航磁梯度数据在磁性地质体边界判断方面的研究

郭 华，贾伟洁，王 平，谢汝宽

1.中国地质大学(北京)地球物理及信息技术学院，北京 100083 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083



航磁梯度数据在磁性地质体边界判断方面的研究

郭 华1,2，贾伟洁2，王 平1,2，谢汝宽2

1.中国地质大学(北京)地球物理及信息技术学院，北京 100083 2.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083

完全国产化的航磁全轴梯度勘查系统已开展了测量工作，并获得了比较理想的梯度数据，但是如何利用梯度数据进行磁性地质体边界圈定还处于研究阶段。笔者先给出了航磁全轴梯度测量原理;然后着重从利用梯度数据尤其是垂向梯度数据进行岩体边界圈定等方面进行了讨论研究，认为航磁梯度数据相比于总场数据在地质体边界判断方面可提供更加丰富的地球物理信息;接着提出了梯度数据需要在判断磁性地质体边界上进行化极处理，并根据垂向梯度数据零值线确定地质体边界的原则，圈定磁性地质体的边界位置。与实际地质情况的对比表明，利用梯度数据圈定磁性地质体边界的应用效果比利用总场数据的效果明显。

航磁全轴梯度系统；梯度测量原理；岩性判断；边界圈定

0 引言

张昌达[1]提出航空磁测测量有四个阶段：地球磁场的总磁场强度或模量测量、地球磁场的总磁场强度模量的空间变化率或梯度测量、地球磁场的三个分量测量以及地球磁场三个分量的空间变化率的测量。国外已经开展了第四阶段的航磁测量飞行工作[2]，而我国还主要处于第一阶段的航磁测量工作，与世界先进水平相比，还有很大的差距。中国国土资源航空物探遥感中心(简称航遥中心，AGRS)研制的航磁全轴梯度勘查系统，获得了较为理想的横向梯度、纵向梯度和垂向梯度数据，其水平梯度噪声小于5 pT/m、垂直梯度噪声小于15 pT/m，达到了国外同类仪器的先进水平，使得我国航磁测量技术向前迈进一大步[3-4]。

航磁梯度异常可以有效减弱背景场的影响、突出浅部磁性体，因而能清楚地给出不同埋藏深度地磁体的差异，有效降低化极处理带来的误差及虚假异常的干扰，从而在圈定局部异常、火山构造、划分构造边界方面得到更有效的应用。在没有利用国内研发的梯度勘查系统获得实测梯度数据之前，一般的航磁测量获得的都是航磁平面场值数据；在进行地质解释时，多数情况下会将平面场值转换成梯度场值，在数据转换过程中会产生误差，影响地质解释效果。采用实测的梯度数据，可有效消除磁数据处理转换误差环节，使得磁测资料更加真实。

国内有学者曾对国外生产的磁梯度仪所测资料进行解释，取得了较好效果。王隽人等[5]利用引进于加拿大的航磁垂直梯度系统数据在冀东地区地质填图中进行了应用，指出航磁垂直梯度测量是地质填图和矿产勘探的有效手段；管志宁等[6]利用引进于加拿大的垂直梯度系统数据在金矿地质填图和成矿预测中进行了应用，总结了金矿床中航磁梯度异常的变化规律，取得了较好的地质效果。以上两篇文献都仅应用了垂向梯度进行解释，缺少水平梯度数据。骆燕等[7]利用引进于加拿大的垂直、水平梯度系统数据在潮水地区进行了应用，特别指出实测的垂向梯度比计算的垂向一阶导数提供的信息更丰富；李晓禄等[8]利用引进于加拿大的垂直、水平梯度系统数据，在砂岩型铀矿勘查进行了应用，认为航磁梯度数据可以识别微弱地磁变化，但直接应用于砂岩型铀矿尚处于探索阶段，需进一步研究、验证。

从梯度数据应用与地质构造解释的研究现状可以看出，对于梯度数据的解释还仅限于国外的航磁梯度勘查系统，借鉴利用国内梯度数据进行解释的文献还不是很多。笔者就如何利用横向梯度、纵向梯度和垂向梯度异常特点，在判断岩性及圈定岩体边界方面进行研究探讨。

1 航磁全轴梯度测量原理

地球主磁场垂向梯度的变化范围为0.015～0.030 nT/m，从赤道向两极地区不断增大；水平梯度的变化范围为0.003 ～0.005 nT/m，从赤道向两极不断减弱。而局部地质体或构造产生的梯度异常则可达到10 nT/m的量级，因此,可以采用具有一定间距的磁力仪测量地磁场的差值来获取磁异常梯度。航磁梯度测量分为水平梯度、垂直梯度和全轴梯度(三轴梯度)测量[9]。全轴梯度是指沿机翼方向的横向梯度、沿机身方向的纵向梯度和垂向梯度。根据梯度的定义，空间点P(x,y,z)处磁场值T(x,y,z)的梯度为

