河北小山火山的地磁場(chǎng)分布特征及其地質(zhì)意義

李兆令

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

0 引 言

河北海興小山火山是中國(guó)東部濱海平原僅有的兩個(gè)晚第四紀(jì)火山遺跡之一，它與山東濱州的大山是姐妹山，記錄了距今248萬(wàn)年第四紀(jì)以來(lái)一直活動(dòng)的火山地質(zhì)遺跡，地質(zhì)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(lái)依然有活動(dòng)，對(duì)區(qū)域古氣候演化及地殼穩(wěn)定性皆有重要的影響，是渤海西岸地殼活動(dòng)最直接的證據(jù)，因而成為具有重大科學(xué)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值的地質(zhì)遺跡區(qū)，受到地學(xué)界的極大關(guān)注[1-3]。為加強(qiáng)火山地質(zhì)遺跡的保護(hù)，準(zhǔn)確劃分有科學(xué)研究?jī)r(jià)值的基礎(chǔ)類(lèi)地質(zhì)遺跡點(diǎn)，2019年末對(duì)小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)開(kāi)展了高精度磁測(cè)工作，通過(guò)研究地磁場(chǎng)分布特征，來(lái)圈定火山巖分布范圍，尋找隱伏斷裂，為下一步地質(zhì)遺跡開(kāi)發(fā)利用及保護(hù)工作提供地球物理依據(jù)。

1 地質(zhì)及地球物理特征

1.1 地質(zhì)特征

海興地區(qū)位于中生代隆起，新生代持續(xù)下降所形成復(fù)合型斷陷盆地的邊緣。由于古地殼的隆起，基底較高，沉積層厚度比鄰區(qū)小，主要為松散的陸相沉積，上部間有海相沉積。小山附近因受火山活動(dòng)影響，沉積層中心較薄，四周漸厚。

區(qū)內(nèi)廣泛覆蓋第四系。小山一帶主要為巖屑凝灰?guī)r、凝灰角礫巖及火山灰，厚度不一，0.1～10 m，最厚達(dá)30 m。層底埋深250～420 m。基底為太古宙變質(zhì)巖隆起。

小山一帶在區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐稚?，位于埕寧斷凸上，其北西方向的羊二莊斷裂(走向NE)成為與黃驊斷凹的分界線(xiàn)，南東方向的車(chē)北斷裂為與濟(jì)陽(yáng)斷凹的分界線(xiàn)，從而形成了簡(jiǎn)明清晰的地質(zhì)構(gòu)造格架。

在滄州以東地區(qū)，火山巖在新近系、第四系中呈現(xiàn)多層不連續(xù)分布。其巖性除新近系為安山凝灰角礫巖外，第四紀(jì)火山全部為基性火山巖，有少數(shù)玄武巖，多數(shù)為凝灰?guī)r(基性粗凝灰?guī)r、巖屑-晶屑-玻璃凝灰?guī)r)和層凝灰?guī)r(層凝灰角礫巖)[4-5]。在火山巖附近還可見(jiàn)混入20%以下火山碎屑的凝灰質(zhì)沉積物。火山巖集中分布在5個(gè)區(qū)域，其中海興小山有上更新世末噴發(fā)的沉積層凝灰?guī)r和層角礫凝灰?guī)r出露地表，其它各層火山巖均見(jiàn)于鉆孔之中。各區(qū)火山巖層位比較穩(wěn)定，分布于第四系的有4期，但大部分地區(qū)被第四系松散物覆蓋或以?shī)A層存在。

1.2 地球物理特征

1.2.1 區(qū)域航磁特征

據(jù)焦海燕[6]以往研究工作顯示，海興地區(qū)航磁異常(圖1)規(guī)模較大，分布在河北省海興縣與山東省無(wú)棣縣之間，在海興東南方向。異?？煞譃榈途彺艌?chǎng)區(qū)和高磁場(chǎng)區(qū)兩部分，其中低緩磁場(chǎng)區(qū)呈NE走向，ΔT大部分在300 nT以下；高磁場(chǎng)區(qū)ΔT大部分在300 nT以上，最大值達(dá)1 200 nT，是冀東平原地區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大的航磁異常。以二分之一極大值即600 nT等值線(xiàn)圈閉的異常主體呈條帶狀展布，走向NWW，長(zhǎng)約35 km，最大寬度約15 km。海興航磁異常主體部分在山東省無(wú)棣縣境內(nèi)，異常最大值在西北部，位于海興縣境內(nèi)。將海興航磁異?；瘶O向上延拓5 km，異常極大值變?yōu)?00 nT；向上延拓10 km，異常極大值變?yōu)?20 nT，異常強(qiáng)度依然很大。上延10 km后異常中心與原平面化極圖對(duì)比向東北方位移約7 km，由此可見(jiàn)磁性體規(guī)模很大、埋藏很深。

