二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究——以满都拉图地区的数据为例.pdf

第 47 卷第 4 期物 探 与 化 探Vol.47,No.4 2023 年 8 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Aug.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1491许第桥,李茂.二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究 以满都拉图地区的数据为例J.物探与化探,2023,47(4):994-1001.ht-tp:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1491Xu D Q,Li M.Fine inversion of the broadband magnetotelluric data of the Erlian Basin:A case study of the Mandulatu areaJ.Geophysical and Geo-chemical Exploration,2023,47(4):994-1001.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1491二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究 以满都拉图地区的数据为例许第桥1,2,3,李茂1,2,3(1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002;2.河北省航空探测与遥感技术重点实验室,河北 石家庄 050002;3.中核集团 铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室),河北 石家庄 050002)摘 要:基于二连盆地满都拉图地区的宽频大地电磁(BMT)数据,开展了精细反演处理研究,旨在提高数据的反演精度与效果,为其他地区 BMT 数据的精细反演处理提供示范与借鉴。通过研究区 BMT 数据精细反演处理研究,选择 OCCAM 反演方法与 TM+TE 数据模式,反演参数选择背景模型为二维移动平均电阻率模型、正则因子为 0.4、第一层厚度为 40 m 时,有效提升了数据的反演准确度,为后续资料的精细解释奠定了基础。研究结果表明:利用已知钻孔或地震资料等先验信息,首先开展有针对性的反演方法、反演数据模式以及反演参数等适用性试验研究,是确保资料减少多解性、获得可靠反演精度与效果的关键。关键词:BMT;精细反演;二连盆地;满都拉图中图分类号:P631 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)04-0994-08收稿日期:2022-09-29;修回日期:2022-10-26第一作者:许第桥(1968-),男,高级工程师,主要从事铀矿勘查、工程物探工作。Email:xudiqiao130 通讯作者:李茂(1963-),男,正高级工程师,主要从事地球物理勘查找矿工作。Email:lm703 0 引言二连盆地为我国北方中新生代重要的产铀沉积盆地1-3,近年来通过核地质系统的铀矿资源勘查与评价,不仅相继发现了多个大中型砂岩型铀矿床,显示了巨大的找矿前景4,而且已经发展成为砂岩型铀矿勘查的大基地之一。随着新时代铀矿勘查工作的持续推进,以及铀矿勘查深度进入到 500 1 000 m 为主的“第二找矿空间”5,目前宽频大地电磁法(简称 BMT)作为一种深部与中浅部兼顾的大深度探测技术得到了高度重视6,已相继分别在新疆准格尔盆地、鄂尔多斯盆地、二连盆地与松辽盆地等重点成矿地区开展了勘查应用,通过资料分析提供了丰富的深部地质信息,为区内钻探工程的布置提供了较为翔实的地质地球物理资料7-11。但是,工作中尚存在一些亟待提高的问题,主要是数据精细处理,尤其是反演方法及反演参数的适用性选择问题,均未结合钻孔资料进行必要的试验分析,数据处理整体尚不够精细,影响了后续资料的解释精度与效果。因此,开展盆地 BMT 数据精细处理研究,对于精准解决铀矿控矿条件、提高方法探测效果等方面将发挥积极的作用。本文以满都拉图地区BMT 数据与收集的钻孔资料为基础,结合地质与岩石物性特征,对 BMT 数据进行了精细反演处理研究,旨在为其他地区数据处理提供示范与借鉴。1 研究区地电特征研究区位于乌兰察布坳陷的北东部次级构造单元准棚凹陷中,根据钻探测井及周边地质资料,前白垩纪基底地层主要由变质岩与火成岩组成;盖层主要由下白垩统、古近系始新统和新近系组成12-14。