基于总梯度模分析的磁源体边界信息提取及找矿意义

吴文贤，范文玉，王永华，吴振波，杨 剑，焦彦杰，高建华，邹光富，邓 珂

(成都地质矿产研究所，四川成都 610081)

1 引言

磁法勘探是物探方法中应用较广、理论较成熟、效率高、成本较低的方法之一，也是目前在金属矿特别是铁磁性矿产勘查中应用最多的一种方法，是一项基础性的地球物理勘查工作(梁德超等，2000;孙中任等，2004;许东青等，2006;朱朝吉等，2011)。从20世纪90年代以后，磁法勘探进入了高分辨率磁法勘查技术的新阶段(管志宁等，1993;余钦范等，1994;黄临平等，1998)。磁法应用是矿产预测中的重要手段之一(管志宁等，2005)，尤其是在推断隐伏地质构造和矿产方面有着不可代替的作用。磁异常总梯度模反演最早由国外学者提出(Nabighian，1972，1984;Blakely et al.，1986;Nelson et al.，1988;Roest et al.，1992)，国内学者在 20 世纪 80 年代陆续将归一化总梯度法用于确定密度界面。Grauch et al.(1987)和 Fedi et al.等(2001)使用磁源重力的水平梯度模描述了基底岩石的磁性变化。很多学者(管志宁等，1997;张凤旭等，2005;柳建新等，2006;李媛媛等，2009;祁民等，2009)进一步探讨了水平总梯度模的极大值法确定密度体和磁性体边界的方法，并认为在假定了密度体或磁性体边界为单个垂直边界的情况下，重力异常或磁源重力异常的水平总梯度模在边界上正好取极大值，可据此确定地质体的边界位置。磁异常总梯度模函数的曲线形态与磁化强度及其方向无关，这一点在低纬度地区有着不可替代的作用。本文针对低纬度地区化极处理不稳定引起虚假异常的问题，提出在低纬度区利用总梯度模法圈定磁性体边界的方法，并通过老挝爬立山矿区磁异常处理的实例探讨了其应用效果。

2 方法原理

已知任意截面S的均匀磁化二度体，在体外任意点沿t方向的磁场为:

式中，Tt为沿t方向的磁场强度(nT)，M为磁化强度(×10－3A/m)，L=cos I cos A，N=sin I，I为 M的磁倾角，A为M的水平投影与x轴的夹角，r为剖面内观测点到磁性体内点的距离(m)，μ0为真空磁导率(4π ×10－7H/m)，在(1)式中令 t为 x、z方向则可得:

又知

式中ΔT为总强度磁异常(nT)，Ha为磁异常总强度T的水平分量(nT)，Za为磁异常总强度T的垂直分量(nT)，ΔT'x为磁测总场的水平梯度(nT/m)，ΔT'z为磁测总场的垂直梯度(nT/m)，ι、n为地磁场T0(中心偶极子磁场)分别对x、z轴的方向余弦。将(2)、(3)式代入(5)、(6)式得:

式中

I0为T0的倾角、A0为T0的水平投影与x轴的夹角。ΔTG为磁异常总梯度模(nT/m)。由(7)式可见，ΔTG与磁化强度及其方向成正比，只影响ΔTG的幅值，而不影响其形态，ΔTG受磁化方向的影响较ΔT小得多，异常基本上呈等轴状。

反演步骤:(1)分别计算位场x，y，z 3个方向的梯度，在空间域或者频率域内计算均可;(2)消除干扰峰值;(3)选择适当的窗口;(4)确定磁性体位置。

3 模型验证

已知理论模型为1个有限延伸直立长方体，地磁倾角分别为15°和45°两种情况，长方体中心坐标为(x，y，z)=(500，500，100)，x、y、z方向的延伸长度分别为300m、100m和100m，磁化强度为10000×10－3A/m。图1(a)为由该有限延伸直立长方体地磁倾角为45°的ΔT磁异常平面图，有限延伸直立长方体顶面边界如图中黑色虚线框所示，该异常由1个正负伴生的磁异常组成，其中，南部磁异常幅值大，衰减快，表现为浅源场特征;北部异常幅值小，范围大，衰减慢，表现为深源场特征。将该磁异常进行总梯度模处理，得到ΔTG等值线图(如图1(b))，异常场较为简单，其峰值表现为一个长条带状特征，其极大值范围和直立方体顶面边界基本一致。图1(c)为由该有限延伸直立长方体地磁倾角为15°的ΔT磁异常平面图，该异常由中间负、南北正的3个异常组成，其中，正磁异常幅值小，衰减快;而负异常幅值大，条带状，衰减快。将该磁异常进行总梯度模处理，得到ΔTG等值线图(如图1(d))，异常场较为简单，其峰值表现为一个长条带状特征，其极大值范围和直立方体顶面边界基本一致，如图中黑色虚线所示。

