航空瞬變電磁及航磁資料在內(nèi)蒙古阿巴嘎旗地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用

劉波，駱燕，張偉盟，陳偉，程莎莎，劉彥濤

（1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），河北石家莊 050002；3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002）

二連盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，是形成于中生代大陸伸展構(gòu)造背景下的沉積盆地，因蘊(yùn)含石油、天然氣、煤炭、鈾等多種資源而受到學(xué)者的廣泛關(guān)注［1］。沉積盆地在演化過(guò)程中受到多方面地質(zhì)因素的影響，其中，對(duì)沉積盆地從形成到后期封閉、沉積物質(zhì)組構(gòu)等影響最大的是大地構(gòu)造背景和構(gòu)造活動(dòng)。同時(shí)，區(qū)域板塊構(gòu)造環(huán)境更是控制著沉積盆地的構(gòu)造格架，盆地沉積中心的轉(zhuǎn)移、主要物源體系的分布和變化都可能是盆地構(gòu)造作用和構(gòu)造格架演化的結(jié)果［2］。因此，對(duì)二連盆地的主要構(gòu)造特征、構(gòu)造單元?jiǎng)澐值难芯恳恢笔堑貙W(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

地球物理勘探方法在地質(zhì)構(gòu)造的研究中具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，前人采用了多種地面物探技術(shù)（重力、磁法、激電、地震）在二連盆地及周邊地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造研究，為進(jìn)一步的地質(zhì)信息分析提供了詳實(shí)的資料，對(duì)該區(qū)域鈾礦、油氣藏的勘查具有現(xiàn)實(shí)的意義。航空TEM（瞬變電磁法）是一種基于電磁感應(yīng)原理的時(shí)間域人工源電磁勘探方法，通過(guò)接收感應(yīng)電磁場(chǎng)響應(yīng)特性來(lái)分辨具有電性差異的地質(zhì)體。航磁測(cè)量是在空中測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度的方法。同時(shí)開(kāi)展航空TEM和航磁組合測(cè)量具有成本低、效率高、對(duì)地形環(huán)境要求較少等特點(diǎn)。在多金屬礦產(chǎn)勘查、大面積地質(zhì)普查、地下水、環(huán)境工程和工程勘察等領(lǐng)域都有廣泛的適用性［3-4］。通過(guò)組合測(cè)量可獲得不同高度的地球物理場(chǎng)特征，為地質(zhì)構(gòu)造的解釋提供更豐富的信息，如劉博等［5］以最新的高精度航磁資料為依據(jù)，論述了內(nèi)蒙古阿巴嘎旗白音圖嘎地區(qū)深大斷裂的磁場(chǎng)特征，并對(duì)航磁在斷裂構(gòu)造解譯中的應(yīng)用進(jìn)行了探討；任朗寧［6］通過(guò)二連盆地及其周邊1：20萬(wàn)布格重力異常和航磁異常數(shù)據(jù)，進(jìn)行了斷裂識(shí)別和大地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?；張文志?］通過(guò)實(shí)測(cè)獲取、處理二連浩特-東烏旗地區(qū)航磁數(shù)據(jù)，對(duì)該區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了推斷和劃分。

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿巴嘎旗地區(qū)二連盆地馬尼特坳陷中東部，橫跨馬尼特坳陷和蘇尼特隆起兩個(gè)構(gòu)造單元。二連盆地基礎(chǔ)地質(zhì)及一般礦產(chǎn)地質(zhì)工作程度相對(duì)較高，但由于研究區(qū)經(jīng)歷了古生代至中生代多次構(gòu)造活動(dòng)，形成了本區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造格局［8］。在研究區(qū)開(kāi)展航空物探綜合研究以提取深部地層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征等信息，對(duì)方法研究和本區(qū)的資源評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)、油氣和固體礦產(chǎn)勘探及成礦理論研究十分必要。

