精细反演计算在镇江五洲山磁异常再解释中的应用

张作宏， 魏邦顺， 张大莲， 张 焓

(1. 江苏省地质勘查技术院,江苏南京210049； 2. 江苏省地质调查研究院,江苏南京210018； 3. 南京信息工程大学，江苏南京210044)

精细反演计算在镇江五洲山磁异常再解释中的应用

张作宏1， 魏邦顺2， 张大莲2， 张 焓3

(1. 江苏省地质勘查技术院,江苏南京210049； 2. 江苏省地质调查研究院,江苏南京210018； 3. 南京信息工程大学，江苏南京210044)

江苏镇江五洲山地区存在多个磁异常，通过对该地区地质背景、地磁场特征的分析研究，结合数据处理技术对DC-19异常开展了二维小波多尺度分解、三维物性反演以及2.5维剖面反演等精细处理计算。结果表明，矿孔的深部、旁侧还存在较大规模的磁铁矿体，认为该地区具有较好的寻找矽卡岩型磁铁矿的前景。说明利用计算技术，通过精细反演可进一步深化对以往异常的认识，达到重新评价异常的目的。

地质背景；地磁异常特征；小波分解；三维物性反演；2.5维反演；再解释；江苏镇江

0 引 言

五洲山小型磁铁矿在2010—2012年度镇江宝华山—巫岗地区铁铜矿远景调查工作中圈定磁异常编号为DC-19(江苏省地质勘查技术院，2013)，由1961年开展的1∶2 000地面磁法检查圈定的M1—M3磁异常组成。1972—1974年在该异常位置进行钻探工作，共布置了6个钻孔，对M1、M2磁异常进行了验证，其中，ZK301见4层磁铁矿，总厚约8.39 m；ZK304见3层磁铁矿，总厚约10.05 m，累计估算铁矿资源量11.60万t，为一小型磁铁矿。其余4孔均未见矿，但ZK309的测井ΔZ曲线在290～340 m处，存在一形态较好、峰值为3 300 nT的负异常；ZK306、ZK307于165～260 m均存在测井ΔZ形态较好、峰值较高、规模较大的异常(江苏省地质矿产局第三地质大队，1972)，从位置和深度看，不是ZK301、ZK304钻孔所见矿体反映，分析认为上述3个钻孔相应深度旁侧存在一定规模的强磁性体，深部找矿前景较好,但受当时技术条件尤其是软件、数据处理技术等因素限制，部分(旁侧、深部)信息没有提取出来，制约了对地质情况的认识，未能对该区异常的资源潜力进一步评价。

采用现代先进的数据处理方法和软件技术对该异常进行处理和反演解释，以对引起该异常的磁性矿体的规模和位置进行推断，并对其铁矿资源潜力作出评价，实现对该异常的再认识。

1 地质与地球物理特征

1.1 研究区地质特征

宁镇地区是长江中下游铁、铜成矿带的重要组成部分，西起南京—湖熟断裂，东至大路—界牌断裂，北邻长江，南至汤山—东昌断裂，构成近EW向条块状断隆，四周为中新生代断陷，总体表现为凹中隆起的构造格局。褶皱构造主要形成于印支期，由一系列近EW向平行的复式褶皱组成，著名的“三背两向”褶皱构造组成了宁镇地区褶皱的基本格架。地层具有扬子区沉积类型特征。岩浆活动主要发生在燕山期，表现为大规模、多期次的岩浆侵入和喷发活动，其中以早白垩世中—酸性岩浆侵入为主，与成矿关系密切的岩浆岩主要是花岗闪长斑岩，次为石英闪长玢岩、二长花岗岩等，形成了与其有关的铁、铜、铅锌等多种内生金属矿产(孙国曦等，2007)。

研究区位于宁镇地区东段的五洲山一带。处于宝华山—巢凤山—石头岗复背斜的东部，区内主要分布有志留系—二叠系等古生代地层，这些沉积地层北部与高资岩体、南部与石马岩体接触。NNW向、NW向及NE向断裂构造发育。

