用解析延拓求取剩余磁異常來圈定淺部隱伏磁鐵礦脈

李建華，李春鵬

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

用解析延拓求取剩余磁異常來圈定淺部隱伏磁鐵礦脈

李建華，李春鵬

（中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083）

剩余磁異常求取是一種對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行化極，解析延拓后提取淺部磁性介質(zhì)異常的高通濾波方法。對(duì)于處于強(qiáng)磁性圍巖的磁鐵礦脈來說，淺部磁鐵礦脈的異常往往被大規(guī)模的磁性圍巖所引起的異常所掩蓋。磁場(chǎng)強(qiáng)度與場(chǎng)源到測(cè)點(diǎn)距離的平方（二度體）或者立方（三度體）成反比，進(jìn)行向上延拓的時(shí)候，由淺部場(chǎng)源引起的高頻異常衰減快，深部場(chǎng)源引起的低頻異常衰減的慢，因此地面實(shí)測(cè)磁場(chǎng)去掉向上解析延拓后的磁場(chǎng)值，可突出反映近地表磁性體引起的高頻異常。這里通過解析延拓求取剩余異常，實(shí)現(xiàn)淺部磁鐵礦脈異常信息的提取，為尋找隱伏的磁鐵礦脈提供依據(jù)。并且利用此方法在秘魯共和國(guó)Morritos鐵礦圈定隱伏磁鐵礦脈，驗(yàn)證了剩余異常在大規(guī)模的高磁性圍巖中尋找隱伏磁鐵礦脈的應(yīng)用效果。

剩余磁異常；解析延拓；隱伏磁鐵礦脈；秘魯；Morritos鐵礦

0 前言

磁異常的各種處理轉(zhuǎn)換方法，實(shí)際上就是各種濾波方法及其組合?？偟脕碚f，可以分為空間域處理和波數(shù)處理，具體包括插值、圓滑、網(wǎng)格化、延拓、求導(dǎo)數(shù)、分量轉(zhuǎn)換、化極等。磁異常處理的一個(gè)重要研究方向是通過對(duì)磁異常弱、小信號(hào)的研究，來提高磁異常的分辨能力。地面磁測(cè)數(shù)據(jù)中弱小信號(hào)的分離，可以提取出弱磁性的21地質(zhì)體，或者淹沒于大規(guī)模磁性體中的小磁性體引起的磁異常，但這方面的工作尚未深入開展［1］。弱信號(hào)的提取對(duì)尋找閃長(zhǎng)巖體熱液交代型磁鐵礦脈礦床具有重要的意義。

基于這點(diǎn)考慮，作者在本文提出了一種提取小的脈沖信號(hào)的方法。這種方法通過對(duì)地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析延拓，計(jì)算出剩余異常，將淺地表脈狀磁性體引起的異常信息分離出來，定性的認(rèn)識(shí)近地表磁鐵礦脈引起的異常，不受區(qū)域構(gòu)造場(chǎng)、巖體引起的磁異常的影響。

秘魯Moquewa省的Morritos鐵礦是位于大規(guī)模閃長(zhǎng)巖體中的熱液交代類型的脈狀磁鐵礦脈利用解析延拓求取剩余磁異常在這里得到了成功的應(yīng)用，為Morritos鐵礦增加了可觀的儲(chǔ)量。

1 解析延拓剩余磁異常算法

對(duì)三度體，上半空間（z＞0）延拓的公式為［2～5］：

改用柱坐標(biāo)表示：

式（2）可改寫為：

其中：

積分可分為兩步來計(jì)算，先求圓周上的平均值Za（φ，ρ），然后再求出ρ由0～∞積分值。

設(shè)式（3）中z為mh（m＝1，2，…，n），則式（3）變?yōu)椋?/p>

為了求得Za（M0），可以先求出式（5）中ρ由ρ～ρi＋1范圍內(nèi)的積分，然后求和：

用式（3）計(jì)算向上延拓值時(shí)，可以利用方形網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)上的異常值。若以點(diǎn)距作為所有長(zhǎng)度的度量單位，并?。簞t可以算出上延高度h的延拓值。如果所選的取值點(diǎn)不再方形網(wǎng)結(jié)點(diǎn)上，還需再用一元高次插值公式內(nèi)插出所需的異常值［6～12］。

