基于重力測量的火山地質遺跡調查
——以河北海興小山火山為例

祁程，楊明，謝明宏，張偉，劉波，魏濱，趙叢，艾虎，焦智偉

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

由于太平洋板塊向亞洲板塊不斷俯沖擠壓，新生代以來，在亞洲板塊東部產(chǎn)生一系列NNE 向剪壓性（右旋扭動）構造和與之共軛的NW 向剪張性（左旋扭動）構造（包漢勇等，2013），導致大規(guī)模火山噴發(fā)，在中國東北、華北陸緣形成大規(guī)模的NW 向火山噴發(fā)帶（楊海斌等，2016；唐杰等，2018；朱日祥和徐義剛，2019；李三忠等，2019；田有等，2019）。

河北省海興小山火山即位于該噴發(fā)帶內(nèi)，是中國東部濱海平原僅有的兩個晚第四紀火山遺跡之一（邵時雄等，1983；河北省地質礦產(chǎn)局，1989），與位于山東省濱州市的大山火山是姐妹山，記錄了距今248 萬年第四紀以來一直活動的火山地質遺跡。

小山火山地質記錄完整，期間穿插有海相、河流相沉積，該火山在全新世以來依然有活動，是華北平原最后一個活動的火山（尹功明等，2013），對研究區(qū)域古氣候演化、新構造運動與火山活動的關系、地層劃分對比、生態(tài)環(huán)境地質等課題，尤其是對研究渤海西岸地質演化及海進海退規(guī)律有重要意義（馮金良，1997；鄧起東等，2001；姚政權等，2006；胥勤勉等，2011）。小山雖不及五岳之險峻，但其典型性、多樣性和自然性，實屬平原地區(qū)獨有，國內(nèi)罕見，是具有獨特科學價值和重要社會生態(tài)價值的地質遺跡區(qū)，受到省內(nèi)外地學界的關注，2003 年被河北省政府批準為省級火山地質遺址自然保護區(qū)。

前人主要利用古地磁學（河北省地質礦產(chǎn)局，1989；姚政權等，2006；肖國橋等，2008；施林峰等，2009）、常規(guī)14C（田文法等，1991；王強等，2008）、加速器質譜（AMS）14C（閻玉忠等，2006）、電子自旋共振（ESR）（尹功明等，2013）、40Ar/39Ar（裴軍令等，2015）等技術方法對小山一帶的火山噴發(fā)年代及地層劃分做了研究。最近幾年，省、市、縣國土部門和地質勘查、水文勘查單位也圍繞城市建設、地熱勘查、環(huán)境地質、災害地質等做了一些區(qū)域性工作①②③④⑤⑥⑦⑧⑨，但地質遺跡調查方面的工作仍不夠充分，保護管理尚處于起步階段，缺乏系統(tǒng)、完整的基礎性研究資料，在一定程度上制約了地質遺跡開發(fā)利用及保護。筆者本次利用重力剖面測量的方法對小山火山地質遺跡深部特征進行調查，深化了對該保護區(qū)的科學認識，為促進和保障當?shù)刭Y源、環(huán)境與經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎資料。

1 小山火山地質遺跡保護區(qū)概況

1.1 生態(tài)地理概況

小山又名馬騮山，地處渤海之濱，北望京津，趾觸滄州大港，距海興縣城約9 km。小山火山地質遺跡自然保護區(qū)面積13.81 km2，小山、山后山、饃饃山依次排列于東、北、西三側。受風化、剝蝕作用，三座山丘山頂形成剝蝕殘丘，山麓形成殘坡積臺地地貌景觀，山間合圍形成一塊直徑2 km 左右的碟形洼地，中心較低處海拔2.8 m，夏季積水形成月角湖，冬春干涸形成灘涂，其地下為一掩埋的古火山口，已由2004 年前的鉆探剖面證實（尹功明等，2013）。

