高精度重磁技術(shù)在礦山采區(qū)探測中的應(yīng)用

薛玲香

（中石化石油工程地球物理有限公司地理地質(zhì)信息勘查分公司，湖北 武漢 430223）

通過重磁異常對目標(biāo)體邊界進(jìn)行探測是地質(zhì)物探技術(shù)解釋的一項(xiàng)極其重要的研究工作。伴隨重磁數(shù)據(jù)相關(guān)理論的逐漸深入，怎樣借助力場資料在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)的推測出目標(biāo)區(qū)域的邊界、深度等地球地質(zhì)信息已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界的普遍重視[1]。精準(zhǔn)的定位目標(biāo)地質(zhì)體的邊界對區(qū)分大地構(gòu)造結(jié)構(gòu)、進(jìn)行地質(zhì)分區(qū)、明確斷裂地帶的具體位置、劃分不同巖體和地層的分布以及進(jìn)行地質(zhì)繪圖等問題均有著重要意義。

最近幾年，重磁邊界探測技術(shù)已經(jīng)獲得了迅速的發(fā)展，得到諸多研究成果，比如Tilt梯度、the tamap、標(biāo)準(zhǔn)差方差等。這些方法的主要研究基礎(chǔ)都是借助重磁異常在目標(biāo)體邊界位置產(chǎn)生比較大的梯度變動，利用增強(qiáng)磁場異常信息來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)體邊界識別的目的。大量研究結(jié)果表明：幾乎大部分的邊界識別方法均基于重磁導(dǎo)數(shù)、高階導(dǎo)數(shù)對邊界進(jìn)行高精度識別。因而，現(xiàn)行的邊界識別方法均有其相似之處，其識別的精度都伴隨磁場導(dǎo)數(shù)階次的提升而逐漸提高，因此高階導(dǎo)數(shù)會在一定程度上放大高頻磁場的干擾。重磁邊界識別方法的主要區(qū)別就在于使用的導(dǎo)數(shù)階次主要是以標(biāo)準(zhǔn)化方差為主，目前并沒有哪一種邊界識別方法能夠完全實(shí)現(xiàn)重磁邊界的高精度探測，特別是針對那些地下埋藏深度比較大的勘探目標(biāo)，探測誤差會隨著地下深度的增大而增加。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，為了實(shí)現(xiàn)地下地質(zhì)體的精細(xì)化探測，必須有機(jī)結(jié)合其他方法。重磁數(shù)據(jù)的空間重疊和轉(zhuǎn)變是地質(zhì)物探研究工作的關(guān)鍵組成部分。重磁數(shù)據(jù)在使用上具備非常廣闊的市場，在礦產(chǎn)資源的探測和研發(fā)、自然災(zāi)害的監(jiān)管和保護(hù)以及地質(zhì)構(gòu)造的查探等方面的研究中具備極其重要的作用。隨著重力場和磁場觀測技術(shù)的先進(jìn)與發(fā)展，地表、航空和海洋重磁觀測數(shù)據(jù)為地質(zhì)學(xué)者提供了大量的研究資料，且基于這些資料獲得了較為可觀的研究成果。

1 基于高精度重磁技術(shù)的礦山采區(qū)探測

（1）磁異常計(jì)算。當(dāng)磁化強(qiáng)度的方向和板塊的兩側(cè)平行時(shí)，即為順位磁化。這個(gè)板塊的兩側(cè)不會出現(xiàn)大規(guī)模的磁荷，只會在板塊的上方和下方出現(xiàn)較大規(guī)模的磁荷。因?yàn)榱Φ臒o限延展，下方正磁極在地面產(chǎn)生的磁力就會被忽略，因而無限延展順位磁化薄板就相當(dāng)于是一條單極線。又因?yàn)榘鍫铙w主要是沿著水平方向無限延展的，所以，導(dǎo)致單極線的長度也是無限的。這在一定意義上可以認(rèn)為無限長單極線具體是由無數(shù)個(gè)點(diǎn)位（無限延展順位磁化柱體）沿著一條直線垂直排列的負(fù)極磁極線，其磁場大小是所有負(fù)極磁場的總和。

