DEXP反演方法在尋找鉀鹽中的應(yīng)用

郇恒飛，賈立國(guó)，高 鐵，高 飛，楊佳佳

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究），遼寧沈陽(yáng)110034

DEXP反演方法在尋找鉀鹽中的應(yīng)用

郇恒飛，賈立國(guó)，高 鐵，高 飛，楊佳佳

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局沈陽(yáng)地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽(yáng)地質(zhì)礦產(chǎn)研究），遼寧沈陽(yáng)110034

為驗(yàn)證DEXP反演方法在尋找鉀鹽中的效果，先從DEXP反演方法的原理著手，然后將其應(yīng)用于某地區(qū)實(shí)測(cè)布格重力異常數(shù)據(jù)的處理中，確定鉀鹽礦的埋藏深度，取得了非常好的效果.結(jié)果表明，在礦產(chǎn)勘查中應(yīng)用DEXP反演方法確定場(chǎng)源埋藏深度是可行有效的.

DEXP方法；鉀鹽；布格重力異常；埋藏深度

0 引言

鉀鹽是世界上重要的戰(zhàn)略資源，也是中國(guó)緊缺的重要資源之一.世界上鉀鹽礦的儲(chǔ)備豐富，其主要成因?yàn)楣糯Ｏ喑练e.從國(guó)內(nèi)外鉀鹽礦的研究與勘探時(shí)間來(lái)看，其找礦勘查在國(guó)內(nèi)外都是一件較有難度的工程［1］.

重力勘探是地球物理勘探方法中的一種重要方法，隨著位場(chǎng)理論的不斷發(fā)展和新技術(shù)新裝備的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，應(yīng)用更加廣泛.重力勘探所具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用、方法簡(jiǎn)便、勘探深度大、應(yīng)用效率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)榱私獾叵碌刭|(zhì)構(gòu)造提供豐富的信息［2-4］，而鉀鹽是一種相對(duì)低密度的礦物，所以重力勘探在尋找鉀鹽中具有重要的作用.

位場(chǎng)反演是重磁資料處理解釋中重要的環(huán)節(jié)之一，目前反演方法的計(jì)算量一般較大，速度較慢，而且有些方法需要地質(zhì)、鉆探或其他地球物理資料約束，或者易受人為因素影響［5-6］.因此，F(xiàn)edi首先提出了一種三維位場(chǎng)反演方法，即極值點(diǎn)估算場(chǎng)源深度方法（DEXP方法）.該方法具有快速、無(wú)需任何先驗(yàn)信息、無(wú)需作任何濾波處理、反演不受人為因素影響的優(yōu)點(diǎn)［7］.

本文首先介紹DEXP反演方法的基本理論和反演步驟，然后將其應(yīng)用于某地區(qū)實(shí)測(cè)布格重力異常數(shù)據(jù)的處理中，確定鉀鹽礦的埋藏深度，來(lái)驗(yàn)證DEXP反演方法在礦產(chǎn)勘查中估算場(chǎng)源參數(shù)的作用.

1 方法原理

1.1 DEXP反演原理

首先考慮在某點(diǎn)r0（x0，y0，z0）處質(zhì)量為M單點(diǎn)的重力場(chǎng)f1（n=1）.為了簡(jiǎn)化，通過(guò)重力常數(shù)有：

假設(shè)M等于1，場(chǎng)源在r0（0，0，z0）處，考慮在點(diǎn)x=x0，y= y0，處的重力場(chǎng)，所以有：

定義尺度函數(shù)τ是勢(shì)場(chǎng)f的對(duì)數(shù)對(duì)z的對(duì)數(shù)導(dǎo)數(shù)，即：

對(duì)于τ1有：

于是當(dāng)z=-z0，所以有：

然后有：

或

因此，公式logf1+logz在點(diǎn)x=x0，y=y0，z=-z0處有極值點(diǎn).從公式（7）還可以得到：

這意味著利用向上延拓高度z和尺度化的重力場(chǎng)f1，可以構(gòu)造尺度函數(shù)Wg1：

Wg1在x=x0，y=y0，z=-z0處存在有意義的極值點(diǎn).

