（固体地球物理学专业论文）位场数据中断裂的模式识别技术.pdf

p噜j ? 、 i k - a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t y 。c o n f o r m i t yw i t hth(10ngl u m v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e a u i r e m e n t sf o r m a s t e rd e g r e e 1 i i ilii ii ii iu li l llu i y 18113 0 5 p a t t e r nr e c o g n i t i o no ff a u l t sw i t hp o t e n t i a l a n df i e l dd a a n df i e l dd a t a s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f o c e a n & e a r t hs c i e n c e 1 r j 。 d i s c i p l i n e ：l i e o p h y s i c s m a j o r ：s o l i dg e o p h y s i c s c a n d i d a t e ： g a n gy a o s u p e r v i s o r ： v i c ep r o f b i n gc h e n f e b ，2 0 0 8 ，t j 铲i n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：扫s 却1 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乙年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 沙降= j 4 j 卜 日 o 珧 b 士、 辄 月 签之， 者 u l 懈 产 文 玳 论 2 位学 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 训硼 目 月 扫， 孙 年 签彤 矽 一 p j ， 摘要 摘要 本论文来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 课题“海区残留盆地油气 资源综合地球物理勘探技术 的子课题“断裂与火成岩分布的重磁提取技术 ( 2 0 0 6 a a 0 9 2 3 5 9 ) 和国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 计划) 项目“南海大陆边缘动 力学及油气资源潜力 中的子课题“南海东北部中生代的断裂特征和盆地分布 ( 2 0 0 7 c b 4 1 1 7 0 6 0 2 ) 。在海域地区，海底地质调查有所局限，地震勘探效果也会 受到一定限制，因此开展重磁勘探进行综合研究海底地层构造十分必要。开展 重磁资料解释的目的之一就要通过对重磁异常的处理和解释推断断裂的分布情 况，以往这种分析推断很大程度上依赖于人的经验来完成，效率低，有一定的 主观性和不确定性。本文的主要目的是设计二个关于断裂的重磁位场数据处理 系统，将对断裂的识别主要交给计算机来解决。该系统能够完成的工作包括重 磁异常正演和重磁数据处理、断裂特征提取与识别，并将它应用于黄海地区。 在前人研究的基础上，本文做了四个方面的工作： ( 1 ) 前人工作成果的研究与集成。对于位场数据的处理，前人已经做了很多 的工作，并且有许多f o r t r a n 语言编写的程序可用，但是这些程序的可读性差， 不利于可视化。本系统将这些程序集成到系统中来并提供简单易用的交互界面。 ( 2 ) 将数字图像处理中的滤波和边缘检测方法集成到本系统中来，验证了各 个边缘检测方法在检测地质体边界和异常突变位置的效果，并将它们用于重磁 场中断裂特征的检测和增强中。 ( 3 ) 将模式识别的方法应用到断裂的重磁提取中。通常情况下，断裂在重磁 异常图像上表现为异常的梯度和突变带，从断裂异常的特征出发，建立断裂模 型，求取上延不同高度后的重磁异常的水平方向导数、总梯度、以及与断裂模 型相关系数等特征，设计分类器提取断裂。 ( 4 ) 在程序编写完成之后，设计了各种断裂模型，验证了分类器对不同特征 的识别的效果，证明了程序的适用性。并使用黄海地区的重磁资料进行断裂的 划分，并结合该区的地质与其他物探资料推断了主要断裂分布。 ( 5 ) 对断裂的划分效果进行总结和评价，并讨论下一步研究方向。 