邊界識(shí)別技術(shù)在內(nèi)蒙金巴山銅礦區(qū)斷裂劃分中的應(yīng)用

虎新軍， 李寧生， 陳濤濤， 安百州， 陳曉晶， 顧 江， 張 媛

(寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學(xué)勘查院，銀川 750001)

0 引言

北山成礦帶中段，大地構(gòu)造位置處于西伯利亞、哈薩克斯坦和塔里木三大板塊交接地帶，該區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造變動(dòng)和巖漿活動(dòng)，具有較優(yōu)越的成礦地質(zhì)構(gòu)造條件，已發(fā)現(xiàn)許多重要的黑色、有色、稀有、貴金屬及非金屬礦產(chǎn)地[1-3]。內(nèi)蒙金巴山銅礦區(qū)位于北山成礦帶中西部，金巴山褶皺帶中部。前人研究成果表明：構(gòu)造和巖漿巖活動(dòng)的雙重作用是該銅礦的形成與空間分布主要控制因素[4]，尤其是受金巴山東西向擠壓帶的控制，礦體主要賦存于兩條逆斷層破碎帶內(nèi)，為該區(qū)主要控礦構(gòu)造[5]。因此，準(zhǔn)確劃定礦區(qū)斷裂位置，尤其是次級(jí)斷裂，并分析斷裂展布特征及其性質(zhì)，成為該區(qū)找礦突破的重要方向之一。

近年來，隨著數(shù)據(jù)處理解譯技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，利用重磁邊界識(shí)別技術(shù)劃定斷裂構(gòu)造、區(qū)分不同巖性界線等在位場理論中已起到越來越重要的作用。Thompson[5]基于歐拉方程改進(jìn)的邊界識(shí)別方法推動(dòng)了多源場物體邊界問題向前發(fā)展；Hugh等[7]首次將斜導(dǎo)數(shù)的定義具體化，并指出斜導(dǎo)數(shù)相對(duì)于水平導(dǎo)數(shù)、垂向二階導(dǎo)數(shù)和分析信號(hào)，能更好地探測出不同埋深的多個(gè)場源物體的邊界；王想等[8]探討了斜導(dǎo)數(shù)和水平導(dǎo)數(shù)的原理與性質(zhì)，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性；劉金蘭等[9]討論了斜導(dǎo)數(shù)法、斜導(dǎo)數(shù)水平梯度法和θ圖法三種新技術(shù)的識(shí)別效果，認(rèn)為其優(yōu)于傳統(tǒng)水平梯度法，能獲得更豐富的地質(zhì)信息；劉銀萍等[10]詳細(xì)討論了斜導(dǎo)數(shù)法、斜導(dǎo)數(shù)的水平導(dǎo)數(shù)法、總梯度法及總體度的規(guī)則化方法在重磁數(shù)據(jù)邊界識(shí)別中的探測效果及優(yōu)缺點(diǎn)。筆者在正演模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分析了垂向二階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模、水平方向?qū)?shù)四種邊界識(shí)別方法對(duì)小規(guī)模斷裂識(shí)別的有效性，并結(jié)合分析結(jié)果對(duì)礦區(qū)1:10 000高精度磁測資料進(jìn)行處理，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，綜合劃定斷裂構(gòu)造體系，為礦區(qū)找礦突破奠定了基礎(chǔ)。

1 幾種邊界識(shí)別技術(shù)的方法原理

1.1 垂向二階導(dǎo)數(shù)

垂向二階導(dǎo)數(shù)常用的換算公式有多種，此次選擇埃勒金斯第Ⅱ公式進(jìn)行處理，其計(jì)算表達(dá)式為式(1)。

(1)

垂向二階導(dǎo)數(shù)是利用零值線的位置來判斷和確定異常體的邊界位置[11，14]。

1.2 水平總梯度模

水平總梯度模又稱總水平導(dǎo)數(shù)，其計(jì)算公式為式(2)[12-13]。

(2)

總水平導(dǎo)數(shù)是利用其極大值位置來確定地質(zhì)體的邊緣位置[15]。

1.3 水平方向?qū)?shù)

在磁異常轉(zhuǎn)換處理中常計(jì)算特定方向水平一階導(dǎo)數(shù)，以此突出與其正交方向的異常特征，其計(jì)算公式為式(3)：

(3)

