重力資料圈定地質(zhì)構(gòu)造邊界方法的初步探討

劉 鐵，王成龍，楊仲杰

遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽(yáng)110031

重力資料圈定地質(zhì)構(gòu)造邊界方法的初步探討

劉 鐵，王成龍，楊仲杰

遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，遼寧沈陽(yáng)110031

依據(jù)理論模型實(shí)驗(yàn)的方法,討論了利用重力資料圈定地質(zhì)構(gòu)造邊界方法的應(yīng)用效果，分析了重力場(chǎng)垂向二階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模極值、重力等值線梯度帶、重力垂向一階導(dǎo)數(shù)等方法在圈定地質(zhì)構(gòu)造邊界方面的優(yōu)缺點(diǎn)，為區(qū)域重力資料地質(zhì)解釋提供較為有效的依據(jù).

重力場(chǎng)；構(gòu)造邊界；水平總梯度模

0 前言

在區(qū)域重力解釋中，利用重力資料圈定地層和巖體邊界范圍的工作至關(guān)重要，一般情況下，構(gòu)造邊界的精確圈定往往采取定量反演的方法進(jìn)行，但是在區(qū)域面積較大，重力異常較多的情況下，不可能對(duì)每個(gè)異常進(jìn)行定量計(jì)算，所以尋找一個(gè)能快速高效圈定地質(zhì)體邊界的方法是區(qū)域重力區(qū)域資料解釋中需要解決的一個(gè)問(wèn)題［1］.目前物探行業(yè)內(nèi)人士圈定構(gòu)造邊界通常采取重力垂向二階導(dǎo)數(shù)零值、水平總梯度模極值、重力等值線梯度帶、重力垂向一階導(dǎo)數(shù)零值等方法［2］.以上幾種方法應(yīng)用效果究竟如何，筆者將用理想模型進(jìn)行驗(yàn)證探討.

1 模型實(shí)驗(yàn)

由于地質(zhì)作用下的重力場(chǎng)所反映的能力與地質(zhì)體的埋深、幾何尺度及干擾有很大的聯(lián)系，故本次實(shí)驗(yàn)采取同一深度不同模型、同一模型不同深度及不同模型疊加等4個(gè)模型進(jìn)行對(duì)比分析，模型類型分別為球和水平板狀體（具體模型參數(shù)見表1）.實(shí)驗(yàn)中將利用計(jì)算機(jī)對(duì)4個(gè)模型進(jìn)行重力場(chǎng)正演計(jì)算（見圖1），提取計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，然后對(duì)正演數(shù)據(jù)進(jìn)行重力垂向二階導(dǎo)數(shù)、重力垂向一階導(dǎo)數(shù)、水平總梯度模處理，最終利用MapGIS軟件對(duì)處理結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行平面等值線繪制，在平面圖上對(duì)重力垂向二階導(dǎo)數(shù)0值、水平總梯度模極值、重力等值線梯度帶、重力垂向一階導(dǎo)數(shù)0值與理想模型邊界對(duì)比，進(jìn)行誤差分析.

表1 理想球狀體模型和板狀體模型參數(shù)表Table 1 Parameters of the ideal sphere model and plate model

圖1 四個(gè)理想模型正演計(jì)算結(jié)果圖Fig.1 Forward calculation result of the ideal models

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）a模型（球體）處理計(jì)算結(jié)果（圖2）

觀察可見，模型平面等值線圖中梯度帶范圍較大，模型邊界處于梯度帶邊界處；在重力垂向一階導(dǎo)數(shù)等值線圖中，模型邊界位于一階導(dǎo)數(shù)值為10的等值線處，與一階導(dǎo)數(shù)0值線相距較遠(yuǎn)；在水平總梯度模等值線圖中，模型邊界位于水平模為0.24的等值線附近，與極值0.26相距較近；在垂向二階導(dǎo)數(shù)等值線平面圖中，模型邊界位于垂向二導(dǎo)值為0的等值線附近.

2）b模型（球體）處理計(jì)算結(jié)果（圖3）

由圖3可見，平面等值線圖中梯度帶范圍較大且變化不明顯；重力垂向一階導(dǎo)數(shù)等值線圖中，模型邊界位于一階導(dǎo)數(shù)值為0.058的等值線處，與一階導(dǎo)數(shù)0值線相距較遠(yuǎn)；水平總梯度模等值線圖中，模型邊界位于水平模極值為0.055的等值線中；垂向二階導(dǎo)數(shù)等值線平面圖中，模型邊界位于垂向二導(dǎo)值為0.002的等值線附近，與0值線相距較遠(yuǎn).

3）c模型（板狀體）處理計(jì)算結(jié)果（圖4）

模型平面等值線圖中梯度帶范圍較大且變化不明顯，模型邊界在等值線范圍中難以辨認(rèn)；重力垂向一階導(dǎo)數(shù)等值線圖中，模型邊界位于一階導(dǎo)數(shù)值為6的等值線處，與一階導(dǎo)數(shù)0值線相距較遠(yuǎn)；水平總梯度模等值線圖中，模型邊界位于水平模極值為0.076的等值線附近；垂向二階導(dǎo)數(shù)等值線平面圖中，模型邊界位于垂向二導(dǎo)值為0.0025的等值線附近，與0值線相距較近.