式中：∂T/∂x为横向梯度；∂T/∂y为纵向梯度；∂T/∂z为垂向梯度;i=cosIcosD;j=cosIsinD;k=sinI;I为地磁倾角;D为地磁偏角。为了测量磁场的梯度，实际采取如图1所示的结构进行航磁梯度测量[10]。飞机两翼尖各安装一个探头，尾部竖直安装两个探头，左、右及尾部下探头在同一个水平面上。这样，左、右、后上、后下四个探头分别可测得TL、TR、TU、TD四个地磁场总强度，可通过四道磁力仪间地磁场总强度的差值近似计算梯度：

式中，Δx、Δy、Δz依次为磁探头的横向间距、纵向间距和垂向间距。

图1 航磁全轴梯度测量装置示意图Fig.1 Schematic diagram of three axis airborne magnetic gradiometer device

2 应用实例

2.1 研究区地质概况

研究区为中国北部某地区，地质概况如图2所示。研究区较多区域由第四系覆盖，局部地区见二叠系及侏罗系。第四系的成因类型为：草原砂土、沼泽堆积、坡积洪积、冲积湖积、风成砂堆积。草原砂土多为黄褐色砂质黏土及亚砂；沼泽堆积主要为砂砾及淤泥，厚度大于10 m；坡积洪积为砾石、岩石碎屑、泥砂质等混合型堆积物，厚度大于10 m；冲积湖积为砂砾石、泥砂、淤泥等混合堆积，厚度大于100 m；风成砂堆积为风成沙丘，厚度不小于30 m。二叠系主要为达里诺尔组火山岩段：灰色、淡粉色、深灰绿色流纹岩，角斑岩，辉绿岩夹安山岩，硬砂岩，海棉骨针硅质岩。侏罗系主要为道特诺尔组和布拉根哈达组：道特诺尔组的露头零星，分布较广泛，大致呈北东向产出，其岩性为一套以紫灰色、红色、灰色气孔状、杏仁状玄武岩夹橄榄玄武岩为主的基性火山岩，厚度大于930.2 m；布拉根哈达组为一套以灰白色、灰粉色、灰紫色凝灰岩和流纹岩夹凝灰火山角砾岩为主的酸性火山岩，出露厚度大于2 149 m。研究区主要岩石物性参数见表1。

表1 研究区主要岩石物性参数

Table 1 Main petrophysical parameters in the study area

岩性感应磁化率/(10-5SI)感应磁化率平均值/(10-5SI)剩余磁化率/(10-5SI)剩余磁化率平均值/(10-5SI)玄武岩8～8164037680～188402512安山质角砾岩628～62801256628～12561005

注：泥岩、砂岩、砾岩的感应磁化率及剩余磁化率均为0。

2.2 利用实测梯度数据结合已知地质资料推断岩性

结合已知地质填图信息，利用梯度数据可以判断引起磁总场异常的岩体岩性。梯度数据相比于总场数据在岩性判断方面提供了更加丰富的地球物理信息。图3为研究区的磁总场(ΔT)等值线，由图3大致判断，图3中1区和2区存在由岩体引起的总场异常，而且应为同一种岩性。在研究区采用南北测线方向的航磁梯度测量获得了梯度数据。对图3中的异常1区和2区的横向、纵向和垂向梯度等值线进行分析(图4，图5)。笔者发现，各梯度等值线特征完全不一致。由图4可知：异常1区横向梯度表现为与测线水平正交方向上的正负相间异常，纵向梯度表现为沿测线方向上的正负相间异常，垂向梯度表现为与图3中磁总场相似的异常特征。由图5可知，异常2区横向梯度表现为与测线水平正交方向上的正负异常条带，纵向梯度表现为沿测线方向上的正负异常条带，垂向梯度表现为沿着磁性体构造走向的零值线或近似零值线区域的正负异常条带[11]。

图2 研究区区1∶20万地质概况图Fig.2 1∶200 000 geological sketch in the study area

图3 研究区1∶5万ΔT等值线平面图Fig.3 1∶50 000 ΔT contour diagram in the study area

图4 ΔT磁异常1区1∶5万横向(a)、纵向(b)和垂向(c)等值线(单位：nT/m)Fig.4 1∶50 000 lateral (a), longitudinal (b) , and vertical (c) gradient contour diagram of ΔT magnetic anomaly in area 1 (unit: nT/m)