关键字：模式识别位场数据断裂识别 1 1 1 ， a b s t r a c t a b s t r a c t 刀j e p a p e ri s f r o mt h e s u b p r o g r a mo fh i - t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o g r a mo fc h i n a ( t h en a t i o n a l8 6 3p r o g r a m ，2 0 0 6 a a 0 9 2 35 9 ) n a m e d “t h eo i la n d g a sg e o p h y s i c sp r o s p e c tt e c h n o l o g yo fs e aa r e ar e s i d u a lb a s i n a n dn a t i o n a lb a s i c r e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( t h en a t i o n a l9 7 3p r o g r a m ，2 0 0 7 c b 4117 0 6 - 0 2 ) n a m e d “s o u t hc h i n as e ac o n t i n e n t a lm a r g i nd y n a m i c sa n do i lg a sr e s o u r c e sp o t e n t i a l ”1 1 l e s u b p r o g r a m sa r en a m e d “1 1 圮t e c h n o l o g yo ff a u l t sa n di g n e o u sr o c ke x t r a c t i o nw i t l l g r a v i t ya n dm a g n e t i cd a t a a n d m e s o z o i ce r a sf a u l t sc h a r a c t e r i s t i ca n db a s i nd i s t r i b u t i o ni n n o r t h e a s to fs o u t hc h i n as e a n o wt h eg e o l o g yi nt h em a r i n ei sl i m i t e da n dt h e s e i s m o l o g ye f f e c ti sn o ts a t i s f i e d t h e r e f o r eg r a v i t ya n dm a g n e t i ce x p l o r a t i o ni s n e c e s s a r yi nt h es e a b e dg e o l o g yr e s e a r c h t od e d u c et h ef a u l t si na na r e ai so n e i m p o r t a n tg o a lo fg r a v i t ya n dm a g n e t i cd a t ai n t e r p r e t i n g i nt h ep a s ty e a r s ，t h i sw o r k w a sd o n eb yt h eg e o p h y s i c i s t s i ti sat i m e c o n s u m i n gw o r ka n dt h er e s u l t sa r e s u b j e c t i v ea n du l 鸺u r e o u rw o r ki st od e s i g nas y s t e ma n dm a k et h ec o m p u t e rd ot h i s w o r kf o rt h eg e o p h y s i c i s t s t h ef u n c t i o no ft h es y s t e mi n c l u d e sf o r w a r d ，d e a l 、) l r i m p o t e n t i a ld a t a ，f a u l t sf e a t u r ee x t r a c ta n df a u l t sr e c o g n i t i o n 1 h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r a r et h ef o l l o w i n gi t e m s ： ( 1 ) i n t e g r a t e do ft h ep r e d e c e s s o rw o r k t h e r ea r em a n yf o r t r a ns u b r o u t i n ef o r p o t e n t i a ld a t ap r o c e s s i n g ，b u tt h o s