保護區(qū)劃分為核心區(qū)（地質剖面大類為主的火山碎屑沉積地層剖面保護區(qū)）、緩沖區(qū)（地貌景觀大類為主的火山碎屑堆積地貌保護區(qū)）和實驗區(qū)（水體景觀大類為主的沼澤濕地景觀保護區(qū)）三部分（圖1）。核心區(qū)分布于小山鄉(xiāng)西、山后村南及李良志村北，為火山剝蝕殘丘及火山殘坡積臺地，面積0.91 km2，高程4.8～22.8 m，最高處34.8 m；緩沖區(qū)分布于核心區(qū)外圍周邊，面積2.03 km2，將核心區(qū)與自然保護區(qū)外界及實驗區(qū)相隔；實驗區(qū)分布于緩沖區(qū)外圍，對核心區(qū)起到進一步緩沖作用，區(qū)內(nèi)有掩埋活火山口、牧草地及國家級基巖標，面積10.87 km2。

圖1 小山火山地質遺跡自然保護區(qū)平面圖

1.2 地質概況

河北平原古生代早期是一片汪洋，中生代環(huán)太平洋運動使海興南部上升隆起為埕寧隆起的一部分，北部至黃驊境內(nèi)形成黃驊坳陷的一角（圖2），隆起與拗陷之間發(fā)生斷裂，并伴有巖漿活動。第四紀初，巖漿活動由弱漸強，中更新世晚期火山噴發(fā)，基性火山巖沿構造薄弱地段緩慢噴出地表，火山噴發(fā)的巖漿、巖屑在地表形成方圓10 km 左右的盾形火山穹丘，隨地殼下沉，穹丘周圍被河流沖洪積物、湖積、海積物碎屑覆蓋，山丘頂部遭受剝蝕，形成現(xiàn)代的小山及山前洼地。

河北平原存在5 期火山活動（邵時雄等，1983；胡云壯等，2014；裴軍令等，2015）（表1），火山巖呈現(xiàn)多層不連續(xù)分布，除新近系為安山凝灰角礫巖外，第四系全為基性火山巖，以基性粗凝灰?guī)r、巖屑-晶屑-玻璃凝灰?guī)r和層凝灰角礫巖為主，還有少數(shù)橄欖玄武巖、杏仁狀橄欖玄武巖。在火山巖附近還可見到混入20%以下火山碎屑的凝灰質沉積物。上更新世末噴發(fā)沉積層凝灰?guī)r和層角礫凝灰?guī)r在小山一帶露出地表，其它各層火山巖均見于鉆孔之中。

圖2 渤海灣西岸地質構造單元劃分圖（據(jù)裴軍令等，2015）

表1 河北平原第四紀火山活動分期表

2 區(qū)域地球物理特征

2.1 物性參數(shù)特征

小山一帶第四系及植被發(fā)育，火山碎屑巖露頭不佳，部分鉆孔資料揭露下部為玄武巖，中部見變質巖片麻巖和淺粒巖。

從收集的物性參數(shù)（表2）可以看出，玄武巖磁性遠大于變質巖，是本區(qū)主要磁性巖石。片麻巖和淺粒巖磁化率相近，均屬中等磁性，變異系數(shù)也接近，說明這兩類巖石磁化率不均勻性也無顯著差異；二者的剩余磁化強度則差異較大，片麻巖屬于強磁性，且剩磁大于感磁，Q值高達3.81；而淺粒巖由于暗色礦物含量較少，剩磁相應較小，為中等磁性，且以感磁為主，Q值小于1。密度上看，片麻巖和淺粒巖基本沒有差別。

2.2 區(qū)域重力異常特征

在區(qū)域布格重力異常圖（圖3）上，26×10-5m/s2等值線圈閉呈不規(guī)則的橢圓狀，長軸近東西向，長35 km，寬20 km，極大值30×10-5m/s2。異常中心在海興縣城至香坊之間，絕大部分在河北省境內(nèi)。布格重力異常的西部和南部均為等值線密集的梯度帶，表明這2 個方向上均有斷裂存在，西部和南部基底巖層相對下陷。

