基于重磁场多尺度边缘检测的地质构造信息识别与提取——以铜陵矿集区为例

严加永, 吕庆田, 陈明春， 邓震, 祁光,张昆, 刘振东, 汪杰, 刘彦

1 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 1000372 中国地质科学院地球深部探测中心， 北京 1000373 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 0650004 中石化地球物理有限公司云南分公司， 昆明 650233



基于重磁场多尺度边缘检测的地质构造信息识别与提取
——以铜陵矿集区为例

严加永1,2, 吕庆田2,3, 陈明春4， 邓震1,2, 祁光1,2,张昆1,2, 刘振东1,2, 汪杰1,2, 刘彦1,2

1 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 1000372 中国地质科学院地球深部探测中心， 北京 1000373 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所, 河北廊坊 0650004 中石化地球物理有限公司云南分公司， 昆明 650233

重磁场是地下地质体密度、磁性分别响应的综合，蕴涵着丰富的地质构造信息，如何将其有效地提取出来是正确认识地下结构的关键环节.本文在总结重磁场构造信息提取研究进展的基础上，将构造信息提取突破口归结为重磁场的边缘增强与检测.通过构建理论模型，对常用的边缘检测方法开展了对比试验，并以长江中下游成矿带中的铜陵矿集区为例，开展了实际资料的处理和研究.获得以下认识和结论：（1）多尺度边缘检测方法较其他方法更能准确提取模型边界，更适合于构造信息识别与提取；（2）在铜陵矿集区识别出18条断裂构造，确定了铜陵隆起的边界，断裂构造的走向主要为北东向，前人所谓“棋盘格式”断裂构造系统并不存在；（3）圈定了岩体的分布范围，在铜陵矿集区北缘，发现了2处隐伏岩体；（4）施家冲、戴家汇岩体周边是寻找矽卡岩型、斑岩型铜金矿的有利地段，铜陵隆起和繁昌火山岩盆地分界断裂两侧是寻找热液型铅锌矿和金矿的重要靶区.

重磁场； 多尺度边缘检测； 构造； 识别与提取； 铜陵矿集区

1 引言

传统地质工作方法主要根据地表地质观察给出构造信息，但是当地表覆盖严重时，就难于给出准确的构造信息，即使在出露区，也往往只能给出经验性的推测，而重磁场是地下地质体密度、磁性分别响应的综合，蕴涵着丰富的地质构造信息，无论是在基岩出露区还是覆盖区，均是地下地质体的客观反映（熊盛青等，2014）.通过重磁场的边缘检测可以识别和提取对应的构造信息，不但能给出准确的断裂构造信息，还能反映岩体边界、盆地边界等地质信息，对构造研究、深部找矿预测都有着重要的应用价值（邓震等，2012）.

自Agarwal和Kanasewich（1971）首先使用计算机对重磁场资料进行趋势分析提取不同深度构造信息以来，人们就没有停止过通过重磁场数据来识别和提取构造信息的研究，人工智能、非线性科学、数字信号处理、偏微分方程、计算数学等各个学科的最新成果都被融入其中.Cordell和Grauch（1985）提出了对磁异常数据进行伪重力变换分析地质体边界的方法.Miller和Singh（1994）提出了一种重磁场数据倾斜滤波的方法，该方法在对其进行水平梯度滤波后，筛选出磁异常栅格数据中的局部最大值，作为构造边界判断的依据.Cooper（2004）提出了一种基于灰度值共生矩阵的结构滤波方法来处理重力数据，该方法能减弱环形特征和增强任意方向的线性特征.这些方法基本上都是在对重磁场数据进行滤波、求导数、延拓等这些传统处理方法的基础上演变而来的，方法的核心思想较之传统方法并没有太大的变化，其目的是通过增强或削弱重磁场图像中的某些特征，从而实现对地质构造边界的有效识别与提取.很多用于其他领域的方法也被应用到从重磁场构造信息提取中，Zhou（1992）将广泛地应用于医疗、地震和遥感方面的拉冬变换应用于对重力数据的向上和向下延拓及去除重力数据合成图中无用的线性特征，取得了一定的效果.牛滨华等（2001）, Vassilas等（1999）运用自组织聚类图结合Hough算法对重磁数据进行了处理，自动提取了地质体的边界，而Hough算法最初也是用于图像处理，尤其是遥感图像处理中.Eaton和Vasudevan （2004）将原本用于地震资料处理的一种句法模式识别技术——骨架算法（Le and Nyland, 1990; Lu and Cheng, 1990; Li et al.,1997）应用到重磁场数字图像中线性特征的识别及自动提取.

