位場(chǎng)數(shù)據(jù)線性特征提取技術(shù)在扎河壩地區(qū)構(gòu)造劃分中的應(yīng)用

摘" 要：為精細(xì)解譯劃分新疆扎河壩地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)地質(zhì)找礦工作，在介紹研究區(qū)地質(zhì)背景、布格重力異常、航磁異常特征的基礎(chǔ)上，分別采用水平方向?qū)?shù)和總水平梯度傾角法（TAHG）對(duì)研究區(qū)布格重力異常數(shù)據(jù)進(jìn)行線性構(gòu)造提取對(duì)比分析。結(jié)果表明，后者較傳統(tǒng)方向?qū)?shù)法，提取構(gòu)造的連續(xù)性更強(qiáng)，能識(shí)別出不同規(guī)模層次的斷裂，精度更高。通過(guò)綜合研究，共識(shí)別區(qū)內(nèi)一級(jí)斷裂（深大斷裂）5條，二級(jí)斷裂25條，取得了較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：線性特征提取；方向?qū)?shù)；總水平梯度傾斜角法；準(zhǔn)噶爾北緣；蘊(yùn)都卡拉金銅鈷礦床

扎河壩地區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地北緣，處于西伯利亞板塊與準(zhǔn)噶爾板塊縫合構(gòu)造帶的南側(cè)，在長(zhǎng)期地質(zhì)演變過(guò)程中，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和不同應(yīng)力場(chǎng)的作用，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖漿活動(dòng)頻繁，地層與巖漿巖分布主要受主干深斷裂控制，具有優(yōu)越的成礦地質(zhì)構(gòu)造條件?。研究區(qū)周邊產(chǎn)出有銅、鎳、鉑、鐵、金、鉻、鈷及非金屬礦，著名的有喀拉通克銅鎳礦床、薩爾布拉克金礦床、索爾庫(kù)都克銅鉑礦床、哈臘蘇銅金礦床、希勒庫(kù)都克銅鉑礦床、喬夏哈拉鐵銅金礦床、阿克塔斯金礦床、阿拉塔斯金礦床、卡拉先格爾銅礦床、玉勒肯哈臘蘇銅礦床、老山口鐵銅金礦床等[1]。2016—2020年新疆地礦局第四地質(zhì)大隊(duì)在扎河壩地區(qū)發(fā)現(xiàn)了蘊(yùn)都卡拉金銅鈷礦床，估算資源量金達(dá)大型，銅、鈷達(dá)中型[2]。前人研究表明，蘊(yùn)都卡拉金銅鈷礦主要受NW向斷裂控制。準(zhǔn)確劃定區(qū)內(nèi)斷裂位置，尤其是次級(jí)斷裂，分析斷裂展布特征及性質(zhì)是擴(kuò)大研究區(qū)找礦成果、提高綜合研究程度的重要方向之一。

研究區(qū)內(nèi)已覆蓋1∶20萬(wàn)區(qū)域重力、1∶5萬(wàn)重力和1∶5萬(wàn)航磁等面積性物探工作，在礦區(qū)普查中也開(kāi)展過(guò)針對(duì)不同礦種的大比例尺物探工作，但方法單一，工作系統(tǒng)性不強(qiáng)，南部存在大面積覆蓋區(qū)，綜合研究程度較低，全區(qū)地質(zhì)構(gòu)造也未開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)性研究?。本文以扎河壩研究區(qū)1∶5萬(wàn)重力資料為基礎(chǔ)，利用傳統(tǒng)的方向?qū)?shù)法和總水平梯度傾角法識(shí)別提取研究區(qū)斷裂構(gòu)造位置[3]，通過(guò)應(yīng)用效果對(duì)比分析，驗(yàn)證了總水平梯度傾角法處理提取微弱信息、研究線性構(gòu)造的實(shí)用性、高精度，旨在說(shuō)明運(yùn)用位場(chǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)展構(gòu)造精細(xì)研究工作，對(duì)于地質(zhì)找礦和綜合研究工作具有重要指導(dǎo)意義。

