1. 引言
多宝山矿集区位于大兴安岭北部的黑龙江省嫩江县。地处兴蒙造山带北东段，位于兴安地块与松嫩地块分界断裂西侧，在历史上经历了古亚洲洋构造、蒙古–鄂霍次克洋构造以及古太平洋构造，是多期构造叠加形成的区域。多宝山具有极其丰富的矿产资源，种类和储量极为丰富，质量也高。其中多宝山铜矿、铜山铜矿和三矿沟铜矿这三个矿带占全省大部分资源储量。除了铜矿还具有十分多的钼、金、银和钨。矿区内还有各种稀有金属。另外多宝山的非金属矿产资源也十分富饶，拥有不少的煤和硅的研究区。
论文主要揭示多宝山矿集区三合屯地区的区域地质结构以指导成矿靶区优选，采用音频大地电磁法对三合屯地区的地下电性结构进行勘查，为了得到较好的数据结果，本文开展了多种数据预处理方法的对比研究，分别采用SSMT2000、prMT和EMP软件对于野外实测数据进行预处理，之后对不同软件预处理数据后得到的视电阻率和相位曲线进行对比分析，选取效果最好的预处理方法对实测数据进行数据预处理，然后采用非线性共轭梯度法对数据进行二维反演，得到可靠的地下二维电性剖面模型，最后结合其他地质与地球物理资料，对于剖面二维电性结构进行解释和讨论。
2. 区域地质与地球物理概况
2.1. 地质概况
三合屯金矿化区位于嫩江县北东方向，嫩江黑河断裂带附近，属于与小兴安岭–张广才岭岩浆弧，龙江–塔溪地层分区。本区附近有多宝山岛弧带和黑河蛇绿混杂岩带、新开岭微地块、塔溪火山弧的汇聚，黑河蛇绿混杂岩带和新开岭微地块呈北东向通过本区，构造复杂，成矿地质背景良好。
2.1.1. 构造
研究区位于兴蒙造山带东段大兴安岭造山带和松嫩凹陷的交汇部位，不同时代的构造叠加作用强烈，地质构造主要发育有两类：一是断裂构造，二是褶皱及韧性剪切构造。中生代以来脆性构造非常发育，主要断裂构造为NNE向，次为NW向，NNE向断裂总体表现较平直，并有锯齿状特点，显示张(扭)性断裂构造形迹特征，地貌上多表现较窄的“U”型和“V”型谷和山鞍，大小断裂基本上都切割了中生代及以前的地质体，说明断裂的主要活动期在中生代 [1] 。早白垩世火山岩热液主要沿断裂NNE向断裂就位，说明NNE向断裂是区内主要的导矿和控矿构造。NW向断裂多呈疏缓波状，显示压性断裂构造形迹特征，地貌上多表现较宽广的“U”型沟谷和山鞍，断裂基本上切割了中生代及以前的地质体，说明断裂的主要活动期应在中生代。该方向断裂对于含矿地质体起到一定破坏作用 [2] 。
元古代变质地层和早石炭世侵入岩中普遍遭受韧性剪切作用，同时形成众多的流动褶皱构造，多以紧闭的尖棱褶皱、平卧褶皱、鞘褶皱和紧闭的倒转褶皱等为主。中元古代裂谷火山沉积作用形成了新开岭岩群基性–中性火山–沉积岩，区域上华里西期构造形成了早石炭世花岗岩侵位，同时的挤压俯冲作用导致了前期岩石发生变质变形，在新开岭岩群中形成形态各异的褶皱作用，褶皱枢纽方向以NE向为主，韧性剪切带走向也以NNE向为主，沿剪切带发育有铜钼化探异常和矿化蚀变，说明铜钼矿化作用可能与北东向的韧性剪切作用有关，而褶皱核部可能是有利的容矿构造 [3] 。
2.1.2. 岩石
研究区内侵入岩比较发育，主要有早石炭世花岗岩(C1γ)及早侏罗世深熔型花岗岩(J1γm)，区域侵入岩发育有硅化、黄铁矿化和黄铜矿化，对寻找金、铜矿产具有指示意义。区内岩浆活动较为频繁剧烈，岩浆岩活动有光华期和甘河期两个岩浆旋回，主要发育有流纹质、英安质、玄武质、安山质岩石。甘河期基性、中基性火山活动较为剧烈，其后的热液是形成低温矿产的主要热流体。研究区内变质岩主要有区域变质岩和动力变质岩两种，主要发育片麻岩、角闪岩、片岩等。岩石变质过程形成褶皱构造和片麻状构造。岩石变质过程中产生的褶皱构造为导矿和容矿作用提供了空间，异常蚀变区域在岩浆热液活动中往往形成金矿化 [4] 。
2.2. 岩矿石电性特征