图 1 为收集区内的 E14-8 钻孔柱状图,表 1 为研究区钻孔测井电阻率资料统计结果,可见区内地电结构具有如下特征:新近系、古近系整体表现为 4 期许第桥等:二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究 以满都拉图地区的数据为例相对中高阻特征;下白垩统赛汉组上段以砂岩为主,视电阻率为 1040 m,其中上部泥岩层视电阻率一般小于10 m,表现为相对低阻特征,而下部砂岩与含砾砂岩视电阻率大于 10 m,则表现为相对中阻特征,下白垩统赛汉组下段以细粒沉积物为主,视电阻率为 612 m,整体表现为相对低阻特征;下白垩统阿尔善与腾格尔组,整体表现为相对中阻特征;前白垩纪基底变质岩与火成岩类电阻率均较高,整体表现为高阻特征。研究区上述地电特征是划分地层及岩性的重要依据,为数据精细处理及地质推断解释奠定了基础。图 1 E14-8 钻孔柱状图Fig.1 E14-8 Borehole histogram表 1 岩石电性测量参数Table 1 Statistical of different rocks of resistivity地层岩性简述/(m)新近系(N)、古近系(E)泥岩、砂质泥岩615松散含砾粗砂岩、粗砂岩20150砂砾岩、砾岩2070下白垩统赛汉组上段(K1s2)含砾砂岩、砾质砂岩夹粉沙岩和薄层泥岩1040下段(K1s1)泥岩、层状粉砂质泥岩夹含砾砂岩612下白垩统腾阿尔善组(K1a)砂砾岩夹泥岩下白垩统腾格尔组(K1t)砂岩、泥岩、粉砂岩1025火成岩与变质岩花岗岩、玄武岩、安山岩、板岩等502 宽频大地电磁精细反演处理精细数据反演处理是后续资料解释的关键一环,其处理的可靠性、正确与否直接关系到资料的解释效果。数据反演方法的选择原则不是新、特、奇,而是成熟、适用与先进,效果和适用是第一位15。本次研究中,主要依托二连盆地满都拉图地区完成的 BMT 数据及收集的地震勘探剖面与施工钻孔资料为基础,对反演方法、反演数据模式及参数的适用性进行了探究。2.1 反演方法选择当前常见的二维反演方法有:非线性共轭梯度法反演(NLCG)和奥克姆法反演(OCCAM)等。NL-CG 法特点是反演速度较快,但较依赖初始模型和经验参数输入,否则效果较差,具有一定的偶然性和盲目性;OCCAM 法反演则对初始模型和参数的依赖较弱,且效果平滑度与模型的拟合度较好,但是速度慢、计算耗时长16-18。为获取合理适用的反演方法,利用区内 L18-15线中与地震勘探 D01 线大致重合的一段资料进行了反演方法适用性对比研究。由图 2a 可见,地震勘探解释剖面推断了 2 个标准反射层(T0和 Tg)与 2 个层序界面(T1和 T2),在此基础上确定了各地震层序与地层的对应关系19。其次,根据反射波特征推断断裂构造 1 条(F11),该断裂为准棚凹陷 NW 侧的边界控制断裂。由图 2b可见,OCCAM 二维反演结果显示,断面由浅至深反映为“中阻、低夹中阻、中阻、高阻”四层地电结构,解释 F11断裂一条,与浅层地震资料解释结果基本吻合,只是下白垩统腾格尔组与阿尔善组电性相近,BMT 资料进行了合并解释,其分层效果不如浅层地震勘探精细20。由图 2c 可见,NLCG 法反演结果的地电结构虽然与 OCCAM 法大致一致,但反映的砂体连续性较差,而且对 F11断裂无反映。由此可见,研究区 OCCAM 法反演要优于 NLCG 法。2.2 反演数据模式选择BMT 采集了 TE 和 TM 两个方向的数据,为获取最佳的反演数据模式,根据区内 L18-9 线平距9 530 m 收集的 E19-05 钻孔资料,分别采用 TM、TM+TE 和 TE 等 3 种数据模式,采用 OCCAM 法进行了反演对比。由图 3 可见,断面浅部 3 种数据模式反演结果的差别不大,但深部差别较为明显。TM模式底部高阻体下移,导致基底埋深偏深;TE 模式底部高阻体整体偏低,且高阻体下移,基底界线不够清晰;TM+TE 模式与钻孔揭露的岩性分层基本吻合。因此,采用 TM+TE 两个方向的数据模式,反演结果更可靠。599物 探 与 化 探47 卷 aD01 线地震勘探叠加深度剖面;bL18-15 线 OCCAM 二维反演电阻率断面;cL18-15 线 NLCG 二维反演电阻率断面aseismic exploration stacking depth profile of line D01;bOCCAM 2D inversion resistirity section of L18-15 line;ctwo dimensional inversion resis-tivity section of NLCG on L18-15 line图 2 L18-15 剖面反演方法对比Fig.2 Comparison of inversion method for L18-5 section图 3 钻孔旁不同数据模式反演结果对比Fig.3 Comparision chart of inversion results of different data near borehole699 4 期许第桥等:二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究 以满都拉图地区的数据为例2.3 反演参数选择为降低多解性,提高资料的反演精度与效果,根据剖面过孔资料重点对 SCS2D 软件中所占权重大的初始背景模型、正则因子、模型第一层网格尺寸 3个参数进行了分析研究。