航磁梯度數(shù)據(jù)在磁性地質(zhì)體邊界判斷方面的研究

郭 華，賈偉潔，王 平，謝汝寬

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理及信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083

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航磁梯度數(shù)據(jù)在磁性地質(zhì)體邊界判斷方面的研究

郭 華1,2，賈偉潔2，王 平1,2，謝汝寬2

1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理及信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083 2.中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083

完全國產(chǎn)化的航磁全軸梯度勘查系統(tǒng)已開展了測量工作，并獲得了比較理想的梯度數(shù)據(jù)，但是如何利用梯度數(shù)據(jù)進行磁性地質(zhì)體邊界圈定還處于研究階段。筆者先給出了航磁全軸梯度測量原理;然后著重從利用梯度數(shù)據(jù)尤其是垂向梯度數(shù)據(jù)進行巖體邊界圈定等方面進行了討論研究，認為航磁梯度數(shù)據(jù)相比于總場數(shù)據(jù)在地質(zhì)體邊界判斷方面可提供更加豐富的地球物理信息;接著提出了梯度數(shù)據(jù)需要在判斷磁性地質(zhì)體邊界上進行化極處理，并根據(jù)垂向梯度數(shù)據(jù)零值線確定地質(zhì)體邊界的原則，圈定磁性地質(zhì)體的邊界位置。與實際地質(zhì)情況的對比表明，利用梯度數(shù)據(jù)圈定磁性地質(zhì)體邊界的應(yīng)用效果比利用總場數(shù)據(jù)的效果明顯。

航磁全軸梯度系統(tǒng)；梯度測量原理；巖性判斷；邊界圈定

0 引言

張昌達[1]提出航空磁測測量有四個階段：地球磁場的總磁場強度或模量測量、地球磁場的總磁場強度模量的空間變化率或梯度測量、地球磁場的三個分量測量以及地球磁場三個分量的空間變化率的測量。國外已經(jīng)開展了第四階段的航磁測量飛行工作[2]，而我國還主要處于第一階段的航磁測量工作，與世界先進水平相比，還有很大的差距。中國國土資源航空物探遙感中心(簡稱航遙中心，AGRS)研制的航磁全軸梯度勘查系統(tǒng)，獲得了較為理想的橫向梯度、縱向梯度和垂向梯度數(shù)據(jù)，其水平梯度噪聲小于5 pT/m、垂直梯度噪聲小于15 pT/m，達到了國外同類儀器的先進水平，使得我國航磁測量技術(shù)向前邁進一大步[3-4]。

航磁梯度異?？梢杂行p弱背景場的影響、突出淺部磁性體，因而能清楚地給出不同埋藏深度地磁體的差異，有效降低化極處理帶來的誤差及虛假異常的干擾，從而在圈定局部異常、火山構(gòu)造、劃分構(gòu)造邊界方面得到更有效的應(yīng)用。在沒有利用國內(nèi)研發(fā)的梯度勘查系統(tǒng)獲得實測梯度數(shù)據(jù)之前，一般的航磁測量獲得的都是航磁平面場值數(shù)據(jù)；在進行地質(zhì)解釋時，多數(shù)情況下會將平面場值轉(zhuǎn)換成梯度場值，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生誤差，影響地質(zhì)解釋效果。采用實測的梯度數(shù)據(jù)，可有效消除磁數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換誤差環(huán)節(jié)，使得磁測資料更加真實。

國內(nèi)有學(xué)者曾對國外生產(chǎn)的磁梯度儀所測資料進行解釋，取得了較好效果。王雋人等[5]利用引進于加拿大的航磁垂直梯度系統(tǒng)數(shù)據(jù)在冀東地區(qū)地質(zhì)填圖中進行了應(yīng)用，指出航磁垂直梯度測量是地質(zhì)填圖和礦產(chǎn)勘探的有效手段；管志寧等[6]利用引進于加拿大的垂直梯度系統(tǒng)數(shù)據(jù)在金礦地質(zhì)填圖和成礦預(yù)測中進行了應(yīng)用，總結(jié)了金礦床中航磁梯度異常的變化規(guī)律，取得了較好的地質(zhì)效果。以上兩篇文獻都僅應(yīng)用了垂向梯度進行解釋，缺少水平梯度數(shù)據(jù)。駱燕等[7]利用引進于加拿大的垂直、水平梯度系統(tǒng)數(shù)據(jù)在潮水地區(qū)進行了應(yīng)用，特別指出實測的垂向梯度比計算的垂向一階導(dǎo)數(shù)提供的信息更豐富；李曉祿等[8]利用引進于加拿大的垂直、水平梯度系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在砂巖型鈾礦勘查進行了應(yīng)用，認為航磁梯度數(shù)據(jù)可以識別微弱地磁變化，但直接應(yīng)用于砂巖型鈾礦尚處于探索階段，需進一步研究、驗證。

