龍門山構(gòu)造帶北段巖石物性研究

羅方兵，張　兵，閔　剛，張賽明，魏　斌，柳康偉

(1.成都理工大學(xué)　地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都　610059；2.大慶鉆探工程公司，大慶　163412)

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龍門山構(gòu)造帶北段巖石物性研究

羅方兵1，張兵1，閔剛1，張賽明1，魏斌2，柳康偉1

(1.成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都610059；2.大慶鉆探工程公司，大慶163412)

摘要：在巖礦物性的研究中，為了能有效順利的開展工作，往往需要了解工作區(qū)域內(nèi)巖石礦物之間的物性差異，包括巖石之間的電性差異、磁性差異、密度差異等。對巖石物理性質(zhì)的研究不僅是物探工作中地球物理場及地質(zhì)解譯的基礎(chǔ)，也是對巖石形成時的地質(zhì)條件、氣候條件等的反映。此次研究發(fā)現(xiàn)，龍門山構(gòu)造帶北段巖石物理性質(zhì)方面有較強(qiáng)的差異，尤其是電阻率、磁化率、密度差異較大，可以進(jìn)行電法、磁法、重力等方法勘探。了解了該區(qū)域的物性特征，可以輔助指導(dǎo)該區(qū)域的電法、電磁法、重磁法等勘探方法。在對巖石物性數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)特征，分析研究區(qū)巖石物性分布情況以及巖石物性的主要影響因素。選擇相關(guān)剖面與音頻大地電磁測深(AMT)結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩者近地表電阻率特征具有良好的對應(yīng)關(guān)系，這也驗(yàn)證了巖石物性測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，這為在該區(qū)以后的物探測量及地質(zhì)解釋等方面能提供更好的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巖石物性；龍門山構(gòu)造帶；電阻率；磁化率；密度

0引言

隨著電法、電磁法、重磁法等勘探方法的推廣普及，充分認(rèn)識勘探區(qū)巖礦石物性特征，以提高勘探的地質(zhì)應(yīng)用及找礦效果，越來越受到重視。在此背景下，進(jìn)行了龍門山構(gòu)造帶北段的巖石物性研究。

巖礦物性的研究是地球物理、地球化學(xué)、礦冶及其他地球?qū)W科的重要基礎(chǔ)之一[1]。巖石物性測試的目的是獲取并分析巖石的各項(xiàng)物性數(shù)據(jù)，巖石物性數(shù)據(jù)是地球物理勘查的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，是研究成礦地質(zhì)特征[2]與巖石礦物物性特征的關(guān)鍵所在，也是解決某些地質(zhì)問題的描述性數(shù)據(jù)。因此希望通過物探資料得到較精確的地質(zhì)解釋,巖石物性數(shù)據(jù)是必不可少的基礎(chǔ)[3]。此次測試收集了電阻率、磁化率、密度等參數(shù)。通過巖石電阻率測試與分析，了解地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等的電阻率分布特征，進(jìn)而建立了標(biāo)準(zhǔn)電性層，同時兼顧測量了巖石磁化率、密度，這也為重磁資料解釋提供物性基礎(chǔ)。

1研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)概況

1.1區(qū)域位置

龍門山構(gòu)造帶位于北緯30°～33°、東經(jīng)102°～106°，總體呈NE-SW向展布，全長五百余千米，寬30 km～50 km，地處青藏高原東緣，介于松潘-甘孜褶皺帶與揚(yáng)子板塊之間，止于秦嶺造山帶[4]，由一系列走向北東(圖1)、傾向北西的逆沖斷層及其所夾的巖片組成。龍門山構(gòu)造帶在中國西南地區(qū)構(gòu)造格局中占有主導(dǎo)地位，帶被譽(yù)為“地質(zhì)百慕大”[5]，具有重要的科學(xué)研究價值，許多學(xué)者都對龍門山構(gòu)造帶的研究步步深入[6]。

