王彥國 羅 瀟* 鄧居智 楊亞新 王 程 張 瑾

(①東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330013；②中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077)

0 引言

磁法勘探是最早應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查的地球物理勘探方法。作為一種成熟的勘探方法，它具有經(jīng)濟(jì)、高效、便捷等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查和地質(zhì)調(diào)查。然而，在異常圈定和構(gòu)造劃分時，難以從原始磁異常中直接識別地質(zhì)體的參數(shù)信息，大多情況下需基于當(dāng)?shù)氐卮艌龃呕嵌冗M(jìn)行化極或其他處理，才能夠獲取有用信息[1-5]。Nabighian[6]推導(dǎo)并證明了二維磁解析信號振幅不受斜磁化影響，之后解析信號技術(shù)在磁異常處理中得到廣泛的應(yīng)用[7-11]，并推廣到三維磁異常解釋[12-13]。雖然解析信號對于三維磁異常解釋具有一定指導(dǎo)作用，但其依舊會受斜磁化影響[14]。Verduzco等[15]提出了tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模法，在二維磁異常處理中，該方法不僅不受磁化方向的影響，相比于解析信號法，其分辨率更高；但在三維磁異常數(shù)據(jù)處理中，這種方法同樣需要先進(jìn)行化極處理。Wijns等[16]基于水平導(dǎo)數(shù)與解析信號的比值提出了Theta Map法，并應(yīng)用于低緯度地區(qū)磁異常體的邊界識別中，獲得了良好的應(yīng)用效果，但該方法在中緯度地區(qū)需考慮磁化角度影響，直接使用效果較差。邰振華等[17]針對Theta Map法的優(yōu)缺點(diǎn)提出了偽總梯度余弦值法，提高了原方法的識別能力和抗干擾能力，但仍不適合于斜磁化磁異常的解釋。磁梯度張量可以提供更豐富的異常信息，近年來被廣泛應(yīng)用于磁異常解釋，獲得了較為良好的應(yīng)用效果[18-24]。

對于二維磁場數(shù)據(jù)，利用解析信號或者tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)?？芍苯舆M(jìn)行異常解釋，但三維磁異常的解釋往往需要化極處理。然而，當(dāng)磁測工區(qū)緯度低、存在強(qiáng)剩磁或范圍較大時，磁異常化極存在較大難度。本文在tilt梯度的基礎(chǔ)上提出了一種受磁化方向影響更小的三維磁異常識別方法，并通過理論模型及實(shí)例數(shù)據(jù)說明了新方法的有效性及實(shí)用性。

1 基本原理

Tilt角[2]是一種從位場一階導(dǎo)數(shù)推導(dǎo)而來、可以均衡不同異常強(qiáng)度的位場數(shù)據(jù)處理方法，其理論公式為

(1)

式中T表示磁異常。

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可以分別得到θx在x方向的導(dǎo)數(shù)和θy在y方向的導(dǎo)數(shù)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中θTHS為改進(jìn)tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體為(近似)棱柱體狀時，其極大值對應(yīng)場源邊界；當(dāng)?shù)刭|(zhì)體為(近似)球體時，則對應(yīng)場源中心；當(dāng)?shù)刭|(zhì)體為(近似)巖脈狀時，則對應(yīng)場源的中心走向。

2 理論模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新方法的應(yīng)用效果，設(shè)計(jì)了一個磁化傾角和磁化偏角不同的復(fù)雜模型(表1，圖1)。其中，異常體①、⑤為球體，異常體②和④為棱柱體，異常體③為垂直巖脈，所有異常體的磁化強(qiáng)度均設(shè)為1A/m。圖1為網(wǎng)格間距為0.1 km的組合模型理論磁異常，可以看出斜磁化下的磁異常與地質(zhì)體無明顯的對應(yīng)關(guān)系。

表1 模型參數(shù)

為了說明本文方法的優(yōu)越性，選用水平總梯度(THDR)[1]、解析信號(AS)[12]、Theta Map(cos(θ))[16]、tilt梯度(TILT)[2]及水平導(dǎo)數(shù)模(TDR_THDR)[15]等常用的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行模擬對比分析，各算法的表達(dá)式為

(9)

