北秦嶺華陽川地區(qū)重磁三維反演及巖漿巖特征研究

郭培虹，馮治漢，王萬銀，唐小平，劉生榮

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局 造山帶地質(zhì)研究中心，陜西 西安 710054； 3.長安大學(xué) 重磁方法技術(shù)研究所,陜西 西安 710054; 4.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,陜西 西安 710054)

0 引言

北秦嶺地區(qū)位于華北板塊與秦嶺造山帶接觸部位，是秦嶺造山帶北部邊緣重要的組成部分。該區(qū)巖漿作用強(qiáng)烈，巖體分布廣泛，如老牛山雜巖體、華山巖體、華陽川碳酸巖體及金堆城花崗斑巖體等。前人認(rèn)為區(qū)內(nèi)中生代的中酸性花崗巖與成礦關(guān)系最為密切，諸如有學(xué)者指出新發(fā)現(xiàn)的華陽川鈾多金屬礦床屬于與偉晶巖和碳酸巖有關(guān)的鈾—鈮—鉛—稀土礦床[1]，金堆城鉬礦和黃龍鋪鉬礦床的成因均與堿性花崗斑巖有關(guān)[2-5]。研究區(qū)內(nèi)巖漿巖的深部空間分布特征，可以彌補(bǔ)地表地質(zhì)填圖的不足，同時(shí)對深部找礦具有重要指示意義。

重磁數(shù)據(jù)的三維反演技術(shù)目前已基本成熟，并在實(shí)際勘探中獲得應(yīng)用。Williams[6]通過理論模型說明含地質(zhì)約束重磁三維反演的有效性和可行性，并在澳大利亞西部Perseverance鎳礦床勘探中取得良好應(yīng)用效果；Boszczuk等[7]利用巖石密度和地質(zhì)信息建立初始反演約束模型進(jìn)行重力三維反演，在多個(gè)VMS礦床勘探中取得良好應(yīng)用效果；蘭學(xué)毅等[8]、向杰等[9]在安徽銅陵礦集區(qū)開展了基于先驗(yàn)信息約束的重磁三維交互反演建模技術(shù)；祁光等[10]、羅凡等[11]在安徽泥河鐵礦和廬縱礦集區(qū)開展先驗(yàn)地質(zhì)信息約束的重磁三維反演，全面分析了礦體、地層與次火山巖之間的空間分布及對應(yīng)關(guān)系；嚴(yán)加永等[12-13]以安徽廬樅礦集區(qū)為例開展利用地質(zhì)約束條件下的重磁三維反演結(jié)果開展三維巖性填圖。胡斌等[14]在青藏高原岡底斯帶及鄰區(qū)開展了三維反演，綜合分析三維密度和磁化率結(jié)果模型，對巖漿巖做了進(jìn)一步區(qū)分。綜上所述，在重磁三維反演應(yīng)用中，影響因素眾多，為降低重磁數(shù)據(jù)三維反演多解性、提高分辨率，通常加入巖石物性、地質(zhì)和其他地球物理資料作為約束條件，在地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究、深部找礦和地質(zhì)填圖等領(lǐng)域可以取得良好的應(yīng)用效果。

近年來，北秦嶺華陽川地區(qū)完成了1∶5萬地面重力、航空重力和航磁勘探調(diào)查，1∶10萬地面重力勘探調(diào)查及數(shù)條電法剖面勘探，為區(qū)域內(nèi)三維重磁模型的建立和反演提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文采用綜合地球物理方法建立了華陽川地區(qū)地表面積約792 km2(33 km×24 km)，地下4 km深度的三維地質(zhì)—地球物理模型，給出深部地質(zhì)體的幾何形態(tài)、深度范圍和物性分布等特征。對三維地質(zhì)模型進(jìn)行了地質(zhì)解釋，全面分析了巖體、地層之間的空間分布及關(guān)系。三維反演結(jié)果顯示的淺部特征與地表地質(zhì)填圖結(jié)果基本吻合，且反映了深部老牛山巖體、華山巖體和華陽川韌性剪切帶的三維形態(tài)和空間分布，結(jié)合地質(zhì)資料，初步認(rèn)識(shí)了華陽川韌性剪切帶的形成過程。

