基于先验信息约束的重磁三维交互反演建模技术——以铜陵矿集区为例

兰学毅, 杜建国, 严加永, 安明, 万秋, 郭冬,廖梦奇, 王云云, 陶龙, 张启燕, 张莎莎

1 安徽省勘查技术院, 合肥 2300312 安徽省地质调查院， 合肥 2300883 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 1000374 中国地质科学院地球深部探测中心， 北京 100037



基于先验信息约束的重磁三维交互反演建模技术
——以铜陵矿集区为例

兰学毅1, 杜建国2, 严加永3,4*, 安明1, 万秋2, 郭冬1,廖梦奇1, 王云云1, 陶龙1, 张启燕1, 张莎莎1

1 安徽省勘查技术院, 合肥 2300312 安徽省地质调查院， 合肥 2300883 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 1000374 中国地质科学院地球深部探测中心， 北京 100037

三维地质建模是实现深部矿产勘查突破的重要途径，其通过控矿地质体的三维建模，直观刻画控矿要素之间的空间、成因和演化关系，帮助理解成矿系统，开展深部找矿预测.当前三维建模主要采用地质资料构建，在缺少钻孔等已知资料的情况下，难于构建出可靠的三维地质模型.为了克服常规三维地质建模方法可信度低、精度差的缺点，本文将重磁交互反演技术引入到三维地质建模中,提出了基于先验信息约束，通过二度半剖面交互反演、三维物性反演联合修正的三维地质模型方法.采用该方法建立了铜陵矿集区的三维地质模型，并开展了深部找矿预测，取得以下主要认识：1）基于先验信息约束的重磁交互反演建模技术能大幅提高三维地质模型的可信度，是实现地下地质体“透明化”的重要途径；2）铜陵地区重要控矿地层（C-P-T2）主要分布于向斜区和火山岩覆盖区，深部岩浆岩条件优越，深部找矿工作应从传统的背斜隆起区转向向斜区和火山岩覆盖区以及部分凹陷区，这将极大拓展铜陵地区找矿空间；3）铜陵地区传统的五大矿田的侵入岩均具有复合岩体特征，特别是与辉石闪长岩共生的矿产以铁铜矿为主，而与金矿密切相关的侵入岩则多为中酸性岩体，这一推断如果成立，将对铜陵地区找矿突破产生重大影响；4）铜陵地区的推覆构造十分发育，木镇凹陷区的早古生代基底和南陵盆地北西缘的戴公山背斜就是一套区域性推覆构造的产物，三维地质模型还揭示铜陵地区侵入岩具有深、中、浅三重结构，这为铜陵隆起的推覆成因提供了证据，也指示了在铜陵之外再寻找类似铜陵矿集区的良好前景.

先验信息； 重磁约束反演； 三维地质建模； 铜陵矿集区； 找矿预测

1 引言

三维地质建模是一种综合信息地质解释技术，它利用各种物探、钻孔、地球化学等综合信息，通过反演技术和三维可视化技术，获得地下一定深度的构造、岩体、地层、断裂的空间形态.近年来，三维地质建模已经成为深部找矿的重要手段，利用它可以追踪已知矿带的深部延伸，或对重要成矿异常的性质进行判断，从而实现深部矿体定位预测（陈应军和严加永，2014）.

传统的三维地质建模主要采用钻孔资料和地质人员的认识来建立，在钻孔密集的前提下，如已经完成勘探的矿床，建立起的模型比较真实，能客观反映地下情况，为矿产开采提供信息（吕鹏等，2013）.但是在找矿勘查阶段，钻孔少且分散，无法用其构建模型，如果仅依靠地表地质图推断其深部延伸情况，建立起的三维地质模型，各地质单元多表现为“直上直下”的形态，其在深部的展布无法验证其可靠程度，制约了人们对深部地质结构的认识（陈建平等，2014）.为了克服常规建模的缺点，重磁反演被引入到到三维地质建模中，通过地质模型的重磁场响应与实际异常的对比，修正模型的形态，直到二者拟合到精度允许范围，从而大大提高了建模的可靠性.如Lü et al.（2012）、祁光等（2012）、邓震等（2012）等在长江中下游成矿带的铜陵狮子山铜矿、庐枞泥河铁矿、九瑞矿集区等地区开展重磁3D反演建模实践，并利用Modelvision、EncomPA等软件平台实现了系列剖面条块3D可视化展示.为降低重磁反演建模多解性，提高三维地质模型的可靠性，本文提出了基于先验信息约束的重磁交互反演建模技术方案，并建立了铜陵矿集区的三维地质模型，在此基础上，开展了地质解释和深部找矿预测，结果表明，本方法能大幅提高三维地质模型的可信度，有望成为深部矿产资源预测的有效方法.