为了研究多宝山矿集区不同地层和岩性电阻率特征，我们对采集的标本就行了电阻率测量；图1给出了不同岩石电阻率分布直方图，由图可见，二叠系凝灰岩和侏罗系花岗岩电阻率较大，均大于20,000 Ωm；二叠系流纹岩及白垩系白音高老组流纹岩电阻率在10,000~20,000 Ωm之间变化；早石炭系石英、二长花岗岩、深灰色闪长岩，晚石炭系碱长花岗岩，二叠系变英安岩电阻率在4000~10,000 Ωm之间变化；白垩系甘河组玄武岩电阻率小于1000 Ωm，白垩系嫩江组灰黑色泥岩电阻率小于100 Ωm [5] 。该区域出路的岩浆岩电阻率较低。上述结果表明，研究区域内不同时期地层岩石电阻率存在较为明显的电阻率差异，岩石标本的电阻率分布也呈现出复杂性，地层电阻率总体可以划分为三个阶次：高阻地层为二叠系–侏罗系岩石，中高阻地层为石炭系岩石，低阻地层为白垩系甘河组岩和白垩系嫩江组，此外白垩系白音高老组也显示出高阻特征 [6] 。
Figure 1. Lithological resistivity distribution in different strata
图1. 不同地层岩性电阻率分布图
3. 不同预处理软件的AMT数据处理效果对比
数据预处理效果对比
音频大地电磁法是一种依据岩石电阻率差异，通过对音频范围的电磁场进行观测，并研究其变化规律，进而解决相关地质问题的一种地球物理方法。因为音频电磁场的天然场源主要为雷暴，所以野外实测数据往往容易收到电磁干扰，造成数据质量较差，而且在5 k~1 kHz频率范围内，天然电磁场信号强度处于极低值，即所谓的AMT的“死频带” [7] 。因此数据的预处理显得尤为重要，本文选取了三套常用的AMT数据软件处理方法对实测数据进行预处理，并对不同软件处理方法得到的视电阻率和相位曲线进行了对比分析，最后选取最佳的预处理方式进行数据处理。
如图2(a)组所示，用凤凰仪器采集得到的数据经ssmt2000进行预处理，可以看出测点曲线较为平滑，10,000~10 Hz频率段内的视电阻率数据误差相差较小，曲线无飞点且未见超过四十五度抬升，但是测点N10-46和测点N10-48在视电阻率曲线尾部出现快速下降趋势，而且相位曲线尾部误差值较大，这可能是由于观测时间较短导致低频段数据质量不好。从相位曲线上来看，所有采用SSMT2000软件处理的测点相位曲线总体都比较平滑，但是相位数据出现超过90˚的变化情况，应该是地下具有较为复杂的地质体所导致总的来说对于AMT主要采集使用的频率段(10,000~1 Hz)，采用SSMT2000软件对实测数据的预处理结果较好，能够得到高质量的视电阻率和相位曲线，可以满足进一步二维反演对数据的要求。
如图2(b)组所示，用Aether进行野外的数据采集经EMP软件对实测数据进行数据预处理后得到典型测点的视电阻率和相位曲线图。测点N10-32视电阻率曲线在中、高频段(10,000~10 Hz)曲线较为平缓，飞点较少以及曲线异常抬升或下降情况出现。但是在低频段(频率10 Hz以下)数据质量较差。测点N10-32相位曲线在中、高频段(10,000~10 Hz)曲线较为平滑，但是在低频段(频率10 Hz以下)数据质量较差。测点N10-34、测点N10-46和测点N10-48经过软件EMP处理得到的视电阻率和相位曲线较为混乱，飞点较多且视电阻率值异常(小于1)，死频带的数据基本无用。总体来说，采用EMP软件对实测数据的处理结果较差，视电阻率和相位曲线不够平滑，飞点较多且数值异常，所以EMP软件预处理得到的结果不能满足二维反演的要求。
EMP存在以下特性：保存的处理模式包含有关开始处理的相对时间(从事件开始)和要处理的片段的持续时间的信息；如果需要对多个测量点进行处理保存，那么软件只能处理有着相同采样率、相同事件顺序及其记录持续时间的测量点 [8] ；EMP软件也是以抗差估计法为机制数据处理，虽与ssmt2000用的是基于抗差估计法，但算法上有不同的地方，由于代码并非开源，不能找出他们之间的具体的区别 [9] 。
