張冕,張春灌,趙敏,鐘振華,袁炳強(qiáng),周磊,韓梅

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

0 引言

由于重、磁異常資料是地質(zhì)人員對(duì)區(qū)域進(jìn)行定性解釋和定量解釋的基礎(chǔ),故異常資料的質(zhì)量問(wèn)題顯得十分重要。目前利用重、磁異常資料進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)解釋、尋找油氣與礦產(chǎn),所以重、磁數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量問(wèn)題一直受到學(xué)者們的重視[1]。不僅如此,利用重、磁數(shù)據(jù)還可提高對(duì)海洋區(qū)域和大陸區(qū)域的結(jié)構(gòu)和演化的理解。修訂后的異常數(shù)據(jù)之間的差異不會(huì)影響局部異常的解釋,但可以改善區(qū)域異常研究[2]。高分辨率的磁力和重力數(shù)據(jù)可以揭示更多未知的地質(zhì)結(jié)構(gòu),其中磁力數(shù)據(jù)可反映磁性巖石從地表到居里面任意深度的巖石分布,且磁力圖和重力圖包含了許多關(guān)于構(gòu)造元素的特征[3-6]。EMAG2作為全球第一個(gè)被納入Google和NASA World的磁異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件,被選為官方世界數(shù)字磁異常圖的基礎(chǔ)網(wǎng)格,是CHAMP(具有挑戰(zhàn)性的微型衛(wèi)星有效載荷)衛(wèi)星磁異常模型MF6(波長(zhǎng)>330 km)的匯編,覆蓋范圍極廣[7]。EMAG2也是對(duì)先前的世界數(shù)字磁異常圖候選網(wǎng)格的重大更新,由衛(wèi)星、艦船和航空磁測(cè)量數(shù)據(jù)編譯而成,反映了大地水準(zhǔn)面上方4 km高度處的磁異常,其對(duì)NGDC的WDMAM候選網(wǎng)格進(jìn)行了顯著改進(jìn),具體表現(xiàn)在:在海洋地殼年齡模型基礎(chǔ)上,EMAG2利用定向網(wǎng)格化與外推法對(duì)海洋中稀疏的軌跡線進(jìn)行了改進(jìn),分辨率從3弧分(大約5.5 km)提升至2弧分(約3.7 km),其中地磁異常網(wǎng)格(EMAG2 弧分)使用了總磁強(qiáng)度圖生成了RTP圖,RTP圖消除了由研究區(qū)域中的感應(yīng)磁場(chǎng)和環(huán)境磁場(chǎng)引起的不對(duì)稱性[8-13]。以往的EMAG2磁異常數(shù)據(jù)依賴于已知或理想化的局部地質(zhì)數(shù)據(jù),并將異常插值到無(wú)數(shù)據(jù)的區(qū)域,而EMAG2v3僅依賴于可用的數(shù)據(jù),因此,最新的EMAG2v3可以更好反映這些異常的復(fù)雜性(尤其是在海洋區(qū)域),并準(zhǔn)確反映尚未收集到數(shù)據(jù)的區(qū)域。而斯克里普斯海洋研究所發(fā)布的最新全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)融合了大量測(cè)量年代較早的地面重力數(shù)據(jù)和航空重力數(shù)據(jù),其中布格重力數(shù)據(jù)、自由空氣和大地水準(zhǔn)面異常數(shù)據(jù)已被廣泛用于巖石圈成像和上地幔密度結(jié)構(gòu)研究[14-15],且全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29中的重力網(wǎng)格數(shù)據(jù)已被用作研究北大西洋自由空氣重力異常的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[16-18]。

本文基于EMAG2v3磁異常數(shù)據(jù)與V29重力異常數(shù)據(jù),并選用Aegir軸裂谷及鄰區(qū)約150 km區(qū)域范圍的重、磁測(cè)量數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)研究區(qū)域的EMAG2v3磁異常數(shù)據(jù)與船測(cè)磁異常數(shù)據(jù)、V29重力異常數(shù)據(jù)與船測(cè)異常數(shù)據(jù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析與差值對(duì)比,進(jìn)而對(duì)兩種數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。

1 方法與技術(shù)

1.1 插值與白化(surfer)