2 地质背景

铜陵矿集区是长江中下游成矿带产于断块褶皱隆起区的铜、金矿集区，是中国东部具有代表性的矽卡岩型大型矿集区（常印佛等，1991）.在地层区划上属扬子地层区的下扬子分区，区内出露最老地层为志留系，除缺失下、中泥盆统外，从志留系至第四系层序齐全，发育较为完整（图1）.前人研究表明（唐永成等，1998；储国正，2003；吴才来等，2003；吕庆田等，2005，2007；谢建成，2008；杜建国和常丹燕，2011），铜陵矿集区位于下扬子构造带中马鞍山—贵池隆褶带中部，地块南北两端分别以近东西向隐伏基底断裂带为界，与贵池、繁昌两个北东向S状褶皱带相隔；东西两侧分别以北东向大断裂带为界，与宣（城）南（陵）坳陷、长江拗陷等中新生代沉积盆地为邻.本区构造格局由多期不同方向、不同性质的构造变形相互叠加而成，除存在前印支期和印支期构造外，还发育有燕山-喜山期构造，主要构造有北东向、东西向、北北东向，南北向和北西向五组.铜陵地区岩浆活动十分强烈，地表出露岩体约有70多个，多呈中—浅成相的小岩体、岩枝或岩墙产出，剥蚀程度较浅.近年精确的同位素定年证明区内与成矿有关的侵入岩主要形成于晚侏罗世（152～137 Ma），与成矿有关的侵入岩为一套高钾钙碱性岩石系列，主要岩石组合为花岗闪长岩-辉石二长闪长岩-石英二长闪长岩-二长岩.铜陵地区金属矿产主要集中分布于铜官山、狮子山、新桥、凤凰山、沙滩角等5个矿田中，平面上这些矿田基本上沿铜陵市—戴家汇东西向基底断裂带成串分布，与地表浅部岩体群分布明显对应关系，显然受同一构造控制.各矿田内的主要矿床多围绕岩体分布，受多组构造叠加作用的控制，从地表到深部形成多层矿化，在三维空间上形成“多层楼”的矿床组合.这些矿化特征与成矿岩体、成矿作用及沉积矿源层均有密切关系，但更重要的是受三维空间构造格局及多期构造叠加的复合控制.

图1 铜陵矿集区区域地质、重磁反演剖面位置及靶区预测图

3 重磁交互反演约束的三维地质建模

3.1 方法

建立三维模型需要集成大量地质、钻孔、岩性和其他地球物理资料，合理的建模流程可以取得事半功倍的效果，并可供他人借鉴，或应用到其他地区的建模中.很多学者提出过地质信息约束下的3D建模流程（Malehmir and Bellefleur，2009，Lü et al., 2012），虽然不同学者提出的建模流程细节上各有差别，但基本上都包括三个部分，即初始模型的构建、2D/3D重磁反演模拟和3D显示与地质解释.其中，2D/3D重磁模拟在建模过程中起着至关重要的作用，它是对初始模型的进一步优化，并最终提供模型的物性和几何参数的空间分布（祁光等，2012）.原理上，联合使用重、磁数据进行反演可以明显减少反演的多解性，Williams（2008），王功文等（2011），严加永等（2014a，2014b），祁光等（2014）通过应用实例，郭冬等（2014）通过模型试验都验证了联合使用地表、地下地质和地球物理约束可以获得可靠的反演结果.本文使用离散体模拟方法，总体思路是用2.5D的剖面地质体拼合构建3D模型，最大限度地利用物性数据和钻孔地质信息，具体建模流程如图2所示，主要包括建模区域定义、先验地质信息处理、2D地质模型构建、2.5D/3D反演模拟、可视化与解释等步骤.

图2 基于先验信息约束重磁反演的三维地质建模技术流程

3.1.1 先验信息收集

先验信息形式多样、种类繁多，在收集信息时主要选择有物性信息或有转换为物性信息可能的资料，而在实际地球物理探测过程中，收集的到先验信息往往是有限且分布不均匀的，因此，先验信息的收集多为稀疏先验信息，这些信息可分为两类：一类是直接获取物性的资料，如测井、地面物性标本、钻孔标本等，另一类是需要通过某种转换才能获取到物性的资料，包括地质填图、地震波速反演等资料.

3.1.2 2.5D初始剖面建立

在先验信息收集的基础上，构建初始地质断面，可以通过以下方法实现：由地质人员在地质图上按照选定的剖面位置进行图切剖面，形成初始地质剖面，辅助开展野外实测地质剖面，对地质断面进一步修正，综合已有地质、钻探等资料，形成系列地质断面图.通过物性与岩性对应关系的分析，对建模地质单元进行划分，确定建模要素.然后，根据物性资料，将地质剖面中的地质信息转换为具有密度和磁性的地球物理模型，作为重磁建模的初始地质模型.

