本溪—集安地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)重磁電綜合解釋

張宏嘉，曹 亮，李福文，李桐林

1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026； 2.吉林省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查所，吉林 長(zhǎng)春 130012；3. 吉林省 勘查地球物理研究院，吉林 長(zhǎng)春130 0 12

本溪—集安地區(qū)是中國(guó)地調(diào)局確定的全國(guó)19個(gè)重點(diǎn)成礦區(qū)帶之一的遼東—吉南成礦帶的一部分(圖1)。該區(qū)橫跨兩個(gè)不同地質(zhì)構(gòu)造單元，一是太古代古陸核，由太古代變質(zhì)巖組成，其控礦作用明顯，是本區(qū)重要的含礦建造，主要礦產(chǎn)有鐵(鞍山式鐵礦)、銅（鋅）、金、黃鐵礦等；二是元古代遼吉古裂谷帶，其內(nèi)礦產(chǎn)資源十分豐富，如菱鎂礦、滑石、鉛鋅、硼、鈷、鐵、金、鈾等大型或超大型礦床。研究區(qū)的太古代含礦建造除在研究區(qū)的北部出露地表外，大部都處于隱伏狀態(tài)，元古代遼吉古裂谷帶沉積巨厚并且被古生代、中新生代沉積蓋層覆蓋，且無(wú)論是太古代含礦建造還是遼吉古裂谷帶都經(jīng)歷了多期構(gòu)造與巖漿侵入活動(dòng)。查明該區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，將對(duì)研究區(qū)找礦具有非常重要的意義。為此，2012年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局三維地質(zhì)填圖與深部地質(zhì)調(diào)查試點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目確定了“本溪—臨江地區(qū)深部地質(zhì)調(diào)查”工作項(xiàng)目，本文即是工作項(xiàng)目中的部分研究?jī)?nèi)容。2012年我們?cè)谘芯繀^(qū)共完成5條重、磁、電綜合剖面，同時(shí)對(duì)研究區(qū)涉及的主要地質(zhì)體的物性也進(jìn)行了測(cè)量。在收集與分析前人關(guān)于該區(qū)地層、構(gòu)造、侵入巖、礦產(chǎn)資料的基礎(chǔ)上，本文模擬和反演了5條綜合地球物理剖面并對(duì)剖面進(jìn)行了綜合地質(zhì)解釋。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

本溪—臨江地區(qū)位于前寒武構(gòu)造域、古亞洲構(gòu)造域和濱太平洋構(gòu)造域的疊置部位，地質(zhì)歷史復(fù)雜、漫長(zhǎng)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，經(jīng)歷了太古代陸核形成、元古代地臺(tái)形成、古生代穩(wěn)定地臺(tái)演化和中新生代大陸邊緣活動(dòng)等階段。太古代—古元古代形成古老變質(zhì)結(jié)晶基底，晚三疊世以來(lái)特別是侏羅紀(jì)—早白堊世疊加大規(guī)模的構(gòu)造巖漿活動(dòng)。

工作區(qū)屬華北地層區(qū)，地層出露較齊全，由下到上依次為太古界表殼巖、古元古界遼河群、新元古界青白口系、南華系、古生界及中生界。在工作區(qū)的河流、溝谷中分布有少量的新生界第四系松散沉積物。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造與位置圖Fig.1 The tectonic structure and locationmap of the study area

1.1 地層

（1）太古宇：太古宇在遼東地區(qū)稱之為鞍山群，為一套遭受區(qū)域變質(zhì)作用而形成的中深變質(zhì)巖系，主要分布在龍崗地塊上，太古代地層絕大部分呈殘留體分布于大面積花崗質(zhì)片麻巖之中，是著名的“鞍山式”鐵礦的賦礦層位。

（2）古元古界：古元古代地層在遼寧省稱為遼河群。

遼河群自下而上由浪子山組、里爾峪組、高家峪組、大石橋組和蓋縣組所組成。浪子山組和里爾峪組通常稱為遼河群下亞群，由砂巖-泥質(zhì)巖-火山巖組合組成；高家峪組、大石橋組和蓋縣組通常稱為遼河群上亞群，由砂巖-泥質(zhì)巖-碳酸鹽巖組合構(gòu)成。下亞群的火山巖屬鈣堿性-堿性系列，以中酸性火山巖（熔巖、凝灰?guī)r）為主，夾少量玄武巖，局部出現(xiàn)雙峰式火山巖。

