嚴(yán)加永, 呂慶田, 陳明春， 鄧震, 祁光,張昆, 劉振東, 汪杰, 劉彥

1 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1000372 中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心， 北京 1000373 中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 河北廊坊 0650004 中石化地球物理有限公司云南分公司， 昆明 650233

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基于重磁場多尺度邊緣檢測的地質(zhì)構(gòu)造信息識別與提取
——以銅陵礦集區(qū)為例

嚴(yán)加永1,2, 呂慶田2,3, 陳明春4， 鄧震1,2, 祁光1,2,張昆1,2, 劉振東1,2, 汪杰1,2, 劉彥1,2

1 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 國土資源部成礦作用與資源評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 1000372 中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心， 北京 1000373 中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所, 河北廊坊 0650004 中石化地球物理有限公司云南分公司， 昆明 650233

重磁場是地下地質(zhì)體密度、磁性分別響應(yīng)的綜合，蘊(yùn)涵著豐富的地質(zhì)構(gòu)造信息，如何將其有效地提取出來是正確認(rèn)識地下結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).本文在總結(jié)重磁場構(gòu)造信息提取研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，將構(gòu)造信息提取突破口歸結(jié)為重磁場的邊緣增強(qiáng)與檢測.通過構(gòu)建理論模型，對常用的邊緣檢測方法開展了對比試驗(yàn)，并以長江中下游成礦帶中的銅陵礦集區(qū)為例，開展了實(shí)際資料的處理和研究.獲得以下認(rèn)識和結(jié)論：（1）多尺度邊緣檢測方法較其他方法更能準(zhǔn)確提取模型邊界，更適合于構(gòu)造信息識別與提??；（2）在銅陵礦集區(qū)識別出18條斷裂構(gòu)造，確定了銅陵隆起的邊界，斷裂構(gòu)造的走向主要為北東向，前人所謂“棋盤格式”斷裂構(gòu)造系統(tǒng)并不存在；（3）圈定了巖體的分布范圍，在銅陵礦集區(qū)北緣，發(fā)現(xiàn)了2處隱伏巖體；（4）施家沖、戴家匯巖體周邊是尋找矽卡巖型、斑巖型銅金礦的有利地段，銅陵隆起和繁昌火山巖盆地分界斷裂兩側(cè)是尋找熱液型鉛鋅礦和金礦的重要靶區(qū).

重磁場； 多尺度邊緣檢測； 構(gòu)造； 識別與提??； 銅陵礦集區(qū)

1 引言

傳統(tǒng)地質(zhì)工作方法主要根據(jù)地表地質(zhì)觀察給出構(gòu)造信息，但是當(dāng)?shù)乇砀采w嚴(yán)重時(shí)，就難于給出準(zhǔn)確的構(gòu)造信息，即使在出露區(qū)，也往往只能給出經(jīng)驗(yàn)性的推測，而重磁場是地下地質(zhì)體密度、磁性分別響應(yīng)的綜合，蘊(yùn)涵著豐富的地質(zhì)構(gòu)造信息，無論是在基巖出露區(qū)還是覆蓋區(qū)，均是地下地質(zhì)體的客觀反映（熊盛青等，2014）.通過重磁場的邊緣檢測可以識別和提取對應(yīng)的構(gòu)造信息，不但能給出準(zhǔn)確的斷裂構(gòu)造信息，還能反映巖體邊界、盆地邊界等地質(zhì)信息，對構(gòu)造研究、深部找礦預(yù)測都有著重要的應(yīng)用價(jià)值（鄧震等，2012）.

自Agarwal和Kanasewich（1971）首先使用計(jì)算機(jī)對重磁場資料進(jìn)行趨勢分析提取不同深度構(gòu)造信息以來，人們就沒有停止過通過重磁場數(shù)據(jù)來識別和提取構(gòu)造信息的研究，人工智能、非線性科學(xué)、數(shù)字信號處理、偏微分方程、計(jì)算數(shù)學(xué)等各個(gè)學(xué)科的最新成果都被融入其中.Cordell和Grauch（1985）提出了對磁異常數(shù)據(jù)進(jìn)行偽重力變換分析地質(zhì)體邊界的方法.Miller和Singh（1994）提出了一種重磁場數(shù)據(jù)傾斜濾波的方法，該方法在對其進(jìn)行水平梯度濾波后，篩選出磁異常柵格數(shù)據(jù)中的局部最大值，作為構(gòu)造邊界判斷的依據(jù).Cooper（2004）提出了一種基于灰度值共生矩陣的結(jié)構(gòu)濾波方法來處理重力數(shù)據(jù)，該方法能減弱環(huán)形特征和增強(qiáng)任意方向的線性特征.這些方法基本上都是在對重磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、求導(dǎo)數(shù)、延拓等這些傳統(tǒng)處理方法的基礎(chǔ)上演變而來的，方法的核心思想較之傳統(tǒng)方法并沒有太大的變化，其目的是通過增強(qiáng)或削弱重磁場圖像中的某些特征，從而實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)構(gòu)造邊界的有效識別與提取.很多用于其他領(lǐng)域的方法也被應(yīng)用到從重磁場構(gòu)造信息提取中，Zhou（1992）將廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、地震和遙感方面的拉冬變換應(yīng)用于對重力數(shù)據(jù)的向上和向下延拓及去除重力數(shù)據(jù)合成圖中無用的線性特征，取得了一定的效果.牛濱華等（2001）, Vassilas等（1999）運(yùn)用自組織聚類圖結(jié)合Hough算法對重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，自動(dòng)提取了地質(zhì)體的邊界，而Hough算法最初也是用于圖像處理，尤其是遙感圖像處理中.Eaton和Vasudevan （2004）將原本用于地震資料處理的一種句法模式識別技術(shù)——骨架算法（Le and Nyland, 1990; Lu and Cheng, 1990; Li et al.,1997）應(yīng)用到重磁場數(shù)字圖像中線性特征的識別及自動(dòng)提取.

