2017, Vol. 32
目前，并没有一种直接对金刚石进行勘探的地球物理方法，而仅限于对金伯利岩进行勘探，以此达到寻找金刚石的目的.金刚石形成于高温、高压的上地幔条件下，被快速上升的金伯利岩浆携带至地表，这种金刚石矿床形成的特殊的地质条件和环境，必然反映到金伯利岩的岩石学、地球物理及矿物学等方面的特征上来，因此，我们可以根据金伯利岩的这些对含金刚石性为指示意义的特征来寻找金刚石矿床.
金伯利岩属偏碱性的铁质超基性岩，含有橄榄石、金云母、金刚石等特征性矿物，其次生矿物有碳酸盐、褐铁矿、磁铁矿等，金伯利岩是深部岩浆多次活动的结果，是自然界起源最深的岩浆，来自150~300 km的地幔，保存了大量的深部地址信息，是研究地球内部的重要窗口，它的形成受多层位的控制，与地壳底部或地幔内的深部断裂构造有关，金伯利岩主要分布于大断裂的一侧或两侧的次级断裂中，或地壳上相对稳定的古老地台或地盾.不同时代的沉积岩、变质岩、岩浆岩都可作为金伯利岩的围岩，金伯利岩管的直径可从几米到几百米，岩脉的长度可从几米到几千米，形状为似圆状、长条状各种不规则的形状(王俊茹，1984).蒙阴地区的金伯利岩位于郯庐断裂带的次级断裂中，郯庐断裂带是一个岩石圈尺度的深大断裂带和构造薄弱带，是上地幔热物质上涌的通道，其在华北克拉通东部的岩石圈破坏和岩石圈减薄中扮演了重要角色(刘保金等，2015).
由于金伯利岩地下赋存环境的特殊性，决定了金伯利岩物性变化的复杂性，导致金伯利岩的导电性、极化率特征、电阻率特征、磁性特征的差异，进而反映了金伯利岩的组分、结构、构造特点、风化蚀变作用程度等.特别指出的是金伯利岩垂直分带性，可用不同的参数将金伯利岩体模拟为圆柱、上下大小的圆台、圆盘、蘑菇形状，前人进行过正演计算(彭聪和孙德梅，1994；王聿军等，2005)，这种数字模拟结果表示了金伯利岩物理场的分布规律，用以指导金伯利岩物探异常模式的建立.
本文对以往工作进行分析总结，获得金伯利岩的地球物理特征，发现在不同地区或同一地区的金伯利岩体上使用各种物化探方法效果是不一致的，有的几乎每种方法都有异常显示，而且各种异常基本吻合，如胜利1号岩管；有的只有某几种或一两种方法效果明显.尤其近期对辽宁瓦房店地区金刚石的航磁调查方法进行的探讨(安战锋等，2017)，为以后寻找金伯利岩管提供可行性意见.
1 前人对寻找金伯利岩地球物理特征的认识地球物理方法用于勘查金刚石矿床始于20世纪中叶，其发展经历了三个阶段.从50年代至60年代中期，主要侧重于单一物探方法在勘查金刚石矿产中适用性研究.从60年代中期开始，利用综合物探方法勘查金刚石矿产的可行性研究分别在世界各地进行，最终形成一套在不同背景下利用物探方法勘查金刚石矿产的工作程序.80年代后，随着用于勘查金刚石矿产技术以及设备的改进，金刚石地球物理勘查方法已形成以磁法测量为主体，配合重力测量及其他地球物理方法.
1965年8月，山东地矿局第七地质队地质重砂组在蒙阴常马庄矿区首先发现富含金刚石的金伯利岩脉(红旗1号)，此后，在蒙阴地区用1:5000、1:2000、局部1:1000、甚至1:500的地面磁测和电法测量工作，查明并圈定了胜利Ⅰ号金伯利岩管、胜利Ⅱ号、胜利Ⅲ号、红旗28号、18号以及坡里十余条金伯利岩脉等，取得了显著的找矿效果.根据本次工作，建立了寻找金伯利岩较完整的地球物理方法体系.