圖1　研究區(qū)位置圖Fig.1　Location map of the study area

1.2 地層巖性及沉積特征

龍門山構(gòu)造帶是一個獨(dú)立的地層復(fù)合體，地層記錄具有復(fù)雜性、混雜性、不連續(xù)性、不完整性和分帶性等特征[7]。測區(qū)巖石地層系統(tǒng)主要以四川省地質(zhì)礦產(chǎn)局《四川省巖石地層》[8]的區(qū)域巖石地層清理方案作為基礎(chǔ)，結(jié)合本測區(qū)區(qū)域調(diào)查的實(shí)際情況而最終確定。龍門山前陸盆地是在晚三疊世早期揚(yáng)子地臺西緣被動大陸邊緣的基礎(chǔ)上形成的，充填地層厚度巨大，包括上三疊統(tǒng)至第四系，下覆地層為不整合接觸，垂向上顯示為由海相—海陸過渡相—陸相沉積物構(gòu)成，具有向上變淺、變粗的序列[9]。龍門山北段各地層的主要特征：印支期花崗巖在研究區(qū)大面積出露，如印支期中期(γ51-2)似斑狀黑云母花崗巖(圖2(i))；薊縣系在研究區(qū)出露主要為灰—褐—紫—黑色安山巖；前震旦系在研究區(qū)出露主要為灰白—灰綠—墨綠色變質(zhì)火山巖、細(xì)碧角斑巖、灰—綠灰色千枚巖、變砂巖，如碧口群中部(AnZbk2)細(xì)碧角斑巖(圖2(h))。

圖2　研究區(qū)典型巖石圖Fig.2　Typical rocks in the study area(a) 遂寧組(J3s)泥質(zhì)粉砂巖夾石英砂巖；(b)吳家坪組(P3w)含炭質(zhì)粉晶灰?guī)r；(c)觀霧山組(D2g)白云質(zhì)灰?guī)r；(d)滑天坡組一段(Sh1)粉砂質(zhì)千枚狀板巖；(e)黃坪組二段(Shp2)含鐵白云石變斑晶千枚狀板巖；(f)黃坪組三段(Shp3)含鐵白云石變斑晶千枚巖；(g)邱家河組(∈1q)碳、硅質(zhì)板巖；(h)碧口群中部(AnZbk2)細(xì)碧角斑巖；(i)印支期中期(γ51-2)似斑狀黑云母花崗巖

震旦系—中三疊統(tǒng)，除志留系含大量變質(zhì)巖外，其他地層主要為海相碳酸鹽巖，以灰?guī)r、白云巖為主，厚度一般在4 000 m以上。震旦系巖性主要為灰白—灰色中厚層—厚層白云巖、結(jié)晶白云巖、灰?guī)r、白云質(zhì)結(jié)晶灰?guī)r。寒武系、奧陶系在研究區(qū)地表出露不多，多分布在青川—茂汶斷裂帶與北川—映秀斷裂帶之間，寒武系多為炭、硅質(zhì)巖與結(jié)晶灰?guī)r等碳酸鹽巖，(如邱家河組(∈1q)碳、硅質(zhì)板巖(圖(2(g)))；奧陶系多為結(jié)晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。志留系在研究區(qū)地表出露較多，主要有茂縣群、羅惹坪群龍馬溪群、紗帽群，是研究區(qū)極為重要的一個地層，巖性主要為千枚巖、板巖、灰?guī)r，(如茂縣群滑天坡組一段(Sh1)粉砂質(zhì)千枚狀板巖，(圖2(d))；黃坪組二段(Shp2)含鐵白云石變斑晶千枚狀板巖(圖(2(e))；黃坪組三段(Shp3)含鐵白云石變斑晶千枚巖圖(2(f))。泥盆系巖性主要為淺灰—深灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、灰—灰白色白云巖(如觀霧山組(D2g)白云質(zhì)灰?guī)r(圖(2(c)))。石炭系和二疊系在研究區(qū)地表出露不多，巖性主要為結(jié)晶灰?guī)r等灰?guī)r(如石炭系吳家坪組(P3w)含炭質(zhì)粉晶灰?guī)r，圖(2(b)))。下三疊統(tǒng)以灰?guī)r、白云巖、為主，夾砂巖、泥頁巖；中三疊統(tǒng)雷口坡組主要為淺灰—灰色灰?guī)r、白云巖。

上三疊統(tǒng)—白堊系為陸相沉積，主要為陸相碎屑巖。其沉積特點(diǎn)總體表現(xiàn)為沉積厚度大，水系以縱向河為主，具點(diǎn)狀物源，沉積物以扇三角洲、三角洲和湖泊相為主[9]。上三疊統(tǒng)巖性主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾煤層；侏羅系在研究區(qū)各段均有大量出露，成長條狀展布，巖性主要為砂巖、礫巖和泥巖(如遂寧組(J3s)(圖2(a)))；白至系主要分布在綿陽以北地區(qū)，巖性主要為砂巖或者砂礫巖[10]。