1 地質(zhì)概況及巖石物性特征

研究區(qū)處于天山-興蒙造山系東部的二連中新生代斷陷沉積盆地內(nèi)，主要跨及馬尼特坳陷和蘇尼特隆起兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元（圖1），還包含沙那凹陷、塔北凹陷、塔南凹陷、寶格達(dá)凹陷、朝克烏拉凹陷、紅格爾凹陷和額爾登高畢凸起等三級(jí)構(gòu)造單元［9-10］。賀根山巖石圈斷裂呈北東東向橫貫全區(qū)，控制著北部馬尼特坳陷和南部蘇尼特隆起的形成、發(fā)育與空間展布。研究區(qū)基底地層為古生界，零星分布在研究區(qū)北、西、南側(cè)的外圍地段，沉積蓋層主要包括上侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、新近系和第四系。研究區(qū)北部地表覆蓋較薄的第四系各類(lèi)成因的沉積物，視電阻率最大不超過(guò)70 Ω［11］，基本沒(méi)有磁性。研究區(qū)巖漿侵入活動(dòng)主要產(chǎn)生于華力西期、印支期和燕山期，巖性為花崗巖、鉀長(zhǎng)花崗巖、花崗斑巖、閃長(zhǎng)巖等［11-12］，少量分布于研究區(qū)外圍隆起帶上。酸性侵入巖的電阻率較高，大致在300～500 Ω 之間［12］，但磁性較弱，大致在（0～840）×10-5SI 之間。研究區(qū)火山巖以上更新統(tǒng)阿巴嘎組玄武巖（β1）最為典型，呈巖蓋狀大面積分布于研究區(qū)中南部，玄武巖最厚達(dá)143 m，呈層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀平緩或近于水平?；孕鋷r在本區(qū)具有最高的視電阻率和磁化率，電阻率大于70 Ω，基本在200～1 500 Ω 之間，磁化率最高可達(dá)10 400×10-5SI［13］。電阻率及磁化率的差異是區(qū)內(nèi)開(kāi)展地質(zhì)構(gòu)造解釋的重要依據(jù)。

圖1 二連盆地阿巴嘎旗地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖（據(jù)參考文獻(xiàn)［11］修改）Fig.1 Geological sketch of Abagaqi area in Erlian basin（modified after reference［11］）

2 地質(zhì)構(gòu)造推斷

2.1 北部坳陷區(qū)地質(zhì)構(gòu)造推斷

研究區(qū)北部馬尼特坳陷區(qū)（圖1 中F5 以北）沉積蓋層巖性以中新生代的泥巖、砂巖、礫巖為主，視電阻率較低，由于航空TEM 對(duì)視電阻率低的蓋層反演深度較淺，因此采用航磁資料對(duì)研究區(qū)北部坳陷區(qū)進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造推斷。根據(jù)收集的航磁資料，繪制了研究區(qū)航磁ΔT化極圖（圖2）及上延2 000 m 圖（圖3）。并根據(jù)磁場(chǎng)特征：不同磁場(chǎng)分界線、線性異常帶、串珠狀異常帶、異常錯(cuò)動(dòng)帶、異常梯度帶、異常變異帶等［14］，對(duì)研究區(qū)北部坳陷區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)構(gòu)造推斷。

圖2 阿巴嘎旗地區(qū)航磁ΔT 化極等值線平面圖Fig.2 Aeromagnetic contour map of ΔT data reducted to the pole in Abagaqi area

圖3 阿巴嘎旗地區(qū)航磁ΔT 化極上延2 000 m 等值線平面圖Fig.3 2 000 m upward continuation contour map of aeromagnetic ΔT data ruducted to the pole in Abagaqi area

北部坳陷區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以斷裂為主，可依據(jù)斷層延伸規(guī)模劃分?jǐn)嗔训燃?jí)，不同等級(jí)的斷裂具有不同的地質(zhì)特性，控制了區(qū)域上的地質(zhì)構(gòu)造不同程度的發(fā)展及演化。文中將控制基底斷塊升降（隆起、坳陷）的斷裂稱(chēng)為深大斷裂，將坳陷區(qū)內(nèi)推斷的磁性過(guò)渡帶、串珠狀異常帶、不同磁場(chǎng)分界線等稱(chēng)為一般斷裂。根據(jù)磁場(chǎng)特征，北部坳陷區(qū)推斷3條北東向展布的斷裂（F1～F3），1條北西向斷裂（F4）。F1 位于北高南低的磁性過(guò)渡帶上，北東向展布，位于凹陷北部邊緣。研究區(qū)中北部存在一北西向串珠狀航磁異常，推斷為一般斷裂F4。F4 將北部磁場(chǎng)區(qū)明顯分為東部弱磁區(qū)和西部高磁區(qū)。根據(jù)前人研究資料表明［10］，F(xiàn)1和F3 為北部坳陷區(qū)已知斷裂，本次推斷與前人劃定的斷裂構(gòu)造位置大致吻合，走向基本一致。根據(jù)魯超研究成果，F(xiàn)3 斷裂為巴彥烏拉鈾礦田已知斷裂的東部延伸段，是盆內(nèi)控制凹陷的主干斷裂，該斷裂將塔北凹陷分為北西和南東兩個(gè)大的單斷式次級(jí)凹陷，該斷裂在地震剖面上反映為反轉(zhuǎn)斷裂，后期的構(gòu)造反轉(zhuǎn)和剝蝕作用既對(duì)地層的產(chǎn)狀和分布有著控制作用，同時(shí)也控制了潛水/層間氧化帶和砂巖型鈾礦的發(fā)育［14］。F2 與前人資料中白音希勒凸起和塔北凹陷的分界線吻合，本次推斷為一般斷裂。