1 地質(zhì)背景

北秦嶺華陽川地區(qū)位于陜西省渭南市華縣、華陰市和商州市洛南縣交界地帶，地處北秦嶺東段的小秦嶺西部，隸屬華北陸塊南緣的太華斷隆[1-5](圖1)。區(qū)內(nèi)地層出露主要為太古宇太華巖群，該地層因被不同時(shí)期侵入巖侵吞，呈規(guī)模不等、形態(tài)各異的殘?bào)w或包體。巖性為混合巖化黑云(角閃)斜長片麻巖、黑云鈉長片麻巖、混合片麻巖等。區(qū)內(nèi)出露花崗巖以燕山期中—酸性花崗巖體為主，主要分布在華陽川斷裂帶附近。巖體規(guī)模有大有小，大的多為巖基，巖石類型以(黑云母)二長花崗巖為主；小的淺成侵入斑巖體為主，并且多圍繞巖基周緣分布產(chǎn)出，巖性以閃長玢巖、二長花崗斑巖、花崗斑巖以及斜長花崗斑巖等為主，巖基和小巖體屬同源不同深度侵位的產(chǎn)物。典型的巖基、大巖體如華山二長花崗巖(146Ma+)[3]、老牛山二長花崗巖(144.5Ma+)等，代表性的小巖體如金堆城花崗斑巖(143.7Ma+)等[4-5]。

圖1 陜西華陽川地區(qū)地質(zhì)背景及物探剖面位置示意Fig.1 Geological background map and geophysical profile location diagram of Huayangchuan Area, Shaanxi Province

2 重磁數(shù)據(jù)處理及物性統(tǒng)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)來源及重磁數(shù)據(jù)處理

2.1.1 重力數(shù)據(jù)

2010～2011年陜西省地礦局第二綜合物探大隊(duì)在本區(qū)開展了1∶10萬重力測量，2017～2018年中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心完成了工區(qū)部分1∶5萬地面和航空重力測量，以上數(shù)據(jù)構(gòu)成了本次建模的重力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

以地面重力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，在同一位置反映相同地質(zhì)體的航空重力和地面重力數(shù)據(jù)中，選取均勻分布的控制點(diǎn)，通過多元回歸分析法，建立航空重力和地面重力的轉(zhuǎn)換關(guān)系；以地面重力數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將航空重力數(shù)據(jù)換算到地面，并利用地面1∶10萬數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)空和擴(kuò)邊，得到本文所需的重力數(shù)據(jù)。根據(jù)本次4 km深度建模的目的，將數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，網(wǎng)格間距為100 m，采用滑動(dòng)平均濾波、趨勢分析法、垂向二階導(dǎo)數(shù)法和解析延拓法對華陽川地區(qū)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了區(qū)域場與剩余場分離，經(jīng)與地表地質(zhì)對比，認(rèn)為解析延拓方法(上延2 km)求取的剩余重力異常滿足后續(xù)反演計(jì)算的要求(圖2a)。

2.1.2 磁測數(shù)據(jù)

本次采用的磁測數(shù)據(jù)為2016年中國自然資源航空物探遙感中心在華陽川礦床及其外圍完成的 1∶1萬高精度航空磁測數(shù)據(jù)。利用Geosoft Oasismontaj地球物理軟件進(jìn)行中高緯度的化磁極處理，其中輸入的地磁傾角為52.46°，地磁偏角為-3.37°，并將化極異常作為三維反演的輸入數(shù)據(jù)(圖2b)。

圖2 研究區(qū)重(a)、磁(b)異常Fig.2 Gravity(a) and magnetic(b) anomaly map in the study area

2.1.3 電法數(shù)據(jù)

2018～2019年中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心在本區(qū)實(shí)施完成了大地電磁、廣域大地電磁、AMT、短偏移距瞬變電磁、頻譜激電5種電法手段，共16條，其剖面位置見圖1。電磁法剖面同已知的地質(zhì)圖、鉆孔、實(shí)測地質(zhì)剖面信息作為初始模型，加入到三維反演模型中，對三維反演計(jì)算進(jìn)行約束和控制。