1" 研究區(qū)地質(zhì)、地球物理背景

1.1" 區(qū)域地質(zhì)背景

扎河壩研究區(qū)位于哈薩克斯坦-準(zhǔn)噶爾板塊北緣，查爾斯克-喬夏哈拉縫合線的南側(cè)，屬北疆地層區(qū)之北準(zhǔn)噶爾地層分區(qū)，包括額爾齊斯蛇綠構(gòu)造混雜帶以南地區(qū)[4]。研究區(qū)地層出露較全，大部分為古生界，其中以泥盆系、石炭系分布最為廣泛；次為奧陶系、二疊系，分布于中部及東南部；新生界廣泛分布于研究區(qū)以東大部及西南部。地層接觸關(guān)系以斷裂接觸為主。研究區(qū)內(nèi)侵入巖廣泛發(fā)育，巖石類(lèi)型復(fù)雜，主要有超基性巖、堿性花崗巖、（石英或輝石）閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、花崗斑巖、花崗巖和正長(zhǎng)巖，巖漿侵入活動(dòng)主要集中在早—中泥盆世、晚石炭—早二疊世[5]（圖1-b）。區(qū)域構(gòu)造位于北準(zhǔn)噶爾晚古生代島弧帶（Ⅱ-1），以扎河壩蛇綠巖套為界又可分為薩吾爾-二臺(tái)晚古生代島弧帶（Ⅱ-1-①）、塔爾巴哈臺(tái)-阿爾曼太早古生代溝弧帶（Ⅱ-1-②）2個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元，構(gòu)造總體走向?yàn)镹W向（圖1-a）。研究區(qū)總體受區(qū)域性額爾齊斯斷裂和烏倫古河大斷裂控制，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，其中以NW向斷裂為主，局部近EW向、NE向及NNW向斷裂次之。

1.2" 研究區(qū)重磁異常特征

研究區(qū)布格重力異常對(duì)不同地質(zhì)單元、地質(zhì)構(gòu)造及巖體的分布反映非常明顯。全區(qū)布格重力異常變化較大，總體特征表現(xiàn)為西高東低、南北分帶（圖2-a）。區(qū)內(nèi)布格重力異常值最高區(qū)位于西北部泥盆系托讓格庫(kù)都克組，最低區(qū)位于普查區(qū)東南部第四系覆蓋區(qū)，對(duì)應(yīng)沉積凹陷盆地的中心。這種西高東低、逐級(jí)遞減的重力場(chǎng)分布特征疊加了兩重因素，從地層分布情況來(lái)看，西部地區(qū)普遍出露古生界以中基性火山巖為主，密度較高，形成大面積重力高值區(qū)，中東部區(qū)域以第四系覆蓋區(qū)為主，形成重力低值區(qū)，說(shuō)明研究區(qū)地層向E、SE向傾伏。在區(qū)域上，則反映出研究區(qū)基底由東向西逐漸隆升的趨勢(shì)。由于區(qū)內(nèi)地層接觸關(guān)系以斷裂接觸為主，斷裂構(gòu)造多為NW向和近EW向，導(dǎo)致各地層單元沿NW向形成規(guī)模不同的斷塊，布格重力場(chǎng)南北分帶、起伏變化特點(diǎn)清晰的反應(yīng)了這一地層分布特征。區(qū)內(nèi)主要重力梯級(jí)帶基本沿NW向至EW向展布，與地質(zhì)構(gòu)造主應(yīng)力方向一致，各梯級(jí)帶之間重力場(chǎng)特征迥異，以主要重力梯級(jí)帶為界，結(jié)合區(qū)內(nèi)地層構(gòu)造單元的分布實(shí)際，可進(jìn)一步將普查區(qū)布格重力場(chǎng)劃分為6個(gè)區(qū)（圖2-a）1。

研究區(qū)航磁異常變化幅度較大，線性異常特征明顯，有較強(qiáng)的正、負(fù)異常相間出現(xiàn)，磁場(chǎng)展布方向與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，與布格重力異常有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖2-b）。北部強(qiáng)度大于300 nT的航磁異常區(qū)，與區(qū)內(nèi)泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)中基性火山巖關(guān)系密切；中南部異常強(qiáng)度為200～250 nT的正磁異常區(qū)，可能與淺成中酸性侵入巖有關(guān)；西南部異常強(qiáng)度大于300 nT的正磁異常區(qū)，則明顯與基性、超基性巖分布范圍吻合；東南部大面積第三、第四系分布區(qū)，存在一個(gè)近NS向展布、異常強(qiáng)度大于200 nT的航磁異常區(qū)，推測(cè)與隱伏的中酸性侵入巖及中基性火山巖有關(guān)。

