瞬变电磁三维拟合建模方法在芨岭地区地质体三维形态分析中的应用

雷阳，牛立群，王芳芳

（核工业二〇三研究所，陕西 西安 712000）

瞬变电磁方法已成功在金属矿产勘查［1］、地下水资源开发［2］、煤矿水害治理［3］、地质灾害勘查［4］、工程测量［5］中应用多年，其中也包括铀矿勘查工作［6］。国外，20 世纪80 年代瞬变电磁方法就在加拿大麦克阿瑟河铀矿勘查工作中开始应用［7］；国内，自20 世纪90 年代起，该方法由贺建国等应用于十红滩砂岩型铀矿床勘探工作中，并成功查明了控矿构造的位置、产状及延伸方向。但受技术水平影响，该方法很长一段时间只采用视电阻率断面和一维正反演解释［8-10］，导致该方法仅应用在北方中-新生代沉积盆地铀矿找矿工作中。

近年来，瞬变电磁方法三维数值模拟算法日趋完善，采用的主流数值方法有积分方程法［11-13］、有限元法［14-16］、有限差分法［17-19］、有限体积法［20-21］等。宋维琪等［22］采用有限差分方法对三维电偶源瞬变电磁响应进行了计算，肖怀宇［23］在Wang 等［24］研究基础上，对瞬变电磁带地形数据进行了三维数值模拟，孙怀凤等［25］提出了考虑关断时间的瞬变电磁三维时域有限差分正演方法，邱稚鹏等［26］对非正交网格情况下的带地形三维瞬变电磁场进行了模拟，臧公瑾［27］利用瞬变电磁三维正演拟合对复杂地电模型（陷落柱、断层破碎带、海相火山岩型矿床等）进行了建模研究。以上研究为开展本文所述研究提供了正演算法及数据分析建模基础。本文利用芨岭地区三分量定源测量数据，采用积分方程法开展三维正演拟合建模，将所得模型与前人测量结果进行对比，并浅析该方法在我国热液型铀矿勘查中的应用前景。

1 地质及地球物理概况

1.1 区域地质特征

芨岭地区位于龙首山-祁连山铀成矿带（图1）。该成矿带位于华北板块阿拉善隆起带西南缘。龙首山成矿带是早古生代早期碰撞造山形成的一条隆起带。区内断裂构造极为发育，按产状可以分为4 组：东西、北西、近南北和北东向，其中以北西向最为发育，近东西向次之，近南北向发育最晚，横切早期东西向和北西向构造［28］。

图1 芨岭地区构造地质简图Fig.1 Sketch geological structure map of Jiling area

根据前人研究成果［29-30］，龙首山地区基底产出古元古界龙首山岩群（Pt1ln），上覆墩子沟群（Pt2dz）和韩母山群（Pt3hm）不整合。区域内早古生界局部分布有寒武纪碎屑岩、碳酸盐岩。晚古生界分布有安山质凝灰岩、玄武岩，泥盆系紫红色磨拉石和石炭系、二叠系碎屑岩。

1.2 区域电性特征

芨岭地区主要岩性电阻率统计如表1 所示。该区板岩、角闪片岩为低阻体；千枚岩为偏低阻体；混合岩、正长岩为中阻体；花岗岩为中高阻体；大理岩、闪长岩为高阻体。区内岩石电阻率差异明显，具备开展电磁方法探测的前提。

表1 龙首山芨岭地区主要岩性电阻率统计表［31-32］Table 1 Statistics on the resistivity of the main rocks in Jiling area of Longshoushan [31-32]

2 实验工程部署

为方便将三维拟合建模结果与前人测量结果进行对比，将实验区选择在前人工作区，三条测线为S1、S2 及S3，其中，测线S3 与前人工作测线、测点重合（图2）。图2 中黑色线条为现场实验测线，长度为700 m，点距为25 m，线距50 m；蓝色线条为前人工作测线，长度为1 000 m，点距为50 m；红色方框为现场实验发射线框。

图2 实验装置布设图Fig.2 Layout of the survey line

现场实验布设400 m×400 m 方形发射线框，三条测线均位于框外，测量仪器选用加拿大Geonics 公司产PROTEM 系列瞬变电磁仪，发射电流为12 A，测量频率为25 Hz，接收线圈面积为200 m2，单次数据采集积分时间2 分钟，每个测点重复测量2 次。

为准确查明测区地质体三维形态，现场实验采用接收线圈测量Hx、Hy、Hz 三分量数据（图3）。实测数据中Hz 分量数据质量较好，显示了完整的磁感应强度变化率衰减过程；Hx 和Hy 分量数据尾支受到部分干扰，出现跳点，但跳点主要出现于15—20 道数据中，对本次数据建模分析工作影响不大。

图3 S1 测线部分测点实测衰减曲线Fig.3 Decay curve of measured data from some stations at survey line S1

3 数据三维拟合建模

3.1 三维拟合观测系统建立

对采集数据质检后进行预处理，在进行数据三维拟合建模前，先进行数据观测系统建立，即在计算机上重建测区信息，观测系统主要由发射源信息、接收参数信息、测线测点信息、地下电性层分布及目标地质体信息组成。在新区建立观测系统时，由于掌握的已知资料受限，不可能掌握地下电性层分布及目标地质体信息，可先建立均匀半空间介质，明确目标勘探深度，之后的三维拟合建模过程中根据数据信息逐渐明确地下电性层分布及目标地质体信息。

