薛玲香

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

通过重磁异常对目标体边界进行探测是地质物探技术解释的一项极其重要的研究工作。伴随重磁数据相关理论的逐渐深入，怎样借助力场资料在短时间内精准的推测出目标区域的边界、深度等地球地质信息已经引起学术界的普遍重视[1]。精准的定位目标地质体的边界对区分大地构造结构、进行地质分区、明确断裂地带的具体位置、划分不同岩体和地层的分布以及进行地质绘图等问题均有着重要意义。

最近几年，重磁边界探测技术已经获得了迅速的发展，得到诸多研究成果，比如Tilt梯度、the tamap、标准差方差等。这些方法的主要研究基础都是借助重磁异常在目标体边界位置产生比较大的梯度变动，利用增强磁场异常信息来实现对目标体边界识别的目的。大量研究结果表明：几乎大部分的边界识别方法均基于重磁导数、高阶导数对边界进行高精度识别。因而，现行的边界识别方法均有其相似之处，其识别的精度都伴随磁场导数阶次的提升而逐渐提高，因此高阶导数会在一定程度上放大高频磁场的干扰。重磁边界识别方法的主要区别就在于使用的导数阶次主要是以标准化方差为主，目前并没有哪一种边界识别方法能够完全实现重磁边界的高精度探测，特别是针对那些地下埋藏深度比较大的勘探目标，探测误差会随着地下深度的增大而增加。在现实生产实践中，为了实现地下地质体的精细化探测，必须有机结合其他方法。重磁数据的空间重叠和转变是地质物探研究工作的关键组成部分。重磁数据在使用上具备非常广阔的市场，在矿产资源的探测和研发、自然灾害的监管和保护以及地质构造的查探等方面的研究中具备极其重要的作用。随着重力场和磁场观测技术的先进与发展，地表、航空和海洋重磁观测数据为地质学者提供了大量的研究资料，且基于这些资料获得了较为可观的研究成果。

1 基于高精度重磁技术的矿山采区探测

（1）磁异常计算。当磁化强度的方向和板块的两侧平行时，即为顺位磁化。这个板块的两侧不会出现大规模的磁荷，只会在板块的上方和下方出现较大规模的磁荷。因为力的无限延展，下方正磁极在地面产生的磁力就会被忽略，因而无限延展顺位磁化薄板就相当于是一条单极线。又因为板状体主要是沿着水平方向无限延展的，所以，导致单极线的长度也是无限的。这在一定意义上可以认为无限长单极线具体是由无数个点位（无限延展顺位磁化柱体）沿着一条直线垂直排列的负极磁极线，其磁场大小是所有负极磁场的总和。

假设薄板上方中心在地表的投影为坐标轴的原点o，x轴和y轴分别代表平行和垂直于薄板的各自走向，z轴代表垂直向下方向。假如上方磁荷面的密度为σm，那么薄板的水平宽度就是2b，上方深度为h，则h＞2b。如此一来，薄板在x轴上任意一点P产生的实际Za磁场为：

因为顺位磁化的发生，有效磁化倾角i和薄板的倾斜角α大小相同，因而磁荷面的是密度遵循上式的同时可以写为：

通过公式（1）和（2）可知，单极线Za异常主要是呈对称分布，不管是从磁场表达式还是从去地下的异常形态来看，薄板的Za磁场和水平圆柱体之间产生的地球重力异常相似。当x=0时，Za取最大值，

除此之外，还能够得到曲线半极值点实际宽度和深度h之间的等式关系，如下所示：

当薄板出现有限延展且顺位磁化时，其产生的磁场可以视作双极线的磁场。同时，薄板下方产生的正极磁极在地表也会产生相对应的磁场，其总磁场相当于将周围的双极沿一条直线组织起来，组成一条双极线。因而，双极线的磁场就相当于上、下两个方向的极线磁场的相加。

假设薄板下延展长度为2l，倾斜角度设为α，取薄板的截点中心在地表投影点为坐标原点o，中心深度设为h0，根据双极磁场的力学方法，能够获取到顺位磁化有限延展薄板（即双极线）的磁场大小，即：