式中：α為垂直于斷裂構(gòu)造走向的方向。水平方向?qū)?shù)是根據(jù)極值的位置來確定斷裂及地質(zhì)體的邊界。

1.4 斜導(dǎo)數(shù)

斜導(dǎo)數(shù)[11]又稱傾斜角(Tilt-angle),其計(jì)算公式為式(4)[12-13]。

(4)

斜導(dǎo)數(shù)是垂向?qū)?shù)和總水平導(dǎo)數(shù)的比值，其能很好地平衡高幅值異常和低幅值異常，起到邊緣增強(qiáng)的效果。當(dāng)斜導(dǎo)數(shù)為零值的時(shí)候，就能夠識(shí)別出構(gòu)造體的邊界[10]。

2 模型正演試驗(yàn)

為了從理論上驗(yàn)證四種邊界識(shí)別方法對(duì)局部異常之間小規(guī)模斷裂的識(shí)別的有效性，以礦區(qū)磁異常特征為依據(jù)，設(shè)計(jì)了由3個(gè)傾斜長方體組成的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行正演模擬。

磁性體Ⅰ與磁性體Ⅱ，平面展布面積一致，縱向延伸長度磁性體II大于磁性體Ⅰ，且賦予磁性體Ⅱ的磁化強(qiáng)度為15 000×10-3A/m，大于磁性體Ⅰ；磁性體Ⅲ平面展布面積為磁性體Ⅰ、Ⅱ面積之和，而賦予磁性體Ⅲ的磁化強(qiáng)度為7 000×10-3A/m，遠(yuǎn)小于磁性體Ⅰ、Ⅱ(圖1(a))。根據(jù)模型正演的化極后磁場強(qiáng)度顯示，局部磁異常與磁性體的對(duì)應(yīng)關(guān)系清楚，磁性體Ⅰ對(duì)應(yīng)的局部磁異常呈明顯的孤立橢圓狀，且異常幅值不高；磁性體Ⅱ?qū)?yīng)的局部磁異常展布形態(tài)與磁性體Ⅰ對(duì)應(yīng)的局部磁異常相似；磁性體Ⅲ對(duì)應(yīng)的局部磁異常呈條帶狀展布，其幅值接近于磁性體Ⅱ?qū)?yīng)的局部磁異常，二者之間的分割關(guān)系不甚清楚(圖1(b))，需要通過邊界識(shí)別方法明確各異常之間分界。

圖1 正演模型及其磁場強(qiáng)度圖Fig.1 Forward modeling and magnetic field intensity map(a)正演模型；(b)磁場強(qiáng)度(化極后)

圖2 正演模型邊界探測效果對(duì)比圖Fig.2 Forward model boundary detection comparison chart(a)垂向二階導(dǎo)數(shù)；(b)水平總梯度模；(c)水平方向?qū)?shù)；(d)斜導(dǎo)數(shù)

運(yùn)用四種邊界探測方法處理化極后的磁異常場，效果對(duì)比顯示：磁性體Ⅰ、磁性體Ⅱ與磁性體III之間的分界線，四種方法均有所識(shí)別，但效果不一。垂向二階導(dǎo)數(shù)(圖2(a))顯示為一平緩的負(fù)值條帶，與南北兩側(cè)的正值區(qū)有兩條零值線，與真實(shí)的磁性體邊界比較統(tǒng)一；水平總梯度模(圖2(b))對(duì)此界線的反映模糊，無明顯線性特征；水平方向?qū)?shù)(圖2(c))有較明顯的極值反映，但線性特征不明顯；斜導(dǎo)數(shù)(圖2(d))對(duì)此界線的分辨定位能力與垂向二階導(dǎo)數(shù)類似，更為突出的是其反映出的線性特征基本不受磁性體的規(guī)模、磁化強(qiáng)度的差異所影響，對(duì)規(guī)模、磁化強(qiáng)度相近的兩個(gè)磁性體Ⅰ與磁性體Ⅱ之間的界線，斜導(dǎo)數(shù)也能夠較好識(shí)別。由圖2可以看出，相比較，斜導(dǎo)數(shù)對(duì)于局部磁異常之間小規(guī)模斷裂識(shí)別的有效性更強(qiáng)，效果更明顯。