2方法技術(shù)

本次在龍門山構(gòu)造帶北段選擇了地層出露較完整的三條地質(zhì)剖面(除古近系和新近系外，從震旦系至第四系幾乎各時代的地層均有出露)進(jìn)行物性測試。作者在這三條剖面還進(jìn)行了1：50 000區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、數(shù)字填圖、遙感地質(zhì)解釋、大地電磁測深等工作。三條地質(zhì)剖面分別為沙洲鎮(zhèn)(水磨幅)-紅巖鎮(zhèn)(劍閣幅)、白馬藏族鄉(xiāng)-平武縣城(平武幅)剖面、南壩鎮(zhèn)(平武幅)-新安鎮(zhèn)(綿陽幅)，共完成露頭測試樣點(diǎn)2 518個，標(biāo)本采集測試637塊，共計(jì)58個組或段的地層單元。

數(shù)據(jù)采集分野外露頭測定法、標(biāo)本測定法兩種方法相結(jié)合得出相應(yīng)的物性數(shù)據(jù)。野外露頭測試得到巖石電阻率及磁化率，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料系統(tǒng)采集龍門山韌性剪切帶代表性巖石標(biāo)本，將標(biāo)本按要求打磨成標(biāo)準(zhǔn)圓柱體型測試得到電阻率、磁化率、密度等參數(shù)。由于存在各向異性，對同一個巖石進(jìn)行了不同方向的測定。根據(jù)測量結(jié)果整理出了調(diào)查區(qū)間按巖性區(qū)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果并進(jìn)行相應(yīng)分析，初步建立了三條龍門山地質(zhì)構(gòu)造帶的有時代序列的以地質(zhì)單位為單位的各構(gòu)造單元地層物性統(tǒng)計(jì)表，這對研究區(qū)內(nèi)物探資料解釋具有重要指導(dǎo)性意義。

1)電阻率測試儀器選用中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)生產(chǎn)的LZSD-C型自動直流數(shù)字電測儀，該儀器有供電電流及電位差兩個測量道。電流的測量是通過測量標(biāo)準(zhǔn)電阻上轉(zhuǎn)換為電位差信號而達(dá)到目的。儀器輸入阻抗大于1 000 Ω·m，適用范圍寬，當(dāng)輸入阻抗達(dá)30 Ω·m時電位差讀數(shù)減小低于0.05 %。儀器滿足中國地調(diào)局DD2006-03《巖礦石物性調(diào)查技術(shù)規(guī)程》規(guī)范要求。

根據(jù)測試儀器讀得測點(diǎn)MN間的電流iMN和電壓UMN，用量尺量得電極AB間的距離LAB和測點(diǎn)MN間的距離LMN，電阻率計(jì)算公式由式(1)及式(2)。

(1)

(2)

2)巖石磁化率測定選用從捷克進(jìn)口的SM-30高精度磁化，該儀器能夠快速準(zhǔn)確的分析出巖礦石的磁化率，輕巧方便，其靈敏度達(dá)到1×10-7SI。該儀器滿足規(guī)范要求的不低于1×10-6SI。

3)將采得的樣品按照相應(yīng)要求加工成圓柱體，先測試其磁化率和密度；再在清水中浸泡超過24 h達(dá)到水飽和后，將其表面水分晾干測試其電阻率。

3巖石物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

測區(qū)內(nèi)主要出露巖石的電阻率、磁化率、密度按巖性區(qū)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

3.1電阻率

根據(jù)表1繪制巖石電阻率柱狀圖(圖3)。

從表1和圖3中分析可知：泥巖、頁巖、千枚巖、炭質(zhì)板巖的電阻率相對較低，屬低阻；砂巖、礫巖等巖石的電阻率在300Ω·m～1 000 Ω·m，屬中阻；灰?guī)r、白云巖及花崗巖的電阻率普遍達(dá)到1 000 Ω·m，屬高阻。沉積巖、變質(zhì)巖與巖漿巖的電阻率差異較大：變質(zhì)巖中除變質(zhì)火山巖外普遍電阻率不高，且變質(zhì)火山巖與板巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖容易區(qū)分辨別；沉積巖中除灰?guī)r和白云巖等碳酸鹽外普遍電阻率不高；巖漿巖普遍電阻率較高，其中花崗巖電阻率最高，達(dá)到了10 000 Ω·m。由此可見，龍門山構(gòu)造帶北段不同巖性的電阻率差異大，可以實(shí)行電法勘探。巖石電阻率差異可以區(qū)分不同地層的巖性，這在電法反演中識別相應(yīng)區(qū)域地下深部巖性上有很大幫助，在鉆井巖性識別上也有一定幫助。