蘊(yùn)都卡拉金銅鈷礦位于研究區(qū)西南部鐵熱克巴斯闊臘-塔沙喀臘一帶高重力場(chǎng)區(qū)內(nèi)，具有高磁高重特征。可以看到，礦區(qū)所處的高磁高重異常帶在NW向一直延伸至區(qū)外，明顯受區(qū)域性斷裂控制。因此，精細(xì)研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造分布特征，對(duì)于擴(kuò)大找礦成果、發(fā)現(xiàn)同類(lèi)礦床具有重要指示意義。

2" 位場(chǎng)數(shù)據(jù)線性特征提取技術(shù)

板塊邊界、不同地質(zhì)體邊界和斷裂帶等構(gòu)造邊界往往具有一定密度、磁性差異，造成重磁異常場(chǎng)變化較大，據(jù)這一特點(diǎn)可利用重磁資料研究區(qū)域構(gòu)造特征，其中一個(gè)重要途徑是重磁異常線性構(gòu)造分析（或稱(chēng)邊緣識(shí)別或邊緣檢測(cè)）[6-8]。目前，利用重磁位場(chǎng)識(shí)別地質(zhì)體邊緣的方法大致可分為3類(lèi)：數(shù)值計(jì)算、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和其他3大類(lèi)。數(shù)值計(jì)算的方法利用極大值位置或零值位置確定地質(zhì)體的邊緣位置，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法，主要包括垂向?qū)?shù)、總水平梯度法、解析信號(hào)、Tilt梯度法及其水平導(dǎo)數(shù)、Theta圖法[9]、總水平梯度傾斜角法等。數(shù)理統(tǒng)計(jì)類(lèi)邊界識(shí)別方法有小子域?yàn)V波和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差方法，這類(lèi)方法通過(guò)滑動(dòng)窗口對(duì)所選異常數(shù)據(jù)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以達(dá)到識(shí)別地質(zhì)體邊界的目的[10，11，12]。其它方法包括多尺度小波模極大值的方法及歸一化總梯度法等[13]。

3" 研究區(qū)構(gòu)造識(shí)別

3.1" 水平方向?qū)?shù)分析

在重磁數(shù)據(jù)的分析與研究方面，其方向?qū)?shù)對(duì)斷裂構(gòu)造的識(shí)別劃分起到了重要作用。重磁數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)有多種，包括水平導(dǎo)數(shù)、垂向一階導(dǎo)數(shù)、斜導(dǎo)數(shù)、斜導(dǎo)數(shù)的水平導(dǎo)數(shù)等，其中使用最為廣泛的為重磁異常的水平導(dǎo)數(shù)[14]。水平導(dǎo)數(shù)為異常在相應(yīng)水平方向的變化率。水平方向?qū)?shù)可使異常所含成分的比例發(fā)生變化，有利于對(duì)異常的劃分，對(duì)水平任意方向求導(dǎo)數(shù)，可對(duì)與其垂直方向上的高頻成分起到放大作用[15]。不同求導(dǎo)方向突出的是與其垂直方向的異常特征，求取方向?qū)?shù)時(shí)，圖中顯示等值線圈閉的同向軸線指示密度變化的邊界。利用這一原理可判斷區(qū)域斷裂的平面位置，判斷斷裂帶、構(gòu)造線和隱伏地層的走向。

為合理劃分和識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造，筆者利用布格重力異常求取4個(gè)方向的（0°、45°、90°、135°）水平一次導(dǎo)數(shù)，對(duì)普查區(qū)的構(gòu)造進(jìn)行了初步劃分（圖3）。由于普查區(qū)整體構(gòu)造格局以NW方向和EW方向?yàn)橹鳎虼耍?°、45°、90°方向?qū)?shù)所呈現(xiàn)的異常線性特征較為明顯，對(duì)大多數(shù)斷裂構(gòu)造均有不同程度的反映，135°方向?qū)?shù)主要突出NE向斷裂構(gòu)造。從圖3中可看出，普查區(qū)NE向構(gòu)造較少，規(guī)模不大，且形成時(shí)期晚于NW向構(gòu)造，對(duì)NW向構(gòu)造有一定的改造和破壞作用。