3 礦區(qū)地質(zhì)地球物理特征

3.1 礦區(qū)地質(zhì)斷裂特征

礦區(qū)斷裂構(gòu)造是本區(qū)最主要的構(gòu)造形跡。以近東西向、北西向?yàn)橹?，少量北東向。近東西向和北西向斷裂構(gòu)造具區(qū)域性、規(guī)模大、多期次、長期活動(dòng)的特征，活動(dòng)期主要為加里東-華力西期。該組斷裂多為逆斷層。北東向斷裂屬次級(jí)構(gòu)造，規(guī)模小，主要形成于華力西中晚期，多為平移斷層或正斷層。區(qū)域性大斷裂F9穿過礦區(qū)。斷裂走向280°～300°，傾向10°～30°，逆斷層。長度為51 km，寬度為50 m～60 m。斷層?xùn)|端被后期北西向斷裂截?cái)?。發(fā)育破碎帶，兩側(cè)巖性不一，界線平直，形式時(shí)代為奧陶紀(jì)，是一個(gè)多期活動(dòng)的斷裂，控制了礦區(qū)的后期巖漿侵入活動(dòng)[17]。

圖3 礦區(qū)磁異常特征圖Fig.3 Mine magnetic anomaly map(a)△T平面等直線圖;(b)△T化極平面等直線圖

圖4 礦區(qū)4種邊界識(shí)別技術(shù)斷裂解譯成果圖Fig.4 The results of four boundary detection methods in Mining are(a)垂向二階導(dǎo)數(shù)；(b)水平總梯度模；(c)45°水平方向?qū)?shù)；(d)斜導(dǎo)數(shù)

3.2 礦區(qū)磁異常特征

礦區(qū)磁異常以正值為主，整體呈北西向條帶狀展布，中部高南北低的總體趨勢，受區(qū)域北西向斷裂控制，在中部以北西向300°方向展布一條帶狀高磁異常，該帶北部出現(xiàn)明顯的伴生負(fù)磁異常帶；沿該高磁異常帶向東北及南西出現(xiàn)大面積的低緩磁異常，局部地段出現(xiàn)面積較小的孤立高磁異常；西南角出現(xiàn)大面積的負(fù)磁場區(qū)(圖3(a))。經(jīng)過化磁極處理后，異常整體趨勢未發(fā)生明顯變化，只是異常幅值增大，整體北移，中部高磁異常帶更加明顯，該異常帶南部較為低緩的異常區(qū)不再連續(xù)，分為東西兩個(gè)獨(dú)立的弱磁異常區(qū)；整體上弱磁異常區(qū)面積減少，負(fù)值區(qū)有所增加(圖3(b))。

