羅瀟, 王彥國, 葛坤朋, 鄧居智, 楊亞新
1 東華理工大學(xué)地球物理與測控技術(shù)學(xué)院, 南昌 330013 2 東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌 330013 3 核工業(yè)230研究所, 長沙 410011
磁法數(shù)據(jù)處理與解釋是磁法勘探工作的核心環(huán)節(jié),選取適當(dāng)?shù)姆椒夹g(shù)是獲得良好地質(zhì)解釋的關(guān)鍵.受磁化方向影響,磁異常往往與地質(zhì)體分布之間存在一定偏差,直接進(jìn)行異常解釋難度較大.化極處理可以將感應(yīng)磁化磁異常轉(zhuǎn)換為垂直磁化異常,在一定程度上有利于異常的解釋和推斷.另外,許多數(shù)據(jù)處理方法建立在化極磁異常基礎(chǔ)上,如歸一化標(biāo)準(zhǔn)差(Cooper and Cowan, 2008)和 Tilt-depth法(Salem et al., 2007).然而,當(dāng)磁化角度變化較大,研究區(qū)位于低緯度,或工區(qū)存在強(qiáng)剩磁時,化極很難獲得滿意的效果.解析信號是磁異常解釋的一類有效方法(Bastani and Pedersen, 2001; Srivastava and Agarwal, 2010; Cooper, 2015),二維解析信號不受磁化方向影響(Atchuta et al., 1981),三維磁異常解析信號受磁化方向影響較小,但仍不能無視斜磁化的影響(Huang and Guan, 1998; Li, 2006).Stavrev和Gerovsk(2000)在磁三分量和梯度張量基礎(chǔ)上給出了R、L、E、Q四個模量轉(zhuǎn)換量,并證實(shí)了這些轉(zhuǎn)換量在三維中對磁化方向敏感度較小,二維中不受磁化方向影響.Verduzco等(2004)在tilt梯度的基礎(chǔ)上提出了tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模,同樣在二維磁異常處理中不受斜磁化影響,在三維中受磁化角度影響較小,也被廣泛運(yùn)用于磁異常識別中,不過該方法使用了磁異常二階導(dǎo)數(shù),易受噪聲干擾影響,同時還會產(chǎn)生假異常.Wijns等(2005)提出了Theta map,這種方法可以有效識別低緯度磁異常的邊界信息,但在中高緯度地區(qū)的應(yīng)用效果較差.梯度全張量能夠更好地描述場源的異常特征,近年來已被廣泛應(yīng)用于磁法數(shù)據(jù)處理中(Oru?, 2010; Beiki et al., 2011; 馬國慶等,2012a),其中張量不變量(Schmidt and Clark,2006)受磁化方向影響較小,但也依舊無法消除斜磁化的影響;歸一化磁源強(qiáng)度(Beiki et al., 2012)同樣是基于梯度張量的,該方法受磁化方向影響的程度更小,已被廣泛重視與使用(Pilkington and Beiki, 2013; 饒椿鋒等,2017).
磁異常的快速反演可以自動、快捷地獲取場源位置信息,在磁異常解釋中具有重要意義.歐拉反褶積(Thompson, 1982)是一種常用的方法,因其不需要先驗(yàn)信息、計算效率高而得到廣泛的研究與應(yīng)用(張季生等, 2011; Guo et al., 2014; 王林飛, 2016).Salem 和 Ravat(2003)基于歐拉反褶積和解析信號,提出了AN-EUL法,用于估計場源深度及構(gòu)造指數(shù),但該方法使用了三階導(dǎo)數(shù),更易受干擾影響.Salem等(2008)將tilt梯度和歐拉反褶積相結(jié)合提出了tilt-Euler法,該方法不僅削弱了斜磁化對反演結(jié)果的影響,還無需事先給定構(gòu)造指數(shù),推動了歐拉反褶積的實(shí)用化發(fā)展.Zhang等(2000)提出的張量歐拉反褶積在不提高導(dǎo)數(shù)階次情況下,擴(kuò)充了常規(guī)歐拉反褶積方程組個數(shù),使得反演效果更佳,但該方法需要事先已知場源構(gòu)造指數(shù).馬國慶等(2012b)提出了張量局部波數(shù)法的歐拉反褶積,實(shí)驗(yàn)顯示該方法明顯優(yōu)于常規(guī)局部波數(shù)法.陳國強(qiáng)和馬國慶(2016)在Theta圖和歐拉反褶積方法基礎(chǔ)上提出了Theta-Depth法,可有效反演場源的位置和深度,但這種方法需要事先對原始磁異常進(jìn)行化極處理.
