高精度磁測(cè)三維正反演
——以青海省上莊鐵礦床為例

李忠平

(中國冶金地質(zhì)總局山東正元地質(zhì)勘查院，濟(jì)南250014)

0 引言

上莊鐵礦床在1970年被青海省地質(zhì)局十三地質(zhì)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，它是以黑云母單斜輝石巖及其各種脈巖為主體，其規(guī)模相對(duì)較大，是主要容礦成礦母巖，磁異常峰值高，梯度較陡，呈寬緩的帶狀分布，異常向深部有一定延伸。該礦區(qū)大部分礦段鉆探控制的礦層深度在-300 m以下，近年來在深部和外圍找礦工作中，該區(qū)最深達(dá)-500 m，在該礦區(qū)深部開展找礦工作對(duì)新增磁鐵磷灰石礦資源儲(chǔ)量具有重要意義，為此，亟需利用磁異常來判斷深部礦體的空間位置和延伸狀態(tài)。

1 地面磁測(cè)數(shù)據(jù)處理方法

1.1 二度半剖面人機(jī)交互反演

二度半人機(jī)交互反演是根據(jù)已知地質(zhì)及鉆探資料，將正演計(jì)算理論模型的重磁異常值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，直至與實(shí)測(cè)異常差值達(dá)到最小。已知地質(zhì)資料越詳細(xì)，越利于建立初始地質(zhì)模型，從而通過輸入地質(zhì)體的磁性參數(shù)，達(dá)到反演目的。

正演模型采用沿異常走向不是很長的二度半任意多邊形截面水平柱體組合模型，通過重磁泊松關(guān)系將重力異常轉(zhuǎn)換為磁異常[1]。

1.2 平面磁異常任意形狀三度體數(shù)值積分法正演

數(shù)值積分法使用截面分割任意三度體，得到多個(gè)棱柱體，對(duì)每個(gè)棱柱體以直立線元的形式沿X、Y、Z軸進(jìn)行一重積分(如圖1)，選擇測(cè)線為等間距(50 m)，測(cè)點(diǎn)為等間距(40 m)，即縱向以各條線為截面，橫向以各點(diǎn)為截面，在X軸取多個(gè)平行于Y軸的等距截面，在Y軸取多個(gè)平行于X軸的等間距截面，使用MAGS4.0軟件分別計(jì)算X，Y兩個(gè)方向的數(shù)值積分，得出地質(zhì)體的相應(yīng)重磁場(chǎng)值。本次場(chǎng)源(已知礦體)角點(diǎn)共計(jì)413個(gè)，測(cè)線方向0°，地磁傾角55.6°，地磁偏角2.4°，磁化強(qiáng)度為J=13 491×10-3A/m，正演計(jì)算起始坐標(biāo)為(0，0，0)，采用圓柱體為理論模型。

圖1 積分法線元示意圖

1.3 平面磁異常三維反演

使用Marquardt法三維反演技術(shù)，Marquardt法是一個(gè)基于約束條件的最優(yōu)算法，其本質(zhì)是一種非線性算法。在磁異常的解釋中，一般都是多參量的非線性最優(yōu)估計(jì)問題[3]。使用Potent軟件對(duì)12條測(cè)線進(jìn)行平面磁測(cè)資料三維反演，測(cè)線距=50 m，測(cè)點(diǎn)距=40 m。反演時(shí)建立含有斜端面的圓柱體為正演模型，如圖2所示。

圖2 圓柱體正演模型示意圖

2 地面磁測(cè)資料處理解釋

2.1 上莊鐵礦區(qū)地質(zhì)地球物理特征

區(qū)內(nèi)出露的磨石溝組以變砂巖為主，青石坡組以千枚巖為主，六道溝組主要為火山熔巖及火山碎屑巖。薊縣系與寒武系呈斷層接觸，該斷層為拉脊山北坡正斷層，構(gòu)造形態(tài)為傾向南的單斜巖層，往東局部地層倒轉(zhuǎn)。

區(qū)內(nèi)巖漿巖有加里東期的黑云母單斜輝石巖和堿長巖。黑云母單斜輝石巖體為分異多期侵入的復(fù)合巖體，與測(cè)區(qū)的鐵、磷、稀土的成礦關(guān)系密切。礦區(qū)內(nèi)磁鐵礦、含鐵磷礦石，磁化率高達(dá)80 0000×10-64πSI，屬強(qiáng)磁性，剩余磁化強(qiáng)度略有差異，平均值在(9 000～40 000)×10-3A/m。巖漿巖磁性特征：區(qū)內(nèi)中性—中基性巖漿巖(安山巖等)、基性—超基性巖漿巖(苦橄玢巖等)具中等磁性；酸性巖漿巖(花崗巖等)絕大多數(shù)具無磁性或弱磁性；區(qū)內(nèi)巖漿巖從酸性—超基性磁性由弱到強(qiáng)，磁化率及剩余磁性由小變大。變質(zhì)巖的磁性特征：沉積變質(zhì)巖類一般屬弱磁性，感磁大于剩磁；磁鐵礦化后的變質(zhì)巖地層，一般磁性變強(qiáng)，具中等強(qiáng)度。

2.2 上莊鐵礦區(qū)磁測(cè)資料解釋

2.2.1 1∶10 000地面高精度磁測(cè)成果解釋

上莊鐵礦床的大地構(gòu)造位置處于祁連山褶皺系的拉脊山優(yōu)地槽褶皺帶中段北緣。礦床生成于黑云母單斜輝石巖體中。礦區(qū)內(nèi)較大礦體均由磷灰石及鐵磷灰石類型品級(jí)組成的復(fù)合體，礦床屬晚期巖漿分異磷灰石礦床。