圖1 海興航磁ΔT等值線(xiàn)平面圖(單位：nT)Fig.1 Aeromagnetic ΔT contour map of the Haixing area (unit:nT)

1.2.2 巖礦石物性參數(shù)

保護(hù)區(qū)大部分被第四系覆蓋，只在小山附近有少量火山碎屑巖出露。根據(jù)搜集的鉆孔資料，本區(qū)以火山碎屑巖為主，局部見(jiàn)變質(zhì)巖(片麻巖、淺粒巖)，部分鉆孔資料顯示下部為玄武巖。綜合巖石露頭測(cè)定結(jié)果和收集的資料得到保護(hù)區(qū)各巖性物性參數(shù)如表1所示。由表1分析可知：本區(qū)巖石主要分為三類(lèi)，一是以凝灰角礫巖、凝灰?guī)r為代表的火山碎屑巖等弱磁性巖石，該類(lèi)巖石磁化率基本在500×10-6×4π SI以下，磁性較弱，此類(lèi)巖石廣泛分布的區(qū)域一般無(wú)異常存在或磁場(chǎng)值較低。二是以片麻巖和淺粒巖為代表的變質(zhì)巖類(lèi)，該類(lèi)巖石磁化率大部分在2 000×10-6×4π SI左右，屬中等磁性，片麻巖和淺粒巖磁化率相近，變異系數(shù)也相差無(wú)幾，不同的是片麻巖剩余磁性大于感應(yīng)磁性，二者之比為3.81，有較大差異。對(duì)于暗色礦物含量較少的淺粒巖來(lái)說(shuō)，剩余磁性小于感應(yīng)磁性，二者之比小于1[6]。這類(lèi)巖石一般對(duì)應(yīng)中高值正磁異?；蛏缘陀?值的負(fù)異常。三是以玄武巖為代表的強(qiáng)磁性巖石，該類(lèi)巖石磁化率在7 000×10-6×4π SI以上，剩余磁化強(qiáng)度在10 000×10-3A/m以上，磁性較強(qiáng)。由于該類(lèi)巖石感應(yīng)磁性和剩余磁性均較強(qiáng)，故該類(lèi)巖石分布區(qū)磁場(chǎng)差異較大，一般表現(xiàn)為強(qiáng)度較大的正異常，當(dāng)剩余磁性與感應(yīng)磁性方向相反且強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，二者互相抵消，表現(xiàn)為低緩磁場(chǎng)特征。

表1 巖礦石物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Comparison of rock physical properties and parameters

綜上所述可知，保護(hù)區(qū)內(nèi)巖礦石具有明顯的磁性差異，為高精度磁測(cè)的應(yīng)用提供了很好的地球物理基礎(chǔ)[7-9]。

2 地磁場(chǎng)分布特征研究

2.1 資料處理

將經(jīng)過(guò)各項(xiàng)改正并剔除了突變點(diǎn)的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化編輯，然后進(jìn)行圓滑濾波，得到小山地區(qū)ΔT等值線(xiàn)平面圖(圖2)。為了降低傾斜磁化和淺部不均勻磁性體對(duì)地磁異常造成的影響，使磁異常形態(tài)變得相對(duì)簡(jiǎn)單，便于異常分析和解釋?zhuān)瑢?duì)ΔT進(jìn)行了化極和上延處理，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 小山地區(qū)ΔT等值線(xiàn)平面圖Fig.2 ΔT contour map of the Xiaoshan area

圖3 小山地區(qū)ΔT化極及成果推斷圖Fig.3 Map showing reduction to the pole on ΔT and inferred results of the Xiaoshan area

圖4 小山地區(qū)ΔT化極上延等值線(xiàn)平面圖Fig.4 Upward continuation ΔT contour map of the Xiaoshan area