本文在方向tilt梯度(王彥國等, 2019)基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了兩個方向tilt梯度的不同方向?qū)?shù),并同時將方向tilt梯度的導(dǎo)數(shù)與三個方向?qū)?shù)形式下的歐拉反褶積方程組相結(jié)合,推導(dǎo)出了方向tilt-Euler方程組,用于反演磁源參數(shù).最后,通過模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)例應(yīng)用證實(shí)了該方法在斜磁化磁異常解釋中的有效性及優(yōu)越性.
Tilt梯度(Miller and Singh, 1994)是一種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)
方向tilt梯度(王彥國等,2019)的表達(dá)式為:
(2)
(3)
θx、θy分別為x,y方向上的方向tilt梯度.
對公式(2)、(3)分別求x,y,z三個方向的導(dǎo)數(shù),并對分母進(jìn)行均方根處理,則得:
(4)
公式(4)中的每一個表達(dá)式單位為nT·m-2或nT·km-2,與該式中使用的導(dǎo)數(shù)階次相一致.王彥國等(2019)指出,利用方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)??梢赃M(jìn)行磁異常識別,其表達(dá)式為:
(5)
三維歐拉反褶積(Reid et al., 1990)的公式為:
(6)
其中,x,y,z是觀測點(diǎn)的坐標(biāo),x0,y0,z0是場源的位置坐標(biāo),N是構(gòu)造指數(shù).公式(6)對x,y,z三個方向求導(dǎo),得:
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
將公式(4)中的6個表達(dá)式代入公式(10)和(11),得:
(12)
公式(12)即為方向tilt-Euler反演方程組.給定一個滑動計算窗口D(文中均選為5),通過求解超定方程組獲得窗口下的場源位置反演解(x0,y0,z0).獲得場源位置(x0,y0,z0)后,將公式(7)、(8)和(9)兩邊取平方,相加后取平方根,則得構(gòu)造指數(shù)計算公式為:
(13)
通過逐步滑動窗口直至完成全區(qū)的數(shù)據(jù)覆蓋,則可以獲得大量的反演解.然而,遠(yuǎn)離場源位置的反演解是不可靠的,需要進(jìn)行有效的剔除處理.由于方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模THSθ極大值可作為磁性體的有效水平位置,因此可以剔除離THSθ極大值較遠(yuǎn)的反演解(文中刪除了偏離THSθ極大值大于計算窗口寬度D的解),另外,還需要剔除反演深度小于0及構(gòu)造指數(shù)大于4的反演解.
圖1 單一長方體模型磁異常Fig.1 Magnetic anomaly of a single cuboid model
為了驗(yàn)證本文方法對復(fù)雜磁異常的處理能力,設(shè)計了一個由球體、巖脈體、正方棱柱體、薄板及長方體5個不同類型模型構(gòu)成的組合模型,各模型體具有不同的磁化強(qiáng)度、磁化方向、埋深及水平尺度等參數(shù),具體參數(shù)見表1.圖4a為組合模型的原始磁異常,其中網(wǎng)格間距為0.1 km×0.1 km,可以看出,受磁化方向影響,磁異常與地質(zhì)體并無明顯對應(yīng)關(guān)系.圖4b是tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模,可以看出,該方法能夠較好地識別出巖脈②的位置、長方體⑤的邊界位置及正方棱柱體③部分邊界,但是在球體①、巖脈②及薄板④附近存在著假異常.另外,極大值出現(xiàn)在薄板④邊界的兩側(cè).圖4c是方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模,可以看出,該方法可以很好地反映出所有模型體的位置,且不存在多余異常.