国外某些资料分析认为金伯利岩控制的断层一般被圈闭的岩墙充填，易于被磁法资料确定，且金伯利岩位于易于被AMT方法确定的参考导电层之上，或者在高阻层之上.其岩脉发育在金伯利岩矿区良导的局部边缘地区.这些良导区与地堑构造有关，其边界与基底和厚层沉积覆盖的弯曲褶皱相一致，并具有强破裂和利于金伯利岩岩浆渗透的特点(Saraev et al., 2004, 2010).
对蒙阴地区金伯利岩的古地磁进行了研究分析(张京良，1989)，通过对磁化率各项异性即磁性组构的研究，根据视极移曲线及同位素测定岩石年龄的方法，圈定了岩体的形成时代为加里东期的岩浆活动，形成时代为中奥陶世或比中奥陶世稍早一些，质疑了其为燕山期岩浆活动.以往通过对山东金伯利岩的古地磁研究(孟小红和谭承泽，1991)，给出了很宽的年龄范围(77~8188 Ma)，因有个别岩体穿切了K-Ar年龄为113 Ma的辉绿岩，故将形成年代定为白垩纪，将胜利Ⅰ号金伯利岩管的样品送到美国，利用先进的测试技术，测得Sm-Nd同位素年龄为400 Ma左右，Rb-Sr等时年龄为644 Ma，山东金伯利岩可能是古生代产出，佐证了张京良的研究.而孟晓红认为金伯利岩是大陆板块内部碱性岩浆作用的产物虽然体积较其他碱性岩小, 但由于它是目前所知能富含金刚石的少数几种岩石之一, 与其他岩浆岩相比, 它来源于地慢更深的部位, 并携带有各种上地慢捕虏体.因此, 对金伯利岩的研究是非常重要的(陈辉等，2015；英高海等，2016；孙靖鹏等，2016).
金伯利岩的分布严格受断裂构造控制，矿体呈管状、脉状，具有成群、结带分布的特征；它具有磁性强、电阻率低、微量元素Cr、Ni、Nb含量高的特征.地表物化探异常多为椭圆状、条带状且与断裂构造共生，综合物化探异常与矿体吻合较好.而结合以往矿区的物探资料及应用效果，认为单凭地球物理方法虽然可以得到一些具有磁、低电阻率及重力低异常的地质目标.仍然不能确定该地质体的属性，此时可借助于重砂和化探为异常定性(颜彬，1991).
在金伯利岩的重力异常特征中，前人分析认为，由于金伯利岩的重力异常幅度较小，大多数岩管的负重力异常幅度小于0.01 m/s2.重力异常干扰因素多，干扰程度大.岩管引起的低幅值异常不易同局部物质不均匀引起的重力异常相区分.加之重力测量没有有效确定岩管重力异常的设备，所以重力测量很难用于快速地金刚石原生矿大面积普查.单伴随仪器设备的改进，现在的重力设备(如CG-5)分辨率可达0.001 mGal，对较微弱的异常亦有显示，而金伯利岩管重力异常在边界处反应明显，所以在新一轮金刚石原生矿勘查过程中，重力测量作为一种辅助方法，用于已发现的隐伏岩管上更深入细致的工作，以验证岩管的存在和确定岩管的产状，所利用的地球物理综合异常是“牛眼”状高磁低重组合异常①.
① 冯爱萍, 段红梅, 荆长宽等. 2012.山东省金刚石矿产资源潜力评价成果报告[R].山东省第地质矿产勘查开发局第七地质大队.
近年来，山东省第七地质大队在山东蒙阴、费县、平邑等地区投入大量大比例尺磁法、可控源大地电磁测深等物探工作，虽然并未直接寻找到金伯利岩，但对深大断裂构造的指示作用效果显著，起到了间接寻找金伯利岩的作用.
因此，前人限于以往仪器设备的条件，不能对金伯利岩异常的重磁电有较好的分辨，大部分仅对寻找大的构造断裂来间接寻找金伯利岩，而笔者结合当下先进仪器的勘探成果，综合分析认为金伯利岩的古地磁研究对确定其侵入年龄较为准确；金伯利岩物性具有低密度(重力负异常)、正磁性(磁法正异常)、电阻率低(电法低阻区)、微量元素Cr、Ni、Nb含量高的特点，各种地球物理方法相互补充使用对寻找金伯利岩有着显著效果.
