長白山地區(qū)航磁異常居里面計算及其地質(zhì)意義

蘇曉軼，李福文，屈旭鈞，張?zhí)祗K

1．長白山天池火山監(jiān)測站，吉林 安圖 133613；2．吉林省勘查地球物理研究院，長春 130012；3．吉林省地質(zhì)勘查基金管理中心，長春 130061

0 引言

居里面是指磁性礦物在一定溫度下從有磁性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o磁性的居里(點)等溫度面, 簡稱居里面,是磁性層的下界面,反映了巖石圈的熱狀態(tài)而不是確定的地質(zhì)構(gòu)造面。申寧華等[1]曾指出居里面埋深對油氣生成、保存有影響,反演居里面深度對大地構(gòu)造研究和油氣資源評價與勘探具有重要意義。此外,反演居里面對地?zé)崮艿拈_發(fā)利用以及火山噴發(fā)的監(jiān)測與預(yù)報等也具有重要意義。

前人曾對居里面的反演做過很多研究,劉天佑[2]曾計算松遼盆地的居里面深度，郝天珧等[3]和江為為等[4]曾對賀蘭山—龍門山以東的中國陸海及鄰區(qū)進(jìn)行居里面反演,并利用反演結(jié)果劃分洋、陸構(gòu)造單元。胡旭芝等[5]、吳招才等[6]、高德章[7]、南方舟等[8]用Spector-Grant的功率譜法反演東北、南海、東海及華北地區(qū)居里面,并研究了這些地區(qū)的地殼熱狀態(tài)。申寧華[9]推導(dǎo)了快速計算界面位場異常的正反演公式，其原理及性質(zhì)與Parker[10]、Oldenburg[11]算法基本一致，該算法具有速度快、功能強(qiáng)等特點。

由于功率譜法原理假設(shè)條件與客觀差距較大，實際應(yīng)用效果不如Parker方法。本文采用改進(jìn)的Parker-Oldenburg反演迭代算法，計算了長白山地區(qū)居里面深度，實際應(yīng)用效果較好。利用居里面分析該區(qū)的熱狀態(tài),并準(zhǔn)確預(yù)測了研究區(qū)內(nèi)多個地?zé)嵊欣麉^(qū)。

1 居里面反演的Parker-Oldenburg理論

設(shè)地下有物質(zhì)界面A，形狀如圖1所示，假定其上部物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M為零，下部的磁化強(qiáng)度不為零，還假定M的方向垂直向下。A面下某點Q(ξ,η,ζ)處體積元dV對地表測點P(x,y,0)在垂直磁化情況下所產(chǎn)生的垂直磁異常為ΔZ，設(shè)直角坐標(biāo)系Z軸垂直向下，則推導(dǎo)過程為：

(1)

式(1)中，μ0為真空磁導(dǎo)率，T由式(2)表示：

(2)

假設(shè)A面的平均深度為h，在ζ=h處將K用泰勒級數(shù)展開得到：

(3)

式(3)中，K(n)(x-ξ,y-η,h)是在ζ=h處K對ζ的n階導(dǎo)數(shù)，利用上式將K對ζ從(h+Δh)到h積分，其中Δh是A面相對于h的距離，在ζ=h以上Δh是負(fù)值，在其下面Δh為正值，且Δh是(ξ，η)的函數(shù)由式(2)、(3)可以得到：

(4)

設(shè)M在A以下只是(ξ,η)函數(shù)，則A以下全部物質(zhì)對P點產(chǎn)生的磁異常為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

迭代反演的基本原理:根據(jù)場值計算界面起伏的初始值，根據(jù)該初始界面模型進(jìn)行正演計算，利用正演計算值與實測值之差修正界面起伏。利用修正后的界面進(jìn)行正演計算，將正演值與實測值進(jìn)行比較，找出參差，并對交錯進(jìn)行修正和逐次迭代，直至界面模型和實測場擬合的均方差小于預(yù)設(shè)要求，得到最終界面分布。因此，界面模型的選擇和相應(yīng)正演計算方法的精度直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。合理地給出界面波動的初值和修正值將直接影響迭代的收斂速度。

本文涉及的單層界面反演利用界面反演中比較常用的Parker-Oldenburg方法，該方法采用頻率域計算公式，速度快、精度高，且使用方便。但反演公式包含由上而下延拓因子，這些因子通過放大高頻干擾成分使反演過程變得不穩(wěn)定。利用式(8)反演單界面A的起伏Δh(ξ,η)，可以將公式進(jìn)行移項，寫成：

