边界识别技术在内蒙金巴山铜矿区断裂划分中的应用

虎新军， 李宁生， 陈涛涛， 安百州， 陈晓晶， 顾 江， 张 媛

(宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院，银川 750001)

0 引言

北山成矿带中段，大地构造位置处于西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木三大板块交接地带，该区经历了复杂的地质构造变动和岩浆活动，具有较优越的成矿地质构造条件，已发现许多重要的黑色、有色、稀有、贵金属及非金属矿产地[1-3]。内蒙金巴山铜矿区位于北山成矿带中西部，金巴山褶皱带中部。前人研究成果表明：构造和岩浆岩活动的双重作用是该铜矿的形成与空间分布主要控制因素[4]，尤其是受金巴山东西向挤压带的控制，矿体主要赋存于两条逆断层破碎带内，为该区主要控矿构造[5]。因此，准确划定矿区断裂位置，尤其是次级断裂，并分析断裂展布特征及其性质，成为该区找矿突破的重要方向之一。

近年来，随着数据处理解译技术的发展与进步，利用重磁边界识别技术划定断裂构造、区分不同岩性界线等在位场理论中已起到越来越重要的作用。Thompson[5]基于欧拉方程改进的边界识别方法推动了多源场物体边界问题向前发展；Hugh等[7]首次将斜导数的定义具体化，并指出斜导数相对于水平导数、垂向二阶导数和分析信号，能更好地探测出不同埋深的多个场源物体的边界；王想等[8]探讨了斜导数和水平导数的原理与性质，并通过模型试验验证了方法的有效性；刘金兰等[9]讨论了斜导数法、斜导数水平梯度法和θ图法三种新技术的识别效果，认为其优于传统水平梯度法，能获得更丰富的地质信息；刘银萍等[10]详细讨论了斜导数法、斜导数的水平导数法、总梯度法及总体度的规则化方法在重磁数据边界识别中的探测效果及优缺点。笔者在正演模型验证的基础上，分析了垂向二阶导数、水平总梯度模、水平方向导数四种边界识别方法对小规模断裂识别的有效性，并结合分析结果对矿区1:10 000高精度磁测资料进行处理，结合区域地质资料，综合划定断裂构造体系，为矿区找矿突破奠定了基础。

1 几种边界识别技术的方法原理

1.1 垂向二阶导数

垂向二阶导数常用的换算公式有多种，此次选择埃勒金斯第Ⅱ公式进行处理，其计算表达式为式(1)。

(1)

垂向二阶导数是利用零值线的位置来判断和确定异常体的边界位置[11，14]。

1.2 水平总梯度模

水平总梯度模又称总水平导数，其计算公式为式(2)[12-13]。

(2)

总水平导数是利用其极大值位置来确定地质体的边缘位置[15]。

1.3 水平方向导数

在磁异常转换处理中常计算特定方向水平一阶导数，以此突出与其正交方向的异常特征，其计算公式为式(3)：

(3)

式中：α为垂直于断裂构造走向的方向。水平方向导数是根据极值的位置来确定断裂及地质体的边界。

1.4 斜导数

斜导数[11]又称倾斜角(Tilt-angle),其计算公式为式(4)[12-13]。

(4)

斜导数是垂向导数和总水平导数的比值，其能很好地平衡高幅值异常和低幅值异常，起到边缘增强的效果。当斜导数为零值的时候，就能够识别出构造体的边界[10]。

2 模型正演试验

为了从理论上验证四种边界识别方法对局部异常之间小规模断裂的识别的有效性，以矿区磁异常特征为依据，设计了由3个倾斜长方体组成的试验模型，进行正演模拟。

磁性体Ⅰ与磁性体Ⅱ，平面展布面积一致，纵向延伸长度磁性体II大于磁性体Ⅰ，且赋予磁性体Ⅱ的磁化强度为15 000×10-3A/m，大于磁性体Ⅰ；磁性体Ⅲ平面展布面积为磁性体Ⅰ、Ⅱ面积之和，而赋予磁性体Ⅲ的磁化强度为7 000×10-3A/m，远小于磁性体Ⅰ、Ⅱ(图1(a))。根据模型正演的化极后磁场强度显示，局部磁异常与磁性体的对应关系清楚，磁性体Ⅰ对应的局部磁异常呈明显的孤立椭圆状，且异常幅值不高；磁性体Ⅱ对应的局部磁异常展布形态与磁性体Ⅰ对应的局部磁异常相似；磁性体Ⅲ对应的局部磁异常呈条带状展布，其幅值接近于磁性体Ⅱ对应的局部磁异常，二者之间的分割关系不甚清楚(图1(b))，需要通过边界识别方法明确各异常之间分界。

图1 正演模型及其磁场强度图Fig.1 Forward modeling and magnetic field intensity map(a)正演模型；(b)磁场强度(化极后)

图2 正演模型边界探测效果对比图Fig.2 Forward model boundary detection comparison chart(a)垂向二阶导数；(b)水平总梯度模；(c)水平方向导数；(d)斜导数