表1 疊加模型參數(shù)Table 1 The parameters of the multisource model
圖2 單一長方體模型方向tilt梯度的改進(jìn)導(dǎo)數(shù)Fig.2 The improved derivatives of the directional magnetic tilt-gradient of the single cuboid model
圖3 單一長方體模型磁異常的方向tilt-Euler反演結(jié)果(a) 方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模及反演解水平位置; (b) 深度反演解直方統(tǒng)計圖; (c) 構(gòu)造指數(shù)反演解直方統(tǒng)計圖.Fig.3 The inversion results of magnetic anomaly generated by the single cuboid model using the directional tilt-Euler method(a) The total horizontal derivative of the directional tilt-gradient and the horizontal locations of inversion solutions; (b) Histogram of the estimated depth solutions; (c) Histogram of the estimated structural index solutions.
圖4 組合模型磁異常及識別結(jié)果(a) 理論磁異常; (b) Tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模; (c) 方向tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模.Fig.4 Magnetic anomaly generated by multisource model and the recognized results(a) Forward magnetic anomaly; (b) The total horizontal derivative of the tilt gradient; (c) The total horizontal derivative of the directional tilt-gradient.
圖5 Tilt-Euler及方向tilt-Euler反演解平面位置(a) Tilt-Euler; (b) 方向tilt-Euler.Fig.5 The horizontal locations of inversion solutions by using the tilt-Euler and the directional tilt-Euler methods(a) The tilt-Euler; (b) The directional tilt-Euler.
圖6 Tilt-Euler法反演結(jié)果(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) 分別是模型體1—5的深度反演解直方圖;(a2), (b2), (c2), (d2), (e2) 分別是模型體1—5的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖;(f1), (g1), (h1) 是三個虛假源S1—S3的深度反演解直方圖;(f2), (g2), (h2) 是三個虛假源S1—S3的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖.Fig.6 Inversion results of the tilt-Euler method(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) Histograms of the estimated depths of the models 1—5; (a2), (b2), (c2), (d2), (e2) Histograms of the estimated structural indices of the models 1—5; (f1), (g1), (h1) Histograms of the estimated depths of the three spurious sources; (f2), (g2), (h2) Histograms of the estimated structural indices of the three spurious sources.
圖7 方向tilt-Euler法反演結(jié)果(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) 分別是模型體1—5的深度反演解直方圖;(a2), (b2), (c2), (d2), (e2) 分別是模型體1-5的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖.Fig.7 Inversion results of the directional tilt-Euler method(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) Histograms of the estimated depths of the models 1—5; (a2), (b2), (c2), (d2), (e2) Histograms of the estimated structural indices of the models 1—5.
圖8 含噪磁異常及識別結(jié)果(a) 含0.5%噪聲的磁異常; (b) 向上延拓2倍點(diǎn)距的tilt angle水平導(dǎo)數(shù)模; (c) 向上延拓2倍點(diǎn)距的方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模.Fig.8 The noisy magnetic anomaly and its recognized results(a) Magnetic anomaly added by 0.5% random noise; (b) and (c) The total horizontal derivatives of the tilt gradient and the directional tilt gradient, but the data smoothed by upward continuation of 2 intervals.
圖9 含噪磁異常向上延拓2倍點(diǎn)距后的tilt-Euler及方向tilt-Euler反演解平面位置(a) Tilt-Euler; (b) 方向tilt-Euler.Fig.9 The horizontal locations of inversion solutions by using the tilt-Euler and the directional tilt-Euler methods for the noisy magnetic anomaly, but the data smooth by upward continuation of 2 intervals(a) The tilt-Euler; (b) The directional tilt-Euler.