Golden software surfer (以下簡(jiǎn)稱surfer)為一款畫三維圖(等高線、image map、3D surface等)的軟件,可對(duì)不等間距數(shù)據(jù)進(jìn)行插值(即數(shù)據(jù)補(bǔ)充),從而達(dá)到對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像仿真的目的。為了對(duì)EMAG2v3與船測(cè)磁異常、全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29與船測(cè)重力異常進(jìn)行深入研究,本文基于插值與白化方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校正處理[19-22]。

由于數(shù)據(jù)集中分布在Aegir軸裂谷及兩側(cè)各約150 km的范圍內(nèi),故將(-10°N～0°N,64°W～68°W)區(qū)域數(shù)字化框圖成形,對(duì)EMAG2v3和船測(cè)磁力異常數(shù)據(jù)、全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29和船測(cè)重力異常數(shù)據(jù)、相關(guān)分析網(wǎng)格圖件和差值異常網(wǎng)格圖件進(jìn)行白化處理,得到數(shù)據(jù)所在范圍的結(jié)果圖,再對(duì)數(shù)據(jù)所在范圍及白化框內(nèi)區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖1所示,得到了磁力和重力相關(guān)分析、差值范圍的占比數(shù)據(jù)。對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行多次試驗(yàn),確定網(wǎng)格線范圍為(x:-10°N～0°N,y:64°W～68°W),x與y方向間距均為0.02°,其中搜索橢圓參數(shù):半徑1為0.5°,半徑2為2.5°,角度為-15°,此時(shí)半徑1與主要測(cè)線的方向較為一致,且異常效果較好。

圖1 Aegir軸裂谷海底地形及重力測(cè)線(a)和磁力測(cè)線(b)分布

本文使用的是常用內(nèi)插方法之一的克里金插值法,克里金法可分為簡(jiǎn)單克里金和普通克里金,兩者的區(qū)別在于插值的定義方式。本文使用的是普通克里金法,其插值公式為:

(1)

不同克里金插值法的主要差異之處在于假設(shè)條件不同,普通克里金插值法通常假設(shè)空間屬性z是均勻一致的,對(duì)于空間任意一點(diǎn)(x,y),都具有相同的期望c與方差σ2。即任意一點(diǎn)(x,y)都有:

E[z(x,y)]=E[z]=c,
Var[z(x,y)]=σ2,

(2)

而普通克里金法的假設(shè)條件為:任意一點(diǎn)處的值z(mì)(x,y),都由區(qū)域平均值c和該點(diǎn)的隨機(jī)偏差A(yù)(x,y)組成,具體表達(dá)式為:

z(x,y)=E[z(x,y)+A(x,y)]=c+R(x,y),

(3)

其中:R(x,y)表示點(diǎn)(x,y)處的偏差,其方差均為常數(shù)Var[R(x,y)]=σ2。

1.2 相關(guān)分析法

為了對(duì)EMAG2v3與船測(cè)磁力異常數(shù)據(jù)、全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29和船測(cè)重力異常數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分別進(jìn)行研究分析,本文使用了相關(guān)分析方法。

相關(guān)分析的結(jié)果可用來(lái)反映測(cè)區(qū)內(nèi)地形起伏對(duì)重力異常的影響情況,以及地形改正是否完全或改算方法是否完善。不同對(duì)象間的相互聯(lián)系常表現(xiàn)為一定的公式關(guān)系,假設(shè)x為變量中隨機(jī)一個(gè)或幾個(gè)起著影響作用的變量,y為與其有相互聯(lián)系的另一變量,設(shè)R為相關(guān)關(guān)系系數(shù),用于衡量x、y兩變量之間的相關(guān)性大小,相關(guān)分析公式為:

(4)

其中相關(guān)分析數(shù)值Cxy的取值范圍為:-1≤Rxy≤1。當(dāng)Rxy>0時(shí),兩種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正相關(guān),當(dāng)Rxy<0時(shí),兩種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),而|Rxy|有X個(gè)分界值,為0.3、0.5與0.8,當(dāng)|Rxy|大于0.8,表示數(shù)據(jù)有極強(qiáng)相關(guān)性;當(dāng)0.5<|Rxy|≤0.8時(shí),表示數(shù)據(jù)有明顯相關(guān)性;當(dāng)0.3<|Rxy|≤0.5時(shí),表示數(shù)據(jù)有一般相關(guān)性;當(dāng)|Rxy|≤0.3時(shí),則表示數(shù)據(jù)間幾乎沒(méi)有相關(guān)性[23-26]。