（3）新元古界青白口系、南華系：在工作區(qū)廣泛出露，由下至上有青白口系釣魚(yú)臺(tái)組、南芬組，南華系的橋頭組、康家組。

釣魚(yú)臺(tái)組（Qbd），工作區(qū)出露廣泛，巖性為薄-中厚層-厚層石英砂巖、含礫石英砂巖及石英巖質(zhì)礫巖。

南芬組（Qbn），工作區(qū)出露廣泛，其整合于釣魚(yú)臺(tái)組之上。巖性為鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)泥晶灰?guī)r。

橋頭組（Nhq），工作區(qū)出露廣泛，主要巖性下部為石英砂巖夾頁(yè)巖，上部為厚層石英砂巖。

康家組（Nhk），主要出露于橋頭、南芬等地，主要巖性泥灰?guī)r、頁(yè)巖及粉砂巖。

（4）古生界：工作區(qū)出露較廣，巖石地層單位出露較齊全。自下而上有寒武系堿廠組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組，寒武系—奧陶系冶里組，奧陶系亮甲山組、馬家溝組，石炭系本溪組、太原組，石炭系—二疊系山西組及二疊系石盒子組。

（5）中生界：主要出露于工作區(qū)北部，有三疊系下統(tǒng)紅砬組、中統(tǒng)林家組，侏羅系中統(tǒng)小東溝組，侏羅系—白堊系小嶺組，白堊系下統(tǒng)大峪組。

（6）新生界：主要分布于山間洼地及河谷地帶。往往構(gòu)成河流一級(jí)階地、二級(jí)階地、現(xiàn)代河床及高河漫灘。

1.2 巖石

（1）侵入巖：區(qū)內(nèi)侵入巖分布廣泛，形成時(shí)代有：新太古代大河沿片麻巖和下馬塘二長(zhǎng)花崗巖、晚三疊世閃長(zhǎng)巖、賽馬堿性巖體、中侏羅世的二長(zhǎng)花崗巖、晚侏羅世的似斑狀二長(zhǎng)花崗、早白堊世花崗斑巖以及后期的各類脈巖。

（2）火山巖：自中生代以來(lái)，工作區(qū)已上升為陸地而成為歐亞大陸板塊的一部分。受太平洋板塊北西向作用影響，產(chǎn)生了一系列北東向分布的斷裂和褶皺，伴隨著這種作用，在區(qū)內(nèi)形成了以中心式火山噴發(fā)為主要特點(diǎn)的火山活動(dòng)。

工作區(qū)內(nèi)火山噴發(fā)活動(dòng)主要分布在工作區(qū)中東部中生代斷陷盆地內(nèi)部，火山噴發(fā)的強(qiáng)度和規(guī)模大，分布范圍廣，形成區(qū)內(nèi)大面積分布的各類火山巖，主要出露于工作區(qū)本溪、賽馬桓仁和集安一帶。區(qū)域上總體為不規(guī)則帶狀、條帶狀呈北東向展布，而在賽馬一帶呈東西向帶狀展布。其中晚侏羅世火山巖為一套中性火山巖巖石組合，區(qū)內(nèi)構(gòu)成多個(gè)噴發(fā)韻律，以火山噴發(fā)角度不整合覆蓋于下伏地層之上。早白堊世火山巖主要為中基性火山巖組合，以火山噴發(fā)角度不整合覆蓋于晚侏羅世—早白堊世和更老的地質(zhì)體之上。

1.3 構(gòu)造

工作區(qū)位于華北地臺(tái)膠遼古陸上（圖1），進(jìn)一步分為兩大地質(zhì)構(gòu)造單元：北部為龍崗地塊，為太古代古陸核，發(fā)育一套深變質(zhì)巖石，是著名鞍山式鐵礦賦存的層位；南部為遼吉古裂谷帶。在太古代古陸核與遼吉古裂谷帶過(guò)渡帶附近發(fā)育古生代太子河坳陷和太平哨坳陷。在中生代時(shí)期本區(qū)處于濱太平洋構(gòu)造域內(nèi)，地殼構(gòu)造變形、巖漿活動(dòng)和成礦作用十分強(qiáng)烈，對(duì)早期地質(zhì)體和構(gòu)造進(jìn)行疊加、改造和破壞。

（1）太古宙構(gòu)造演化階段：發(fā)育于古老的太古宙結(jié)晶基底的變質(zhì)巖系中，其巖石類型有太古宙地層和變質(zhì)深成侵入體，主要表現(xiàn)為深層次的韌性變形構(gòu)造形跡，反映了當(dāng)時(shí)陸殼增生過(guò)程中的強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)過(guò)程。

（2）古元古代構(gòu)造演化階段：古元古代構(gòu)造演化表現(xiàn)出從遼吉裂谷拉開(kāi)到閉合造山的整個(gè)構(gòu)造發(fā)展過(guò)程。古元古代階段巖漿作用強(qiáng)烈，形成火山巖-陸源碎屑巖-碳酸巖建造；中元古代階段無(wú)巖漿作用，形成陸源碎屑巖-碳酸巖沉積建造。