圖10 含噪磁異常的tilt-Euler法反演結(jié)果(a1), (b1), (c1), (d1) ,(e1) 分別是模型體1—5的深度反演解直方圖;(a2), (b2), (c2), (d2), (e2) 分別是模型體1—5的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖;(f1), (g1)是兩個虛假源S1—S2的深度反演解直方圖;(f2), (g2)是兩個虛假源S1—S2的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖.Fig.10 Inversion results of the tilt-Euler method for the noisy magnetic anomaly(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) Histograms of the estimated depths of the models 1—5; (a2), (b2), (c2), (d2), (e2) Histograms of the estimated structural indices of the models 1—5; (f1), (g1) Histograms of the estimated depths of the two spurious sources; (f2), (g2) Histograms of the estimated structural indices of the two spurious sources.
圖11 含噪磁異常的方向tilt-Euler法反演結(jié)果(a1), (b1), (c1), (d1), (e1) 分別是模型體1-5的深度反演解直方圖;(a2), (b2), (c2), (d2), (e2) 分別是模型體1-5的構(gòu)造指數(shù)反演解直方圖.Fig.11 Inversion results of the directional tilt-Euler method for the noisy magnetic anomaly (a1), (b1), (c1), (d1), (e1) Histograms of the estimated depths of the models 1-5; (a2), (b2), (c2), (d2), (e2) Histograms of the estimated structural indices of the models 1-5.
圖12 內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)地質(zhì)圖Fig.12 Geological map of Tamusu area in Inner Mongolia
圖13 塔木素航磁異常及不同方法的異常識別結(jié)果(a) 航磁異常; (b) 解析信號振幅; (c) Tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模; (d) 方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模.Fig.13 Aeromagnetic anomaly of Tamusu area and the recognized results using different methods(a) Aeromagnetic anomaly; (b) Analytic signal amplitude; (c) The total horizontal derivative of tilt gradient; (d) The total horizontal derivative of the directional tilt-gradient.
圖14 塔木素地區(qū)航磁數(shù)據(jù)tilt-Euler及方向tilt-Euler法反演結(jié)果(a) Tilt-Euler法反演位置解; (b) 方向tilt-Euler法反演位置解; (c) Tilt-Euler反演構(gòu)造指數(shù)解; (d) 方向tilt-Euler反演構(gòu)造指數(shù)解.Fig.14 The inversion results of the tilt-Euler method and the directional tilt-Euler method for aeromagnetic data of Tamusu area(a) The inversion locations of the tilt-Euler method; (b) The inversion locations of the directional tilt-Euler method; (c) The inversion structural indices of the tilt-Euler method; (d) The inversion structural indices of the directional tilt-Euler method.
圖5是tilt-Euler及方向tilt-Euler法反演解的平面分布圖,從圖中可以看出,tilt-Euler及方向tilt-Euler法都能夠很好地反演出所有模型體的位置,但是tilt-Euler的反演解連續(xù)性及聚集度都沒有方向tilt-Euler的強(qiáng),且在球體下方(S1)、巖脈左上方(S2)及薄板右方(S3)存在三組虛假反演解.圖6和圖7分別是場源深度及構(gòu)造指數(shù)的tilt-Euler法和方向tilt-Euler反演解直方分布圖,可以看出,兩者都很好地反演出了所有模型的深度及構(gòu)造指數(shù),不過方向tilt-Euler法精度更高,其深度及構(gòu)造指數(shù)的均方誤差分別為0.05 km和0.20,小于tilt-Euler法的0.09 km和0.32.且方向tilt-Euler法的反演解更接近正態(tài)分布,解的偏差也更小.另外,tilt-Euler法還獲得了埋深分別為1.21 km,0.19 km和0.72 km的三個假源,這顯然會給解釋工作帶來一定的干擾.
