二維小波多尺度分析技術(shù)在銅山口深部找礦中的應(yīng)用

梁學(xué)堂，張木林

(湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北武漢 430056)

二維小波多尺度分析技術(shù)在銅山口深部找礦中的應(yīng)用

梁學(xué)堂，張木林

(湖北省地球物理勘察技術(shù)研究院，湖北武漢 430056)

小波變換是重力異常分解的有效工具，利用小波多尺度分析方法，可以將重力異常分解到不同尺度空間中。不同尺度的重力異常反映了不同地質(zhì)體的規(guī)模和埋深。作為一種新的有效的位場分離途徑，小波多尺度分析方法為重力資料解釋和研究地殼結(jié)構(gòu)提供了新的思路，在目前廣泛開展的深部找礦工作中將發(fā)揮重要的作用。

重力勘探;布格重力異常;小波多尺度分析;對數(shù)功率譜;深部找礦

0 引言

重力勘探作為一種經(jīng)典的物探找礦手段，其良好的抗干擾能力和深穿透特點，在目前廣泛開展的深部找礦中，越來越受到重視。特別是近年來應(yīng)用高精度自動讀數(shù)重力儀(CG-5)，結(jié)合高精度GPS測地技術(shù)，在礦調(diào)項目中重力勘探觀測精度從≥±0.100×10－5m/s2提高到≤ ±0.025 ×10－5m/s2，精度提高了約 4 倍;布格異常總精度也從原來的≥±0.250×10－5m/s2提高到≤±0.100 ×10－5m/s2。因此，隨著重力異常精度的提高，為我們應(yīng)用重力勘探技術(shù)發(fā)現(xiàn)更深部的礦床提供了技術(shù)上的支撐。

重力勘探同其它大多數(shù)物探方法一樣，也有他本身固有的缺點。一般來說，該方法對橫向疊加的異常信號分辯率高，對縱向疊加的異常信號，因體積效應(yīng)和地質(zhì)體埋深的增加，往往被淺部的信息所覆蓋而“湮滅”。比如應(yīng)用重力勘探尋找盆地構(gòu)造、火山機構(gòu)、大型巖體及圈定線性構(gòu)造等效果特別好;但對深部目標(biāo)地質(zhì)體(隱伏小巖體或礦致異常等)產(chǎn)生的弱信號異常，因疊加在淺部或較大地質(zhì)體產(chǎn)生的大幅值、大范圍異常之上，反應(yīng)則不甚明顯。另外，在沒有深部物性資料的情況之下，引起局部異常的地質(zhì)體的具體埋深也不易被定量計算。因此，能否從“強大”的背景場中發(fā)現(xiàn)來自地下深部弱小的、有用的異常信息，能否在沒有深部物性資料的情況下對目標(biāo)地質(zhì)體的埋深實現(xiàn)定量或半定量的計算，將直接影響到應(yīng)用重力勘探技術(shù)找礦的效果［1］。

提取地下深部目標(biāo)地質(zhì)體產(chǎn)生的弱信號異常信息，是研究重力勘探技術(shù)的重要課題，同時也是目前開展深部找礦工作的要求。從理論上來講，重力場是位場，不論是在空間域或頻率域內(nèi)，來自不同尺度空間的疊加異常信息應(yīng)該是可分離、可轉(zhuǎn)換的，這樣就為應(yīng)用數(shù)學(xué)手段分離礦致或有用的弱信號異常信息成為可能。

說是“雨幕”一點也不錯，那陣雨就像電影散場時拉起來的厚重黑幕，整齊地拉成一列，雨水則踏著軍人的正步，齊聲踩過田原，還呼喊著雄壯威武的口令。

1 二維小波多尺度分析技術(shù)簡介

小波多尺度分析又稱多分辨分析，它把一個信號分解為逼近部分和細節(jié)部分，表示為是逼近部分，Di細節(jié)部分，圖1為三層多尺度分析結(jié)構(gòu)圖，其中，S是信號，A1、A2、A3是逼近部分，D1、D2、D3是細節(jié)部分。

圖1 三層多尺度分析結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Analysis structure graph of multiple scale

根據(jù)小波多分辨分析的原理以及小波細節(jié)的微分特征，可實現(xiàn)對位場的多尺度分解。地表局部地質(zhì)體密度不均勻或儀器觀測誤差、地形校正誤差產(chǎn)生的重力異常，是高頻成分;深部的或大的地質(zhì)體產(chǎn)生的異常是相對低頻成分;深度越大，頻率越低。不同階次的小波細節(jié)，對應(yīng)不同尺度空間的重力異常。一階細節(jié)反映淺部的地質(zhì)體或干擾成分;二階細節(jié)反映的是相對更深一些的地質(zhì)體分布特征;以此類推，階次越高，反映的地質(zhì)體埋深越大。