從梯度數(shù)據(jù)應(yīng)用與地質(zhì)構(gòu)造解釋的研究現(xiàn)狀可以看出，對于梯度數(shù)據(jù)的解釋還僅限于國外的航磁梯度勘查系統(tǒng)，借鑒利用國內(nèi)梯度數(shù)據(jù)進行解釋的文獻還不是很多。筆者就如何利用橫向梯度、縱向梯度和垂向梯度異常特點，在判斷巖性及圈定巖體邊界方面進行研究探討。

1 航磁全軸梯度測量原理

地球主磁場垂向梯度的變化范圍為0.015～0.030 nT/m，從赤道向兩極地區(qū)不斷增大；水平梯度的變化范圍為0.003 ～0.005 nT/m，從赤道向兩極不斷減弱。而局部地質(zhì)體或構(gòu)造產(chǎn)生的梯度異常則可達到10 nT/m的量級，因此,可以采用具有一定間距的磁力儀測量地磁場的差值來獲取磁異常梯度。航磁梯度測量分為水平梯度、垂直梯度和全軸梯度(三軸梯度)測量[9]。全軸梯度是指沿機翼方向的橫向梯度、沿機身方向的縱向梯度和垂向梯度。根據(jù)梯度的定義，空間點P(x,y,z)處磁場值T(x,y,z)的梯度為

式中：?T/?x為橫向梯度；?T/?y為縱向梯度；?T/?z為垂向梯度;i=cosIcosD;j=cosIsinD;k=sinI;I為地磁傾角;D為地磁偏角。為了測量磁場的梯度，實際采取如圖1所示的結(jié)構(gòu)進行航磁梯度測量[10]。飛機兩翼尖各安裝一個探頭，尾部豎直安裝兩個探頭，左、右及尾部下探頭在同一個水平面上。這樣，左、右、后上、后下四個探頭分別可測得TL、TR、TU、TD四個地磁場總強度，可通過四道磁力儀間地磁場總強度的差值近似計算梯度：

式中，Δx、Δy、Δz依次為磁探頭的橫向間距、縱向間距和垂向間距。

圖1 航磁全軸梯度測量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of three axis airborne magnetic gradiometer device

2 應(yīng)用實例

2.1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)為中國北部某地區(qū)，地質(zhì)概況如圖2所示。研究區(qū)較多區(qū)域由第四系覆蓋，局部地區(qū)見二疊系及侏羅系。第四系的成因類型為：草原砂土、沼澤堆積、坡積洪積、沖積湖積、風(fēng)成砂堆積。草原砂土多為黃褐色砂質(zhì)黏土及亞砂；沼澤堆積主要為砂礫及淤泥，厚度大于10 m；坡積洪積為礫石、巖石碎屑、泥砂質(zhì)等混合型堆積物，厚度大于10 m；沖積湖積為砂礫石、泥砂、淤泥等混合堆積，厚度大于100 m；風(fēng)成砂堆積為風(fēng)成沙丘，厚度不小于30 m。二疊系主要為達里諾爾組火山巖段：灰色、淡粉色、深灰綠色流紋巖，角斑巖，輝綠巖夾安山巖，硬砂巖，海棉骨針硅質(zhì)巖。侏羅系主要為道特諾爾組和布拉根哈達組：道特諾爾組的露頭零星，分布較廣泛，大致呈北東向產(chǎn)出，其巖性為一套以紫灰色、紅色、灰色氣孔狀、杏仁狀玄武巖夾橄欖玄武巖為主的基性火山巖，厚度大于930.2 m；布拉根哈達組為一套以灰白色、灰粉色、灰紫色凝灰?guī)r和流紋巖夾凝灰火山角礫巖為主的酸性火山巖，出露厚度大于2 149 m。研究區(qū)主要巖石物性參數(shù)見表1。

表1 研究區(qū)主要巖石物性參數(shù)

Table 1 Main petrophysical parameters in the study area

巖性感應(yīng)磁化率/(10-5SI)感應(yīng)磁化率平均值/(10-5SI)剩余磁化率/(10-5SI)剩余磁化率平均值/(10-5SI)玄武巖8～8164037680～188402512安山質(zhì)角礫巖628～62801256628～12561005

