張濡亮

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 中核集團鈾資源勘查與評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

經(jīng)過60 多年的發(fā)展，我國鈾礦勘查取得了重要進展和顯著成果，針對北方砂巖和南方硬巖型鈾礦的系統(tǒng)研究得到了全面深化［1］。在北方砂巖地區(qū)，研究人員對塔里木盆地吐格爾明背斜的研究表明：該區(qū)的目標層為含鈾砂體，含礦地層具有較穩(wěn)定的“泥-砂-泥”結(jié)構(gòu)［2］，層間氧化帶型鈾礦大多與該區(qū)地下的砂體關系密切。而南方地區(qū)相山鈾礦田的關鍵控礦要素有巖性界面、斷裂構(gòu)造、次火山巖體等，火山巖組間界面的變異部位、基底界面與斷裂構(gòu)造的復合處是鈾礦最有利的賦存部位［3-6］。白面石地區(qū)的鈾礦體主要產(chǎn)于火山盆地基底花崗巖內(nèi)，礦化受構(gòu)造裂隙控制，在巖脈與斷裂構(gòu)造及基底花崗巖頂界面的交會部位，鈾礦化更為富集［7］。整體而言，上述控礦要素或鈾礦產(chǎn)出部位多與圍巖存在較為明顯的電性差異，從而為音頻大地電磁法（AMT）的實際應用提供了物性前提［8-10］。

近年來，隨著勘探深度的進一步加大，AMT方法深部分辨率不足的問題顯得日趨突出。李慧杰等認為，在點位和點距布設合理的情況下，AMT 法對斷層傾向、發(fā)育平面位置的推斷是可靠的［11-12］。胡旭對AMT 的分辨率問題進行過分析，得出了橫向分辨率主要和電極距有關，縱向分辨率主要由采樣頻點所決定的結(jié)論［13］。何俊飛從野外試驗的角度，對比分析了在強干擾環(huán)境中CSAMT（可控源音頻大地電磁）法和AMT 法對于深部低阻礦體的電磁響應差異，認為CSAMT 法的抗干擾能力和深部分辨低阻體的能力更強［14］。本文基于不同圍巖電阻率背景下不同深度電性異常體的正反演計算，總結(jié)了電性體埋深、圍巖背景電阻率以及AMT 探測效果之間的關系，為后續(xù)AMT 方法的應用提供了依據(jù)。

1 AMT 方法概述

電磁感應法是以地殼中巖石的導電性與導磁性差異為主要物質(zhì)基礎，根據(jù)電磁感應原理觀測和研究電磁場空間與時間分布規(guī)律，從而尋找地下良導電礦體或解決其他地質(zhì)問題的一組分支電法勘探方法，簡稱電磁法［15］。大地電磁測深法則是利用大地中廣泛分布的天然變化電磁場，進行深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一種頻率域電磁測深法［16］。當垂直入射的平面電磁波以交變電磁場的形式在地下介質(zhì)中傳播時，由于電磁感應作用，地面觀測到的電磁場將包含地下介質(zhì)的電阻率信息。因此，根據(jù)地面采集到的電磁場數(shù)據(jù)，通過一系列數(shù)值計算，即可得到該觀測點垂向上的電性信息，進而達到測深目的。

AMT 工作方法與大地電磁測深相同，只是觀測的頻率范圍略有差異，其頻率范圍從n×10-1Hz到n×104Hz，適應不同深度的工程勘察和金屬礦勘探。在電磁波向下傳播過程中，當振幅衰減到原來的1/e（e：自然常數(shù)）時的深度稱為趨膚深度，其理論公式見式（1）。在實際應用中，考慮到地質(zhì)體存在各向異性，引入探測深度的概念［17］，其表達式見式（2）。

式（1）（2）中：δ—趨膚深度，m；D—探測深度，m；ρ—電阻率，Ω·m；f—頻率，Hz；ω—角頻率，rad/s；μ0—真空磁導率，N/A2；σ—電導率，s/m。由上式不難看出，當工作頻率高時，探測深度小；隨著工作頻率降低，探測深度也逐漸增大。當在某點觀測到從高到低多個頻率的電磁信息時，通過反演計算，即可得到該測點處從淺至深的電性分布。

此外，通過公式（1）（2）可以定性地得出深度與AMT 分辨率的關系。假設地下巖體電阻率值保持不變，這時探測深度與頻率的平方根成反比，隨著頻率從高到低，頻率每降低一個數(shù)量級，其探測深度大約增加2.3倍。目前常用的測深儀器，每個頻段內(nèi)采集的頻點數(shù)是相同的，因此隨著深度的增加，在相同的厚度范圍內(nèi)，采集的頻點數(shù)少了，其對目標體的識別能力必然是逐漸降低的。

