自相關濾波方法及其在山東齊河—禹城鐵礦勘查應用

吳成平，于長春，熊盛青，徐劍春，徐東禮，喬春貴

(1.中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083；2.自然資源部 航空地球物理與遙感地質重點實驗室 北京 100083)

0 引言

自相關濾波方法是數字信號處理中非常重要的處理方法，多用于識別有意義的弱異常，如識別礦體、含油氣構造體、斷裂構造等。該方法在重磁領域的應用仍在不斷發(fā)展過程中，最早G.D.Garland[1]基于泊松定理，利用相關系數分析研究重磁異常。姜枚等[2]闡述了統(tǒng)計分析方法在區(qū)域重磁資料解釋中的應用，指出計算相關函數時延遲距離或窗口選擇的重要性。秦葆瑚[3]應用自相關濾波方法降低噪聲、突出弱異常，對實測磁數據用插值切割法與自相關濾波方法進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)兩者獲取的剩余異常相似，但后者異常形態(tài)受濾波半徑影響更小。熊盛青[4]提出自協(xié)方差、互協(xié)方差為基礎的結構邏輯法提取非平穩(wěn)場中的弱異常，應用于銅多金屬礦和金礦勘查。劉天佑[5]采用剖面相關濾波對揚子地臺斷裂不同延拓高度數據進行處理，取得較好的效果。韓兆紅等[6]在測線上自動尋找剩余局部異常最大點處的觀測值作為參考模型，改造自相關濾波因子，并處理實測資料，圈定新的找礦遠景區(qū)。自相關濾波方法在重磁領域應用還不是很多，在深部鐵礦勘查中未見應用。山東齊河—禹城厚覆蓋區(qū)鐵礦在地表引起的異常微弱，利用自相關濾波方法對研究區(qū)內數據進行局部弱異常提取，取得了較好的效果，為厚覆蓋區(qū)找礦提供了支撐，拓展了自相關濾波方法的應用領域。

1 原理及公式

自相關濾波方法是利用自相關計算濾波函數，采用一定寬度的濾波窗口進行高通濾波，壓制區(qū)域場的影響，從而達到提取局部弱異常的目的。本次主要針對網格數據進行自相關濾波處理。設濾波窗口半徑(即自相關半徑)為R(單位為點數)，自相關半徑R可以根據已知目標體引起的異常來確定；或根據探測目標實際情況，結合理論模型試驗確定——即依據探測目標的規(guī)模、埋深、物性等參數，正演出其在觀測面引起的異常，根據異常規(guī)模及地球物理數據情況選擇合適的自相關半徑點數。自相關計算的濾波函數ρ表達式為[3,6]：

(1)

(2)

(3)

(4)

計算點Z(i，j)處經過自相關濾波后的異常值Zloc(i,j)為：

,

(5)

隨著濾波窗口的移動，可獲得所有測點自相關濾波后的異常值。需要指出的是：濾波窗口移動時，研究區(qū)邊緣的濾波窗口半徑范圍數據點將無法按式(1)計算濾波函數，為了壓制這種“邊界效應”，對原始數據進行了括邊處理[7-9]。

2 模型試驗

為了驗證自相關濾波方法對厚覆蓋區(qū)深部礦體探測的有效性，進行了模型試驗。其中，巖體模型主要作用為產生背景磁場，巖體模型位于3～4 km深度，有效磁化強度為1 470×10-3A/m，巖體模型在各平面投影見圖1；并建立埋深650、475、1050 m的3個礦體模型，礦體模型為邊長50 m或100 m的立方體模型，其有效磁化強度為33 600×10-3A/m，具體位置、幾何參數、磁性參數見表1。

表1 礦體模型參數

對上述建立的組合模型體進行正演計算，獲得了組合模型體在地表(Z=0 m)產生的垂直磁化ΔT異常(圖2a)，在此基礎上進行自相關濾波方法處理，提取局部弱異常(圖2b)。從圖中可以看出，利用自相關濾波方法基本消除了背景場干擾，提取的局部弱異常為礦體模型產生的異常。尤其③號礦體在原磁場圖中不明顯、未圈閉，通過自相關濾波方法處理后，盡管由于埋深較大導致產生的異常弱，但是形成了圈閉異常。同時，3個礦體的磁異常經過處理，異常范圍縮小，更接近地質體邊界范圍，其中①號礦體異常范圍減小最為明顯。模型試驗結果表明自相關濾波方法提取弱異常是行之有效的。

a—地面正演ΔT異常;b—自相關濾波方法提取局部弱異常

3 實際應用

3.1 數據處理

山東齊河—禹城地區(qū)位于山東省西北部，地處黃河以北。2011年在山東齊河—禹城地區(qū)完成了1∶5萬航磁測量，測線方向為SN向；2017年，又進行了1∶5萬航磁測量，測線方向與2011年相同，但測線位置穿插于2011年測線，相當于進行了加密測量。以2017年航磁數據為基準，對上述航磁數據進行調平融合處理[10]，得到了1∶2.5萬航磁數據。數據網格化采用的網格距為50 m×50 m。