2 金伯利岩区域的物性特征 2.1 区域重力场特征不同的重力场类型反映了岩性分布、上层构造、地壳结构及深部地质背景差异.岩石密度是重力异常分析、解释的基础，不同性质及不同时代、不同成分的岩石其密度也不相同.
蒙阴金伯利岩密度变化范围在2.35~2.82×103 kg/m3之间，见表 1，其加权总平均密度值为2.67×103 kg/m3.其中分布最多的斑状金伯利岩之密度值为2.66×103 kg/m3，其标准差小于0. 05×103 kg/m3，变异系数小于2%.金伯利岩的密度变化范围和参数统计结果，表明其密度值变化不大，数值稳定，与围岩的剩余密度小于±0.1×103 kg/m3.由于金伯利岩体规模小，加之剩余密度值不大，故在金伯利岩与密度差异较明显的地区，如在围岩为蛇纹岩、闪长玢岩、花岗岩、正长岩等地区重力会出现重力高异常，围岩为辉长岩、黑云角闪岩、辉绿岩、斜长角闪岩等地区会出现重力低异常，而在围岩为矽卡岩、闪长岩、花岗闪长岩英云闪长岩等地区，密度差异不大，应用重力测量直接寻找金伯利岩体的效果欠佳.
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表 1 蒙阴地区岩石密度统计表 Table 1 Statistics of rock density in Mengyin area |
沂沭断裂以西的鲁南地区以区域重力低背景为特征.在区域低背景场上叠加高低相间，呈北西向展布，北西向南西转折，南东向北东转折，构成舒缓的反“S”型异常与区内地质背景相一致.重力低的原因与中新生代盆地有关，其中重力低幅大者，反映较厚的中、新生代沉积，圈闭的梯度缓变的重力低，多数反映太古代岩性变化或密度相对低的中、酸性岩体，蒙阴金伯利岩处于此异常中.
2.2 区域磁场特征(1) 变质岩磁参数特征
变质岩按强度可分为四级：中强磁性(磁化率平均值κ=16360×10-64πSI)；中等磁性(κ=2153×10-6)；弱磁性(κ=547×10-6)；微弱磁性(κ=21×10-6).泰山群古老变质岩系随原岩成分、变质作用、混合岩化程度不同，磁性变化很大，以中弱磁性为主，角闪岩类为中强磁性.含暗色矿物多的片岩、片麻岩类具中等磁性，一般片麻岩类为弱磁性，原岩为中基性火山岩者，磁性矿物多，磁性较高，原岩为泥砂质沉积，磁性较弱.混合岩若为花岗质、长英质，则磁性就弱，若为角闪质，则磁性增强.
(2) 沉积岩磁参数特征
从元古界—新生界的沉积岩一般为无磁性至微弱磁性.元古界砂、页岩平均值κ=104×10-64πSI，古生界灰岩无磁性，砂、页岩κ=17×10-64πSI.中生界磁性强弱不一，其砾岩、砂岩等κ=29×10-64πSI，而火山碎屑岩、凝灰岩κ=1023×10-64πSI，具中等磁性.
(3) 岩浆岩磁参数特征
岩浆岩比变质岩、沉积岩一般都具有较强的磁性，由超镁铁质-镁铁质-中性-酸性-碱性，其二氧化硅含量逐渐增多，磁性矿物逐渐减少，磁性相应逐级降低(加权平均)：κ=1848×10-64πSI，Jr=1626×10-3 A/m，κ=1829×10-64πSI，Jr=632×10-3 A/m，κ=734×10-64πSI，Jr=162×10-3 A/m，κ=301×10-64πSI，Jr=102×10-3 A/m.喷出的玄武岩、安山岩κ=2123×10-64πSI，Jr=3137×10-3 A/m，剩磁大于感磁，常形成峰值剧烈跳动，无规律的复杂磁场.一些规模不大的燕山期侵入岩如闪长岩、辉绿岩、煌斑岩等也具中等磁性，能引起一定强度的局部异常，与金伯利岩异常大致相当，是蒙阴地区寻找金伯利岩的主要干扰因素.