国内学者也在重磁场构造信息提取方面做了大量研究，高强和程方道 （1993）从重磁场数字图像生成了最大梯度二态像素图，据此分析构造边界；杜德文和马淑珍（1996）将最大梯度追踪方法与旋转变换方法有机地结合起来,用来自动生成重磁场最大梯度的矢量图像，根据最大值提取构造信息；王四龙等（1998）利用霍夫变换半自动地提取了重磁数据中蕴涵的构造信息；陈永良和刘大有（2002）讨论了重磁场水平一阶导数图像中局部极大、极小值线的自动提取方法；Zhang等（2006）将基于改进的Radon变换和梯度计算用于重磁图像中线性特征的检测和增强，该方法能在变化域中突出显示线性特征，有利于线性特征的提取和增强.刘金兰等（2007）、赵希刚等（2008）、夏玲燕等（2008）都分别运用了图像处理技术对重磁场数字图像中的线性特征进行了识别；杨宇山等（2003）利用小波细节的微分特征对重力场进行断裂分析，该方法克服了向上延拓方法中会出现的异常特征模糊化的缺点,与传统的求水平一阶导数、向上延拓等分析断裂的方法相比,其使重力场的断裂分析更加可靠、准确.杨文采等（2015）把小波多尺度分析、表面刻痕分析以及位场频率域解释理论和反演方法结合起来，提出了区域重力场多尺度刻痕分析方法，在青藏高原地质构造解译中取得了较好的效果.

尽管国内外学者在重磁场资料构造信息的自动识别与提取方面做了不少的研究，也取得了不少的成果，但是，很多方法在实际应用中却没能发挥出当初设计时的作用与效果.这主要与处理方法本身的缺陷有关和应用前提有关：有的处理方法本身在设计时就没能考虑到方法的普遍适用性，致使方法只能在很局部的方面运用；有的方法则是没有注意到重磁场数据资料的特点，在设计时生搬硬套其他相似的数据处理方法，致使在实际中该方法达不到理想的效果.为探索有效的构造信息提取方法，本文将重磁场构造信息提取归结于位场数据的边缘检测，并以此为突破口，在分析常见的边缘检测方法的原理的基础上，构建了理论模型，开展了不同方法的检测对比试验，并将该方法应用到长江中下游成矿带铜陵矿集区的实际资料处理中，较好地刻画了断裂、岩体和基底隆起的边界，为区域构造分区、找矿预测提供了丰富信息.

2 原理与方法

由于地质体边界两侧一般存在密度或磁化率差异，重磁异常在地质构造边界附近表现为梯度变化带，这些梯度带的实质就是场源的边界，因此，重磁场构造信息提取的主要方法是从重磁异常图中提取场源边界（张壹等，2015）.通常的做法是对重磁异常中的场源边界信息进行增强，然后利用某种边缘检测的手段确定边界位置（张季生，2006）.重磁异常边缘增强检测的方法有很多种，如：斜导数法、斜导数水平梯度法、Theta图法等.每种方法的原理和应用的前提条件不尽一致，相同的一组重磁数据，用不同方法处理后的结果也有所不同.因此，有必要对不同方法的检测效果进行对比分析，优选出效果较好的方法.通常，在不同地区或不同地质背景的重磁异常解释过程中，也需要对各种检测增强方法获取的结果进行对比分析，筛选出某一种与实际地质情况吻合较好的方法，结合已有资料综合分析，再给出合理的地质解释.2.1 边缘增强的几种典型方法

国内外已经提出了很多重磁场数据边界增强的方法，应用较为多的是总水平梯度法，Grauch和Cordell（1987）就证明用重力异常总水平梯度幅值的峰值能够刻画近似垂直的边界或密度接触带.在此基础上，又衍生出许多新的算法.Miller和Singh（1994）提出了对垂向一阶导数归一化后的Tilt Angle方法，国内称之为斜导数（TDR）（刘金兰等，2007）,以重力异常为例，计算公式为:

（1）

斜导数法用垂向一阶导数来强调浅源产生的短波异常，克服了总水平梯度法只突出大梯度异常的缺点.所以，斜导数能增强弱异常，并且在突出深源和浅源方面比较均衡.