在自相關濾波方法處理之前對數據進行了化極處理。根據鉆探資料，研究區(qū)內鐵礦體埋深在700～1500 m，厚度幾米至上百米不等。通過分析已知鐵礦產生的航磁異常以及對鐵礦體產生的異常進行正演模擬，該地區(qū)鐵礦引起的航磁異常寬度一般為1～2 km，因此設定自相關半徑為20個數據點。自相關濾波方法使用的軟件為基于中國自然資源航空物探遙感中心GeoProbe Ver 4.0軟件平臺[11]自主開發(fā)的插件。

3.2 應用效果

研究區(qū)地表被厚度大于500 m的巨厚新生代沉積地層覆蓋(圖3a)，覆蓋層下方地層發(fā)育不完整——缺失白堊系、三疊系、泥盆系、志留系等。燕山晚期巖漿活動強烈，侵入巖屬于幔源分異型，以閃長巖類中基性侵入巖為主。據相關成礦理論[12-13]，中基性侵入巖為該區(qū)矽卡巖型鐵礦成礦地質體，碳酸鹽巖地層與巖體的接觸帶是鐵礦成礦的有利部位[14]。

區(qū)內隱伏地層磁性較弱，引起磁異常的主體為中基性巖體，其平均磁化強度為1 470×10-3A/m，而鐵礦石平均磁化強度33 600×10-3A/m，可在大規(guī)模巖體產生的異常中引起局部弱異常[15]。主體異常為負背景場中的升高正磁場，異常整體走向為NNE向，總長度約35 km，最大寬度約15 km，自南而北主要分為3個異常區(qū)，分別為大張異常區(qū)、潘店異常區(qū)和李屯異常區(qū)(圖3b)。

經自相關濾波處理后，上述3個異常區(qū)由巖體引起的背景場基本消除，認為提取的規(guī)模和強度相對較大的弱異常是地下磁性體局部凸起或磁性不均的反映，是找礦的重要部位。需要注意的是：①這里指的弱異常是相對于原疊加異常強度而言；②提取的局部弱異常中也有部分異常是地面干擾引起，其波長短、相對雜亂，在解釋中應根據異常特征，并結合遙感、實地踏勘等資料加以區(qū)分。

本區(qū)已施工多個鉆孔[16-18]，可以看到見礦鉆孔均位于提取的局部弱異常范圍內(圖4)，而且局部異常強度相對較大。例如：李屯地區(qū)ZK1、ZK0701、ZK5、ZK6、ZK7等見礦鉆孔所處的局部異常；潘店地區(qū)PZK01見礦鉆孔所處的局部異常；以及大張地區(qū)ZK001、ZK002、ZK003、DZK01所處的局部異常。而未見礦鉆孔多位于強度較弱的局部異常，甚至不在局部異常范圍內，如圖4中ZK3、ZK4在提取的局部異常邊部，ZK2801則不在提取的局部異常范圍內。鉆孔資料表明，自相關濾波方法提取的局部弱異常，尤其那些強度相對較大的局部弱異常與深部鐵礦密切相關，對該地區(qū)尋找深部鐵礦具有重要意義，可指導后續(xù)鉆探工作。

圖4 自相關濾波方法處理結果及鉆孔分布

4 結論

1)應用自相關濾波方法對磁異常進行處理，壓制了背景場的影響，明顯突出了局部弱異常。不僅從疊加磁場中提取出有意義的異常，而且自相關濾波方法提取的局部弱異常，其異常范圍比原異常更接近磁性地質體的實際邊界。

2)在齊河—禹城厚覆蓋區(qū)，鐵礦埋深大導致在地表觀測的鐵礦體引起的地球物理信號相對弱，而且鐵礦引起的異常湮沒在大面積的磁性巖體引起的異常中，鐵礦預測的難度大。通過自相關濾波方法提取弱異常顯著縮小了找礦范圍，為該地區(qū)找礦靶區(qū)圈定和鉆探驗證等工作提供了重要依據。

3)自相關濾波方法提取的局部弱異常突出礦致異常等有用信息的同時，也突出了部分地表人文干擾異常，在地質解釋過程中建議使用遙感、實地踏勘等資料進行排除。

致謝：山東省煤田地質規(guī)劃勘察研究院、中化地質礦山總局山東地質勘察院、山東省地調查院等單位及相關技術人員提供了研究區(qū)鉆孔資料，匿名審稿專家和編輯部對本文提出了寶貴意見和建議，在此表示由衷感謝。