2 對(duì)比與分析

研究區(qū)位于挪威盆地西部、揚(yáng)馬延微陸塊東部海域,地理坐標(biāo)為-10°N～0°N,64°W～68°W,面積約為15.3×104km2。本文系統(tǒng)整理分析了已有的船測(cè)重力、衛(wèi)星測(cè)高重力(美國(guó)斯克里普斯海洋研究所于2021 年發(fā)布的全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29)、船測(cè)磁力、美國(guó)國(guó)家環(huán)境信息中心(National Centers for Environmental Information,NCEI)于2017年發(fā)布的地球磁異常網(wǎng)格第3版(Earth magnetic anomaly grid at 2 arc minute resolution version 3,EMAG2v3)資料,編制了Aegir脊磁力異常(圖2)與自由空氣重力異常(圖3)。其中,沿著Aegir 脊開(kāi)展了覆蓋寬度約 154 km、長(zhǎng)度約564 km的船測(cè)重力和船測(cè)磁力工作,圖1為研究區(qū)海底地形及重、磁測(cè)線分布,其中船測(cè)磁力測(cè)線間距約為7.5 km,點(diǎn)距約為0.71 km;船測(cè)重力測(cè)線間距約為7.5 km,點(diǎn)距約為0.66 km,兩種數(shù)據(jù)測(cè)量比例尺相同,約為1∶100萬(wàn);而全球重力數(shù)據(jù)庫(kù)V29中海域重力數(shù)據(jù)為衛(wèi)星測(cè)高重力數(shù)據(jù),精度約在4×10-5/s2,空間分辨率接近8 km,比例尺優(yōu)于1∶100萬(wàn)[27-28]。

a—船測(cè)磁力異常;b—EMAG2v3地球磁異常;c—船測(cè)磁力異常與EMAG2v3的相關(guān)系數(shù);d—船測(cè)磁力異常與EMAG2v3的差值;e—測(cè)線A磁異常及差值;f—測(cè)線B磁異常及差值

a—船測(cè)重力異常;b—地球重力異常(V29);c—船測(cè)重力異常與地球重力異常(V29)的相關(guān)系數(shù);d—船測(cè)磁力異常與地球重力異常(V29)的差值;e—測(cè)線A重力異常及差值;f—測(cè)線B重力異常及差值

由圖2a與圖2b所示,研究區(qū)范圍內(nèi)兩種磁異常特征極為相似,從圖2c中亦能看出2種數(shù)據(jù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系。設(shè)相關(guān)系數(shù)為R,R≥0.8、0.5≤R<0.8、0.3≤R<0.5、-0.1≤R<0.3的區(qū)域占比見(jiàn)表1,其中相關(guān)系數(shù)數(shù)值在-1～0.3面積區(qū)域占全區(qū)的9.94%,相關(guān)關(guān)系數(shù)值在0.3～0.5面積區(qū)域占全區(qū)的4.83%,相關(guān)關(guān)系數(shù)值在0.5～0.8面積區(qū)域占全區(qū)的16.32%,而相關(guān)關(guān)系數(shù)值在0.8之上的面積區(qū)域占了全區(qū)的68.89%。由此可知,相關(guān)系數(shù)數(shù)值變化與異常走向一致,表明EMAG2v3地球磁異常與船測(cè)磁異常在宏觀上變化趨勢(shì)一致,但異常細(xì)節(jié)特征表明船測(cè)磁力數(shù)據(jù)變化特征更為顯著。

表1 磁力相關(guān)系數(shù)數(shù)值與差值區(qū)間

如表1所示,EMVG2v3與船測(cè)磁力數(shù)據(jù)的差值絕對(duì)值小于10 nT的范圍區(qū)域占總面積的16.07%,介于10～50 nT之間占總面積的48.31%,介于50～100 nT之間占總面積的24.27%,大于100 nT的區(qū)域范圍占總面積的11.34%,表明這兩種數(shù)據(jù)在Aegir軸裂谷及兩側(cè)約150 km范圍內(nèi)差異性極大。

