綜合地球物理探測(cè)在深部空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
——以膠東金礦集區(qū)為例

陳大磊，王潤(rùn)生，賀春艷，王珣，尹召凱, 于嘉賓

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013; 2.山東省地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250013； 3.山東省第六地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 招遠(yuǎn) 265400)

通訊作者： 王潤(rùn)生(1987-),男,工程師, 2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，主要從事地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究工作。Email: wrs674@126.com

0 引言

膠東地區(qū)金礦成礦范圍廣、類(lèi)型多樣，但均表現(xiàn)為受斷裂構(gòu)造控制，不同規(guī)模和形式的斷裂構(gòu)造控制著不同類(lèi)型金礦的產(chǎn)出[1]。隨著目前區(qū)內(nèi)勘探和開(kāi)采深度的增加以及成礦理論研究的逐步深入，需要對(duì)區(qū)內(nèi)深部地質(zhì)體、構(gòu)造發(fā)育特征及其與金成礦的關(guān)系開(kāi)展更加深層次的探討。本次利用重、磁、電聯(lián)合反演從多方向?qū)ν坏刭|(zhì)目標(biāo)體利用不同物性參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的研究，利用大地電磁測(cè)深豐富的頻譜以及不受高阻地質(zhì)體屏蔽影響等特點(diǎn)，對(duì)地下深部電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效探測(cè);通過(guò)重磁勘探橫向分辨率較高這一優(yōu)勢(shì)，對(duì)所獲得的深部電性結(jié)構(gòu)剖面進(jìn)行約束，建立地質(zhì)—地球物理模型進(jìn)行約束反演，將地質(zhì)與地球物理勘探有機(jī)結(jié)合，提高解釋的準(zhǔn)確性及可靠性[2-3]。

為研究該區(qū)深部巖漿活動(dòng)—淺部伸展構(gòu)造特征及區(qū)內(nèi)中生代侵入巖與前寒武紀(jì)變質(zhì)基底以及膠萊盆地地層之間的深部空間特征[4]，在該區(qū)完成了一條NW向120 km的重、磁、電剖面。該剖面北西起萊州市金城鎮(zhèn)，東南至海陽(yáng)市二十里店鎮(zhèn)，與該區(qū)主要地質(zhì)單元及構(gòu)造走向垂直，為后期資料反演提供基礎(chǔ)。應(yīng)用重、磁、電綜合物探技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)、線、面相結(jié)合，多參數(shù)約束反演、多信息綜合研究，實(shí)現(xiàn)了重、磁、電資料的相互約束、相互補(bǔ)充和相互佐證，較為準(zhǔn)確地揭示了深部構(gòu)造特征及地層巖體的深部空間特征。

1 地質(zhì)背景

膠東地區(qū)位于華北陸塊東南部和秦嶺—大別—蘇魯造山帶東北部，由膠北隆起、膠萊盆地和威海隆起3大構(gòu)造單元組成(圖1)。主要分布前寒武紀(jì)和中生代地質(zhì)體，少量古近系—新近系火山巖和碎屑沉積及第四系松散沉積。區(qū)內(nèi)基底巖系屬華北地層區(qū)，出露地層主要由前寒武系變質(zhì)地層和中生界陸相沉積火山地層。