另外，根據(jù)磁性特征在該區(qū)推斷3 個(gè)中基性巖體（M1～M3）。其中M1 位于白音希勒凸起上，M2 位于額爾登高畢凸起上，位置見(jiàn)圖1。

2.2 中部隆坳分界線推斷

北部馬尼特坳陷與南部蘇尼特隆起的分界線在不同比例尺的構(gòu)造圖中有不同的劃定，本次收集的航磁資料也無(wú)法準(zhǔn)確劃定該界限。孫棟華等曾通過(guò)對(duì)航空TEM 不同時(shí)間道電磁響應(yīng)及其轉(zhuǎn)換參數(shù)時(shí)間常數(shù)和視電阻率的分析，對(duì)內(nèi)蒙古大朝陽(yáng)溝地區(qū)的華北地臺(tái)北界限進(jìn)行了精確厘定［15］。航空TEM測(cè)量在研究區(qū)共布置測(cè)線14條，測(cè)線編號(hào)L1000～L1130，測(cè)線方向323.7°，測(cè)線長(zhǎng)度100～108 km 不等，相鄰測(cè)線之間的間距為5 km。本文結(jié)合航空TEM 電阻率深度成像斷面及反演電阻率斷面，并輔以時(shí)間常數(shù)［16］及AIIP 計(jì)算視電阻率［17］平面信息，推斷研究區(qū)內(nèi)隆坳分界線。時(shí)間常數(shù)能夠反映地下目標(biāo)體的導(dǎo)電性，一般時(shí)間常數(shù)大反映的是良導(dǎo)體，反之為不良導(dǎo)體。AIIP 為航空感應(yīng)激發(fā)極化效應(yīng)，根據(jù)該效應(yīng)計(jì)算視電阻率能反應(yīng)一定范圍內(nèi)綜合電阻率特征。

以L1000 線30～45 km（圖1）視電阻率斷面圖（圖4）為例，在平距38 150 m 處，第一電性層下各電性層的電阻率曲線在水平方向上發(fā)生突變；左側(cè)電阻率以層狀為主，中間為一層連續(xù)的低阻；右側(cè)電阻率整體偏高，層狀特征消失；推斷該處為F5 斷裂。將F5 投影到平面，由航空TEM 時(shí)間常數(shù)圖（圖5）及航空TEM激發(fā)極化（AIIP）視電阻率圖（圖6）可知，南北兩側(cè)的電磁響應(yīng)特征大致以薩門(mén)代音呼都格-哈珠烏拉為界顯示出明顯的不同：界線以南的地段時(shí)間常數(shù)值較低（＜0.5 ms），視電阻率相對(duì)較高（＞25 Ω·m），由圖4 可以看出F5 右側(cè)（南側(cè)）目的層變薄或缺失、基底埋深變淺，導(dǎo)致該區(qū)視電阻率較高，推測(cè)為隆起區(qū)；界線以北的地段時(shí)間常數(shù)值較高，基本大于0.8 ms，視電阻率較低，小于18 Ω·m，這與北部坳陷區(qū)泥砂巖視電阻率低一致。綜上推斷北東向展布的F5 斷裂為研究區(qū)內(nèi)馬尼特坳陷與蘇尼特隆起的分界線。