國內(nèi)學(xué)者也在重磁場構(gòu)造信息提取方面做了大量研究，高強(qiáng)和程方道 （1993）從重磁場數(shù)字圖像生成了最大梯度二態(tài)像素圖，據(jù)此分析構(gòu)造邊界；杜德文和馬淑珍（1996）將最大梯度追蹤方法與旋轉(zhuǎn)變換方法有機(jī)地結(jié)合起來,用來自動(dòng)生成重磁場最大梯度的矢量圖像，根據(jù)最大值提取構(gòu)造信息；王四龍等（1998）利用霍夫變換半自動(dòng)地提取了重磁數(shù)據(jù)中蘊(yùn)涵的構(gòu)造信息；陳永良和劉大有（2002）討論了重磁場水平一階導(dǎo)數(shù)圖像中局部極大、極小值線的自動(dòng)提取方法；Zhang等（2006）將基于改進(jìn)的Radon變換和梯度計(jì)算用于重磁圖像中線性特征的檢測和增強(qiáng)，該方法能在變化域中突出顯示線性特征，有利于線性特征的提取和增強(qiáng).劉金蘭等（2007）、趙希剛等（2008）、夏玲燕等（2008）都分別運(yùn)用了圖像處理技術(shù)對重磁場數(shù)字圖像中的線性特征進(jìn)行了識別；楊宇山等（2003）利用小波細(xì)節(jié)的微分特征對重力場進(jìn)行斷裂分析，該方法克服了向上延拓方法中會(huì)出現(xiàn)的異常特征模糊化的缺點(diǎn),與傳統(tǒng)的求水平一階導(dǎo)數(shù)、向上延拓等分析斷裂的方法相比,其使重力場的斷裂分析更加可靠、準(zhǔn)確.楊文采等（2015）把小波多尺度分析、表面刻痕分析以及位場頻率域解釋理論和反演方法結(jié)合起來，提出了區(qū)域重力場多尺度刻痕分析方法，在青藏高原地質(zhì)構(gòu)造解譯中取得了較好的效果.

盡管國內(nèi)外學(xué)者在重磁場資料構(gòu)造信息的自動(dòng)識別與提取方面做了不少的研究，也取得了不少的成果，但是，很多方法在實(shí)際應(yīng)用中卻沒能發(fā)揮出當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)的作用與效果.這主要與處理方法本身的缺陷有關(guān)和應(yīng)用前提有關(guān)：有的處理方法本身在設(shè)計(jì)時(shí)就沒能考慮到方法的普遍適用性，致使方法只能在很局部的方面運(yùn)用；有的方法則是沒有注意到重磁場數(shù)據(jù)資料的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)生搬硬套其他相似的數(shù)據(jù)處理方法，致使在實(shí)際中該方法達(dá)不到理想的效果.為探索有效的構(gòu)造信息提取方法，本文將重磁場構(gòu)造信息提取歸結(jié)于位場數(shù)據(jù)的邊緣檢測，并以此為突破口，在分析常見的邊緣檢測方法的原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了理論模型，開展了不同方法的檢測對比試驗(yàn)，并將該方法應(yīng)用到長江中下游成礦帶銅陵礦集區(qū)的實(shí)際資料處理中，較好地刻畫了斷裂、巖體和基底隆起的邊界，為區(qū)域構(gòu)造分區(qū)、找礦預(yù)測提供了豐富信息.

2 原理與方法

由于地質(zhì)體邊界兩側(cè)一般存在密度或磁化率差異，重磁異常在地質(zhì)構(gòu)造邊界附近表現(xiàn)為梯度變化帶，這些梯度帶的實(shí)質(zhì)就是場源的邊界，因此，重磁場構(gòu)造信息提取的主要方法是從重磁異常圖中提取場源邊界（張壹等，2015）.通常的做法是對重磁異常中的場源邊界信息進(jìn)行增強(qiáng)，然后利用某種邊緣檢測的手段確定邊界位置（張季生，2006）.重磁異常邊緣增強(qiáng)檢測的方法有很多種，如：斜導(dǎo)數(shù)法、斜導(dǎo)數(shù)水平梯度法、Theta圖法等.每種方法的原理和應(yīng)用的前提條件不盡一致，相同的一組重磁數(shù)據(jù)，用不同方法處理后的結(jié)果也有所不同.因此，有必要對不同方法的檢測效果進(jìn)行對比分析，優(yōu)選出效果較好的方法.通常，在不同地區(qū)或不同地質(zhì)背景的重磁異常解釋過程中，也需要對各種檢測增強(qiáng)方法獲取的結(jié)果進(jìn)行對比分析，篩選出某一種與實(shí)際地質(zhì)情況吻合較好的方法，結(jié)合已有資料綜合分析，再給出合理的地質(zhì)解釋.2.1 邊緣增強(qiáng)的幾種典型方法

國內(nèi)外已經(jīng)提出了很多重磁場數(shù)據(jù)邊界增強(qiáng)的方法，應(yīng)用較為多的是總水平梯度法，Grauch和Cordell（1987）就證明用重力異?？偹教荻确档姆逯的軌蚩坍嫿拼怪钡倪吔缁蛎芏冉佑|帶.在此基礎(chǔ)上，又衍生出許多新的算法.Miller和Singh（1994）提出了對垂向一階導(dǎo)數(shù)歸一化后的Tilt Angle方法，國內(nèi)稱之為斜導(dǎo)數(shù)（TDR）（劉金蘭等，2007）,以重力異常為例，計(jì)算公式為:

（1）

斜導(dǎo)數(shù)法用垂向一階導(dǎo)數(shù)來強(qiáng)調(diào)淺源產(chǎn)生的短波異常，克服了總水平梯度法只突出大梯度異常的缺點(diǎn).所以，斜導(dǎo)數(shù)能增強(qiáng)弱異常，并且在突出深源和淺源方面比較均衡.