Verduzco等（2004）建议对斜导数再计算一次水平导数，用THDR（Total Horizontal Derivative）来表示，即

（2）

这样可以使边界更突出，而且不会产生“假边界”.这种方法在国内称为斜导数水平梯度.

Wijns等（2005）提出的边界探测算子是把水平梯度用解析信号的振幅来做归一化，计算公式如式（3）所示，通过这种新算子计算出θ，用它做出的等值线图称为Theta图,这种算法简称Theta法.

（3）

2.2 多尺度边缘检测

利用重磁场数据进行多尺度边缘检测最初是从图像分形学和澳大利亚联邦科学与工业研究组织有关部门研究的基础上发展起来的，Hornby等（1999）首先提出了多尺度边缘检测的概念，由于检测结果形状类似蜿蜒爬行的蠕虫，该方法又被称为WORMS法，随后，Archibald等（1999）,Horowitz等（1999），Holden等（2000），Austin和Blenkinsop（2008）相继对其理论和应用进行了研究.WORMS法的基本原理是将重磁场上延一系列高度，求取每个高度的水平梯度并检查极大值点，按一定规则将这些点连接为线，这些不同延拓高度获得的线束反映了不同深度的构造边界，处理过程约束了重磁场梯度的位置和强度，其结果可以解释为地质构造的三维分布格局.对重力数据而言，由于采用了不同高度的向上延拓，可直接用布格重力异常作为输入数据，避免了使用其他方法分离区域场与局部场时产生的不确定性.按不同的延拓高度，可以将检测点按一定逻辑规则连接形成线，称之为WORMS线或者线束，随着延拓高度的上升，WORMS线反映的边界位置从浅向深渐变（Archibald et al.，1999），WORMS线束反映了具有密度差和磁性差异地质体的边界，如断裂构造和各类接触面.WORMS点数据包含重磁场数据梯度极大值的位置（x、y、z）和梯度的振幅（或强度），上延高度反映地下信息的深度不同，上延越长，反映的地下深度越深（Murphy, 2005）.

图1 重磁场多尺度边缘检测流程

多尺度边缘检测的流程如图1所示，该方法一般以布格重力异常和化极磁异常为初始输入数据，如果有其他特定需要，还可以对剩余重力异常或化极磁异常的垂向导数进行处理.延拓高度视研究区大小进行设置，最大的延拓高度采用对初始数据进行不同高度的上延，当增加上延高度，异常形态不变或变化程度很小时的高度设置为最高延拓高度，最小延拓高度根据研究目的设置.延拓高度系列应该分布均匀，一般采用对数间隔使其均匀分布.水平梯度在频率域中进行,求得水平导数后，即可开展导数极大值检测.极大值的检测可以采用Canny算子，Canny算子是一个具有滤波、增强和检测的多阶段的优化算子，在进行处理前, Canny算子先利用高斯平滑滤波器来平滑图像以除去噪声,即用高斯平滑滤波器与图像作卷积,从而将邻域（或局部）重磁场梯度幅值有显著变化的点突出来（Canny，1986）.在此基础上，对每个点周围的点进行对比，如果其比周围每个点都大，则保留该点，通过滑动窗口的方法依次检测每个点，通过检测标准的保留下来，然后利用逻辑拓扑关系（如相邻点最小距离，组成一条线所需最少点数等），将这些点连接形成线，即WORMS线，这些线束就被赋予了构造信息，从而完成重磁数据的多尺度边缘检测.将检测线在三维可视化平台中显示，结合其他已知地质地球物理信息，即可开展地质构造信息的识别与提取.

3 模型试验

3.1 理论模型的设计

为检验边缘检测方法的效果，建立如图2所示的一组模型.观测区域大小为长江中下游成矿带范围，测线为南北向，线距5 km，点距200 m.重磁异常的场源由7个埋深、大小、物性（磁化率和密度）均不相同的模型体组成，1、2、3号模型体模拟断裂带，其中3号模型体宽度从北东端的12 km逐渐减小，至南西端减至10 km宽，4、5号模型体模拟基底隆起和局部地层隆起，6、7号模型体模拟不同深度的侵入岩体，6、7号模型体叠加在5号模型体上，5号模型体再叠加到4号模型体上，各模型体的具体形状和物性参数如表1所示.