(4) 金伯利岩磁参数特征
金伯利岩磁性变化范围较大，可由无磁性至中等磁性，平均κ值26×10-64πSI~2330×10-64πSI.斑状金伯利岩类、金云母金伯利岩类以及部分细粒金伯利岩具中等磁性，平均κ值1420×10-64πSI~6513×10-64πSI，与围岩有着较明显的磁性差异，可形成较明显的磁性异常.而角砾岩、碳酸盐化、褐铁矿化金伯利岩及含围岩碎屑的金伯利岩磁性偏弱，与围岩差异不明显，不能形成明显的磁异常.分析认为磁性强弱与其含磁性矿物多寡有关，而且含矿富的金伯利岩磁性较强，反之磁性较弱，据常马、西峪两矿带13个岩管的统计资料，中弱磁性的金伯利岩占岩管的73%，其余为无磁性金伯利岩，总之，凡具有工业价值的金伯利岩管(脉)多数具磁性. 鲁西各类岩石以及金伯利岩磁参数统计见表 1、表 2.
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表 1 鲁西地区各类岩石磁参数统计表 Table 1 Luxi area of various rock magnetic parameters statistics |
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表 2 鲁西地区金伯利岩磁参数统计表 Table 2 Statistics of Luxi area Kimberley rock magnetic parameters |
本次工作综合以往地质及地球物理工作，对金伯利岩的地球物理特征进行了分析总结，见表 3，发现限于以往工作仪器设备及工作方法，认为重力测量效果并不明显，但笔者从后期的工作可见，重力测量可划分出基性超基性岩，虽然未直接寻找到金伯利岩，但起到了间接作用.而金伯利岩在部分地区显示为正异常或负异常，在电性特征上表现为较明显的低阻异常.
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表 3 金伯利岩管的地球物理特征 Table 3 Geophysical characteristics of Kimberley rock tube |
蒙阴金刚石矿带岩管处于区域负重力场中，在区域低背景场上叠加高低相间，呈北西向展布的舒缓的反“s”型异常.区内古老变质岩系和下古生代地层密度值大多数在2.70×103 Kg/m3左右，上古生代及中生代地层密度值多在2.60×103 Kg/m3.金伯利岩的密度2.68×103 Kg/m3，与围岩密度2.60~2.70×103 Kg/m3相差很小，所以在区域负重力场中，金伯利岩重力场特征不明显.
统计蒙阴地区的金伯利岩管，常马庄金刚石矿带由1管8脉组成，西峪金刚石矿带含有8个管、18条岩脉和1个岩床.总结其磁性特征，按磁性强弱，基本上可分为有磁性(强磁性和弱磁性)和无磁性两大类.在以花岗岩等有磁性的围岩中和以灰岩等无磁性的围岩为背景时亦反映为两种类型的磁异常，即正磁异常和负磁异常.
强磁性的金伯利岩产在弱磁性的围岩中或弱磁性的金伯利岩产在无磁性的围岩中，磁异常特征则反映为明显可辨的孤立正异常，其异常峰值多在200~1400 nT.这种异常强度的大小，曲线陡缓与金伯利岩本身的磁性特征、埋藏深度有密切关系.如胜利Ⅰ号、红旗6号、22号、28号等.当无磁性的金伯利岩产在弱磁性围岩中、弱磁性的金伯利岩产在强磁性的围岩中，在岩体上部则出现负异常，如红旗7号金伯利岩管就是无磁性金伯利岩产在有磁性混合花岗片麻岩中.从ΔZ平面图上(图 1)可看出：ΔZ曲线较平缓，强度在-50~100 nT左右，岩管上方磁场值明显低于背景磁场值，岩管内东南侧由少量磁性金云母粗晶金伯利岩故有正磁异常对应出现，以零等值线大致可圈定岩体的边界.红旗18号、23号管床产在金伯利岩磁性与围岩相当的环境中，金伯利岩异常无法从背景场中区分出来.