注：泥巖、砂巖、礫巖的感應(yīng)磁化率及剩余磁化率均為0。

2.2 利用實測梯度數(shù)據(jù)結(jié)合已知地質(zhì)資料推斷巖性

結(jié)合已知地質(zhì)填圖信息，利用梯度數(shù)據(jù)可以判斷引起磁總場異常的巖體巖性。梯度數(shù)據(jù)相比于總場數(shù)據(jù)在巖性判斷方面提供了更加豐富的地球物理信息。圖3為研究區(qū)的磁總場(ΔT)等值線，由圖3大致判斷，圖3中1區(qū)和2區(qū)存在由巖體引起的總場異常，而且應(yīng)為同一種巖性。在研究區(qū)采用南北測線方向的航磁梯度測量獲得了梯度數(shù)據(jù)。對圖3中的異常1區(qū)和2區(qū)的橫向、縱向和垂向梯度等值線進行分析(圖4，圖5)。筆者發(fā)現(xiàn)，各梯度等值線特征完全不一致。由圖4可知：異常1區(qū)橫向梯度表現(xiàn)為與測線水平正交方向上的正負相間異常，縱向梯度表現(xiàn)為沿測線方向上的正負相間異常，垂向梯度表現(xiàn)為與圖3中磁總場相似的異常特征。由圖5可知，異常2區(qū)橫向梯度表現(xiàn)為與測線水平正交方向上的正負異常條帶，縱向梯度表現(xiàn)為沿測線方向上的正負異常條帶，垂向梯度表現(xiàn)為沿著磁性體構(gòu)造走向的零值線或近似零值線區(qū)域的正負異常條帶[11]。

圖2 研究區(qū)區(qū)1∶20萬地質(zhì)概況圖Fig.2 1∶200 000 geological sketch in the study area

圖3 研究區(qū)1∶5萬ΔT等值線平面圖Fig.3 1∶50 000 ΔT contour diagram in the study area

圖4 ΔT磁異常1區(qū)1∶5萬橫向(a)、縱向(b)和垂向(c)等值線(單位：nT/m)Fig.4 1∶50 000 lateral (a), longitudinal (b) , and vertical (c) gradient contour diagram of ΔT magnetic anomaly in area 1 (unit: nT/m)

圖5 ΔT磁異常2區(qū)1∶5萬橫向(a)、縱向(b)和垂向(c)等值線(單位：nT/m)Fig.5 1∶50 000 lateral (a), longitudinal (b), and vertical (c) gradient contour diagram of ΔT magnetic anomaly in area 2 (unit: nT/m)

大部分中基性火山巖的磁性較強，且磁性變化不強烈，但是有些中基性火山巖(如安山巖、玄武巖)引起的磁場極不均勻，磁場和磁梯度幅值變化十分強烈，且垂向梯度數(shù)據(jù)有正負之分。根據(jù)研究區(qū)梯度數(shù)據(jù)的特點，由圖4和圖5可以初步判定該區(qū)磁異常主要是由磁性變化較強烈的中基性火山巖引起。通過實地踏勘和已知地質(zhì)資料進行佐證，有效地分辨出本研究區(qū)異常主要由玄武巖引起。

2.3 垂向梯度化極與總場化極巖體圈定效果對比

在以前的航磁梯度地質(zhì)解釋中，并沒有化極或化赤的概念，在進行巖體邊界圈定時，實測的垂向梯度數(shù)據(jù)往往被認為可以直接進行巖體的邊界圈定，而且認為圈定的巖體邊界比總場圈定得更加細致。但是，將利用實測垂向梯度數(shù)據(jù)圈定的巖體邊界與利用化極后總場及其轉(zhuǎn)換垂向梯度圈定的邊界進行對比后發(fā)現(xiàn)，利用實測垂向梯度數(shù)據(jù)圈定的巖體邊界往往向南偏移，利用化極后總場圈定的巖體邊界能夠大概反映出地質(zhì)體邊界的位置(圖6)。分析直接利用實測垂向梯度數(shù)據(jù)圈定巖體邊界結(jié)果南移的原因后得知，垂向梯度數(shù)據(jù)在垂直磁化時零值線才對應(yīng)于巖體的邊界，而在非垂直磁化時，零值線就會發(fā)生偏移。這與總場需要進行化極的概念一致，需要進行梯度數(shù)據(jù)的化極處理。因此，利用化極后的總場進行巖體邊界的圈定，達到了更加精細地控制巖體邊界的目的。

2.4 利用實測梯度數(shù)據(jù)判定玄武巖邊界

在地質(zhì)解釋方面，僅判斷出研究區(qū)巖性是不夠的，還需要對引起該區(qū)域異常的地質(zhì)體范圍進行圈定，為后期的地質(zhì)解釋工作奠定基礎(chǔ)。