地表主要出露有志留系、泥盆系、石炭系及二叠系地层，岩性以砂岩、碳酸盐岩为主，并夹有碎屑岩，其中石炭系黄龙组及船山组、二叠系栖霞组及龙潭组地层与成矿关系密切，矿体常产于砂岩与碳酸盐岩之间的“硅钙面”上。

五洲山磁铁矿体受NEE向断层及花岗闪长岩与栖霞组灰岩接触带所控制，香山—五洲山—牌湾—香山一带，无论从构造、火成岩的条件看，还是从已知的矿点和磁异常看，这一地段无疑是成矿有利地段(图1)(江苏省地质矿产局第三地质大队,1972)。

图1 镇江五洲山地区地质、地磁平面图(据江苏省地质矿产局第三地质大队，1972)1-第四系；2-龙潭组；3-孤峰组；4-栖霞组；5-船山组；6-黄龙组；7-高骊山组；8-擂鼓台组；9-观山组；10-五通组；11-茅山组；12-坟头组；13-高家边组；14-石英闪长斑岩；15-斑状石英闪长岩；16-石英闪长岩；17-实测、推测地质界线；18-正断层；19-逆断层；20-平移断层；21-实测、推测性质不明断层；22-远景调查1∶1万磁异常编号；23-以往地磁异常编号；24-以往施工未见矿钻孔及编号；25-以往施工见矿钻孔及编号；26-图切剖面及编号Fig.1 Map showing geology and geomagnetism in the Wuzhoushan area of Zhenjiang(after No.3 Brigade of Jiangsu Bureau of Geology & Mineral Resources, 1972)

1.2 宁镇地区岩矿石磁性特征

根据宁镇地区的磁性参数资料(表1)(江苏省地质局物探队，1981)分析，研究区磁性特征为：磁铁矿具强磁性，与围岩差异显著，稍具规模即能引起明显磁异常，因此高精度磁测能很好地将磁铁矿圈定出来；矿化花岗闪长斑岩、矿化矽卡岩磁性变化大，能够引起一定的磁异常；闪长玢岩具中等磁性，由于其规模较大，也会引起明显的磁异常；沉积岩和石英闪长斑岩无磁性，非矿化花岗闪长斑岩呈弱磁性，它们构成磁异常的正常场。因此，岩(矿)石磁性特征有如下规律：磁铁矿磁性最强，磁铁矿与围岩(花岗闪长斑岩等)有明显的磁性差异，当磁铁矿体具有一定规模时，可形成高磁异常，采用磁法可直接寻找磁铁矿体。此外，采用磁测资料可了解隐伏岩体的分布特征，为矿产远景调查提供要素。同时，这些详实的磁性资料为定量计算奠定了良好的基础。

表1 宁镇地区岩(矿)石磁性统计表Table 1 Statistics of magnetic properties for rocks and ores in Nanjing-Zhenjiang area

注：表内只选取与研究区相近且有一定磁性的岩矿石磁参数测定值，无磁性的沉积岩和宁镇西段、中段的岩矿石参数值未列出

2 数据处理方法

2.1 磁异常数据处理的目的、内容

由于实测磁异常是地下由浅至深各类磁性地质体的综合叠加效应，为了尽可能压制或消除干扰噪声，增强有用信息，以提高利用磁异常综合解决复杂地质问题的能力，采用最新计算机数据处理技术对磁资料进行数据处理，从而实现位场的转换或分离。常用的位场分离技术有不同高度的延拓、滑动平均法、趋势分析法、插值切割法、垂向二次导数以及小波多尺度分解等。

实现同样的目的可以采用的算法很多，其效果好差也不绝对。在进行数据处理时，往往将多种算法都试验1遍，然后根据所要达到的目的和所要解决的问题，结合研究区的已知地质条件，选用最合适的算法进行处理。研究区地处中纬度地区，磁性体受斜磁化影响较重，异常与磁性体对应关系复杂，为简化异常，往往还需对实测磁异常做化向地磁极的转换处理(侯遵泽等，1997；刘天佑，2007；刘天佑等，2007；滕龙等，2015；张明华等；2015)。