2 AMT 對不同電阻率背景下不同埋深電性異常體探測效果對比

為對比AMT方法對不同電阻率背景下不同埋深電性異常體的識別情況，設計了二維高阻模型（圖1）。設置圍巖的電阻率依次為1 000、3 000、10 000 Ω·m，在高程為50、-450，-950，-1450，-1 950 m（地表高程300 m）處依次埋置500 m×150 m的低阻體（圖中小長方形所示，低阻體頂板與上述高程對齊），低阻異常體橫向中心點位于1 975 m處（與S40和S41的分界面重合），低阻體電阻率值為100 Ω·m。模型核心范圍大小為4 000 m×2 800 m，核心范圍內(nèi)有81個測點，點距50 m。為方便剖分，假定測點S1所在位置為0 m，測點S81所在位置為4 000 m。

圖1 二維高阻模型Fig.1 2D high resistance model

圖2是針對上述高阻模型中不同電阻率背景和不同埋深電性異常體進行二維正反演（本文正反演計算采用意大利GEOSYSTEM公司開發(fā)的Winglink軟件）的結(jié)果對比，其中圖2 a、b、c 三列分別為圍巖電阻率是1 000、3 000和10 000 Ω·m時的反演結(jié)果，1～5行代表不同的異常體埋深時的結(jié)果。從整張對比圖上可以看出，AMT對3種不同電阻率背景下異常體的識別度都很高，參與對比計算的3個不同電阻率背景及5個不同深度條件下的15種情況通過AMT的反演計算都識別出了異常體。排除最深處（高程-1 950 m）的3種電阻率背景下的反演結(jié)果誤差較大外，其余4個深度的反演結(jié)果與異常體的真實深度信息差別不大，可見AMT方法對于識別高阻體中的低阻異常體效果明顯。

圖2 高阻模型不同背景電阻率下不同埋深的低阻異常體的二維反演結(jié)果對比Fig.2 Comparison of 2D inversion results of low resistivity abnormal bodies buried at different depths under different background resistivity

具體到每列圖，a列中的5幅圖（圖2 a1～a5）雖然對背景電阻率的反演結(jié)果都比較接近真實的模型情況1 000 Ω·m，但是對異常體電阻率的反演結(jié)果卻差別較大。其中，對異常體的反演結(jié)果最接近模型真實情況的是圖2a1，其對低阻異常體電阻率的反演結(jié)果是102 Ω·m，非常接近100 Ω·m的模型電阻率，可以看出在此深度上，AMT法對于比圍巖電阻率低一個數(shù)量級及以上的常規(guī)異常體（異常體的長度、寬度要有一定規(guī)模，至少要與異常體埋深接近）的埋深和電阻率可以較準確地反映出來。對比圖2 a1～a5 五幅圖，AMT 對異常體電阻率的反演結(jié)果分別為102、715、908、960 以及970 Ω·m，可以看出隨著異常體埋深的加大，在地表探測到的異常體與圍巖的電阻率越來越小，而異常體埋深在1 000 m以下時，這種差別雖然可以在理論模擬時區(qū)別出來，并且通過等值線的顏色刻意區(qū)分出來，但是在野外實際探測時由于受到環(huán)境噪音以及復雜的地質(zhì)背景影響，這種微弱的差異在實際測量的過程中會難以區(qū)分。

上述情況也出現(xiàn)在了圖2 列b 和列c 的圖中，即：隨著異常體埋深的增大，反演得到的異常體電阻率較圍巖電阻率差異逐漸減小。圖2 列b 的5 幅圖中，從淺到深反演得到的異常體的電阻率依次是48、93、240、365、2 423 Ω·m，而在列c 的5 幅圖中，反演得到的異常體的電阻率分別為37、40、75、220、5 600 Ω·m，可見隨著異常體埋深的增加，反演得到的異常體的電阻率值呈現(xiàn)逐漸增大的情況。而對異常體電阻率反演的最佳結(jié)果也隨著圍巖與異常體差異的增大而逐漸變深，其中圍巖1 000 Ω·m 時反演的最佳結(jié)果出現(xiàn)在50 m 高程處（以異常體上頂板所在位置的高程統(tǒng)計），此處異常體的反演電阻率最接近真實值；圍巖3 000 Ω·m 時在高程-450 m 時最接近模型真實值，此處的反演結(jié)果為93 Ω·m；圍巖電阻率10 000 Ω·m 時，反演的最佳結(jié)果出現(xiàn)在高程-950 m以下位置（-950 m時75＜100 Ω·m，而-1 450 m時240＞100 Ω·m，故在兩者之間位置）。