运用四种边界探测方法处理化极后的磁异常场，效果对比显示：磁性体Ⅰ、磁性体Ⅱ与磁性体III之间的分界线，四种方法均有所识别，但效果不一。垂向二阶导数(图2(a))显示为一平缓的负值条带，与南北两侧的正值区有两条零值线，与真实的磁性体边界比较统一；水平总梯度模(图2(b))对此界线的反映模糊，无明显线性特征；水平方向导数(图2(c))有较明显的极值反映，但线性特征不明显；斜导数(图2(d))对此界线的分辨定位能力与垂向二阶导数类似，更为突出的是其反映出的线性特征基本不受磁性体的规模、磁化强度的差异所影响，对规模、磁化强度相近的两个磁性体Ⅰ与磁性体Ⅱ之间的界线，斜导数也能够较好识别。由图2可以看出，相比较，斜导数对于局部磁异常之间小规模断裂识别的有效性更强，效果更明显。

3 矿区地质地球物理特征

3.1 矿区地质断裂特征

矿区断裂构造是本区最主要的构造形迹。以近东西向、北西向为主，少量北东向。近东西向和北西向断裂构造具区域性、规模大、多期次、长期活动的特征，活动期主要为加里东-华力西期。该组断裂多为逆断层。北东向断裂属次级构造，规模小，主要形成于华力西中晚期，多为平移断层或正断层。区域性大断裂F9穿过矿区。断裂走向280°～300°，倾向10°～30°，逆断层。长度为51 km，宽度为50 m～60 m。断层东端被后期北西向断裂截断。发育破碎带，两侧岩性不一，界线平直，形式时代为奥陶纪，是一个多期活动的断裂，控制了矿区的后期岩浆侵入活动[17]。

图3 矿区磁异常特征图Fig.3 Mine magnetic anomaly map(a)△T平面等直线图;(b)△T化极平面等直线图

图4 矿区4种边界识别技术断裂解译成果图Fig.4 The results of four boundary detection methods in Mining are(a)垂向二阶导数；(b)水平总梯度模；(c)45°水平方向导数；(d)斜导数

3.2 矿区磁异常特征

矿区磁异常以正值为主，整体呈北西向条带状展布，中部高南北低的总体趋势，受区域北西向断裂控制，在中部以北西向300°方向展布一条带状高磁异常，该带北部出现明显的伴生负磁异常带；沿该高磁异常带向东北及南西出现大面积的低缓磁异常，局部地段出现面积较小的孤立高磁异常；西南角出现大面积的负磁场区(图3(a))。经过化磁极处理后，异常整体趋势未发生明显变化，只是异常幅值增大，整体北移，中部高磁异常带更加明显，该异常带南部较为低缓的异常区不再连续，分为东西两个独立的弱磁异常区；整体上弱磁异常区面积减少，负值区有所增加(图3(b))。

4 边界识别技术的应用

4.1 断裂推断方法应用效果

以矿区化极后的磁异常为基础，运用四种边界识别技术对矿区断裂进行解译，对比识别成果发现：利用垂向二阶导数共解译断裂19条，其中新发现断裂10条。整体上断裂形迹较清晰，均为高低磁异常条带的分界，以北西向断裂为主。与地质实测断裂相比较，5条断裂与F1、F2、F3、F6、F7断裂基本吻合，中部的2条断裂较F4、F5断裂北东向偏移约90 m，南部的1条近东西向断裂与F9断裂的东段吻合，对F8断裂没有较好地识别(图4(a))；运用水平总梯度模共解译断裂14条，其中新发现断裂7条，断裂多为中部的高磁异常带边界断裂，呈明显线性展布特征，但对磁异常带内部的小规模断裂显示模糊，难以定位。与地质实测断裂相比较，5条断裂与F1、F2、F3、F6、F7断裂位置一致，中部磁异常带北界断裂与F4断裂相比较偏移北东向约53 m，F8、F9两条断裂则没有较清晰的显示(图4(b))；利用45°水平方向导数共解译断裂24条，其中新发现断裂18条。整体上解译的北西向断裂形迹清楚，展布于高磁异常区内部，北东走向的次级小规模断裂形迹较杂乱。与地质实测断裂相比较，6条断裂与F1、F2、F3、F5、F7断裂吻合度较高，与F4断裂对应的中部磁异常带北界断裂行迹清晰，整体位置偏向北东向约55 m，F6、F8、F9三条断裂行迹模糊，无法划定(图4(c))；与上述三种常规导数类的边界识别技术相比较，运用斜导数解译矿区断裂的效果更加明显，优势更为突出，体现在三个主要方面：①解译断裂数量更多，共解译确认断裂56条，其中新发现断裂47条；②识别断裂行迹更清晰，不仅针对矿区内发育规模较大的北西向断裂位置具有清楚的显示能力，而且对磁异常带内部北东向延伸的小规模断裂以及矿区南部近东西向展布的断裂同样具备良好的识别、定位能力，更为重要的是斜导数清晰地反映出了三组走向不同断裂的相互交切关系与发育特征，即北西向与近东西向断裂为主要断裂，具区域性、规模大、具多期次长期活动的特征，北东向断裂属次级构造，规模小，形成时期晚于北西向与近东西向断裂，多为平移断层或正断层；③划定断裂位置更精确，对比发现地质实测的9条断裂均能被斜导数所识别，而且F1、F2、F4、F7四条断裂的位置与推断断裂高度吻合，F6断裂位置更为笃定，为中部磁异常带的南侧边界，F8、F9断裂位置显示清楚，其中F8断裂为控制矿区西南部北西向展布的磁异常的边界断裂，F9断裂为区域性大规模断裂，对本区磁异常具有明显的分区特征，断裂以南异常呈东西向片状展布，断裂以北异常呈北西向长条状展布(图4(d))。