4 邊界識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

4.1 斷裂推斷方法應(yīng)用效果

以礦區(qū)化極后的磁異常為基礎(chǔ)，運(yùn)用四種邊界識(shí)別技術(shù)對(duì)礦區(qū)斷裂進(jìn)行解譯，對(duì)比識(shí)別成果發(fā)現(xiàn)：利用垂向二階導(dǎo)數(shù)共解譯斷裂19條，其中新發(fā)現(xiàn)斷裂10條。整體上斷裂形跡較清晰，均為高低磁異常條帶的分界，以北西向斷裂為主。與地質(zhì)實(shí)測斷裂相比較，5條斷裂與F1、F2、F3、F6、F7斷裂基本吻合，中部的2條斷裂較F4、F5斷裂北東向偏移約90 m，南部的1條近東西向斷裂與F9斷裂的東段吻合，對(duì)F8斷裂沒有較好地識(shí)別(圖4(a))；運(yùn)用水平總梯度模共解譯斷裂14條，其中新發(fā)現(xiàn)斷裂7條，斷裂多為中部的高磁異常帶邊界斷裂，呈明顯線性展布特征，但對(duì)磁異常帶內(nèi)部的小規(guī)模斷裂顯示模糊，難以定位。與地質(zhì)實(shí)測斷裂相比較，5條斷裂與F1、F2、F3、F6、F7斷裂位置一致，中部磁異常帶北界斷裂與F4斷裂相比較偏移北東向約53 m，F(xiàn)8、F9兩條斷裂則沒有較清晰的顯示(圖4(b))；利用45°水平方向?qū)?shù)共解譯斷裂24條，其中新發(fā)現(xiàn)斷裂18條。整體上解譯的北西向斷裂形跡清楚，展布于高磁異常區(qū)內(nèi)部，北東走向的次級(jí)小規(guī)模斷裂形跡較雜亂。與地質(zhì)實(shí)測斷裂相比較，6條斷裂與F1、F2、F3、F5、F7斷裂吻合度較高，與F4斷裂對(duì)應(yīng)的中部磁異常帶北界斷裂行跡清晰，整體位置偏向北東向約55 m，F(xiàn)6、F8、F9三條斷裂行跡模糊，無法劃定(圖4(c))；與上述三種常規(guī)導(dǎo)數(shù)類的邊界識(shí)別技術(shù)相比較，運(yùn)用斜導(dǎo)數(shù)解譯礦區(qū)斷裂的效果更加明顯，優(yōu)勢更為突出，體現(xiàn)在三個(gè)主要方面：①解譯斷裂數(shù)量更多，共解譯確認(rèn)斷裂56條，其中新發(fā)現(xiàn)斷裂47條；②識(shí)別斷裂行跡更清晰，不僅針對(duì)礦區(qū)內(nèi)發(fā)育規(guī)模較大的北西向斷裂位置具有清楚的顯示能力，而且對(duì)磁異常帶內(nèi)部北東向延伸的小規(guī)模斷裂以及礦區(qū)南部近東西向展布的斷裂同樣具備良好的識(shí)別、定位能力，更為重要的是斜導(dǎo)數(shù)清晰地反映出了三組走向不同斷裂的相互交切關(guān)系與發(fā)育特征，即北西向與近東西向斷裂為主要斷裂，具區(qū)域性、規(guī)模大、具多期次長期活動(dòng)的特征，北東向斷裂屬次級(jí)構(gòu)造，規(guī)模小，形成時(shí)期晚于北西向與近東西向斷裂，多為平移斷層或正斷層；③劃定斷裂位置更精確，對(duì)比發(fā)現(xiàn)地質(zhì)實(shí)測的9條斷裂均能被斜導(dǎo)數(shù)所識(shí)別，而且F1、F2、F4、F7四條斷裂的位置與推斷斷裂高度吻合，F(xiàn)6斷裂位置更為篤定，為中部磁異常帶的南側(cè)邊界，F(xiàn)8、F9斷裂位置顯示清楚，其中F8斷裂為控制礦區(qū)西南部北西向展布的磁異常的邊界斷裂，F(xiàn)9斷裂為區(qū)域性大規(guī)模斷裂，對(duì)本區(qū)磁異常具有明顯的分區(qū)特征，斷裂以南異常呈東西向片狀展布，斷裂以北異常呈北西向長條狀展布(圖4(d))。

圖5 礦區(qū)斷裂劃定成果圖Fig.5 Mining area delineation results map

4.2 推斷斷裂展布特征

以斜導(dǎo)數(shù)解釋結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合其他三種方法對(duì)礦區(qū)斷裂進(jìn)行綜合解譯、編號(hào)，編制了斷裂分布成果圖(圖5)。礦區(qū)共確定NW向、EW向和NE向斷裂共42條。

1)北西向斷裂。區(qū)域上為北山復(fù)雜構(gòu)造帶的次級(jí)同系列附屬斷裂，形成于加里東晚期，與區(qū)域性巖漿侵入活動(dòng)時(shí)期對(duì)應(yīng)，其構(gòu)造形跡與區(qū)域構(gòu)造線一致。受到區(qū)域性地質(zhì)應(yīng)力由南向北的推覆作用，此系列斷裂形跡均發(fā)生了明顯地改變，朝北東向呈弧形突出，且在北東向剪切應(yīng)力的作用下，斷裂被錯(cuò)斷為數(shù)段。斷裂性質(zhì)以壓扭性逆斷層為主，整體上形成逆沖斷裂系，逆沖前緣位于斷裂FⅠ-1處，越靠近FⅠ-1斷裂的區(qū)域，次一級(jí)的北西向小規(guī)模越發(fā)育。