表1 产生重磁异常的理论模型参数表

图2 用于边缘检测效果对比的模型体组合

取背景密度为2.7 g·cm-3，背景磁化率为0×10-6SI，磁倾角为90°，磁偏角为0°，上述理论模型产生的重力、磁力异常如图3所示.高密度差线状模型体（2、3号）产生的重力异常界线清楚，高值区与模型体顶部形态基本吻合，但低密度差的1号模型体产生的负重力异常有发散的趋势（图3a）.4、5、6、7号模型体产生的是叠加异常，4、5号模型体产生的重力异常边界较清晰，而6、7号两个浅部场源产生的异常边界则不太清楚，且在6、7号模型体水平方向中心位置出现一个与6、7号模型体所产生的重力异常规模相当的异常峰值，推测这是4、5、6、7号模型体叠加所致.1、2、3线状模型体产生的正磁异常界线清晰，4、5、6、7号模型体产生的磁异常峰值与模型边界基本重合（图3b）.

3.2 边缘增强及检测效果分析

以理论模型产生的重磁异常数据为基础，增加5%的高斯噪声（图3），采用第2节中所述方法进行边缘增强，对HDTDR法、TDR法、Theta法和WORMS法均采用Canny算子进行检测.

重力异常的四种方法的检测效果如图4所示，HDTDR法对具有正密度差模型体的边界检测与模型边界吻合较好，但对叠加异常区域会有虚假边界出现，如在4号和5号模型体中间检测到与实际模型不相符的边界.HDTDR法对具有负密度差的模型体也能区分出来（1号模型体），但在该模型两侧检测到两条呈“八”字型的假边界.TDR法检测边界与实际模型差别较大，对正密度差模型，其检测到的边界在模型体中间，对异常边缘的判别能力较差，对负密度差的模型体，检测到的边界在模型体外2～3倍的环带上，在模型体边部和内部均未检测到有效的边界信息.Theta法对正密度差的模型所对应的边界检测准确度较高，仅对叠加模型的5号模型体边界向外偏离10%左右.Theta法对负密度差的模型体边界检测也较为准确，但会在其两侧检测到呈“八”字型分布的假边界.WORMS法对正、负密度差的模型体边界检测都较为准确，且没有检测出虚假边界，WORMS线的疏密还反映了模型体的倾向，如2、3号模型体的倾向为北西，倾角为75°，WORMS线在模型体北西侧平缓，在南东侧则变密集.对重力异常而言，边缘检测效果优劣排序为：WORMS法、HDTDR法、Theta法、TDR法，WORMS法结果准确，虚假边界少，HDTDR法和Theta法对正异常的边界判读较好，但对负异常的检测会出现假边界，TDR法对正负异常的边界均不能准确检测.

磁力异常的四种方法的检测效果如图5所示，HDTDR法对单一模型体的边界检测与模型边界吻合较好，但对叠加异常区域会有虚假边界出现，如在4号和5号模型体之间、5号与6、7号模型体之间多检测出了两条与实际模型不相符的边界.TDR法检测出的边界与实际模型差别较大，单一模型体边界出现在模型体中心，叠加模型的边界在实际边界的内侧.Theta法对单一模型所对应的边界检测准确度较高，但在模型体外侧会出现虚假边界，对叠加模型而言，检测出与模型体边界的同时也检测出假边界，如在4号和5号模型体之间、5号与6、7号模型体之间多检测出了两条与实际模型不相符的边界.WORMS法模型体边界检测都较为准确，WORMS线密集分布的位置与模型体边界吻合较好.当延拓高度过大时，会出现边界扩散现象，如在1、2、3号模型体的外侧出现的WORMS线.WORMS线的疏密还反映了模型体的倾向，如2、3号模型体的倾向为北西，倾角为75°，WORMS线在模型体北西侧平缓，在南东侧则变密集.对磁力异常而言，边缘检测效果优劣排序为：WORMS法、Theta法、HDTDR法、TDR法，WORMS法结果准确，延拓高度设置合理时，虚假边界少，HDTDR法和Theta法对磁异常的边界判读较好，但对组合模型的检测会出现假边界，TDR法对磁异常的边界不能准确检测.