在已知的資料中，20世紀(jì)60年代地礦部航空物探大隊曾對研究區(qū)進行了1∶20萬的航空磁測并編寫成果解釋報告*王秀清，解信友. 內(nèi)蒙古錫盟地區(qū)航空物探結(jié)果報告. 地礦部航空物探大隊,1961.。在此成果報告所記載的巖性構(gòu)造圖的推斷解釋中，有一處玄武巖引起的異常區(qū)位于本區(qū)內(nèi)(圖7藍色線區(qū)域)。此玄武巖在本區(qū)域呈面狀分布，黑色致密塊狀，磁性較強，磁場正負跳躍變化較為強烈。

a.巖體的圈定；b.化極處理后的垂向梯度數(shù)據(jù)；c.未做任何處理的的垂向梯度；d.總場化極。圖6 垂向梯度、垂向梯度化極、總場化極對比圖及巖體圈定圖Fig.6 Diagram of vertical gradient, vertical gradient reduce to pole, total field reduce to pole and rock mass delineation

利用航磁ΔT異常來推斷磁性地質(zhì)體或巖體的邊界已經(jīng)歷了幾十年[12-15]，但是ΔT異常反映的是深部和淺部異常信息的疊加，這樣在圈定巖體邊界的時候會受到深部或淺部異常信息的干擾，影響巖體邊界圈定的效果；梯度數(shù)據(jù)具有壓制深部異常信息、突出淺部異常信息的特點，因此利用垂向梯度數(shù)據(jù)進行巖體邊界圈定時會將所受到的磁干擾降到最小，提高淺部磁性地質(zhì)體邊界圈定的真實性，增強了梯度數(shù)據(jù)的應(yīng)用效果，也為梯度數(shù)據(jù)較好地應(yīng)用于地質(zhì)解釋奠定了基礎(chǔ)。研究區(qū)位于較高緯度地區(qū)，經(jīng)理論計算證明,實測航磁垂向梯度數(shù)據(jù)剖面線圖與垂直磁化時的數(shù)據(jù)有一定的變化。因此，筆者利用2012年采集到的高精度磁總場數(shù)據(jù)和磁梯度的橫向、縱向和垂向數(shù)據(jù)進行玄武巖體邊界的圈定，與20世紀(jì)60年代采集到的低精度航磁數(shù)據(jù)推斷的玄武巖體邊界效果進行對比分析。

研究區(qū)玄武巖磁性較強，橫向、縱向及垂向上的變化率也較大：橫向梯度數(shù)據(jù)變化范圍為0～175 pT/m，常見值為50 pT/m；縱向梯度數(shù)據(jù)變化范圍為0～200 pT/m，常見值為30 pT/m；垂向梯度數(shù)據(jù)變化范圍為0～325 pT/m，常見值為100 pT/m。梯度數(shù)據(jù)具有如下特點：橫向梯度和縱向梯度數(shù)據(jù)的最大值和最小值反映的是異常體的邊界位置，零值線對應(yīng)于異常體的中心位置；垂向梯度數(shù)據(jù)的零值線對應(yīng)的是異常體的邊界位置[4-5]。

圖7 1：20萬航磁ΔT異常等值線圖及玄武巖邊界(藍色線)Fig.7 1:200 000 aeromagnetic ΔT anomaly diagram and basalt boundary (blue line)

圖8 研究區(qū)垂向梯度等值線圖Fig.8 Vertical gradient contour diagram in the study area

圖8為研究區(qū)垂向梯度等值線圖，根據(jù)垂向梯度和其他梯度數(shù)據(jù)以及梯度化極數(shù)據(jù)，對研究區(qū)巖體邊界進行圈定，結(jié)果見圖9。對比圖7和圖9可知，圖9推斷的玄武巖異常區(qū)與圖6推斷的玄武巖異常區(qū)并不完全對應(yīng)。這是因為受20世紀(jì)60年代航磁定位儀器精度較低、比例尺較小等條件的限制，圖7中玄武巖邊界的劃定還不夠十分準(zhǔn)確；本文磁測量的定位儀器精度較高、比例尺較大，所獲得的梯度數(shù)據(jù)和總場數(shù)據(jù)突出了更多的細節(jié)，因而對于巖體邊界的圈定更加細致可靠。

圖9 研究區(qū)利用航磁ΔT垂向梯度異常圈定的玄武巖區(qū)Fig.9 Basalt map delineated using aeromagnetic ΔT vertical gradient anomalies in the study area