Verduzco等（2004）建議對斜導(dǎo)數(shù)再計(jì)算一次水平導(dǎo)數(shù)，用THDR（Total Horizontal Derivative）來表示，即

（2）

這樣可以使邊界更突出，而且不會(huì)產(chǎn)生“假邊界”.這種方法在國內(nèi)稱為斜導(dǎo)數(shù)水平梯度.

Wijns等（2005）提出的邊界探測算子是把水平梯度用解析信號的振幅來做歸一化，計(jì)算公式如式（3）所示，通過這種新算子計(jì)算出θ，用它做出的等值線圖稱為Theta圖,這種算法簡稱Theta法.

（3）

2.2 多尺度邊緣檢測

利用重磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行多尺度邊緣檢測最初是從圖像分形學(xué)和澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織有關(guān)部門研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，Hornby等（1999）首先提出了多尺度邊緣檢測的概念，由于檢測結(jié)果形狀類似蜿蜒爬行的蠕蟲，該方法又被稱為WORMS法，隨后，Archibald等（1999）,Horowitz等（1999），Holden等（2000），Austin和Blenkinsop（2008）相繼對其理論和應(yīng)用進(jìn)行了研究.WORMS法的基本原理是將重磁場上延一系列高度，求取每個(gè)高度的水平梯度并檢查極大值點(diǎn)，按一定規(guī)則將這些點(diǎn)連接為線，這些不同延拓高度獲得的線束反映了不同深度的構(gòu)造邊界，處理過程約束了重磁場梯度的位置和強(qiáng)度，其結(jié)果可以解釋為地質(zhì)構(gòu)造的三維分布格局.對重力數(shù)據(jù)而言，由于采用了不同高度的向上延拓，可直接用布格重力異常作為輸入數(shù)據(jù)，避免了使用其他方法分離區(qū)域場與局部場時(shí)產(chǎn)生的不確定性.按不同的延拓高度，可以將檢測點(diǎn)按一定邏輯規(guī)則連接形成線，稱之為WORMS線或者線束，隨著延拓高度的上升，WORMS線反映的邊界位置從淺向深漸變（Archibald et al.，1999），WORMS線束反映了具有密度差和磁性差異地質(zhì)體的邊界，如斷裂構(gòu)造和各類接觸面.WORMS點(diǎn)數(shù)據(jù)包含重磁場數(shù)據(jù)梯度極大值的位置（x、y、z）和梯度的振幅（或強(qiáng)度），上延高度反映地下信息的深度不同，上延越長，反映的地下深度越深（Murphy, 2005）.

圖1 重磁場多尺度邊緣檢測流程

多尺度邊緣檢測的流程如圖1所示，該方法一般以布格重力異常和化極磁異常為初始輸入數(shù)據(jù)，如果有其他特定需要，還可以對剩余重力異?；蚧瘶O磁異常的垂向?qū)?shù)進(jìn)行處理.延拓高度視研究區(qū)大小進(jìn)行設(shè)置，最大的延拓高度采用對初始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同高度的上延，當(dāng)增加上延高度，異常形態(tài)不變或變化程度很小時(shí)的高度設(shè)置為最高延拓高度，最小延拓高度根據(jù)研究目的設(shè)置.延拓高度系列應(yīng)該分布均勻，一般采用對數(shù)間隔使其均勻分布.水平梯度在頻率域中進(jìn)行,求得水平導(dǎo)數(shù)后，即可開展導(dǎo)數(shù)極大值檢測.極大值的檢測可以采用Canny算子，Canny算子是一個(gè)具有濾波、增強(qiáng)和檢測的多階段的優(yōu)化算子，在進(jìn)行處理前, Canny算子先利用高斯平滑濾波器來平滑圖像以除去噪聲,即用高斯平滑濾波器與圖像作卷積,從而將鄰域（或局部）重磁場梯度幅值有顯著變化的點(diǎn)突出來（Canny，1986）.在此基礎(chǔ)上，對每個(gè)點(diǎn)周圍的點(diǎn)進(jìn)行對比，如果其比周圍每個(gè)點(diǎn)都大，則保留該點(diǎn)，通過滑動(dòng)窗口的方法依次檢測每個(gè)點(diǎn)，通過檢測標(biāo)準(zhǔn)的保留下來，然后利用邏輯拓?fù)潢P(guān)系（如相鄰點(diǎn)最小距離，組成一條線所需最少點(diǎn)數(shù)等），將這些點(diǎn)連接形成線，即WORMS線，這些線束就被賦予了構(gòu)造信息，從而完成重磁數(shù)據(jù)的多尺度邊緣檢測.將檢測線在三維可視化平臺(tái)中顯示，結(jié)合其他已知地質(zhì)地球物理信息，即可開展地質(zhì)構(gòu)造信息的識別與提取.

3 模型試驗(yàn)

3.1 理論模型的設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)邊緣檢測方法的效果，建立如圖2所示的一組模型.觀測區(qū)域大小為長江中下游成礦帶范圍，測線為南北向，線距5 km，點(diǎn)距200 m.重磁異常的場源由7個(gè)埋深、大小、物性（磁化率和密度）均不相同的模型體組成，1、2、3號模型體模擬斷裂帶，其中3號模型體寬度從北東端的12 km逐漸減小，至南西端減至10 km寬，4、5號模型體模擬基底隆起和局部地層隆起，6、7號模型體模擬不同深度的侵入巖體，6、7號模型體疊加在5號模型體上，5號模型體再疊加到4號模型體上，各模型體的具體形狀和物性參數(shù)如表1所示.

