|
|||||
|
|||||
|
|
|||||
罗凡
, 严加永
LUO Fan, YAN Jia-Yong
中图分类号: P631
文献标识码: A
文章编号: 1000-8918(2018)01-0050-11
责任编辑:
收稿日期: 2016-11-8
修回日期: 2017-01-9
网络出版日期: 2018-01-20
版权声明: 2018 物探与化探编辑部 《物探与化探》编辑部 所有
基金资助:
作者简介:
作者简介: 罗凡(1994-),男,硕士在读,主要从事固体地球物理研究工作。Email:272163111@qq.com
展开
摘要
安徽泥河铁矿是一个典型的玢岩型铁矿,矿体埋深大,在地表产生的重磁异常幅值较小。为评估重磁资料精细处理与三维反演在磁铁矿深部勘查中的应用效果,选择泥河铁矿开展基于已知信息约束的重磁反演试验:首先通过模型试验对比了不同已知信息约束条件下的三维反演效果,然后通过针对性的位场分离方法提取了泥河铁矿的剩余重磁异常,将已知的地表地质信息转化为物性信息,构建了剩余密度和磁化率参考模型,用以约束重磁三维反演。根据反演所得密度体及磁化率体的三维分布模型,结合物性与岩性之间的关系,确定了泥河铁矿体的三维空间形态,该结果与地质勘探结果基本吻合。研究结果表明,基于已知信息约束的重磁三维反演,可以大幅提高反演结果的可靠性,对于高磁高密度的磁铁矿而言,是寻找和刻画深部磁铁矿体的有效方法。
关键词：
Abstract
The Nihe iron deposit is a typical porphyrite type iron deposit with large burial depth,small amplitude of gravity and magnetic anomalies generated at the surface in Anhui Province. The authors selected the Nihe iron deposit to carry out gravity and magnetic inversion experiment based on known information constraint, in order to evaluate the application effect of gravity and magnetic data fine-grained and three-dimensional inversion in magnetite deep exploration: First of all, through the model test, the authors compared the three-dimensional inversion results with different known information constraints, and then extracted the residual gravity and magnetic anomalies of the Nihe iron deposit through the targeted field separation method. Then, the authors transformed the known surface geological information into physical information, and built a remnant density and magnetic susceptibility reference model to constrain gravity and magnetic three-dimensional inversion. Based on the three-dimensional distribution model of inversion density and magnetic susceptibility body, the authors confirmed the three-dimensional spatial shape of the Nihe iron orebody, and found that the result is basically consistent with geological exploration results. According to the results, the reliability of the inversion results based on the known information constrained gravity and magnetic three-dimensional inversion could be improved. For magnetite with high magnetic and high density, this method is an effective method to find and characterize deep magnetite orebody.