2)近東西向斷裂。近東西向斷裂區(qū)域上亦為北山復(fù)雜構(gòu)造帶的次級(jí)同系列附屬斷裂，其構(gòu)造形跡與區(qū)域構(gòu)造線一致。斷裂被北東向斷裂明顯錯(cuò)斷為數(shù)段，性質(zhì)以逆斷層為主。該系列斷裂的典型代表為FⅢ-25、FⅢ-26，分別對(duì)應(yīng)于地質(zhì)實(shí)測的斷裂F8與F9對(duì)應(yīng)，均出露于礦區(qū)中南部，東西向橫穿整個(gè)礦區(qū)。

3)北東向斷裂。北東向斷裂屬局部次級(jí)構(gòu)造，其構(gòu)造形跡大多橫切區(qū)域構(gòu)造線，為南北向擠壓應(yīng)力與北西向剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。此組斷裂規(guī)模較小，多為平移斷層或正斷層。

4.3 推斷斷裂的驗(yàn)證

此次完成激電測深剖面3條(圖5)，均為NE向布設(shè)，基本橫跨礦區(qū)主要斷裂。縱觀四條剖面，均整體呈現(xiàn)中阻、局部夾持高阻塊體與低阻條帶的展布特征，其中的低阻條帶為斷裂的電性反映。

L1剖面共解釋5條斷裂，依次與平面解譯的FⅡ-2、FⅢ-20、FⅢ-25、FⅢ-21及FⅢ-28五條斷裂吻合，斷裂表現(xiàn)出上陡下緩的逆斷層特征。位于剖面中部的鉆孔ZK2017-2中所見蝕變破碎跡象明顯，從側(cè)面證實(shí)了FⅢ-20斷裂的存在(圖6(a))；L2剖面共解釋5條斷裂，其中4條依次與平面解譯的FⅠ-1、FⅢ-9、FⅢ-10及FⅡ-2斷裂吻合，為切割深度較大，產(chǎn)狀較陡，南、北傾產(chǎn)狀共存的逆斷層(圖6(b))；L3剖面位于礦區(qū)西部，為相對(duì)規(guī)模較小區(qū)域，解釋6條斷裂中的4條分別與FⅢ-11、FⅡ-2、FⅢ-17和FⅢ-21對(duì)應(yīng)，斷裂切割深度較淺，產(chǎn)狀較緩，南、北傾產(chǎn)狀兼有(圖6(c))。

5 結(jié)論

1)與傳統(tǒng)的垂向二階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模、水平方向?qū)?shù)三種邊界識(shí)別技術(shù)相比較，斜導(dǎo)數(shù)作為一種高階導(dǎo)數(shù)，從原理上對(duì)局部磁異常之間小規(guī)模斷裂探具有突出的分辨定位能力。運(yùn)用斜導(dǎo)數(shù)對(duì)內(nèi)蒙金巴山礦區(qū)斷裂的效果更加明顯，體現(xiàn)在解譯斷裂數(shù)量更多、識(shí)別斷裂行跡更清晰、劃定斷裂位置更精確，整體技術(shù)優(yōu)勢更為突出。

2)以斜導(dǎo)數(shù)為主，綜合應(yīng)用4種邊界識(shí)別方法，在礦區(qū)共劃定NW向、EW向和NE向斷裂共42條，其中9條斷裂已經(jīng)被地質(zhì)證實(shí)，包括區(qū)域性斷裂1條。通過激電測深剖面的解釋，從側(cè)面印證了邊界識(shí)別技術(shù)推斷斷裂的可靠性。

3)區(qū)域上，礦區(qū)中北部以北西向?yàn)橹?，南部則主要展布近東西向斷裂，均為北山復(fù)雜構(gòu)造帶區(qū)域性大斷裂F9的次級(jí)同系列附屬斷裂，性質(zhì)以壓扭性逆斷層為主，整體上形成逆沖斷裂系，形成于加里東晚期。在北東向剪切應(yīng)力的作用下，北東向局部次級(jí)平移斷層后期發(fā)育，將北西向主斷裂錯(cuò)斷為數(shù)段，三組斷裂相互交切，共同構(gòu)成了礦區(qū)復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)。

圖6 激電測深剖面解釋斷裂圖Fig.6 The explaining fracture diagram of IP sounding section(a)L1剖面；(b)L2剖面；(c)L3剖面