定的收敛性在MT(Magnetotelluric,大地电磁测深法)中得到广泛应用,其稳定收敛性主要来自2个方面:对数等间隔的垂直剖分及求最光滑模型[3]。

2)非线性共轭梯度法 该算法是为了计算MT的2D反演问题的正则化解,使目标函数最小以能使错位数据和电阻率的空间二次导数规则化[4],即校正错位数据和模型的光滑度。二维非线性共轭梯度法反演广泛应用于MT的2D反演中。

2.3 数据处理

1)数据的编辑 野外采集工作,由于干扰和观测误差的存在,某些频段的频点数据有时会出现非正常的跳跃和飞点。根据相邻测点的曲线特征,对每一个测点进行编辑,对测点曲线进行圆滑或丢弃误差太大的频点,保留高质量的频点数据。

2)1D反演 根据实测的视电阻率曲线分层,并赋予每层电阻率值和厚度值,以此作为初始模型进行Occam反演,并对初始模型不断修改再反演,直到计算的视电阻率曲线和实测的视电阻率曲线拟合差达到所要求的精度。1D反演形成2D拟断面,并能得到视电阻率剖断面。

2)2D反演 以1D Occam反演后得到的视电阻率剖断面作为2D反演的初始模型剖分网格,并设置反演参数进行2D非线性共轭梯度反演,最终得出2D反演视电阻率断面图。

3 成果资料解释

图1 2D反演(TM)视电阻率剖面图

在数据处理进行2D反演时,需要设定一些参数,以约束反演模型和迭代,比如平滑因子τ、门槛误差、加权函数α和β等。在TM极化模式下取平滑因子τ=1,门槛误差TM Rho=10%和TM Phase=5%,加权函数α=0.3和β=0,迭代100次后,均方根误差RMS=2.123。最后得出 2D反演视电阻率断面图和2D模型的实测的与计算的视电阻率拟断面拟合比较图,如图1和图2所示。图2中,上半部为实测的2D视电阻率拟断面图,下半部为计算的2D视电阻率拟断面图。由图2可看出,计算的视电阻率值和相应深度绝大部分与实测视电阻率值和相应深度相符合,拟合效果是令人满意的。

钻孔井-1、井-2和井-3的位置分别处于测点L0-1300、L0-1150和L0-1050附近,开孔角皆为80°。地形最高点在测点L0-1350附近,地质剖面中的钻孔位置和角度如图3所示。由图1中可看出,反演不足之处是细节的反映不强,尤其是近地表细节反映不详细。测点L0-950到L0-1400下大概350m处出现高阻异常,视电阻率等值线梯度变化比较大。

图2 实测的2D视电阻率拟断面和计算的2D视电阻率拟断面的拟合比较图

图3 矿区测线地质剖面图

根据地质及钻孔资料,井-1孔遇角岩,大理岩和角岩夹层,部分橄榄岩,钻孔底部遇花岗岩;井-2孔大部分为橄榄岩。井-3孔大部分为辉石橄榄岩和辉绿岩,少量花岗斑岩、角岩、石英正长斑岩和黑云母花岗岩等。

在视电阻率深度断面图中,近地表岩层严重风化破碎含水,在电性上都表现为低阻;井-1孔底部遇花岗岩的部位为高阻区,在图1中显示为高程450m左右,此区域以下为高阻体。井-1孔至井-3孔之间大部分为辉石橄榄岩,表现为低阻,在图1中的显示为测点L0-1300至测点 L0-1050之间高程400m以上为低阻,与地质剖面图对应的很好。

根据地质资料,超基性岩体呈北东方向展布,总体向北西陡倾斜,自北东向南西侧伏,超基性岩主要集中分布在剖面的中部。图3和图1比较显示,2D反演视电阻率断面图的大号端 (L0-1350至L0-1700)高阻界面变化比较陡峭,小号端 (L0-1350至L0-900)高阻界面比较平坦。基本能反应向西北陡倾斜的地质构造,在高程300～400m处的高阻体界面可以预测在测线剖面超基性岩体的埋深情况。

[1]王家映.石油电法勘探 [M].北京:石油工业出版社,1992:114-115.

[2]严良俊,胡文宝,杨绍芳,等.电磁勘探方法及其在南方碳酸盐岩地区的应用 [M].北京:石油工业出版社,2001:61-62,49.

[3]Strangway D W,Swift C M,Holmer R C.The application of audio-frequency magneto-telluric(AMT)to mineral exploration[J].Geophysics,1973,38(6):1159-1175.

[4]Rodi W,Mackie R L.Nonlinear conjugate gradients algorithm for 2-D magnetotelluric inversion[J].Geophysics,2001,66(1):174-187.