3.2" 總水平梯度傾斜角法" " " " " " " "（TAHG）

總水平梯度傾斜角法（TAHG）以總水平梯度法為基礎(chǔ)，首先計(jì)算總水平梯度各方向的方向?qū)?shù)，然后計(jì)算其垂向?qū)?shù)與總水平梯度之比的反正切值．TAHG極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)邊界位置，其計(jì)算公式為：

[TAHG=]tan-1[?TDX/?z（?TDX/?x）2+（?TDX/?y）2]…" " （1）

式（1）中，TDX為總水平梯度，V為重力異常或磁異常。

[TDX=（?V/?x）2+（?V/?y）2]… （2）

式（2）中，TAHG值的范圍為（-π/2，π/2），這種方法在場(chǎng)源邊界處為最大值，同時(shí)可獲得深源和淺源的信號(hào)。TAHG方法平衡了強(qiáng)弱異常邊界的顯示，同時(shí)具較高的識(shí)別精度[11]。

采用（TAHG）算法對(duì)研究區(qū)1∶5萬(wàn)布格重力數(shù)據(jù)提取不同深度線性構(gòu)造信息實(shí)際應(yīng)用效果（圖4-a）。該方法可清晰顯示出各走向構(gòu)造，且具一定連續(xù)性，同時(shí)由于極大值對(duì)應(yīng)場(chǎng)源的邊界，劃分線性構(gòu)造的平面位置更為準(zhǔn)確。相較于水平方向?qū)?shù)分析，TAHG方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造的反映更為清晰、明顯，同時(shí)對(duì)主要隱伏巖體和地層的邊界劃分也有重要的指示作用。

3.3" 研究區(qū)構(gòu)造解譯成果

對(duì)研究區(qū)斷裂構(gòu)造的識(shí)別和解譯主要運(yùn)用總水平梯度傾斜角法（TAHG）的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)綜合區(qū)航磁異常、剩余重力異常成果和地質(zhì)資料，對(duì)所有線性構(gòu)造進(jìn)行分類(lèi)分級(jí)、詳細(xì)厘定，最終獲得解譯成果（圖4-b）。

據(jù)地球物理數(shù)據(jù)處理結(jié)果和普查區(qū)地質(zhì)資料，共識(shí)別區(qū)內(nèi)一級(jí)斷裂（深大斷裂）5條，其中NW向斷裂4條，北東向斷裂1條，編號(hào)分別為FⅠ～FⅤ（ 圖4-b）。FⅠ斷裂（薩熱鐵列克斷裂）：深大斷裂，延伸至區(qū)域外，區(qū)域上稱(chēng)之為薩熱鐵列克-喀爾扎克鐵或恰烏卡爾-結(jié)爾得嘎拉斷層，位于局部高重力異常與低重力異常的接觸度帶上，航磁異常顯示為高低值急劇變化的梯級(jí)帶；FⅡ斷裂（烏倫古河大斷裂）：深度較大，走向NW向，延伸出區(qū)外，傾向SW向，區(qū)內(nèi)長(zhǎng)約48 km，區(qū)域上屬烏倫古河深大斷裂；FⅢ斷裂：整體走向?yàn)镹W向，被NE向斷裂切割為3段，該斷裂所處區(qū)域大部分為第四系覆蓋區(qū)，主要由重磁異常數(shù)據(jù)推斷識(shí)別。推測(cè)為研究區(qū)南部二疊系與石炭系姜巴斯套組的分界線；FⅣ斷裂：深度較大，走向近EW向，傾向S向，位于第四系覆蓋區(qū)，主要由重磁異常數(shù)據(jù)推斷識(shí)別。線性特征提取結(jié)果顯示，隨延拓高度的增加，構(gòu)造特征線逐漸南移，推測(cè)向南傾斜，該斷裂為中南部中新生代沉積凹陷盆地的北部邊界線；FⅤ斷裂：較晚期NE向斷裂，走向NE向1。識(shí)別二級(jí)斷裂25條，編號(hào)分別為F1～F25，從圖4-b黑色實(shí)線可看出，這些斷裂相對(duì)深大斷裂規(guī)模較小，深度較淺，但仍為普查區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造。