表2 物性參數(shù)統(tǒng)計表

圖3 海興縣區(qū)域布格重力異常圖

3 工作方法及部署

3.1 工作方法

使用加拿大產(chǎn)CG-5 型全自動陸地重力儀，該儀器測量時自動進行漂移改正、傾斜改正、地震濾波和溫度補償，分辨率0.001 mGal，精度0.005 mGal。

工作前，對儀器進行了漂移系數(shù)、偏移量、靈敏度調整。在北京靈山國家格值標定場做了格值標定，經(jīng)過標定，本次工作所用儀器讀格差平均值為105.254×10-5m/s2，格值K為0.999556，相對均方誤差ε為±0.0000278×10-8m/s2，格值相對變化為1/2209。

在平穩(wěn)、無振動、無風的場地進行了靜態(tài)試驗，算得掉格為-41.4332×10-8m/s2，掉格率為1.71811×10-8m/s2/h。

表3 布格重力異?？偩燃罢`差分配表

在駐地附近穩(wěn)固無振動干擾的地方進行了動態(tài)試驗，試驗點兩點間高差9 m，重力差值2.35×10-5m/s2。計算觀測均方誤差為0.007×10-5m/s2，遠小于本次工作測點重力觀測均方誤差的1/2（表3）。

采用單臺儀器單程觀測法進行測點觀測，首先在基點上進行觀測，基點讀數(shù)之差小于0.005 格；然后進行測點觀測，每個測點讀二次數(shù)，兩次讀數(shù)之間差值小于0.010 格，最后閉合于基點。

閉合時間的長短根據(jù)儀器性能確定，一般不超過10 h。

每個閉合段的零點位移值，均小于（n為閉合時間）。

3.2 工作部署

根據(jù)本區(qū)布格重力異常特征及火山遺跡展布情況，布置重力測量剖面3 條。其中，ZG1 線方向130°，長度9 km；ZG2 線方向0°，長度5 km；ZG3 線方向46°，長度5.5 km（圖4）。

圖4 小山地區(qū)重力測量實際材料圖

4 地質解釋

4.1 ZG1 線地質解釋

ZG1 線方向130°，布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大（圖5），說明基底沿著測線方向逐漸隆起，在北西部埋深較深，在南東部埋深較淺。在距離約5800 m 附近布格重力異常局部凸起，推斷基底在此隆起，可能為火山通道。

剩余布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大，說明在北西部蓋層厚度較小，自北西向南東（0～5000 m）蓋層厚度逐漸變厚，在5000 m（ZG1-101 號點）處蓋層厚度最厚，然后，自北西向南東（5000～9000 m）蓋層厚度逐漸變薄。在距離約5800 m 附近剩余布格布格重力異常局部凸起，推斷為基底隆起，蓋層厚度較薄，可能為火山通道。

ZG1 線垂向一階導數(shù)與垂向二階導形態(tài)較為相似，可以看出在剖面5000 m 處存在1 條斷裂。在斷裂北西側，導數(shù)變化相對較小，說明地層較為平緩，而在斷裂南東側導數(shù)變化相對較大，說明地層起伏變化較大。

4.2 ZG2 線地質解釋

ZG2 線方向0°，布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小，說明基底向北傾斜，在南部埋深較淺，在北部埋深較深。在距離約1700 m 附近布格重力異常局部凸起，推斷為基底隆起，可能為火山通道（圖6）。

剩余布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小然后又變大，反映南部蓋層厚度較小，自南向北（0～2500 m）蓋層逐漸變厚，在2700 m 處最厚，繼續(xù)向北蓋層又逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格重力異常局部凸起，蓋層厚度較薄，可能為火山通道。