化極處理采用的地磁傾角和地磁偏角由工作區(qū)中心點(diǎn)處經(jīng)緯度坐標(biāo)算出，分別為56.97°和-6.86°。由于小山火山經(jīng)歷了布容地磁極性倒轉(zhuǎn)，剩余磁性的存在可能使磁性體的總磁化方向與感應(yīng)磁場(chǎng)方向存在某一夾角，為了提高化極精度，本次化極采用李金朋等[10]提出的基于歸一化磁源強(qiáng)度數(shù)據(jù)與磁場(chǎng)總場(chǎng)化極數(shù)據(jù)的磁化方向相關(guān)估算方法進(jìn)行處理。先利用多個(gè)等間隔的磁化方向?qū)倛?chǎng)進(jìn)行化極處理，然后根據(jù)化極結(jié)果計(jì)算歸一化磁源強(qiáng)度數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)，從而估算出有效磁化方向?；瘶O后磁場(chǎng)高值區(qū)整體向東發(fā)生偏移，正異常和負(fù)異常強(qiáng)度有所變大，除此之外，異常形態(tài)及整體特征并未發(fā)生變化。

小山地區(qū)ΔT化極上延等值線(xiàn)平面圖(上延高度分別為100 m、300 m、500 m和800 m)如圖4所示。從圖4可以看出，隨著上延高度的加大，磁場(chǎng)值整體越來(lái)越低，但相對(duì)異常更突出，異常邊界愈明顯，異常中心向東偏移。

2.2 地磁場(chǎng)特征解釋

小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)磁場(chǎng)值大部分在-200～200 nT之間，總體上呈現(xiàn)出低磁的特點(diǎn)，高磁區(qū)主要分布在保護(hù)區(qū)中部和東南角位置。自西向東依次出現(xiàn)三個(gè)高磁異常(M1、M2和M3，圖2)，ΔT最大達(dá)672.8 nT。磁場(chǎng)等值線(xiàn)分布規(guī)律性較好，自南向北呈現(xiàn)出低-高-低的分布特征，經(jīng)過(guò)化極和向上延拓處理后這種特征更加明顯。保護(hù)區(qū)這種中間高、兩邊低的磁場(chǎng)特征反映了區(qū)內(nèi)火山巖不同期次、不同階段的分布格局，以及斷陷盆地在火山活動(dòng)時(shí)期受區(qū)域構(gòu)造的影響。根據(jù)ΔT的分布特征，將保護(hù)區(qū)由南向北分為三個(gè)部分，分別編號(hào)為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)，各區(qū)特征如下。

2.2.1 Ⅰ區(qū)

Ⅰ區(qū)位于保護(hù)區(qū)西南部，F(xiàn)2斷裂以南，F(xiàn)4斷裂以西。本區(qū)主要表現(xiàn)為平穩(wěn)的低磁場(chǎng)值，數(shù)值較低，ΔT大部分都在60 nT以下，最低為-366.7 nT ，也是保護(hù)區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)最小值。該區(qū)無(wú)明顯高值異常存在。化極和上延以后該區(qū)的低磁特征更加明顯，且局部形成強(qiáng)度較大的負(fù)異常。

結(jié)合巖石物性資料分析，該區(qū)磁力線(xiàn)的分布特征反映了火山碎屑巖等的分布。區(qū)內(nèi)火山碎屑巖主要為凝灰角礫巖、凝灰?guī)r等，這些巖石雖具有磁性，但在小山火山巖系中屬于弱磁性，因而在平面圖上表現(xiàn)為低而平穩(wěn)的磁場(chǎng)特征。在周良志村北存在一強(qiáng)度較大的負(fù)異常，上延300 m后，異常消失(圖4)，可見(jiàn)引起該異常的磁性體埋藏相對(duì)較淺且磁性較強(qiáng)，推斷此處為深部的變質(zhì)巖基底局部變淺引起，片麻巖剩余磁場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度且方向相反，造成磁場(chǎng)反向在平面圖上形成明顯的負(fù)異常。

2.2.2 Ⅱ區(qū)

Ⅱ區(qū)位于Ⅰ區(qū)的北側(cè)及東側(cè)，F(xiàn)1斷裂以南。該區(qū)以正磁異常為主要表現(xiàn)特征，磁場(chǎng)值整體較高，ΔT大部分在100 nT以上，最大值達(dá)672.8 nT，也是保護(hù)區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)最大值。區(qū)內(nèi)磁力線(xiàn)稍顯凌亂。自西向東出現(xiàn)三個(gè)高值異常體，分別編號(hào)M1、M2和M3(圖2)。