表1　研究區(qū)巖石電阻率、磁化率、密度統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of rock resistivity、magnetic susceptibility and density of the study area

圖3　巖石電阻率柱狀圖Fig.3　Rock resistivity histogram

3.2磁化率

根據(jù)表1繪制巖石磁化率柱狀圖(圖4)。為描述方便，將龍門山構(gòu)造帶巖石的磁性按磁化率的數(shù)值，劃分為五個等級：強(qiáng)磁性，大于10 000 SI；中磁性，1 000 SI～10 000 SI；弱磁性，100 SI～1 000 SI；微弱磁性，10 SI～100 SI；無磁性，小于10 SI[11]。

從表1和圖4中分析可知：大部分巖石的磁化率不高，在10 SI～1 000 SI之間，屬于微弱-弱磁性；小部分巖石的磁化率小于10 SI，屬于無磁性；少數(shù)巖石的磁化率大于10 000 SI，屬于強(qiáng)磁性。灰?guī)r、白云巖磁化率最低，幾乎無磁性；變質(zhì)火山巖磁化率最高，多數(shù)超過10 000 SI，屬強(qiáng)磁性，此類巖石采于平武-白馬一帶，表明此區(qū)域巖石含有鐵等礦物；安山巖磁化率較高，由于火成巖含鐵所致。沉積巖磁化率多在1 SI～1 000 SI之間；變質(zhì)巖中千枚巖、板巖、變質(zhì)砂巖磁化率多在10 SI～400 SI之間。研究區(qū)不同巖性磁化率差異較大，可以實(shí)行磁法勘探，磁化率差異可區(qū)分不同地層的巖性，這在磁法反演中地下深部巖性識別上有很大幫助，也可幫助在研究區(qū)尋找含磁性礦物。

圖4　巖石磁化率柱狀圖Fig.4　Rock magnetic susceptibility histogram

3.3密度

根據(jù)表1繪制巖石密度柱狀圖(圖5)。

圖5　巖石密度柱狀圖Fig.5　Rock density histogram

從表1和圖5中分析可知：龍門上構(gòu)造帶巖石密度特征符合一般規(guī)律，即疏松的沉積巖密度低，致密的沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖密度偏高。平均密度巖漿巖最高，沉積巖居中，變質(zhì)巖最低。沉積巖中碳酸鹽密度較穩(wěn)定，在2.64 g/cm3左右。各類沉積巖的密度變化較大，頁巖密度最低，常見值在2.30 g/cm3左右；礫巖密度最高，常見值達(dá)2.82 g/cm3左右。在統(tǒng)計(jì)中還發(fā)現(xiàn)不同層位,同一種巖性的巖石密度,以碳酸鹽巖較為穩(wěn)定。碎屑巖類的礫巖、砂巖等,密度值在不同地層中變化較大。顯然,前者的穩(wěn)定,與碳酸鹽巖成分、結(jié)構(gòu)比較均一有關(guān),后者的變化,則由碎屑巖本身成分、結(jié)構(gòu)的多變性所決定。變質(zhì)巖中變質(zhì)火山巖密度最高，板巖、千枚巖、變質(zhì)砂巖較低，隨著變質(zhì)程度的增強(qiáng)，密度稍有降低的趨勢，即變質(zhì)火山巖>板巖>千枚巖。各類巖石密度存在明顯差異，研究區(qū)具有一定重力勘探基礎(chǔ)。

3.4地層電阻率

表2為沙洲鎮(zhèn)(水磨幅)—紅巖鎮(zhèn)(劍閣幅)各地層電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表2中可以看出各地層電阻率差異較大。究其原因，主要是因?yàn)槲镔|(zhì)成分不同。如泥盆系觀霧山組、石炭系黃龍組、二疊系茅口組等地層電阻率特別高，其原因?yàn)檫@些地層多含灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽；志留系茂縣群呈中電阻率層，其原因是這些地層多含千枚巖、板巖等；志留系新灘組、羅惹坪組因主要含泥巖、頁巖、砂巖，故而呈低電阻率層。

圖6(a)為沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)音頻大地電磁測深(AMT)測點(diǎn)圖，圖6(b)為沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)AMT反演圖(注：由閔剛提供)，根據(jù)表4繪制沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)地層電阻率物性圖(圖6(c))。