表1 產(chǎn)生重磁異常的理論模型參數(shù)表

圖2 用于邊緣檢測效果對比的模型體組合

取背景密度為2.7 g·cm-3，背景磁化率為0×10-6SI，磁傾角為90°，磁偏角為0°，上述理論模型產(chǎn)生的重力、磁力異常如圖3所示.高密度差線狀模型體（2、3號）產(chǎn)生的重力異常界線清楚，高值區(qū)與模型體頂部形態(tài)基本吻合，但低密度差的1號模型體產(chǎn)生的負(fù)重力異常有發(fā)散的趨勢（圖3a）.4、5、6、7號模型體產(chǎn)生的是疊加異常，4、5號模型體產(chǎn)生的重力異常邊界較清晰，而6、7號兩個(gè)淺部場源產(chǎn)生的異常邊界則不太清楚，且在6、7號模型體水平方向中心位置出現(xiàn)一個(gè)與6、7號模型體所產(chǎn)生的重力異常規(guī)模相當(dāng)?shù)漠惓７逯?，推測這是4、5、6、7號模型體疊加所致.1、2、3線狀模型體產(chǎn)生的正磁異常界線清晰，4、5、6、7號模型體產(chǎn)生的磁異常峰值與模型邊界基本重合（圖3b）.

3.2 邊緣增強(qiáng)及檢測效果分析

以理論模型產(chǎn)生的重磁異常數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，增加5%的高斯噪聲（圖3），采用第2節(jié)中所述方法進(jìn)行邊緣增強(qiáng)，對HDTDR法、TDR法、Theta法和WORMS法均采用Canny算子進(jìn)行檢測.

重力異常的四種方法的檢測效果如圖4所示，HDTDR法對具有正密度差模型體的邊界檢測與模型邊界吻合較好，但對疊加異常區(qū)域會(huì)有虛假邊界出現(xiàn)，如在4號和5號模型體中間檢測到與實(shí)際模型不相符的邊界.HDTDR法對具有負(fù)密度差的模型體也能區(qū)分出來（1號模型體），但在該模型兩側(cè)檢測到兩條呈“八”字型的假邊界.TDR法檢測邊界與實(shí)際模型差別較大，對正密度差模型，其檢測到的邊界在模型體中間，對異常邊緣的判別能力較差，對負(fù)密度差的模型體，檢測到的邊界在模型體外2～3倍的環(huán)帶上，在模型體邊部和內(nèi)部均未檢測到有效的邊界信息.Theta法對正密度差的模型所對應(yīng)的邊界檢測準(zhǔn)確度較高，僅對疊加模型的5號模型體邊界向外偏離10%左右.Theta法對負(fù)密度差的模型體邊界檢測也較為準(zhǔn)確，但會(huì)在其兩側(cè)檢測到呈“八”字型分布的假邊界.WORMS法對正、負(fù)密度差的模型體邊界檢測都較為準(zhǔn)確，且沒有檢測出虛假邊界，WORMS線的疏密還反映了模型體的傾向，如2、3號模型體的傾向?yàn)楸蔽?，傾角為75°，WORMS線在模型體北西側(cè)平緩，在南東側(cè)則變密集.對重力異常而言，邊緣檢測效果優(yōu)劣排序?yàn)椋篧ORMS法、HDTDR法、Theta法、TDR法，WORMS法結(jié)果準(zhǔn)確，虛假邊界少，HDTDR法和Theta法對正異常的邊界判讀較好，但對負(fù)異常的檢測會(huì)出現(xiàn)假邊界，TDR法對正負(fù)異常的邊界均不能準(zhǔn)確檢測.

磁力異常的四種方法的檢測效果如圖5所示，HDTDR法對單一模型體的邊界檢測與模型邊界吻合較好，但對疊加異常區(qū)域會(huì)有虛假邊界出現(xiàn)，如在4號和5號模型體之間、5號與6、7號模型體之間多檢測出了兩條與實(shí)際模型不相符的邊界.TDR法檢測出的邊界與實(shí)際模型差別較大，單一模型體邊界出現(xiàn)在模型體中心，疊加模型的邊界在實(shí)際邊界的內(nèi)側(cè).Theta法對單一模型所對應(yīng)的邊界檢測準(zhǔn)確度較高，但在模型體外側(cè)會(huì)出現(xiàn)虛假邊界，對疊加模型而言，檢測出與模型體邊界的同時(shí)也檢測出假邊界，如在4號和5號模型體之間、5號與6、7號模型體之間多檢測出了兩條與實(shí)際模型不相符的邊界.WORMS法模型體邊界檢測都較為準(zhǔn)確，WORMS線密集分布的位置與模型體邊界吻合較好.當(dāng)延拓高度過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)邊界擴(kuò)散現(xiàn)象，如在1、2、3號模型體的外側(cè)出現(xiàn)的WORMS線.WORMS線的疏密還反映了模型體的傾向，如2、3號模型體的傾向?yàn)楸蔽?，傾角為75°，WORMS線在模型體北西側(cè)平緩，在南東側(cè)則變密集.對磁力異常而言，邊緣檢測效果優(yōu)劣排序?yàn)椋篧ORMS法、Theta法、HDTDR法、TDR法，WORMS法結(jié)果準(zhǔn)確，延拓高度設(shè)置合理時(shí)，虛假邊界少，HDTDR法和Theta法對磁異常的邊界判讀較好，但對組合模型的檢測會(huì)出現(xiàn)假邊界，TDR法對磁異常的邊界不能準(zhǔn)確檢測.