2.3.1 初始电阻率模型选择SCS2D 反演软件在数据处理中提供 3 种方法初始电阻率模型:二维平滑模型、基于一维模拟的二维平滑模型和均匀半空间模型。图 4 为 E19-05 孔附近 BMT 数据 3 种模型的OCCAM 法反演结果对比,其他参数为系统默认。由图可见,3 种初始背景模型反演电阻率断面中的电性层分布特征基本一致,总体上表现为 4 层结构,3 种初始背景模型反演结果与 E19-05 孔钻揭露的岩性分层基本吻合。相较而言,均匀半空间反演结果(图 4c)对赛汉组下部的相对中阻层的顶界线不够清晰,其他两种模型反演结果相对较好,但二维平滑模型(图 4b)对于第四电性层的反演效果更为精准。因此,数据反演处理中,初始模型选用二维平滑模型能获得较好的反演效果。图 4 钻孔旁不同初始背景模型反演结果对比Fig.4 Comparision of inversion results of different background models near the borehole图 5 钻孔旁不同网格反演结果对比Fig.5 Comparision of inversion results of different grids near the borehole799物 探 与 化 探47 卷 2.3.2 第一层网格尺寸选择初始模型第一层网格大小直接影响反演电阻率断面中电性层的埋深及厚度,同时对某些地质信息也产生影响,进而影响成果资料的准确性21。为了获取适用模型的第一层网格尺寸,仍以 E19-05 孔旁的数据进行分析。试验中对第一层网格进行了反复试验,图 5 为选择 20、40、60 m 三种网格的反演结果进行对比,反演方法为 OCCAM 法,初始背景模型为二维平滑模型。由图可见,第一层网格为 20 m 与 60 m 时,断面中反演的中阻、中高阻电性层变厚,低阻层变薄,与钻孔揭露地层厚度及测井电阻率存在较大差异;第一层网格为 40 m 时,反演断面中的电性分层与钻孔揭露岩性厚度基本吻合。因此,模型第一层网格选择为 40 m 时,能获得较好的反演效果。2.3.3 正则化因子(ResSmth)选择ResSmth 参数是控制反演模型数据拟合度与模型粗糙关系的一个参数,取值过大则模型光滑简单,但数据拟合差比较大;过小则数据拟合差小,但模型较粗糙复杂。因此,在数据反演过程中正则化因子直接影响到地质推断的准确性。图 6 是 ResSmth 系数分别为 0.1、0.4、0.6 的反演对比试验结果,反演方法为 OCCAM 法,初始背景模型为二维平滑模型,第一层网格厚度为 40 m,原图 6 钻孔旁不同正则化因子反演结果对比Fig.6 Comparision diagram of inversion results of different regularization factors beside borehole始数据为 E19-05 孔旁的实测数据。由图可见,不同 ResSmth 系数得到的反演电阻率断面等值线分布形态基本一致,均表现为清晰的4 个电性层,呈中阻低阻中阻中高分布特征,但深部电性层的反演电阻率值、等值线密集度等存在明显差别。ResSmth 参数为 0.1 时,数据拟合度较高,浅部反演电阻率值整体偏高;圆滑系数等于 0.6 时,反演电阻率等值线稀疏,反演电阻率数值变低,低阻层变厚,尤其是在第二与第三电性层的分布厚度上与钻探揭露情况存在明显差别;圆滑系数为 0.4 时,反演结果与钻探揭露地层深度、厚度基本一致,反演电阻率断面分层明显,与地质情况吻合较好,正确地反映了地电结构。因此,ResSmth 参数取值为 0.4 时可获得较为理想的反演效果。2.3.4 典型剖面反演结果研究区完成测线 14 条(编号 L18-01 至 L18-14),测点总计 3 095 个,由于各剖面反演的电性及地电特征大致一致,下面以 L18-12 平距 29 800 38 500 m 段的最终反演及地质推断解释结果为例,结合钻孔资料进行分析。2.3.4.1 典型剖面反演电阻率断面地质推断解释该剖面位于研究区中部,地表出露的地层为古近系(E)与新近系(N),平距 30 250 m 为收集的E14-6号施工钻孔,图 7 为剖面平距 29 80038 500 m反演电阻率及地质解释断面22。由图可见,电性层纵向上分为明显的 6 个电性层,其电性特征与图 2 中的 L18-5 剖面基本一致,电899 4 期许第桥等:二连盆地宽频大地电磁法数据精细反演处理研究 以满都拉图地区的数据为例性分层性特征明显。第一电性层:位于反演电阻率断面顶部,电性层呈连续分布,电阻率等值线呈水平层状分布,反演电阻率值一般大于 6 m,为中阻特征,厚度 3060 m,依据地电特征,解释为古近系和新近系砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩、砂质砾岩。第二电性层:反演电阻率值一般小于 6 m,低阻特征,顶、底界面向 NW 缓倾,厚度 50100 m;根据地电特征,解释为下白垩统赛汉组上部泥岩、砂质泥岩、泥灰岩等。