Keywords：
安徽泥河铁矿是在玢岩铁矿模式、大型矿集区成矿理论的指导下,系统分析研究成矿地质条件和成矿规律,选择弱重磁异常同高套合的区域,利用钻探对磁异常进行验证而发现的,是近年来长江中下游地区重大找矿突破之一[1]。重磁勘探具有效率高、覆盖范围广、成本较低、不受地域条件约束等特点,是地球物理面积性勘探的重要方法。泥河铁矿所在的庐枞矿集区完成了1:5万重磁勘探调查,为区域找矿预测及各种方法试验提供了基础数据。严加永等[2]统计了庐枞矿集区物性与岩性之间的关系,刻画了矿集区的主要岩性分布,为实现矿集区的透明化提供重要依据。祁光、匡海阳等[3-4]利用重力、重磁联合人机交互式反演方法,揭示了泥河铁矿的成矿模式、地层分布特征及与成矿相关的岩体。
由于重磁数据在垂向上分辨能力不足,要减少重磁数据的三维反演的多解性,提高三维反演的分辨率,需加入岩石物性、地质、钻孔资料等其他地球物理资料作为约束条件进行反演。Williams[5],BosczzuK等[6],Lǚ等[7],Anderson等[8]通过建立理论模型、约束模型进行反演取得的良好应用效果,说明了应用各种已知信息来约束反演的有效性及可行性。
笔者基于已知信息(地质信息)约束的重磁反演及根据泥河磁铁矿的高磁性及高密度的特征圈定了泥河铁矿矿体的范围。结果说明基于先验信息约束的重磁三维反演是寻找并刻画深部磁铁矿三维空间形态的有效方法。
泥河铁矿床毗邻郯庐大断裂东侧,位于庐枞火山岩盆地西北边缘[9-10]。泥河铁矿床主要受秦岭造山带的演化、中生代古太平洋板块和欧亚大陆板块的相互作用、郯庐断裂带活动及长江中下游断陷带这4大构造体系的影响及晚白垩纪受岩浆侵入的影响,侵入岩为辉石、闪长玢岩及脉岩等,后受强蚀变及矿化作用共同影响而形成的[11-12]。泥河铁矿床(图1)地表出露地层主要为第四系(Q)覆盖,零星出露有下白垩统双庙组(K1s),地表地层产状平缓。矿区下伏地层从新到老为杨湾组(K1y)、下白垩统双庙组(K1sh)、上侏罗统砖桥组(K1z)。杨湾组地层主要岩性为红色砂砾岩、泥岩等,称为“红层”,呈现出弱、无磁性,地层厚度在0~112 m范围之间,与下伏火山岩呈角度不整合接触。砖桥组和双庙组主要岩性为火山碎屑岩或者火山熔岩类,磁性较强,但不均匀,其地层总厚度大概在600~800 m范围之内,下伏闪长玢岩岩体。矿体位于闪长玢岩体与砖桥组的接触带附近在650~1 000 m之间,呈透镜状及似层状[13]。由于矿体的形成受到多期岩浆的作用[14-15],导致地质结构及矿体结构较复杂,难以确定矿体的位置。
分析岩矿石的物性参数是进行地球物理与地质情况联合解释的前提。根据前人[3-4]所统计的泥河铁矿的岩矿石的物性资料筛选出所需资料(表1),为之后的约束反演工作奠定基础。
表1 岩(矿)石密度及磁化率
| 年代 | 岩石名称 | 地表 | 磁化率/SI | |
|---|---|---|---|---|
| 标本数 | 密度/(g/cm3) | |||
| K-E | 红层(砂砾岩) | 11 | 2.43 | 微磁性 |
| J3-K1 | 粗安质、安山质熔岩 | 38 | 2.51 | 0.015 |
| 凝灰岩 | 40 | 2.44 | 0.010 | |
| 砂页岩 | 35 | 2.50 | 微磁性 | |
| J1-2 | 次生石英岩 | 50 | 2.51 | 微磁性 |
| 正长岩 | 47 | 2.48 | 0.019 | |
| J3-K1 | 闪长玢岩 | 25 | 2.63 | 0.041 |
| 辉石粗安(玢)岩 | 11 | 2.63 | 0.015 | |
| Py | 硫铁矿 | 34 | 3.17~3.51 | 0.00068~0.51 |
| Mt | 磁铁矿 | 79 | 3.17~3.51 | 0.1225~0.2 |
| Ah | 硬石膏矿 | 11 | 2.8~3.1 | 0~0.00004 |