3.1.3 3D物性反演约束下的2.5D模型交互反演

基于突变模型的2.5D反演成果与基于全域渐变平滑模型的3D反演成果有较大差异，前者通过人机联作直接实现了剖面地质模型的建立，但精度较低，比如相邻剖面之间的异常体（地质体）通常难以反映，剖面之间的地质体连接与变化通常也难以准确刻画，而3D反演一般能够准确表达以上变化特征，但给出的是物性（密度、磁性）体的连续模型，尚不具备地质意义，更无法表达相互间的地质过程.两者的结合，采用以下步骤就能够有效解决这一问题：

1）取2.5D与3D相同断面；

2）以2.5D反演结果为参照，改造3D结果，使之具备地质含义；

3）2.5D与3D相邻断面成两个块体，以3D反演结果为参照，细化、补充或者加密2.5D块体成果；

4）结合平面地质图，进一步厘定各模型单元的地质属性与空间属性；

5）分别返回3D与2.5D计算环节，评价模型精度，拟合差小于5%时完成建模.

3.1.4 3D模型的拟合与修正

在上一步的基础上，逐条完成研究区所有剖面的2.5D交互反演，获得一系列剖面的2.5D地质模型，将这些剖面集中在同一可视化空间，获得初步的3D地质模型，对比模型综合产生的磁异常和重力异常与实测异常拟合程度，如果满足误差要求，说明模型合理可靠.如果误差不满足精度要求，说明模型还需要进一步修改，我们通过垂直2.5D地质剖面的纵剖面构建，来检查相邻剖面之间所反映的地质信息是否一致，并结合先期收集的先验信息，再返回到3.1.3节的步骤，对各条剖面进行逐条修正，直到所有模型综合产生的平面重磁异常与实测重磁异常拟合差满足精度要求.

3.1.5 3D地质模型建立

当所有2.5D剖面反演模型产生的响应与实测异常拟合时，说明此时的模型已经比较可靠，可通过相应的方法，把所有2.5D剖面的模型连接，形成具有地质意义的三维地质模型，该环节的主要的技术为：

1）地层三维模型构建

将所有的2.5D反演拟合剖面导入到三维可视化软件（本文采用MapGIS K9软件）中，对比分析相邻剖面之间相同地层的位置关系，添加辅助线，控制地层的空间走向，利用2.5D剖面上的地层区边界及辅助线建立起地层面.在建模过程中，若相邻剖面之间缺失部分地层，可通过已知的地质信息和反演结果的约束来进行尖灭处理.在地质面模型构建完成后，需要将相同地层的地质面集合根据它们之间的边界关系转变成以区块形式封闭的模型，最终实现由表面建模到块体建模的转换.

2）复杂地质体（岩体、断层）三维模型构建

相对于地层三维模型，岩体、断层的空间形态更为复杂，因此需要单独创建.在构建地层模型时，主要利用的是平行的垂向剖面，而构建岩体和断层需要加入三维物性反演结果不同深度的水平切片，对边界、走向、延伸等空间形态进行控制.构建方法与地层面类似，最后形成岩体、断层的三维块体模型.

3）三维地质模型整合

岩体、断层、地层三者之间联合起来表达才是一个完整的建模过程.相邻剖面建模结束后，可根据属性（如同岩相、同时代、同地层等），将所有同属性的分散块体联通成一个简化完整的块体模型.最后，需要将岩体和断层模型嵌入地层模型，运用“体体切割”模块，将岩体和断层模型与地层模型相交的部分掏空，避免三角网的重叠.

3.2 重磁数据与物性

3.2.1 重磁数据

1984—1987年原地质矿产部第一物探大队在本区开展了1∶5万重力测量，包括铜陵、戴家汇、木镇三幅，2010—2012年，安徽省勘查技术院完成了新一轮姚沟幅、繁昌幅和乔木湾幅1∶5万重力测量，至此， 1∶5万重力资料覆盖全区，构成了本次建模的重力数据基础.为减少数据处理与三维建模计算过程中的边缘数据损失，采用1∶20万重力数据对1∶5万数据进行了扩展，主要采用重力“五统一”的方法对全部数据进行了重新计算.根据本次3 km深度建模的目的，采用不同分离方法（刘彦等，2012）对铜陵矿集区重力数据进行了区域场与剩余场分离，与地表地质对比，认为采用匹配滤波方法求取的剩余重力异常（图3）满足重力交互反演的要求.

本区自1975年开始先后有原冶金航磁大队和原地矿部航空物探大队先后开展了1∶2.5万至1∶5万航磁测量，精度分别为±13.6 nT和±3.6 nT，其中以原地质矿产部航空物探大队于1984年专门开展的铜陵地区1∶5万航空磁测测量质量最高，且覆盖整个研究区，本次建模工作的磁力数据选用该项成果.为降低数据处理与建模运算过程中的数据损失，本次工作采用Geosoft软件中的数据缝合技术对铜陵地区1∶5万航空磁测成果利用其他测区1∶2.5万至1∶5万航磁测量成果进行了扩边，数据范围扩展到565000-630000与3390000-3460000.铜陵矿集区航磁数据化极处理结果如图4所示.