ec o d e sa r ed i f f i c u l tt ou n d e r s t a n da n dv i s u a l i z a t i o n o u rs y s t e mi n t e g r a t e dt h o s es u b r o u t i n e sa n dm a k eai n t e r a c ti n t e r f a c ef o rt h es y s t e m a n du s e r s ( 2 ) i n t e g r a t e dt h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m ss u c ha sf i l t e ra n de d g e d e t e c t i nt h es y s t e m ic o m p a r e dt h ee f f e c to fd i f f e r e n ta l g o r i t h m si n t h ef a u l t s d e t e c t i o na n dm a k et h e mu s e di nt h ef a u l t sf e a t u r ee x t r a c t i o n ( 3 ) u s et h ep a a e mr e c o g n i t i o nm e t h o di nt h ef a u l t sr e c o g n i t i o n g e n e r a l l y s p e a k i n g ，w er e c o g n i z e dt h ep l a c ew h e r et h ep o t e n t i a ld a t ac h a n g e ds h a r p l ya st h e p l a c ew h e r et h e f a u l t sp a s s e d a c c o r d i n gt ot h i st h e o r y , w ee x t r a c t e dt h ef a u l t s f e a t u r e sb yt h eg r a d i e n t ，m o d a lr e l a t i o n s h i pa n dh o r i z o n t a ld e r i v a t i v ea n dd e s i g n e d t h ef a u l t sc l a s s i f i e rw i t ht h e s ef e a t u r e s 一 垒! ! 型 ( 4 ) a f t e rf m i s h e dt h ep r o g r a m ，id e s i g n e ds e v e r a lf a u l tm o d a l st oc h e c kt h e e f f e c to ft h ec l a s s i f i e ra n dt h e nm o d i f i e di t a f t e rt h i s ，iu s et h i ss y s t e mt od e a lw i t h t h eg r a v i t ya n dm a g n e t i ca n o m a l yi nc h i n ay e l l o ws e a a n dd e d u c et h em a i nf a u l t si n t h i sa r e a ( 5 ) a tl a s t ，ic o n c l u d e dt h ee f f e c t so ff a u l t sr e c o g n i t i o na n dd i s c u s sw h i c hw o r k s _ s h o u l db ed o n ei nt h ef o l l o w i n gd a y s 一 k e yw o r d s ：p a t t e r nr e c o g n i t i o n ，p o t e n t i a la n df i e l dd a t a , f a u l t sr e c o g n i t i o n m ， ； 一 ， 目录 目录 第1 章引言1 1 1 概述1 1 2 研究背景及现状2 1 2 1 断裂的研究历史和现状2 1 2 2 图像处理和模式识别研究历史和现状3 1 3 研究思路和关键技术5 1 4 研究意义和价值6 1 5 本文的内容安排7 第2 章断裂识别的原理及方法8 2 1 断裂分类8 2 2 断裂的重磁解释9 2 3 信息提取与增强1 2 2 3 1 导数1 3 2 3 2 相关分析1 4 2 3 3 图像处理1 7 2 4 断裂的识别方法2 6 2 4 1 断裂识别的基本原理2 6 2 