為了了解噪聲干擾對反演結(jié)果的影響,對疊加磁異常(圖4a)添加了0.5%的隨機(jī)噪聲(圖8a),圖8b和8c分別是tilt梯度及方向tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模,不過對含噪磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了2倍點(diǎn)距的向上延拓處理.從圖8b和8c可以看出,tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模更易受噪聲影響,存在明顯的數(shù)據(jù)波動,另外巖脈模型②左上側(cè)的多余異常與巖脈異?;具B在一起,易被看作是有效異常;正方棱柱體③與長方體⑤之間存在一條明顯的假異常.方向tilt梯度的水平導(dǎo)數(shù)模THSθ仍能夠很好地識別出所有模型體的位置,不過巖脈和薄板的異常較為模糊.
圖9a和9b分別是tilt-Euler及方向tilt-Euler反演解的平面位置展布圖,對比可以看出,tilt-Euler反演解分布較為發(fā)散,尤其巖脈和正方棱柱體邊界位置;在薄板體左邊界,反演解呈現(xiàn)為兩條帶狀分布,分別位于薄板邊界的兩側(cè);在巖脈左上側(cè)、正方棱柱體與長方體之間均存在一個條帶狀分布反演解,這也易給解釋工作帶來麻煩.而方向tilt-Euler反演解具有更強(qiáng)的聚集度,反演解也更接近真實(shí)位置,且不存在虛假解.
圖10與圖11分別是含噪聲磁異常的tilt-Euler及方向tilt-Euler反演磁源深度及構(gòu)造指數(shù)解的直方分布圖,可以看出,方向tilt-Euler反演解的分布區(qū)間較小,解的均方差更小,也更接近于正態(tài)分布.方向tilt-Euler反演深度及構(gòu)造指數(shù)的均方誤差分別為0.11 km 和0.43,也小于tilt-Euler的0.24 km 和0.47,尤其深度反演精度是tilt-Euler的2倍.
Tilt-Euler法還反演出了深度分別為0.05±0.06 km和0.35±0.31 km的兩個假源.
該試驗(yàn)結(jié)果表明了方向tilt-Euler法相對于tilt-Euler法,具有反演解聚集度高、精度高、準(zhǔn)確度高,及受噪聲干擾影響小和無虛假解等優(yōu)點(diǎn).
為了檢驗(yàn)實(shí)際資料應(yīng)用效果,選取了內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)的航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行測試.圖12為研究區(qū)的地質(zhì)簡圖,工區(qū)西北側(cè)以火山巖為主,其他地區(qū)則主要是沉積巖分布,局部有火山巖出露,研究區(qū)內(nèi)主構(gòu)造為近NE向.圖中紅色實(shí)線為已知斷裂構(gòu)造、紅色虛線為前人利用地震資料推斷的構(gòu)造,紅色箭頭方向?yàn)榈卣鹳Y料推斷的構(gòu)造傾向.
圖13a為塔木素地區(qū)航磁異常(網(wǎng)格間距1 km×1 km),研究區(qū)北部及東南地區(qū)以高磁異常為主,磁異常高低與磁性高低的地質(zhì)體分布并無明顯對應(yīng)關(guān)系.圖13b、13c和13d分別是磁異常的解析信號、tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模和方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模.解析信號(圖13b)整體表現(xiàn)為西北高和中部及東南部低的異常特征,與地質(zhì)圖中的火山巖和沉積巖分布均有良好的對應(yīng)性,中部及東南部還存在著局部高值區(qū),可能是含有火山巖成分的沉積巖或隱伏火山巖引起的,但解析信號對弱信號的識別能力較差,異常細(xì)節(jié)特征無法清晰識別.Tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模(圖13c)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,但該方法的計算結(jié)果中存在虛假信息(王彥國等,2019).方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模同樣獲得了較為豐富的異常細(xì)節(jié)信息,看起來像是對解析信號(圖13b)細(xì)節(jié)特征的突出.另外,在沉積巖分布區(qū)內(nèi),斷裂構(gòu)造附近基本上都有方向tilt梯度水平總導(dǎo)數(shù)模的極大值響應(yīng),且這些極值異常恰位于斷裂構(gòu)造傾向方向.