由于重磁位场数据既包括区域异常,又包括局部异常,直接利用观测场进行位场反演不能真实地反映地下地质体的情况,需将研究对象所产生的异常从叠加异常中提取出来。而不同的地质情况需要使用不同的方法进行异常分离,才能得到较好的分离效果。一般是采用多种不同方法进行分离对比试验,若两种或两种以上方法所分离出来的结果相近,则在概率学角度上认为分离较为合理。
研究区1:5万的布格重力异常如图2a所示,布格重力异常整体分布较为简单,可以大致分为两个部分西北部分和东南部分,西北部分是低值区域,东南部分是高值区域,东南向西北值逐渐降低,中部呈现北东向的明显梯度带,与推测的大断层相吻合。布格重力异常反映的是宏观的地质现象,为得到我们所需的局部或浅部的密度体信息,我们需要对布格重力异常进行分离,提取局部场[16]。
笔者通过对解析延拓(上延800 m)(图2b)、趋势分析(一阶趋势分离)(图2c)、高通滤波(波长5 km)(图2d)[17-18]这3种常见的分离方法进行对比验证,发现这3种分离方法所分离出来的剩余重力异常结果相近,都在研究区中部呈现蝌蚪条带状高值,在西北部分呈现大范围的异常低值,且在高值与低值的过渡带中间呈现出明显的梯度带。根据与已知地质情况相结合,认为解析延拓方法可以很好地提取出剩余异常,较好地反映地质情况,适合作为泥河铁矿重力三维反演的异常数据处理方法。
图3a为研究区1:5万航磁ΔT异常,数据范围与重力数据重合。矿区磁场主要划分为正负两个部分,东南部为正磁场区域,西北部为负磁场区域。正场区,由局部圈闭正值异常组成,较杂乱,部分异常强度能达到400 nT左右。负场区,等值线较平缓,圈闭区域较少,磁场较为平静。
为消除斜磁化的干扰影响,对原始的磁异常进行化极或者化赤处理,经过化极处理后的磁异常(图3b)与未化极(图3a)相比,出现了一条明显北东向长条状的正磁异常,且周围的正值局部圈闭范围变小,正值异常更为集中。为了提取所需的剩余磁异常,本文采用解析延拓(上延800 m)(图3c)、高通滤波(波长5 km)(图3d)两种方法互相印证,均获得了形态较好的磁异常,磁异常被进一步的凸显,地表杂乱的正负异常被剔除,所需的深部异常信息表现较为完整,呈现为北东向长条状正异常,通过两种方法所提取的磁异常结果是相近的,即提取的剩余异常是可靠的,故采用化极后解析延拓法处理后得到的剩余异常。
本次试验工作采用的基本软件是由英国哥伦比亚大学开发的重磁物性三维反演软件组件UBC Mag3D及Grav3D,其基本理论是由Li yaoguo等提出的重磁反演算法[19-20],将图形界面与反演算法很好的结合到一起,可方便地进行带先验信息约束的反演工作[5,21],反演的目标函数如下:
其中:ϕd为数据的目标函数,ϕm为模型的目标函数,μ为正则化参数,是平衡模型适用性和数据拟合误差的一个权重参数。
数据目标函数定义为观测数据与模型正演响应权重差的L2范数,即:
其中:三角矩阵Wd由观测数据标准误差的倒数构成。
在模型目标函数中加入反演模型和参考模型的二范式差值,使最终的反演模型与给定的参考模型接近,即:
其中:mref为先验信息参考模型,m为每次迭代的反演模型,ws,wx,wy,wz为权重函数,ws是空间权重函数,控制各个网格单元和参考模型网格单元的物性特征;参数wx,wy,wz控制单元模型各个方向的平滑度;αs,αx,αy,αz为各方向的相关性系数;wr(z)为深度或距离的权重函数。
将已知的物性、钻孔及地质信息作为重磁数据三维反演的约束信息,减少重磁数据三维反演在垂向分辨率上存在的多解性问题。通过预先设置参考模型mref(约束单元格期望的物性平均值)、边界范围(约束单元格期望的物性范围)及权重函数(约束单元格物性的置信水平)3种方式来改变模型的目标函数实现约束反演。
为检测不同的约束条件(地表物性约束、长宽比约束、权重约束及钻孔约束等)对反演所起到的约束作用大小,建立了如图4所示的理论密度模型,进行在不同约束条件情况下对理论模型体进行反演的效果对比试验。
重力异常的场源是由两个形状大小、走向不同,埋深、密度(ρ)相同的模型体构成。模型由风化层、围岩、基岩3层构成,各模型体具体参数见表2所示。利用英国哥伦比亚大学开发的UBC软件中的Grav3D组件对理论密度体模型进行不同约束条件下的反演,反演结果如图5所示。