图3 理论模型产生的重力异常（a）和磁力异常（b）

图4 重力异常边缘检测效果对比: HDTDR法（a）;TDR法（b）;THETA法（c）;WORMS法（d）

图5 磁力异常边缘检测效果对比：HDTDR法（a）；TDR法（b）；THETA法（c）；WORMS法（d）

4 铜陵矿集区重磁边缘检测

4.1 地质背景

铜陵矿集区是我国六大有色金属基地之一，“古铜官山”的铜矿开采可追朔到春秋时代.解放后，先后探明了以铜官山铜矿、狮子山铜矿、凤凰山铜矿、新桥铜（硫、铁、金、银）矿、冬瓜山铜矿、天马金矿等为代表的一批大-中型矿床，主要矿种为Cu、Fe、S、Au、Ag、Pb、Zn等，已经确立了铜陵地区是我国“矽卡岩型铜矿”的重要矿集区，所发现的矽卡岩型铜矿床规模在中国东部具重要地位.铜陵矿集区大地构造上位于扬子克拉通北缘,大别造山带前陆盆地中的次级隆起区（唐永成等,1998），大地构造演化经历了活动-稳定-再活动3个发展演化阶段,即前南华纪基底形成发展阶段、南华纪—早三叠世稳定盖层发育阶段、中—晚三叠世至新生代碰撞造山及造山后板内变形阶段（Ma and Ge,1989;Wang and Mo,1995）.区内出露地层主要为志留系至第四系,累计厚度在4500 m以上.其中,上石炭统—下二叠统黄龙组和船山组、中二叠统栖霞组、上二叠统大隆组、下三叠统殷坑组、和龙山组和南陵湖组等6个地层单元是矿集区重要的赋矿层位（储国正,1992）.加里东、印支及燕山运动对本区构造格架的形成起主导作用，区内褶皱和断裂构造均十分发育，主要由南北向和北北东向多组基底隐伏深大断裂与一系列北东走向、相间排列的盖层短轴褶皱共同构成（储国正和李东旭,1992;刘文灿等,1996;吴淦国等,2003）, 对岩浆的侵入作用、成矿流体的运移及成矿元素的迁移、活化、沉淀富集起重要作用.区内广泛发育燕山期侵入岩,出露大小岩体共有76个,面积约70 km2（邢风鸣和徐祥,1996;吴才来等,2013）.严加永等（2009）通过航磁反演，刻画了岩体的三维形态，认为部分地表发现的小岩株在深部连为一体，形成34个较大的岩体或岩基.岩体成岩年龄介于135—147 Ma之间,岩性为中酸性闪长质,与成矿关系极为密切,矿体常产于岩体与围岩的接触带及其附近.铜陵矿集区内现已发现矿产地300多处,其中大中型矿床数十个,探明铜金属资源量大于400万t,金大于100 t,还有大量的银、铅、锌、钼、铁等金属资源（吴才来等,2010，钟国雄等，2014）.矿床集中分布在铜官山、狮子山、新桥、凤凰山、姚家岭5个近等距分布的矿田中,总体沿近东西向铜陵—沙滩脚构造-岩浆带展布,矿化以铜、金为主,向南北两侧铜、金矿化逐渐减弱而铅锌多金属矿化加强,显示出“铅锌夹铜金”的南北分带特点（徐晓春等，2014）.

纵观铜陵矿集区的基础地质研究和矿产勘查现状，不难发现研究工作很不平衡，多集中在地层、岩浆岩、年代学、矿床地质和对深部背景的研究.但是从全面认识成矿的动力学过程和时空规律的角度，从深部找矿的需求角度，还存在很多科学问题急需解决，这些问题包括：（1）深部过程与岩浆系统结构：铜陵矿集区岩浆岩形成的动力学过程和机制，岩浆从源区迁移到地表的途径与结构；（2）矿集区地壳结构与变形：上、下地壳结构框架、厚度与可能的物质组成，现今地壳结构形态及反映出的构造变形、演化历史.

4.2 重磁数据

航磁数据采用原地矿部航空物探大队于1984年开展的铜陵地区航磁测量成果，范围包括1∶5万分幅铜陵幅、戴家汇幅全部及繁昌幅、姚沟幅、木镇幅和乔木湾幅部分，范围为117°40′00″E—118°15′00″E，30°42′30″N—31°6′00″N.航磁测量飞机的飞行高度为107～300 m，大部分区域测线间距为500 m，局部区域为2000 m（严加永等，2009）.为使磁性体位置与磁异常位置对应，对航磁数据进行了化极处理.