由測(cè)線磁異常及差值(圖2e、2f)所示,EMAG2v3與船測(cè)磁力異常宏觀上走向具有一致性,且兩種數(shù)據(jù)圓滑后的結(jié)果比較接近。差值具有絕對(duì)值特性,差值整體變化特征與磁異常走向相反,但在Aegir軸裂谷處差值波動(dòng)幅度較大,意味著EMAG2v3在Aegir軸裂谷及附近區(qū)域損失了更多磁異常細(xì)節(jié)特征,表明船測(cè)磁異常比EMAG2v3更能反映出Aegir軸裂谷及附近區(qū)域異常的細(xì)節(jié)分布特征。

由圖3a與圖3b所示,兩種重力異常特征極為相似,表明船測(cè)重力異常與數(shù)據(jù)庫(kù)重力異常變化趨勢(shì)較為一致。從圖3c中亦能看出兩種數(shù)據(jù)存在顯著的相關(guān)性,研究區(qū)內(nèi)相關(guān)系數(shù)普遍大于0.8,僅在研究區(qū)西南部靠近冰島大陸架處,相關(guān)系數(shù)顯示為0.5及以下,表明數(shù)據(jù)庫(kù)自由空氣重力異常與船測(cè)自由空氣異常在該處變化一致性較好。設(shè)相關(guān)系數(shù)為R,R≥0.8、0.5≤R<0.8、0.3≤R<0.5、-0.1≤R<0.3的區(qū)域占比見(jiàn)(表2),其中相關(guān)系數(shù)數(shù)值在-1～0.3范圍之間僅有全局范圍的6.03%,相關(guān)系數(shù)數(shù)值在0.3～0.5區(qū)間也占比極少僅有4.10%,而相關(guān)系數(shù)數(shù)值在0.5～0.8及0.8之上面積區(qū)域分別占比全局的16.40%與73.46%,由此可知,兩種異常特征高度一致,都能較好反映Aegir脊軸部的橫向分布特征。

表2 重力相關(guān)系數(shù)數(shù)值與差值區(qū)間

Aegir軸裂谷及兩側(cè)約150 km范圍內(nèi)計(jì)算自由空氣重力異常與船測(cè)重力異常的差值絕對(duì)值小于10×10-5m/s2的區(qū)域占比是10.65%,而另外剩下89.35%面積區(qū)域的差值絕對(duì)值都介于(10～50)×10-5m/s2之間,表明兩數(shù)據(jù)在Aegir軸裂谷及兩側(cè)約150 km范圍內(nèi)差異性較大。

由測(cè)線磁異常及差值(圖3e、圖3f)顯示,全球重力庫(kù)V29重力異常與本次船測(cè)重力異常宏觀上走向一致,但船測(cè)重力異常變化較V29重力異常變化稍微陡峭一些,且船測(cè)重力異常值整體較高,但兩種重力異常數(shù)據(jù)差值幾乎為一固定值沒(méi)有變化,表明兩種數(shù)據(jù)的橫向分辨率基本一致。

3 結(jié)論

由兩種磁異常數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果可知,船測(cè)磁異常更能反映出該地區(qū)磁異常的細(xì)節(jié)特征,測(cè)線磁異常顯示:兩種數(shù)據(jù)磁異常變化特征及走向較為一致,但船測(cè)磁異常比EMAG2v3磁異常起伏變化更加顯著,故表明全球磁異常EMAG2v3庫(kù)融合了本次大部分船測(cè)磁力數(shù)據(jù),與該區(qū)域船測(cè)磁力數(shù)據(jù)相比,EMAG2v3庫(kù)數(shù)據(jù)整體質(zhì)量相對(duì)較低,異常細(xì)節(jié)特征有一定損失。

從重力數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果來(lái)看,本次船測(cè)重力異常數(shù)據(jù)和V29庫(kù)重力異常數(shù)據(jù)幾乎完全契合,表明兩種數(shù)據(jù)的橫向分辨率基本一致。

在資料利用方面,本次船測(cè)磁力數(shù)據(jù)的使用效果比EMAG2v3庫(kù)異常數(shù)據(jù)更好,而船測(cè)重力異常數(shù)據(jù)和V29重力庫(kù)數(shù)據(jù)使用效果基本一致,故在使用重、磁數(shù)據(jù)資料時(shí),可先將其進(jìn)行對(duì)比與分析,選用較好的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使解釋結(jié)果更加準(zhǔn)確。