M1異常位于保護(hù)區(qū)西部，異常形態(tài)不規(guī)則，主要由近東西向排列的兩個(gè)等軸承次級(jí)異常組成，異常極大值為366.7 nT。在ΔT等值線(xiàn)平面圖上，兩個(gè)次級(jí)異常規(guī)模相似，經(jīng)過(guò)化極和向上延拓以后，西側(cè)次級(jí)異常變小，東側(cè)次級(jí)異常變大，向上延拓300 m以后，異常只有一個(gè)，可見(jiàn)M1異常主體應(yīng)在東側(cè)(圖4)。

M2異常位于保護(hù)區(qū)中部，介于M1異常和小山之間，異常呈規(guī)則的橢圓狀，長(zhǎng)軸方向近東西向，其北側(cè)有負(fù)異常伴生，異常極大值為672.8 nT(圖2)；化極后異常強(qiáng)度變大，異常中心向東偏移(圖3)。以約二分之一極大值330 nT等值線(xiàn)圈定異常范圍，長(zhǎng)約1 000 m，平均寬約500 m。在化極和上延100 m等值線(xiàn)平面圖上，異常北翼等值線(xiàn)較南翼稍密集，上延300 m及以后，異常兩翼等值線(xiàn)疏密程度趨向一致，可見(jiàn)引起該異常的磁性體的產(chǎn)狀自上而下越來(lái)越陡(圖3、圖4)。

M3異常位于保護(hù)區(qū)東南角，已出保護(hù)區(qū)范圍，異常極大值為579.3 nT。以約二分之一極大值300 nT等值線(xiàn)圈定異常范圍，異常呈近似圓形，直徑約600 m?；瘶O以后，異常中心向東偏移(圖3)，異常形態(tài)變成近橢圓狀，長(zhǎng)軸方向近東西向，異常未封閉。異常兩翼等值線(xiàn)疏密程度相近，可見(jiàn)引起該異常的磁性體的產(chǎn)狀較陡。進(jìn)行上延處理以后，異常向東偏出保護(hù)區(qū)范圍，推斷深度磁性體主體偏東。

M1、M2、M3三個(gè)異常體雖然異常強(qiáng)度不一，但其形態(tài)和走向均比較相似，尤其是經(jīng)過(guò)上延300 m、500 m和800 m處理后，相似程度更大，推斷其性質(zhì)一致，均為古火山口的反映。該處巖性以含鐵玄武巖為主，由于其形成時(shí)代較晚，受破壞程度較小，因而剩余磁性較高，加之其本身基性程度較高，磁性較強(qiáng)，故而在平面上形成高磁異常。

2.2.3 Ⅲ區(qū)

Ⅲ區(qū)位于Ⅱ區(qū)北部，兩者由F1斷裂相隔。該區(qū)是三個(gè)分區(qū)里面積最大的一個(gè)，其磁場(chǎng)特征與Ⅰ區(qū)相似，主要表現(xiàn)為平穩(wěn)的低磁場(chǎng)值，ΔT大部分都在-60～60 nT之間，變化比較穩(wěn)定，該區(qū)無(wú)明顯高值異常存在?；瘶O和上延以后該區(qū)的低磁異常特征更加明顯。

結(jié)合巖石物性資料分析，該區(qū)磁力線(xiàn)的分布特征反映了火山碎屑巖等的分布。區(qū)內(nèi)火山碎屑巖主要為凝灰角礫巖、凝灰?guī)r等，這些巖石雖具有磁性，但在小山火山巖系中屬于弱磁性，因而在平面圖上表現(xiàn)為低而平穩(wěn)的磁場(chǎng)特征。

2.3 斷裂構(gòu)造的推斷

磁法推斷區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造主要遵循以下幾條原則：不同磁場(chǎng)區(qū)的分界線(xiàn)；線(xiàn)性磁力異常的梯度帶；串珠狀、線(xiàn)狀低磁異常帶的連線(xiàn)或具有一定走向的低磁異常帶；線(xiàn)性磁力異常轉(zhuǎn)折或?qū)挾韧蛔儙?；搜集到的其他地質(zhì)、物化探資料曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)或推斷的斷裂[11-15]。

綜合保護(hù)區(qū)磁場(chǎng)分布特征和地質(zhì)資料，共推斷出4條斷裂，分別編號(hào)為F1、F2、F3和F4，具體位置見(jiàn)圖3。