对磁测数据主要进行滤波、化极、上延、小波多尺度分解等几项转换处理，主要目的是滤除人文干扰及浅部极小磁性体干扰，简化磁异常与磁性体的对应关系，通过不同高度的上延和不同尺度的小波分解以了解分析不同深度层次的异常特征。

在对获取的磁异常定性解释的基础上进行定量解释。首先对面积性数据进行三维物性反演，其次对图切剖面数据进行二度半人机交互反演等处理，最终达到推断磁性地质体空间分布特征的目的。数据处理的具体内容及目的见表2。

表2 重磁异常数据处理的目的、内容Table 2 Purpose and content of data processing of gravity and magnetic anomalies

2.2 磁异常数据处理的原理与方法

在对ΔT数据作预处理后，采用中国地质调查局RGIS 2014重磁电数据处理系统中的重磁模块进行数据处理工作。针对研究区异常特征和解释的需要，作了以下处理。

(1) 面积磁异常的数据网格采用克里格插值法，网度为20 m×20 m。

(2) 地磁要素主要通过RGIS 2014软件调用IGRF 11模块计算，求得区内2011年度地磁要素为：地磁总场T=49 538.7 nT，磁倾角I=48.2°，磁偏角D=-5.3°。

(3) 磁异常化极处理。斜磁化条件下观测到的ΔT异常与磁性体的实际位置有偏移，在中纬度地区异常中心往往南移，而化极处理后的磁力异常与磁性体的对应关系较为简单、直接，便于解释。

(4) 小波多尺度分析。小波多尺度分析又称多分辨分析，它将一个信号分解为逼近部分和细节部分，表示为：

(1)

式(1)中，Ai是逼近部分，Di为细节部分。图2为3层多尺度分析结构图，其中，S是信号，A1、A2、A3是逼近部分，D1、D2、D3是细节部分。对于磁测资料相当于式(2)：

ΔT=ΔT三阶逼近+ΔT三阶细节+ΔT二阶细节+ΔT一阶细节

(2)

该处理方法采用软件MAGS 4.0(刘天佑，2012)。

图2 3层多尺度分析结构图Fig.2 Structural diagram of three layers of multi-scale analysis

(5) 三维物性(磁化强度)自动反演。RGIS 2014三维物性反演模块采用的反演方法为随机子域加权物性反演，为非线性反演的物性反演方法。这里的子域是指整个反演模型区域中的某个小区域，它通常包括一定数量的剖分模型单元(图3)。该方法主要采用几何格架分离实现等效计算、随机子域选择反演方式降低反演维数以及格架权约束异常分离三大技术，达到快速反演物性(密度、磁化强度)三维空间分布的目的(姚长利等，2007；张明华等，2015)。

图3 反演模型示意图Fig.3 Sketch map of inversion models, combined model (a) and any model unit (b)

(6) 2.5维磁异常正演拟合。虽然三维反演的磁性体形态特征较为直观，但由于三维自动反演的物性参数分布是异常下方磁性体(可能为多个或多层)的综合反映，磁化强度与形态、大小成负相关关系，即磁性越强、规模越小；磁性越弱、规模越大，对形体范围内的细节变化无法人为约束，依然存在多解性。因此，在三维反演成果的基础上，充分利用已有钻孔、测井、物性资料作为约束条件，建立初始地质地球物理模型开展2.5维的人机交互反演，可以提高解释成果的准确性。

针对已有ZK301、ZK304见矿钻孔的M1、M2，图切2条磁异常剖面开展2.5维正演拟合。即以ZK301、ZK304孔所见地层、岩浆岩、磁铁矿深度、厚度以及三维自动反演的磁性体顶底板深度作为约束条件，建立初始地质地球物理模型，即输入有效磁化强度、顶部埋深、水平延伸，设置地磁场值、地磁倾角、地磁偏角等。然后作人机交互实时正演拟合，根据正演计算结果与实测曲线差异不断修改模型，直到差异最小(满意)为止，以达到推断磁性体的水平延伸和垂向赋存状态的目的(刘天佑，2012；张明华等，2015)。