重力数据按照“五统一”的标准，整合了1984—1987年原地矿部一物完成的铜陵、戴家汇、木镇三幅1∶5万重力测量数据和2010—2012年中国地质调查局完成的姚沟幅、繁昌幅和乔木湾幅1∶5万重力测量数据，整合后的布格重力异常数据精度为±0.020×10-5m·s-2，截取了与航磁范围一致的数据开展多尺度边缘检测.

4.3 边缘检测结果

采用4.2节中所述的数据，经过上延、求水平导数、边缘检测点、点形成线等一系列处理，获得了铜陵矿集区布格重力异常的多尺度边缘检测结果（图7）.重力多尺度边缘检测反映了密度边界，航磁多尺度边缘检测反映了磁性体的边界.总体来看检测结果显示随着延拓高度的变化，一些规模小、切割不深的浅表构造边界逐渐消失，保留下来的长波长的信号基本反映了区域内发育规模巨大、切割较深或深部隐伏的地质构造边界.这些线性展布的边界形迹，显示出各构造的走向、连续性以及各线性构造不同深度层次的变化.深部保留的各边界之间所分割的块体代表地下深部有物性差异地质体的分布.

4.4 地质解释

4.4.1 解释的基本原则

重力多尺度边缘检测（图8）主要反映了密度体的边界.铜陵矿集区碳酸盐岩类具有较高的密度，重力异常反映了基底隆起，通过重力异常的多尺度边缘检测结果可以确定块体边界和断裂构造.磁力多尺度边缘检测（图9）则主要反映了磁性地质体的边界，根据铜陵矿集区物性资料分析（严加永等，2009），铜陵矿集区具有的磁性地质体主要是各类中、基性岩体，灰岩、页岩、砂岩等围岩大多为弱磁性或无磁性岩石，因此，磁力多尺度边缘检测结果可以用来圈定中基性岩体的分布范围.

在同一图幅内，将不同延拓高度检测结果叠加到一起，采用不同颜色、大小的线型表示不同深度尺度的信号边界形迹，不同深度边界信号形迹在分布位置上所体现的相似性即可获知该构造形迹的发育深度及倾向特征：线束越密集表示边界构造切割深度越大，线束稀疏则表示其切割发育的深度较浅；线束组合越宽表示该构造倾向越缓，反之则表示该边界构造发育产状较陡、倾角较小.每组线束组合均能反映边界构造的走向及摆动、倾向、切割深度等特征（严加永等，2011； Austin and Blenkinsop, 2008）.

4.4.2 断裂系统与构造格局

根据重磁场多尺度边缘检测结果，结合反射地震和大地电磁资料，综合分析厘定了编号为F1—F18的18条断裂系统，据此确定了区域构造格局（图10）.F1、F2和F3号深大断裂界定了铜陵隆起区的范围，F3以北为繁昌火山岩盆地，F1和F4号断裂之间为戴家汇—木镇坳陷，F4号断裂以南为江南隆起.繁昌火山岩盆地构造走向与铜陵隆起区具有明显差异，盆地中构造走向多为北西西向，反映了繁昌火山岩盆地是后期形成的近东西向的凹陷盆地，而隆起区以北东向为主，无论从重力多尺度边缘检测结果，还是从航磁多尺度边缘结果分析，均无任何证据表明铜陵矿集区存在所谓的“棋盘格”式断裂系统（李东旭和谭以安，1989；刘文灿等，1996；吴淦国等，2003），整个铜陵隆起区的断裂系统以北东向为主导.综合重磁场多尺度边缘检测结果、反射地震剖面和大地电磁剖面所揭示的区域断裂系统分布、深部延伸和性质如下：

图6 铜陵矿集区区域地质图

图7 铜陵矿集区重力（a）、航磁（b）多尺度边缘检测结果立体图

图8 铜陵矿集区重力多尺度边缘检测俯视图

图9 铜陵矿集区航磁多尺度边缘检测俯视图

F1号断裂地质上称为丁桥—戴家汇断裂，该断裂是一条控盆断裂，呈北东—南西走向，结合反射地震资料（图11）可以看出其倾向南东，构成宣城—南陵断陷的北界，铜陵隆起的南界.该断裂不仅是控盆断裂，挤压期还是一条规模巨大的逆冲断层系，由一系列逆冲断层组成，向北一直延伸到宁芜，与下地壳“俯冲”一起构成具有特色的“鳄鱼嘴”构造（吕庆田等，2014）.