以上是对相同采集点用配套的数据采集装置和数据预处理软件进行对比，讨论出用凤凰采集设备和其配套的处理软件ssmt2000对实测数据的预处理结果更好，如果用ssmt2000、EMP和prMT对同一采集方式所采集的野外数据进行处理对比，则可以探讨三个软件的处理效果，并且探究ssmt2000是否对别的采集方式也适用，确定ssmt2000是否为最佳的大地电磁反演的数据处理软件。
图3为采用ssmt2000、EMP和prMT处理软件对Aether仪器采集数据进行处理后的对比情况。从图中可以发现，对于Aether仪器采集的数据，ssmt2000和EMP的处理效果没有prMT处理的好，究其原因是因为Aether采集没有硬件去噪，而prMT作为Aether的配套软件会比ssmt2000和EMP处理的更优良。另外还发现数据质量较差的情况都会出现低频段(频率10 Hz以下)，认为是数据采集时间过短导致低频数据量较少，导致低频数据不可信，经处理后数据质量已得到改善，但其数据质量仍不合格，结果不可信。prMT软件对实测数据进行数据预处理后得到的典型测点的视电阻率和相位曲线图，视电阻率曲线在中、高频段(10,000~10 Hz)曲线较为平缓，无飞点以及曲线异常抬升或下降情况出现。从相位曲线上来看，所有采用prMT软件处理的测点相位曲线总体都比较平滑，但是相位数据在后半段出现抬升情况，应该是地下具有较为复杂的地质体所导致的，相位曲线尾支数据较差，是由于观测时间短导致低频数据量太少导致的。总体来说采用prMT软件处理过后的数据在10,000~10 Hz数据质量较好，可以达到音频大地电磁数据二维反演的要求。
在ssmt2000、EMP和prMT分别对Aether采集的数据处理对比分析中实际上选取有6个采集点，但其中有3个采集点(N10-58、N10-62、N10-64)所测出的数据比较杂乱，图4为N10-58、N10-62和N10-64三个测点的处理结果图，推测其数据质量差是测点所在位置有关，测量点靠近居民居住区，受电磁场干扰的因素导致数据杂乱。
综上所述，本文选用凤凰仪器所采集的数据，并使用ssmt2000软件对实测数据进行预处理，用该方式得到的数据进行大地电磁二维反演。
4. 音频大地电磁数据二维反演
4.1. 反演参数试算
大地电磁二维反演选择适合的光滑因子τ可以在得到很好拟合效果同时，还能得到有合适的光滑模型，所以找出对的光滑因子对二维反演具有重要意义，利用Ｌ曲线法则可以有效的准确的是确定τ值，保证TM、TE和TM+TE每组模式的误差级数(TM视电阻率误差级数、相位误差级数、TE视电阻率误差级数、相位误差级数)不变，然后只改变光滑因子但保持每种模式下光滑因子是一样的，本论文选取。0.1~200之间9个不同的光滑因子(τ值分别为0.1、0.5、1、3、5、7、10、100、200)进行试算，进行反演过后，记录不同光滑因子下每种模式的反演拟合误差(RMS)，绘图并寻找反演拟合误差最小时光滑因子的值 [10] 。
Figure 5. Invert the relationship between fitting error and coarse excess with smoothness factor
图5. 反演拟合误差与粗超度随光滑因子变化的关系
由图5反演拟合误差与光滑因子的关系图可得，不同τ值条件下剖面二维反演结果中，不同的τ值得到的反演剖面结果形态基本一致，且随着τ值的增大，反演模型变得光滑且拟合差变大 [11] 。当光滑因子为3时，曲线产生拐点，反演结果达到理想的拟合差和合适的粗糙度，并且τ为3时，地下电性结构特征最为清晰，所以可以确定使用τ = 3的反演模型作为最终的反演结果。但是由于误差级数未调设，反演拟合误差还很大，需要重新调设。