(10)

若令等式右端的Δh值為第j次的近似值，而等式左端的Δh為第(j+1)次的近似值，那么這就是Parker-Oldenburg提出的迭代反演公式(左端的△h經(jīng)傅里葉變換后，得到空間域的Δh(ξ,η)值)。但是這樣的迭代，因每次求得是△h值，而非修正量，不易保證逐次逼近收斂?！鱤<

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

這種迭代所計算的值與實際值相差越來越少，因為每次求Δh(ξ,η)增量的線性逼近，使迭代達(dá)到收斂。只需加一適當(dāng)?shù)恼齽t化因子防止高頻因子的發(fā)散作用。實際證明這種迭代反演的方法結(jié)果較好。

以上在求Δh(ξ,η)時，須事先已知A界面的大體平均深度h及界面以下的磁化強(qiáng)度M。如果存在雙界面，則還需知道H和ΔH(ξ,η)才能計算出界面異常。

圖1 界面A示意圖Fig.1 Diagram of interface A

2 長白山地區(qū)居里面反演結(jié)果與分析

2.1 航磁異常特征

長白山地區(qū)的航磁異常就異常強(qiáng)度而言，研究區(qū)可分為南、北兩個異常區(qū)，南部為高磁異常區(qū)(+200～+550 nT)，集中出現(xiàn)在南端的漫江—長白縣一帶；北部廣大地區(qū)為中-低磁異常區(qū)(-200～+200 nT)。根據(jù)該區(qū)的磁異常形態(tài)與構(gòu)造單元的對應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)可分為六個磁異常區(qū)(圖2)：蒲柴河—露水河鎮(zhèn)以東，松江鎮(zhèn)以西地區(qū)，以夾皮溝地塊為主體，低緩的低磁異常，呈北西向展布(Ⅰ區(qū))；撫松—泉陽鎮(zhèn)以北，蒲柴河—露水河鎮(zhèn)以西地區(qū)，龍崗地塊為主體，磁異常正負(fù)交替，呈北東向展布(Ⅱ區(qū))；撫松—泉陽鎮(zhèn)以南，花山鎮(zhèn)—松江河以北，板石溝地塊為主體，環(huán)狀高磁異常為主(Ⅲ區(qū))；花山鎮(zhèn)—松江河以南，松江鎮(zhèn)以西，老嶺地塊為主體，大面積低磁異常為主(IV區(qū))；望天鵝以南，長山縣以北，長白地塊為主體，強(qiáng)磁異常，呈近東西向展布(V區(qū))；松江鎮(zhèn)以東，和龍地塊為主體，磁異常正負(fù)交替，呈北西向展布(VI區(qū))。

Ⅰ.夾皮溝地塊；Ⅱ.龍崗地塊；Ⅲ.板石溝地塊；Ⅳ.老嶺地塊；V.長白地塊；VI.和龍地塊.圖2 長白山地區(qū)航磁異常圖Fig.2 Aeromagnetic anomaly map of Changbai Mountain area

航磁異常形態(tài)特點不但反映了龍崗地塊與和龍等地塊及古生代褶皺斷裂帶之間的構(gòu)造演化關(guān)系，而且反映了該區(qū)淺表層的地質(zhì)巖礦石組成特點。

(1)北部低緩異常區(qū)(圖2 Ⅰ區(qū))

該區(qū)為低緩異常區(qū)，低緩正值場，在大荒溝—老嶺一帶正磁場為太古代鉀長花崗片麻巖引起，在興旺屯—老森嶺一帶正磁場為中元古代花崗閃長巖引起。金山南負(fù)場區(qū)為侏羅世鉀長花崗巖引起，四方頂子現(xiàn)負(fù)場區(qū)推測為深部存在酸性巖體。該區(qū)兩條深大斷裂，磁異常明顯。

(2)西北部正負(fù)交替磁異常區(qū)(圖2 Ⅱ區(qū))

該區(qū)磁場為正負(fù)交替場，區(qū)內(nèi)有多個時代地質(zhì)出露，場態(tài)復(fù)雜，異常強(qiáng)度變化較大，強(qiáng)度在-300～+300 nT之間。靖宇附近為正磁異常，范圍大、形狀不規(guī)則，強(qiáng)度為+50～+350 nT之間，對應(yīng)的主要為侏羅系火山巖和新生代玄武巖，其中高值異常為燕山期花崗巖和閃長巖，并有一處大營子小型鉛鋅礦床。萬良附近正磁異常表現(xiàn)為南北兩個低緩異常，區(qū)內(nèi)南部為侏羅系安山巖，北部為中太古代鉀長花崗質(zhì)片麻巖，異常北側(cè)有三處小型鐵礦床。抽水村北為正磁異常，異常近南北方向，南部異常較大，北部異常較小，呈亞葫蘆狀，為低緩異常，強(qiáng)度+350 nT，地表大部出露太古代表殼巖，對尋找“鞍山式”沉積變質(zhì)鐵礦有利。