通过公式（4）可以得知，双极线的磁场大小与极值点实际宽度和深度h之间存在正相关关系，这在一定意义上可以有效推测出磁场异常方向和具体某点的磁力。

（2）磁异常信息提取与增强。利用对磁异常的处理与转换，可以让实际地质体的磁异常满足一般理论所要求的实践条件，比如磁性表体主要有几何形体、磁性表体均匀化、探测面水平和垂直、剩磁和感磁的极化方向相同(即不考虑剩磁的影响)等。基于此，需要将实际探测到的复杂磁化异常处理成简单异常，将磁化叠加异常处理为单个异常。利用磁异常的转变，能够使磁异常满足各项解释方法的具体要求。伴随推断要求的逐渐提高，推断的方法也在逐渐发展，这就要求磁化资料需要从多个方面为研究提供相关信息，从而满足探测方法对目标体精确值的要求。然而我们的实际探测资料常常是单分量的，这就要求对实际测得的资料进行转变。按照磁异常的相关推断要求，就必须对磁异常进行处理，从而获取到有用异常，去除或压制所谓的“噪声”。首先利用滤波法获得周围地质磁力场，并从磁力弱极异常中削减区域磁场，获得剩余磁力异常信息，以实现压制地下深部磁性表体影响的目的；在对一系列已知研究成果的对比分析基础上，利用磁场深度分离分别对磁力异常信息进行关键提取，并获得相关解析信号，最终得到具体的反映目标矿区的磁力异常信息。通过对弱化磁力异常信息进行向上延伸和向下延展的一系列处理，获取到剩余磁场的异常，并借助实际探测资料进行对比，了解到不同深度下因深度磁性表体而引发的磁异常特征。另一方面，利用频谱分离获取具体反映目标矿区的磁异常信息。该方法能够有效避开地磁倾斜角的影响，为确定或估计地质体边界提供较为精准的根据。

（3）根据重磁异常推断矿区边界。矿区的确定和超基性岩体相关，必须按照重磁异常对岩体边界进行推测，进而确定矿山采区。借助重磁异常推断岩体边界的方法主要有垂直一阶方向导数、滤波边缘识别，一般会使用总水平导数Hdr(total hori-zontal derivative），也叫做垂直总梯度总模，最早是由奥地利学者Cordell在1980年提出)。总垂直导数的计算公式见下：

公式（5）中，代表某一垂直面上的总数据。总垂直导数是借助其最大值的实际位置来确定目标矿区的边界，适合用于重力异常，对磁力异常比较敏感的区域，这当中需要注意，在转换过程中必须转变为磁重力异常或弱化磁力异常才能够应用。然而总垂直平导数也会伴随地质体的深度而增大，其最大值的位置相应地也会偏向地质体外的距离。边缘识别中也会应用信号解析，俗称倾斜角法（Tilt/Tilt-angle），Tdr表示称为斜导数(tiltderivative))。Tdr的计算公式为：

上面公式中的Vdr、Hdr分别表示异常的水平导数和总垂直导数。对于立体三维情况，Tdr实际上表示水平向导数和总垂直导数之间的比。因为Tdr代表一阶导数的具体比值，因而能够较好地平衡地质信息探测中出现的高/低幅值异常，起到边缘增强的效果，进而提高矿山采区探测的精确性。

2 仿真实验论证与分析

为保证本文设计的基于高精度重磁技术的矿山采区探测方法的有效性，特与传统方法进行比较，进行仿真实验论证分析。

（1）实验准备。由于解剖线距120m，点距30m，且探测区内的地形比较复杂，相对高度差比较大，我们利用1台南方RTK测量设备对探测网进行架设。因为测区内不存在控制点成果，我们需要在已有控制点上假设相对坐标轴，对测区内的磁测剖面图和坑道位置进行了架设和探测。测网布的测线方向尽可能与地面垂直并顺应地质构造的总体走向，测网呈正方形，线距120米，点距30米，角度为东北向45°。

本次矿山采区高精度磁测工作使用了5台ENVI型磁力仪（编号分别为：1、2、3、4、5）。本次地面高精度磁测工作于2019年10月1日对仪器性能进行校验，包括磁力仪噪音水平的检测、探头精确性测定、主机相符性测定以及磁力仪的一系列测定，以本文方法和传统方法对矿山采区进行探测，对矿山采区的精确性进行比较。

（2）结果分析。试验结果表明，本文方法在矿山采区探测中，与传统方法相比，其探测精度有较大提高，具有较强的有效性和实用性。

图1 实验结果对比图

3 结束语

本文对高精度重磁技术在矿山采区探测中的应用进行分析与设计，依托重磁技术的优势，收集并提取磁场各极的异常信息，实现矿山采区探测的精确化。实验论证结果表明，本文设计的基于云计算的聚类算法具备极高的有效性，希望本文的研究能够为我国高精度重磁技术在矿山采区探测中的应用提供理论依据和参考。