图5 ΔT磁异常2区1∶5万横向(a)、纵向(b)和垂向(c)等值线(单位：nT/m)Fig.5 1∶50 000 lateral (a), longitudinal (b), and vertical (c) gradient contour diagram of ΔT magnetic anomaly in area 2 (unit: nT/m)

大部分中基性火山岩的磁性较强，且磁性变化不强烈，但是有些中基性火山岩(如安山岩、玄武岩)引起的磁场极不均匀，磁场和磁梯度幅值变化十分强烈，且垂向梯度数据有正负之分。根据研究区梯度数据的特点，由图4和图5可以初步判定该区磁异常主要是由磁性变化较强烈的中基性火山岩引起。通过实地踏勘和已知地质资料进行佐证，有效地分辨出本研究区异常主要由玄武岩引起。

2.3 垂向梯度化极与总场化极岩体圈定效果对比

在以前的航磁梯度地质解释中，并没有化极或化赤的概念，在进行岩体边界圈定时，实测的垂向梯度数据往往被认为可以直接进行岩体的边界圈定，而且认为圈定的岩体边界比总场圈定得更加细致。但是，将利用实测垂向梯度数据圈定的岩体边界与利用化极后总场及其转换垂向梯度圈定的边界进行对比后发现，利用实测垂向梯度数据圈定的岩体边界往往向南偏移，利用化极后总场圈定的岩体边界能够大概反映出地质体边界的位置(图6)。分析直接利用实测垂向梯度数据圈定岩体边界结果南移的原因后得知，垂向梯度数据在垂直磁化时零值线才对应于岩体的边界，而在非垂直磁化时，零值线就会发生偏移。这与总场需要进行化极的概念一致，需要进行梯度数据的化极处理。因此，利用化极后的总场进行岩体边界的圈定，达到了更加精细地控制岩体边界的目的。

2.4 利用实测梯度数据判定玄武岩边界

在地质解释方面，仅判断出研究区岩性是不够的，还需要对引起该区域异常的地质体范围进行圈定，为后期的地质解释工作奠定基础。

在已知的资料中，20世纪60年代地矿部航空物探大队曾对研究区进行了1∶20万的航空磁测并编写成果解释报告*王秀清，解信友. 内蒙古锡盟地区航空物探结果报告. 地矿部航空物探大队,1961.。在此成果报告所记载的岩性构造图的推断解释中，有一处玄武岩引起的异常区位于本区内(图7蓝色线区域)。此玄武岩在本区域呈面状分布，黑色致密块状，磁性较强，磁场正负跳跃变化较为强烈。

a.岩体的圈定；b.化极处理后的垂向梯度数据；c.未做任何处理的的垂向梯度；d.总场化极。图6 垂向梯度、垂向梯度化极、总场化极对比图及岩体圈定图Fig.6 Diagram of vertical gradient, vertical gradient reduce to pole, total field reduce to pole and rock mass delineation

利用航磁ΔT异常来推断磁性地质体或岩体的边界已经历了几十年[12-15]，但是ΔT异常反映的是深部和浅部异常信息的叠加，这样在圈定岩体边界的时候会受到深部或浅部异常信息的干扰，影响岩体边界圈定的效果；梯度数据具有压制深部异常信息、突出浅部异常信息的特点，因此利用垂向梯度数据进行岩体边界圈定时会将所受到的磁干扰降到最小，提高浅部磁性地质体边界圈定的真实性，增强了梯度数据的应用效果，也为梯度数据较好地应用于地质解释奠定了基础。研究区位于较高纬度地区，经理论计算证明,实测航磁垂向梯度数据剖面线图与垂直磁化时的数据有一定的变化。因此，笔者利用2012年采集到的高精度磁总场数据和磁梯度的横向、纵向和垂向数据进行玄武岩体边界的圈定，与20世纪60年代采集到的低精度航磁数据推断的玄武岩体边界效果进行对比分析。

研究区玄武岩磁性较强，横向、纵向及垂向上的变化率也较大：横向梯度数据变化范围为0～175 pT/m，常见值为50 pT/m；纵向梯度数据变化范围为0～200 pT/m，常见值为30 pT/m；垂向梯度数据变化范围为0～325 pT/m，常见值为100 pT/m。梯度数据具有如下特点：横向梯度和纵向梯度数据的最大值和最小值反映的是异常体的边界位置，零值线对应于异常体的中心位置；垂向梯度数据的零值线对应的是异常体的边界位置[4-5]。

图7 1：20万航磁ΔT异常等值线图及玄武岩边界(蓝色线)Fig.7 1:200 000 aeromagnetic ΔT anomaly diagram and basalt boundary (blue line)