1—第四系;2—新近系;3—白堊系王氏群;4—白堊系青山群;5—白堊系萊陽(yáng)群;6—青白口系-震旦系蓬萊群;7—古元古界粉子山群;8—古元古界荊山群;9—白堊系嶗山型花崗巖;10—白堊系雨山型花崗閃長(zhǎng)斑巖;11—白堊系偉德山型花崗巖;12—白堊系郭家?guī)X型花崗巖;13—三疊系柳林莊型閃長(zhǎng)巖;14—侏羅系玲瓏型花崗巖;15—侏羅系文登型花崗巖;16—古元古界萊州組合;17—古元古界雙頂片麻巖套;18—新太古界棲霞片麻巖套;19—新太古界馬連莊組合;20—中太古界官地洼組合;21—地質(zhì)界線;22—角度不整合界線;23—平行不整合界線;24—韌性剪切接觸界線;25—實(shí)測(cè)斷層;26—推測(cè)斷層;27—韌性剪切帶;28—重、磁、電綜合剖面位置1—Quaternary alluvium;2—Neocene;3—the Cretaceous wang group;4—the Cretaceous qingshan group;5—the Cretaceous laiyang group;6—qingbaikou-Sinian penglai group;7—Paleoproterozoic fenzishan group;8—Paleoproterozoic jingshan group;9—Cretaceous laoshan type granite;10—the Cretaceous yushan type granodiorite porphyry;11—Cretaceous weide mountain type granite;12—Cretaceous guojialing type granite;13—Triassic liulinzhuang type diorite;14—Jurassic linglong type granite;15—Jurassic wendeng type granite;16—Paleoproterozoic laizhou assemblage;17—Paleoproterozoic double-topped gneiss suite;18—Neoarchean qixia gneiss suite;19—Neoarchean association of malianzhuang;20—the middle Archean guandiwa assemblage;21—geological boundary;22—angular unconformity boundary;23—parallel unconformity boundaries;24—ductile shear contact boundary;25—the measured fault;26—inferred fault;27—tough shear zone;28—the location of gravity, magnetism and electricity composite profile圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch of the study area

區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要以斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造為主，膠東金礦集區(qū)主要控礦斷裂自西向東：三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂、棲霞斷裂、牟乳斷裂等;褶皺構(gòu)造總體呈EW向舒緩反“S”型展布，北部為萊州、招遠(yuǎn)、棲霞、威?；顝?fù)式背斜，南部為舊店、萊陽(yáng)、乳山、榮成弧狀復(fù)式褶皺[5]。

本次綜合剖面Y1自西向東穿過(guò)的地質(zhì)單元依次為焦家斷裂帶西部的第四系覆蓋區(qū)、焦家斷裂帶和招平斷裂帶之間的玲瓏巖體分布區(qū)、夏甸至河頭店之間的前寒武系變質(zhì)基底分布區(qū)、萊陽(yáng)盆地—偉德山巖體侵入?yún)^(qū)。

2 物性特征

地球物理勘探的前提和基礎(chǔ)是基于巖(礦)石間的物性差異，其中密度、磁性和電性差異是引起重磁電異常的基礎(chǔ)，更是物探成果綜合研究、解釋推斷的重要依據(jù)。區(qū)內(nèi)各主要地質(zhì)單元在電阻率、密度上均有較為明顯的差異，因此可以根據(jù)重力、MT測(cè)量進(jìn)行地質(zhì)單元?jiǎng)澐趾屯茢嘟忉尮ぷ鳎ㄟ^(guò)磁法測(cè)量進(jìn)行磁性體解釋。

結(jié)合物性測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1、表2)對(duì)區(qū)內(nèi)物性特征分析如下：區(qū)內(nèi)中生代沉積盆地為低密度、低阻特征，一般為弱磁性或無(wú)磁性特征，其中青山群火山沉積盆地內(nèi)會(huì)出現(xiàn)局部強(qiáng)磁異常;中生代侵入巖體為低密度、高阻、弱磁性特征，如局部有中—基性巖體侵入或有中—基性巖石包裹體時(shí)，可出現(xiàn)局部高磁異常;新太古界棲霞序列片麻巖套一般為中等密度、中阻、弱磁性特征，由于其中常有基性、超基性巖殘留體發(fā)育，因此常出現(xiàn)局部高磁異常;古元古界荊山群為高密度、高阻特征，磁性變化大，該套地層為區(qū)內(nèi)的高密度標(biāo)志層電性表現(xiàn)為高阻特征[6-7]。

表1 區(qū)域地層物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

表2 區(qū)域巖漿巖物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3 重、磁、電綜合地球物理勘探

