正则化低通滤波在消除重力异常干扰中的应用_黄寄洲.pdf

2020年第10期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-04-07修回日期 2020-04-08 基金项目 安徽省公益性地质项目 “安徽省蒙城县西贾庄罗集地区铁矿预查”（2008-Ⅲ-3） 。 第一作者简介 黄寄洲 （1985-） ， 男 （汉族） ，湖南益阳人， 工程师， 现从事地球物理勘探和方法技术研究工作。 正则化低通滤波在消除重力异常干扰中的应用 黄寄洲*， 黄传杨， 张垒， 吴飞 （安徽省地球物理地球化学勘查技术院， 安徽 合肥 230022） 摘要 正则化低通滤波是一种重要的位场数据处理方法。介绍了正则化低通滤波方法的基本原理 与特点， 利用该方法对重力异常进行分离， 成功消除了干扰异常， 并较好地保留了原始有用异常信 息， 为后续在该区圈定岩体， 勘查金多金属矿奠定了基础。 关键词 正则化； 低通滤波； 重力； 异常分离； 干扰 中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202010-0155-03 在位场数据处理中， 滤波技术在压制干扰信号、 突 出有用信号、 分离区域场与局部场等方面有着重要的 应用。而正则化低通滤波能有效克服求解复傅里叶级 数和时算法的不稳定性， 并通过把其推导到复二维空 间， 可以稳定求解复傅里叶级数和， 得到函数的稳定近 似值， 因而对分离重磁位场信号频谱， 具有理想低通滤 波特性和较强的适应能力[1-3]。 邢怡[3]曾利用正则化滤波对重力异常与磁异常模 型进行异常分离， 认为其具有计算速度快的特点。严 文婕等[4]利用不同尺度的正则化滤波对磁异常进行处 理， 清晰地反映了构造带及其切割大致深度。李树文 等[5]利用正则化滤波对复杂干扰条件下地面磁测数据 进行滤波处理， 成功滤掉了杂而小的干扰异常， 分离出 单一的主要异常。前人成果表明， 该方法能有效分离 局部异常， 消除干扰。 1方法原理与特点 离散傅利叶反变换是已知函数离散复傅利叶系 数， 求复傅利叶级数和， 得到该函数离散值， 但这种算 法缺乏稳定性。为克服这种不稳定性， 前苏联地球物 理学家吉洪诺夫等提出了 “求具有以L2空间度量为近 似系数的傅里叶级数和的稳定解法” 。通过把该方法 推导到复L2空间， 以稳定求解复傅里叶级数和， 从而得 到函数的稳定近似值。安玉林等根据该理论， 通过大 量研究构建了能迅速形成 “具有理想低通滤波特性和 较强适应能力” 的、 简单连续、 高光滑度的正则化稳定 因子[1-2]。其一维正则化滤波因子 [3] f m α 1/{1αe β||μ -μ0λx} 1 式中 正则参数α一般取2≤α≤3， 可取α2.8， β≥2； 波数μ m λx ；λx为基波波长，μ0为要消除的高 频干扰信号的最小波数， 等于其最大水平尺寸的倒数， 即λ-1 0。 根据推导一维正则化稳定因子的过程， 推导出二 维似圆形正则化稳定因子， 即 f mn α 1/{1αe βf-f0λxy} （2） （2） 式与 （1） 式形式上完全一样， 式中β≥2；f0 为要消除的高频干扰信号的最小波数， 等于其最大水 平尺寸的倒数， 即λ-1 0 。相应的fμ2ν2， 波数 μ m λx 、ν n λy ，λx、λy为基波波长，α求解与一维一 样， 可取α2.8。 此方法的滤波因子简单连续、 光滑度高，f0、λ0表 示要消除的异常场的尺度， 可以直接从原始重磁异常 剖平图或平面等值线图上量取， 能够比较容易应用于 实际生产工作中。 2应用实例 2.1地质背景 研究区位于华北陆块南缘的东西向蚌埠复背斜西 南部 （蚌埠隆起中段） 的蒙城西贾庄地区， 南与淮南陷 褶断带相接触。