李 星，牛 杰，高明山，解 康，冯 毅 ，颜拓疆，魏海民，杨 锁

(1.云南冶金资源股份有限公司，云南 昆明 655000；2.天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301800)

0 引言

云南文山州铝土矿资源丰富，铝加工业已成为云南省经济发展的支柱之一，但目前，云南铝土矿产业所使用的资源以堆积型铝土矿为主，矿源面临着不足的问题，因此，加快深部沉积型铝土矿的勘查，对保证云南省铝土矿资源具有重要意义。

音频大地电磁测深(AMT)是一种频率域的电磁勘探方法，该方法具有勘探深度大，分辨能力强，观测效率高等特点，是研究深部构造和寻找隐伏矿的有效手段之一[1-2]。目前AMT在金属矿、油气藏、煤田、地热及工程等领域都有广泛应用，目前正在向多种物探方法综合应用联合解释方向发展。除此之外，航空电磁法也在迅速发展并得到应用。正演方面目前主要有有限差分法，有限元法及积分方程法，三种方法在二维正演中都已发展成熟，但是在三维正演中各有利弊，有限差分法要求规则化剖分，有限元法在处理大型问题存储量大，求解速度慢。积分方程法精度较低，求解的精度依赖于系数矩阵的精度，不适合模拟复杂模型。目前任政勇等人[3-4]提出一种新的三维大地电磁积分方程正演技术，即采用四面体单元、解析的并矢Green函数奇异积分表达式，达到既能模拟地下复杂异常体，又能有效提高已有积分方程法计算精度的目的，实现了三维大地电磁问题的高精度求解。三维反演方面也在迅速推进，大地电磁测深三维反演系统的研究正在开展之中。仪器设备方面，正在向分布式高效率高精度数据采集方向发展，航空电磁法设备也已在实际生产中得到应用。

铝土矿的地球物理勘探方面，目前能见到的文献有关于瞬变电磁法，可控源音频大地电磁法，直流电测深法[5-7]，AMT法。本文针对文山该矿区沉积型铝土矿相对围岩呈低阻高极化的地球物理特征，通过实地踏勘，结合矿区地质及地表人文干扰情况，考虑到AMT设备轻便，不受高阻层屏蔽影响，对低阻层反应灵敏，认为在该矿区开展AMT测深具有实际可操作性，预期可取得满意的效果。

1 研究区地质及地球物理特征

1.1 地质特征

文山州地处特殊的大地构造位置，沉积建造在时间和空间上比较复杂。区内沉积岩地层广泛发育，除侏罗系、白垩系缺失外，从元古界至新生界均有出露。区内出露最老地层为震旦系屏边群冒地槽型复理石建造，下寒武统假整合覆于屏边群之上；寒武系下部为浅海相石英砂岩建造，向上渐变为浅海相及滨海相碳酸盐建造和砂泥质建造；奥陶系亦为浅海相碳酸盐建造和砂泥质建造；上古生界及三叠系为一套厚度不大的碳酸盐建造和砂泥质建造，表现了比较稳定的地台型沉积特点。

区内沉积型铝土矿床的形成，是长期地质历史演化的产物，加上区内矿石含钛总体偏高，矿床物质来源主要为上二叠统玄武岩，其次为上石炭统威宁组灰岩，成矿作用有机械搬迁、红土风化壳溶滤改造、水域中化学分解、胶体化学和生物作用等，具有多期、多因素、多阶段的成矿特点；成矿过程大致分3个阶段：①基底上升隆起遭受剥蚀、切割夷平和喀斯特化阶段；② 迁移堆积溶滤富集阶段；③沉积海解成岩再富集阶段。

工作区出露地层由老至新为石炭系灰岩、生物碎屑灰岩，二叠系铝土矿含矿岩系夹炭质泥岩、煤层、铝土矿，三叠系飞仙关组粉砂质、砂质泥岩，三叠系永宁镇组泥质灰岩、灰岩。

矿区沉积型铝土矿赋存于二叠系龙潭组底部，上覆地层为三叠系飞仙关组，下伏地层为石炭系碳酸盐基底。据矿区铝土矿赋存层位及相互接触关系，上石炭统威宁组灰岩与上二叠统龙潭组底部的不整合接触界面是沉积型铝土矿体的沉积部位，也是间接的找矿标志。加之矿体严格受上二叠统龙潭组层位控制，已发现的原生沉积矿床均赋存于上述地层底部铁铝岩或含铝岩系中，同时地表堆积型铝土矿对沉积型铝土矿有较好的指示意义，亦可作为寻找沉积矿的找矿标志之一。