假設(shè)薄板上方中心在地表的投影為坐標(biāo)軸的原點(diǎn)o，x軸和y軸分別代表平行和垂直于薄板的各自走向，z軸代表垂直向下方向。假如上方磁荷面的密度為σm，那么薄板的水平寬度就是2b，上方深度為h，則h＞2b。如此一來，薄板在x軸上任意一點(diǎn)P產(chǎn)生的實(shí)際Za磁場為：

因?yàn)轫樜淮呕陌l(fā)生，有效磁化傾角i和薄板的傾斜角α大小相同，因而磁荷面的是密度遵循上式的同時(shí)可以寫為：

通過公式（1）和（2）可知，單極線Za異常主要是呈對稱分布，不管是從磁場表達(dá)式還是從去地下的異常形態(tài)來看，薄板的Za磁場和水平圓柱體之間產(chǎn)生的地球重力異常相似。當(dāng)x=0時(shí)，Za取最大值，

除此之外，還能夠得到曲線半極值點(diǎn)實(shí)際寬度和深度h之間的等式關(guān)系，如下所示：

當(dāng)薄板出現(xiàn)有限延展且順位磁化時(shí)，其產(chǎn)生的磁場可以視作雙極線的磁場。同時(shí)，薄板下方產(chǎn)生的正極磁極在地表也會產(chǎn)生相對應(yīng)的磁場，其總磁場相當(dāng)于將周圍的雙極沿一條直線組織起來，組成一條雙極線。因而，雙極線的磁場就相當(dāng)于上、下兩個(gè)方向的極線磁場的相加。

假設(shè)薄板下延展長度為2l，傾斜角度設(shè)為α，取薄板的截點(diǎn)中心在地表投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)o，中心深度設(shè)為h0，根據(jù)雙極磁場的力學(xué)方法，能夠獲取到順位磁化有限延展薄板（即雙極線）的磁場大小，即：

通過公式（4）可以得知，雙極線的磁場大小與極值點(diǎn)實(shí)際寬度和深度h之間存在正相關(guān)關(guān)系，這在一定意義上可以有效推測出磁場異常方向和具體某點(diǎn)的磁力。

（2）磁異常信息提取與增強(qiáng)。利用對磁異常的處理與轉(zhuǎn)換，可以讓實(shí)際地質(zhì)體的磁異常滿足一般理論所要求的實(shí)踐條件，比如磁性表體主要有幾何形體、磁性表體均勻化、探測面水平和垂直、剩磁和感磁的極化方向相同(即不考慮剩磁的影響)等?；诖?，需要將實(shí)際探測到的復(fù)雜磁化異常處理成簡單異常，將磁化疊加異常處理為單個(gè)異常。利用磁異常的轉(zhuǎn)變，能夠使磁異常滿足各項(xiàng)解釋方法的具體要求。伴隨推斷要求的逐漸提高，推斷的方法也在逐漸發(fā)展，這就要求磁化資料需要從多個(gè)方面為研究提供相關(guān)信息，從而滿足探測方法對目標(biāo)體精確值的要求。然而我們的實(shí)際探測資料常常是單分量的，這就要求對實(shí)際測得的資料進(jìn)行轉(zhuǎn)變。按照磁異常的相關(guān)推斷要求，就必須對磁異常進(jìn)行處理，從而獲取到有用異常，去除或壓制所謂的“噪聲”。首先利用濾波法獲得周圍地質(zhì)磁力場，并從磁力弱極異常中削減區(qū)域磁場，獲得剩余磁力異常信息，以實(shí)現(xiàn)壓制地下深部磁性表體影響的目的；在對一系列已知研究成果的對比分析基礎(chǔ)上，利用磁場深度分離分別對磁力異常信息進(jìn)行關(guān)鍵提取，并獲得相關(guān)解析信號，最終得到具體的反映目標(biāo)礦區(qū)的磁力異常信息。通過對弱化磁力異常信息進(jìn)行向上延伸和向下延展的一系列處理，獲取到剩余磁場的異常，并借助實(shí)際探測資料進(jìn)行對比，了解到不同深度下因深度磁性表體而引發(fā)的磁異常特征。另一方面，利用頻譜分離獲取具體反映目標(biāo)礦區(qū)的磁異常信息。該方法能夠有效避開地磁傾斜角的影響，為確定或估計(jì)地質(zhì)體邊界提供較為精準(zhǔn)的根據(jù)。