全区为第四系所覆盖， 第四系厚度约 300～500m； 基岩地层主要为太古代五河群 （Ar2Wh） ， 其次为第三系 （图1） ， 已往钻孔揭露存在中酸性岩体， 155 2020年第10期西部探矿工程 并推测存在近东西向与北北东向断裂。区内密度特 征 五河群地层为高密度地层， 第四系、 第三系为低密 度层， 中酸性侵入岩为中等密度[6]。 研究区地势较为平坦， 海拔最高38m， 其中大部分 地区海拔25m左右， 高差小于2m， 仅在南边茨淮新河 及其两侧高差比较大， 河堤海拔最高达38m， 河堤与两 侧高差最大超过10m。 2.2重力异常特征 通过开展1 ∶ 5千重力调查 （网度 50m20m） ， 获得 总精度为0.01910-5/s2的重力异常数据。根据布格重 力异常图，异常总体呈近东西向展布， 在东刘庄孙 店赵庄一带存在一近东西向的高值异常带。 然而， 在次淮新河两侧呈现出两条密集的线性梯 级带， 每条梯级带均形成北西向的 “台阶” 状异常，“台 阶” 状异常尺度基本一致， 与茨淮新河河堤位置高度吻 合， 同时 “台阶” 状异常两侧亦出现一些小的局部异 常。形成 “台阶” 状异常的原因主要有两点 一是由于 河堤的高度长期以来存在变化， 通过利用收集的DEM 数据与本次实测高程进行对比， 发现河堤高程普遍降 低了0.5～1.2m， 故使用收集的DEM数据进行中远区 地形改正， 必然带来误差； 二是本区为厚第四系覆盖 区， 第四系密度较小， 地形改正密度选择不当， 亦带来 一定误差， 尤其当地形高差较大时， 更加明显。“台阶” 状异常两侧及部分其他局部异常则主要是由于对河水 深度、 池塘深度估计存在误差等原因， 导致部分近区地 改存在较大误差， 以及由于数据网格化的原因， 在两条 梯级带周围出现高频异常叠加所致。这些 “台阶” 状异 常及局部异常造成研究区异常等值线紊乱， 严重影响 了异常的形态， 特别是致使研究区南部高值异常带南 端异常显示不完整， 进而影响了对异常的认识与解释， 成为本区的 “干扰” 异常。 2.3数据处理与结果分析 在通过调整地形改正密度值仍无法完全消除干扰 后， 采用正则化低通滤波方法分别选用8倍、 10倍、 12 倍、 14倍点距进行了滤波处理。当滤波尺度选用8倍 点距时， 由于尺度较小， 虽然也消除了一部分干扰异 常， 但茨淮新河两侧的梯级带并未完全消除， 即只消除 了干扰异常中的高频部分。随着选用10倍以及更大点 距， 干扰逐渐得以消除， 当滤波尺度选用12倍、 14倍点 距时， 梯级带均能得到有效分离。但对比4个滤波尺度 分离出的异常， 随着滤波尺度的增大， 虽然干扰异常能 逐渐得到分离， 但异常也更加圆滑， 表明分离出的其他 有用异常信息也越来越多， 即其他有用异常信息损失 愈加严重， 可见， 滤波尺度并非越大越好。故综合对比 分析， 认为12倍点距为最佳滤波尺度， 选用12倍点距 处理结果作为本次结果。 重力异常经12倍点距正则化滤波后， 不但消除了 干扰异常， 完整地呈现了沿东刘庄孙店赵庄一带 分布的近东西向重力高值异常带及其异常细节； 同时 还较好地保留了原始有用信息， 尤其比较完整地保存 了已经过钻孔验证由中酸性岩体引起的位于孙店一带 的等值线相向收缩特征， 充分表明此次正则化滤波效 果是显著的， 为后续数据处理与解释工作打下了基础。 异常总体呈近东西向展布， 沿东刘庄孙店赵 庄一带分布近东西向高值异常带， 南北两侧为梯度带， 与近东西向的复背斜构造相吻合。其中高值异常带主 要反映背斜核部， 异常带中位于东刘庄、 赵庄的局部异 常则主要与变质基底五河群的局部隆起有关， 两局部 异常间等值线相向收缩， 根据已有钻孔资料， 主要为中 酸性岩体的反映； 南北两侧梯度带则反映背斜翼部， 梯 度带最陡的部位可能为断裂构造的反映。 3结论 通过采用正则化低通滤波对重力异常进行分离， 成功消除了干扰异常， 并较好地保留了原始有用异常 信息， 取得了较好的效果。为下一步圈定岩体， 勘查金 多金属矿奠定了基础。