(3)西部高磁異常區(qū)(圖2 Ⅲ區(qū))

該區(qū)磁場以環(huán)形正磁場為主，在松江河附近為正磁異常，范圍大，形態(tài)較規(guī)律，對應(yīng)的主要是侏羅系火山巖和新生代玄武巖，其中高值異常為燕山期花崗巖和閃長巖。

(4)中部低磁異常區(qū)(圖2 Ⅳ區(qū))

該區(qū)磁場以低磁為主，但異常強(qiáng)度變化較大，強(qiáng)度在-300～+200 nT之間。該區(qū)幾乎被火山巖層覆蓋，但由于大量酸性巖體的侵入，導(dǎo)致大面積低磁異常。低磁異常區(qū)為酸性侵入巖區(qū)，高磁異常為第三第四紀(jì)基性火山巖覆蓋較厚區(qū)。在正磁場中從望天鵝—天池一帶出現(xiàn)多處環(huán)形異常，區(qū)內(nèi)主要出露為玄武巖，磁場體現(xiàn)了玄武巖特征，出現(xiàn)的環(huán)形異常推測為火山構(gòu)造引起。

(5)南部強(qiáng)磁區(qū)(圖2 V區(qū))

該區(qū)磁場以正磁場為主，六道溝北局部正磁異常，呈橢圓形、走向北東，強(qiáng)度+400 nT，異常為侏羅系果松組安山巖，晚侏羅世閃長巖引起，六道溝小型矽卡巖型銅鉬礦床位于異常中。長白縣八道溝—十四道溝之間，高磁異常呈東西向展布，主要為裸露的龍崗群古老基地巖系。

(6)東北部負(fù)交替磁異常區(qū)(圖2 VI區(qū))

該區(qū)磁場為正負(fù)交替場，但異常強(qiáng)度變化不大，強(qiáng)度在-100～+250 nT之間。該區(qū)北部有一條深大斷裂，異常明顯。高磁異常主要為一套閃長質(zhì)、花崗質(zhì)深成侵入體。

2.2 長白山地區(qū)居里面及其分析

利用本文提及的磁性界面求解方法，計算了長白山地區(qū)的居里面深度(圖3)。長白山地區(qū)磁性層底面即居里面深度范圍在12.8～15.8 km，靖宇—仁義砬子地區(qū)局里面深度較淺，在12.8 km；松江河以及長白山天池西南居里面深度較大，在14～15 km；長白山天池地區(qū)居里面較淺，深度在12.8 km±。

由計算結(jié)果分析：長白山天池作為一個活動的火山，居里面較淺是合理的。大地電磁測深的結(jié)果揭示[12]，該處深為12 km的地方，有低電阻的特征，推測是未固結(jié)的巖漿囊。靖宇—花山鎮(zhèn)一帶居里深度也較淺，花山鎮(zhèn)附近有老三隊溫泉，表明深部地殼處于熱狀態(tài)，而靖宇地區(qū)作為臺區(qū)，表層出露的巖石是太古代地層，但其深部可能存在深部巖漿的底侵，造成該區(qū)居里面較淺。長白山的東北部和西南部，居里深度較深，該區(qū)分布著較厚的元古界和古生界，居里深度較深是合理的。

圖3 長白山地區(qū)居里面深度圖Fig.3 Curie depth map of Changbai Mountain area

3 結(jié)論

(1)長白山地區(qū)由于地溫梯度較高，居里深度總體較淺，居里深度為12.8～15.8 km，較全球的居里深度20 km為淺。

(2)長白山地區(qū)的居里深度平面上有變化，最深處在松江鎮(zhèn)右側(cè)，最淺處在長白山與靖宇—臨

江—撫松一帶，與當(dāng)前地?zé)岢雎稜顟B(tài)符合。

(3)長白山地區(qū)的地?zé)嶂饕欣貐^(qū)除在天池地區(qū)以外，松江河以西的撫松、仙人橋、老三隊地區(qū)都屬居里深度較淺地區(qū)，為較好的地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。