（3）根據(jù)重磁異常推斷礦區(qū)邊界。礦區(qū)的確定和超基性巖體相關(guān)，必須按照重磁異常對巖體邊界進(jìn)行推測，進(jìn)而確定礦山采區(qū)。借助重磁異常推斷巖體邊界的方法主要有垂直一階方向?qū)?shù)、濾波邊緣識別，一般會使用總水平導(dǎo)數(shù)Hdr(total hori-zontal derivative），也叫做垂直總梯度總模，最早是由奧地利學(xué)者Cordell在1980年提出)。總垂直導(dǎo)數(shù)的計(jì)算公式見下：

公式（5）中，代表某一垂直面上的總數(shù)據(jù)?？偞怪睂?dǎo)數(shù)是借助其最大值的實(shí)際位置來確定目標(biāo)礦區(qū)的邊界，適合用于重力異常，對磁力異常比較敏感的區(qū)域，這當(dāng)中需要注意，在轉(zhuǎn)換過程中必須轉(zhuǎn)變?yōu)榇胖亓Ξ惓；蛉趸帕Ξ惓２拍軌驊?yīng)用。然而總垂直平導(dǎo)數(shù)也會伴隨地質(zhì)體的深度而增大，其最大值的位置相應(yīng)地也會偏向地質(zhì)體外的距離。邊緣識別中也會應(yīng)用信號解析，俗稱傾斜角法（Tilt/Tilt-angle），Tdr表示稱為斜導(dǎo)數(shù)(tiltderivative))。Tdr的計(jì)算公式為：

上面公式中的Vdr、Hdr分別表示異常的水平導(dǎo)數(shù)和總垂直導(dǎo)數(shù)。對于立體三維情況，Tdr實(shí)際上表示水平向?qū)?shù)和總垂直導(dǎo)數(shù)之間的比。因?yàn)門dr代表一階導(dǎo)數(shù)的具體比值，因而能夠較好地平衡地質(zhì)信息探測中出現(xiàn)的高/低幅值異常，起到邊緣增強(qiáng)的效果，進(jìn)而提高礦山采區(qū)探測的精確性。

2 仿真實(shí)驗(yàn)論證與分析

為保證本文設(shè)計(jì)的基于高精度重磁技術(shù)的礦山采區(qū)探測方法的有效性，特與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)論證分析。

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。由于解剖線距120m，點(diǎn)距30m，且探測區(qū)內(nèi)的地形比較復(fù)雜，相對高度差比較大，我們利用1臺南方RTK測量設(shè)備對探測網(wǎng)進(jìn)行架設(shè)。因?yàn)闇y區(qū)內(nèi)不存在控制點(diǎn)成果，我們需要在已有控制點(diǎn)上假設(shè)相對坐標(biāo)軸，對測區(qū)內(nèi)的磁測剖面圖和坑道位置進(jìn)行了架設(shè)和探測。測網(wǎng)布的測線方向盡可能與地面垂直并順應(yīng)地質(zhì)構(gòu)造的總體走向，測網(wǎng)呈正方形，線距120米，點(diǎn)距30米，角度為東北向45°。

本次礦山采區(qū)高精度磁測工作使用了5臺ENVI型磁力儀（編號分別為：1、2、3、4、5）。本次地面高精度磁測工作于2019年10月1日對儀器性能進(jìn)行校驗(yàn)，包括磁力儀噪音水平的檢測、探頭精確性測定、主機(jī)相符性測定以及磁力儀的一系列測定，以本文方法和傳統(tǒng)方法對礦山采區(qū)進(jìn)行探測，對礦山采區(qū)的精確性進(jìn)行比較。

（2）結(jié)果分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法在礦山采區(qū)探測中，與傳統(tǒng)方法相比，其探測精度有較大提高，具有較強(qiáng)的有效性和實(shí)用性。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比圖

3 結(jié)束語

本文對高精度重磁技術(shù)在礦山采區(qū)探測中的應(yīng)用進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，依托重磁技術(shù)的優(yōu)勢，收集并提取磁場各極的異常信息，實(shí)現(xiàn)礦山采區(qū)探測的精確化。實(shí)驗(yàn)論證結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的基于云計(jì)算的聚類算法具備極高的有效性，希望本文的研究能夠?yàn)槲覈呔戎卮偶夹g(shù)在礦山采區(qū)探測中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。