圖3 理論模型產(chǎn)生的重力異常（a）和磁力異常（b）

圖4 重力異常邊緣檢測效果對比: HDTDR法（a）;TDR法（b）;THETA法（c）;WORMS法（d）

圖5 磁力異常邊緣檢測效果對比：HDTDR法（a）；TDR法（b）；THETA法（c）；WORMS法（d）

4 銅陵礦集區(qū)重磁邊緣檢測

4.1 地質(zhì)背景

銅陵礦集區(qū)是我國六大有色金屬基地之一，“古銅官山”的銅礦開采可追朔到春秋時(shí)代.解放后，先后探明了以銅官山銅礦、獅子山銅礦、鳳凰山銅礦、新橋銅（硫、鐵、金、銀）礦、冬瓜山銅礦、天馬金礦等為代表的一批大-中型礦床，主要礦種為Cu、Fe、S、Au、Ag、Pb、Zn等，已經(jīng)確立了銅陵地區(qū)是我國“矽卡巖型銅礦”的重要礦集區(qū)，所發(fā)現(xiàn)的矽卡巖型銅礦床規(guī)模在中國東部具重要地位.銅陵礦集區(qū)大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子克拉通北緣,大別造山帶前陸盆地中的次級隆起區(qū)（唐永成等,1998），大地構(gòu)造演化經(jīng)歷了活動(dòng)-穩(wěn)定-再活動(dòng)3個(gè)發(fā)展演化階段,即前南華紀(jì)基底形成發(fā)展階段、南華紀(jì)—早三疊世穩(wěn)定蓋層發(fā)育階段、中—晚三疊世至新生代碰撞造山及造山后板內(nèi)變形階段（Ma and Ge,1989;Wang and Mo,1995）.區(qū)內(nèi)出露地層主要為志留系至第四系,累計(jì)厚度在4500 m以上.其中,上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)黃龍組和船山組、中二疊統(tǒng)棲霞組、上二疊統(tǒng)大隆組、下三疊統(tǒng)殷坑組、和龍山組和南陵湖組等6個(gè)地層單元是礦集區(qū)重要的賦礦層位（儲(chǔ)國正,1992）.加里東、印支及燕山運(yùn)動(dòng)對本區(qū)構(gòu)造格架的形成起主導(dǎo)作用，區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構(gòu)造均十分發(fā)育，主要由南北向和北北東向多組基底隱伏深大斷裂與一系列北東走向、相間排列的蓋層短軸褶皺共同構(gòu)成（儲(chǔ)國正和李東旭,1992;劉文燦等,1996;吳淦國等,2003）, 對巖漿的侵入作用、成礦流體的運(yùn)移及成礦元素的遷移、活化、沉淀富集起重要作用.區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育燕山期侵入巖,出露大小巖體共有76個(gè),面積約70 km2（邢風(fēng)鳴和徐祥,1996;吳才來等,2013）.嚴(yán)加永等（2009）通過航磁反演，刻畫了巖體的三維形態(tài)，認(rèn)為部分地表發(fā)現(xiàn)的小巖株在深部連為一體，形成34個(gè)較大的巖體或巖基.巖體成巖年齡介于135—147 Ma之間,巖性為中酸性閃長質(zhì),與成礦關(guān)系極為密切,礦體常產(chǎn)于巖體與圍巖的接觸帶及其附近.銅陵礦集區(qū)內(nèi)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)地300多處,其中大中型礦床數(shù)十個(gè),探明銅金屬資源量大于400萬t,金大于100 t,還有大量的銀、鉛、鋅、鉬、鐵等金屬資源（吳才來等,2010，鐘國雄等，2014）.礦床集中分布在銅官山、獅子山、新橋、鳳凰山、姚家?guī)X5個(gè)近等距分布的礦田中,總體沿近東西向銅陵—沙灘腳構(gòu)造-巖漿帶展布,礦化以銅、金為主,向南北兩側(cè)銅、金礦化逐漸減弱而鉛鋅多金屬礦化加強(qiáng),顯示出“鉛鋅夾銅金”的南北分帶特點(diǎn)（徐曉春等，2014）.

縱觀銅陵礦集區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究和礦產(chǎn)勘查現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)研究工作很不平衡，多集中在地層、巖漿巖、年代學(xué)、礦床地質(zhì)和對深部背景的研究.但是從全面認(rèn)識成礦的動(dòng)力學(xué)過程和時(shí)空規(guī)律的角度，從深部找礦的需求角度，還存在很多科學(xué)問題急需解決，這些問題包括：（1）深部過程與巖漿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：銅陵礦集區(qū)巖漿巖形成的動(dòng)力學(xué)過程和機(jī)制，巖漿從源區(qū)遷移到地表的途徑與結(jié)構(gòu)；（2）礦集區(qū)地殼結(jié)構(gòu)與變形：上、下地殼結(jié)構(gòu)框架、厚度與可能的物質(zhì)組成，現(xiàn)今地殼結(jié)構(gòu)形態(tài)及反映出的構(gòu)造變形、演化歷史.

4.2 重磁數(shù)據(jù)

航磁數(shù)據(jù)采用原地礦部航空物探大隊(duì)于1984年開展的銅陵地區(qū)航磁測量成果，范圍包括1∶5萬分幅銅陵幅、戴家匯幅全部及繁昌幅、姚溝幅、木鎮(zhèn)幅和喬木灣幅部分，范圍為117°40′00″E—118°15′00″E，30°42′30″N—31°6′00″N.航磁測量飛機(jī)的飛行高度為107～300 m，大部分區(qū)域測線間距為500 m，局部區(qū)域?yàn)?000 m（嚴(yán)加永等，2009）.為使磁性體位置與磁異常位置對應(yīng)，對航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了化極處理.

