吳成平，于長(zhǎng)春，熊盛青，徐劍春，徐東禮，喬春貴

(1.中國(guó)自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100083)

0 引言

自相關(guān)濾波方法是數(shù)字信號(hào)處理中非常重要的處理方法，多用于識(shí)別有意義的弱異常，如識(shí)別礦體、含油氣構(gòu)造體、斷裂構(gòu)造等。該方法在重磁領(lǐng)域的應(yīng)用仍在不斷發(fā)展過(guò)程中，最早G.D.Garland[1]基于泊松定理，利用相關(guān)系數(shù)分析研究重磁異常。姜枚等[2]闡述了統(tǒng)計(jì)分析方法在區(qū)域重磁資料解釋中的應(yīng)用，指出計(jì)算相關(guān)函數(shù)時(shí)延遲距離或窗口選擇的重要性。秦葆瑚[3]應(yīng)用自相關(guān)濾波方法降低噪聲、突出弱異常，對(duì)實(shí)測(cè)磁數(shù)據(jù)用插值切割法與自相關(guān)濾波方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩者獲取的剩余異常相似，但后者異常形態(tài)受濾波半徑影響更小。熊盛青[4]提出自協(xié)方差、互協(xié)方差為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)邏輯法提取非平穩(wěn)場(chǎng)中的弱異常，應(yīng)用于銅多金屬礦和金礦勘查。劉天佑[5]采用剖面相關(guān)濾波對(duì)揚(yáng)子地臺(tái)斷裂不同延拓高度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取得較好的效果。韓兆紅等[6]在測(cè)線上自動(dòng)尋找剩余局部異常最大點(diǎn)處的觀測(cè)值作為參考模型，改造自相關(guān)濾波因子，并處理實(shí)測(cè)資料，圈定新的找礦遠(yuǎn)景區(qū)。自相關(guān)濾波方法在重磁領(lǐng)域應(yīng)用還不是很多，在深部鐵礦勘查中未見(jiàn)應(yīng)用。山東齊河—禹城厚覆蓋區(qū)鐵礦在地表引起的異常微弱，利用自相關(guān)濾波方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部弱異常提取，取得了較好的效果，為厚覆蓋區(qū)找礦提供了支撐，拓展了自相關(guān)濾波方法的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 原理及公式

自相關(guān)濾波方法是利用自相關(guān)計(jì)算濾波函數(shù)，采用一定寬度的濾波窗口進(jìn)行高通濾波，壓制區(qū)域場(chǎng)的影響，從而達(dá)到提取局部弱異常的目的。本次主要針對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行自相關(guān)濾波處理。設(shè)濾波窗口半徑(即自相關(guān)半徑)為R(單位為點(diǎn)數(shù))，自相關(guān)半徑R可以根據(jù)已知目標(biāo)體引起的異常來(lái)確定；或根據(jù)探測(cè)目標(biāo)實(shí)際情況，結(jié)合理論模型試驗(yàn)確定——即依據(jù)探測(cè)目標(biāo)的規(guī)模、埋深、物性等參數(shù)，正演出其在觀測(cè)面引起的異常，根據(jù)異常規(guī)模及地球物理數(shù)據(jù)情況選擇合適的自相關(guān)半徑點(diǎn)數(shù)。自相關(guān)計(jì)算的濾波函數(shù)ρ表達(dá)式為[3,6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

計(jì)算點(diǎn)Z(i，j)處經(jīng)過(guò)自相關(guān)濾波后的異常值Zloc(i,j)為：

,

(5)

隨著濾波窗口的移動(dòng)，可獲得所有測(cè)點(diǎn)自相關(guān)濾波后的異常值。需要指出的是：濾波窗口移動(dòng)時(shí)，研究區(qū)邊緣的濾波窗口半徑范圍數(shù)據(jù)點(diǎn)將無(wú)法按式(1)計(jì)算濾波函數(shù)，為了壓制這種“邊界效應(yīng)”，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了括邊處理[7-9]。