對(duì)公式進(jìn)行規(guī)律總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于尺度函數(shù)τn：

在z=-z0處，有：

因此，可以得到尺度函數(shù)Wn：

這里an=-τn（z=-z0）=0.5（n+1）.Wn仍然在x=x0，y=y0，z=-z0處存在有意義的極值點(diǎn).

理論上隨著重力場(chǎng)導(dǎo)數(shù)階數(shù)的增加，DEXP反演的精度更精確，而且DEXP反演方法對(duì)高階導(dǎo)數(shù)具有非常好的穩(wěn)定性.

很明顯，場(chǎng)源具有各種幾何形狀，這意味著尺度函數(shù)τn擁有不同的形式.表1是Fedi總結(jié)的，描述了不同場(chǎng)源類型對(duì)應(yīng)著不同的尺度因子.

表1 不同場(chǎng)源的n階尺度因子Table 1 Different sources of n-order scale factors

1.2 DEXP反演方法

DEXP方法反演具體分3個(gè)步驟完成：①創(chuàng)建三維勢(shì)場(chǎng)數(shù)據(jù).通過(guò)對(duì)位場(chǎng)數(shù)據(jù)向上延拓到不同高度來(lái)獲得三維場(chǎng)f（r，r0）.②三維場(chǎng)尺度化.應(yīng)用尺度函數(shù)公式將三維場(chǎng)f（r，r0）轉(zhuǎn)換成尺度場(chǎng)W（r，r0）.③確定場(chǎng)源的深度.計(jì)算尺度場(chǎng)的極值點(diǎn)，尺度場(chǎng)W（r，r0）極值點(diǎn)是與點(diǎn)r（x，y，z）對(duì)稱的點(diǎn)r0（x0，y0，z0），也就是尺度場(chǎng)在x=x0，y=y0，z=-z0處存在有意義的極值點(diǎn)，將z0確定為場(chǎng)源的深度.

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)情況

研究區(qū)位于某盆地的東緣，該區(qū)域出露的地層有侏羅系、白堊系、古近系和第四系，是一個(gè)富含鉀鹽的勘探區(qū).由于東西方向的擠壓和張力的作用，主要被北西向斷裂控制，盆地主要發(fā)育北西向構(gòu)造.

本區(qū)采用CG-5型石英彈簧重力儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)距100 m，線距500 m，處理時(shí)網(wǎng)格呈100 m×100 m成圖.圖1是某區(qū)實(shí)測(cè)的布格重力異常等值線圖（單位：10-5m/s2），東坐標(biāo)為X/m，北坐標(biāo)為Y/m.從中可以看出，等值線總體呈北北東和北東方向展布，西低東高，研究區(qū)主要被北北東和北東向斷裂切割，在中偏上地區(qū)被一條明顯的北西向斷裂切割.研究區(qū)域有6口已知測(cè)井，編號(hào)分別為JX1～JX6，位置見(jiàn)圖1.

2.2 DEXP反演

應(yīng)用DEXP方法對(duì)布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，采用布格重力異常的二階導(dǎo)數(shù)，由于場(chǎng)源幾何形態(tài)的不確定性，使用公式A、公式B、公式C、公式D（表1中所示）為尺度函數(shù)分別處理數(shù)據(jù)，最大深度反演到地下500 m.

圖1 實(shí)測(cè)布格重力異常等值線圖Fig.1 Contour map of surveyed Bouguer gravity anomaly

本研究對(duì)DEXP反演結(jié)果、測(cè)井的位置和井中地質(zhì)信息（表2）以及應(yīng)用小波分析獲得的剩余布格異常圖（圖2）進(jìn)行比較研究，從而驗(yàn)證DEXP方法的反演效果.