图8 研究区垂向梯度等值线图Fig.8 Vertical gradient contour diagram in the study area

图8为研究区垂向梯度等值线图，根据垂向梯度和其他梯度数据以及梯度化极数据，对研究区岩体边界进行圈定，结果见图9。对比图7和图9可知，图9推断的玄武岩异常区与图6推断的玄武岩异常区并不完全对应。这是因为受20世纪60年代航磁定位仪器精度较低、比例尺较小等条件的限制，图7中玄武岩边界的划定还不够十分准确；本文磁测量的定位仪器精度较高、比例尺较大，所获得的梯度数据和总场数据突出了更多的细节，因而对于岩体边界的圈定更加细致可靠。

图9 研究区利用航磁ΔT垂向梯度异常圈定的玄武岩区Fig.9 Basalt map delineated using aeromagnetic ΔT vertical gradient anomalies in the study area

将最后圈定的玄武岩位置的总场等值线(图3)与垂向梯度等值线(图8)对比后发现，A区(图9)在总场数据等值线图上反映较平缓，在垂向梯度数据等值线图上反映较微弱。总场反映的是浅部和深部信息的叠加，而梯度数据反映的是浅部信息；随着埋藏深度0～800 m，纵向梯度数据从最大值为450 pT/m衰减到最小值为27 pT/m；垂向梯度数据剖面中的拐点(相当于等值线图中最密集点)之间的距离代表地下异常体埋藏深度。按照实际比例尺计算出A区内的异常体反映的地质体顶面深度为700～800 m，而所圈定的玄武岩区域内的异常埋藏深度为0～400 m。因此：1)A区相对于所圈定的玄武岩区域就形成了一个坳陷，由充填物引起的异常也是存在的；2)在700 m的深度所引起的异常也可能不是玄武岩导致。基于以上两点，没有将A区圈定为玄武岩。

3 结论与建议

1)利用航磁全轴梯度勘查系统获得的x,y,z三个方向的梯度数据，相比于单独采集到的航磁数据获得的异常信息确实丰富了很多。

2)通过首先利用总场数据判断岩体区域后，再根据实测数据结合当地地质资料来判断岩体岩性，同时利用异常值最大化处理后的垂向梯度数据的零值线对应地质异常体的边界位置的原则，进行岩体边界的圈划，充分体现了梯度数据在突出浅部异常、压制深部异常上的作用。

3)通过分析垂向梯度化极数据与总场化极数据在地质体边界的对比，表明梯度数据在进行地质解译时确实比总场数据有其优势。

但是由于梯度数据压制背景场的特点，在初步判断异常是否为岩体引起时，除了看地质资料外，还要对总场的数据进行分析比较，如在未采集总场数据的情况下也同样可以由梯度数据转换而成[7]，这样综合考虑总场数据和梯度数据共同进行岩性构造填图，可以大大提高航空物探的解释精度。

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Using Airborne Magnetic Gradiometer Data to Determine Magnetic Rock Mass Boundary

Guo Hua1,2, Jia Weijie2, Wang Ping1,2, Xie Rukuan2

1.SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China
2.ChinaAeroGeophysicalSurvey&RemoteSensingCenterforLandandResources,Beijing100083,China

Three Axis Airborne Magnetic Gradiometer with self-owned intellectual property rights was developped, and carried out gradient measurements of aeromagnetic survey in given area of North of China, which gain the ideal gradient data. However, how to apply the gradient data for geological interpretation is still in research stage. In this paper, how to use the gradient data in the lithology determining and rock mass boundary delineating are studied based on airborne three axis gradient measurement principle. Aeromagnetic gradient survey is divided into horizontal gradient, vertical gradient, and three axis gradient measurement. Data from hree axis gradient provides more abundant geophysical information in lithologic judgment. It shows that the effect of lithologhy judgment and rock mass boundary is reasonable using the gradient data Compared with the actual geological condition. Because of the characteristic of the gradient data in suppressing background field, not only the approximately buried depth of the rock mass can be estimated, and the boundary position of the rock mass can be accurately determined.

three axis airborne magnetic gradiometer; the principle of gradient survey; lithology determine;rock mass boundary delineate

10.13278/j.cnki.jjuese.201501301.

2014-07-06

国家“863”计划项目(2013AA063901)；中国地质调查局地质大调查项目(12120113099000)

郭华(1981——)，男，工程师，主要从事航磁方法技术研究及资料解释工作，E-mail:hyguohua@126.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501301

P631.2

A

郭华，贾伟洁，王平，等. 航磁梯度数据在磁性地质体边界判断方面的研究.吉林大学学报:地球科学版,2015,45(1):273-281.

Guo Hua, Jia Weijie, Wang Ping, et al. Using Airborne Magnetic Gradiometer Data to Determine Magnetic Rock Mass Boundary.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):273-281.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501301.