向上延拓之后的磁異常壓制了淺部的、局部的磁異常，著重反映區(qū)域性的、深部的磁性體引起的異常。對(duì)于強(qiáng)磁性圍巖（如閃長(zhǎng)巖）區(qū)域分布的磁鐵礦脈來說，磁鐵礦脈引起的磁異常往往淹沒在強(qiáng)磁性圍巖的區(qū)域性異常之中［13］。

為了提取淺部磁鐵礦脈引起的磁異常，作者在本文提出對(duì)地面磁異常進(jìn)行向上解析延拓，利用向上解析延拓后的磁異常對(duì)地面實(shí)測(cè)磁異常進(jìn)行濾波，求取反映地表脈狀磁性體的異常信息。

本方法在秘魯共和國(guó)Morritos鐵礦尋找隱伏礦脈中起到了重要的作用。

2 理論模型計(jì)算

2.1 正演計(jì)算

根據(jù)第一節(jié)中理論部份所涉及的方法，建立正演模型進(jìn)行計(jì)算。模型是基于下文中提到的Morritos鐵礦的成礦模型，來模擬低緯度地區(qū)閃長(zhǎng)巖體中的脈狀磁鐵礦脈的磁異常特征。

通過解析延拓求取剩余磁異常的方法，提取出“淹沒”在大規(guī)模閃長(zhǎng)巖體引起的磁異常中的線性磁異常。模型中用球體來模擬閃長(zhǎng)巖體，用板狀體來模擬脈狀磁鐵礦脈。模型參數(shù)設(shè)置如下：

（1）地磁參數(shù)：磁偏角為－2.2°；磁傾角為－9.9°。

（2）球體模型：直徑為800m；磁化率為0.5SI；頂部埋深為－100m。

（3）板狀體模型：長(zhǎng)度為400m；高度為30m長(zhǎng)度為400m；走向：N45°；W傾向：南西；傾角為60°；磁化率為1SI；頂部埋深為－5m。

下頁圖1（a）為建立的模型平面投影圖，其中AB線為穿過二個(gè)模型中心位置的一條虛擬測(cè)線通過正演計(jì)算，可分別得出板狀體、球體、球體板狀體組合模型的磁異常特征（見下頁圖1中的（b）（c）、（d））。板狀體的磁異常為正負(fù)異常伴生的條帶狀脈沖異常，異常梯度大，形態(tài)窄、陡。負(fù)異常對(duì)應(yīng)在正異常的南邊，在正異常的北邊沒有負(fù)異常的出現(xiàn)。正負(fù)異常交界的位置反映了板狀體頂部埋深的位置，負(fù)異常為板狀體傾向的位置。

球體在南半球低緯度地區(qū)的異常特征為：正負(fù)異常伴生，正異常在負(fù)異常的北邊，異常的梯度小異常值大；負(fù)異常的絕對(duì)值大于正異常。本例中的模型正異常達(dá)到650nT，負(fù)異常達(dá)到－1 700nT主體異常為負(fù)異常，模型中心位置位于負(fù)異常一側(cè)（見下頁圖1（c））。下頁圖1（d）為球體模型和板狀體模型的綜合磁異常反映。從圖1中可以看出，由于板狀體所引起的磁異常范圍小，幅度小，淹沒在異常圖中不容易分辨。在野外實(shí)際工作中，這個(gè)問題更加嚴(yán)重，因?yàn)闇\部磁性體的干擾加劇其分辨難度（這點(diǎn)可以通過在下文中提到的實(shí)例中看出）。

圖2（見后面）為虛擬測(cè)線AB的磁異常剖面圖，從圖2中可以看出，板狀體所引起的脈狀磁異常，只是在大的球體異常上出現(xiàn)的小脈沖。

2.2 解析延拓求取剩余磁異常

為了在大規(guī)模強(qiáng)磁性體中提取出小的、淺部的板狀體的磁異常，可利用解析延拓求取剩余磁異常，見后面圖3。由于板狀體模型的頂部埋深為－5m，因此選擇10m作為解析延拓的高度，來計(jì)算剩余磁異常。在實(shí)際野外數(shù)據(jù)處理過程中，為了壓制淺部干擾信號(hào)，可以適當(dāng)?shù)卦黾由涎拥母叨取?/p>