4 2 断裂特征的选择2 6 第3 章基于位场数据的断裂识别系统设计2 8 3 1 系统概览2 8 3 2 数据管理类3 0 3 3c + + 与f o r t r a n 混合编程 硼3 2 3 3 1v c + + 与f o r t r a n 混合编程规范m 1 3 2 3 3 2 基于动态链接库混合编程的实现3 3 3 4 程序主要功能3 5 3 4 1 模型设计模块3 5 i v 目录 3 4 2 数据处理模块3 6 3 4 3 断层识别模块3 8 第4 章模型实验3 9 4 1 简单模型实验3 9 4 1 1 单个重力模型3 9 4 1 2 单个磁力模型4 6 4 1 3 接触带模型5 l 4 2 组合模型5 2 4 2 1 组合模型一5 2 4 2 2 组合模型二5 4 4 2 3 组合模型三5 5 第5 章实际资料处理5 7 5 1 研究区域概况5 7 5 2 重磁异常处理5 9 5 2 1 重磁异常5 9 5 2 2 断裂划分6 1 5 3 结果讨论7 2 第6 章结论与建议7 3 致谢7 4 参考文献7 5 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果7 9 v 一 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 课题) “海区残留盆地油气资源 综合地球物理勘探技术 的子课题“断裂与火成岩分布的重磁提取技术” ( 2 0 0 6 a a 0 9 2 3 5 9 ) 和国家重点基础研究发展规划( 9 7 3 计划) 项目“南海大陆边缘动 力学及油气资源潜力”中的子课题“南海东北部中生代的断裂特征和盆地分布 ( 2 0 0 7 c b 4 117 0 7 0 2 ) 断裂划分是地球物理勘探中一项十分重要的工作，是确定地质构造的重要 内容。重磁资料是划分断裂的重要依据，重磁资料处理的目的之一就是通过对 重磁资料采用各种地球物理场处理方法的处理与分析，再结合其他地球物理和 地质资料推断研究区域内的断裂分布。目前海区利用重磁资料推断断裂分布的 研究现状有以下几个特点与问题：第一，定性解释多，定量解释少。前人关于 重磁场的断裂标志已作过许多研究，归纳起来主要是：线性梯度带、异常线性 分界线、异常线性过多带、线性异常带、异常的错动、等值线的规则性扭曲、 异常等值线的疏密突变带、异常宽度突变带、串珠状异常等【6 l ，这些特征是在重 磁异常等值线图上或剖面上划分断裂的重要标志，但是，这些判别标志是定性 的，整体上缺少半定量或定量的计算；第二，单一方法研究多，综合研究少， 尤其是综合定量研究少。 目前，根据重磁资料提取断裂的方法主要是利用重磁异常的处理方法，如 水平方向导数、垂向二阶导数、水平梯度、总梯度、方向滤波和相关分析等方 法，突出重磁异常的梯度和线性变化特征，再由地质地球物理工作者根据这些 资料结合经验和其他地球物理资料和地质划定工区内的断裂分布情况。这种方 式受解释者的经验等主观因素的影响，具有主观性、随意性和多解性的缺点。 近年来，随着计算机技术的发展，图像处理、信号处理、模式识别等新技 术逐渐发展和成熟起来，并且被应用到地球物理资料的处理和解释中，这是地 球物理资料处理与解释的发展趋势之一【l 】。模式识别方法在断裂划分中的应用是 近年来的主要的研究方向之一，取得了一系列的进展，但大部分集中在对于地 第1 章引言 震资料的应用上，对于利用位场数据结合模式识别方法划分断裂的研究进行的 比较少，值得进一步研究。 1 2 研究背景及现状 1 2 1 断裂的研究历史和现状 断裂划分是地球物理工作中十分重要的工作。一般来说，在陆地上，地表 断裂可以通过地表地质调查和遥感分析进行确定，对于陷伏断裂，需要借助重、 磁、地震等地球物理料进行划分。隋志龙等【2 2 , 3 7 】系统地总结了利用光谱特征分析、 空间结构分析( 包括分形) 等遥感技术研究断裂构造的方法；王彦君、王彦辉 1 2 - 1 3 , 1 7 - 1 8 , 2 0 】等使用地震资料识别小断层取得了理想的效果；刘万崧、周云轩等【4 0 】 使用重磁数据成功的划分出了莫里青断陷西北边缘断裂；h e n r yl y a t s k y 7 4 】等使 用重磁数据成功的划分出了艾伯塔盆地的基底断裂分布情况。在海域进行断裂 的划分主要依靠地球物理资料，在地震资料比较充分的地区，可以根据地震资 料成功地推断浅层断裂的分布情况；而对于地震反射情况不好或者比较深的断 裂则需要使用重磁资料来推断断裂的分布情况。郝天珧等b 4 - 3 6 根据布格重力资 料通过解析延拓、目标场提取、任意水平方向导数、离散小波变换等处理，得 到了有关黄海及周边地区的断裂信息，并指出，上延结合任意水平方向上的导 数可以突出不同深度、不同方向的断裂信息。 对于断裂自动提取技术的研究也进行了不少，图像处理、模式识别、小波 分析、分形等新技术和新方法被应用到断层的识别中来，并取得了一定的成果。 