圖2是常規(guī)方法和新方法對磁異常的處理結(jié)果。從圖2a可以看出，水平總梯度可以較好地識別規(guī)模較大的棱柱體②的邊界，對棱柱體④的邊界也有一定展示，但識別的邊界位置與實(shí)際位置偏差較大，對其他異常體的識別效果也較差。作為一種邊界識別手段，水平梯度模對磁化角度敏感。前人的研究表明，該方法不能直接應(yīng)用于原始磁異常[25]。圖2b是解析信號的計(jì)算結(jié)果，由圖可見該方法可以較好地檢測到球體①的質(zhì)心位置及棱柱體②的邊界位置，但對巖脈③識別模糊，對棱柱體④的邊界識別存在部分缺失，對球體⑤的質(zhì)心識別位置存在較大偏差。從圖2c可以看出，Theta Map法可以識別棱柱體②的邊界及巖脈③的位置，對棱柱體④識別的邊界存在較大偏差，無法識別球體①和⑤，另外還在異常體外產(chǎn)生了很多虛假信息。圖2d是tilt梯度的計(jì)算結(jié)果，可以看出，tilt梯度可以有效均衡磁異常，突出弱異常，但是無法準(zhǔn)確識別五個異常體的邊界或者中心位置，受磁化角度的影響嚴(yán)重，因此，tilt梯度并不適合用于斜磁化磁異常的直接解釋。圖2e是tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模的處理結(jié)果，可見該方法較好地反映出棱柱體②的邊界位置和棱柱體④的部分邊界，還可以較好地反映巖脈③的位置及球體⑤的質(zhì)心水平位置，但無法識別球體①的質(zhì)心位置。另外，該方法還會產(chǎn)生一些虛假異常，而這些虛假信息在實(shí)際資料處理易被看作是有用信號，從而獲得錯誤的解釋。圖2f是本文方法的識別結(jié)果，可以看出，對于磁化方向不同、幾何形狀不同的異常體，本文方法可以有效識別長方體異常體②和④的邊界位置、球體①和⑤的中心位置及巖脈③的位置。

圖1 組合模型體的正演磁異常

圖2 不同方法對組合模型磁異常的處理結(jié)果

3 實(shí)際資料應(yīng)用

為了驗(yàn)證本文方法的實(shí)用性，對中國內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)的航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解釋。圖3為研究區(qū)的地質(zhì)概況圖，可以看出，研究區(qū)整體劃分為兩部分：西北部的火山巖分布區(qū)和中部及東南部的沉積巖分布區(qū)，在沉積巖分布區(qū)內(nèi)還零星分布著火山巖，部分沉積層中也含有火山巖成分?；鹕綆r一般具有較強(qiáng)的磁性，尤其閃長巖磁性更明顯；沉積巖一般無磁性或磁性較弱，但含有火成巖成分的沉積巖也表現(xiàn)出一定的磁性。另外，圖3中還展示了地震解譯的斷裂構(gòu)造及斷裂傾向，這些地質(zhì)和地震資料為方法試驗(yàn)提供了較好的對比依據(jù)。

圖4a為網(wǎng)格間距為1km的航磁異常圖，可見研究區(qū)北部及東南地區(qū)以高磁異常為主，西南部為磁異常低值區(qū)，磁異常的高低分布與地質(zhì)圖中的火山巖和沉積巖分布并無明顯的對應(yīng)關(guān)系，可能是原始磁異常受磁化角度影響導(dǎo)致的。為了提高磁場數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋能力，選擇受磁化角度影響較小的解析信號和tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模及本文提出的改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模對磁異常進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果分別見圖4b、圖4c和圖4d。解析信號(圖4b)整體表現(xiàn)為西北高和中部及東南部低的特征，與地質(zhì)圖中的火山巖與沉積巖分布均有良好的對應(yīng)性。中部及東南部還存在局部高值，可能是火山巖或含火山巖成分的沉積巖引起的，但解析信號對弱信號的識別能力較差，異常細(xì)節(jié)模糊。tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模(圖4c)獲得了豐富的異常細(xì)節(jié)信息，異常圈閉走向與地質(zhì)單元分布及斷裂構(gòu)造走向具有一定的相關(guān)性，但計(jì)算結(jié)果中可能存在虛假信息，例如在西部火山巖與沉積巖的分界線以南，tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模的信號強(qiáng)弱與地質(zhì)體的磁性高低相反。改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模(圖4d)獲得了較為豐富的異常細(xì)節(jié)信息，看起來是對解析信號中弱信號的強(qiáng)化，但相對解析信號還獲得了更多的異常信息。