3 平面磁异常特征分析

DC-19磁异常即原M1—M3异常(图1)，位于五洲山北坡，是1条近EW向条带状磁异常，由500 nT等值线圈闭的范围，东西长约2 100 m，南北最宽约380 m，总体表现为近EW向排列的3处高值中心，北侧伴生100 nT以上的负异常形态。中部异常(M2)呈似椭圆状，走向NEE，1 100 nT等值线长约450 m，宽约240 m,峰值2 500 nT；东部异常(M1)呈似椭圆状，走向NEE，1 100 nT等值线长约320 m，宽约90 m,峰值为1 800 nT；西部异常(M3)呈纺锤状，走向近EW，700 nT等值线长约350 m，宽约110 m,峰值800 nT左右。地质图上3个磁异常均处在志留系—二叠系与北侧斑状石英闪长岩等接触部位，且构造发育，具良好的成矿地质条件。

图4为采用研究区地磁要素进行化极处理的前后对比图，异常特征变化很大。化极后异常中心明显北移，由北弱南强变为北强南弱，南缓北陡变为北缓南陡。化极异常特征与地表地质特征更加吻合，即北侧弱正磁异常反映了属高资杂岩体的斑状石英闪长岩分布，南侧的弱负异常反映了古生代沉积岩的分布。其接触部位的强磁异常为矽卡岩及矽卡岩型磁铁矿的综合反映，北略缓南陡的异常特征说明磁铁矿体向北陡倾或浅部磁铁矿体北侧深部有磁铁矿体存在。

图4 五洲山磁异常ΔT化极处理前后对比图Fig.4 Comparison of magnetic anomalies ΔT before and after reduction-to-the-pole in Wuzhoushan

宽缓的具一定规模的地磁异常特征表明，其不仅有已查明的浅部磁铁矿体贡献，也应与一定规模的深部磁性地质体有关，化极后小波多尺度分解的高阶细节(图5)结果显示异常中心一定程度地北移，说明磁铁矿体向北延伸较深。

从小波多尺度分解结果可以看出，在三阶、四阶细节均显示局部异常为正负伴生异常，说明铁矿体为下延有限形体。尤其四阶细节反映场源似深度为320 m，与现有见矿钻孔ZK301、ZK304见矿深度相比要深得多，但与ZK309孔的测井资料显示的在290～340 m左右还存在磁异常体的结论十分吻合。而五阶逼近的异常则为南低北高，反映区内南侧为无磁性古生代地层，北侧为弱磁性的高资杂岩体的区域地质特征。

另外，根据以往施工的6个钻孔所处位置(图4b、图5a)分析，ZK302、ZK307孔均处在化极异常的弱异常区，ZK306孔处于异常边缘部位，未见磁铁矿应在情理之中(见岩脉穿插)； ZK301、ZK304孔位置接近化极异常中心，钻遇磁铁矿体亦属正常，但2孔见矿深度不同，ZK301孔在矿体倾向一侧(北侧)，距矿头略远，见矿深度较深，多在200 m以深，总厚度较厚；ZK304孔在矿头附近，见矿深度在40 m左右，总厚度较薄，该孔见矿厚度明显与异常强度不符；ZK309孔虽处异常中心，但未见矿，很可能是因为矿体产状较陡，钻孔从矿层之间穿过、抑或矿体被后期构造错动所致。

图5 五洲山地磁DC-19异常小波多尺度分解等值线Fig.5 Contours of wavelet multi-scale decomposition for the geomagnetic anomaly DC-19 in Wuzhoushan

图6 五洲山地磁DC-19异常三维反演成果图Fig.6 Three-dimensional inversion results of the geomagnetic anomaly DC-19 in Wuzhoushan

4 磁异常三维反演解释

根据上述分析，为了更好地判断磁性矿体形态及空间赋存状态，对DC-19异常采用RGIS重磁数据处理系统的三维物性自动反演，对化极后的磁异常进行磁化强度反演(图6)。

