基于航磁數(shù)據(jù)揭示巴拉多尼亞古河道地質(zhì)特征

馮天舒

(西澳大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，澳大利亞 珀斯 6009)

1 區(qū)域特征

在西澳大利亞南部的景觀下部有許多埋藏的古河道。風(fēng)化地表(中生代形成)上沿古河谷的排水切口導(dǎo)致河道發(fā)育,河道隨后被砂、褐煤和高嶺石以及富含蒙脫石的沉積物填滿,沉積物中含有鐵質(zhì)礫石透鏡體。崩積、沖積和風(fēng)積沉積物不整合地覆蓋在古河道沉積物、鐵質(zhì)硬銹巖或腐泥石上。研究區(qū)靠近弗雷澤山脈,位于佤邦內(nèi)陸地區(qū)。巴拉多尼亞古河道位于太古宙伊爾加恩克拉通盆地東南部,位于 Nava-Bollinger 西部、Eyre Highway 北部的一個狹長峽谷內(nèi)。研究區(qū)的淺層為上覆前寒武紀(jì)基底巖石為沉積于廣泛的古水系中的第三紀(jì)沉積巖,地下水含鹽量很高(圖1)。

研究區(qū)前寒武紀(jì)基底主要為太古代花崗巖-綠巖地形組成。綠巖帶由超鎂鐵質(zhì)到長英質(zhì)成分的變質(zhì)火成巖和變質(zhì)沉積巖組成,其中包括一些帶狀鐵建造。研究區(qū)北部太古宙上覆林地組低變質(zhì)石英質(zhì)變質(zhì)沉積巖。該地層包括砂巖、礫巖、chert breccia 和泥巖,弱變形并變形為綠片巖級,并折疊成具有 NE 走向軸的開放構(gòu)造。研究區(qū)及其周圍有幾條大型元古代鎂鐵質(zhì)巖脈。Widgeemooltha 群的寬度和橫向范圍都可能很大。這些堤壩主要呈東西走向。另一個鎂鐵質(zhì)堤壩群,Gnowangerup-Fraser 堤壩呈東北-西南走向(圖2)。

圖1 研究區(qū)谷歌地球圖像

圖2 露頭/地下巖石地質(zhì)

2 地球物理背景

磁力勘探通過研究地下磁異常體在地表產(chǎn)生的磁異常數(shù)據(jù)來分析研究磁異常體的空間位置、大小、形狀及產(chǎn)狀等情況,從而達到找礦和解決地質(zhì)問題的一種地球物理勘探方法。其具有輕便、快速、效率高及效果明顯等特點,因此被廣泛的應(yīng)用于大面積的掃面工作,是一種必不可少的地球物理勘探手段[1-2]。

隨著地球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類對地球淺層沉積建造和性質(zhì)的研究己經(jīng)不能滿足生產(chǎn)、經(jīng)濟和社會發(fā)展,特別是可持續(xù)發(fā)展的要求。并且隨著人類對地球的研究不斷地深入,淺層地殼己經(jīng)無法滿足現(xiàn)今的研究需求,這迫使地球科學(xué)研究向縱深發(fā)展成為一個趨勢,因為巖石圈是人類居住與獲取各種資源、能源、改造和利用場所。在21世紀(jì),地質(zhì)構(gòu)造作為巖石圈的重要組成部分與地球物理學(xué)息息相關(guān)。自20世紀(jì)80年代初以來,對大陸巖石圈的研究開始引起了地學(xué)界的廣泛關(guān)注,實施了一系列的地學(xué)斷面的研究工作[3],采用了多種地球物理方法,開展了對大陸巖石圈結(jié)構(gòu)的研究,并產(chǎn)生了廣泛的國際影響。在眾多的地球物理方法中,唯有航磁調(diào)查覆蓋了整個大陸及其海域,從而成為地學(xué)研究的一個亮點,吸引了眾多國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注,為地學(xué)研究提供了不可多得的地球物理資料。航磁異常與大陸的大地構(gòu)造格局之間的存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系,因此通過探討航磁異常的反演結(jié)果,用以研究地殼深部構(gòu)造。

磁測數(shù)據(jù)資料中包含著地下豐富的信息,但目前的數(shù)據(jù)解析并沒有充分利用好這些信息,磁測資料解釋的目的在于通過地面或航空等實測數(shù)據(jù)利用某種手段推斷出地下磁化強度分布規(guī)律,從而達到尋找目標(biāo)地質(zhì)體的目的[4-6]。