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图 1 胜利Ⅰ号、6号、红旗7好岩管磁异常特征 Figure 1 Magnetic anomaly characteristics of shegnli No.1, No.6 and Red flag of No.7 |
矿区所发现的多种类型的金伯利岩中，除少见的金伯利角砾岩、金伯利碳酸盐化角砾岩的电阻率较高以外，其余所有的金伯利岩电阻率均低于100 Ω·m，而围岩的电阻率则相对较高.金伯利岩体上的电异常，根据其地质体的大小、形状、岩性的不同而表现出不同的电异常特征.胜利Ⅰ号大管反映为低阻电异常，ρs极大值为400 Ω·m，最小值为70 Ω·m.在ρs平面等值线图上，以400 Ω·m左右的等值线基本上对应了大管地表投影范围，其围岩(黑云斜长角闪片麻岩)ρs值在400 Ω·m以上.岩管由低电阻的斑状镁铝榴石金伯利岩和斑状金云母金伯利岩、含围岩碎屑斑状金伯利岩组成，在ρs平面图上和通过综合剖面都反映为低电阻异常，胜利Ⅰ号岩管以低阻异常为特征.金伯利岩脉的联剖电阻率曲线与直立两导薄板理论曲线接近，如装置选择得当，在岩脉上方出现低阻正交点.红旗13号、30号金伯利岩脉上的联剖电异常曲线图上只显示低阻而无正交点.
4 结论 4.1由于金伯利岩所处的地质环境及地球物理、地球化学性质的复杂多变，在不同地区或同一地区的金伯利岩体上使用各种物化探方法效果是不一致的，有的几乎每种方法都有异常显示，而且各种异常基本吻合，如胜利Ⅰ号岩管；有的只有某几种或一、两种方法效果明显.
4.2地球物理异常是覆盖区寻找金伯利岩的重要标志，其中磁法测量对金刚石原生矿找矿意义最大.由于金伯利岩体个体不大，磁性不规律，金伯利岩管位置磁场往往明显升高，但也有少数金伯利岩管位置磁场低或平缓，具体情况应根据与围岩的差异而定，根据蒙阴金伯利岩带、岩管规模和岩石物性特征，磁测比例尺为1:2000~1:5000较好，即测网密度不宜大于20 m×20 m~50 m×50 m.
4.3电法勘探利用的场源形式多, 应变能力强, 更适于寻找找矿难度大、周期长的金刚石原生矿.在金伯利岩管位置，其电阻率值普遍偏低，亦是一重要的找矿标志，其中可控源大地电磁测深法探测深度较深，对浅部的金伯利岩管反应并不明显，而对深大构造反映较好，金伯利岩管往往受深大构造控制，因此可控源法适用于深大构造控制的金伯利岩管的探测工作.
4.4以往仅开展小比例尺的重力测量工作，限于以前仪器的条件，效果并不理想，但随着仪器设备以及技术的发展，近期开展的大比例尺工作可见，重力异常对寻找基性、超基性岩有着较好的效果.
4.5综合分析认为，金伯利岩的古地磁研究对确定其侵入年龄较为准确；金伯利岩物性具有低密度(重力负异常)、正磁性(磁法正异常)、电阻率低(电法低阻区)的特性，各种方法适用范围较窄，仅一种或几种方法探测效果并不完美，可相互补充使用，对寻找金伯利岩管有着显著效果.