從圖3中所示（見后面）的平剖圖可以看出，通過求取剩余磁異常，板狀體引起的磁異常被有效的分離出來。異常呈條帶狀分布，異常形態(tài)與圖1（b）中板狀體正演的異常形態(tài)一致。剩余磁異常的求取有效地壓制了區(qū)域性異常，突出了淺部板狀體的異常。而且通過提取剩余異常信息，可以比較準(zhǔn)確地確定板狀體頂部埋深的位置以及傾向。

3 Morritos鐵礦地質(zhì)概況

3.1 區(qū)域地質(zhì)

秘魯位于太平洋板塊和美洲大陸板塊的碰撞帶上，海岸帶是碰撞形成的海岸巖基，長(zhǎng)幾千公里，主要由安山巖、閃長(zhǎng)巖等中性、中性偏酸性的火成巖組成。海岸巖基往東為著名的安第斯山脈，是強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓帶，是金、銀、銅、鉛、鋅、鉬等金屬最有利的成礦地帶。秘魯中部是安第斯山的東坡，出露古生界和元古界的地層，由淺變質(zhì)和中高變質(zhì)巖構(gòu)成，繼續(xù)往東便是新生代地層的沉積區(qū)。上述地層及構(gòu)造分帶以北北西向?yàn)橹鳎秃０毒€基本平行。Morritos鐵礦區(qū)地處秘魯南部，離海岸直線距離約10km，位于海岸巖基中部的一個(gè)閃長(zhǎng)巖巖體中。該巖體出露約為15km×10km的范圍，其余較多地帶被第四系沖積物和凝灰?guī)r所覆蓋，北部出露有侏羅系地層?？赏浦搮^(qū)出露的巖體僅是規(guī)模巨大的海岸巖基的極小一部份。閃長(zhǎng)巖巖基侵入的年代為晚白堊世（Ki－gd/di），莫里多鐵礦的形成是與這個(gè)閃長(zhǎng)巖巖體有直接關(guān)系。

3.2 礦床地質(zhì)

Morritos鐵礦區(qū)與周邊地區(qū)均屬于一個(gè)中性巖體，巖性為閃長(zhǎng)巖，巖石為細(xì)晶結(jié)構(gòu)，礦物成份為：①斜長(zhǎng)石（plagioclasa）：55%；②正長(zhǎng)石（ortosa）：15%；③石英（cuarzo）：10%；④角閃石（horn－ablenda）：6%；⑤黑云母（biotuta）：7%；⑥磁鐵礦（magnetita）：1%～3%。

圖1 模型磁異常圖Fig.1 Magnetic map of the model

該巖體新鮮面上看是灰白色的，風(fēng)化之后為淺褐紅色?？拷V脈部份的巖石新鮮面為淺綠色，可能是含有少量輝石的緣故。另外靠近礦脈的巖石磁鐵礦含量增加，即使肉眼看不到磁鐵礦顆粒，但仍可用磁鐵吸起5cm的巖芯細(xì)塊，可見圍巖含有較多細(xì)顆粒的磁鐵礦。

從區(qū)域上看，該閃長(zhǎng)巖巖體的主理面走向?yàn)楸薄蔽鞣较?，傾向西偏南，傾角約55°～80°，礦體的走向、傾向、傾角也和巖體主理面基本一致。已發(fā)現(xiàn)有0.3m厚以上的礦脈二十多條，其中厚度達(dá)到1.0m以上的約有十條。礦脈地表露頭長(zhǎng)度從100m～1 500m不等。礦體多呈脈狀和扁豆?fàn)铊F礦石為灰黑色、褐黑色中厚層～厚層狀，致密塊狀，大多具強(qiáng)磁性。有一部份鐵礦脈是團(tuán)狀和角礫狀，含有細(xì)巖脈（寬度小于1cm），以長(zhǎng)石質(zhì)、石英質(zhì)、方解石質(zhì)為主。另外還有不少風(fēng)化后見到孔雀石，顯然鐵礦脈中含有銅礦物。礦脈和圍巖的接觸大多數(shù)分界明顯，但也有部份為漸變過渡。