此外，針對異常體埋深相同而圍巖電阻率不同的情況，從對比圖中可以得出：在異常體高程0 m 時，三種圍巖背景下AMT 對異常體埋深的反演結(jié)果都比較準確；而隨著深度的逐漸增加，1 000 Ω·m 圍巖背景下AMT 法對異常體埋深的反演結(jié)果比模型的真實情況偏淺一點，而3 000 和10 000 Ω·m 兩種圍巖背景下則表現(xiàn)出相反的結(jié)論，即隨著深度的增加，AMT 對異常體埋深的反演結(jié)果比模型的真實情況要偏深一點。

最后，縱觀全圖可以得出，反演結(jié)果中大部分低阻異常體的上方有明顯的一個假高阻體存在，這種現(xiàn)象在圖2b、c 兩列圖尤其是圖2 b2、b3、b4、c1、c2、c3 及c4 中表現(xiàn)明顯，且可以看出圍巖與異常體電阻率差異越大，這種現(xiàn)象越明顯。

將高阻模型的初始條件重新賦值，設計成低阻模型。低阻模型的圍巖電阻率依次為100、30、10 Ω·m，而其中的高阻異常體阻值1 000 Ω·m，異常體的規(guī)模、埋深及模型尺寸等信息不變。

圖3 是針對低阻圍巖背景且埋深不同的高阻異常體反演的結(jié)果對比圖，從整幅圖中可以看出，當圍巖電阻率與異常體電阻率差異在10～100 倍之間時，只要高阻異常體埋深2 300 m 以內(nèi)，理論上可以通過對AMT 測深得到的數(shù)據(jù)進行反演計算來解決一定規(guī)模異常體的定位問題。

針對圍巖電阻率100 Ω·m條件下異常體不同埋深的情況（圖3 a1～a5），可以得出隨著異常體埋深的增大，反演計算出的電阻率逐漸由200、125、106減小到103、102 Ω·m，與圍巖的電阻率差異逐漸減小。這種情況同樣也出現(xiàn)在圖3列b、c中，列b的5幅圖反映的是在圍巖電阻率為30 Ω·m 時異常體的電阻率值，結(jié)果依次為66.5、35.6、31.5、30.8、30.5 Ω·m，列c 中反演的異常體的電阻率值分別為17、11、10.3、10.1、10.3 Ω·m，可見圍巖電阻率為低阻時，AMT法反演的高阻異常體的電阻率值與圍巖背景的電阻率值有較大的關系，其中呈現(xiàn)出兩條明顯的規(guī)律：①當圍巖電阻率一定時，隨著異常體埋深的增加，反演得到的異常體的電阻率值逐漸趨近圍巖的電阻率值；②當深度一定時，隨著圍巖背景的電阻率逐漸變小，反演出的異常體的電阻率值也在不斷減小，以50 m高程為例，其反演電阻率從200、66.5最后到17 Ω·m，呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢，且減小的幅度與背景圍巖電阻率減小的幅度的相對值大致相等，這種現(xiàn)象在5個深度上表現(xiàn)一致。

圖3 低阻模型不同背景電阻率下不同埋深的高阻異常體的二維反演結(jié)果對比Fig.3 Comparison of 2D inversion results of high resistivity abnormal bodies buried at different depths under different background resistivity

此外，對比反演結(jié)果中異常體埋深的信息可以得出，圍巖電阻率為100 Ω·m 時對異常體埋深的反演結(jié)果隨著異常體深度的增加而逐漸深于模型的真實情況，而圍巖電阻率是30 Ω·m和10 Ω·m 時隨著深度的增大，反演得出的異常體的埋深要淺于模型真實的情況。這與高阻圍巖背景下低阻異常體的情況恰好相反。

最后，針對圍巖電阻率10 Ω·m 條件下異常體不同埋深的情況（圖3 c1～c5），雖然在此次理論模擬時，可以通過設置顏色有針對性地區(qū)分出高阻異常體，但是在該電阻率背景下，異常體的高阻特征已經(jīng)不明顯，異常體埋深最淺時反演的電阻率值最大也僅有17 Ω·m，而在-1 950 m 處時更是在淺地表反演出了一個假的高阻層，可見隨著圍巖與異常體電阻率差異的變大，在低阻圍巖背景下反而更難區(qū)分高阻異常體。這也與高阻圍巖背景下夾有低阻體的情況正好相反。

3 AMT 對不同圍巖背景下板狀異常體的探測效果對比

在對比了上述塊狀異常體的不同情況后，我們引入板狀模型。其圍巖條件也分為高阻體和低阻體兩種情況，圍巖的電阻率設置與前面類似，圍巖為高阻體時其電阻率依次設置為1 000、3 000、10 000 Ω·m，低阻異常體的電阻率為100 Ω·m；圍巖是低阻體時其電阻率分別設置為100、30、10 Ω·m，高阻異常體電阻率為1 000 Ω·m，異常體的頂?shù)装鍖母叱谭謩e為-950、-1 250 m。模型的大小及網(wǎng)格剖分與前述模型一樣。