2 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自相關(guān)濾波方法對(duì)厚覆蓋區(qū)深部礦體探測(cè)的有效性，進(jìn)行了模型試驗(yàn)。其中，巖體模型主要作用為產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，巖體模型位于3～4 km深度，有效磁化強(qiáng)度為1 470×10-3A/m，巖體模型在各平面投影見(jiàn)圖1；并建立埋深650、475、1050 m的3個(gè)礦體模型，礦體模型為邊長(zhǎng)50 m或100 m的立方體模型，其有效磁化強(qiáng)度為33 600×10-3A/m，具體位置、幾何參數(shù)、磁性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 礦體模型參數(shù)

對(duì)上述建立的組合模型體進(jìn)行正演計(jì)算，獲得了組合模型體在地表(Z=0 m)產(chǎn)生的垂直磁化ΔT異常(圖2a)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自相關(guān)濾波方法處理，提取局部弱異常(圖2b)。從圖中可以看出，利用自相關(guān)濾波方法基本消除了背景場(chǎng)干擾，提取的局部弱異常為礦體模型產(chǎn)生的異常。尤其③號(hào)礦體在原磁場(chǎng)圖中不明顯、未圈閉，通過(guò)自相關(guān)濾波方法處理后，盡管由于埋深較大導(dǎo)致產(chǎn)生的異常弱，但是形成了圈閉異常。同時(shí)，3個(gè)礦體的磁異常經(jīng)過(guò)處理，異常范圍縮小，更接近地質(zhì)體邊界范圍，其中①號(hào)礦體異常范圍減小最為明顯。模型試驗(yàn)結(jié)果表明自相關(guān)濾波方法提取弱異常是行之有效的。

a—地面正演ΔT異常;b—自相關(guān)濾波方法提取局部弱異常

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理

山東齊河—禹城地區(qū)位于山東省西北部，地處黃河以北。2011年在山東齊河—禹城地區(qū)完成了1∶5萬(wàn)航磁測(cè)量，測(cè)線方向?yàn)镾N向；2017年，又進(jìn)行了1∶5萬(wàn)航磁測(cè)量，測(cè)線方向與2011年相同，但測(cè)線位置穿插于2011年測(cè)線，相當(dāng)于進(jìn)行了加密測(cè)量。以2017年航磁數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)上述航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)平融合處理[10]，得到了1∶2.5萬(wàn)航磁數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)網(wǎng)格化采用的網(wǎng)格距為50 m×50 m。

在自相關(guān)濾波方法處理之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了化極處理。根據(jù)鉆探資料，研究區(qū)內(nèi)鐵礦體埋深在700～1500 m，厚度幾米至上百米不等。通過(guò)分析已知鐵礦產(chǎn)生的航磁異常以及對(duì)鐵礦體產(chǎn)生的異常進(jìn)行正演模擬，該地區(qū)鐵礦引起的航磁異常寬度一般為1～2 km，因此設(shè)定自相關(guān)半徑為20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。自相關(guān)濾波方法使用的軟件為基于中國(guó)自然資源航空物探遙感中心GeoProbe Ver 4.0軟件平臺(tái)[11]自主開(kāi)發(fā)的插件。

3.2 應(yīng)用效果

研究區(qū)地表被厚度大于500 m的巨厚新生代沉積地層覆蓋(圖3a)，覆蓋層下方地層發(fā)育不完整——缺失白堊系、三疊系、泥盆系、志留系等。燕山晚期巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，侵入巖屬于幔源分異型，以閃長(zhǎng)巖類中基性侵入巖為主。據(jù)相關(guān)成礦理論[12-13]，中基性侵入巖為該區(qū)矽卡巖型鐵礦成礦地質(zhì)體，碳酸鹽巖地層與巖體的接觸帶是鐵礦成礦的有利部位[14]。