图3 铜陵矿集区剩余重力异常

3.2.2 物性特征

物性是连接地质和地球物理的纽带，在以往物性测量中，大都通过地表采集的标本进行统计分析，实际上，相同的岩性在地表和深部物性往往是不同的（严加永等，2008），本文结合钻孔资料和地表标本资料发现：碳酸盐岩类密度稳定，井中与地面基本一致，而侵入岩和碎屑岩类密度变化很大，深部测定结果明显高于地面，差别最高可达0.2 g·cm-3.侵入岩类岩石磁性变化规律不一，其中花岗斑岩类基本保持不变，花岗闪长岩、石英二长岩等磁性随深度加大而明显增强，增加幅度在一倍左右，在1000 m以下逐渐趋于稳定.侵入岩、碎屑岩、碳酸盐岩类的密度值的相互关系发生质的变化，地面测定成果中，密度变化的基本规律是：泥质碎屑岩（P、C、D、S）<石英砂岩≈花岗斑岩<花岗闪长岩和石英二长岩≈灰岩<大理岩；而在钻孔岩芯成果中，相互关系大致调整为：花岗斑岩<花岗闪长岩和石英二长岩≈灰岩<石英砂岩（S）<泥质碎屑岩（S）.将地面和井中物性测量结果进行综合统计（表1），铜陵地区岩（矿）石物性具有以下特征：

A．花岗斑岩类总是表现为低磁低密度特征；

B．花岗闪长岩和石英二长岩与灰岩类密度相当，但可以通过磁性明显区分开来；

C．志留系砂岩的密度接近于下伏的寒武、奥陶系镁质碳酸盐岩密度，与晚古生界地层岩石差异明显，因此，区内分布广泛的褶皱构造易于通过重力异常或者密度结构加以区分；

D．侵入于前泥盆纪地层中的岩浆岩均表现为相对低密度特征，将以局部重力低和局部高磁异常的形式表现出来.

3.3 三维地质建模

3.3.1 建模范围

本次三维地质建模范围主要为铜陵矿集区的主体部分，面积约1100 km2，在垂直于本区构造线方向上布置了北东向展布的剖面27条，剖面位置见图1，测线之间大致平行，线距2 km，建模深度为3 km.

表1 铜陵矿集区物性统计表

图4 铜陵矿集区航磁化极异常

3.3.2 建模单元

依据工作区内侵入岩、火山岩、沉积岩等岩（矿）石物性参数统计或然值在密度、磁化率、等物性参数的分布特征，结合地质体空间展布特征，将物性参数相近或物性差异较小的地层及岩体等地质体划分为一个物性参数单元（如密度单元、磁化率元等）；然后依据不同物性参数单元对应地质特定类型地质体，确定三维地质建模单元.

综合区内地层密度、磁性平面与深部分布特征与变化规律，将铜陵地区划分为以下9个建模单元：E—K1g（低密度，无磁性），K1k—K1z（低密度、中弱磁性），J1-2z—T2h（中等密度、无磁性），T1（高密度、无磁性），D-C-P（中等密度、无磁性），S-O（高密度、无磁性）以及νδ（强磁性、中高密度），δο（中强磁性、中等密度），γδ（中低磁性、中低密度）.其中本区第四系虽然分布全区，但多在河谷与湖区分布，一般规模不大，且与地形具有很强的相关性，易于识别，故没有独立设立建模单元.

3.3.3 2.5D反演

2.5D反演采用RGIS软件（张明华等，2011），该软件提供基于成熟的二度半棱柱体模型的重、磁异常联合反演方法，进行人机交互可视化重力和磁异常联合的正反演模拟计算，或单异常反演计算功能.以地质剖面为初始模型，在物性约束的基础上，修改地质单元的形态，对27条剖面逐条进行交互反演.在反演过程中，为了提高反演精度，除了地质剖面约束，还采用了三维物性反演剖面对照修改约束的方法，图5是13线参照和不参照3D物性反演切片的结果对比，通过该图可以发现，修改后的结果（图5c）更加真实可靠,细节更加丰富，如在26000点戴公山背斜下方如果不参照三维反演结果进行交互反演，就无法确定其下存在的两个闪长岩体（图5a），通过三维反演切片对比参照，则可发现深部存在两个高磁性体，从而可以通过交互反演确定这两个隐伏岩体的范围（图5c），提高了模型的可信度.

图5 3D物性反演约束下交互反演结果对比

3.3.4 3D模型建立

在3.3.2节的基础上，获得了27条地质模型剖面为约束剖面，如图6所示，在MAPGIS K9软件平台（代丽霞等，2013）上采用人机交互地层建模模式和物性建模模式构建矿集区立体地质模型.构建过程如下：第一步，开展地层建模：将约束剖面通过标准化方式转换成系统需要的剖面数据模式并导入到该系统中，然后，按照剖面模型中同一属性体的边界分布特征，通过整体考虑该属性体在试验区内的展布方式，并结合相邻剖面该属性体边界的分布构建属性体的边界面；第二步，开展物性建模：将岩浆岩体填图单元主要依据3D物性反演几何框架进行水平切片，然后按照平行断面进行属性体边界构建；第三步，利用属性面作为属性体边界面构建成属性体；第四步，对推断断裂按照其属性构建空间断层体，并按照平行断面进行控制，最后，将试验区内多个属性体，按照地质空间分布规律进行融合，构成矿集区地质填图单元的三维结构，覆盖地表地质图的最终三维地质模型如图7所示，该模型可以进行任意方向的切片、旋转以及不同层位组合显示，为认识铜陵矿集区深部结构提供了直观丰富的信息.