圖5 ZG1 線布格重力異常曲線圖

ZG2 線垂向一階導數(shù)與垂向二階導形態(tài)較為相似，可以看出在2000 m 處存在1 條斷裂。斷裂南側導數(shù)變化較大，說明地層起伏變化較大，而北側導數(shù)變化相對較小，說明地層較為平緩。

4.3 ZG3 線地質解釋

ZG3 線方向46°，布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小（圖6），說明基底向北東傾斜，南西部埋深較淺，北部埋深較深。在距離約2000 m 附近布格重力異常局部凹陷，可能為火山通道，巖石較為破碎。

剩余布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小然后又變大，說明在南部蓋層厚度較小，自南東向北西（0～3500 m）蓋層厚度逐漸變厚，在3500 m 處蓋層厚度最厚，然后，南東向北西（3500～5000 m）蓋層厚度逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格布格重力異常局部凹陷，可能為火山通道，巖石較為破碎。

ZG3 線垂向一階導數(shù)與垂向二階導形態(tài)較為相似，可以看出在剖面1500 m 處存在1 條斷裂。斷裂西南側導數(shù)變化相對較小，說明地層相對傾斜，起伏變化不大，地層較為平緩。而斷裂北東側導數(shù)變化相對較大，說明地層起伏變化較大。

圖6 ZG2 線、ZG3 線布格重力異常曲線圖

4.4 綜合解釋

通過人機聯(lián)合二維反演（圖7）發(fā)現(xiàn)，布格重力異常對小山地區(qū)的基底和蓋層的空間分布具有一定反映，整體來說，北部基底埋深較深，南部埋深較淺，在北部地層較為平緩，在南部特別是推斷火山口附近地層起伏變化較大?；鹕娇诟浇茁∑穑捎趲r石較為破碎，致使其密度較小。通過重力剖面垂向一階導數(shù)與垂向二階導數(shù)推斷的3 條斷裂，恰好為圍陷火山口的斷裂（圖8）。

5 結論

借助于火山巖與圍巖的物性差異，物探方法可以在火山地質遺跡保護區(qū)規(guī)劃工作中起到一定的科學指導作用，使保護區(qū)的設置更為合理。

通過在小山火山地質遺跡保護區(qū)開展重力剖面測量，大致掌握了小山地區(qū)布格重力異常特征：小山地區(qū)布格重力表現(xiàn)為南、南東高，北、北西低，反映了上部蓋層南、南東淺，北、北西深的地質特征。大致圈定的火山通道位置，可以為后續(xù)保護區(qū)規(guī)劃提供依據(jù)。

注釋

①河北省地礦局第四水文工程地質大隊.2003.滄州市地質災害調查與區(qū)劃報告.

② 河北省地質調查院.2005.滄州渤海新區(qū)地質環(huán)境保障與調查評價專題報告.

③中國地質環(huán)境監(jiān)測院.2006.華北平原地下水動態(tài)調查評價（1 ∶50 萬）.

圖7 人機聯(lián)合二維反演剖面

圖8 小山地區(qū)綜合推斷解釋圖

④ 河北省地質環(huán)境監(jiān)測總站.2007.河北平原地面沉降調查與監(jiān)測報告，（1 ∶25 萬）.

⑤ 河北省地礦局第四水文工程地質大隊.2007.河北省海興縣城區(qū)地熱資源調查評價報告（1 ∶5 萬）.

⑥ 河北省地球物理勘查院.2008.河北省海興縣航磁異常區(qū)地面磁測普查報告.

⑦ 河北省地礦局第三水文工程地質大隊.2008.河北省淺層地溫能調查評價與開發(fā)區(qū)劃報告（1 ∶50 萬）.

⑧ 河北省地礦局第三水文工程地質大隊.2011.河北省地熱資源特征與開發(fā)利用（1 ∶50 萬）.

⑨ 中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心.2015.華北平原地裂縫調查與防治研究成果報告.