1.2 地球物理特征

工作区岩矿石物性参数经测定统计见表1。

工作区地层电阻率具有如下特征：沉积型铝土矿含矿层整体偏低阻；含矿层顶板整体为中阻；含矿层底板为中高阻。目标层与围岩电性差异明显，具备开展AMT测深的物性条件。

表1 矿区地层、岩矿石物性参数统计

2 方法技术与数据处理

2.1 方法原理

AMT是基于电磁感应原理，在地面测量相互正交的音频范围(0.1～50 kHz)电场和磁场分量，计算视电阻率和阻抗相位(简称相位)，研究地下电阻率结构的一种被动源的频率域测深方法。AMT测量相互正交电场分量E与磁场分量H，并通过二者求得阻抗Z，平面电磁波的波阻抗的计算方法为

(1)

其中：V/m为电场强度单位；A/m为磁场强度单位；Ω为波阻抗单位。

地表X、Y轴上：

(2)

(3)

Zxy=-Zyx

(4)

在只考虑波阻抗的振幅的前提下，均匀半无限介质电阻率为

(5)

(6)

其中：ω为角频率，μ为磁导率，ρ为电阻率。

卡尼亚电阻率为

(7)

式中：f为频率，T为f的倒数。只要在地表观测到两个正交的水平电磁场(Ex，Hy)，就可以获得地下的视电阻率ρs，既卡尼亚电阻率，又根据电磁波的趋肤效应理论，导出趋肤深度公式为

(8)

式中：h为探测深度，ρ为电阻率，f为频率。

2.2 工作部署及参数

本次仪器使用德国Metronix公司的GMS-07e综合电磁法仪，测量电偶极子长度为20 m，测点距20 m，采集频段为131 kHz、16384 Hz、4096 Hz、1024 Hz，所采集频率通过滤波后可取得1 Hz或0.1 Hz频率数据。矿区地质概况及工作布置情况详见(图1)。

图1 AMT测深工作部署图

1—个旧组灰岩、白云质灰岩 2—永宁镇组泥灰岩 3—飞仙关组上段泥岩 4—飞仙关组下段泥岩、粉砂质泥岩 5—龙潭组 6—威宁组灰岩、鲕状灰岩 7—大塘组灰岩 8—坝达组灰岩 9—堆积型铝土矿 10—沉积型铝土矿 11—断层 12—AMT测线

2.3 AMT数据处理

数据预处理采用国内研发的Mapros软件，主要功能是将原始数据进行FFT变换得到视电阻率-频率曲线及相位-频率曲线，为后续的数据反演做好准备。

数据处理采用Pioneer软件，本文中一维反演采用自适应正则化反演(ARIA)。在二维反演方面，Pioneer完整地实现了带地形的二维非线性共轭梯度法(NLCG)反演技术，包括一个完善的网格生成器，其中可采用最新技术自动构建高质量的测点中心网格，并且自动拟合测点海拔数据构建地形网格，从而使得带地形的二维反演和普通的二维反演一样方便。下面简要介绍ARIA一维反演及NLCG二维反演的基本原理。

2.3.1 ARIA一维反演

该反演方法是陈小斌等(2005)提出的大地电磁自适应正则化反演算法，实现了模型约束目标函数的三种约束：最小模型约束、最平缓模型约束和最光滑模型约束。基本原理为首先定义目标函数

Φ1=ΔdTσdΔd

(9)

式中：Φ1为观测数据目标函数；ΔdT为Δd的转置矩阵；σd为数据方差相关矩阵；Δd为理论响应与观测数据之差的向量。

Nd；j=1，2，…，Nd

(10)