3 磁場理論基礎(chǔ)

通過對磁異常的解釋及分析,用以解決地質(zhì)找礦及構(gòu)造分析問題,必須對巖石的磁性特征有所了解。巖石和礦石磁性的強弱可用磁化強度M表示,組成巖石和礦石的礦物質(zhì)有順磁性、反磁性及鐵磁性。巖石在地殼中形成后,經(jīng)歷了較長的時期,使它磁化的地球磁場無論在強度或方向上都發(fā)生過變化。巖石還曾經(jīng)受過高溫高壓及機械力的作用。因此,巖石中如果含有鐵磁性的礦物,它就可能有一定的剩余磁化強度或稱永久磁化強度,剩余磁化強度與巖石的經(jīng)歷及其鐵磁性礦物含量有關(guān),與現(xiàn)今地磁場大小及其方向無關(guān)。通常,在磁異常資料解釋工作中,剩余磁化強度一般情況下都很弱,磁性源的磁化方向通常不會受其影響,所以不考慮剩余磁化的存在。此外,巖石還在現(xiàn)今的磁場中被磁化而具備一部分感應(yīng)磁化強度,它與現(xiàn)今的正常地磁場成正比,方向也與地磁場的方向一致[7-8]。在不考慮剩余磁化的情況下,巖石的感應(yīng)磁化強度可表示為:

(1)

式中,T為現(xiàn)今地磁場總強度(磁感強度);K為巖礦石的磁化率,無量綱，取決于巖礦石的性質(zhì),決定巖礦石被磁化的難易程度;μ0為真空磁導(dǎo)率,在SI制中的大小為4π×10-7H/m;T為地磁場總強度,在地球表面上一般情況下是己知的,且相當(dāng)大范圍內(nèi)可認(rèn)為是不變的,為己知常數(shù)。

對阿爾泰-臺灣地學(xué)斷面和格爾木一額濟納旗地學(xué)斷面的巖石磁性進行收集整理和測試,通過對比分析,兩條斷面上的巖石磁性參數(shù)均有共同特征(表1)。

(1)沉積巖蓋層和一些淺變質(zhì)巖(如大理巖、片巖、砂巖、灰?guī)r和硅質(zhì)巖等)磁性都很低。

(2)各類中酸性巖漿巖,包括安山巖、閃長巖、花崗巖、花崗閃長巖、閃長紛巖和中酸性火山巖及凝灰?guī)r等,具有中等磁性。

(3)基性和超基性巖漿巖,包括橄欖巖、輝長巖、玄武巖等,磁性較強,磁化率為(1 000～5 000)×10-5SI。這些巖石的磁性變化大,不穩(wěn)定。

(4)深變質(zhì)巖也具有較強的磁性,磁化率為(1 000～2 000)×10-5SI。當(dāng)這類巖石大面積出露時,會引起大范圍的磁異常。

(5)太古界(結(jié)晶基底)具有強磁性,地表巖石的磁化率為(100～1 000)×10-5SI。

表1 各類巖石磁化率統(tǒng)計

此外,前人研究表明[9-12],結(jié)晶基底的磁性并不是向下一直延深至地核,而是在一定深度以后,由于地溫隨深度增加,結(jié)晶基底中的鐵磁性礦物因達到居里點而變?yōu)轫槾判缘V物,由于順磁性礦物較弱,一般認(rèn)為是無磁性物質(zhì)。達到居里點時的界面稱為居里面,居里面可以認(rèn)為是磁性底界面或者太古界(或結(jié)晶基底)底界面。目前還有一種觀點認(rèn)為,莫霍面是地殼磁性層底界面。

根據(jù)上述巖石磁性特征,不管采用哪一種觀點作為磁性底界面均可建立如圖所示的地殼磁模型(圖3)。該模型主要有四部分組成:無磁性沉積層、局部磁性體、磁性層以及磁性層下界面以下的無磁性巖層。