4 三维地质模型解释

3D地质模型反映了丰富的地质信息，通过对三维地质模型的分析，可为区域构造、岩体分布、找矿预测提供丰富的信息.

4.1 构造格架

综合地质建模总体揭示出区内主要地质层系的构造特征，其中褶皱隆起区为重力高值区，坳陷区和火山岩盆地区显示为重力低.显然，剖面整体结构所揭示的构造展布特征与前面重力场特征分析结论是一致的.区内构造的基本特点是以北东向展布的褶皱带为主导，北东、北西及北北东向断裂斜贯全区，其间又横亘着近东西构造片断，分为褶皱构造和盆地构造两部分，褶皱构造在本区统称铜陵繁昌复向斜，系由多个次级背、向斜构造成，自北西而南东，由铜官山背斜、朱村向斜、永村桥—舒家店背斜、新屋里向斜、戴家汇—丁桥背斜.褶皱形态多为短轴型，背斜较紧密并常常倒转.向斜宽缓，常以复式向斜形式出现；盆地构造主要由两部分组成：一是侏罗系上统及白垩系下统火山岩系构成的中分村复向斜，分布于测区北东部.二是白垩系上统宣南组红色砂砾岩构成的木镇坳陷，其厚度最大可达3 km，分布于测区南东部.

图6 铜陵2.5D反演剖面三维空间分布图

图7 铜陵三维地质模型立体图

区内断裂十分发育，依其展布方向主要为北东向，北西向及北北东、南北和近东西向.其中以北东、北西两组最为醒目，其余仅见零星分布.铜陵地区的推覆构造十分发育，木镇凹陷区的早古生代基底和南陵盆地北西缘的戴公山背斜就是一区域性推覆构造的产物，而推覆构造的行迹在全区普遍存在，这就为铜陵地体的推覆成因提供了证据.

4.2 岩体三维形态与分布特征

铜陵地区燕山期岩浆活动十分强烈，三维地质模型圈定岩体群20多个（图8）.大多数岩体分布于东西向展布的铜陵—南陵深断裂控制的岩浆成矿带之上，控制着铜陵地块内的铜官山矿田、狮子山矿田、新桥矿田、凤凰山矿田、沙滩脚矿田等主要铜金（铁）矿产的分布,少数分布于铜陵地块南侧的五贵桥、天门山一带.岩体总体呈近东西向或北西向展布，与区域构造格架相对应，显示其受深部构造断裂控制.深、中、浅三个层次的构造控岩机制构成了岩体空间形态,显示深部隐伏岩基、中部岩浆柱与浅部小岩株;而且较深层位的侵入体多形成“似层状”岩体,中-浅层位的侵入体多成为“柱体”岩体,而在超浅成或近地表条件下形成的侵入体多呈瘤状、“蘑菇状”甚至漏斗状.深部与中浅部岩体形态结构的这一重大差异为铜陵地体的推覆成因（异地结构）提供了部分证据.

铜陵地区传统的五大矿田的侵入岩均具有复合岩体特征，特别是与辉石闪长岩共生，矿产以铁铜矿为主，而与金矿密切相关的侵入岩则仅与中酸性岩体有关，这一推断如果成立，将对铜陵地区找矿靶区优选产生重大影响.本文将重磁2.5D反演与3D物性反演结合，使反演结果对岩体的刻画更为精细.以凤凰山岩体为例（图9），在联合反演解释结果中，凤凰山岩体由内而外可以分为三环，中心为石英闪长岩，中部环绕花岗闪长岩，最外侧为石英闪长岩.这种解释模型不仅与地表地质填图结果一一对应，并且对岩体深部延伸情况进行了细致刻画，这一认识仅从重磁2.5D反演解释很难做到的.

4.3 控矿构造层系的空间分布

三维地质模型指示了本区全新的找矿空间，铜陵地区传统的找矿工作主要集中于背斜隆起区（凤凰山矿田除外），这是由铜陵地区以往的勘探深度及其相关的控矿层位决定的.如前所述，铜陵地区主要控矿层位为石炭纪-二叠纪至中三叠世的一套碳酸盐岩地层，尤其以石炭纪黄龙-船山组地层因其矿床厚度稳定、规模大最为重要，背斜隆起区因控矿层位埋深浅而备受青睐.进入深部找矿阶段后，勘探深度直指2500 m，三维建模成果显示：本区控矿有利层位除了分布于背斜隆起区及其两翼外，向斜区也是它们的集中分布区.