第三电性层:反演电阻率值 6100 m,为中高阻特征,呈似层状、透镜状分布,厚度为 6080 m。依据地电特征,解释为下白垩统赛汉组砂岩、砂质砾岩和含砾中粗砂岩,其岩性组合以辫状河相沉积为特征。第四电性层:反演电阻率值一般小于 6 m,总体呈低阻特征,该电性层顶界面呈近水平展布,底界面呈“凹”状,厚度为 150350 m,根据地电特征,解释为下白垩统赛汉组泥岩、砂质泥岩夹泥灰岩等。第五电性层:反演电阻率值一般 1025 m,表现为中阻特征,厚 50450 m,埋深 150870 m。解释为下白垩统阿尔善组和腾格尔组砂岩、砂质砾岩夹泥岩的综合反映。第六电性层:主要位于断面图底部,反演电阻率值一般大于 25 m,最高达 400 m,表现为中高阻特征。根据地质、物性资料,解释为前白垩纪基底。2.3.4.2 钻探验证情况本次收集了位于该剖面中的 E14-6 号钻孔,其揭露深度较浅,未揭穿下白垩统赛汉组,下面依据钻图 7 典型剖面反演电阻率及地质推断解释断面Fig.7 Typical section inversion resistivity and geological inference interpretation profile图 8 反演电阻率断面与 E14-6 钻孔资料对比Fig.8 Comparison between resistivity inversion section and E14-6 borehole data999物 探 与 化 探47 卷 探验证情况对反演解释结果进行对比分析。E14-6 号钻孔揭露深度 165.58 m,042 m 为古近系与新近系,测井电阻率反映为相对中阻特征;4275 m 为赛汉组上段粉砂砂岩、泥岩,测井电阻率反映为相对低阻特征;75161 m 为赛汉组上段砂岩、中粗粒砂岩、砂质砾岩和含砾中粗粒砂岩,测井电阻率反映为相对中阻特征;161165.58 m 为赛汉组下段泥岩、砂质泥岩,测井电阻率反映为相对低阻特征。图 8 为钻孔旁资料对比,反演电阻率断面纵向深度切到略大于钻孔的揭露深度。由图可见,E14-6钻孔旁的反演电阻率断面反映为相对“中阻、低阻、中阻、低阻”四层电性结构特征,其反演解释结果与钻孔揭露情况基本一致,论证了区内 BMT 资料反演结果的可靠性。综上,研究区 BMT 数据精细反演处理中,反演方法采用 OCCAM 法,反演数据采用 TM+TE 模式,反演参数选择背景模型为二维移动平均电阻率模型、正则因子 0.4、第一层厚度 40 m 时可获得较好的反演效果。3 结论1)研究区 BMT 数据精细反演处理分析研究认为,根据已知钻孔或地震资料等先验信息,首先开展有针对性的反演方法、反演数据模式以及反演参数等适用性试验分析研究,是确保资料减少多解性、获得可靠的反演精度与效果的关键。2)研究区数据精细反演处理研究,不仅获得了可靠的反演结果,为后续资料的精细解释奠定了基础,而且也为其他地区 BMT 数据反演处理提供了示范与借鉴。其次,由于不同地区的地电结构、数据结构不同,数据反演中所采用的参数定会有所差异。因此,实际工作中,基于提升反演结果准确度的目的,首先开展精细数据反演处理研究显得十分重要。参考文献(References):1 张金带.合理规划科学布局积极推进铀矿大基地建设C/张金带,李子颖,苏艳茹.全国铀矿大基地建设学术研讨会论文集.北京:中国核学会,2012:1-4.Zhang J D.Rational planning and scientific layout,actively promo-ting the construction of large uranium basesC/Zhang J D,Li Z Y,Su Y R.Proceding of the national symposium on the construc-tion of large uranium bases.Beijing:chinese nuclear society,2012:1-4.2 陈国胜,李怀渊,山科社,等.鄂尔多斯盆地区域地球物理场特征研究报告R.石家庄:核工业航测遥感中心,2006.Chen G S,Li 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the results of this study,the key to re-ducing the multiplicity of solutions and obtaining reliable inversion precision and performance of data is to conduct an adaptive experi-mental study of the inversion methods,data modes,and parameters first using prior information,such as known borehole or seismic data.Key words:BMT;fine inversion;Erlian Basin;Mandulatu(本文编辑:王萌)1001