本次实验所选研究区为已知区，已掌握地下电性层分布信息，大致了解目标地质体位置，但对目标地质体三维形态还不清楚。

3.2 三维拟合建模网格建立

进行地质体精细三维形态分析的必要前提条件为建立复杂地电模型，这要求构建合适的网格剖分。由于复杂模型形态不规则，采用非结构化Delaunay 四面体网格剖分进行拟合建模贴合实际情况。

Delaunay 四面体网格剖分的网格精细度可用最小二面角大小控制，据臧公瑾［27］研究，一般模型计算最小二面角可取12～16 即可。经多次实验，本文三维拟合建模网格最终采用的最小二面角为12。

3.3 异常体地电模型建立

市售专业数据处理及建模软件如EMIGMA、Surpac、XModel 等均包含丰富的可视化三维模型建模功能，本次采用EMIGMA 软件中的POLY Generator 可视化建模工具包，以近似椭球形异常体为初始模型进行异常体地电模型建立，包含三维模型导入（自Vulcan、Surpac、AutoCAD 等软件导入模型文件）及六种三维初始模型（圆柱体、空心圆柱体、球体、椭球体、长方体及椭圆柱体）。

3.4 数据三维拟合建模

在计算机中重建测区信息并完成三维初始模型建立后，经检查可开展数据三维拟合建模。通过调整模型参数（围岩地层电阻率及层厚、异常体模型形态、倾向、倾角、电阻率等）进行正演得到正演衰减曲线，与实测曲线进行对比，之后重复该步骤，逐渐将正演曲线拟合实测曲线。在多次正演建模对比数据之后，最逼近实测曲线的正演模型即为测区地下三维拟合建模结果。

本次实验数据与三维模型建模流程图见图4，S3 线拟合曲线对比图见图5。

图4 实验数据与三维模型建模流程图Fig.4 Flow chart of data measurement and 3D model modeling

图5 S3 线各模型拟合曲线对比图Fig.5 Comparison of fitting curves of line S3 by each model

图4 演示了三维模型拟合建模流程，除重建测区信息外，每个步骤都包含多次数据拟合以得到最佳拟合曲线。本次数据得到的各步骤最佳模型参数为：

1）均匀半空间模型：半空间电阻率为700 Ω·m；

2）最佳电性层模型：第一电性层包含关断盲区和地表覆盖；下覆中低阻电性层，该层面电阻率为500 Ω·m，层厚140 m；下覆电阻率为1 500 Ω·m 的高阻电性层；

3）最佳电性层与椭球体模型：电性层信息与模型2 相同，椭球体信息为走向近北东向，最浅处埋深约50 m，椭球体长轴长500 m，短轴长220 m，电阻率为300 Ω·m；

4）最佳电性层与复杂三维地质体模型：电性层信息与模型2 相同，复杂三维地质体异常电阻率为300 Ω·m，其形态上中南侧向内凹进，北侧发育，近地表处形态尖锐。该异常体延长深度大，数据未能揭露异常体深部形态。

图5 为各个步骤三维建模数据与实测数据对比，其中，红色曲线为采集数据，橙色曲线为均匀半空间模型拟合数据，绿色曲线为最佳地层模型信息拟合数据，棕色曲线为添加近似椭球形异常体后，在不改变异常体形状时的最佳拟合数据，蓝色曲线为最终拟合数据。图5 中最终模型三分量的拟合曲线与实测曲线形态基本吻合，故认为该模型是最佳模型。

4 三维拟合建模结果与前人成果对比分析

2010 年贺建国［33］在测区开展了瞬变电磁测量工作，采用中心回线装置，测量视电阻率断面与三维模型对比图见图6。

图6a 中Y 方向公里网坐标4393900～4394100 m 处地下存在明显异常，该异常属于低阻体反映，且反映强烈，浅部直接穿透了地表覆盖层，最宽处超过300 m，且主要向北延伸，从视电阻率断面中难以判断该异常形态。较浅，浅部异常特征明显。模型在测线间亦有形态变化，记录该形态变化的主要数据来源于Hx 及Hy 分量。通过对比可以发现该异常体建模能够和视电阻率断面图较好的吻合。图6b 为本次实验得到的测量数据三维拟合模型，模型中异常体向西北部发育，最浅部埋深

5 结 论

1）三分量定源测量结合三维拟合建模的技术手段可以满足一般地质工作的要求，提供合理的物探异常解释后能够直观的转化为地质模型。同时，相对于视电阻率断面图，三维拟合可以更好地收敛异常边界，为地质体三维形态分析提供较为精确的模型。

2）测量时应注意点线距不能过大，否则对于异常体没有足够的数据进行解译，可能出现单线或单点引起的假异常。

3）三分量数据对揭示测线间地下异常体形态具有重要的参考作用。

4）地质情况越复杂，进行三维拟合建模模型计算的时间就越长。因此，这种工作手段更适用于详查阶段的勘查工作。