F2断裂为长江深断裂带在铜陵附近的一段，该断裂带由一系列逆冲断层组成的双重构造，最早发现该双重构造（Duplex）是在庐枞的Lz09-02线和宁芜NW11-01线上（Lü et al.，2013,2015），燕山期陆内造山期间为逆冲双重构造，伸展期反转为正断层，控制沿江凹陷的形成，断裂形成后，由于后期的构造活动，在铜陵县北侧被F14号断裂在浅部错开.

F3号断裂为庐江—黄故闸—铜陵拆离断层一部分，该断裂将铜陵隆起区和繁昌火山岩盆地分开，这在大地电磁反演剖面上也有明显反映（图12），该拆离断层呈近东—西走向，向南西倾斜，一直延伸到中地壳（张昆等，2014）.该断裂在区域构造演化中具有特殊意义，向西经过庐枞盆地北部至大别山北与信阳—舒城断裂相接，向东经铜陵北部可能一直延伸到杭州湾，形成一条规模巨大的断裂带“大别—舟山断裂带”（陈沪生等，1999）.大地电磁还反映其他隐伏断裂，F19断裂推测为繁昌火山岩盆地与宁芜盆地的边界断裂.

F4号断裂为木镇断裂，走向北东东，由一组向北西倾斜的断裂组成，为宣城—南陵断陷的南部边界，江南隆起的北部边界.在晚中生代陆内造山期或为断裂弯曲褶皱，伸展期反转为拆离断层.

铜陵矿集区主体位于铜陵隆起中，其上地壳总体上呈现出由多级逆冲和褶皱组成的隆起.以F6为界，隆起内部大致可分为北西和南东两个块体.北西块体由一系列褶皱构成，从北西到南东依次为：铜官山背斜、朱村向斜、永村桥—舒家店背斜等.在狮子山北部的顺安、黄浒镇等覆盖区，深部并没有明显的盆地，仍为由中生代—古生代盖层组成的复杂褶皱区.在繁昌的红花山地区，依次有楼屋基背斜和乌金岭背斜.从南到北背斜褶皱轴向由北东、北北东到北东东变化.南东块体夹持F6和F1之间，往南西方向逐渐变窄.该块体与传统的凤凰山复向斜吻合，根据反射地震剖面的反射特征，凤凰山复向斜表面上看似复合向斜，实际上由一系列逆冲岩片和逆冲相关褶皱组成.宣城—南陵断陷受MTF（丁桥—戴家汇断裂）控制，呈不对称“箕状”.

4.4.3 隐伏岩体

重力多尺度边缘检测的低值环状和航磁多尺度边缘检测的高值环状异常组合，大多反映了以中等磁性和低密度为特征的中酸性岩体分布，结合二者，圈定了铜陵矿集区岩体在地表投影分布边界（图11），分布范围总体比地表出露要稍微大一些，这反映了岩体在深部的最大分布范围，也即地表出露的多为小岩株，随着深度增加，相邻的岩株逐渐连为一体，形成较大的岩体或岩基.在铜陵隆起区北侧覆盖区、F3南侧的钟鸣镇西侧识别出两个隐伏岩体，推测为闪长岩体.

4.4.4 找矿指示

铜陵矿集区以矽卡岩型、斑岩型和热液性矿床为主，大部分金属矿床与断裂和岩体关系密切，区内已知矿床和矿点（如铜官山、狮子山、凤凰山矿田及五贵桥、大吉岭、舒家店等矿床（点））均位于岩体上方或岩体外侧.在一些已知大矿田中，推断的岩体成群分布，这个现象说明，本区矿床的形成与岩体之间具有密切的关系，换言之，隐伏岩体和断裂构造是找矿预测的重要依据（严加永等，2008）.从岩体推断图发现，施家冲岩体（图10）以及戴家汇岩体，二者规模较大，但是，除戴家汇岩体周边已发现有几个矿化点（沙滩角、戴公山等）外，未见有其他矿床的分布.其中施家冲岩体地表出露面积较小，仅在施家冲（闪长岩）、姚家塘（闪长斑岩）零星出露，而航磁反演推测其深部有规模较大的岩体存在（严加永等，2009），说明其深部热活动强烈，具有较好的找矿前景.戴家汇岩体规模同样较大，其北部已经发现几个矿床（点），在其北西侧已经发现姚家岭大型铅锌矿，该岩体周边应该仍然有较大的找矿潜力.铜陵隆起北缘已知的矿床成因类型主要有（层控）热液型、成矿热液叠改型、斑岩型等，在浅表以（层控）热液型矿化为主，近岩体部位，则发育层控热液叠改型-矽卡岩型矿化，依据围岩的不同及在深部则见有斑岩型矿化（许卫等，2011），推测在F3断裂附近推测的几处隐伏岩体周边，具有较大的深部找矿潜力，主攻矿种为铅锌矿和金矿.此外，在F3断裂北侧的繁昌火山岩盆地深部，也有寻找铜陵式矿床的第二找矿空间.