區(qū)內(nèi)隱伏地層磁性較弱，引起磁異常的主體為中基性巖體，其平均磁化強(qiáng)度為1 470×10-3A/m，而鐵礦石平均磁化強(qiáng)度33 600×10-3A/m，可在大規(guī)模巖體產(chǎn)生的異常中引起局部弱異常[15]。主體異常為負(fù)背景場(chǎng)中的升高正磁場(chǎng)，異常整體走向?yàn)镹NE向，總長(zhǎng)度約35 km，最大寬度約15 km，自南而北主要分為3個(gè)異常區(qū)，分別為大張異常區(qū)、潘店異常區(qū)和李屯異常區(qū)(圖3b)。

經(jīng)自相關(guān)濾波處理后，上述3個(gè)異常區(qū)由巖體引起的背景場(chǎng)基本消除，認(rèn)為提取的規(guī)模和強(qiáng)度相對(duì)較大的弱異常是地下磁性體局部凸起或磁性不均的反映，是找礦的重要部位。需要注意的是：①這里指的弱異常是相對(duì)于原疊加異常強(qiáng)度而言；②提取的局部弱異常中也有部分異常是地面干擾引起，其波長(zhǎng)短、相對(duì)雜亂，在解釋中應(yīng)根據(jù)異常特征，并結(jié)合遙感、實(shí)地踏勘等資料加以區(qū)分。

本區(qū)已施工多個(gè)鉆孔[16-18]，可以看到見(jiàn)礦鉆孔均位于提取的局部弱異常范圍內(nèi)(圖4)，而且局部異常強(qiáng)度相對(duì)較大。例如：李屯地區(qū)ZK1、ZK0701、ZK5、ZK6、ZK7等見(jiàn)礦鉆孔所處的局部異常；潘店地區(qū)PZK01見(jiàn)礦鉆孔所處的局部異常；以及大張地區(qū)ZK001、ZK002、ZK003、DZK01所處的局部異常。而未見(jiàn)礦鉆孔多位于強(qiáng)度較弱的局部異常，甚至不在局部異常范圍內(nèi)，如圖4中ZK3、ZK4在提取的局部異常邊部，ZK2801則不在提取的局部異常范圍內(nèi)。鉆孔資料表明，自相關(guān)濾波方法提取的局部弱異常，尤其那些強(qiáng)度相對(duì)較大的局部弱異常與深部鐵礦密切相關(guān)，對(duì)該地區(qū)尋找深部鐵礦具有重要意義，可指導(dǎo)后續(xù)鉆探工作。

圖4 自相關(guān)濾波方法處理結(jié)果及鉆孔分布

4 結(jié)論

1)應(yīng)用自相關(guān)濾波方法對(duì)磁異常進(jìn)行處理，壓制了背景場(chǎng)的影響，明顯突出了局部弱異常。不僅從疊加磁場(chǎng)中提取出有意義的異常，而且自相關(guān)濾波方法提取的局部弱異常，其異常范圍比原異常更接近磁性地質(zhì)體的實(shí)際邊界。

2)在齊河—禹城厚覆蓋區(qū)，鐵礦埋深大導(dǎo)致在地表觀測(cè)的鐵礦體引起的地球物理信號(hào)相對(duì)弱，而且鐵礦引起的異常湮沒(méi)在大面積的磁性巖體引起的異常中，鐵礦預(yù)測(cè)的難度大。通過(guò)自相關(guān)濾波方法提取弱異常顯著縮小了找礦范圍，為該地區(qū)找礦靶區(qū)圈定和鉆探驗(yàn)證等工作提供了重要依據(jù)。

3)自相關(guān)濾波方法提取的局部弱異常突出礦致異常等有用信息的同時(shí)，也突出了部分地表人文干擾異常，在地質(zhì)解釋過(guò)程中建議使用遙感、實(shí)地踏勘等資料進(jìn)行排除。

致謝：山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院、中化地質(zhì)礦山總局山東地質(zhì)勘察院、山東省地調(diào)查院等單位及相關(guān)技術(shù)人員提供了研究區(qū)鉆孔資料，匿名審稿專家和編輯部對(duì)本文提出了寶貴意見(jiàn)和建議，在此表示由衷感謝。