邊界識別技術在內蒙金巴山銅礦區斷裂劃分中的應用

虎新軍， 李寧生， 陳濤濤， 安百州， 陳曉晶， 顧 江， 張 媛

(寧夏回族自治區地球物理地球化學勘查院，銀川 750001)

0 引言

北山成礦帶中段，大地構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，該區經歷了復雜的地質構造變動和巖漿活動，具有較優越的成礦地質構造條件，已發現許多重要的黑色、有色、稀有、貴金屬及非金屬礦產地[1-3]。內蒙金巴山銅礦區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：構造和巖漿巖活動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，為該區主要控礦構造[5]。因此，準確劃定礦區斷裂位置，尤其是次級斷裂，并分析斷裂展布特征及其性質，成為該區找礦突破的重要方向之一。

近年來，隨著數據處理解譯技術的發展與進步，利用重磁邊界識別技術劃定斷裂構造、區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]基于歐拉方程改進的邊界識別方法推動了多源場物體邊界問題向前發展；Hugh等[7]首次將斜導數的定義具體化，并指出斜導數相對于水平導數、垂向二階導數和分析信號，能更好地探測出不同埋深的多個場源物體的邊界；王想等[8]探討了斜導數和水平導數的原理與性質，并通過模型試驗驗證了方法的有效性；劉金蘭等[9]討論了斜導數法、斜導數水平梯度法和θ圖法三種新技術的識別效果，認為其優于傳統水平梯度法，能獲得更豐富的地質信息；劉銀萍等[10]詳細討論了斜導數法、斜導數的水平導數法、總梯度法及總體度的規則化方法在重磁數據邊界識別中的探測效果及優缺點。筆者在正演模型驗證的基礎上，分析了垂向二階導數、水平總梯度模、水平方向導數四種邊界識別方法對小規模斷裂識別的有效性，并結合分析結果對礦區1:10 000高精度磁測資料進行處理，結合區域地質資料，綜合劃定斷裂構造體系，為礦區找礦突破奠定了基礎。

1 幾種邊界識別技術的方法原理

1.1 垂向二階導數

垂向二階導數常用的換算公式有多種，此次選擇埃勒金斯第Ⅱ公式進行處理，其計算表達式為式(1)。

(1)

垂向二階導數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數，其計算公式為式(2)[12-13]。

(2)

總水平導數是利用其極大值位置來確定地質體的邊緣位置[15]。

1.3 水平方向導數

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

(3)

式中：α為垂直于斷裂構造走向的方向。水平方向導數是根據極值的位置來確定斷裂及地質體的邊界。

1.4 斜導數

斜導數[11]又稱傾斜角(Tilt-angle),其計算公式為式(4)[12-13]。

(4)

斜導數是垂向導數和總水平導數的比值，其能很好地平衡高幅值異常和低幅值異常，起到邊緣增強的效果。當斜導數為零值的時候，就能夠識別出構造體的邊界[10]。

2 模型正演試驗

為了從理論上驗證四種邊界識別方法對局部異常之間小規模斷裂的識別的有效性，以礦區磁異常特征為依據，設計了由3個傾斜長方體組成的試驗模型，進行正演模擬。

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的磁化強度為7 000×10-3A/m，遠小于磁性體Ⅰ、Ⅱ(圖1(a))。根據模型正演的化極后磁場強度顯示，局部磁異常與磁性體的對應關系清楚，磁性體Ⅰ對應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對應的局部磁異常展布形態與磁性體Ⅰ對應的局部磁異常相似；磁性體Ⅲ對應的局部磁異常呈條帶狀展布，其幅值接近于磁性體Ⅱ對應的局部磁異常，二者之間的分割關系不甚清楚(圖1(b))，需要通過邊界識別方法明確各異常之間分界。