从图5中的理论模型体在不同约束条件下进行反演的得到效果对比说明,不加任何约束的反演,能大致反映出异常体的大致位置,但对于异常体的深度、走向无有效反映,且对于近地表的风化层的低密度区域无反映,与理论密度模型体地表不符;添加地表信息进行约束反演,在近地表的区域出现了大范围的低密度区域,整体效果得到明显变化,与理论密度体模型地表相符,且对异常体的深度有一定的约束作用,但对异常体的走向无有效反映;添加地表信息、异常体的长宽比信息进行约束反演,发现对异常体的深度范围的约束作用较大,能大致识别异常体的深度范围,但对异常体走向还是不明确;添加地表信息、异常体的长宽比信息及钻孔信息进行约束反演,能大致反映异常体的位置、深度范围、走向,且能反映地表的低密度区域,与所建的理论密度体模型相近,反演结果更加真实可靠。
综上所述,地表约束对于反演效果影响较大,特别是地表、近地表这个区域;长宽比约束对于反演异常体的深度范围起到积极作用;钻孔信息是对地下深部信息的有效探测,增强了重磁资料数据在垂向上的分辨率。加入约束比未加任何约束反演效果好,添加多种约束比单一约束反演效果好,反演效果更加真实可靠。
进行重磁三维反演的软件是由英国哥伦比亚大学开发的带稀疏先验信息约束的三维重磁物性反演软件UBC-GIF中的重力反演(Grav3D)和磁法反演(Mag3D)组件。先用Encom Modelvision 13软件对泥河铁矿的重磁数据进行提取重磁剩余异常,再用UBC Grav3D和Mag3D进行反演得到重磁三维反演结果,最后使用三维可视图软件Encom PA对反演结果进行三维成图等处理。
3.3.1 反演区域网格剖分
参与重力三维反演的数据为进行向上延拓800 m之后获得的剩余重力异常数据(图2b),磁三维反演数据采用化极后解析延拓提取的剩余异常(图3c)。为保证重磁数据套合一致,重磁三维反演均采用相同的网格剖分,将观测区域地下1500 m范围之内作为反演的目标区域,目标区域的单元尺寸设置为100 m×100 m×50 m,为减少边界效应,对该区域进行扩边,区域扩边1 000 m,深度扩边1 500 m,扩边区域的矩形单元尺寸设置为500 m×500 m×250 m。将地下区域划分为66(EW)×71(SN)×36(垂向)共168 696个矩形网格单元。
3.3.2 建立地质—物性约束模型
为增强三维反演的可靠度,根据已知的地质与物性资料来构建约束参考模型。笔者采用重磁同网格剖分,且不考虑地形的影响,参考模型值为各地层和岩体统计值减去背景场(2.6 g/cm3)的值,表3为重磁三维反演中地表出露地层的建立地表约束参考模型的赋值表。对矿区的地质图进行简化,将地质单元通过物性统计转换成物性单元,建立地表的密度参考模型(图6a)及磁化率参考模型(图6b)。
表3 地表参考模型赋值
| 地表出露地层 | 平均密度差/(g/cm3) | 平均磁化率/SI |
|---|---|---|
| Q(第四系) | -0.60 | 无磁 |
| K-E(红层) | -0.17 | 微磁 |
| K1f(浮山组) | -0.16 | 0.014 |
| K1sh(双庙组) | -0.16 | 0.016 |
| ταμ(粗安玢岩) | 0.03 | 0.032 |
| J3zh(砖桥组) | -0.09 | 0.016 |
3.3.3 反演参数设置
UBC-GIF软件在反演过程中,主要参数包括:反演模式、深度权重、α系数及长宽比例、边界、初始模型及参考模型等。简要介绍各参数的意义,及说明反演设置参数。
反演模式:有3种不同反演模式,目的都是找到一个平衡参数来匹配平滑度、最小限制及地球物理数据,常用的有Chifact模式和GCV(广义交互验证)模式两种。前者数据在可靠的前提下进行的不确定性反演, 默认值为1, 亦可重新定义一个新的Chifact模式。GCV模式适用于数据网格合适但是不确定性程度不能判定,其采用计算的方法搜索出权衡参数,用来推导估计值的不确定性。由于泥河铁矿重磁数据采集是根据布设的线网来采集的,对于其不确定性程度不能判定,若假设的不确定性程度高,太多的观测数据将被视为不必要的噪声,在反演模型中会丢失很多细节信息;反之,观测数据中的噪声会对反演结果产生过多的影响。故反演采用GCV模式。
深度加权:由于构造函数的函数是线性的,根据理论公式中的数值会随深度增加呈指数衰减,导致反演结果密度分布会趋向于地表附近,为克服此情况需加入加权函数使反演的密度分布在合理的位置。对于地表水平或近似水平的情况,使用深度加权中的深度加权函数,对于重力反演β=2,磁反演β=3(β用来减少衰减效应的影响)。对于地表起伏,观测数据中含有地形数据,且地质信息不规则稀疏分布时,使用距离加权函数,对于重力反演β=2,磁反演β=3。由于数据不包含地形数据,且数据采集地形较平,故采用深度加权函数。