為了更為詳細(xì)地對比三種方法的效果，進(jìn)一步分析一些詳細(xì)的異常特征，選定圖3中藍(lán)色虛線圈定的A、B、C、D等4個區(qū)域。A區(qū)內(nèi)存在花崗巖、閃長巖等高磁性物質(zhì)，沉積巖烏蘭蘇海組(K2w)因含有火山巖成分也具有一定磁性，因此A區(qū)相對周圍的沉積巖應(yīng)表現(xiàn)出高磁異常，tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模和改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模可以有效識別，但解析信號僅反映出了少量的局部信息，僅在地表出露的火山巖上方顯示出較弱的異常；B區(qū)為火山巖分布區(qū)，以閃長巖為主，因此也是一個高磁異常區(qū)。解析信號和改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模的識別效果較好，均展示出大面積的高值區(qū)，但tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模不僅異常信號較弱，且反映的火山巖分布范圍遠(yuǎn)小于實(shí)際分布范圍；C區(qū)地表主要是第四系沉積，解析信號和改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模均無明顯的信號顯示，而tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模卻展示了一條東北走向的帶狀異常，很可能是虛假信息；D區(qū)地表為第四系沉積，解析信號與改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模均表現(xiàn)出高值異常，推斷地下存在著隱伏高磁性巖體，然而tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模卻沒有明顯的異常顯示。

圖3 內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)地質(zhì)圖

圖4 實(shí)際航磁數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

圖中黑色實(shí)線和虛線代表已知斷裂和地震解釋斷裂，黑色箭頭代表地震解釋斷裂的傾向，深藍(lán)色實(shí)線圈閉代表磁性相對較強(qiáng)的地質(zhì)單元，白色實(shí)線代表西北火山巖地區(qū)與沉積巖地區(qū)的分界線，藍(lán)色虛線代表重點(diǎn)研究區(qū)域，白色虛線代表根據(jù)θTHS解釋的斷裂帶

上述對比分析結(jié)果表明，解析信號可以較好地識別規(guī)模較大、埋深較淺的磁性體，但對弱磁異常識別能力欠佳；tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模可以獲得豐富的異常細(xì)節(jié)信息，但存在虛假異常；改進(jìn)tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模則彌補(bǔ)了上述兩種方法的不足，獲得了更豐富、準(zhǔn)確的異常細(xì)節(jié)信息。

由于改進(jìn)tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模具有更強(qiáng)的異常識別效果，下面依據(jù)該方法的處理結(jié)果進(jìn)行簡單的地質(zhì)解釋。

對比改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模的處理結(jié)果(圖4d)與地質(zhì)圖(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，在沉積巖分布區(qū)內(nèi)，斷裂構(gòu)造附近，改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模都表現(xiàn)出明顯的異常，且這些異常信號恰出現(xiàn)在構(gòu)造傾向方向上。因此認(rèn)為斷裂構(gòu)造帶是磁性物質(zhì)來源的一個通道，即改進(jìn)tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模圖上具有一定走向的異常圈閉應(yīng)與斷裂帶有關(guān)，以此為特征可以進(jìn)行隱伏斷裂帶的推斷，如圖4d中部的白色虛線可認(rèn)為是前人推斷的斷裂帶(紅色箭頭指示)在西側(cè)的延續(xù)。在研究區(qū)東南部，高值區(qū)范圍遠(yuǎn)大于地表零星分布的火山巖或含有火山成分沉積巖的分布范圍，因此推斷地下存在大規(guī)模的隱伏高磁性巖體，甚至地表零星分布的火山巖在地下可能是連通的，這有待后續(xù)研究的證實(shí)。

4 結(jié)束語

強(qiáng)剩磁情況下磁異常體的解釋一直是磁法勘探的一個難點(diǎn)，本文在tilt梯度法的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了一種新的三維磁異常解釋方法——改進(jìn)tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模。該方法無需化極處理，可以較好地反映地質(zhì)體的實(shí)際平面位置。模型試驗(yàn)表明，相對于其他常用的磁異常數(shù)據(jù)處理方法，改進(jìn)tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)?？梢愿鼫?zhǔn)確、清晰地反映異常體的邊界或質(zhì)心的平面位置，且處理結(jié)果不會引入虛假信息。在中國內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)的航磁資料應(yīng)用中，本文方法獲得了更豐富、準(zhǔn)確且清晰的異常細(xì)節(jié)信息，與已知地質(zhì)資料、地震解譯結(jié)果吻合較好，有效佐證了方法的適用性。