式中：R为粗糙度核矩阵；f为基本结构插值基函数；Nd为第k个基本结构中的节点数；j0为该基本结构的中心节点的编号；n表示对空间坐标的n阶导数，n=0为最小模型约束，n=1为最平缓模型约束，n=2为最光滑模型约束。

于是，总的目标函数为

Φ=Φ1+λΦ2=ΔdTσdΔd+λR

(11)

式中：Φ为总目标函数，Φ1、Φ2为先验约束条件的目标函数，λ是正则化因子，其他符号同上。

根据数据目标函数和模型约束目标函数的关系，提出了两种正则化因子的自适应调节方案(简称为MD方案和CMD方案)：

(12)

(13)

根据使目标函数式(11)极小的原则，可得反演方程

(14)

式中：m0为当前已知的模型参数向量；Δm为待求的模型修正量；G0为模型参数向量为m0情况的雅可比矩阵，其他符号同上。

2.3.2 NLCG二维反演

NLCG(nonlinear conjugate gradients)反演算法是Rodi等提出的一种快速、稳定、收敛的二维反演计算方法，其正演模拟方法是基于有限差分法。反演计算的基本策略如下：

反演计算的目标函数表示为

Ψ(m)=[d-F(m)]TV-1[d-F(m)]+

λmTLTLm

(15)

式中：λ为正则化因子；V是与误差向量e相关的协方差矩阵；m是定义电阻率函数的参数向量；F(m)是正演模型函数；d是观测数据向量；L是与模型参数相关的二维微分矩阵。

NLCG反演计算可以简单描述为

m0=given

(16)

Ψ(ml+αlpl)=minΨ(ml+αlpl)

(17)

ml+1=ml+αlpl，l=0，1，2，…

(19)

式中：αl是为搜索步长；pl为模型空间的搜索方向，可以采用下面的关系式来确定

p0=-C0g0

(20)

pl=-Clgl+βlpl-1，l=1，2，…

(21)

式中：g为目标函数的梯度和海森矩阵向量；Cl为先验信息或先验矩阵，其表达式为

Cl=(γlI+λLTL)-1

(22)

当不存在先验信息时，先验矩阵将变为单位矩阵，即Cl=I。

实践证明，NLCG反演处理方法是比较有效的，反演结果具有较高的分辨率，反演计算具有较快的速度，且只需较小的存储量。另外，NLCG反演方法可以进行联合反演，如TE和TM视电阻率和阻抗相位的联合。当然，NLCG反演方法尚有不足，比如对初始模型的选择存在依赖性，正则化参数选择需要凭经验输入。

3 方法试验及地质地球物理找矿模型

3.1 可行性试验研究

通过对已知地质2号勘探线进行AMT可行性试验，本勘探线自西向东分别出露：永宁镇组(T1y)泥灰岩，飞仙关组上段(T1f2)泥岩，飞仙关组下段(T1f1)泥岩、粉砂质泥岩，龙潭组(P3l)煤层、炭质泥岩、铝土矿，威宁组(C2w)灰岩、鲕状灰岩。F1断层出露，走向近SN向，推测为一正断层，倾向向西，局部反转，倾向向东，倾角不清，断层地表切断C2w、P3l2、T1f1、T1f2、T1y、T2g各地层，局部可看到地层明显错动。

试验使用参数：点距20 m，电偶极子20 m；采集频段为131 kHz、16384 Hz、4096 Hz、1024 Hz。

数据处理方法：处理畸变点，静态校正，结合地质多次进行1D与2D反演，成果见图2。

由图2可见，龙潭组岩性以炭质泥岩、煤层、铝土矿为主，整体形成一低阻体，在AMT测深电阻率二维反演剖面上表现为一条带状低阻体，倾向与铝土矿层一致。剖面左上端为永宁镇组，岩性为泥灰岩，视电阻率表现为中高阻。龙潭组上覆地层为飞仙关组，岩性为粉砂质、砂质泥岩，视电阻率表现为中低阻，由于电阻率相近，加之趋肤效应，飞仙关组与龙潭组形成的接触面电性差异不明显；铝土矿层下伏地层为威宁组，岩性为灰岩，视电阻率特征为中高阻，上石炭统威宁组灰岩与上二叠统龙潭组底部的不整合接触界面，该电性高低阻接触带是该区铝土矿成矿的有利部位。