3.1 重、磁、電勘探

本次綜合剖面Y1的重磁測(cè)量工作點(diǎn)距為200 m，重力測(cè)量使用CG-5型高精度流動(dòng)石英彈簧重力儀，磁法測(cè)量采用 GSM-19T型質(zhì)子磁力儀，通過(guò)對(duì)重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)改正(固體潮改正、正常場(chǎng)校正、高度校正、地形校正、布格校正、日變改正、正常場(chǎng)改正、高度改正、總基點(diǎn)改正等)得到布格重力值及磁異常值，最后利用RGIS2016軟件對(duì)重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行位場(chǎng)轉(zhuǎn)換[8-10]。大地電磁測(cè)深點(diǎn)距1 km，重點(diǎn)地段(重要成礦帶)加密至500 m。野外測(cè)量采用 V8電法工作站，采用五分量張量觀測(cè)方式，有效觀測(cè)頻率范圍為320～0.000 5 Hz，采集時(shí)間長(zhǎng)度不少于10 h。大地電磁法數(shù)據(jù)處理采用Phoenix Geophysics公司的SSMT2000軟件進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，利用MTeditor軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和定性分析，采用相鄰地質(zhì)單元極化一致的原則進(jìn)行極化方向的判別，采用Geosystem公司的WingLink軟件進(jìn)行“TM”模式帶地形NLCG二維反演[11-12]。

3.2 重、磁、電聯(lián)合反演

在地質(zhì)、物性、已有鉆孔的資料的約束下，綜合應(yīng)用多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)信息，使重、磁、電數(shù)據(jù)模擬和主觀解釋達(dá)到最佳，得到各參數(shù)有機(jī)統(tǒng)一的地質(zhì)—地球物理模型，從而對(duì)地下地質(zhì)情況作出客觀、合理、可靠的綜合推斷解釋[13-16]。聯(lián)合反演思路(圖2)如下：

1) 將取得的 MT數(shù)據(jù)進(jìn)行帶地形NLCG二維反演，求得其電性反演結(jié)果，以視電阻率等值線密集的垂向高低阻過(guò)渡帶和相位低值異常的垂向錯(cuò)位確定斷裂分布及特征，結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)，建立聯(lián)合反演的初始地質(zhì)模型。

2) 根據(jù)地層和巖石的密度磁性資料輸入其物性參數(shù)，利用RGIS2016 軟件進(jìn)行2.5D重磁正反演，對(duì)建立的初始地質(zhì)—地球物理模型進(jìn)行正演計(jì)算、反演擬合理論重、磁異常。通過(guò)不斷修改初始模型和物性參數(shù)，使正演計(jì)算的理論重、磁曲線與實(shí)測(cè)的曲線擬合到最佳。

3) 將重、磁聯(lián)合反演結(jié)果與 MT 法NLCG二維反演結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，對(duì) MT 數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)處理并修改電性層模型和反演參數(shù)，重新進(jìn)行更為精細(xì)的二維反演解釋。聯(lián)合反演過(guò)程中，進(jìn)行模型修改時(shí)要注重分析模型對(duì)應(yīng)的實(shí)際地質(zhì)含義，使得模型的調(diào)整更加符合實(shí)地地質(zhì)概況。

4) 重復(fù)上述3步，使地質(zhì)—地球物理模型與重、磁、電實(shí)測(cè)資料達(dá)到擬合有機(jī)統(tǒng)一，逐漸逼近客觀地質(zhì)事實(shí)，確定最終的地質(zhì)解釋成果。

圖2 重、磁、電綜合反演流程Fig.2 Integrated inversion flow of gravity, magnetism and electricity

4 斷裂構(gòu)造解釋

結(jié)合1∶25萬(wàn)區(qū)調(diào)資料以及本次綜合反演成果，該剖面的斷裂構(gòu)造分為區(qū)域斷裂構(gòu)造和次級(jí)斷裂構(gòu)造以及基底斷裂構(gòu)造[17-18]。