理论上，地下构造是三维的，其电性反应也是三维的，所以在大地电磁勘探中理应采取三维反演来得到电性特征。但计算机算法技术未发展到成熟地步，还没有一种快速算法去处理复杂的三维反演问题，而用普通算法，其计算量巨大，使得工作时间增加，成本升高 [12] 。另外，三维反演算法其实并不稳定，得到的反演结果通常不够理想，最后只能简化模型，得到稳定的、理想的反演结果。事实上，出于工作量和勘探费用原因，在大面积的大地电磁勘探的工作中一般选择几条单独的剖面布置设计然后观测，而不是选择采用三维大地电磁勘探。所以，在实际资料的解释中，主流用的还是二维反演技术 [13] 。其实在实际的二维反演中会经常面临对不同模式的选择，以下将探讨选择何种繁衍模式会更贴合实际地质情况。
输入不同极化模式数据，对TE、TM、TE + TM模式进行反演试算，经多次反演试算，得出如图6结果，三种模式下试算的拟合差结果相差较大TE模式下数据拟合差为4.23电阻率断面图反映出地层浅部为低阻、深部为高阻，并存在大范围的低阻、浅层表面出现部分高阻体，与实际地质情况不符，查阅资料发现TE模式下，对模型要求偏理想化，需要达到较为严格的二维近似要求，TE模式视电阻率曲线会出现快速上升的虚假特征。
Figure 6. Two-dimensional inversion trial calculation of different modes
图6. 不同模式二维反演试算
TM模式下数据拟合差为3.0，电阻率断面图反映地层电断面表现为从低阻变高阻的结构，浅层为低阻地层，深层为中–高层电阻率，与维性分析的结果相差较大。
TE + TM模式下数据拟合差为3.9，拟合误差比起TE、TM模式下的拟合误差数据小，而且也符合测区剖面基本的地质特征。
查阅资料可知，在高导体走向倾向比较小的情况下，TM模式的数据拟合差比TE模式的数据拟合差要小。而在三维高导的情况下，TM模式做二维反演解释会更恰当。但由于TM模式下对导电三维结构响应不大，而TE模式下对高阻三维结构响应也小，所以建议选取TE + TM模式进行反演 [14] 。
综上所述，采用TE + TM模式对于音频大地电磁剖面数据进行二维反演更为贴切。
确认在光滑因子为3、选择TM + TE模式两条件下，调试误差级数、数据级数可使得的反演的效果最佳，经多次的反复设参，可确认最终参数，当正则化因子τ = 3，TE、TM视电阻率误差级数为20%，相位误差级数为10%，最后剖面的反演拟合误差最小，反演拟合效果最好。
4.2. 二维反演结果及地质解释
图7展示了N10和K10号线在音频大地电磁法下的二维反演结果的地质解译及推断地质剖面。横坐标为距离，纵轴为高程，色标为视电阻率值。剖面为NW向，全长约13公里，由该二维电性反演结构图可发现，在近地表200 m左右，电阻率小于200 Ω∙m为低阻区域(R3)结合地面岩性资料推测为白垩系甘河组玄武岩、玄武安山岩、安山岩构成，西北部中深部发育了高阻区域(R1)推测为二叠系，西北部浅层出现低导区域(C1、C2)推测应为石炭系花岗岩、糜棱岩。该研究区地下电阻率随深度的加深而变大，且大部分地层呈现中高阻的电性结构。
Figure 7. Two-dimensional electrical inversion structure diagram
图7. 二维电性反演结构图
结合不同地层岩性电阻率分布图来看能发现该二维电性反演结构图，电性结构模型具横向分带、纵向分层特性。符合研究区地质概况，这说明通过大地电磁法得出的数据二维反演可获得了研究区可靠稳定的二维电性结构。
5. 结论
通过在多宝山矿集区三合屯矿区开展音频大地电磁数据处理和二维反演研究，主要取得了以下几点认识：
1) SSMT2000对不同仪器采集数据的处理效果要优于其他两种预处理软件获得的效果，prMT仅在处理Aether仪器采集的数据时才能获得较好的效果，EMP的处理效果最差，难以获得光滑连续的视电阻率曲线，特别是在死频带和低频部分。
2) 获得了研究区稳定可靠的二维电性结构，结合区域地质资料，揭示了研究区控矿构造在深部的展布特征，为该地区深部找矿提供了指引。