2 應(yīng)用小波對數(shù)功率譜計算不同尺度空間地質(zhì)體的埋深

分解到幾階要根據(jù)異常的特征和地質(zhì)情況來決定，解釋時要賦于小波逼近部分和各階的細節(jié)明確的地質(zhì)意義。小波變換是重力異常分解的有效工具，利用小波多尺度分析方法，可以將重力異常分解到不同尺度空間中，不同尺度的重力異常反映了不同地質(zhì)體的規(guī)模和埋深。作為一種新而有效的位場分離途徑，小波多尺度分析方法為重力資料解釋和研究地殼提供了新的思路，在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

圖2 對數(shù)功率譜曲線圖Fig.2 Curve of logarithmic power spectrum

眾所周知，銅山口地區(qū)找礦工作程度很高，淺部小巖體的分布情況已基本查明，但深部隱伏巖體所產(chǎn)生的剩余重力異常因其重力場隨埋深增加而衰減，地表所觀測到的重力異常值一般不會超過 0.500×10－5m/s2。如此弱小的重力異常值，疊加在數(shù)十毫伽(×10－5m/s2)的背景場之上，對我們研究目標(biāo)地質(zhì)體來說是比較困難的。因此，必需對布格重力異常采取科學(xué)、有效的手段進行分離，才能提取我們研究中酸性小隱伏巖體產(chǎn)狀特征所需要的有用信息。

根據(jù)小波細節(jié)值，由相關(guān)軟件計算對數(shù)功率譜數(shù)據(jù)，人工根據(jù)對數(shù)功率譜數(shù)據(jù)，在坐標(biāo)紙上算出深源地質(zhì)體的似深度H，淺源地質(zhì)體的似深度h以及縱軸截距之比B/b，計算公式為：

式中：lnE(ω2)、lnE(ω1)分別是兩個不同頻段 ω2、ω1的對數(shù)功率譜值;ω是角頻率，ω=nΔω;Δω為基頻，把測區(qū)的長邊作為基波波長，如測點方向的邊長一些，則把點數(shù)×點距作為基波波長，其倒數(shù)即為基頻，反之則用測線方向作為基波波長，Δω=2π/(總點數(shù) ×點距)，淺源地質(zhì)體似深度的計算與上式一樣。

在縱軸上讀取深源場與淺源場縱軸截距l(xiāng)nB2、lnb2，由下式算出B/b：

圖4～圖7是對銅山口重力異常所進行細節(jié)分析及對數(shù)功率譜計算結(jié)果。因測區(qū)范圍只有幾十公里，只對重力異常進行了四階分解，研究深度也只局限在地下1 500 m深度左右。從各階小波分析結(jié)果可以看出，一階細節(jié)所反映的是地表淺部幾十米之內(nèi)的信息，重力異常較為零碎，它主要包含了淺部地質(zhì)的構(gòu)造信息，同時也包含有地形校正、重力測量及GPS測量等各種方法技術(shù)所產(chǎn)生的誤差，其地質(zhì)意義不大;二階細節(jié)反映的是地下200～250 m深度左右的地質(zhì)構(gòu)造信息，與剩余重力異常、垂向二階導(dǎo)數(shù)異常的特征相似，重力低異常主要反映的是酸性巖漿巖體的位置及空間形態(tài);重力高異常反映的是沉積巖地層的構(gòu)造信息;三階細節(jié)反映的是地下650～700 m深度左右的地質(zhì)構(gòu)造信息，淺部的、小型的巖漿巖體的影響已經(jīng)消除，突出了大型的、深部的巖體的構(gòu)造特征，特別是三大巖體的邊界及區(qū)內(nèi)西北部沿弧形侵入的花崗閃長斑巖的空間分布特征非常醒目;四階細節(jié)反映的是地下1 500～1 600 m深度左右的地質(zhì)構(gòu)造信息，從四階細節(jié)圖中可以看出，區(qū)內(nèi)大致可分為巖漿巖和沉積巖二個區(qū)域，姜橋巖體和殷祖巖體的根部在此深度已連成一體，而測區(qū)西北部的花崗閃長斑巖巖體已無反映。據(jù)此可以判定，花崗閃長斑巖巖體為“無根”，為淺層侵入體，其侵入深度不會超過1 500 m。

The picture of the discharge was captured using a PCO Dimax HD high-speed camera with an AF NIKKOR 60 mm f/2.8D lens.The frame rate of the camera was set to 33.3 kHz.The exposure time was set to 1.4 ls.