圖3 地殼磁模型

無磁性沉積層實際上包括沉積巖和淺層變質(zhì)巖,具有一定磁性,但相對巖漿巖或者鐵磁性物質(zhì)而言要小得多,因此認(rèn)為是無磁性的。局部磁性體主要指鐵磁性礦物、巖漿巖的侵入體(主要指由巖漿巖充填的斷裂帶)等。磁性層主要是由深成變質(zhì)巖和結(jié)晶基底組成,其上界面可能為結(jié)晶基底的頂界面,下界面可能為居里面,也可能為莫霍面。磁性層上界面深 4～12 km,下界面深度變化較大。由于磁性層的位于地殼深部,埋深較大,可以認(rèn)為其磁性變化不大,他所產(chǎn)生的異常只是由于頂?shù)捉缑娴钠鸱?在定量解釋過程中將磁性層假定為均勻磁性層。

通常把磁性層因頂?shù)捉缑嫫鸱a(chǎn)生的異常稱作為區(qū)域異常;深部巖漿巖一定通道(比如深大斷裂)侵入到地表,或者規(guī)模較大的磁鐵礦也會產(chǎn)生規(guī)模較小航磁異常,稱之為局部異常。航磁的區(qū)域異常特征為:磁異常橫向變化較為平緩,頻率較低;局部異常特征為:橫向變化較為劇烈,頻率較高[13-14]。

4 研究數(shù)據(jù)與方法應(yīng)用

研究數(shù)據(jù)中,遙感和輻射數(shù)據(jù)集繪制近地表環(huán)境圖,鉆孔數(shù)據(jù)確定古河道巖性數(shù)據(jù),主要以泥質(zhì)、砂、褐煤以及花崗巖為主;磁性數(shù)據(jù)繪制基巖地質(zhì)圖;地震和電磁數(shù)據(jù)確定古河道的厚度,并提供有關(guān)河道填充的信息。

4.1 谷歌地圖地勢解析

沿著巴拉多尼亞古河道,為一現(xiàn)代峽谷。若古河道我們可以主要判斷古河道為南北走向。自南向北,古河道區(qū)域現(xiàn)代湖泊星羅棋布,且北部河道偏窄,南部河道變寬,中部有殘留隆起位于河道內(nèi)部(圖4)。

圖4 研究區(qū)谷歌地圖

4.2 SRTM 地形數(shù)據(jù)解析

SRTM 即航天飛機雷達地形測繪使命,主要描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間展布,是通過等高線進行數(shù)據(jù)采集,然后進行數(shù)據(jù)內(nèi)插形成,是對地貌的虛擬表示。古河道在 SRTM地形數(shù)據(jù)中也明顯表現(xiàn)為地形低洼,主要在研究區(qū)南北向分布,中部藍色區(qū)域低洼成谷,東西部黃色區(qū)域為基底隆起。河道解釋形態(tài)如圖所示,在東部有一分叉河道,西北部河道形態(tài)較為復(fù)雜(圖5)。

圖5 航天飛機雷達地形測繪圖

4.3 輻射圖像數(shù)據(jù)解析

輻射數(shù)據(jù)為研究區(qū)地表沉積物的響應(yīng),所以只能用于繪制地表地質(zhì)/土壤圖。

三值輻射圖像為K、Eu 和 Eth 濃度計數(shù),中部暗色區(qū)域泥質(zhì)、放射性物質(zhì)富集。地質(zhì)背景可以了解,風(fēng)化地表上河道發(fā)育,河道隨后被砂、褐煤和高嶺石以及富含蒙脫石的沉積物填滿,沉積物中含有鐵質(zhì)礫石透鏡體,這些放射性物質(zhì)存在可預(yù)測為古河道區(qū)域,河道兩側(cè)為地質(zhì)隆起,泥質(zhì)放射性物質(zhì)風(fēng)化剝蝕(圖6)。

總計數(shù)輻射圖像為輻射濃度的總計數(shù),古河道兩側(cè)基底為花崗巖-綠巖、變質(zhì)巖。輻射圖像為粉色高值,而河道中部為藍色低值。這些資料對古河道的地表范圍和地表地質(zhì)條件都有一定限制(圖7)。

4.4 磁場強度數(shù)據(jù)解析

古河道充填物是非磁性的,意味著觀測到的變化是由于基巖內(nèi)部的磁性變化造成的,數(shù)據(jù)變得更加“模糊”。這種細節(jié)的丟失是由于磁源離磁強計更遠,導(dǎo)致異常的振幅減小和波長增加。