圖4 是不同背景電阻率下板狀異常體的二維反演結(jié)果對比，第一行的三幅圖是高阻環(huán)境中夾有低阻層的結(jié)果對比，可以看出，三種情況下都能從高阻圍巖背景下區(qū)分出低阻異常體，但是對異常體的電阻率及深度信息的反演結(jié)果卻不甚相同，通過對比可以看出隨著圍巖電阻率值的增大，其與低阻層電阻率的差異變大，此時對低阻層部分電阻率值的反演的準確性有顯著的提高。同時，對比反演出的板狀異常體頂?shù)捉缑婵芍?，解譯出的頂、底界面均較實際情況偏深，且底界面的這種差異較頂界面更突出。第二行的三幅圖是低阻環(huán)境中夾有高阻層的反演結(jié)果對比，從圖中可以看出，圖d 和e 能夠區(qū)分出高阻層，但是圖f 已經(jīng)很難區(qū)分出低阻圍巖中的高阻層了，隨著圍巖與高阻體電阻率差異的變大，即隨著圍巖電阻率的變小，對高阻層的反演結(jié)果不論是電阻率值還是高阻體頂?shù)装逦恢枚荚絹碓讲睿@從圖d 與圖f 的對比可以明確得出。

圖4 不同背景電阻率下板狀異常體的二維反演結(jié)果對比Fig.4 Comparison of 2D inversion results of plate abnormal body under different background resistivity

通過對低阻圍巖背景中高阻板狀體的模擬可以得出下列結(jié)論，即在其他條件不變的情況下，對于固定的高阻異常體，AMT 法對其的識別能力并不隨著圍巖電阻率的降低即兩者電阻率差異的變大而增加，相反的，隨著這種差異的變大，其識別能力反而減弱了，這與高阻圍巖背景下夾雜低阻體的情況截然相反。

4 野外實際情況討論

圖5 是在南方某地區(qū)施工的一條剖面的電阻率反演斷面圖與鉆孔電阻率測井曲線的對比圖。該剖面是典型的高阻圍巖中夾有低阻層，低阻層與上下兩層高阻體的電性差異比較明顯，可以通過AMT 方法對低阻層的頂?shù)装迓裆钸M行探測，且剖面上有鉆孔ZK-1 通過，可以對結(jié)果進行驗證。

圖5 LI 剖面電阻率二維反演斷面圖與鉆孔電阻率測井曲線圖Fig.5 2D inversion section of resistivity of profile LI and borehole resistivity logging curve

通過對該剖面實測數(shù)據(jù)的反演計算，解譯的低阻層的頂?shù)捉缑嫒鐖D中虛線、實線所示。經(jīng)與鉆孔揭露的實際情況（圖中“十”字）對比可得，低阻層頂板反演解譯的結(jié)果比較準確，而低阻層的底界面與實際情況差別較大，這與我們在第三節(jié)中對高阻體圍巖中夾有低阻板狀體情況的理論模擬結(jié)果相一致，說明在野外的實際測量過程中，對于高阻體圍巖中夾有板狀或?qū)訝畹妥梵w的情況，其通過AMT反演揭露的下底板埋深往往要比真實情況要偏深，在實際解決問題的過程中，可以據(jù)此對結(jié)果進行適當?shù)男拚?，以提高?shù)據(jù)解譯的準確性。

5 結(jié)論

本文通過對不同圍巖電阻率背景下不同埋深電性異常體的正反演模擬，結(jié)合實際資料進行分析，得出如下結(jié)論：

1）在開展的對比試驗中，當?shù)妥鑷鷰r中夾有高阻體時，圍巖與高阻體的差異并不是越大越好，兩者之間的差異需要一個合適的范圍，當超出這個范圍時，高阻體的異常信息可能被屏蔽掉。

2）當高阻圍巖中夾有低阻體時，圍巖與低阻體的差異越顯著越好，兩者差異越大，對低阻體阻值和埋深的反演結(jié)果就越準確。

3）對于板狀體的識別，當圍巖是高阻體，而異常體是低阻體時，對低阻體底界面埋深的反演結(jié)果通常會比真實情況偏深一點，需在實際資料解譯時予以適當修正。

4）上述結(jié)論是基于無噪音情況下的理論模擬，現(xiàn)實中因為背景噪音及其他因素的影響，反演結(jié)果是否會有效識別模型中所示規(guī)模的異常體，需要進一步的驗證。