3 二維小波多尺度分析技術(shù)在銅山口深部找礦中的應(yīng)用

銅山口地區(qū)，屬于大冶礦田范圍，為長江中下游重要的成礦區(qū)帶。該地區(qū)礦床主要類型有矽卡巖型、斑巖—矽卡巖復(fù)合型銅鉬礦等。成礦地質(zhì)模式主要與區(qū)內(nèi)中酸性巖體、特別是與燕山期酸性花崗閃長斑巖的侵入密切相關(guān)?；◢忛W長斑巖的密度值較低，一般為2.50 g/cm3左右，與成礦圍巖二疊系、三疊系地層(地層平均密度約2.70 g/cm3左右)有一定的密度差，這為在本地區(qū)開展大比例尺的重力調(diào)查工作提供了地球物理前提。因此，圍繞銅山口地區(qū)所開展的礦產(chǎn)調(diào)查工作中，重力測量的主要目的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)與成礦密切相關(guān)的小型花崗閃長斑巖的隱伏位置，并查明其產(chǎn)狀特征［2］。

圖2是一個運用對數(shù)功率譜計算場源似深度的一個實例。從圖中可以看出，對應(yīng)低頻段部分，對數(shù)功率譜曲線的斜率越大(指絕對值)，曲線在縱坐標(biāo)軸上的截距越大，對應(yīng)的場源似深度越大;中高頻段對數(shù)功率譜的曲線特征也是同樣的規(guī)律，對應(yīng)高頻段，曲線發(fā)散，主要反映了地表地質(zhì)體局部不均勻或儀器觀測誤差等造成的干擾成分。具體計算方法及公式如下。

3.1 銅山口地區(qū)布格重力異常特征

圖8是根據(jù)小波細節(jié)分析結(jié)果，綜合測區(qū)垂向二階導(dǎo)數(shù)異常圖得出的地表下500 m深度左右的巖漿巖分布圖。圖中蘭色部分為較低密度的中酸性巖漿巖分布區(qū)域，紅色部分為灰?guī)r、大理巖、白云巖等密度相對較大的巖性分布區(qū)域。

在育苗之前要科學(xué)配制營養(yǎng)土，保證營養(yǎng)土中氮、磷、鉀元素供給充足，為幼苗根系生長奠定堅實基礎(chǔ)。幼苗出生之后，由于根系水分和養(yǎng)分吸收能力較差，可以進行葉面施肥。苗床灌溉少而勤，保持好大棚內(nèi)光照。

圖3 銅山口測區(qū)布格重力異常圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly map of Tongshankou survey area

3.2 銅山口地區(qū)重力異常小波各階細節(jié)特征

資源描述框架 RDF（resource description framework）是由萬維網(wǎng)協(xié)會W3C提出的一個語義框架[1]，被廣泛應(yīng)用在描述語義網(wǎng)[2]中的各類海量數(shù)據(jù)，可以用三元組（主語、謂語、賓語）的形式來描述語義網(wǎng)上的任何數(shù)據(jù)。

3.3 銅山口地區(qū)隱伏中酸性巖體分布及深部構(gòu)造特征

從圖3看出，布格異常值總體上呈西高東低特征。在測區(qū)銅山鎮(zhèn)周圍，布格異常等值線近北東向弧形排列，弧形中心在測區(qū)之外，大概與靈鄉(xiāng)巖體相對應(yīng);在測區(qū)中部，布格重力異常等值線由北東向弧形排列轉(zhuǎn)向近南北向的“∫∫∫”形狀;在測區(qū)東半部，布格重力異常呈半圓弧排列，圓弧中心位于姜橋鎮(zhèn)南部。另外不難看出，局部重力異常疊加在背景場之上，只是使布格異常等值線扭曲變形，具體細節(jié)并不清晰。因此，單從布格異常等值線圖來研究中酸性小巖體的分布特征是困難的。

中酸性巖漿巖(特別是花崗閃長斑巖)是銅山口地區(qū)重要的成礦物質(zhì)來源，與該地區(qū)矽卡巖型及斑巖型銅鉬礦床的形成密切相關(guān)。查清區(qū)內(nèi)小型中酸性巖體的隱伏位置、深度及其它產(chǎn)狀特征，可以為在本地區(qū)開展深部找礦工作提供靶區(qū)。從圖8所反映出的巖體分布的信息，一部分目前已得到驗證，與以往所取得的地質(zhì)認識也是相同的，另一部分尚未被認識，為新的發(fā)現(xiàn)。比如：區(qū)內(nèi)已知姜橋巖體與殷祖巖體的分布位置與邊界，在圖8上得到了充分顯現(xiàn);在測區(qū)西北地區(qū)銅山口一帶，除已知小型巖體外，本次發(fā)現(xiàn)還存在數(shù)量可觀的小型隱伏花崗閃長斑巖巖體，這對以后在本地區(qū)開展深部找礦工作起著重要的指導(dǎo)意義。