崔若飞1 1 2 - 1 5 等使用模式识别和神经网络等方法结合地震数据划分煤层中的断 裂，取得了比较好的效果；杨文采【2 5 , 4 9 - 5 8 1 等通过实验标明，用小波变换分解的重 力异常小波细节可以起到功率谱的作用，可以确定场源的埋深；张拴宏等研究 了断裂分形维数值对于断裂预测的意义；张丽莉( 5 9 】等使用r a d o n 变换的方法结 合重力梯度场划分断裂，取得了很好的效果。 现阶段断裂识别技术的研究主要是使用模式识别的方法结合地震数据完成 的，对于使用重磁资料划分断裂的研究主要集中在断裂特征的提取上，并且对 于如何综合使用各种特征进行断裂的自动识别所进行的研究比较少。目前，对 于使用位场数据进行断裂识别所进行的系统的研究比较少，并没有形成一个基 2 第1 章引言 于位场数据的断裂综合处理系统，因此进行这方面的研究是十分必要的。 1 2 2 图像处理和模式识别研究历史和现状 以往在使用位场数据推断断裂分布的过程中，人们通常根据断裂在位场上 产生的各种异常特征来进行划分，在进行断裂的划分之前，通常需要对位场数 据进行预处理，突出与断裂相关的特征信息，常用的处理方法包括解析延拓、 任意水平方向导数、相关分析等。使用处理过的重磁资料结合其他地质地球物 理资料可以推断出工作区域内断裂的分布情况，但是，现阶段这个工作主要是 由人工完成的；同时，对于断裂自动提取技术的研究也进行了不少，图像处理、 模式识别、分形等新技术和新方法被应用到断层的识别中来，并取得了一定的 成果。但是，这方面的研究主要集中在结合地震资料的断层的模式识别上，而 对于结合重磁数据断裂划分的研究主要集中在断裂特征的提取上，并且对于如 何综合使用各特征进行断裂的自动识别所进行的研究比较少。 数字图像处理技术( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当 时受条件的限制一直没有较大进展，直到2 0 世纪6 0 年代后电子技术、计算机 技术有了相当的发展，数字图像处理技术才开始进入了高速发展时期【6 2 1 。数字 图像处理的主要研究目的在于通过对原始图像的再加工，使之能具备更好的视 觉效果或能满足特定需求。数字图像处理主要包括以下七方面的内容 6 7 , 6 2 】： ( 1 ) 图像采集与获取。包括成像方法、摄像机校正等内容； ( 2 ) 图像变换。为了有效、快速地对图像进行处理和分析，常常需要将原定 义在图像空间的图像以某种形式转换到另外一些空间，并利用这些空间的性质 进行一定的加工，它是许多图像处理技术的关键。 ( 3 ) 图像增强。即增强图像中的有用信息，消弱干扰和噪声，以便下一步分 析处理。 ( 4 ) 图像恢复。即把退化、模糊了的图像复原。复原图像要尽量和原图像保 持一致。 ( 5 ) 图像编码。在满足一定保真度的条件下，简化图像的表示，从而大大压 缩表示图像的数据，以便图像的存储和传输。 ( 6 ) 图像重建。有图像投影数据重建该图像。 ( 7 ) 图像分析。对图像中的不同对象进行分割、分类、识别和描述、解释。 第1 章引言 具体包括：目标表达、描述、测量；目标形状、纹理、空间、运动等的分析； 目标识别、分类和提取。 近年来，图像处理技术发展迅猛，产生了大量有影响的算法，并且吸收了 神经网络、数字信号处理、信息论及模糊逻辑等相关理论的一些思想。目前， 数字图像处理技术目前已广泛应用于国防、医学、航空航天、遥感、地球物理 等重要领域1 6 2 j 。 模式识别作为一门新兴学科，诞生于2 0 世纪2 0 年代，随着4 0 年代计算机 的出现，自2 0 世纪5 0 年代末才开始逐渐进入高速发展时期。模式识另l j ( p a t t e m r e c o g n i t i o n ) 可以定义为对表征事物或现象的各种形式的( 包括数值上的、文字上 的和逻辑上的等多种形式) 信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述、辨 认、分类和解释的一个过程【孔。 早期对模式识别的研究重点放在对模型的建立上，2 0 世纪5 0 年代末， f r o s e n b l a t t 首次体处理一种能够模拟人脑进行模式识别的数学模型感知 机，虽然非常简单，却初步实现了通过给点类别的各个样本对识别系统进行训 练，使系统通过学习而具有对其他未知类别模式进行正确分类的能力。模式识 别在接下来的发展中逐渐分成了两类：统计模式识别和结构模式识别( 又称语 言或句法模式识别) 。 统计模式识别是对模式的统计分类方法，即结合统计概率论的贝叶斯决策 系统进行模式识别的技术，又称为决策理论识别方法。统计模式识别的基本思 想是将特征提取阶段得到的特征向量定义在一个特征空间中，这个空间包含了 所有特征是每个特征向量或者说不同类别的对象都对应于此空间中的一点，在 分类阶段，利用统计决策的原理对此空间进行划分，从而达到识别不同特征对 象的目的。