图10 铜陵矿集区重磁多尺度边缘检测解译结果

图11 铜陵矿集区Tl11-3线反射地震剖面与重磁边缘检测综合图

图12 跨越铜陵隆起与繁昌火山岩盆地的MT-Y2L线大地电磁反演结果

5 结论

（1）理论模型试验和实例应用均表明，无论是重力数据还是磁力数据，多尺度边缘检测方法均能有效提取地质体的边界信息，是区域构造划分、断裂系统厘定和隐伏岩体边界圈定的有力手段.

（2）无论从重力多尺度边缘检测结果，还是从航磁多尺度边缘结果分析，铜陵隆起区的断裂系统以北东向为主导，均无任何证据表明铜陵矿集区存在所谓的“棋盘格”式断裂系统.

（3）根据重磁场提取的地质构造信息，结合铜陵矿集区断裂和岩体控矿的特点，开展了找矿预测，认为戴家汇岩体和施家冲岩体周边是寻找矽卡岩型铜矿的有利地段，繁昌火山岩盆地与铜陵隆起分界断裂两侧是寻找热液型金矿和铅锌矿的重要靶区.

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（本文编辑 何燕）

Identification and extraction of geological structure information based on multi-scale edge detection of gravity and magnetic fields: An example of the Tongling ore concentration area

YAN Jia-Yong1,2, LÜ Qing-Tian2,3, CHEN Ming-Chun4, DENG Zhen1,2, QI Guang1,2, ZHANG Kun1,2， LIU Zhen-Dong1,2, WANG Jie1,2, LIU Yan1,2

1MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China2ChinaDeepExplorationCenter-SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3InstituteofGeophysicalandGeochemicalExploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,HebeiLangfang065000,China4SinopecGeophysicalCorporationYunnanBranch,Kunming650233,China

Gravitational and magnetic fields are the integrated response of density and magnetism of subsurface geological bodies, which contain abundant information about geological structure. How to identify and extract them effectively is the key to understand subsurface structure. Based on summary of the research progress in structural information extraction of gravitational and magnetic fields, we attributed such effort to the edge enhancement and detection of gravitational and magnetic fields. The contrast experiment of common methods of edge detection on a theoretical model shows that the multi-scale edge detection method can accurately delineate the boundary of the model from the gravitational and magnetic anomalies. It is proved that this method is suitable for recognition and extraction of structural information. Finally, we applied this method to the actual processing of gravity and magnetic data acquired from the Tongling ore concentration area, the middle and lower reaches of the Yangtze River. The results reveal the main structural faults and determine the edge of the Tongling uplift. These faults trend mainly in the northeast direction and the so called “checkerboard”-like fault system does not exist. We delineated the distribution boundary of plutons according to multi-scale edge detection and found 2 canceled plutons in the north of the Tongling ore concentration area. We predicted that the surrounding of Shijiachong and Daijiahui plutons are the prospective targets for skarn-type and porphyry-type copper or gold deposits. And both sides of the fault between the Tongling uplift and Fanchang volcanic basin are important target areas for hydrothermal-type lead-zinc and gold deposits. In summary, the research results show that multi-scale edge detection of gravitational and magnetic fields can provide much information for recognizing regional tectonics and prospecting prediction. This work also indicates that this method can be applied to similar fields.

Gravity and magnetic fields; Multi-scale edge detection; Geology structure; Identification and extraction; Tongling ore concentration area

“十二五”国家科技支撑计划课题（2011BAB04B01）、国家深部探测专项第3项目（SinoProbe-03）、中国地质科学院基本科研业务费专项经费（YYWF201526）、地质调查项目（1212011220243）和国家自然科学基金项目（41574133，41104061）联合资助.

严加永，男，副研究员，从事矿产资源勘查和深部探测研究.E-mail：yanjy@163.com

10.6038/cjg20151210.

10.6038/cjg20151210

P631

2015-05-22，2015-10-09收修定稿

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