α系数及长宽比例:均用来控制模型的平滑度以拟合参考模型,α系数由As、Ae、An、Az组成,As表示目标函数系数,后3个分别表示控制模型EW、SN、垂向上的3个方向上的平滑度,由于α系数只能在一个模型中定义一个矩形单元的长度比例,不能很好地定义预期的模型中地质体的形态。长宽比例由Le(EW)、Ln(SN)、Lz(垂向)3个方向上的平滑度组成,定义预期的模型中的地质体的形态。纵横比的倍率是基于地质上的观测与推断的,基于前人的资料推断泥河铁矿含矿岩体只是存在于一特定深度范围之内,故本次反演将长宽比例设置为 2:2:1。
边界:限定特定区域或矩形单元格有规律的物性变化,可输入边界文件或上下限值来达到所需的边界限定效果,由于对地下岩体的边界范围并不了解,故采用软件默认值来进行重磁三维反演。
初始模型:反演开始时的物性分布,若有初始模型则加载初始模型文件进行反演,无初始模型则将其设置为默认的零值模型,本文无初始模型,即为零值模型。
参考模型:反演后的模型应最大程度上拟合参考模型,默认值为0(g/cm3或SI),通过加载所建好的参考模型文件来实现。本次反演为带地质信息约束的反演,将上文中所建立的地表密度参考模型、磁化率参考模型为约束条件,进行重磁三维约束反演工作。
3.3.4 反演结果
将建立好的重力、磁数据文件,网格文件,参考模型等文件导入软件中,并根据反演数据及反演目标来设置参数,进行带约束的反演,得到重磁三维反演结果。
通过带地表地质信息约束的重磁反演响应与在泥河铁矿观测后经过数据处理之后的重磁剩余异常对比(图7)可以看出,重磁反演响应与重磁剩余异常在总体的趋势上呈现一致,高值异常均出现在中部区域,成北东向斜长条状,且在高值斜长条状以北均出现大面积的低值区域;在细节上多个地方存在差异,磁异常反演后的响应出现水平条带异常畸变是由于测区数据有限,产生的假频而出现的震荡,但并不影响其总体趋势,说明了观测值与预测值的差值较小,说明反演结果的准确性较高。
采取高通滤波及向上延拓两种方法处理得到的重磁剩余异常数据分别进行三维约束反演,并提取重磁异常高值岩体,图8为分别提取的重磁高值岩体对比。对比三视图发现延拓法与滤波法获得的剩余异常数据进行三维约束反演提取的重磁高值岩体的大致形态与位置是相似的,在细节形态上存在差异,说明这两种方法均能反映重磁高值岩体的大概位置,但由于滤波法得到的重磁高值岩体的范围比延拓法得到的重磁高值岩体更广,故使用延拓法获取的剩余异常进行重磁三维约束反演。图9a为重力约束三维反演结果,图9b为磁法约束三维反演结果。
3.3.5 重磁三维反演结果与矿体特征
勘探成果表明,泥河铁矿是在1:5万航磁异常与重力异常套合地区,利用钻探进行验证而发现的复合型矿体,且在重磁异常重合的前提下,磁源重力异常相一致,即重、磁同源特征。由泥河铁矿的矿石物性特征统计(表2)发现,矿区的含矿岩体相对于围岩来说都是高密度及高磁化率体(硬石膏矿石为低磁)。通过理论分析得,通过含约束信息的重磁三维反演得到密度体与磁化率体,根据矿体与围岩之间明显的物性差异,可以将矿体划分出来[22]。通过三维可视图软件Encom PA对重磁高值体(图10)进行提取,根据重磁异常高值套合同位区形成的位置大致圈定含矿岩体位置及范围。对单一的高值体也不能忽视,图10为单一高磁化率岩体分布和单一高密度岩体分布,需要对其进行进一步的认识,参考其他物探方法对其进行综合评述。
1)重磁场分离是提取深部矿体信息的关键步骤,选择有效的剩余异常作为三维反演数据是发现深部矿体的基础,实际工作中,应具体问题具体分析,结合已知地质情况选择分离方法。泥河矿区不同重磁分离方法效果对比试验表明解析延拓和趋势分析这两种方法得到的重磁分离效果较好。
2)对在不同约束条件(地表信息约束、长宽比例约束、钻孔信息约束)下的重磁三维反演结果对比分析,发现地表约束对反演浅部结果影响较大,钻孔信息约束对反演深部影响较大,通过其可以推断异常体的延伸方向等。
3)通过泥河铁矿的地质信息及物性资料数据等建立先验地质模型,实现了含地质信息约束的重磁三维反演,利用反演的结果并结合泥河铁矿矿体重磁同位的特征圈定了泥河铁矿矿体的范围。结果说明对具有高磁高密度物性特征的磁铁矿,结合重力反演的高磁性体和磁力反演的高磁性体的综合分析,基本可以确定矿体的三维空间形态,因此,先验信息约束的重磁三维反演是寻找并刻画深部磁铁矿三维空间形态的有效方法。
(本文编辑:王萌,叶佩)
The authors have declared that no competing interests exist.