从图6a的切片上可以明显看出，M2异常的磁化强度最高，近30 A/m；M1次之，约为10 A/m；M3最低，小于10 A/m。

重点研究M2异常，图6b为针对M2异常反演磁性矿体放大成像图，显示矿体主体(图中褐色凸起部分)位于钻孔ZK304、ZK309南侧，形态呈饼状，向北陡倾，向下尖灭于高程-200 m左右。同时还可看出，ZK304孔所见矿层处于矿体外围，没有穿过主要矿体。

5 磁异常2.5维反演解释

虽然三维反演的磁性体形态特征较为直观，但由于三维自动反演的物性参数分布是异常下方磁性体(可能为多个或多层)的综合反映，磁化强度与形态大小成负相关(磁性越强，规模越小；磁性越弱，规模越大)，对形体范围内的细节变化无法人为约束，依然存在多解性。因此，在三维反演成果的基础上，针对M1、M2作图切剖面P1、P2(图1)，充分利用已有钻孔(ZK301、ZK304)、测井(ZK306、ZK307、ZK309)、物性资料以及三维自动反演成果(与P1、P2重叠部分切片)作为约束条件，建立初始地球物理模型，开展2.5维人机交互反演，以进一步提高解释成果的准确程度。

图7为穿过M1异常的P1剖面的2.5维反演剖面成果图。经计算，以ZK301孔所见矿体不能引起现有磁异常(注意图中红色实线和黑色点画线)推断，现有矿体右下方即剖面的1 750 m、高程-200 m以深部位还应有一磁性矿体存在，该矿体规模大于现有矿体规模(表2)。另约在剖面的1 400 m处的浅部矿体位于剖面旁侧，可靠程度不高。

图7 地磁DC-19异常P1剖面2.5维反演成果剖面图Fig.7 2.5-dimensional inversion results of profile P1 for geomagnetic anomaly DC-19

图8为穿过M2异常的P2剖面的2.5维反演剖面成果图，经计算，ZK304孔所见矿体明显不能引起现有磁异常(注意图中红色实线和黑色点画线)，推断现有矿体左下方,即剖面的1 540 m、高程-400 m以浅部位还应有磁性矿体存在，该矿体规模远大于现有矿体规模(表3)。另约在剖面的1 900 m处推测的深部矿体可靠程度较低，推断为矿化体。

考虑到矿体沿走向、倾向将会逐渐尖灭，矿体形态可能近似为楔形，以及反演矿化体的磁性强弱等因素，Ⅰ、Ⅱ号矿体密度采用3.5 t/m3，Ⅲ、Ⅳ号矿体密度采用4.0 t/m3，体积校正系数采用0.5(楔形体计算公式)。V号磁性体暂定为矿化，不参与资源量计算(范正国等， 2006)。最终估算的资源量为646万t。

6 结 论

(1) 无论是面上采用的小波多尺度分解结果的定性分析，还是三维物性的自动反演、2.5维剖面形态物性的综合反演，都显示五洲山地区所见矿体的深部和边部还存在较大规模矿体的可能，初步估算资源量超过11.6万t，说明DC-19磁异常具有较好的找矿潜力。若该异常能够取得找矿突破，则同处高资岩体南接触带的磁异常分别还有DC-16、DC-17、DC-18，激电异常JD-12、JD-13(江苏省地质勘查技术院，2013)都属成矿有利部位，均具有较好的找矿前景，值得进一步工作。

图8 地磁DC-19异常P2剖面2.5维反演成果剖面图Fig.8 2.5-dimensional inversion result of profile P2 for geomagnetic anomaly DC-19

新推矿体编号反演磁化强度/(×10-2A/m)截面积/m2模型长度/m体积/m3密度/(t/m3)矿石储量/万t校正后资源量/万t备注Ⅰ300022463608084523．5283141Ⅱ3000464330013928753．5488244Ⅲ1100038221806880024275138Ⅳ1500022082806182464247124校正系数0．5Ⅴ15003249180584879矿化合计1293646

注：资源量估算公式：磁异常拟合体积法估算资源量=体积校正系数×物探反演计算的体积V×矿石密度σ

(2) 通过对DC-19磁异常的定性、定量分析与研究，提高了对该异常的认识。充分说明利用计算技术(反演计算软件)对以往因受计算条件限制，简单定性认定的找矿潜力不大、前景不明等异常，通过定量计算，进一步深化对异常的研究，提高认识，重新评价异常成为可能。

范正国，黄旭钊，熊盛青，等， 2006. 全国矿产资源潜力评价磁测资料应用技术要求:讨论稿[R]. 北京：中国国土资源航空物探遥感中心.