图8 铜陵矿集区岩体三维分布图

图9 凤凰山岩体精细结构（岩体岩性图例同图8）

新屋里向斜整体呈北东向展布，地表出露志留系到三叠系；向斜核部主要出露三叠系南陵湖组合周冲村组，石炭系和二叠系在两翼有出露，三叠系作为向斜核部地层，分布深度在0～700 m，其中在新屋里向斜中心处即新屋里到龙潭肖处，由于挤压作用达到最大，使得该处厚度最大约1700 m；石炭系到二叠系作为两翼主要地层，反演厚度在500～1000 m，分布深度在0～2700 m.沿向斜轴部向北东和南西端，两端逐渐扬起，控矿层位逐渐变薄变浅.

朱村向斜地表主要出露三叠系黄马青组合周冲村组，岩体出露较少；三叠系作为向斜核部地层，反演最大厚度达到2000 m，分布深度在0～2000 m；石炭系和二叠系作为两翼地层，在向斜南东翼有出露，北西翼隐伏，反演厚度约700～900 m，分布深度在0～2800 m.

火山岩分布区也有可能成为铜陵地区新的重要找矿空间：位于研究区东北部的繁昌火山岩盆地南缘，地表主要分布为白垩系火山岩盖层，反演结果显示：火山岩盖层的厚度都在1000 m以内；在火山岩盖层下直接分布有石炭系、二叠系和三叠系，控矿层位的层厚至少在1500 m以上，且在深部岩体侵入较多，侵入深度都在3000 m以上；根据铜陵地区已知矿床的成因和控矿要素，在结合三维立体反演结果，在繁昌火山盆地寻找新的找矿地区.

背斜隆起区的深部层位找矿同样令人期待，从三维地质模型可以看出：无论是铜矿山背斜、还是永村桥—舒家店背斜区，奥陶系顶面埋深都在2 km以上，同时具备较好的岩浆条件，因此在可探测的3 km有效深度范围内具有很好的找矿前景，为铜陵地区第二空间找矿提供有利部位.

图10 狮子山矿田岩体（蓝色体）与地层接触关系立体图

4.4 找矿靶区圈定

三维地质建模使得传统意义上的找矿靶区优选由定性向直接定位变得直观而简单.由于建模后控矿（或含矿）地质体的空间形态已经直观呈现，成矿有利部位（或者层位）的锁定便可根据已知矿床（体）的对比而直接进行，甚至依据成矿系列理论而开始新的预测.

以狮子山矿田为例，根据重磁交互反演建立狮子山岩体模型及与地层接触关系见图10，狮子山岩体与志留系-泥盆系砂页岩接触带附近形成斑岩型铜矿（冬瓜山深部），与石炭系-二叠系接触带以及与三叠系灰岩接触带附近形成矽卡岩型铜矿（老鸦岭、花树坡铜矿、东、西狮子山铜矿）.通过对已知矿床的研究，确定控矿要素（岩体、地层等），利用三维模型追踪控矿岩体与控矿地层的三维空间分布，便可圈定有利成矿区的范围.

结合区域成矿规律，根据三维地质建模结果，圈定了张家村、戴家汇、天门山等深部找矿靶区（靶区位置见图1），靶区特征及找矿前景分述如下.

4.4.1 张家村找矿靶区

张家村靶区位于陶家山向斜内，介于狮子山矿田和铜官山矿田之间.从成矿地质条件分析，控矿层位石炭纪、二叠纪、三叠纪地层在选区均发育，且比较连续，而这些地层多是铜陵地区重要的控矿层位.该地区位于铜官山—狮子山—新桥近东西向成矿带上，近东西向基底断裂横贯全区，重磁资料显示在区域重磁异常背景上叠加有南北向变异带，推测为南北向断裂构造.区内地表见有较多的小岩株，岩性为石英闪长岩、闪长玢岩，均是有利的含矿岩体，本次3D建模成果显示，地表这些小岩株在深部逐渐扩大并相连成大的岩基，它们是同源演化序列，其特征类似于狮子山矿田特征.根据已经完成的三条浅层地震剖面形成穿越铜官山背斜、顺安向斜、青山背斜、朱村向斜的地质构造-岩浆-成矿的走廊带资料（吕庆田等，2005），张家村一带的“第一成矿层”（即石炭系底部控矿层位）基本连续，并有岩株侵入，其深度约1 km，反映该地区成矿地质条件良好，具较大的资源潜力.

4.4.2 戴家汇靶区

戴家汇靶区出露地层，除第四系外，志留系-白垩系均有出露，主要控矿、赋矿地层为上古生界石炭系-二叠系至中生界下三叠统（海相碳酸盐岩地层发育齐全）；该区构造运动复杂，北面与繁昌火山凹陷接壤，东面与宣南坳陷毗邻.盖层褶皱构造自北西往南东依次为舒家店背斜、新屋里复向斜及戴公山背斜.北东向、北西向断裂构造发育；岩浆活动具有多样性特点，东北部表现为火山活动，西南部表现为岩浆侵入活动.火山岩：主要由中分村、赤沙、蝌蚪山三个旋回喷发的火山岩组成，出露于本区东北部，岩性以酸性流纹岩—中酸性安山岩为主.