區(qū)域斷裂構(gòu)造：FⅠ-1(招遠(yuǎn)—平度斷裂)：綜合重、磁、電異常特征分析，該斷裂為界巖構(gòu)造，深部產(chǎn)狀反映較為清晰，上下盤(pán)地質(zhì)體視電阻率和密度都有較大差異;該斷裂與其上盤(pán)欒家河斷裂、豐儀店斷裂等同屬一條大的斷裂帶，視電阻率異常特征為一條大的向東緩傾的低阻帶。FⅠ-2(桃村斷裂帶)、FⅠ-3(郭城斷裂帶)：該剖面發(fā)育在中生代盆地中，其淺部視電阻率異常表現(xiàn)為明顯的低阻異常帶，在深部高阻背景中仍有斷裂構(gòu)造異常表現(xiàn)，推斷其發(fā)育深度超10 km。

次級(jí)斷裂構(gòu)造：本次圈定次級(jí)斷裂構(gòu)造6條，在圖4中為紅色細(xì)虛線表示，分別編號(hào)FⅡ-1、FⅡ-2、FⅡ-3、FⅡ-4、FⅡ-5、FⅡ-6，其中FⅡ-1為推斷斷裂，F(xiàn)2、F3、F4分別是招平斷裂上盤(pán)一組與其傾向平行或有一定夾角的次級(jí)斷裂，F(xiàn)Ⅱ-2、FⅡ-3分別對(duì)應(yīng)欒家河斷裂和豐儀店斷裂，F(xiàn)Ⅱ-4為一條隱伏斷裂，同時(shí)在玲瓏巖體內(nèi)部，發(fā)育一系列次級(jí)斷裂構(gòu)造，從本次MT電性結(jié)構(gòu)圖分析，這些斷裂帶發(fā)育深度和展布規(guī)模有限，屬于巖體內(nèi)部次級(jí)構(gòu)造。

基底構(gòu)造：本次在中生代盆地下伏基底，圈定6條具有明顯斷裂構(gòu)造異常特征的構(gòu)造帶，在圖4中用藍(lán)色虛線表示，分別編號(hào)FJD-1～FJD-6,其中FJD-5、FJD-6為主斷裂構(gòu)造,推斷是與深部熱隆物質(zhì)上升有關(guān)的區(qū)域性斷裂構(gòu)造，在MT視電阻率斷面圖中為明顯的低阻異常帶特征,且發(fā)育規(guī)模較大，F(xiàn)JD-1～FJD-4為次級(jí)斷裂,與盆緣附近的火山活動(dòng)有關(guān)，以FJD-2為代表,其低阻異常非常明顯，與兩側(cè)地質(zhì)體視電阻率差異明顯。這些斷裂構(gòu)造是本次MT測(cè)量的新發(fā)現(xiàn),尤其是FJD-5斷層在深部與招平斷裂疑似相交的關(guān)系，這些新的發(fā)現(xiàn)為區(qū)內(nèi)構(gòu)造系統(tǒng)與深部金礦的研究提供了新的依據(jù)。

5 地層解釋

通過(guò)本次實(shí)測(cè)MT及重磁聯(lián)合反演成果(圖3)，該剖面地質(zhì)體主要分為5段：第四系覆蓋區(qū)、玲瓏復(fù)式巖體核部、變質(zhì)巖基底出露區(qū)、火山巖盆地和偉德山巖體高侵位區(qū)。

1) 第四系覆蓋區(qū)：位于剖面0～7.5 km，低磁性特征明顯，但布格重力值較玲瓏巖體核部升高，在MT電性結(jié)構(gòu)圖上反映該區(qū)由上之下分為2 000 m以淺的低阻區(qū)和深部高阻區(qū)。根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料和重、磁、電聯(lián)合反演解釋推斷該低阻區(qū)為上覆變質(zhì)巖體分布，深部高阻區(qū)對(duì)應(yīng)為玲瓏巖體分布。