2.2 物性特征

物性是連接地球物理與地質(zhì)的紐帶和橋梁，筆者對工區(qū)1137塊物性標(biāo)本的密度、磁化率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)2.5維和三維反演計(jì)算提供依據(jù)。物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1和圖3。

表1 地層、巖體密度及磁化率

華陽區(qū)地區(qū)巖(礦)石物性具有以下特征：

1) 華山巖體和老牛山巖體具有低密度、較高磁性的特征；

2) 長城系老地層為低密度無磁或弱磁性，另熊耳群洛源組的細(xì)碧巖、細(xì)碧玢巖為高密度(2.85 g/cm3)高磁特征；

3) 太華巖群片麻巖巖套為中等密度、中等磁性特征，其中翁岔鋪片麻巖套的密度低于大月坪片麻巖，磁性比大月坪片麻巖略強(qiáng)；

4) 燕山期侵入巖體(ηγKX、ηγKH、ηγKY、ηγKC、ηγKD、ηγKS)密度和磁化率呈正相關(guān)性(圖3黑色虛線)，分析其巖性可知，巖性均為含斑黑云二長花崗巖，但ηγKS為細(xì)粒含斑黑云二長花崗巖，而其他為中粒或中—細(xì)粒含斑黑云二長花崗巖，說明同一巖性的巖體，其粒度小且致密，其密度相對較大，磁化率相對較高。

圖3 研究區(qū)巖體、地層密度及磁化率散點(diǎn)分布Fig.3 Dispersion distribution of rock mass, formation density and susceptibility in the study area

5) 太古宇片麻巖套(Ar2Dgg、Ar2Mgn、Ar2Hgn、Ar2Wgn)的密度和磁化率呈負(fù)相關(guān)性。大月坪片麻巖的巖性為花崗片麻巖，其巖性單一，主要礦物為弱磁特性，隨之巖石經(jīng)過不同程度的變質(zhì)、分化剝蝕，變?yōu)楹谠菩遍L片麻巖、角閃斜長片麻巖和黑云斜長角閃斜長片麻巖等，巖石中的磁性礦物(黑云母、綠泥石、綠簾石等)含量逐漸增加，致使其巖石磁化率逐漸增加，而巖石的緊密性也因多種礦物的充填而產(chǎn)生了微小的空隙，使的密度值變小。

研究區(qū)巖體、地層及礦石具有明顯的物性差異，利用重磁異?？奢^好地劃分各巖性單元的空間展布，為下一步三維地球物理—地質(zhì)模型提供了地球物理前提。

3 重磁三維反演技術(shù)流程

集成已有地質(zhì)、鉆孔、巖性和地球物理資料，尤其是充分利用多種地球物理數(shù)據(jù)，包括航空、地面、測井等資料，通過數(shù)據(jù)融合、多方法組合等，建立工區(qū)三維地質(zhì)—地球物理模型，實(shí)現(xiàn)對工作區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)的刻畫。具體反演流程如圖4所示。

圖4 三維地質(zhì)建模技術(shù)路線Fig.4 3D geological modeling technology route

3.1 初始模型的建立

主要包括對地表巖性單元或地質(zhì)單元進(jìn)行簡化，鉆孔數(shù)據(jù)、巖石物性測量，巖性與物性對應(yīng)關(guān)系分析，利用回歸分析法對不同尺度、空間的地球物理數(shù)據(jù)融合處理，對電磁剖面的推斷解釋，并將多元數(shù)據(jù)信息作為三維反演的初始模型，其中鉆孔信息和電法剖面提供深部主要地層單位的邊界深度，一般在重磁反演中作為重要的約束，保持不變。

3.2 2.5D地質(zhì)—地球物理模型構(gòu)建

本次剖面反演利用了剩余布格重力異常和化極磁異常的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)距100 m，線距1 km的剖面數(shù)據(jù)提取，研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和重磁異常多為NWW、NE向或近EW向，所以二維剖面方向取為SN向，共建立了34條人機(jī)交互反演剖面，從西往東線號(hào)依次為L3853、L3903、L3913、L3923、……、L4233、L4283，其中L3853和L4283為外擴(kuò)剖面。