侵入岩主要有沙滩脚花岗闪长岩体、桥头杨花岗闪长斑岩体、姚家岭花岗闪长斑岩体和青山花岗闪长斑岩体、戴家汇花岗闪长斑岩体.区内成矿地质条件十分优越.在该区近周边已发现新桥、凤凰山、朱家冲、沙滩脚、戴腰山、姚家岭、戴家汇等中、大型铜、铅锌、银多金属矿床，显示本区找矿前景广阔.3D反演成果表明，本区沙滩脚岩体与戴公山岩体在深部连为一体，属于中强磁性体，且与铜矿关系密切，而姚家岭岩体与桥头扬岩体几乎没有明显的磁异常反应，且与重力高密度体的局部密度降低有关，从姚家岭勘探剖面分析，这是姚家岭花岗闪长斑岩（密度较低）侵入戴公山背斜核部与其地层的捕掳体共同作用的结果，由于围绕沙滩脚—戴公山岩体低密度弱磁性体分布广泛，使得该远景区具有了重要的找矿前景.根据成矿条件分析和典型矿床特征研究，确定本区以寻找“斑岩型”、“层控型”、“接触交代型”、“岩浆热液型”四个找矿方向.

4.4.3 天门山靶区

天门山靶区位于青阳县丁桥镇北施家冲+姚家塘一带，岩体地表出露面积较小，仅在施家冲（闪长岩）、姚家塘（闪长斑岩）零星出露，施家冲一带岩体与砂岩接触带见明显硅化，姚家塘一带岩体北侧为三叠系灰岩.从岩体推断图发现，其深部有规模较大的岩体存在，说明其深部热流体活动强烈，流体填图也证明此处为流体上升中心，且靶区大部分区域为流体储集区域.该地区背斜核部地表出露地层为志留系，目前在本区附近已发现两种类型的矿化： ① 西峰牌金矿点产于志留系中受断层带控制的金矿化; ② 八大顶矿点金矿体是产于志留系底部与奥陶系顶部的层间滑脱面及断裂硅化破碎带之中，地表呈脉状分布，向北倾斜，倾角较陡，向东延伸尚未控制住，具有较大的找矿远景.综合分析认为该地区在深部存在志留系/奥陶系界面的控矿作用： ① 区域上，志留系/奥陶系界面是一个重要的滑脱构造界面，也是极有利的成矿部位，典型矿产如黄山岭式层控矽卡岩型铅锌矿、吕山金矿、许桥银矿等.对该地区寻找志留系/奥陶系界面成矿带具有重要的指示意义，说明在局部地段奥陶系可能赋存位置相对较高; ② 沿背斜核部、南东翼部有石英闪长玢岩、闪长玢岩呈脉状产出、在南东翼有丁桥花岗闪长岩出露，3D建模成果表明，在背斜核部存在比较大的隐伏侵入体，这些岩性也是铜陵地区重要的含矿岩性.与志留系的大套厚层砂岩相比，奥陶系岩性以碳酸盐岩为主，由于岩浆岩作用，可能形成隐伏矽卡岩型-斑岩型矿床.

5 讨论

1） 通过重磁三维物性反演结果、已知地质事实的约束，开展人机交互的二度半剖面重磁反演，在一定程度上减小了反演的多解性，但金属矿赋存地区地下结构往往复杂多变，反演结果仍然具有不确定性，换言之，反演结果多解性依然存在，但相比没有任何约束的反演，多解性已经大幅降低.如本文所述的凤凰山岩体，如不加以约束，只能识别为中酸性岩体（严加永等，2009），在结果地质、三维物性反演资料约束前提下，进行的交互反演则可区分出凤凰山岩体由内而外可以分为三环，中心为石英闪长岩，中部环绕花岗闪长岩，最外侧为石英闪长岩.虽然目前本文建立的模型是静态的，但随着已知信息的逐渐积累，将这些进行逐步增加的反演中，相信反演所得的地质模型将逐步逼近地下真实情况.

2） 以往研究认为，铜陵矿集区与成矿关系密切的岩体主要为石英闪长岩和花岗闪长岩（唐永成等，1998），前人根据舒家店铜矿地质情况，认为辉石闪长岩稍晚于成矿期，与成矿没有密切关系.而本次3D地质建模发现，铜陵地区传统的五大矿田的侵入岩均具有含辉石闪长岩的复合岩体特征，基性程度的分异与矿床类型有着直接关系，与辉石闪长岩共生的矿产以铁铜矿为主，而与金矿密切相关的侵入岩则多为中酸性岩体.三维模型还显示了复合岩体的分布范围，岩体在不同深度的形态和分异明显，若本文根据“岩体”+“层位”模式提出的张家村、戴家汇和天门山靶区实现深部找矿突破，将有力的证明辉石闪长岩体也是重要的找矿标志，这将对铜陵地区找矿靶区优选将会产生重大影响.