圖14是tilt-Euler法和方向tilt-Euler法的反演結(jié)果.從整體上來看,兩種方法計算得到的場源位置及構(gòu)造指數(shù)均較為接近,反演解的水平位置基本上為條帶狀,反演深度值大多在0~2000 m之間,構(gòu)造指數(shù)則主要分布在-0.6~1.4之間,尤其沉積巖分布區(qū)內(nèi)的構(gòu)造指數(shù)大部分在0值附近.這些信息表明了沉積巖分布區(qū)的磁異常主要是由斷裂構(gòu)造產(chǎn)生的.從反演效果來看,方向tilt-Euler法的反演解個數(shù)更多、聚集度更強(qiáng)、連續(xù)性更好,更能有效地追蹤斷裂構(gòu)造的延伸.如圖14中箭頭所指位置,方向tilt-Euler法反演解連續(xù),條帶狀明顯,而tilt-Euler法反演解較為發(fā)散、連續(xù)性較差.另外,可根據(jù)方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模和方向tilt-Euler法反演結(jié)果,推斷隱伏斷裂構(gòu)造及地下磁性體分布,為研究該地區(qū)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征提供了一種依據(jù).如圖14b、d中勾勒出了部分(隱伏)斷裂帶和一個隱伏巖體,其中斷裂帶①基本上是巖漿巖與沉積巖的界限斷裂,應(yīng)是東北向地表出露及前人推斷斷裂帶在西南側(cè)的延伸;斷裂帶②則將西南與東北側(cè)斷裂連接在一起;斷裂帶③推測是東側(cè)斷裂帶的向西延伸;而斷裂帶④、⑤、⑥推測為隱伏構(gòu)造帶,這些斷裂帶在方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模(圖13d)及方向tilt-Euler(圖14b)都有著清晰的展示,而常規(guī)的tilt-Euler反演解(圖14a)偏少,連續(xù)性較差,不利于斷裂帶的精細(xì)劃分.在圈定的隱伏巖體Ⅰ范圍內(nèi),地表有花崗巖、閃長巖的零星分布,而解析信號(圖13b)和方向tilt梯度水平總梯度模(圖13d)在該區(qū)域存在大面積的強(qiáng)信號,方向tilt-Euler反演的深度較深及構(gòu)造指數(shù)較大,故可推測地下存在大規(guī)模的隱伏巖體.
在方向tilt梯度基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出了方向tilt梯度的6個導(dǎo)數(shù),構(gòu)建了基于方向tilt梯度的歐拉反褶積(方向tilt-Euler法),用于三維磁異常解釋工作.模型試驗(yàn)表明,相對于tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模來說,方向tilt梯度水平導(dǎo)數(shù)模可以更好地反映不同磁化方向的磁源位置,且不會產(chǎn)生多余異常;而方向tilt-Euler法反演解的連續(xù)性、匯聚度及精度也均高于tilt-Euler法的.在內(nèi)蒙古塔木素地區(qū)航磁資料應(yīng)用中,方向tilt梯度水平總梯度模及方向tilt-Euler法獲得了豐富的異常信息和地下磁性體參數(shù),反演信息揭示了沉積巖分布區(qū)內(nèi)磁異常主要源自斷裂構(gòu)造,且解釋結(jié)果與已知地質(zhì)資料和地震解釋結(jié)果吻合較好,同時反演結(jié)果也為地下磁性體分布特征研究提供了依據(jù).
致謝衷心感謝兩位匿名評審專家為本文提供的寶貴建議.