侯遵泽，杨文采，1997. 中国重力异常的小波变换与多尺度分析[J]. 地球物理学报,40(1): 85-95.

江苏省地质矿产局第三地质大队，1972. 江苏省镇江市五洲山铁矿磁异常验证报告[R]. 江苏镇江：江苏省地质矿产局第三地质大队.

江苏省地质局物探队，1981. 江苏省宁镇地区磁测找铁综合研究报告[R]. 南京：江苏省地质局物探队.

江苏省地质勘查技术院，2013. 江苏镇江宝华山—巫岗铁铜矿远景调查物探专项工作成果报告[R]. 南京：江苏省地质勘查技术院.

刘天佑，2007. 位场勘探数据处理新方法[M]. 北京：科学出版社.

刘天佑，吴招才，詹应林，等， 2007. 磁异常小波多尺度分解及危机矿山的深部找矿：以大冶铁矿为例[J]. 地球科学：中国地质大学学报，32(1)：135-140.

刘士毅，田黔宁，赵金水，等，2010. 解决物探异常解释多解性的一次尝试[J]. 物探与化探，34(6): 691-696.

刘天佑，2012. 磁法勘探软件系统MAGS4.0升级说明[D]． 武汉：中国地质大学(武汉).

孙国曦，肖书明，贾根，等，2007. 江苏宁镇中段深部矿产资源潜力分析[J]. 中国地质，34(增刊1): 288-292.

滕龙，邸兵叶，张俊，2015. 江苏茅山断裂带中段重力异常多尺度分析及其构造识别[J]. 资源调查与环境，36(1): 49-56.

姚长利，郑元满，张聿文，2007. 重磁异常三维物性反演随机子域法方法技术[J]. 地球物理学报，50(5)：1576-1583．

严加永，吕庆田，吴明安，等，2014. 安徽沙溪铜矿区域重磁三维反演与找矿启示[J]. 地质学报，88(4): 507-518.

张明华，乔计花，黄金明，等，2015. 重磁电数据处理解释软件：RGIS[M]． 北京：地质出版社.

Application of fine inversion in the reinterpretation of Wuzhoushan magnetic anomaly in Zhenjiang

ZHANG Zuohong1, WEI Bangshun2, ZHANG Dalian2, ZHANG Han3

(1. Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province, Nanjing 210049, Jiangsu, China; 2. Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210018, Jiangsu, China; 3. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, Jiangsu, China)

There are multiple magnetic anomalies in the Wuzhoushan area of Zhenjiang in Jinagsu Province. This work analyzed the geological setting and magnetic field characteristics of this area, and utilized modern advanced data processing techniques to conduct two-dimensional multi-scale wavelet decomposition, three-dimensional physical property inversion and 2.5 dimentional profile inversion of the anomaly DC-19. The result shows that there are large-scale magnetite orebodies in the deep and flanking positions of boreholes ZK301 and ZK304, indicating a good potential for prospecting skarn type magnetite ores. It is revealed that fine inversion based on modern advanced computing technologies can further deepen the previous understanding on anomalies and can also reevaluate those anomalies.

geological settings; geomagnetic anomaly features; wavelet decomposition; three-dimensional physical property inversion; 2.5-dimensional inversion; reinterpretation; Zhenjiang in Jiangsu Province

10.3969/j.issn.1674-3636.2016.04.653

2015-11-10；

2015-12-10；编辑：陆李萍

中国地质调查局项目“镇江宝华山—巫岗地区铁铜矿远景调查”(1212011085433)

张作宏(1963— )，男，高级工程师，地球物理勘探专业，长期从事地球物理勘探工作，E-mail： zzh6396@126.com

P631.2+4

A

1674-3636(2016)04-0653-09