6 结论

1） 基于先验信息约束的三维地质建模是深部地质结构探测与矿产调查的重要途径：以地质和成矿系列理论为指导，以物性为纽带，用地表和钻探等工程地质条件为约束，通过2.5D与3D整体反演的多次拟合，建立三维地质模型，从而达到地球物理模型与地质模型的高度统一，实现深部控矿地质体的“透明化”，为深部找矿提供直观信息.

2） 铜陵地区重要控矿地层（C-P-T2）主要分布于向斜区和火山岩覆盖区，三维地质模型显示深部岩浆岩发育，具有良好的成矿前提，深部找矿工作应从传统的背斜隆起区转向向斜区、火山岩覆盖区以及部分凹陷区，这将极大拓展铜陵地区第二找矿空间.

3） 铜陵地区的推覆构造十分发育，木镇凹陷区的早古生代基底和南陵盆地北西缘的戴公山背斜就是一区域性推覆构造的产物；三维地质模型揭示铜陵地区侵入岩具有深、中、浅三重结构，为铜陵地体的推覆成因（异地结构）提供了部分证据，也指示了在铜陵矿集区之外再寻找一个类似铜陵的矿集区的良好前景.

致谢 文章写作过程中得到了中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所吕庆田研究员的指导，两位匿名审稿人提出了建设性的意见，在此一并表示感谢！

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（本文编辑 汪海英）

3D gravity and magnetic interactive inversion modeling based on prior information：A case study of the Tongling ore concentration area

LAN Xue-Yi1, DU Jian-Guo2, YAN Jia-Yong3,4*, AN Ming1, WAN Qiu2, GUO Dong1, LIAO Meng-Qi1, WANG Yun-Yun1, TAO Long1, ZHANG Qi-Yan1, ZHANG Sha-Sha1

1GeologicalExplorationTechnologiesInstituteofAnhuiProvince，Hefei230031,China2AnhuiGeologicalSurvey，Hefei230088,China3MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China4ChinaDeepExplorationCenter—SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China

Three-dimensional geological modeling is an important way to realize the breakthrough of deep mineral exploration. This method is based on the three-dimensional modeling of ore-controlling geological bodies, which can directly describe the spatial, genetic and evolutionary relationship between the ore controlling factors. At present, the 3D modeling mainly uses geological data; while in the absence of drilling and other known information, it is difficult to construct a reliable 3D geological model. In order to overcome the disadvantages of poor accuracy and low reliability of conventional 3D geological modeling, we propose an effective method based on the prior information. In this approach, a series of sections obtained by the 2.5D interactive inversion, combined with the sections of 3D physical property inversion, are employed to correct the process of building a 3D geological model. Using this method, the 3D geological model of the Tongling ore concentration area is successfully established, that objectively describes the 3D spatial characteristics of strata, fractures and rock mass. Through the interactive analysis of the 3D model, we draw the following conclusions. 1） The important ore-controlling formations （C-P-T2） of the Tongling area are mainly distributed in the syncline and volcanic-covered area with intense deep magmatic activity, which will greatly expand the prospecting space in the Tongling area. 2）The traditional five orefield intrusive rocks are characterized by having a composite rock, especially with the pyroxene diorite symbiosis mineral iron copper-based, and the gold mines is closely related to the intermediate-acid intrusive rocks. This inference, if established, will have a significant impact on selection of the Tongling area prospecting target. 3）Nappe structure is well developed in the Tongling area, the early Paleozoic basement in the Muzhen sag region and the Daigongshan anticline in the NW edge of the Nanling basin are the product of a regional nappe structure. 3D physical property inversion reveals that the Tongling area intrusive rocks have deep-middle-shallow triple structure, which provides some evidence for the thrusting cause of the Tongling terrane, and also we can look for another “Tongling” outside the Tongling area.

Prior information; Gravity and magnetic constraint inversio; 3D geological modeling; Tongling ore concentration area; Prospecting

“十二五”科技支撑计划项目（2011BAB04B01），国家深部探测专项第3项目（SinoProbe-03），地质调查项目（1212011120868,1212011220243），中国地质科学院基本科研业务费专项经费（YYWF201526,K1317）和自然基金项目（41574133和41104061）联合资助.

兰学毅，男，1961年生，教授级高级工程师.主要从事地球物理勘查研究. E-mail：lanxueyi@126.com

*通讯作者 严加永，男，副研究员，从事矿产资源勘查和深部探测研究.E-mail：yanjy@163.com

10.6038/cjg20151209.

10.6038/cjg20151209

P631

2015-07-10，2015-10-27收修定稿

兰学毅, 杜建国, 严加永等. 2015. 基于先验信息约束的重磁三维交互反演建模技术——以铜陵矿集区为例.地球物理学报，58（12）:4436-4449,

Lan X Y, Du J G, Yan J Y, et al. 2015. 3D gravity and magnetic interactive inversion modeling based on prior information：A case study of the Tongling ore concentration area.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4436-4449,doi:10.6038/cjg20151209.