重力數(shù)據(jù)按照“五統(tǒng)一”的標(biāo)準(zhǔn)，整合了1984—1987年原地礦部一物完成的銅陵、戴家匯、木鎮(zhèn)三幅1∶5萬重力測量數(shù)據(jù)和2010—2012年中國地質(zhì)調(diào)查局完成的姚溝幅、繁昌幅和喬木灣幅1∶5萬重力測量數(shù)據(jù)，整合后的布格重力異常數(shù)據(jù)精度為±0.020×10-5m·s-2，截取了與航磁范圍一致的數(shù)據(jù)開展多尺度邊緣檢測.

4.3 邊緣檢測結(jié)果

采用4.2節(jié)中所述的數(shù)據(jù)，經(jīng)過上延、求水平導(dǎo)數(shù)、邊緣檢測點(diǎn)、點(diǎn)形成線等一系列處理，獲得了銅陵礦集區(qū)布格重力異常的多尺度邊緣檢測結(jié)果（圖7）.重力多尺度邊緣檢測反映了密度邊界，航磁多尺度邊緣檢測反映了磁性體的邊界.總體來看檢測結(jié)果顯示隨著延拓高度的變化，一些規(guī)模小、切割不深的淺表構(gòu)造邊界逐漸消失，保留下來的長波長的信號基本反映了區(qū)域內(nèi)發(fā)育規(guī)模巨大、切割較深或深部隱伏的地質(zhì)構(gòu)造邊界.這些線性展布的邊界形跡，顯示出各構(gòu)造的走向、連續(xù)性以及各線性構(gòu)造不同深度層次的變化.深部保留的各邊界之間所分割的塊體代表地下深部有物性差異地質(zhì)體的分布.

4.4 地質(zhì)解釋

4.4.1 解釋的基本原則

重力多尺度邊緣檢測（圖8）主要反映了密度體的邊界.銅陵礦集區(qū)碳酸鹽巖類具有較高的密度，重力異常反映了基底隆起，通過重力異常的多尺度邊緣檢測結(jié)果可以確定塊體邊界和斷裂構(gòu)造.磁力多尺度邊緣檢測（圖9）則主要反映了磁性地質(zhì)體的邊界，根據(jù)銅陵礦集區(qū)物性資料分析（嚴(yán)加永等，2009），銅陵礦集區(qū)具有的磁性地質(zhì)體主要是各類中、基性巖體，灰?guī)r、頁巖、砂巖等圍巖大多為弱磁性或無磁性巖石，因此，磁力多尺度邊緣檢測結(jié)果可以用來圈定中基性巖體的分布范圍.

在同一圖幅內(nèi)，將不同延拓高度檢測結(jié)果疊加到一起，采用不同顏色、大小的線型表示不同深度尺度的信號邊界形跡，不同深度邊界信號形跡在分布位置上所體現(xiàn)的相似性即可獲知該構(gòu)造形跡的發(fā)育深度及傾向特征：線束越密集表示邊界構(gòu)造切割深度越大，線束稀疏則表示其切割發(fā)育的深度較淺；線束組合越寬表示該構(gòu)造傾向越緩，反之則表示該邊界構(gòu)造發(fā)育產(chǎn)狀較陡、傾角較小.每組線束組合均能反映邊界構(gòu)造的走向及擺動(dòng)、傾向、切割深度等特征（嚴(yán)加永等，2011； Austin and Blenkinsop, 2008）.

4.4.2 斷裂系統(tǒng)與構(gòu)造格局

根據(jù)重磁場多尺度邊緣檢測結(jié)果，結(jié)合反射地震和大地電磁資料，綜合分析厘定了編號為F1—F18的18條斷裂系統(tǒng)，據(jù)此確定了區(qū)域構(gòu)造格局（圖10）.F1、F2和F3號深大斷裂界定了銅陵隆起區(qū)的范圍，F(xiàn)3以北為繁昌火山巖盆地，F(xiàn)1和F4號斷裂之間為戴家匯—木鎮(zhèn)坳陷，F(xiàn)4號斷裂以南為江南隆起.繁昌火山巖盆地構(gòu)造走向與銅陵隆起區(qū)具有明顯差異，盆地中構(gòu)造走向多為北西西向，反映了繁昌火山巖盆地是后期形成的近東西向的凹陷盆地，而隆起區(qū)以北東向?yàn)橹?，無論從重力多尺度邊緣檢測結(jié)果，還是從航磁多尺度邊緣結(jié)果分析，均無任何證據(jù)表明銅陵礦集區(qū)存在所謂的“棋盤格”式斷裂系統(tǒng)（李東旭和譚以安，1989；劉文燦等，1996；吳淦國等，2003），整個(gè)銅陵隆起區(qū)的斷裂系統(tǒng)以北東向?yàn)橹鲗?dǎo).綜合重磁場多尺度邊緣檢測結(jié)果、反射地震剖面和大地電磁剖面所揭示的區(qū)域斷裂系統(tǒng)分布、深部延伸和性質(zhì)如下：

圖6 銅陵礦集區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖

圖7 銅陵礦集區(qū)重力（a）、航磁（b）多尺度邊緣檢測結(jié)果立體圖

圖8 銅陵礦集區(qū)重力多尺度邊緣檢測俯視圖

圖9 銅陵礦集區(qū)航磁多尺度邊緣檢測俯視圖

F1號斷裂地質(zhì)上稱為丁橋—戴家匯斷裂，該斷裂是一條控盆斷裂，呈北東—南西走向，結(jié)合反射地震資料（圖11）可以看出其傾向南東，構(gòu)成宣城—南陵斷陷的北界，銅陵隆起的南界.該斷裂不僅是控盆斷裂，擠壓期還是一條規(guī)模巨大的逆沖斷層系，由一系列逆沖斷層組成，向北一直延伸到寧蕪，與下地殼“俯沖”一起構(gòu)成具有特色的“鱷魚嘴”構(gòu)造（呂慶田等，2014）.