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

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

運用四種邊界探測方法處理化極后的磁異常場，效果對比顯示：磁性體Ⅰ、磁性體Ⅱ與磁性體III之間的分界線，四種方法均有所識別，但效果不一。垂向二階導數(圖2(a))顯示為一平緩的負值條帶，與南北兩側的正值區有兩條零值線，與真實的磁性體邊界比較統一；水平總梯度模(圖2(b))對此界線的反映模糊，無明顯線性特征；水平方向導數(圖2(c))有較明顯的極值反映，但線性特征不明顯；斜導數(圖2(d))對此界線的分辨定位能力與垂向二階導數類似，更為突出的是其反映出的線性特征基本不受磁性體的規模、磁化強度的差異所影響，對規模、磁化強度相近的兩個磁性體Ⅰ與磁性體Ⅱ之間的界線，斜導數也能夠較好識別。由圖2可以看出，相比較，斜導數對于局部磁異常之間小規模斷裂識別的有效性更強，效果更明顯。

3 礦區地質地球物理特征

3.1 礦區地質斷裂特征

礦區斷裂構造是本區最主要的構造形跡。以近東西向、北西向為主，少量北東向。近東西向和北西向斷裂構造具區域性、規模大、多期次、長期活動的特征，活動期主要為加里東-華力西期。該組斷裂多為逆斷層。北東向斷裂屬次級構造，規模小，主要形成于華力西中晚期，多為平移斷層或正斷層。區域性大斷裂F9穿過礦區。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。斷層東端被后期北西向斷裂截斷。發育破碎帶，兩側巖性不一，界線平直，形式時代為奧陶紀，是一個多期活動的斷裂，控制了礦區的后期巖漿侵入活動[17]。

圖3 礦區磁異常特征圖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4種邊界識別技術斷裂解譯成果圖Fig.4 The results of four boundary detection methods in Mining are(a)垂向二階導數；(b)水平總梯度模；(c)45°水平方向導數；(d)斜導數

3.2 礦區磁異常特征

礦區磁異常以正值為主，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，該帶北部出現明顯的伴生負磁異常帶；沿該高磁異常帶向東北及南西出現大面積的低緩磁異常，局部地段出現面積較小的孤立高磁異常；西南角出現大面積的負磁場區(圖3(a))。經過化磁極處理后，異常整體趨勢未發生明顯變化，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不再連續，分為東西兩個獨立的弱磁異常區；整體上弱磁異常區面積減少，負值區有所增加(圖3(b))。

4 邊界識別技術的應用

4.1 斷裂推斷方法應用效果

以礦區化極后的磁異常為基礎，運用四種邊界識別技術對礦區斷裂進行解譯，對比識別成果發現：利用垂向二階導數共解譯斷裂19條，其中新發現斷裂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。與地質實測斷裂相比較，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F8斷裂沒有較好地識別(圖4(a))；運用水平總梯度模共解譯斷裂14條，其中新發現斷裂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，但對磁異常帶內部的小規模斷裂顯示模糊，難以定位。與地質實測斷裂相比較，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，F8、F9兩條斷裂則沒有較清晰的顯示(圖4(b))；利用45°水平方向導數共解譯斷裂24條，其中新發現斷裂18條。整體上解譯的北西向斷裂形跡清楚，展布于高磁異常區內部，北東走向的次級小規模斷裂形跡較雜亂。與地質實測斷裂相比較，6條斷裂與F1、F2、F3、F5、F7斷裂吻合度較高，與F4斷裂對應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，F6、F8、F9三條斷裂行跡模糊，無法劃定(圖4(c))；與上述三種常規導數類的邊界識別技術相比較，運用斜導數解譯礦區斷裂的效果更加明顯，優勢更為突出，體現在三個主要方面：①解譯斷裂數量更多，共解譯確認斷裂56條，其中新發現斷裂47條；②識別斷裂行跡更清晰，不僅針對礦區內發育規模較大的北西向斷裂位置具有清楚的顯示能力，而且對磁異常帶內部北東向延伸的小規模斷裂以及礦區南部近東西向展布的斷裂同樣具備良好的識別、定位能力，更為重要的是斜導數清晰地反映出了三組走向不同斷裂的相互交切關系與發育特征，即北西向與近東西向斷裂為主要斷裂，具區域性、規模大、具多期次長期活動的特征，北東向斷裂屬次級構造，規模小，形成時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，對比發現地質實測的9條斷裂均能被斜導數所識別，而且F1、F2、F4、F7四條斷裂的位置與推斷斷裂高度吻合，F6斷裂位置更為篤定，為中部磁異常帶的南側邊界，F8、F9斷裂位置顯示清楚，其中F8斷裂為控制礦區西南部北西向展布的磁異常的邊界斷裂，F9斷裂為區域性大規模斷裂，對本區磁異常具有明顯的分區特征，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