圖4 重力異常一階細節(jié)及功率譜曲線Fig.4 Power spectrum curve of first detail of gravity anomaly

圖5 重力異常二階細節(jié)及功率譜曲線Fig.5 Power spectrum curve of second detail of gravity anomaly

圖6 重力異常三階細節(jié)及功率譜曲線Fig.6 Power spectrum curve of third detail of gravity anomaly

圖7 重力異常四階細節(jié)及功率譜曲線Fig.7 Power spectrum curve of fourth detail of gravity anomaly

圖8 測區(qū)巖漿巖分布圖Fig.8 Distribution map of magmatic rock in survey area

圖9是根據(jù)小波對角線方向細節(jié)進行斷裂分析(奇性檢測)得出的深部斷裂構(gòu)造影像圖。從圖中可以看出，測區(qū)深部(隱伏)大的斷裂構(gòu)造有2條，一條經(jīng)過銅山口礦區(qū)東側(cè)近南北向展布;另一條經(jīng)過胡家灣—大角山近北東東向延伸。

圖9 測區(qū)深部斷裂構(gòu)造圖Fig.9 Structural map of deep fault in survey area

本次所發(fā)現(xiàn)的兩條斷裂，為以前地質(zhì)未曾認知的隱伏深部大斷裂。特別是在銅山口礦區(qū)東側(cè)近南北向斷裂的發(fā)現(xiàn)，可能會對該地區(qū)礦床形成的機制產(chǎn)生新的認識與看法。該斷裂結(jié)合整個鄂東南地區(qū)區(qū)域重力異常圖來看，為一條較大型重力梯級帶，北起黃石，經(jīng)大冶市、銅山口鎮(zhèn)向南延伸至黃沙鋪鎮(zhèn)，測區(qū)內(nèi)展布只是其中一小段。該斷裂以西，為金山店鎮(zhèn)、太和鎮(zhèn)等地形成的片狀重力高值區(qū)，并分布有陳子山、大廣山、銅山口等多處礦區(qū);斷裂帶以東，為以陽新巖體、白沙鋪巖體、殷祖巖體形成的重力低值區(qū)。由此可見，該斷裂不但規(guī)模宏大，對鄂東南地區(qū)巖漿巖的分布有控制意義，是重要的巖漿通道，同時也具有控礦特征，是重要的含礦帶。

如果命令結(jié)果如上文所示，表明已經(jīng)安裝好了BIND套件。否則需要執(zhí)行安裝命令安裝bind和bindutils兩個包，然后將DNS服務(wù)設(shè)置為在相關(guān)運行級別下開啟：

4 結(jié)論

應(yīng)用小波細節(jié)分析技術(shù)，提取了銅山口地區(qū)深部中酸性巖體產(chǎn)生的弱信號異常信息。采用“剝皮”方式，利用不同尺度空間的重力異常特征，刻畫了區(qū)內(nèi)深部巖體和構(gòu)造在不同尺度空間的形態(tài)，取得了豐富的深部找礦信息。目前部分成果已得到了實際檢驗。由此來看，小波變換作為重力異常分解的工具之一，特別是在提取深部目標(biāo)地質(zhì)體(或礦致異常)所產(chǎn)生的弱信號異常信息方面，確實是行之有效的。作為一種新而有效的位場分離途徑，小波多尺度分析方法為重力資料解釋和研究地殼結(jié)構(gòu)提供了新的思路，在目前廣泛開展的第二空間找礦工作中必將發(fā)揮獨特的、重要的作用。

［1］曾華霖.重力場與重力勘探［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005.

［2］湖北地質(zhì)礦產(chǎn)局.湖北省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京：地質(zhì)出版社，1990.

Application of 2D Wavelet Multi-scale Analysis on Depth Mineral Deposit Exploration at Tongshankou

LIANG Xuetang，ZHANG Mulin
(Hubei Institute of Geophysical Exploration Technology，Wuhan，Hubei430056)

Wavelet transformation is an important tool for decomposing the gravity anomaly.With it，gravity anomaly can be transformed into different scale anomalies.And the gravity anomalies with different scales correspond to the different ore bodies with different scales and buries.As a new and effective means for potential field decomposition，the wavelet multi-scale analysis method provides a new way for gravity data interpretation and the earth’s crust study，and plays important roles in the current deep exploration.

gravity exploration;Bouguer gravity anomaly;wavelet multi-scale analysis;logarithmic power spectrum;deep exploration

P631.1

B

1671－1211(2012)03－0263－05

2011－05－24;改回日期：2011－07－28

梁學(xué)堂 (1964－)，男，教授級高級工程師，應(yīng)用地球物理專業(yè)，從事區(qū)域重力調(diào)查、地球物理及數(shù)據(jù)處理與研究工作。E－mail：lxt19641025@163.com

潘 瀟)