4 应用实例分析

老挝爬立山铁矿区大地构造位置位于南海－印支地块的北部，地处南海西布康－昆蒿构造岩浆岩带的北西端。矿区内的构造分布较为复杂，主要由花岗闪长岩、花岗岩、闪长岩组成的岩浆岩石系列构成环绕泥盆系碎屑岩－碳酸盐岩石的环形岩浆岩，并与基底相连构成基底岩浆。在成矿作用阶段，以花岗闪长岩为代表的一系列中酸性岩浆呈基底式侵入，与上覆泥盆系碳酸盐岩－碎屑岩系列发生了广泛的接触交代作用，形成交代矽卡岩型透镜状矿体群。矿区内分布的主要地层有志留系、泥盆系和二叠系。经236块物性标本测定显示，本工区磁性最强的是磁铁矿，平均磁化率值为48485.80×10－6×4π·SI。次之为铁质砾砂土和黄铁矿化磁铁矿，其值分别为28369.65 ×10－6×4π·SI和13797.25 ×10－6×4π·SI;再次之为磁铁矿化、黄铁矿化、矽卡岩化，围岩的磁化率值变化范围为100×10－6×4π·SI ～1000×10－6×4π·SI。围岩以碳酸盐岩、花岗闪长岩为主，其磁化率值在本工区为最低值，约55.8 ×10－6×4π·SI ～295.34 ×10－6×4π·SI，均远小于磁铁矿及磁铁矿化体的值，差异达几十到数百倍。总之，本区岩体的磁性干扰很小，磁异常主要由磁性矿体引起，因此，磁法勘探在本区矿产勘查中是有效的①。

图2中色块底图为该区实测ΔT异常平面图，○与●分别代表区内未见矿钻孔和见矿钻孔位置(均为直孔)。该区地磁倾角I为25.61°，地磁偏角D为－1.1°。从图2可见，本区见矿钻孔位置与异常特征无对应性，在异常较强的位置反而未见矿，见矿钻孔大多分布在负异常区;图3为对图2中的ΔT异常进行总梯度模反演得到的ΔTG异常，经总梯度模分析后，强异常相对集中，且范围增大;在区内收集的69个钻孔中，其中的13个未见矿的钻孔均位于总梯度模分析的异常边缘和低值异常带内，而剩余的56个见矿钻孔中，仅有2个在总梯度模分析异常带内(矿层厚度较小)，其余54个在总梯度模分析异常中心和边界上。可见，该总梯度模分析磁异常能较好地反映矿体异常，因此，可以通过总梯度模反演异常特征初步确定矿体分布位置。

5 结论

通过对磁异常的总梯度模分析，得到磁异常总梯度模分析结果能有效圈定地下磁性体的中心位置和分布范围。在地质情况较为复杂的情况下，特别在低纬度地区，化极方法不成熟时，该方法在分析平面磁异常展布及变化特征时，更具优势;且该方法原理简单、效果明显，易于在现有位场转换程序中实现。理论模型和实际资料处理表明，该方法在低纬度地区根据磁异常能有效圈定地下磁性体的中心位置和分布范围是准确可靠的，有望在我国南海地区油气勘探及在东南亚国家地质找矿工作中为磁异常的合理解释发挥重要作用。

致谢 审稿专家及本刊编辑对本文细致的评审，并提出了宝贵的修改意见;在工作中得到成都地质矿产研究所丁俊所长、王剑副所长、廖朝贵教授级高工、刘增铁教授级高工的指导和帮助，以及秦皇岛鑫河钢铁矿业发展有限公司(老挝)的大力支持和帮助，在此致以衷心的感谢。

［注释］

① 国土资源部成都地质矿产研究所.2011.老挝色贡省格棱铁矿普查报告［R］.

Blakely R.J.，simpson R.W.1986.Approximating edges of source bodies from magnetic or gravity anomalies［J］.Geophysics，51(7):1494－1498

Fedi M.，Florio G..2001.Detection of potential field source boundaries by enhanced horizontal derivative method［J］.Geophysical Prospecting，49(1):40 －58

Grauch V.J.S.，Cordell L..1987.Limitations of determining density or magnetic boundaries from the horizontal gradient of gravity or pseudo gravity data［J］.Geophysics，52(1):118 － 121

Guan Zhi-ning，Zhang Chang-da，Cheng Fang-dao，Shen Ning-hua.1993.Theoretical analysis and application of important problems in magnetic prospecting［M］.Beijing:Geological Publishing House:76 －80(in Chinese)

Guan Zhi-ning，Yao Chang-li.1997.Inversion of the total gradient modulus of magnetic anomaly due to dipping dike［J］.Earth Science-Journal of China University of Geosciences，22(1):81 － 85(in Chinese with English abstract)

Guan Zhi-ning.2005.Geomagnetic field and magnetic exploration［M］.Beijing:Geological Publishing House:224－228(in Chinese with English abstract)

Huang Lin-ping，Guan Zhi-ning.1998.The determination of magnetic causative boundaries using total gradient modules of magnetic anomalies［J］.Journal of East China Geological Institute，21(2):143 －150(in Chinese with English abstract)