上莊磷礦于20世紀(jì)70年代始開展了各階段的地質(zhì)找礦工作，提交了磷礦石加鐵磷礦石工業(yè)儲(chǔ)量16 518萬t，據(jù)全區(qū)已探明礦石儲(chǔ)量分析，屬大型磁鐵磷灰石礦床。礦體延伸最深控制在550 m以內(nèi)，主礦體的最大延深情況未控制，預(yù)計(jì)礦區(qū)的遠(yuǎn)景儲(chǔ)量將在51 128萬t以上，礦床遠(yuǎn)景將繼續(xù)擴(kuò)大。

2012年在上莊鐵礦床開展了1∶10 000地面高精度磁測(cè)工作，磁測(cè)成果顯示在上莊鐵礦床及外圍磁異常斷續(xù)相連，沿近東西向呈條帶狀展布(如圖3)，異常帶局部細(xì)節(jié)明顯。鐵礦床呈現(xiàn)正負(fù)伴生磁異常特點(diǎn)，異常峰值一般在900～4 500 nT左右。

圖3 1∶10 000地質(zhì)物探綜合平面圖

2.2.2 1∶10 000地面高精度磁測(cè)三維正演解譯

在上莊鐵礦區(qū)1∶10 000磁測(cè)圈定的主要磁異常地段選取過異常中心及兩端的12條測(cè)線，使用MAG4.0軟件進(jìn)行平面ΔT磁異常任意形狀三度體數(shù)值積分法正演，正演使用前人鉆探已控制的礦體資料和本次實(shí)測(cè)資料，正演后的磁異常特征如圖4。正演后的正負(fù)磁異常中心位置與實(shí)測(cè)磁異?；疽恢?，其范圍比實(shí)測(cè)磁異常稍小，這說明前人研究的是淺部磁性體的特征，實(shí)測(cè)磁異常反應(yīng)了磁性體具有一定下延深度。

2.2.3 1∶10 000地面高精度磁測(cè)三維反演解譯

在正演基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)上莊鐵礦床引起的磁異常開展研究工作，使用Potent軟件對(duì)以上12條測(cè)線進(jìn)行了1∶10 000磁測(cè)資料三維反演(如圖5)。反演結(jié)果顯示上莊鐵礦床總體呈緩傾斜的柱體特點(diǎn)，向深部有延伸的趨勢(shì)，反演有效磁化強(qiáng)度為25100SI，向下延伸至316 m左右，磁性體中心標(biāo)高約為3 375 m。

2.2.4 2.5D人機(jī)交互反演解譯

Ⅰ號(hào)剖面是位于上莊鐵礦床稍偏西的一條勘探線，如圖6。剖面方位0°，與礦體走向垂直，鉆孔控制的已知礦體最深在260 m左右，與礦體對(duì)應(yīng)的主異常位于剖面南部0～400 m，幅值范圍為-1 500～3 500 nT，異常寬緩穩(wěn)定，是深部磁性體的反映。對(duì)Ⅰ號(hào)剖面進(jìn)行2.5D人機(jī)交互反演，計(jì)算已知礦體的磁異常值，利用剩余異常推斷未知礦體的位置，圖中標(biāo)注為“Fe”的磁性體為已知礦體，標(biāo)注為“T Fe”的磁性體為反演時(shí)添加。由已知礦體的空間位置關(guān)系(平面位置、埋深、范圍)結(jié)合本次地質(zhì)工作認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)磁異常進(jìn)行反演，反演結(jié)果顯示主礦體(圖中規(guī)模較大標(biāo)注為“Fe”的磁性體)頂部一定深度被采空，磁性體向深部延伸，這與該處已知ZK35-2、ZK35-3見礦鉆孔資料基本對(duì)應(yīng)。二維視磁化強(qiáng)度成像結(jié)果顯示主礦體處有兩個(gè)具高磁化強(qiáng)度的磁性體，最大延伸至380 m，與2.5D人機(jī)交互反演主礦體位置基本對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了2.5D人機(jī)交互反演結(jié)果，兩種計(jì)算方法對(duì)主礦體頂部采空區(qū)均有反映。

圖4 1∶10 000ΔT磁異常正演結(jié)果

3 結(jié)論

1)在已知礦床上開展地面高精度磁測(cè)三維正反演解釋時(shí)，地質(zhì)物化探資料的收集工作和理論模型的建立尤為重要，礦體的空間形態(tài)變化較大、地形復(fù)雜等都會(huì)影響正反演結(jié)果，對(duì)Ⅰ號(hào)剖面進(jìn)行的2.5D人機(jī)交互反演顯示主礦體頂部一定深度被采空，磁性體向深部延伸，與三維正反演結(jié)果和該處已知ZK35-2、ZK35-3見礦鉆孔資料基本一致。

2)以已知礦體模型為基礎(chǔ)，1∶10 000地面高精度磁測(cè)三維正反演采用的正演理論模型分別為圓柱體和含有斜端面的圓柱體，可減小正反演誤差，提高計(jì)算精度。

圖5 1∶10 000ΔT磁異常三維反演

圖6 Ⅰ號(hào)剖面2.5D人機(jī)交互反演

(3)從2.5D、3D反演成果來看，3D反演精度高，準(zhǔn)確反映了磁性體的空間位置變化?？蔀殂@探工程的布設(shè)提供更加詳實(shí)的資料。