（3）新元古代至古生代構(gòu)造階段：該階段發(fā)育一整套穩(wěn)定的板內(nèi)海相、海陸交互相和陸相沉積巖系，構(gòu)造變形極弱說(shuō)明華北板塊已經(jīng)處于穩(wěn)定的克拉通時(shí)期，構(gòu)造形跡表現(xiàn)為表淺層次的脆性構(gòu)造。

（4）中生代構(gòu)造階段：在工作區(qū)內(nèi)早期（印支運(yùn)動(dòng)）可識(shí)別的跡象有發(fā)育于新元古代—古生代地層中的北西向斷裂和近北西走向的寬緩褶皺，同時(shí)伴有花崗巖體的侵位，工作區(qū)出露大量的印支期花崗巖，有岔信子巖體、小葦沙河巖體、龍頭巖體等；表淺層次的脆性構(gòu)造較發(fā)育，并見(jiàn)其明顯被侏羅紀(jì)火山-沉積巖覆蓋。晚期（燕山運(yùn)動(dòng)）區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用非常強(qiáng)烈，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的巖漿作用，北東向斷裂構(gòu)造非常發(fā)育，并見(jiàn)有強(qiáng)烈的逆沖推覆構(gòu)造形跡，最終形成中生代盆-嶺構(gòu)造體系。

（5）新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)：工作區(qū)內(nèi)新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為持續(xù)抬升，沿渾江、太子河主水系兩岸發(fā)育，最高可達(dá)四級(jí)階地，局部見(jiàn)有玄武巖噴發(fā)。

2 地球物理測(cè)量與數(shù)據(jù)處理解釋

2.1 地球物理測(cè)量

本次工作共實(shí)施重磁電剖面5條，其剖面分布見(jiàn)圖2。

5條物探剖面總長(zhǎng)度為865 km。重力、磁法點(diǎn)距為250m，總物理點(diǎn)為3 465個(gè)。大地電磁測(cè)深（MT）基本點(diǎn)距為5 km，共布設(shè)完成MT點(diǎn)182個(gè)。本次工作采用了國(guó)外先進(jìn)的儀器設(shè)備。大地電磁測(cè)深使用了加拿大鳳凰公司的V5-2000系列電磁儀，磁測(cè)使用了加拿大GEM公司GSM-19T微機(jī)質(zhì)子磁力儀，重力測(cè)量使用了美國(guó)BURRIS型高精度金屬?gòu)椈芍亓x。測(cè)量嚴(yán)格按有關(guān)規(guī)范進(jìn)行，除城市和礦區(qū)附近大地電磁受到嚴(yán)重干擾以外，多數(shù)測(cè)量結(jié)果可以用于地質(zhì)解釋。

2.2 物性測(cè)量

本次工作共采集物性樣本330件。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1、表2和表3。物性的總體規(guī)律可歸納如下：

對(duì)地層而言，太古界的茨溝巖組、大峪溝組和櫻桃園組巖性密度大，磁性高和電阻率高；元古界的浪子山組，里爾峪組，高家裕組巖性密度較高，磁性偏低，大石橋組和蓋縣組巖性密度較高，磁性偏低，高家裕組巖性電阻率略高；清白口系密度中等，磁性無(wú)電阻率中等；古生界：密度偏低、磁性弱和電阻率偏低；中生界和新生界的密度低、磁性弱，電阻率也低。

對(duì)侵入巖地層而言，侵入巖整體上磁性都偏高，其中大蘇河片麻雜巖大于新賓片麻雜巖，新賓片麻雜巖與賽馬堿性花崗巖大致相當(dāng)，賽馬堿性花崗巖大于白堊紀(jì)花崗巖；密度方面，大蘇河片麻雜巖最高，新賓片麻雜巖次之，賽馬堿性花崗巖密度偏高，與元古界沉積巖密度相當(dāng)，白堊紀(jì)花崗巖的密度最低；電阻率方面，大蘇河片麻雜巖電阻率高，新賓片麻雜巖電阻率較高，侏羅紀(jì)，白堊紀(jì)侵入花崗巖電阻率較高。

2.3 地球物理反演

本文綜合地球物理剖面反演使用國(guó)際上先進(jìn)的重磁重磁擬合軟件GM SYS和大地電磁測(cè)深軟件SCS2D。

GM SYS系統(tǒng)是美國(guó)西北地球物理聯(lián)合公司和加拿大軟件公司合作研究的軟件系統(tǒng),該系統(tǒng)主要以重、磁模擬為主,可結(jié)合包括地震位圖在內(nèi)或其它位圖資料到模擬過(guò)程中的聯(lián)合反演解釋系統(tǒng)軟件。界面上部是擬合的重、磁剖面,下部是地震位圖或地質(zhì)模型。該系統(tǒng)界面友好,功能強(qiáng)大,模擬過(guò)程快速簡(jiǎn)單，本文用其對(duì)5條重磁剖面進(jìn)行的精細(xì)擬合反演。