將最后圈定的玄武巖位置的總場等值線(圖3)與垂向梯度等值線(圖8)對比后發(fā)現(xiàn)，A區(qū)(圖9)在總場數(shù)據(jù)等值線圖上反映較平緩，在垂向梯度數(shù)據(jù)等值線圖上反映較微弱?？倛龇从车氖菧\部和深部信息的疊加，而梯度數(shù)據(jù)反映的是淺部信息；隨著埋藏深度0～800 m，縱向梯度數(shù)據(jù)從最大值為450 pT/m衰減到最小值為27 pT/m；垂向梯度數(shù)據(jù)剖面中的拐點(相當(dāng)于等值線圖中最密集點)之間的距離代表地下異常體埋藏深度。按照實際比例尺計算出A區(qū)內(nèi)的異常體反映的地質(zhì)體頂面深度為700～800 m，而所圈定的玄武巖區(qū)域內(nèi)的異常埋藏深度為0～400 m。因此：1)A區(qū)相對于所圈定的玄武巖區(qū)域就形成了一個坳陷，由充填物引起的異常也是存在的；2)在700 m的深度所引起的異常也可能不是玄武巖導(dǎo)致。基于以上兩點，沒有將A區(qū)圈定為玄武巖。

3 結(jié)論與建議

1)利用航磁全軸梯度勘查系統(tǒng)獲得的x,y,z三個方向的梯度數(shù)據(jù)，相比于單獨采集到的航磁數(shù)據(jù)獲得的異常信息確實豐富了很多。

2)通過首先利用總場數(shù)據(jù)判斷巖體區(qū)域后，再根據(jù)實測數(shù)據(jù)結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)資料來判斷巖體巖性，同時利用異常值最大化處理后的垂向梯度數(shù)據(jù)的零值線對應(yīng)地質(zhì)異常體的邊界位置的原則，進行巖體邊界的圈劃，充分體現(xiàn)了梯度數(shù)據(jù)在突出淺部異常、壓制深部異常上的作用。

3)通過分析垂向梯度化極數(shù)據(jù)與總場化極數(shù)據(jù)在地質(zhì)體邊界的對比，表明梯度數(shù)據(jù)在進行地質(zhì)解譯時確實比總場數(shù)據(jù)有其優(yōu)勢。

但是由于梯度數(shù)據(jù)壓制背景場的特點，在初步判斷異常是否為巖體引起時，除了看地質(zhì)資料外，還要對總場的數(shù)據(jù)進行分析比較，如在未采集總場數(shù)據(jù)的情況下也同樣可以由梯度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而成[7]，這樣綜合考慮總場數(shù)據(jù)和梯度數(shù)據(jù)共同進行巖性構(gòu)造填圖，可以大大提高航空物探的解釋精度。

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Using Airborne Magnetic Gradiometer Data to Determine Magnetic Rock Mass Boundary

Guo Hua1,2, Jia Weijie2, Wang Ping1,2, Xie Rukuan2

1.SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China
2.ChinaAeroGeophysicalSurvey&RemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China

Three Axis Airborne Magnetic Gradiometer with self-owned intellectual property rights was developped, and carried out gradient measurements of aeromagnetic survey in given area of North of China, which gain the ideal gradient data. However, how to apply the gradient data for geological interpretation is still in research stage. In this paper, how to use the gradient data in the lithology determining and rock mass boundary delineating are studied based on airborne three axis gradient measurement principle. Aeromagnetic gradient survey is divided into horizontal gradient, vertical gradient, and three axis gradient measurement. Data from hree axis gradient provides more abundant geophysical information in lithologic judgment. It shows that the effect of lithologhy judgment and rock mass boundary is reasonable using the gradient data Compared with the actual geological condition. Because of the characteristic of the gradient data in suppressing background field, not only the approximately buried depth of the rock mass can be estimated, and the boundary position of the rock mass can be accurately determined.

three axis airborne magnetic gradiometer; the principle of gradient survey; lithology determine;rock mass boundary delineate

10.13278/j.cnki.jjuese.201501301.

2014-07-06

國家“863”計劃項目(2013AA063901)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)大調(diào)查項目(12120113099000)

郭華(1981——)，男，工程師，主要從事航磁方法技術(shù)研究及資料解釋工作，E-mail:hyguohua@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501301

P631.2

A

郭華，賈偉潔，王平，等. 航磁梯度數(shù)據(jù)在磁性地質(zhì)體邊界判斷方面的研究.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(1):273-281.

Guo Hua, Jia Weijie, Wang Ping, et al. Using Airborne Magnetic Gradiometer Data to Determine Magnetic Rock Mass Boundary.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):273-281.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501301.