图2 2线AMT测深可行性试验成果图

1—永宁镇组 2—飞仙关组上段 3—龙潭组 4—威宁组 5—铝土矿体 6—地质界线 7—电阻率接触带或推测有利成矿部位

从已知地质剖面反映的地质信息，钻孔中铝土矿的赋存深度，均与AMT反演剖面信息吻合。其中ZK2-1、ZK2-2、ZK2-3、ZK2-4四个钻孔中铝土矿体出露情况见表2。通过以上试验成果可以得出，AMT测深及相关参数适用于该区进行铝土矿勘查。

3.2 地质地球物理找矿模型

根据AMT测深可行性试验研究成果，建立工作区地球物理勘查手段寻找沉积型铝土矿模型：铝土矿赋存于二叠系龙潭组，主要岩性为炭质灰岩、煤层，煤层与铝土矿大多为互伴生关系，含矿部位位于龙潭组与其下覆地层石炭系威宁组的接触面，形成较稳定的低阻接触带，电阻率在30～800 Ω·m之间；下覆地层为石炭系灰岩，电阻率较高，电阻率在1600～6000 Ω·m之间，与铝土矿含矿层位电性差异明显；上覆地层为三叠系粉砂岩或泥灰岩，电阻率在600～8000 Ω·m之间，与铝土矿含矿层电性差异明显；地质特征及各层位的电性差异均为AMT提供了较好的基础。根据地质及岩矿石物性条件，建立矿区地质地球物理模型[8-10]，见示意图(图3)。

表2 钻孔中铝土矿体出露情况

图3 矿区地质地球物理找矿模型

4 AMT实测剖面分析

本次AMT共实测了4条剖面(10线、12线、16线、18线)，点距20 m，剖面长为1 km。以下重点阐述12线、16线的地质及地球物理特征，进行地质物探综合解释，介绍应用成果。

12线和16线在地质构造上具有相似的特征(图4)，自西向东分别出露有永宁镇组泥灰岩，电性特征呈中高阻；飞仙关组泥岩、粉砂质泥岩，电性特征呈中低阻；龙潭组煤层、炭质泥岩、铝土矿，电性特征呈低阻；威宁组灰岩、鲕状灰岩，电性特征呈高阻。

图4给出了12线和16线的AMT二维反演图及地质剖面推断成果图。由图4可见：①地表位置点号1900～2500浅部位置(高程1300 m以上)视电阻率在200～2000 Ω·m之间，相对围岩呈中阻特征，结合地质资料推断应为永宁镇组和飞仙关组，岩性上为泥岩、泥灰岩、粉砂质泥岩，所以在视电阻率上相差不大，两套地层的界限在该剖面上显示不是很明显。②地表位置点号2500～2700之间，剖面自浅而深分布有一条倾向向西的低阻带，视电阻率小于200 Ω·m，结合地质资料推断应为龙潭组煤层、炭质泥岩及铝土矿。因方法本身的体积效应特点，在反演剖面上低阻异常区放大。剖面东段距离地表400 m范围内呈现高阻特征，与低阻带靠近的层位视电阻率在1000～3000 Ω·m之间，向东距离低阻带较远的层位，视电阻率大于3000 Ω·m，结合地质资料推断为威宁组灰岩、鲕状灰岩，大塘组灰岩，由于岩性的电性特征相差不大(均为灰岩)，在反演剖面上未能区分这两套地层。已知断层F在点号2540附近电阻率差异明显，与实测地质构造反映一致。16线与12线不同之处：在F断层深部延伸位置反演剖面上呈低阻特征，相比于12线AMT反演剖面，16线的对F断层反映更为明显。两条测线的AMT反演剖面对地层层位的划分反映的都比较明显，同时也体现出了断层在视电阻率剖面图上的表现特征。

验证钻孔ZK12-1与ZK12-2揭示地质情况与AMT反演电阻率反映情况基本一致。在AMT推测的异常接触带上，ZK12-1、ZK12-2、ZK16-1、ZK16-2四个钻孔中铝土矿体出露情况见表3。总体而言，AMT电阻率反演剖面与验证孔地质及矿体推断情况吻合度高。