圖2 剖面位置及編號(hào)示意圖Fig.2 Sketchmap of pro fi le location and identi fi er

表1 巖礦石電阻率統(tǒng)計(jì)表Table 1 Resistivity statistics of the rock and ore

表2 巖礦石密度參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Density parameters statistics of the rock and ore g/cm3

SCS2D是美國(guó)Zonge公司的大地電磁測(cè)深2維反演軟件。該軟件不但可處理TM模式數(shù)據(jù)也可處理TE模式數(shù)據(jù)，并且可以很好的模擬起伏地形，適應(yīng)地形的變化。由于其算法是平滑模型反演，可人為的調(diào)整反演的平滑度（包括橫向和縱向），使得橫向和縱向的反演結(jié)果都有很高的可信度。本文用其對(duì)5條大地電磁測(cè)深剖面進(jìn)行了反演。

由于文章篇幅的限制，我們這里僅給出其中的兩條代表性剖面。其中一條是大致東西向的8號(hào)剖面，該剖面主體處于龍崗地塊上。另一條是大致北西—南東向的5號(hào)剖面，該剖面跨越龍崗地塊，遼吉裂谷的北部斜坡帶和中間凹陷帶。

2.4 地球物理綜合解釋

8號(hào)剖面（圖3）：由西到東，磁異常和重力異?？傮w上逐步降低，反演的深部電阻率則表現(xiàn)為由高到低，又由低變高的變化趨勢(shì)。根據(jù)地表的巖性及重磁電反演的結(jié)果，我們認(rèn)為在龍崗地塊或北緣斜坡內(nèi)，西部基底主體為新太古代大蘇河片麻雜巖，而東部基底或深部為新太古代新賓片麻雜巖。無(wú)論是密度還是磁性，前者都大于后者。東西部反演的深部電阻率有較大的差別，推測(cè)是西部干擾較大，近源場(chǎng)造成的。太古代片麻巖表現(xiàn)為高阻，而遠(yuǎn)古界、古生界和中生界則表現(xiàn)為低阻。

2號(hào)剖面（圖4）：由北西到南東，磁異?？傮w變化不大，重力異常在總體變低的趨勢(shì)下，存在較大的起伏，根據(jù)地表的巖性及重磁電反演的結(jié)果，推測(cè)主要是花崗巖侵入的結(jié)果。太古代片麻巖在北西出露地表，向南東逐漸加深，但進(jìn)入遼吉裂谷中央凹陷則消失，取而代之的是高阻、高密度的花崗巖。電阻率最低的地方為侏羅系沉積盆地，中等電阻率的為遠(yuǎn)古界地層或早中生代侵入雜巖。

3 結(jié)論

（1）龍崗地塊太古代基底埋深由北向南逐漸加深，遼吉裂谷基底主要為花崗巖。

（2）在北緣斜坡內(nèi)，西部基底為新太古代大蘇河片麻雜巖，東部為新太古代新賓片麻雜巖，前者的磁性和密度都大于后者。

圖3 8號(hào)剖面的重磁電反演圖Fig.3 GME inversion fi gure of No.8 pro fi le

表3 巖礦石磁參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Magnetic parameters statistics of the rock and ore

（3）遼吉裂谷內(nèi)重力低的地方多為侵入花崗巖或中生代盆地。裂谷內(nèi)侵入活動(dòng)強(qiáng)烈，即使存在局部太古界，規(guī)模和厚度都不會(huì)很大。元古代遼吉花崗巖多數(shù)為后期侵入巖包圍，印支和燕山期花崗巖與裂谷可能存在繼承關(guān)系。

（4）遼吉裂谷內(nèi)的多金屬礦床主要分布在重力高和重力低的過(guò)渡帶上，即分布在殘留地層和侵入花崗巖的接觸帶附近，與印支和燕山期侵入體及特定地層有關(guān)。鐵礦主要與鞍山群地層的高磁異常對(duì)應(yīng)。硼礦、菱鎂礦與遠(yuǎn)古界特定層位有關(guān)。

（5）根據(jù)重磁電的測(cè)量結(jié)果，通過(guò)反演出的物性，可以對(duì)地下地質(zhì)體的形狀和性質(zhì)進(jìn)行綜合推斷。

圖4 5號(hào)剖面的重磁電反演圖Fig.4 GME inversion fi gure of No.5 profile

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