图5 矿区断裂划定成果图Fig.5 Mining area delineation results map

4.2 推断断裂展布特征

以斜导数解释结果为基础，结合其他三种方法对矿区断裂进行综合解译、编号，编制了断裂分布成果图(图5)。矿区共确定NW向、EW向和NE向断裂共42条。

1)北西向断裂。区域上为北山复杂构造带的次级同系列附属断裂，形成于加里东晚期，与区域性岩浆侵入活动时期对应，其构造形迹与区域构造线一致。受到区域性地质应力由南向北的推覆作用，此系列断裂形迹均发生了明显地改变，朝北东向呈弧形突出，且在北东向剪切应力的作用下，断裂被错断为数段。断裂性质以压扭性逆断层为主，整体上形成逆冲断裂系，逆冲前缘位于断裂FⅠ-1处，越靠近FⅠ-1断裂的区域，次一级的北西向小规模越发育。

2)近东西向断裂。近东西向断裂区域上亦为北山复杂构造带的次级同系列附属断裂，其构造形迹与区域构造线一致。断裂被北东向断裂明显错断为数段，性质以逆断层为主。该系列断裂的典型代表为FⅢ-25、FⅢ-26，分别对应于地质实测的断裂F8与F9对应，均出露于矿区中南部，东西向横穿整个矿区。

3)北东向断裂。北东向断裂属局部次级构造，其构造形迹大多横切区域构造线，为南北向挤压应力与北西向剪切应力共同作用的结果。此组断裂规模较小，多为平移断层或正断层。

4.3 推断断裂的验证

此次完成激电测深剖面3条(图5)，均为NE向布设，基本横跨矿区主要断裂。纵观四条剖面，均整体呈现中阻、局部夹持高阻块体与低阻条带的展布特征，其中的低阻条带为断裂的电性反映。

L1剖面共解释5条断裂，依次与平面解译的FⅡ-2、FⅢ-20、FⅢ-25、FⅢ-21及FⅢ-28五条断裂吻合，断裂表现出上陡下缓的逆断层特征。位于剖面中部的钻孔ZK2017-2中所见蚀变破碎迹象明显，从侧面证实了FⅢ-20断裂的存在(图6(a))；L2剖面共解释5条断裂，其中4条依次与平面解译的FⅠ-1、FⅢ-9、FⅢ-10及FⅡ-2断裂吻合，为切割深度较大，产状较陡，南、北倾产状共存的逆断层(图6(b))；L3剖面位于矿区西部，为相对规模较小区域，解释6条断裂中的4条分别与FⅢ-11、FⅡ-2、FⅢ-17和FⅢ-21对应，断裂切割深度较浅，产状较缓，南、北倾产状兼有(图6(c))。

5 结论

1)与传统的垂向二阶导数、水平总梯度模、水平方向导数三种边界识别技术相比较，斜导数作为一种高阶导数，从原理上对局部磁异常之间小规模断裂探具有突出的分辨定位能力。运用斜导数对内蒙金巴山矿区断裂的效果更加明显，体现在解译断裂数量更多、识别断裂行迹更清晰、划定断裂位置更精确，整体技术优势更为突出。

2)以斜导数为主，综合应用4种边界识别方法，在矿区共划定NW向、EW向和NE向断裂共42条，其中9条断裂已经被地质证实，包括区域性断裂1条。通过激电测深剖面的解释，从侧面印证了边界识别技术推断断裂的可靠性。

3)区域上，矿区中北部以北西向为主，南部则主要展布近东西向断裂，均为北山复杂构造带区域性大断裂F9的次级同系列附属断裂，性质以压扭性逆断层为主，整体上形成逆冲断裂系，形成于加里东晚期。在北东向剪切应力的作用下，北东向局部次级平移断层后期发育，将北西向主断裂错断为数段，三组断裂相互交切，共同构成了矿区复杂的断裂系统。

图6 激电测深剖面解释断裂图Fig.6 The explaining fracture diagram of IP sounding section(a)L1剖面；(b)L2剖面；(c)L3剖面