對比地層電阻率物性圖和AMT反演圖可見兩者近地表電阻率特征具有良好的對應(yīng)關(guān)系，驗(yàn)證了巖石物性測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。表明該區(qū)域巖石物性研究可以作為大地電磁測深的工作基礎(chǔ)，也可以作為大地電磁測深的輔助驗(yàn)證方法，這為在該區(qū)以后的物探測量及地質(zhì)解釋等方面能提供更好的依據(jù)。

4 結(jié)論

在研究區(qū)進(jìn)行物探工作前，巖石物性研究是一種行之有效且必不可少的工作基礎(chǔ)。巖石的物性研究可以起到多方面的作用，不同的物理參數(shù)可以應(yīng)用到不同的問題上，同時，以一種物理參數(shù)為基礎(chǔ)也可以應(yīng)用到多方面。

1)研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)巖石在密度、磁性、電性方面均有顯著差異，表明研究區(qū)可以進(jìn)行重、磁、電法勘探。

2)物性數(shù)據(jù)可以區(qū)分研究區(qū)不同地層的巖性，這在相應(yīng)方法反演中地下深部巖性識別上有很大幫助，在鉆井巖性識別上也有一定幫助。

3)經(jīng)過本次研究，了解了研究區(qū)的一些物性特征，這可以輔助指導(dǎo)重、磁、電等方法，這在解決某些地質(zhì)、礦產(chǎn)等問題上有很大應(yīng)用價值。

4)地層電阻率物性圖和閔剛提供的該區(qū)AMT反演圖的良好對應(yīng)，驗(yàn)證了巖石物性測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，表明巖石物性研究可以作為大地電磁測深的工作基礎(chǔ)，也可以作為大地電磁測深的輔助驗(yàn)證方法，這為研究區(qū)以后的物探測量及地質(zhì)解釋等方面能提供更好的依據(jù)。

致謝

感謝張訊、李強(qiáng)強(qiáng)等在野外進(jìn)行AMT測試并提供AMT數(shù)據(jù)，感謝閔剛提供AMT反演圖，感謝張賽明對論文的幫助。

表2　沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)各地層電阻率統(tǒng)計(jì)表Tab.2　Statistics of formation resistivity from Shazhou town to Hongyan town

圖6　測試結(jié)果對比圖Fig.6　Test results contrast figure(a)沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)音頻大地電磁測深(AMT)測點(diǎn)圖；(b)沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)AMT反演圖；(c)沙洲鎮(zhèn)—紅巖鎮(zhèn)地層電阻率物性圖

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LUO Fang-bing1,ZHANG Bing1,MIN Gang1,ZHANG Sai-ming1,WEI Bin2,LIU Kang-wei1

(1.Key Laboratory of Earth Exploration and Information Technology of MOE,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China;2.Daping driuing engineering conpany,Daqing163412,China)

Abstract:Before starting many geological work,in order to carry out the work effectively and successfully,we often need to understand the physical differences of rocks and minerals in study area,including the electrical differences、magnetic differences and density differences.The study of physical properties is not only the essential foundation of geophysical field work and geological interpretation,but also reflects geological and weather conditions in which they are formed.This study find that the physical properties of the north section of Longmen mountain tectonic belt have big differences,especially the resistivity、magnetic susceptibility and density.Electrical method,magnetic method,and gravity method can be carried out in the study area.We find the characteristic of physical properties in study area.It can guide electrical method,electromagnetic method,gravity and magnetic exploration method.After acquisition physical data of rocks,combing the geological characteristics of the study area and the results of statistical and correlation analysis to analyze the physical distributions of rocks and the main influencing factors of the study area.Choosing relevant profile and comparing with the result of Audio-frequency Magneto telluric,finding that the near-surface resistivity features have a good correspondence.It also certificates the accuracy of the AMT test results.It can provide better overview for geophysical survey and geological interpretation in the study area.

Key words:physical properties;Longmen mountain tectonic belt;resistivity;magnetic susceptibility;density

收稿日期：2015-03-27改回日期：2015-06-23

基金項(xiàng)目:中國地質(zhì)調(diào)查局工作項(xiàng)目(1212011220263)

作者簡介：羅方兵(1990-)，男，碩士，主要從事固體地球物理學(xué)的研究，E-mail:717235144@qq.com。

文章編號：1001-1749(2016)02-0191-07

中圖分類號：P 631.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.08