| [1] |
安徽省庐江县泥河铁硫矿床地质特征及成因初步分析 [J]. |
| [2] |
基于重磁反演的三维岩性填图试验——以安徽庐枞矿集区为例 [J]. |
| [3] |
安徽泥河铁矿深部找矿综合地质地球物理研究[D] . |
| [4] |
重力反演在立体地质填图中的应用[D] . |
| [5] |
Geologically-constrained UBC-GIF gravity and magnetic inversions with examples from the Agnew-Wiluna greenstone belt,Western Australia[D]. |
| [6] |
A 3D gravity data interpretation of the Matagami mining camp,Abitibi Subprovince,Superior Province,Québec,Canada:Application to VMS deposit exploration [J]. |
| [7] |
3D geologic model of Shizishan ore field constrained by gravity and magnetic interactive modeling:A case history [J]. |
| [8] |
Three-dimensional distribution of igneous rocks near the Pebble porphyry Cu-Au-Mo deposit in southwestern Alaska:Constraints from regional-scale aeromagnetic data [J]. |
| [9] |
|
| [10] |
|
| [11] |
安徽庐江泥河铁矿的发现及意义 [J]. |
| [12] |
安徽庐枞盆地成岩成矿作用研究[D] . |
| [13] |
安徽省庐江县泥河铁矿重磁异常特征 [J]. |
| [14] |
长江中下游成矿带深部铁矿找矿的思考 [J]. |
| [15] |
安徽庐枞盆地泥河铁矿床与膏盐层的成因联系及矿床成矿模式 [J]. |
| [16] |
九瑞矿集区重磁三维约束反演及深部找矿意义 [J]. |
| [17] |
基于重力异常分离方法寻找深部隐伏铁矿——以安徽泥河铁矿为例 [J]. |
| [18] |
相山铀矿田地球物理特征及深部地质结构研究[D] . |
| [19] |
3-D inversion of gravity data [J]. |
| [20] |
3-D Inversion of Magnetic Data [J]. |
| [21] |
Structure of the Rambler Rhyolite,Baie Verte Peninsula,Newfoundland: Inversions using UBC-GIF Grav3D and Mag3D [J]. |
| [22] |
安徽沙溪铜矿区域重磁三维反演与找矿启示 [J]. |
| [23] |
重磁反演约束条件及三维物性反演技术策略 [J].
|
| [24] |
利用化极磁异常近似确定等轴状磁性体埋深 [J].
|
| [25] |
二维位场的全空间解析延拓方法 [J].
|
| [26] |
利用重、磁资料研究于都-赣县矿集区盘古山地区断裂构造及花岗岩体分布 [J].
|
| [27] |
一种压制干扰的频率滤波方法 [J].
|
| [28] |
169km以远地壳质量的重力校正值高精度计算及其数值特征 [J].
|
| [29] |
基于高通滤波的频率-空间域经验模态分解压制高频噪声 [J].
|
| [30] |
位场异常分离方法的对比分析--以江西相山铀多金属矿田为例 [J].
|
| [31] |
介绍位场向外延拓的一个简单公式 [J].
|
| [32] |
局部重力异常向上延拓的实用算法 [J].
|
| 京ICP备05055290号-3 版权所有 © 2021《物探与化探》编辑部 通讯地址：北京市学院路29号航遥中心 邮编：100083 电话：010-62060192；62060193 E-mail：whtbjb@sina.com |
/
| 〈 |
|
〉 |