2) 玲瓏復(fù)式巖體核部：位于剖面7.5～33.5 km，主要表現(xiàn)為高阻、低重、微磁特征，與東南部地質(zhì)體有明顯的密度和視電阻率差異，根據(jù)重、磁異常反演擬合的玲瓏巖體發(fā)育深度超過(guò)10 km，根據(jù)重、磁、電聯(lián)合反演成果顯示在該區(qū)段玲瓏巖體出露位置向ES向截止于大約33.5 km處，之后呈隱伏狀態(tài)分布于東部變質(zhì)基底下部，與上部地質(zhì)體沿FⅠ(招遠(yuǎn)—平度斷裂)中段呈斷層接觸。

1—第四系；2—白堊系-古近系王氏群；3—白堊系青山群；4—下白堊界萊陽(yáng)群；5—古元古界荊山群；6—新太古界棲霞序列； 7—新元古界榮成序列；8—中生界玲瓏序列；9—中生界偉德山序列；10—潛火山群； a—地質(zhì)斷面圖；b—MT二維電性結(jié)構(gòu)；c—初始地質(zhì)-地球物理模型；d—實(shí)測(cè)及反演擬合ΔT曲線；e—實(shí)測(cè)及反演擬合Δg曲線；f—重、磁聯(lián)合反演推斷塊體及物性特征1—Quaternary alluvium;2—Cretaceous - Paleogene wang group;3—Cretaceous qingshan group;4—Early Cretaceous laiyang group;5—jingshan group;6—qixia sequence; 7—rongcheng sequence;8—linglong sequence;9—wade mountain sequence;10—latent volcanoes; a—geologic section map; b—MT two-dimensional electrical structure diagram;c—initial geology-geophysical model;d—actual measurement and inversion fitting ΔT curve;e—actual measurement and inversion fitting Δg curve; f—gravity and magnetic joint inversion to infer the physical properties of blocks圖3 重、磁、電聯(lián)合反演推斷結(jié)果Fig.3 Inferred map of gravity, magnetism and electricity joint inversion

1—第四系;2—白堊系-古近系王氏群;3—白堊系青山群;4—下白堊界萊陽(yáng)群;5—古元古界荊山群;6—古元古界膠南表殼巖組合;7—新太古界棲霞序列;8—新元古界榮成序列;9—中生界玲瓏序列;10—中生界偉德山序列;11—潛火山群;12—推斷Ⅰ級(jí)斷裂;13—推斷Ⅱ級(jí)斷裂;14—推斷Ⅲ級(jí)斷裂;15—推斷基底斷裂;16—推斷地質(zhì)界線 1—Quaternary alluvium;2—Cretaceous - Paleogene wang group;3—Cretaceous qingshan group;4—Early Cretaceous laiyang group;5—Paleoproterozoic jingshan group;6—Paleoproterozoic jiaonan supercrust rock assemblage;7—New Archean qixia sequence;8—Neoproterozoic rongcheng sequence;9—Mesozoic linglong sequence;10—Mesozoic weideshan sequence;11—latent volcanoes;12—grade inference Ⅰ fracture;13—grade inference Ⅱ fracture;14—grade inference Ⅲ fracture；15—inferred basement fault;16—inferred geological boundary圖4 聯(lián)合反演地質(zhì)解釋成果Fig.4 Joint inversion geological interpretation results map

3) 變質(zhì)基底出露區(qū)：位于剖面33.5～64 km，地表對(duì)應(yīng)棲霞序列出露區(qū)，棲霞序列是一套古老的侵入巖體，經(jīng)過(guò)地質(zhì)演化和構(gòu)造活動(dòng)影響，反映出強(qiáng)烈變質(zhì)變形的特點(diǎn)，巖體內(nèi)部多有更早形成的基性、超基性巖，使其巖石密度測(cè)量結(jié)果高于中生代侵入巖體，該段布格重力異常呈向東南逐漸升高的特征，推斷深部玲瓏巖體呈斷層接觸侵入棲霞序列，在MT電性結(jié)構(gòu)圖中顯示為中—高視電阻率異常特征，與深部玲瓏巖體有明顯的帶狀低阻異常分離，低阻異常寬大，推斷與上盤(pán)棲霞序列遭受多期斷層活動(dòng)，致使該接觸帶尤其是上盤(pán)老的基底巖體視電阻率顯著降低。