表2 測(cè)井位置和井中地質(zhì)信息Table 2 Log location and geological information of borehole

圖2 剖面位置及剩余重力異常Fig.2 Profile location and residual gravity anomaly

從反演的結(jié)果中抽取4條過(guò)已知井的剖面數(shù)據(jù)，分別為：過(guò)JX5井的剖面1，過(guò)JX4井的剖面2，過(guò)JX1井的剖面3，過(guò)JX6井的剖面4.

圖3是剖面1（Y=16955 m）分別應(yīng)用DEXP方法的公式A、公式B、公式C、公式D反演計(jì)算的垂直剖面.從圖中可以推斷出，A、B、C和D區(qū)可能為鉀鹽靶區(qū).其中B區(qū)顯示的負(fù)值圈閉，其極值點(diǎn)約位于X= 5210 m和Z=-300 m處，與JX5井相對(duì)應(yīng)；A區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=2300 m和Z=-200 m處；C區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=6900 m，Z=-200 m處；D區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=7600 m和Z=-120 m處.但圖2顯示，在C區(qū)和D區(qū)為正異常，推測(cè)可能是由于小波分析不能完全將區(qū)域場(chǎng)和局部場(chǎng)分離造成的.同時(shí)圖3顯示，D區(qū)和E區(qū)為相鄰的負(fù)圈閉和正圈閉區(qū)，推斷在兩區(qū)之間存在一明顯斷裂.

圖4是剖面2（Y=14433 m）分別應(yīng)用DEXP方法的公式A、公式B、公式C、公式D反演計(jì)算的垂直剖面.從圖中可以推斷出，B、D、F和G區(qū)可能為鉀鹽靶區(qū).其中D區(qū)顯示的負(fù)值圈閉，其極值點(diǎn)約位于X= 6500 m和Z=-120 m處，與JX4井相對(duì)應(yīng)；B區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=5600 m和Z=-150 m處；F區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=11900 m和Z=-200 m處；G區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X= 13000 m和Z=-200 m處.但圖2顯示，在F區(qū)和G區(qū)為正異常，推測(cè)可能是由于小波分析不能完全將區(qū)域場(chǎng)和局部場(chǎng)分離造成的.同時(shí)圖4顯示，A、B、C、D、E區(qū)為相鄰的正負(fù)圈閉區(qū)，間隔出現(xiàn)且變化突然，推斷該處斷裂構(gòu)造發(fā)育.

圖3 剖面1：Y=16955 m處DEXP反演結(jié)果垂直剖面Fig.3 Profile One：The vertical section of DEXP results at Y=16955 m

圖4 剖面2：Y=14433 m處DEXP反演結(jié)果垂直剖面Fig.4 Profile Two：The vertical section of DEXP results at Y=14433 m

圖5是剖面3（Y=13423 m）分別應(yīng)用DEXP方法的公式A、公式B、公式C、公式D反演計(jì)算的垂直剖面.從圖中可以推斷出，A、C和E區(qū)可能為鉀鹽靶區(qū).其中A區(qū)顯示的負(fù)值圈閉，其極值點(diǎn)約位于X=3400 m和Z=-300 m處，與JX1井相對(duì)應(yīng)；C區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=8900 m和Z=-300 m處；E區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=13220 m和Z=-230 m處.負(fù)值圈閉區(qū)與圖2顯示的局部異常相對(duì)應(yīng).同時(shí)圖5顯示，B區(qū)和C區(qū)為相鄰的正負(fù)圈閉區(qū)，規(guī)模比較大，推斷可能為大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造；D區(qū)和E區(qū)的正負(fù)圈閉變化很突然，推斷該變化由斷裂造成.