Li Yuan-yuan，Yang Yu-shan.2009.Derivative-based normalized standard deviation of potential field data in geological contact mapping［J］.Geological Science and Technology Information，28(5):138 －142(in Chinese with English abstract)

Liang De-chao，Deng Jun，Yang Li-qiang.2000.Application of ground High-precision magnetic measurement to the reconnaissance of one goldmine in eastern Shandong［J］.Geology and Prospecting，36(3):67－70(in Chinese with English abstract)

Liu Jian-xin，Hu Hou-ji，Liu Chun-ming，Han Shi-li，Xie Xiong.2006.Application of synthetical geophysical method on exploration of deepseated resources［J］.Geology and Prospecting，42(4):71 － 77(in Chinese with English abstract)

Nabighian M.N..1972.The analytic signal of two-dimensional magnetic bodies with polygonal cross-section:Its properties and use for automated anomaly interpretation［J］.Geophysics，37(3):507 －517

Nabighian M.N..1984.Toward a three-dimensional automatic interpretation of potential field data via generalized Hilbert transforms:Fundamental relations［J］.Geophysics，49(6):780 － 786

Nelson J.B.1988.Comparison of gradient analysis techniques of linear two-dimensional magnetic sources［J］.Geophysics，53(8):1088 －1095

Qi Min，Zhang Bao-lin，Fu Chao，Liang Guang-he，Shen Xiao-li，Xu Yongsheng，Su Jie，Guo Zhi-hua.2009.Fast discovery of concealed Cu-W polymetallic deposit in central InnerMongolia by applying comprehensive exploration methods［J］.Geology and Exploration，45(6):676－682(in Chinese with English abstract)

Roest W.R.，Verhoef J.，Pilkington M..1992.Magnetic interpretation using the 3-dimensional analytic signal［J］.Geophysics，57(1):116－125

Sun Zhong-ren，Zhao Xue-juan，Huang Yong-wei.2004.A brief discussion on the amplification of conventional data processing technique to ground high-precision magnetic surveys［J］.Geology and Prospecting，40(9):250 －256(in Chinese with English abstract)

Xu Dong-qing，Bai Da-ming，Li Rong-guang.2006.Application of largescale high-precision magnetic survey in iron(gold，cobalt)ore mining in the Kaxiutata deposit［J］.Geology and Prospecting，42(3):76－80(in Chinese with English abstract)

Yu Qin-fan，Lou Hai.1994.Locating the boundaries of magnetic or gravity sources using horizontal gradient anomalies［J］.Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration，16(4):363 －367(in Chinese with English abstract)

Zhang Feng-xu，Meng Ling-shun，Zhang Feng-qin，Liu Cai，Wang Shi-yu.2005.Calculating normalized full gradient of gravity anomaly using Hilbert transform［J］.Chinese Journal of Geophysics，48(3):704 －709(in Chinese with English abstract)

Zhu Chao-ji，Zhou Zhao-wu，Liu Tian-you，Zhang Heng-lei.2011.Application of high-precision magnetic survey to prospecting:A case study in the Galinge ore district of Qinghai Province［J］.Geology and Prospecting，47(2):277 －283(in Chinese with English abstract)

［附中文参考文献］

管志宁，张昌达，程方道，申宁华.1993.磁法勘探重要问题理论分析与应用［M］.北京:地质出版社:76－80

管志宁，姚长利.1997.倾斜板体磁异常总梯度模反演方法［J］.地球科学，22(1):81－85

管志宁.2005.地磁场与磁力勘探［M］.北京:地质出版社:224－228

黄临平，管志宁.1998.利用磁异常总梯度模确定磁源边界位置［J］.华东地质学院学报，21(2):143－150

李媛媛，杨宇山.2009.位场梯度的归一化标准差方法在地质体边界定位问题中的应用［J］.地质科技情报，28(5):138－142.

梁德超，邓 军，杨立强.2000.地面高精度磁测在胶东某金矿普查区的应用［J］.地质与勘探，36(3):67－70

柳建新，胡厚继，刘春明，韩世礼，谢 雄.2006.综合物探方法在深部接替资源勘探中的应用［J］.地质与勘探，42(4):71－74

祁 民，张宝林，符 超，梁光河，沈晓丽，徐永生，苏 捷，郭志华.2009.运用综合预测方法组合快速发现内蒙古中部隐伏大型铜钨多金属矿勘查基地［J］.地质与勘探，45(6):676－682

许东青，白大明，李荣光.2006.大比例尺高精度磁测在卡休他他铁(金、钴)矿生产中的应用［J］.地质与勘探，42(3):76－80

余钦范，楼 海.1994.水平梯度法提取重磁源边界位置［J］.物探化探计算技术，16(4):363－367

张凤旭，命令顺，张凤琴，刘 财，王世煜.2005.利用Hilbert变换计算重力归一化总梯度［J］.地球物理学报，48(3):704－709

朱朝吉，周肇武，刘天佑，张恒磊.2011.高精度磁测找矿效果:以青海尕林格矿区为例［J］.地质与勘探，47(2):2777－2783