F2斷裂為長江深斷裂帶在銅陵附近的一段，該斷裂帶由一系列逆沖斷層組成的雙重構(gòu)造，最早發(fā)現(xiàn)該雙重構(gòu)造（Duplex）是在廬樅的Lz09-02線和寧蕪NW11-01線上（Lü et al.，2013,2015），燕山期陸內(nèi)造山期間為逆沖雙重構(gòu)造，伸展期反轉(zhuǎn)為正斷層，控制沿江凹陷的形成，斷裂形成后，由于后期的構(gòu)造活動(dòng)，在銅陵縣北側(cè)被F14號斷裂在淺部錯(cuò)開.

F3號斷裂為廬江—黃故閘—銅陵拆離斷層一部分，該斷裂將銅陵隆起區(qū)和繁昌火山巖盆地分開，這在大地電磁反演剖面上也有明顯反映（圖12），該拆離斷層呈近東—西走向，向南西傾斜，一直延伸到中地殼（張昆等，2014）.該斷裂在區(qū)域構(gòu)造演化中具有特殊意義，向西經(jīng)過廬樅盆地北部至大別山北與信陽—舒城斷裂相接，向東經(jīng)銅陵北部可能一直延伸到杭州灣，形成一條規(guī)模巨大的斷裂帶“大別—舟山斷裂帶”（陳滬生等，1999）.大地電磁還反映其他隱伏斷裂，F(xiàn)19斷裂推測為繁昌火山巖盆地與寧蕪盆地的邊界斷裂.

F4號斷裂為木鎮(zhèn)斷裂，走向北東東，由一組向北西傾斜的斷裂組成，為宣城—南陵斷陷的南部邊界，江南隆起的北部邊界.在晚中生代陸內(nèi)造山期或?yàn)閿嗔褟澢薨?，伸展期反轉(zhuǎn)為拆離斷層.

銅陵礦集區(qū)主體位于銅陵隆起中，其上地殼總體上呈現(xiàn)出由多級逆沖和褶皺組成的隆起.以F6為界，隆起內(nèi)部大致可分為北西和南東兩個(gè)塊體.北西塊體由一系列褶皺構(gòu)成，從北西到南東依次為：銅官山背斜、朱村向斜、永村橋—舒家店背斜等.在獅子山北部的順安、黃滸鎮(zhèn)等覆蓋區(qū)，深部并沒有明顯的盆地，仍為由中生代—古生代蓋層組成的復(fù)雜褶皺區(qū).在繁昌的紅花山地區(qū)，依次有樓屋基背斜和烏金嶺背斜.從南到北背斜褶皺軸向由北東、北北東到北東東變化.南東塊體夾持F6和F1之間，往南西方向逐漸變窄.該塊體與傳統(tǒng)的鳳凰山復(fù)向斜吻合，根據(jù)反射地震剖面的反射特征，鳳凰山復(fù)向斜表面上看似復(fù)合向斜，實(shí)際上由一系列逆沖巖片和逆沖相關(guān)褶皺組成.宣城—南陵斷陷受MTF（丁橋—戴家匯斷裂）控制，呈不對稱“箕狀”.

4.4.3 隱伏巖體

重力多尺度邊緣檢測的低值環(huán)狀和航磁多尺度邊緣檢測的高值環(huán)狀異常組合，大多反映了以中等磁性和低密度為特征的中酸性巖體分布，結(jié)合二者，圈定了銅陵礦集區(qū)巖體在地表投影分布邊界（圖11），分布范圍總體比地表出露要稍微大一些，這反映了巖體在深部的最大分布范圍，也即地表出露的多為小巖株，隨著深度增加，相鄰的巖株逐漸連為一體，形成較大的巖體或巖基.在銅陵隆起區(qū)北側(cè)覆蓋區(qū)、F3南側(cè)的鐘鳴鎮(zhèn)西側(cè)識別出兩個(gè)隱伏巖體，推測為閃長巖體.

4.4.4 找礦指示

銅陵礦集區(qū)以矽卡巖型、斑巖型和熱液性礦床為主，大部分金屬礦床與斷裂和巖體關(guān)系密切，區(qū)內(nèi)已知礦床和礦點(diǎn)（如銅官山、獅子山、鳳凰山礦田及五貴橋、大吉嶺、舒家店等礦床（點(diǎn)））均位于巖體上方或巖體外側(cè).在一些已知大礦田中，推斷的巖體成群分布，這個(gè)現(xiàn)象說明，本區(qū)礦床的形成與巖體之間具有密切的關(guān)系，換言之，隱伏巖體和斷裂構(gòu)造是找礦預(yù)測的重要依據(jù)（嚴(yán)加永等，2008）.從巖體推斷圖發(fā)現(xiàn)，施家沖巖體（圖10）以及戴家匯巖體，二者規(guī)模較大，但是，除戴家匯巖體周邊已發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)礦化點(diǎn)（沙灘角、戴公山等）外，未見有其他礦床的分布.其中施家沖巖體地表出露面積較小，僅在施家沖（閃長巖）、姚家塘（閃長斑巖）零星出露，而航磁反演推測其深部有規(guī)模較大的巖體存在（嚴(yán)加永等，2009），說明其深部熱活動(dòng)強(qiáng)烈，具有較好的找礦前景.戴家匯巖體規(guī)模同樣較大，其北部已經(jīng)發(fā)現(xiàn)幾個(gè)礦床（點(diǎn)），在其北西側(cè)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)姚家?guī)X大型鉛鋅礦，該巖體周邊應(yīng)該仍然有較大的找礦潛力.銅陵隆起北緣已知的礦床成因類型主要有（層控）熱液型、成礦熱液疊改型、斑巖型等，在淺表以（層控）熱液型礦化為主，近巖體部位，則發(fā)育層控?zé)嵋函B改型-矽卡巖型礦化，依據(jù)圍巖的不同及在深部則見有斑巖型礦化（許衛(wèi)等，2011），推測在F3斷裂附近推測的幾處隱伏巖體周邊，具有較大的深部找礦潛力，主攻礦種為鉛鋅礦和金礦.此外，在F3斷裂北側(cè)的繁昌火山巖盆地深部，也有尋找銅陵式礦床的第二找礦空間.