礦脈主要以隱晶質(zhì)塊狀磁鐵礦組成，還含有磁赤鐵礦、針鐵礦等。有些地段見有長(zhǎng)石、石英等細(xì)脈穿插到鐵礦中。一般礦脈耐風(fēng)化而凸起地表，看上去如黑色的巖石一樣；有些地段礦脈風(fēng)化后呈紅、黃、褐等雜色，有次生方解石、高嶺土、石膏等。根據(jù)上述情況分析，可認(rèn)為Morritos鐵礦的礦床類型是巖漿晚期貫入式礦床，與淺成閃長(zhǎng)石有關(guān)，局部有后期發(fā)生熱液蝕變現(xiàn)象。鐵礦床主要形成于晚白堊世。

4 地球物理特征及異常推斷

4.1 巖礦石物性特征

作者在礦區(qū)不同位置共采集了54塊巖礦石標(biāo)本進(jìn)行測(cè)定，分別取平均值，巖礦石磁化率測(cè)定結(jié)果見表1。由表1可以看出，礦區(qū)閃長(zhǎng)巖體具有磁性，其磁化率范圍為5×10－5SI～27×10－5SI，磁鐵礦標(biāo)本的磁化率為146×10－5SI～238×10－5SI?？梢?，雖然閃長(zhǎng)巖具有一定的磁性，但與磁鐵礦相比，二者具有很大的差異。磁鐵礦和其圍巖具有數(shù)量級(jí)的物性差異。

圖4 Morridos鐵礦地理位置及交通圖Fig.4 Location and transportation map for Morritos iron ore

表1 Morritos鐵礦巖礦石標(biāo)本磁化率測(cè)定表（單位：10－5SI）Tab.1 Magnetic susceptibility for specimens of ores and rocks in Morritos Fe deposit

4.2 剩余磁異常特征及隱伏礦脈的預(yù)測(cè)

測(cè)得的磁異常經(jīng)過手工畸變點(diǎn)的剔除，并進(jìn)行低通濾波工作，將高頻干擾濾除。測(cè)區(qū)地形較平坦，最大高差約20m，適合解析延拓方法的應(yīng)用。

淺部磁異常為經(jīng)過化極、解析延拓，剩余異常求取等計(jì)算工作，去除深部異常的影響，突出反映淺部脈狀磁性體的異常。在圖5和下頁圖6中，黑色粗實(shí)線表示已知礦脈的位置。

圖5為實(shí)測(cè)磁異常結(jié)果，從圖5可以看出，礦脈位置與磁異常對(duì)應(yīng)并不好，磁異常并未直接地反映出已知礦脈的信息，負(fù)異常的范圍基本上反映了區(qū)內(nèi)閃長(zhǎng)巖體的位置。通過解析延拓求取剩余異常獲得濾波后的異常圖，見圖6。

從圖6可以看出，解析延拓剩余異常圖中出現(xiàn)了脈沖狀的磁異常，異常特征是：異常梯度大，范圍窄，呈脈沖狀分布，垂直勘探線方向呈連續(xù)分布，異常值高，約有幾百nT。磁異常分布基本與已知礦脈的位置重合。由此可見，已知礦脈與磁異常對(duì)應(yīng)非常好，剩余異常平剖圖中正異常峰值的連線為礦脈頂部的位置。另外，通過正演計(jì)算，這樣的磁異常特征是南半球向南傾的磁鐵礦礦脈引起的異常這與實(shí)際非常的吻合。