以斜導數解釋結果為基礎，結合其他三種方法對礦區斷裂進行綜合解譯、編號，編制了斷裂分布成果圖(圖5)。礦區共確定NW向、EW向和NE向斷裂共42條。

1)北西向斷裂。區域上為北山復雜構造帶的次級同系列附屬斷裂，形成于加里東晚期，與區域性巖漿侵入活動時期對應，其構造形跡與區域構造線一致。受到區域性地質應力由南向北的推覆作用，此系列斷裂形跡均發生了明顯地改變，朝北東向呈弧形突出，且在北東向剪切應力的作用下，斷裂被錯斷為數段。斷裂性質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斷裂的區域，次一級的北西向小規模越發育。

2)近東西向斷裂。近東西向斷裂區域上亦為北山復雜構造帶的次級同系列附屬斷裂，其構造形跡與區域構造線一致。斷裂被北東向斷裂明顯錯斷為數段，性質以逆斷層為主。該系列斷裂的典型代表為FⅢ-25、FⅢ-26，分別對應于地質實測的斷裂F8與F9對應，均出露于礦區中南部，東西向橫穿整個礦區。

3)北東向斷裂。北東向斷裂屬局部次級構造，其構造形跡大多橫切區域構造線，為南北向擠壓應力與北西向剪切應力共同作用的結果。此組斷裂規模較小，多為平移斷層或正斷層。

4.3 推斷斷裂的驗證

此次完成激電測深剖面3條(圖5)，均為NE向布設，基本橫跨礦區主要斷裂。縱觀四條剖面，均整體呈現中阻、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，從側面證實了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，產狀較陡，南、北傾產狀共存的逆斷層(圖6(b))；L3剖面位于礦區西部，為相對規模較小區域，解釋6條斷裂中的4條分別與FⅢ-11、FⅡ-2、FⅢ-17和FⅢ-21對應，斷裂切割深度較淺，產狀較緩，南、北傾產狀兼有(圖6(c))。

5 結論

1)與傳統的垂向二階導數、水平總梯度模、水平方向導數三種邊界識別技術相比較，斜導數作為一種高階導數，從原理上對局部磁異常之間小規模斷裂探具有突出的分辨定位能力。運用斜導數對內蒙金巴山礦區斷裂的效果更加明顯，體現在解譯斷裂數量更多、識別斷裂行跡更清晰、劃定斷裂位置更精確，整體技術優勢更為突出。

2)以斜導數為主，綜合應用4種邊界識別方法，在礦區共劃定NW向、EW向和NE向斷裂共42條，其中9條斷裂已經被地質證實，包括區域性斷裂1條。通過激電測深剖面的解釋，從側面印證了邊界識別技術推斷斷裂的可靠性。

3)區域上，礦區中北部以北西向為主，南部則主要展布近東西向斷裂，均為北山復雜構造帶區域性大斷裂F9的次級同系列附屬斷裂，性質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。在北東向剪切應力的作用下，北東向局部次級平移斷層后期發育，將北西向主斷裂錯斷為數段，三組斷裂相互交切，共同構成了礦區復雜的斷裂系統。

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