F1斷裂：F1斷裂位于Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)之間，基本可以作為兩區(qū)的界線(xiàn)，斷裂北側(cè)是平緩的低磁場(chǎng)區(qū)，斷裂南側(cè)是高磁場(chǎng)區(qū)。該斷裂走向近東西向，貫穿工區(qū)，其磁力線(xiàn)特征既表現(xiàn)為不同磁場(chǎng)區(qū)的分界線(xiàn)，又表現(xiàn)為線(xiàn)性磁力異常的梯度帶。這一特征在上延處理后表現(xiàn)得更加明顯，可以推斷斷裂兩側(cè)巖性存在明顯的磁性差異。F1斷裂在M1異常和M2異常之間與F4斷裂相交，并被其錯(cuò)斷，可以推斷其形成時(shí)間應(yīng)在F4斷裂之前。

F2斷裂：F2斷裂位于保護(hù)區(qū)南部，基本與F1斷裂平行展布，貫穿工區(qū)。自西向東依次被F3和F4斷裂錯(cuò)斷為西、中、東3段，其中西段和中段磁力線(xiàn)特征表現(xiàn)為高、低磁場(chǎng)區(qū)的分界線(xiàn)，基本可以作為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的界線(xiàn)，南側(cè)是平緩的低磁場(chǎng)區(qū)，北側(cè)是高值磁場(chǎng)區(qū)；東段位于Ⅱ區(qū)內(nèi)，斷裂兩側(cè)磁場(chǎng)差異變小，磁力線(xiàn)特征表現(xiàn)為串珠狀、線(xiàn)狀低磁異常帶的連線(xiàn)或具有一定走向的低磁異常帶。F2斷裂形成時(shí)間在F3和F4斷裂之前，應(yīng)與F1斷裂屬同一時(shí)期。

F3斷裂：F3斷裂位于保護(hù)區(qū)中部，北東走向。其磁力線(xiàn)特征表現(xiàn)為串珠狀低磁異常的連線(xiàn)或線(xiàn)性磁力異常的梯度帶[16-20]。斷裂穿過(guò)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個(gè)磁場(chǎng)區(qū)，與F2和F4斷裂相交，并將F2斷裂錯(cuò)斷，推測(cè)其形成時(shí)間應(yīng)在F2斷裂之后。

F4斷裂：F4斷裂位于保護(hù)區(qū)中部，北西走向。其磁力線(xiàn)特征表現(xiàn)為串珠狀低磁異常的連線(xiàn)。斷裂穿過(guò)Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)三個(gè)磁場(chǎng)區(qū)，其南段為Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)的界限，西側(cè)磁場(chǎng)值較低，變化平穩(wěn)，東側(cè)相對(duì)較高。該斷裂與F1、F2和F3斷裂均相交，且將F1和F2斷裂明顯錯(cuò)斷，推測(cè)其形成時(shí)間應(yīng)在F1、F2斷裂之后。

3 結(jié) 論

(1)小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)大部分磁場(chǎng)值在-200～200 nT之間，總體上呈現(xiàn)出低磁的特點(diǎn)；高磁區(qū)主要分布在保護(hù)區(qū)中部和東南角位置，自西向東依次出現(xiàn)三個(gè)高磁異常體。保護(hù)區(qū)磁力線(xiàn)自南向北呈現(xiàn)出的低-高-低的分布特征，大致反映了普查區(qū)內(nèi)火山巖不同期次、不同階段的分布格局，以及斷陷盆地在火山活動(dòng)時(shí)期受區(qū)域構(gòu)造的影響。

(2)根據(jù)磁場(chǎng)特征，將保護(hù)區(qū)分為三個(gè)區(qū)塊，其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)都以平穩(wěn)的低磁場(chǎng)值為主要表現(xiàn)，反映了火山碎屑巖等的分布，局部可能有變質(zhì)巖存在。Ⅱ區(qū)以正磁異常為主要表現(xiàn)特征，磁場(chǎng)值整體較高，圈定的M1、M2和M3異常體在異常形態(tài)和走向上都比較相似，均推斷為古火山口的反映，大致指示了玄武巖的分布。

(3)保護(hù)區(qū)共推測(cè)出斷裂4條，F(xiàn)1、F2斷裂近東西走向，F(xiàn)3北東走向，F(xiàn)4北西走向。從4條斷裂的交匯關(guān)系及空間分布位置判斷，F(xiàn)1、F2斷裂形成時(shí)間較早，F(xiàn)3和F4斷裂形成時(shí)間相對(duì)較晚。