需要注意的是由于受基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分辨率、處理方法等方面的影響，基于地球物理方法的斷裂構(gòu)造識(shí)別技術(shù)在識(shí)別物性差異較小的斷裂時(shí)可能失效。此種斷裂構(gòu)造大體分為2類(lèi)：①斷裂構(gòu)造本身規(guī)模較小，造成的物性差異不足以引起數(shù)據(jù)的反應(yīng)；②斷裂構(gòu)造本身規(guī)模不小，但被后期地質(zhì)活動(dòng)影響而導(dǎo)致物性差異減弱，進(jìn)而造成難以被識(shí)別，此種情況經(jīng)常發(fā)生于早期斷裂構(gòu)造。本次斷裂構(gòu)造推斷工作中，產(chǎn)生于同一地層之中的次級(jí)斷裂多數(shù)是因其本身規(guī)模較小，導(dǎo)致1∶5萬(wàn)物探數(shù)據(jù)的分辨率無(wú)法滿足識(shí)別要求。對(duì)于此種情況，可采取加大基礎(chǔ)數(shù)據(jù)密度，增強(qiáng)數(shù)據(jù)分辨率的方法解決。同時(shí)，地球物理方法識(shí)別的構(gòu)造位置往往與地表實(shí)際觀測(cè)的位置有差別，因?yàn)榈厍蛭锢矸椒ㄋR(shí)別的構(gòu)造線其實(shí)質(zhì)是地質(zhì)體的物性分界線，其地表位置是地下地質(zhì)體物性分界線的綜合反應(yīng)。

4" 結(jié)論

（1） 常規(guī)水平方向?qū)?shù)方法提取線性構(gòu)造連續(xù)性較差，精度偏低。

（2） 采用總水平梯度傾斜角法（TAHG）提取研究區(qū)線性特征信息可清晰顯示出各種走向的構(gòu)造，且具有一定連續(xù)性，劃分線性構(gòu)造的平面位置相對(duì)準(zhǔn)確。

（3） 位場(chǎng)數(shù)據(jù)線性特征提取技術(shù)能夠?yàn)榉治鲎R(shí)別斷裂構(gòu)造位置、走向、傾向等基礎(chǔ)地質(zhì)信息可提供依據(jù)，同時(shí)對(duì)隱伏巖體和地層的邊界劃分也有重要的指示作用，在覆蓋區(qū)地質(zhì)填圖領(lǐng)域也大有用武之地。

致謝：項(xiàng)目野外工作期間得到中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院湯賀軍博士、鄧震博士的大力協(xié)助；線性特征提取技術(shù)主要算法得到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院張壹博士的大力幫助，在此一并表示衷心感謝。

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Application of Linear Feature Extraction Technology of Potential Field Data in Fault Structure Division in Zhaheba Area

Kong Fanliang1，2，3，4，Zhou Quan3，Jiang Zhongxiang3

（1.School of Geophysics and Information Technology， China University of Geosciences （Beijing），Beijing，100083，China; 2.Xinjiang Uygue Autonomous Region of Geological and Mineral Resources Exploration and Development Bureau Eighth Geological Brigade， Aksu， Xinjiang， 843000，China; 3.Geophysical and Geochemical prospecting group of Xinjiang bureau of geology and mineral resources Exploration and Development，Changji，Xinjiang，831100，China;

4.College of Geological and Mining Engineering Xinjiang University，Urumqi， Xinjiang，830047，China）

Abstract： In order to accurately interpret and divide the geological structure of Zhaheba area in Xinjiang and guide the geological prospecting work， On the basis of introducing the geological background of the study area， and the characteristics of Bougue gravity and aeromagnetic anomalies， using by the horizontal derivative and the total tilt angle of horizontal grandient （TAHG） to analyse the linear structure with Bouguer gravity anomaly data in the study area. The results show that the TAHG is more continuous than the traditional directional derivative method in extracting structures， and can identify faults of different scales and levels， has higher accuracy. Through comprehensive research， 5 primary faults （deep and large faults） and 25 secondary faults have been identified， and good application results have been achieved.

Key words： Linear feature extraction; Directional derivative; Tilt angle of horizontal grandient; Northern margin of Junggar; Yundukala Au-Cu-Co deposit