4) 火山巖盆地：位于剖面64～106 km，地表對(duì)應(yīng)中生代火山巖盆地分布區(qū)，主要表現(xiàn)為低阻、低密度、磁性變化大的特征，下伏荊山群、棲霞序列為中—高電阻、高密度、磁性不均勻特征，在該段布格重力表現(xiàn)為高異常、中局部低異常分布的特點(diǎn)。在MT電性結(jié)構(gòu)圖反映該區(qū)深部有高阻體發(fā)育，推斷該高阻體為中生界侵入巖體的可能性較大，因此結(jié)合其深部異常形態(tài)解釋該區(qū)中生代盆地最大厚度約2 800 m。

5) 偉德山巖體高侵位區(qū)：位于測(cè)線106～120 km，地表主要分布有白堊系青山群，局部有偉德山巖體出露，綜合異常顯示其重力值沿測(cè)線向剖面盡頭逐漸降低，視電阻率較西側(cè)有明顯抬升，推測(cè)該段深部中生界侵入巖體向上侵位抬升、在斷裂發(fā)育地段有潛火山巖集中上侵。

6 結(jié)論

研究區(qū)各時(shí)代地質(zhì)體間有較為鮮明的密度、磁性和電性差異，在聯(lián)合反演過(guò)程中，由物性資料建立的地質(zhì)—地球物理模型的選取是處理的基礎(chǔ)；在解釋過(guò)程中，綜合重、磁、電的地球物理場(chǎng)特征,結(jié)合地質(zhì)規(guī)律，解決基巖斷裂、地層、巖漿巖分布規(guī)律及深部特征等地質(zhì)問(wèn)題，提高定量解釋的精度[19]。

本次研究利用重、磁、電聯(lián)合約束反演技術(shù)，重點(diǎn)解釋了招平斷裂帶東(上)西(下)兩盤(pán)新太古界棲霞片麻巖套與中生界玲瓏巖體的構(gòu)造接觸界線的深部變化規(guī)律，較為清晰地刻畫(huà)了招平斷裂的深部空間展布特征；同時(shí)對(duì)膠萊盆地內(nèi)白堊紀(jì)(火山)沉積地層及下伏前寒武紀(jì)變質(zhì)基底的埋深、厚度、接觸關(guān)系等空間幾何要素進(jìn)行研究，對(duì)膠萊盆地深部與金礦相關(guān)的隱伏中生代巖體進(jìn)行了圈定。

膠東地區(qū)地質(zhì)體分布多樣，構(gòu)造分布及地質(zhì)體接觸關(guān)系復(fù)雜，且部分地質(zhì)體間具有相近的物性特征，利用重、磁、電單方法往往難以取得理想的解釋效果。例如MT法難以區(qū)分同為低阻的白堊系盆地與荊山群變質(zhì)基底，而重、磁法難以將同為低密度、低磁性的中生界巖體與棲霞片麻巖套進(jìn)行劃分，本次利用重、磁、電聯(lián)合約束反演技術(shù)，既減少了重磁聯(lián)合反演的多解性問(wèn)題，同時(shí)彌補(bǔ)了MT法對(duì)部分相似電性特征地質(zhì)體的分層難題，使本次深部地球物理探測(cè)的解釋成果更貼近真實(shí)地質(zhì)情況。

通過(guò)該剖面綜合地球物理探測(cè)研究,解釋了10 km以淺膠東金礦集區(qū)熱隆—伸展構(gòu)造樣式的深部空間特征,表明在此深度利用重、磁、電的組合方法進(jìn)行深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的探測(cè)及研究是適用的,深部探測(cè)效果符合預(yù)期，達(dá)到了良好的解釋效果，為今后深部金礦找礦預(yù)測(cè)以及相關(guān)研究工作提供目標(biāo)和依據(jù)。