4）d模型（球/板）處理計(jì)算結(jié)果（圖5）

模型平面等值線圖中梯度帶范圍較大，其中球體邊界位于重力異常值為55的等值線處，板狀體邊界處于梯度帶邊緣，與特定值的等值線范圍關(guān)系不大；重力垂向一階導(dǎo)數(shù)等值線圖中，球體模型邊界位于一階導(dǎo)數(shù)值為40的等值線處，與一階導(dǎo)數(shù)0值線相距較遠(yuǎn)，板狀體模型位于為導(dǎo)數(shù)值為-5等值線值附近，與0值線范圍較近；模型水平總梯度模等值線圖中，球狀模型邊界位于水平模值為0.15的等值線附近，與水平模內(nèi)部極值0.2的等值線相距較近，板狀模型邊界位于水平模極值0.6的等值線附近；垂向二階導(dǎo)數(shù)等值線平面圖中，模型邊界位于為垂向二導(dǎo)值為0.0025的等值線附近，與0值線相距較近.

圖2 a模型處理計(jì)算結(jié)果圖Fig.2 Calculation results of Model a1—等值線（gravity contour）；2—模型邊界（boundary of model）；3—等值線標(biāo)注（volume of contour）

3 不同深度a和b模型對(duì)比

觀察圖2和圖3，在模型類型和半徑大小不變的情況下，球體模型深度變大，重力等值線的梯度帶逐漸消失，梯度變小，進(jìn)而使利用梯度帶圈定的邊界范圍值變大，一階導(dǎo)數(shù)等值線梯度值變小，但梯度0值線與模型邊界依然相距甚遠(yuǎn)，二階導(dǎo)數(shù)等值線值變小，模型邊界分布在0值線附近卻距離變大，水平總梯度模異常極值與模型邊界更為接近.

對(duì)比同一深度的不同模型a和c，觀察圖2和圖4，在模型深度不變的情況下，模型形狀改變，對(duì)比不同模型的同一類異常發(fā)現(xiàn)，利用二階導(dǎo)數(shù)零值和水平總梯度模極值圈定模型邊界與實(shí)際邊界誤差較小.觀察圖5，在不同模型疊加的情況下，同樣可以發(fā)現(xiàn)，利用二階導(dǎo)數(shù)0值和水平總梯度模極值圈定模型邊界與實(shí)際邊界誤差總體較小.

圖3 b模型處理計(jì)算結(jié)果圖Fig.3 Calculation results of Model b1—等值線（gravity contour）；2—模型邊界（boundary of model）；3—等值線標(biāo)注（volume of contour）

4 結(jié)論

通過(guò)理論模型實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)同一深度不同模型、同一模型不同深度及不同模型疊加的情況進(jìn)行了重力資料處理方法應(yīng)用效果的對(duì)比.模型實(shí)驗(yàn)表明：重力垂向一階導(dǎo)數(shù)0值線對(duì)于模型邊界的圈定效果不明顯；在模型深度變大的情況下，利用梯度帶圈定模型邊界的效果不好；垂向二階導(dǎo)數(shù)0值線對(duì)于淺部模型的邊界反應(yīng)效果較好，模型深度變大，其反應(yīng)邊界的能力變?nèi)?；重力水平總梯度模極值對(duì)不同模型反應(yīng)較為穩(wěn)定，模型深度變大、類型改變，其對(duì)邊界的反應(yīng)能力變化較小.在應(yīng)用實(shí)例中，以上4種方法均對(duì)巖體邊界有一定的反應(yīng)能力，但是利用重力異常梯度帶圈定巖體的邊界誤差較大，重力異常垂向一階導(dǎo)數(shù)0值在理論模型邊界圈定中效果不明顯，重力垂向二階導(dǎo)數(shù)對(duì)深部理論模型反應(yīng)效果不佳，但其對(duì)淺部理論模型反應(yīng)較為靈敏，水平總梯度模在抗干擾能力方面相對(duì)上述3種方法表現(xiàn)較為穩(wěn)定，故筆者更傾向于利用重力水平總梯度模極值的方法來(lái)圈定模型的邊界位置.

利用重力水平總梯度模極值圈定構(gòu)造邊界具有穩(wěn)定性強(qiáng)、誤差低、效率高的特點(diǎn)，很大程度上提高了區(qū)域重力資料解釋的效率.相信重力水平總梯度模極值圈定構(gòu)造邊界的方法在區(qū)域重力調(diào)查、地質(zhì)填圖中有更廣闊的應(yīng)用前景.

圖4 c模型處理計(jì)算結(jié)果圖Fig.4 Calculation results of Model c1—等值線（gravity contour）；2—模型邊界（boundary of model）；3—等值線標(biāo)注（volume of contour）

圖5 d模型處理計(jì)算結(jié)果圖Fig.5 Calculation results of Model d1—等值線（gravity contour）；2—模型邊界（boundary of model）；3—等值線標(biāo)注（volume of contour）

［1］王萬(wàn)銀．位場(chǎng)總水平導(dǎo)數(shù)極值位置空間變化規(guī)律研究［J］．地球物理學(xué)報(bào),2010,53（9）:2257—2270．

［2］姚姚.地球物理反演基本理論與應(yīng)用方法［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,2002:90—93．

PRELIMINARY DISCUSSION ON THE DELINEATION METHOD OF GEOLOGICAL STRUCTURE BOUNDARY WITH GRAVITY DATA

LIU Tie,WANG Cheng-Long,YANG Zhong-Jie

Liaoning Institute of Geology and Mineral Survey,Shenyang 110031,China

Based on the theoretic experimental model,the application effects of the delineation method of structure boundary with gravity data are discussed.The advantages and disadvantages of the method are analyzed for the gravitational vertical secondary derivative,level total gradient maximum,gravity contour gradient and gravitational vertical first derivative.This method provides an effective basis for geological interpretation of regional gravity data.

gravitational field;structure boundary;level total gradient modules

1671-1947（2015）06-0577-06

P631.1

A

2014－06－16；

2014-11-22.編輯：張哲．

劉鐵（1970—），男，工程師，從事物、化探研究工作，通信地址遼寧省沈陽(yáng)市皇姑區(qū)寧山中路42號(hào)，E-mail//liutie818@126.com