圖10 銅陵礦集區(qū)重磁多尺度邊緣檢測解譯結(jié)果

圖11 銅陵礦集區(qū)Tl11-3線反射地震剖面與重磁邊緣檢測綜合圖

圖12 跨越銅陵隆起與繁昌火山巖盆地的MT-Y2L線大地電磁反演結(jié)果

5 結(jié)論

（1）理論模型試驗(yàn)和實(shí)例應(yīng)用均表明，無論是重力數(shù)據(jù)還是磁力數(shù)據(jù)，多尺度邊緣檢測方法均能有效提取地質(zhì)體的邊界信息，是區(qū)域構(gòu)造劃分、斷裂系統(tǒng)厘定和隱伏巖體邊界圈定的有力手段.

（2）無論從重力多尺度邊緣檢測結(jié)果，還是從航磁多尺度邊緣結(jié)果分析，銅陵隆起區(qū)的斷裂系統(tǒng)以北東向?yàn)橹鲗?dǎo)，均無任何證據(jù)表明銅陵礦集區(qū)存在所謂的“棋盤格”式斷裂系統(tǒng).

（3）根據(jù)重磁場提取的地質(zhì)構(gòu)造信息，結(jié)合銅陵礦集區(qū)斷裂和巖體控礦的特點(diǎn)，開展了找礦預(yù)測，認(rèn)為戴家匯巖體和施家沖巖體周邊是尋找矽卡巖型銅礦的有利地段，繁昌火山巖盆地與銅陵隆起分界斷裂兩側(cè)是尋找熱液型金礦和鉛鋅礦的重要靶區(qū).

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（本文編輯 何燕）

Identification and extraction of geological structure information based on multi-scale edge detection of gravity and magnetic fields: An example of the Tongling ore concentration area

YAN Jia-Yong1,2, Lü Qing-Tian2,3, CHEN Ming-Chun4, DENG Zhen1,2, QI Guang1,2, ZHANG Kun1,2， LIU Zhen-Dong1,2, WANG Jie1,2, LIU Yan1,2

1MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China2ChinaDeepExplorationCenter-SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,HebeiLangfang065000,China4SinopecGeophysicalCorporationYunnanBranch,Kunming650233,China

Gravitational and magnetic fields are the integrated response of density and magnetism of subsurface geological bodies, which contain abundant information about geological structure. How to identify and extract them effectively is the key to understand subsurface structure. Based on summary of the research progress in structural information extraction of gravitational and magnetic fields, we attributed such effort to the edge enhancement and detection of gravitational and magnetic fields. The contrast experiment of common methods of edge detection on a theoretical model shows that the multi-scale edge detection method can accurately delineate the boundary of the model from the gravitational and magnetic anomalies. It is proved that this method is suitable for recognition and extraction of structural information. Finally, we applied this method to the actual processing of gravity and magnetic data acquired from the Tongling ore concentration area, the middle and lower reaches of the Yangtze River. The results reveal the main structural faults and determine the edge of the Tongling uplift. These faults trend mainly in the northeast direction and the so called “checkerboard”-like fault system does not exist. We delineated the distribution boundary of plutons according to multi-scale edge detection and found 2 canceled plutons in the north of the Tongling ore concentration area. We predicted that the surrounding of Shijiachong and Daijiahui plutons are the prospective targets for skarn-type and porphyry-type copper or gold deposits. And both sides of the fault between the Tongling uplift and Fanchang volcanic basin are important target areas for hydrothermal-type lead-zinc and gold deposits. In summary, the research results show that multi-scale edge detection of gravitational and magnetic fields can provide much information for recognizing regional tectonics and prospecting prediction. This work also indicates that this method can be applied to similar fields.

Gravity and magnetic fields; Multi-scale edge detection; Geology structure; Identification and extraction; Tongling ore concentration area

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAB04B01）、國家深部探測專項(xiàng)第3項(xiàng)目（SinoProbe-03）、中國地質(zhì)科學(xué)院基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)（YYWF201526）、地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（1212011220243）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41574133，41104061）聯(lián)合資助.

嚴(yán)加永，男，副研究員，從事礦產(chǎn)資源勘查和深部探測研究.E-mail：yanjy@163.com

10.6038/cjg20151210.

10.6038/cjg20151210

P631

2015-05-22，2015-10-09收修定稿

嚴(yán)加永, 呂慶田, 陳明春等. 2015. 基于重磁場多尺度邊緣檢測的地質(zhì)構(gòu)造信息識別與提取——以銅陵礦集區(qū)為例.地球物理學(xué)報(bào)，58（12）:4450-4464,

Yan J Y, Lü Q T, Chen M C, et al. 2015. Identification and extraction of geological structure information based on multi-scale edge detection of gravity and magnetic fields: An example of the Tongling ore concentration area.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4450-4464,doi:10.6038/cjg20151210.