地磁場的總磁化強度(T)的異常稱為總磁異常強度。而垂向一階導(dǎo)數(shù)是垂向一次導(dǎo)數(shù)處理對磁場高頻成分有突出和放大作用,它側(cè)重于淺層近地表地質(zhì)的磁效應(yīng)而壓制深層區(qū)域背景場的影響,從而突出淺部地質(zhì)體引起的局部異常。

圖6 研究區(qū)三值輻射圖像

圖7 研究區(qū)總計數(shù)輻射圖像

所以兩張磁場強度數(shù)據(jù),總磁強度圖為區(qū)域地層總體強度的響應(yīng),一階垂直導(dǎo)數(shù)反應(yīng)淺層地質(zhì)體的異常響應(yīng)。利用磁性資料的主要目的是繪制古河道及其附近基巖的巖性和構(gòu)造圖。

總磁強度的一階垂直Z導(dǎo)數(shù)圖,可以觀察到黃色標(biāo)注區(qū)域,為高亮,異常的振幅增大,波長減小。中部與地質(zhì)圖存在北東-南西走向的不連續(xù)鎂鐵質(zhì)巖脈面吻合。南部高亮區(qū)域預(yù)計為花崗巖基底的磁強度異常(圖8)。

圖8 研究區(qū)磁場強度數(shù)據(jù)圖像

總磁場強度圖可以顯示深層基底的磁場性質(zhì)。除一階垂直導(dǎo)數(shù)圖部分鎂鐵質(zhì)巖脈面以外,圖中高亮紅色區(qū)域為花崗巖基底的磁場異常顯示,圖中以紅色曲線標(biāo)識?；◢弾r異常由強到弱,表現(xiàn)為紅色-橘色-黃色。綠色多為沉積巖相。古河道在此兩張圖都不夠清晰,大致河道方向為北偏東向。

4.5 機載電磁數(shù)據(jù)解析

研究區(qū)一帶宏觀表現(xiàn)為磁力高值帶,地表主要出露磁性相對較弱的新生界,區(qū)域性磁力高值可能主要由區(qū)域性磁性基底上隆引起,地表主要出露磁性相對較強的古生界、元古界。

航磁數(shù)據(jù)可以用來解釋接近地表的古河道的范圍及其填充物的性質(zhì)和厚度。

AEM 時間常數(shù)是衰減常數(shù)(tau)大小的彩色表示,圖像是總電導(dǎo)及厚度的表示?？梢詮膱D件中了解到,古河道的范圍如9圖所示,為古河道的最準(zhǔn)確描述,內(nèi)部河道充填厚度以中部最厚。

AEM3Z-通道合成是一種圖像,顏色反映了“早”、“中”和“晚”通道的振幅。當(dāng)后期通道振幅較低時,圖像更黑,當(dāng)通道振幅較高時,圖像更藍。這些數(shù)據(jù)提供了一些關(guān)于通道填充物內(nèi)部變化的信息,即哪些部分具有更大的電導(dǎo)。從圖9可看出古河道的范圍,內(nèi)部深藍色區(qū)域有更大的電導(dǎo),即古河道中存在的可能性大。

圖9 研究區(qū)機載電磁數(shù)據(jù)圖像(AEM、AEM3Z)

5 結(jié) 論

(1)對比SRTM、輻射、磁場強度、航磁等成圖,對比其古河道平面分布。古河道大致為正南北向分布,向西有輕微彎曲,確定古河道中部有一花崗巖基底隆起。

(2)SRTM 反映現(xiàn)代區(qū)域地貌形態(tài)的空間展布,低地貌單元反應(yīng)為古河道的現(xiàn)代形態(tài)?？傆嫈?shù)輻射反映研究區(qū)地表沉積物的響應(yīng)以及內(nèi)部基巖響應(yīng),不能真實反映古河道的地表范圍。總磁強度反映基巖的巖性和基底構(gòu)造圖,不能真實反映古河道的分布,但是能夠明確古河道基底的巖性及分布。

(3)AEM 航磁衰減常數(shù)反映古河道的范圍及其填充物的性質(zhì)和厚度。為古河道的最準(zhǔn)確描述,內(nèi)部河道充填厚度以中部最厚航磁 AEM3Z-通道合成圖像,反映古河道填充物內(nèi)部的變化,藍色區(qū)域具有更大的電導(dǎo),更適合存在滲透性砂巖和水資源。

(4)綜上所述,航磁解釋結(jié)果最為精確,可作為古河道平面展布最終成果。