通過分析計(jì)算，結(jié)合已知礦脈與剩余異常的關(guān)系，推斷了十八條可能的隱伏磁鐵礦脈。見圖6其中黑色虛線表示預(yù)測(cè)的隱伏磁鐵礦脈。預(yù)測(cè)隱伏磁鐵礦脈編號(hào)為YF1－YF18。并且在部份礦脈上建議了七個(gè)勘察鉆孔，對(duì)磁法預(yù)測(cè)隱伏礦脈進(jìn)行預(yù)測(cè)。鉆孔位置為：

建議鉆孔1（淺孔）：306144，8019351建議鉆孔2（淺孔）：306195，8019314

建議鉆孔3（淺孔）：306125，8019483建議鉆孔4（淺孔）：306232，8019430

建議鉆孔5（淺孔）：306085，8019742建議鉆孔6（淺孔）：306372，8020385

建議鉆孔7（淺孔）：306637，8020291

針對(duì)預(yù)測(cè)礦脈，作者進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)踏勘和槽探工作，預(yù)測(cè)礦脈YF3、YF4、YF9、YF10、YF11 YF12、YF13、YF14、YF15、YF17、YF18都發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦露頭。并在建議鉆孔6和建議鉆孔7都發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦脈，見礦深度約12m，厚度約25m。

圖5 Morritos鐵礦磁異常圖Fig.5 Reduction to pole map of Morritos Fe deposit

圖6 Morritos鐵礦剩余磁異常圖Fig.6 Residual anomaly map for Morritos Fe deposit

5 結(jié)論與建議

（1）解析延拓剩余磁異常是一種有效的磁異常高通濾波方法，提出的異常分辨率高，信噪比強(qiáng)。

（2）解析延拓剩余磁異常對(duì)深部的、區(qū)域性的磁異常進(jìn)行了壓制，有效地反映了近地表的磁異常特征，通過在Morritos鐵礦的應(yīng)用，這種方法有效地發(fā)現(xiàn)了十幾條隱伏的磁鐵礦脈，為秘魯Moquewa地區(qū)的Morritos鐵礦增加了可觀的儲(chǔ)量，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

利用解析延拓求取剩余磁異常還需要做更多的理論工作，如反演計(jì)算等。

［1］ 管志寧，郝天.21世紀(jì)重力和磁法勘探的展望［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2002，7（2）：237.

［2］ 梯其瑪希.函數(shù)論（中譯本）［M］.北京：科學(xué)出版社，1962.

［3］ 渡部隆一.復(fù)變函數(shù)（中譯本）［M］.北京：人民教育出版社，1980.

［4］ 譚承澤，郭紹雍.磁法勘探教程［M］.北京：地質(zhì)出版社，1984.

［5］ 曾華霖.重磁資料數(shù)據(jù)處理程序分析［M］.北京：地質(zhì)出版社，1985.

［6］ 朱文孝，屠萬生，劉天佑.重磁資料電算處理與解釋方法［M］.北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1989.

［7］ 安玉林，陳玉東，黃金明.重磁勘探正反演理論方法研究的新進(jìn)展［J］.地學(xué)前緣，2003，10（l）：141.

［8］ 梁錦文.位場(chǎng)小波分析的物理解釋［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2001，44（11）：865.

［9］ 申寧華，管志寧.磁法勘探問題［M］.北京：地質(zhì)出版社，1985.

［10］傅良魁.電法勘探教程［M］.北京：地質(zhì)出版社，1983

［11］MAURIZIO FEDIO，ANTONIO RAPOLLA.3Dinversion of gravity and magnetic data with depth resolution［J］.Geophysics，1999，64（2），452.

［12］FABIO CARATORI TONTINI，OSVALDO FAGGIONI.Nicolo Veverini，and Cosmo Carmisciano［J］.Geophysics，2003（68）：996.

［13］NABIGHIAN，M.N..Toward a three－dimension automatic interpretation of potential field date via generalized Hilbert transform：Fundamental relation［J］.Geophysics，1984（49）：780.

book=63,ebook=63

1001—1749（2012）03—0288—07

P 631.2

A

10.3969/j.issn.1001－1749.2012.03.09

李建華（1983－），男，陜西榆林人，博士，主要從事磁異常轉(zhuǎn)換及反演算法及應(yīng)用方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（40827002）

2011－11－22改回日期：2012－02－22