使用澳大利亞Tensor Research公司開發(fā)的Model vision軟件對研究區(qū)34條剖面進(jìn)行反演擬合計(jì)算，模型EW向延伸500 m，背景密度設(shè)置為2.67 g/cm3,背景磁化率為0 SI，反演深度為地下4 km，為了消除模型的邊界影響，將模型體向東西南北向各延長了10 km，獲得了該區(qū)2.5維的地質(zhì)反演結(jié)果。圖5展示了通過華陽川韌性剪切帶L4083剖面的曲線擬合結(jié)果及地質(zhì)解釋。

圖5 L4083剖面2.5D反演解釋結(jié)果Fig.5 2.5D inversion interpretation result of the section L4083

本步驟實(shí)質(zhì)為將地球物理異常轉(zhuǎn)化為地質(zhì)信息的過程，其推斷和解釋的地質(zhì)剖面是否合理至關(guān)重要，因?yàn)樵摬降慕Y(jié)果將作為后面三維地質(zhì)建模的初始模型，將影響整個(gè)三維地質(zhì)模型的結(jié)果。

3.3 重磁三維反演

把擬合的34條2.5維地質(zhì)—地球物理剖面作為初始模型，利用Intrepid Geophysics公司的GeoModeller，采用“基于規(guī)則建?！钡脑瓌t，遵循地層層序關(guān)系，進(jìn)行綜合三維地質(zhì)—地球物理模型建模計(jì)算，并結(jié)合已知的地質(zhì)圖、鉆孔及地質(zhì)柱狀圖等信息對模型進(jìn)行反復(fù)修改，再進(jìn)行三維反演計(jì)算，直至得出與地質(zhì)規(guī)律相符合的三維模型為止。在整個(gè)模擬過程中，物性與巖性的對應(yīng)關(guān)系保持不變。

通過本次區(qū)域三維反演，可以提取區(qū)域內(nèi)地層、構(gòu)造、巖體的三維空間分布和深部地層、巖體之間接觸關(guān)系，同時(shí)可提供深部成礦信息，結(jié)合成礦模型開展深部成礦預(yù)測。針對礦區(qū)三維建模，可以全面分析控礦地層、礦體和巖體的空間關(guān)系等，尤其是華陽川鈾礦區(qū)的含礦地層和周邊巖體的接觸關(guān)系。

4 三維地質(zhì)—地球物理模型解釋

三維地質(zhì)模型反映了豐富的地質(zhì)信息，通過對三維地質(zhì)模型的分析，可為區(qū)域構(gòu)造、巖體分布、控礦構(gòu)造華陽川剪切帶的空間分布提供了豐富的信息。

4.1 區(qū)域地層、巖體的空間分布特征

通過三維地質(zhì)模型(圖6)可知研究區(qū)三維地層、巖體分布情況：在研究區(qū)的東南部地層從寒武系、震旦系、薊縣系、長城系到太古宇的太華巖群均出露完整，且形成向斜構(gòu)造，向斜構(gòu)造的軸部位于研究區(qū)的西南角，走向?yàn)镋W向；研究區(qū)的西南部出露古元古界鐵洞溝組。研究區(qū)的西北和東北部基本為巖體和太華群的片麻巖套覆蓋。以華陽川韌性剪切帶為界，界線的西南地區(qū)廣泛分布老牛山復(fù)式巖體(包括侏羅系和白堊系巖體)，巖體規(guī)模巨大，埋深較深，在本次反演的地下4 000 m處為見巖體根部。界線以北，分布華山巖體(包括蔥峪巖體、大夫峪巖體、翁峪巖體、西峰巖體和杜峰巖體)，根據(jù)三維反演結(jié)果顯示，華山巖體在研究區(qū)內(nèi)的規(guī)模較大，但埋深較淺。在麻地溝一帶出露小河巖體(ηγPt2G)，規(guī)模和埋深均較小。研究區(qū)巖體與地層之間主要為斷層接觸和侵入接觸，復(fù)式巖體內(nèi)不同巖性單元之間呈涌動(dòng)型侵入接觸關(guān)系。

圖6 研究區(qū)三維地質(zhì)模型示意(圖例同圖1)Fig.6 Diagram of three-dimensional geological model in the study area(the legend is the same as Fig.1)