主要方法包括判别函数法、k 邻近分类法、非线性映射法、特征分析 法、主成分分析法等。统计模式识别有自身的缺点：首先，它需要从模式中提 取特征参数，对于那些结构比较复杂、形式多变的模式需要较多的特征才能描 述，加之对模式特征的选取本身就没有一个系统的理论依据，因此会存在一定 的困难；另外简单的分类不能代表对模式进行了有效的识别，因此将会存在一 些复杂的模式，识别还需要对不同的对象进行更深入的描述。结构模式识别主 要着眼于模式的结构，能有效弥补上述缺陷。 1 9 6 2 年，由r n a r a s i m a h a n 提出的基于基元关系的结构模式识别是一种基于 形式语言的理论，傅京孙在这个领域做了大量深入研究工作并使之发展成为结 4 第1 章引言 构模式识别这一系统理论。结构模式识别方法是用符号来描述图像的特征的。 它模仿了语言学中句法的层次结构，采用分层描述的方法，把复杂图像分解未 单层或多层的简单子图像，主要突出了识别图像的结构信息。在进行模式识别 时，需要定义一组模式基元以及语法( g r a m m a r ) 形式给出的用以确定这些基元相 互作用的规则和由此语法规则确定的自动机( a u t o m a c h i n e ) 。在这种模式分类方法 中，一个模式被看作一个句子，分类过程则被描述为对句子的分析。通过观察 其是否满足某一语法而断定出相应归属为哪一种类别。目前，结构模式识别的 模式表达方式主要有字符串的方法和树结构的方法两大类。 近年来，随着以模糊数学理论为基础的模糊模式识别和以人工神经网络为 基础的人工神经网络模式识别方法也得到了长足的发展。模糊模式识别将计算 机中常用的二值逻辑转向连续逻辑，模糊识别的结果是被识别对象隶属于某一 类别的程度即隶属度来表示的。基于模糊集理论的方法有：最大隶属原则识别 法、择近原则识别法和模糊聚类法。人工神经网络模仿生物神经系统，将若干 个处理单元通过一定的互连模型连接成一个网络，这个网络通过一定的机制可 以模仿人的神经系统的动作过程，以达到识别分类的目的。神经网络侧重于模 拟和实现人认知过程中的感知过程、形象思维、分布式记忆、自学习和自组织 过程，与符号处理是一种互补的关系。但是神经网络具有大规模并行、分布式 存储和自组织、自适应和自学习的能力，特别适用于处理需要同时考虑许多因 素和条件的、不精确和模糊的信息处理问题【5 l 。 1 3 研究思路和关键技术 断裂在重磁数据灰阶图中表现为图像的边缘，在重磁数据等值线图像中表 现为等值线梯度带或线性突变带。从这个角度出发，采用模式识别的方法，推 断出工区内主要的断裂位置与分布状况。为此，我们将断裂的识别过程分成四 步：位场数据的预处理，断裂特征的提取，分类器设计和分类结果评价。断裂 识别的过程如图1 1 所示。 断裂特征的提取是使用模式识别方法的一个关键问题，它与人的经验及科 学标志选取的方法有关。按照来源可以将断裂的标志划分为一次标志、二次标 志和综合标志 2 1 ，其中，二次标志是根据以此标志经过处理变换而得到的标志， 可见，重磁资料的预处理是十分必要的。预处理包括采用解析延拓、异常平滑、 第1 章引言 滤波、小波分析等方法去除重磁场的噪声和进行场的分离；采用传统的重磁数 据处理方法，包括方向导数、相关分析、高次导数等突出断裂的二次标志；采 用图像处理的方法，包括图像增强、图像变换、边缘检测等技术提取断裂在图 像上的标志。分类器的设计设方法选择传统的统计模式识别方法。最后，将分 类结果和实际断裂分布情况进行对比，判断各个分类标志的分类结果分类能力 和分类结果的好坏。 图1 1 断裂的识别过程【2 l 器窠 在进行实际资料处理之前首先要进行模型试验。设计各种形式的断裂模型 以及不同形式断裂的组合模型，采用提取的各种形式的断裂特征进行分类，将 分类结果和原始模型结果进行对比，评判出各个断裂标志的分类能力的优劣， 以此作为分类器断裂特征选择的依据。 本课题解决的关键问题有断裂特征的提取与选择，分类器的设计，分类结 果的表达，分类结果的评价。由于实际情况中断裂的复杂性，不同的断裂模型 可能具有不同的特征，这是断裂识别的难点之一。因此需要针对不同形式的断 裂分别设计对应的模型进行处理。 1 4 研究意义和价值 将图像处理和模式识别技术应用于地球物理资料的处理和解释中是一个发 展趋势。本课题将模式识别和重磁资料的解释结合起来，采用模式识别的方法 研究断裂的分布位置，并将图像处理的方法应用到重磁资料的信息增强、特征 提取和结果表达中，提供了客观、直观、易于理解的结果，为进一步准确、可 靠的地质解释打下基础。 这种方法的实际应用价值也是很广泛的。目前，对于一个未知区域的勘探， 6 第1 章引言 一般都是首先使用重磁资料研究出该区域构造的概貌，而断裂是地质构造特征 的重要标志之一。断裂的模式识别方法，在传统的重磁资料处理和断裂特征识 别的基础上，引入了位场资料处理和图像特征提取的新技术、新方法，可提高 断裂划分的速度和精度。 