5 AMT综合分析

结合4条AMT测深线的反演剖面进行综合分析，见切片图(图5)。图中4条反演剖面分别按照测线实际位置分布，地质条件自西向东大体相同，地球物理特征相同，在此均不再赘述。图5反应出来的剖面特征与上述分析解释的两条AMT反演剖面特征大体相同，剖面西段浅部位置(淡蓝—绿色为主区域)相对围岩为中低阻，视电阻率在100～2000 Ω·m之间，反映的地层倾向为西，结合地质资料推断应为永宁镇组和飞仙关组，岩性上为泥岩、泥灰岩、粉砂质泥岩，所以在视电阻率上相差不大，两套地层的界限在该剖面上显示不是很明显。剖面地表位置点号介于2500～2700之间自浅而深分布有一条倾向向西的低阻条带(图中深蓝色区域)，相对围岩呈低阻特征，视电阻率小于200 Ω·m，结合地质资料推断应为龙潭组煤层、炭质泥岩及铝土矿。因方法本身的体积效应特点，在反演剖面上低阻异常区放大。剖面东段(黄色—红色区域)相对围岩为高阻，视电阻率大于1000 Ω·m，结合地质推断应为威宁组灰岩、鲕状灰岩和大塘组灰岩，由于岩性的电性特征相差不大(均为灰岩)。

图4 12线、16线物探AMT测深与推断成果图
Fig.4 The inferred result map of AMT measurement in geophysical prospecting line No.12 and No.16
1—永宁镇组 2—飞仙关组上段 3—飞仙关组下段 4—龙潭组上段 5—龙潭组下段 6—威宁组 7—大塘组 8—铝土矿体 9—地质界线 10—断层 11—电阻率接触带或推测有利成矿部位

表3 钻孔中铝土矿体出露情况

结合4条反演剖面整体来看，AMT反演剖面能够较好的反映出地层的倾向及对应岩性的电性特征，尤其对龙潭组低阻层位较为明显，在空间位置上反映出的地层层位具有较好的连续性；能够较好的反演出断层的空间位置，不同的剖面反演出的断层位置在空间上连续性较好。结合钻孔资料，其中10线钻孔ZK10-1在孔深350 m处见厚14 m的矿体(Al2O3平均品位为47.62%)；16线钻孔ZK16-1在孔深120 m处见厚10 m的矿体(Al2O3的平均品位为45.38%)，ZK16-2在孔深130 m处见厚11 m的矿体(Al2O3的平均品位为44.69%)；18线钻孔ZK18-1在孔深260 m处见厚16 m的矿体(Al2O3的平均品位为52.39%)，ZK18-2在孔深300 m处见厚15 m的矿体(Al2O3的平均品位为47.73%)。

综上，通过物探结合地质综合分析，4条测线均较好的揭示了已知地质构造，清晰勾画出各地层倾向、岩性分界面、蚀变带及接触带，对隐伏目标体的探寻起到较好的指示作用，均在物探推测异常带探获较厚大沉积型铝土矿[11-14]。

图5 10～18线物探AMT测深推断成果示意图

Fig.5 Schematic diagram of AMT measurement inference results in geophysical prospecting line No.10-18

1—永宁镇组 2—飞仙关组 3—龙潭组 4—威宁组 5—断层 6—电阻率接触带或推测有利成矿部位 7—钻孔及编号

6 探讨与结论

1)AMT测深方法具有探测深度大，快捷、对构造反映清晰等优点，但同时也存在静态效应大、易受电磁干扰及地形影响的缺点，只有充分结合地质情况，才能最大化其优势，达到理想的勘探效果。

2)充分加强对工作区地质情况了解与研究，同时建立起地质与所使用物探方法手段之间的相关性，才能使物探方法效果最大化[15]。

3)通过在已知地质剖面进行方法可行性试验研究，验证方法的有效性，总结出合适的方法参数和数据处理手段，能提升该方法在该区使用的有效性和准确性。

4)综合地质与物探信息，建立合理的地电模型，对矿区深部与外围找探矿极为重要。

5)通过本区AMT探寻沉积型铝土矿的实效，该方法及应用方式对该区探寻同类型矿床具有指导意义。