4.2 華山巖體、老牛山巖體與華陽川韌性剪切帶三維形態(tài)與分布特征

在整個(gè)工區(qū)建立的三維地質(zhì)—地球物理模型的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步精細(xì)刻畫華陽川鈾礦礦區(qū)及外圍的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用剩余重力異常進(jìn)行三維密度反演(圖7)。反演結(jié)果直觀地展示出華山巖體、老牛山巖體和華陽川韌性剪切帶的三維形態(tài)和分布。為驗(yàn)證本次三維反演的結(jié)果，并分析華山巖體、老牛山巖體和華陽川韌性剪切帶的深部接觸關(guān)系，截取了橫跨華陽川鈾礦區(qū)、老牛山巖體和華山巖體的Z2剖面，通過對比反演密度剖面和已有電阻率剖面，發(fā)現(xiàn)兩者具有很好的對應(yīng)關(guān)系(圖8)，說明本次三維反演的結(jié)果可靠且符合地質(zhì)規(guī)律。通過圖7、圖8可知：

圖7 華山巖體、老牛山巖體和華陽川韌性剪切帶的空間分布Fig.7 Spatial distribution of Huashan rock mass, Laoniushan rock mass and Huayangchuan ductile shear zone

圖8 華山巖體、老牛山巖體與太華巖群深部接觸關(guān)系Fig.8 Deep contact relationship between Huashan rock mass, Laoniushan rock mass and Taihua rock group

1) 老牛山巖體和華山巖體在深部空間上并不聯(lián)通，結(jié)合同位素年齡[15-19]，華山巖體侵入早與老牛山巖體,兩者可能并不同源。華山巖體下覆地層為太華巖群，認(rèn)為華山巖體源區(qū)為太華巖群。

2) 華陽川韌性剪切帶大致呈“漏斗形”,NW走向，EW向長6 km，SN寬為0～200 m不等；在深部2 km時(shí)，寬度變窄至40～50 m。剪切帶的密度隨著深度變化逐漸變大，到深部2.5 km處接近太華巖群密度。且2018年實(shí)施的廣域電磁剖面結(jié)果，佐證了本次推斷華陽川韌性剪切帶的形狀及規(guī)模。

3) 結(jié)合同位素年齡，華陽川韌性剪切帶形成于400 Ma，而華山巖體、老牛山巖體大約在140 Ma侵入就位，演化過程中，韌性剪切帶受巖體侵位時(shí)擠壓而變形；在中—新生代以來，由于華山巖體、老牛山巖體發(fā)育節(jié)理及脆性斷層，早期韌性剪切帶由疊加脆性變形再次被活化。

5 結(jié)論

本文嘗試在地形地質(zhì)“雙復(fù)雜”地區(qū)開展了區(qū)域和礦區(qū)兩個(gè)尺度的三維反演與建模工作。集成航空、地面和測井等不同來源、不同屬性、不同維度的數(shù)據(jù)資料，通過多方法數(shù)據(jù)整合處理、多元數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、聯(lián)合反演等工作，構(gòu)建了工作區(qū)三維地質(zhì)—地球物理模型，獲取了華陽川地區(qū)深部礦體、地層、構(gòu)造、巖體的空間結(jié)構(gòu)與分布特征，為華陽川鈾礦區(qū)勘探開發(fā)與深、邊部找礦提供地球物理依據(jù)。

1) 從區(qū)域重磁三維反演結(jié)果可知：研究區(qū)內(nèi)地層、巖體等的深部的形態(tài)和空間分布規(guī)律，有助于地質(zhì)人員快速了解和掌握區(qū)內(nèi)的地質(zhì)背景。

2) 由華陽川礦區(qū)及外圍三維密度反演結(jié)果可獲取華山巖體、老牛山巖體和華陽川韌性剪切帶的三維形態(tài)和分布特征。結(jié)合地質(zhì)資料，初步推斷解釋了華陽川韌性剪切帶的形成過程，及與華山巖體、老牛山巖體的接觸關(guān)系。并利用野外最新的廣域電磁剖面佐證了本次三維反演的結(jié)果。