（下转第162页） 156 2020年第10期西部探矿工程 3应用效果 该掘进系统已成功应用于山西煤炭运销集团七一 煤业有限公司中， 大约掘进了1200m的巷道距离。在 没有使用这个托揽装置之前， 移变至电缆小车之间电 缆、 双锚掘进机供电电缆时常被折断， 极大制约了设备 的开机率， 增加了人员的作业强度， 导致该掘进系统的 作用无法得到充分发挥。在应用该拖揽装置之后， 设 备从未出现供电电缆折断或压断的问题， 极大保障了 掘进工作的高效性及稳定性。 4结语 针对设备之间的电缆在快速掘进系统中极易折断 的问题， 基于巷道的地质条件、 作业面的设置、 设备的 特点等， 研发出一种不需人员看护及操作的无动力拖 揽装置。该装置具备较多的优势， 如拖揽及储揽功能， 不需要外在动力， 且拖揽的长度可适当调整等。有效 改善了该掘进系统中供电电缆折断及压断的问题， 极 大提升了设备的开机率， 降低了人员的作业强度， 增强 了人员的安全性； 可极大节约人工成本， 增强掘进的效 率， 促使掘进工作更加高效稳定。 总之， 该无动力拖缆装置具有很多优点， 通过在矿 井掘进工作面装设该无动力拖缆装置， 一方面可有效 减轻工人作业强度， 提高掘进机开机率， 提高掘进效 率， 另一方面可有效减少供电电缆被挤断、 压断事故的 发生， 有助于更好的保障矿井安全生产， 该无动力拖缆 装置具有一定的推广应用价值。 参考文献 [1]王进辉.电缆拖挂装置的改进设计[J].煤矿机械，20191033- 35. [2]徐向东.井工采煤机动力电缆拖拽装置控制系统的研究[J]. 煤炭与化工，2018690-92. [3]王英.掘进面装煤机跟机伸缩电缆吊挂装置的研制及应用 [J].煤矿机械，20161160-161. [4]苏海.掘进机随机电缆自移装置的研究与应用[J].科技情报 开 发与经济，201721227-228. （上接第156页） 应用正则化低通滤波的前提是要能够准确地获取 要消除的异常场的尺度； 当尺度过小， 则不能完全消除 干扰异常； 当尺度过大， 则会损失大量有用信息。当干 扰异常尺度一致， 且其频谱都集中于某一高频段时， 滤 波效果更好。 参考文献 [1]管志宁，安玉林.区域磁异常定量解释[M].北京地质出版社， 199122-35. [2]邢怡.重磁异常分离方法技术研究[D].中国地质大学北京， 200840-43，50-52. [3]刘天佑.应用地球物理数据采集与处理[M].武汉中国地质大 学出版社，2004116-117. [4]严文婕，周喜军，李富.正则化带通滤波在构造带反映中的应 用[J].西部探矿工程，20117121-122. [5]李树文，李少雄，刘伏昌.复杂干扰条件下地面磁测数据处理 与磁异常解释研究[J].有色金属 （矿山部分） ，2010，62122- 29. [6]张垒，盛勇，黄博，等.安徽省蒙城县西贾庄铁金多金属矿普查 报告[R].2015. （上接第159页） 参考文献 [1]谢光辉.井下综掘机的维护管理研究[J].能源与节能，20162 30-32. [2]王焱金，季清华，白雪峰，廉自生.掘进机截割部液压系统分析 [J].机床与液压，2016179-81. [3]张文伟.EBZ260型掘进机内喷雾装置的改进[J].机械管理开 发，2019788-90. [4]王辉.掘进机截割主轴用机械密封可靠性分析[J].煤矿机械， 2017256-58. [5]许崇.综掘机液压系统的污染及控制[J].煤炭技术，20134 32-35. [6]董荣宝.全断面掘进机冷却、 喷雾系统的设计与分析[J].煤矿 机械，2019890-92. [7]李焕彬.基于系统分析的综掘机故障应对措施[J].内蒙古煤 炭经济，20172255-58. [8]吴保军.液压油污染对设备的影响[J].中小企业管理与科技 （上旬刊） ，20151120-22. 162