致谢 衷心感谢审稿专家及编辑对本文提出的宝贵意见.| [] | An Z F, Jia Z Y, Wang M, et al. 2017. A tentative discussion on the aeromagnetic flight method for the diamond survey in Wafangdian, Liaoning Province[J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 41(1): 111–115. |
| [] | Chen H, Deng J Z, Lü Q T, et al. 2015. Three-dimensional inversion of gravity and magnetic data at Jiujiang-Ruichang district and metallogenic indication[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(12): 4478–4489. DOI:10.6038/cjg20151212 |
| [] | Liu B J, Feng S Y, Ji J F, et al. 2015. Fine lithosphere structure beneath the middle-southern segment of the Tan-Lu fault zone[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(5): 1610–1621. DOI:10.6038/cjg20150513 |
| [] | Meng X H, Tan C Z. 1991. Rock magnetic characteristics of Kimberley rock[J]. Progress in Geophysics, 6(1): 9–17. |
| [] | Peng C, Sun D M. 1994. A study of gravity and magnetic fields of kimberlites in Shandong and Liaoning by means of interactive interpretation system[J]. Bulletin of the Institute of Mineral Deposits Chinese Academy of Geological Sciences(1): 55–69. |
| [] | Saraev A K, Antaschuk K M, Nikiforov A B, et al. 2010. Audiomagnetotelluric soundings for the diamond exploration[J]. Chinese Journal of Geophysics, 53(3): 657–676. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.03.021 |
| [] | Saraev A K, Pertel M I, Larionov K A. 2004. Application of audio magnetotelluric sounding in Kimberley rock exploration[J]. Oil Geophysical Prospecting, 39(S1): 144–145. |
| [] | Sun J P, Han F, Deng C L, et al. 2016. Rock magnetism and magnetic fabrics of upper Cretaceous volcanic rocks from CCSD-LK-I, in Jiaolai Basin, Shandong province[J]. Progress in Geophysics, 31(6): 2397–2407. DOI:10.6038/pg20160606 |
| [] | Wang J R. 1984. A discussion magnetic prospecting for kimberlifts[J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 8(3): 134–141. |
| [] | Wang Y J, Zhong W G, Zhang S F. 2005. The geophysical and geochemical abnormal features and prospection methods of Kimberlite[J]. Progress in Geophysics, 20(1): 108–111. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.01.021 |
| [] | Yan B. 1991. Geophysical characters of kimberlite and diamond geophysical exploration model[J]. Jiangsu Geology, 15(2): 72–76. |
| [] | Ying G H, Yao C L, Zheng Y M, et al. 2016. Comparative study on methods of edge enhancement of magnetic anomalies[J]. Chinese Journal of Geophysics, 59(11): 4383–4398. DOI:10.6038/cjg20161137 |
| [] | Zhang J L. 1989. An approach to the paleogeomagnet of kimberlite in Mengyin district Shandong province[J]. Journal of Shandong Mining Institute, 8(4): 26–32. |
| [] | 安战锋, 贾志业, 王萌, 等. 2017. 辽宁瓦房店地区金刚石航磁调查飞行方法探讨[J]. 物探与化探, 41(1): 111–115. |
| [] | 陈辉, 邓居智, 吕庆田, 等. 2015. 九瑞矿集区重磁三维约束反演及深部找矿意义[J]. 地球物理学报, 58(12): 4478–4489. DOI:10.6038/cjg20151212 |
| [] | 刘保金, 酆少英, 姬计法, 等. 2015. 郯庐断裂带中南段的岩石圈精细结构[J]. 地球物理学报, 58(5): 1610–1621. DOI:10.6038/cjg20150513 |
| [] | 孟小红, 谭承泽. 1991. 金伯利岩的岩石磁学特征[J]. 地球物理学进展, 6(1): 9–17. |
| [] | 彭聪, 孙德梅. 1994. 借助人机交互解释系统研究山东、辽宁金伯利岩重、磁场特征[J]. 中国地质科学院矿床地质研究所所刊(1): 55–69. |
| [] | SaraevA K, AntaschukK M, NikiforovA B, 等. 2010. AMT测深法在金刚石矿勘探中的应用(英文)[J]. 地球物理学报, 53(3): 657–676. DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.03.021 |
| [] | 孙靖鹏, 韩非, 邓成龙, 等. 2016. 山东胶莱盆地鲁科一井上白垩统火山岩的岩石磁学和磁组构研究[J]. 地球物理学进展, 31(6): 2397–2407. DOI:10.6038/pg20160606 |
| [] | 王俊茹. 1984. 磁法寻找金伯利岩效果的讨论[J]. 物探与化探, 8(3): 134–141. |
| [] | 王聿军, 仲卫国, 张善法. 2005. 金伯利岩的物化探异常特征及勘探方法[J]. 地球物理学进展, 20(1): 108–111. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2005.01.021 |
| [] | 颜彬. 1991. 金伯利岩地球物理异常特征及地球物理勘查模式[J]. 江苏地质, 15(2): 72–76. |
| [] | 英高海, 姚长利, 郑元满, 等. 2016. 基于磁异常的边界特征增强方法对比研究[J]. 地球物理学报, 59(11): 4383–4398. DOI:10.6038/cjg201611370 |
| [] | 张京良. 1989. 山东蒙阴金伯利岩的古地磁初探[J]. 山东矿业学院学报, 8(4): 26–32. |