圖5 剖面3：Y=13423 m處DEXP反演結(jié)果垂直剖面Fig.5 Profile Three：The vertical section of DEXP results at Y=13423 m

圖6是剖面4（Y=13043 m）分別應(yīng)用DEXP方法的公式A、公式B、公式C、公式D反演計(jì)算的垂直剖面.從圖中可以推斷出，A、C、F和G區(qū)可能為鉀鹽靶區(qū)，其中A區(qū)顯示的負(fù)值圈閉，其極值點(diǎn)約位于X= 4200 m和Z=-310 m處，與JX6井富含鉀鹽層相對(duì)應(yīng)；C區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=5700 m和Z=-300 m處；F區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X= 9100 m和Z=-300 m處；G區(qū)顯示的負(fù)值圈閉極值點(diǎn)約位于X=13200 m和Z=-250 m處.負(fù)值圈閉區(qū)與圖2顯示的局部異常相對(duì)應(yīng).同時(shí)圖6顯示，A、B、C、D區(qū)為相鄰的正負(fù)圈閉區(qū)，間隔出現(xiàn)且變化突然，推斷該處斷裂構(gòu)造發(fā)育；E區(qū)和F區(qū)為相鄰的正負(fù)圈閉區(qū)，規(guī)模比較大，推斷可能為大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造.

圖6 剖面4：Y=13043 m處DEXP反演結(jié)果垂直剖面Fig.6 Profile Four：The vertical section of DEXP results at Y=13043 m

2.3 DEXP反演討論

從上述4個(gè)反演垂直剖面結(jié)果圖可以看出：

1）反演結(jié)果圖中，剖面1的B區(qū)結(jié)果，剖面2的D區(qū)結(jié)果，剖面3的A區(qū)結(jié)果，剖面4的A區(qū)結(jié)果都與實(shí)際測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)（表2）基本一致，同時(shí)驗(yàn)證了DEXP反演方法的可用性.

2）反演結(jié)果圖顯示4條剖面存在6個(gè)正負(fù)圈閉間隔區(qū)域，分別為剖面1的D區(qū)和E區(qū)；剖面2的A、B、C、D和E區(qū)；剖面3的B區(qū)和C區(qū)，D區(qū)和E區(qū)；剖面4的A、B、C、D區(qū)，E區(qū)和F區(qū).可以推斷這些間隔區(qū)域存在明顯的地質(zhì)構(gòu)造，這與圖1中顯示的大規(guī)模的北西向斷裂一致，表明DEXP反演方法在地質(zhì)構(gòu)造解釋中也能發(fā)揮作用.

3）從DEXP方法反演的結(jié)果可以推斷出新的可能靶區(qū)，分別為剖面1的A、C和D區(qū)，剖面2的B、F和G區(qū)，剖面3的C和E區(qū)，剖面4的C、F和G區(qū).

3 結(jié)論

1）公式B（an=0.5n）和公式C（an=0.5（n-1））在該區(qū)確定鉀鹽深度效果最好，說(shuō)明該研究區(qū)的場(chǎng)源類型最有可能是表1中的2或3中的某類.

2）DEXP反演方法在確定鉀鹽埋藏深度方面令人滿意，同時(shí)表明該方法在礦產(chǎn)勘探中是行之有效的.

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APPLICATION OF DEXP INVERSION METHOD IN THE SEARCH FOR KALI SALT

HUAN Heng-fei,JIA Li-guo,GAO Tie,GAO Fei,YANG Jia-jia

Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China

In order to verify the effect of DEXP inversion method in the search for kali salt,based on its principle,the method is applied in processing the surveyed Bouguer gravity anomaly data and determine the burial depth of potash deposit,which achieves good results.The results show that the application of DEXP inversion method in determination of burial depth of sources is feasible.

DEXP;kalisalt;Bouguergravityanomaly;burialdepth

1671-1947（2015）05-0496-05

P631.1

A

2014－09－28；

2015-06-16.編輯：張哲．

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“大興安嶺成礦帶北段覆蓋區(qū)立體勘查程序示范”項(xiàng)目（12120113090600）.

郇恒飛（1988—），男，碩士，主要從事應(yīng)用地球物理方法技術(shù)研究，通信地址 遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)黃河北大街280號(hào)，E-mail// 546769656@qq.com

賈立國(guó)（1981—），男，碩士，工程師，主要從事應(yīng)用地球物理方法技術(shù)研究，通信地址遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)黃河北大街280號(hào)，E-mail// 278256304@qq.com