1 5 本文的内容安排 本文的总共分为六章，第一章为引言，介绍了本课题国内外研究背景和现 状、研究思路和研究内容等；第二章为断裂识别的原理和方法，介绍了断层分 类、特征及识别的方法；第三章是基于位场数据断裂识别系统的设计，介绍了 系统的设计、运行和使用情况；第四章是模型试验，设计各种简单模型和组合 模型，测试分类器的分类效果，并根据分类结果修改分类器；第五章为实际资 料处理，对黄海地区内的重磁资料进行处理和识别，根据位场数据信息，划分 出该研究区内主要的断裂分布状况；第六章为结论与建议。 7 第2 章断裂识别的原理及方法 2 1 断裂分类 第2 章断裂识别的原理及方法 断裂即断层是指岩石沿某个面的破裂和沿该面的位移。断裂的分类方式很 多。这里以几种几何标志及其组合为分类依据，可以有以下几种分类方式【3 2 1 。 按照断裂面的倾角。可以分为以下几类： ( 1 ) 垂直断层；o = 9 0 。 ( 2 ) 倾斜断层：o 。 0 9 0 。 1 ) 急倾断层：4 5 。 0 6 0 。 2 ) 缓倾断层：0 。 o 4 5 。 ( 3 ) 水平断层：o = o 。 应当指出，上述名称表明了断层错动面，而根本没有表明错动方向。后者 根据断裂紧邻点对断层面的相对位移来分类。断裂面两侧，在错动前是连在一 起的两个点，我们称之为紧邻点。根据这一标志可划分出以下几种断裂： ( 1 ) 倾滑断层；相对位移方向与断层而顿向平行( 图2 1 ) ， 1 ) 正断层：断层面倾向下降盘( 图2 1 ( a ) ) ； 2 ) 逆断层一反断层：断裂面倾向上升盘( 图2 1 ( b ) ) ； 3 ) 垂直正断层：断裂面垂直( 图2 1 ( c ) ) ； 韶彩矿 ( a ) ( b )( c ) 图2 1 断裂：正断层( a ) ，逆断层( b ) ，阶梯状正断层( c ) ( 2 ) 平移断层：错动方向与断裂面走向平行( 图2 2 ) 。因此，这一方向位于 水平面内。为了细分走滑断层，要求有补充标志，即确定相对错动方向和由错 动方向所决定的断层盘转动。按此标志，可以划分出： 8 第2 章断裂识别的原理及方法 1 ) 左旋平移断层相对待动方向引起初向左旋转( 逆时针方向，图2 2 ( a ) ) ； 2 ) 右旋平移断层：相对错动方向引起向右旋转( 顺时什方向，图2 2 ( b ) ) ； 矽舻 卵 沪 臼 图2 2 平移断层：矿_ 倾斜平移断层和垂直平移断层， b _ f 顷斜平移断层和垂直平移断层 ( 3 ) 正平移断层：相对错动方向位于断层面走向和倾向之间( 图2 2 ( c ) ) ： 1 ) 正常正平移断层：断裂面倾向下降盘( 图2 2 ( a ) ) 2 ) 逆平移断层：断裂面倾向上升盘( 图2 2 ( b ) ) 3 ) 垂向正平移断层：断裂面直立( 图2 2 ( c ) ) ( a ) ( b )( c ) 国甸够 图2 3 ( a ) 正平移断层； 逆平移断层：( c ) 垂向正平移断层 2 2 断裂的重磁解释 众所周知，利用重磁异常可以划分断裂，并定量计算断裂的有关要素，这 是因为断裂常常与重磁异常联系在一起。当然也要指出，并不是所有断裂在重 磁异常上都会有反映，尤其是一些规模较小，两侧密度、磁性差异小的断裂。 9 第2 章断裂识别的原理及方法 利用重磁异常研究断裂一般可分为两步【2 6 】，一是定性解释，即以平面资料 为主，确定断裂的平面位置、走向长度及大致倾向；二是定量解释，以剖面为 主，定量地计算断裂的延深、倾角、断距等要素。进而结合地质对断裂的性质、 年代和类型做出地质解释。 地质现象中常见的断裂在重磁异常中表现是多种多样的，大部分表现为台 阶异常，板状体异常以及呈串珠状分布的三度体异常；也有的是反映出异常的错 断、扭曲和突变，还有的是大面积区域特征场的差异等等。由于重磁异常的场 源不同，它们在断裂的标志上也略有差异。 重磁异常的断裂标志主要有以下九条f 2 6 】：( 1 ) 线性梯度带；( 2 ) 异常特征的分 界线；( 3 ) 异常线性过渡带；( 4 ) 线性异常带；( 5 ) 异常的错动；( 6 ) 等值线的规则性 扭曲；( 7 ) 异常等值线疏密突变带；( 8 ) 异常宽度突变带；( 9 ) 串珠状异常。这些标 志具体特点如下： ( 1 ) 线性梯度带 这是有一定走向台阶和接触带异常的主要异常特征。表现为等值线平行密 集排列，狭长成带，呈线伸的梯度带。它反映了地下密度和磁性在水平方向的 剧变。一般讲，等值线愈密，反映的构造变动愈剧烈。 ( 2 ) 异常特征的分界线 规模较大的区域性断裂往往是不同构造单元的分界线，不同的构造单元， 在深部、基底和盖层的组成和结构，火成岩的活动以及地质构造特征等方面也 会有不同程度差异，这种差异也会反映到重磁异常上来，在平面等值线图上更 为突出( 见图2 4 ( f ) ) 。 ( 3 ) 异常的线性过渡带 属于台阶状或板状体两侧异常类型，也表现为梯度异常特征，但是由两侧 物性差异不大或者埋深较大，梯度带表现不明显，仅表现为异常高与异常低之 间的过渡带( 如图2 4 ( a ) ) 。 ( 4 ) 线性异常带 是指异常长轴比短轴长得多的异常，属于宽度不大的二度体异常，异常梯 度不一定大，有可能是断裂反映。其原因可能有两种，一是由于断裂作用，使 断裂附近构造变动造成了岩石物性变化；二是断裂作为通道，被侵入了岩脉、 岩墙等火成岩体所致。线性异常高带与低带在重磁异常中均有，问题是如何与 一般重磁线性异常进行区分。如狭长负磁异常带或重力低带往往是挤压破碎带 1 0 第2 章断裂识别的原理及方法 的反映。线性异常带又与岩浆侵入与喷发岩填充有关。 ( 5 ) 异常的错动 往往是平推断裂的反映，原来是一整体重磁异常，由于断裂的作用，造成 了异常的错动，异常轴错位( 如图2 4 ( b ) ) 。 ( 6 ) 异常等值线的规则性扭曲 可分两种情况：同向扭曲和相向扭曲。同向扭曲是指在等值线趋势背景上的 同向局部扰动和等值线基本保持平行的同向扭曲( 见图2 4 ( e ) ) 。 ( 7 ) 异常等值线的疏密突变带 等值线的疏密在很大程度上反映了密度或磁性界面的陡缓，疏密突变带往 反映了界面陡缓的突变，或者是老地层沿着逆断层的超复，因而成为断裂的标 - o j l h o ( 8 ) 异常宽度突变带 异常宽度的突变，表现为等值线在某一部位的急剧收敛，反映了两侧有垂 向升隆运动。 ( 9 ) 串珠状异常 一系列三度异常有规律地间断线性排列常称为串珠状异常，岩浆沿断裂侵 入和火山岩的充填往往形成了串珠状火成岩带，造成了串珠状的重磁异常( 如图 2 a c e ) ) ，这在磁力异常中更为常见。 对于重磁异常来说，主要断裂标志重要性次序是不一的【2 1 。在重力异常中， 异常特征分界线、异常线性过渡带、线性异常带、以及异常的错动显得更为重 要；对磁力异常来讲，按重要性的次序应该是异常特征分界线、磁力梯度带、 线性异常带、串珠状异常以及异常的错动等等。也有人把依据这些标志画出的 线称为特征线，特征线可能指示了断裂，也可能指示了其他地质体。 第2 章断裂识别的原理及方法 图2 4 断裂构造识别的标志l i j ( a ) 线性重力高与重力低之间的过渡带；( b ) 异常轴线明显错动的部位：( c ) 串珠状异常的两 侧或轴部所在位置：( d ) 两侧异常特征明显不同的分界线；( e ) 封闭异常等值线突然变宽、变 窄的部位；( f ) 等值线同形扭曲部位 2 3 信息提取与增强 把包含在原始观测异常中反映断裂的特征信息通过一定的数学处理方法将 其突出明显化、定量化，方便我们进行特征提取和定性解释。这种增强和突出 信息的方法有以数学物理方法为基础的各种转换( 如位场的解析延拓、不同方向、 阶次的导数或积分、相关分析等) 、特殊的滤波、计算异常的统计特征、异常的 图像处理等 1 2 第2 章断裂识别的原理及方法 2 3 1 导数 重磁异常的导数有较高的分辨率，这是由于位场导数表达式的分母比位场 表示的分母具有距离的更高次方，所以导数异常与异常体关系较原异常更为密 切，也就是更能反映异常体的形状，具有更高的分辨率。对于函数f ( x ，y ) ，其方 向导数定义为： 善：要c 。s 甜霉s i n p ( 2 1 ) 研c 掰 o y 在实际计算中往往用差商来近似地代替球导数： 翌：一f(xo+,x,yo+ax)-f(xo,yo) ( 2 2 ) o x 2 + ) ，2 、 7 归纳一下，导数曲线与原有异常曲线相比有以下特点：异常体中心部分影 响减弱，突出了边部影响；异常体深部影响减弱，突出了上顶的影响；对于相 邻异常体异常的叠加分辨率提高了。因此，重磁异常的导数常常有以下几个方 面的用处【6 】： ( 1 ) f l 皂够有效地区分区域异常和局部异常。导数异常的优点是压制了区域异 常，突出了局部异常； ( 2 ) 确定异常体的边界位置及区分相邻异常体异常的叠加； ( 3 ) 扩大二度体定量计算公式的使用范围； ( 4 ) 消除正常场的影响。因为场的导数只取决于场的变化率而与正常场的大 小无关，对于正常场来说，它的微商等于零； 从导数法本身看，要取得好效果就要求原始曲线比较圆滑，精度高但干扰 要小，否则误差会很大。此外，导数异常往往比原来异常要复杂些，这也是其 本身特点决定的。正因为如此，我们不要不管情况如何都一律使用异常导数， 尤其是对于那些简单的孤立的异常，如果不恰当地使用导数，反而使问题复杂 化。 图2 5 为板状体模型的重力场的原场及各阶导数的示意图，从图中可以看 出，经过归一化的重力场的水平导数曲线的极值对应于板状体的边界附近：垂 向导数也能够突出板状体边缘的梯度特征。 第2 章断裂识别的原理及方法 2 3 2 相关分析 ( b ) 图2 5 板状体的重力曲线及其导数嘲 相关法适合在强干扰背景下突出有用信号的信息。相关法有自相关和互相 关两大类【2 1 。 ( 1 ) 自相关1 2 】 设实测异常z 由有