圖4 阿巴嘎旗地區(qū)L1000 線30～45 km 視電阻率斷面圖Fig.4 Apparent resistivity section at the segment of 30～45 km in exploration line L1000 of Abagaqi area

圖5 阿巴嘎旗地區(qū)航空TEM 時(shí)間常數(shù)等值線平面圖Fig.5 Contour map of time constant of airborne TEM data of Abagaqi area

圖6 阿巴嘎旗地區(qū)航空TEM 激發(fā)極化視電阻率等值線平面圖Fig.6 Contour map of AIIP airborne TEM data in Abagaqi area

2.3 南部隆起區(qū)斷裂構(gòu)造推斷

研究區(qū)南部為蘇尼特隆起區(qū)，大面積被玄武巖覆蓋，據(jù)火成巖磁性特征分析，噴出巖結(jié)晶迅速，冷卻不均勻，磁化率離散性大［18］，且與礦物成分相同的同類(lèi)侵入巖磁化率特征相近，因此，受玄武巖覆蓋影響，隆起區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的磁場(chǎng)特征不明顯。而蘇尼特隆起區(qū)玄武巖蓋層具有相對(duì)較高的電阻率，玄武巖層下的地層巖石電阻率比坳陷區(qū)大，使得隆起區(qū)探測(cè)深度可達(dá)500 m 以淺，因此該區(qū)斷裂構(gòu)造與中部隆坳分界線推測(cè)方法類(lèi)似，先在電阻率深度成像及反演電阻率斷面上進(jìn)行推斷，然后投影到平面對(duì)斷裂進(jìn)行了分析解釋。斷裂切割地層往往會(huì)導(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起電性層水平方向的不連續(xù)或缺失，根據(jù)它們的變化規(guī)律及分布特征，可揭示斷裂的存在并確定其位置。斷裂構(gòu)造識(shí)別標(biāo)志，主要是根據(jù)電阻率斷面中在水平方向上電阻率曲線的突變特征，如疏密變化、掉落、轉(zhuǎn)折、合并等，據(jù)此來(lái)推斷斷裂構(gòu)造的位置、傾向、傾角等要素。依據(jù)地質(zhì)資料及構(gòu)造發(fā)展史，研究區(qū)內(nèi)斷裂大部分表現(xiàn)為上盤(pán)下降、下盤(pán)上升的正斷層，因此本區(qū)斷裂推斷解釋標(biāo)志為：在電阻率深度成像及反演電阻率斷面圖中，電性層在水平方向發(fā)生中斷或跌落，且底部高阻區(qū)一般表現(xiàn)為等值線密集帶，且在相鄰反演電阻率斷面圖上有相似特征。

L1130 線75～100.5 km 綜合斷面圖（圖7）上顯示，在平距90 200 m 處，第一電性層下各電性層的電阻率曲線在水平方向上發(fā)生扭曲、突變，甚至垂直掉落，因此推測(cè)該處存在一條高角度正斷層，推測(cè)斷裂右側(cè)地層發(fā)生了明顯地錯(cuò)斷，上部層位增厚，下部層位變薄。在平距79 000 m 及98 500 m 處，各存在一條高角度正斷層，只不過(guò)傾向與前者正相反，為向北傾，但是電阻率曲線變化特征基本一致。這三條斷裂相向傾斜，在斷裂夾持區(qū)形成局部斷陷，為南部隆起區(qū)內(nèi)局部凸起和凹陷的分界線。最后將所有斷面推斷的斷裂投影到平面，即為推斷的南部隆起區(qū)內(nèi)控制凹凸的正斷層（圖1），本區(qū)共推斷北東向斷裂10條（F6～F15），根據(jù)測(cè)量資料新圈定了凸凹分布范圍，3 個(gè)凸起分別命名為阿巴嘎旗凸起、阿中凸起和阿南凸起。南部隆起區(qū)的凸起經(jīng)歷了多期構(gòu)造活動(dòng)的調(diào)整，可能為蘇尼特隆起的繼承性活動(dòng)。凸起以正斷層為邊界與周?chē)喔?，受斷裂?gòu)造的控制［19］。

圖7 阿巴嘎旗地區(qū)L1130 線75～100.5 km 視電阻率斷面圖Fig.7 Apparent resistivity section at the segment of 75～100.5 km in exploration line L1130 of Abagaqi area

通過(guò)區(qū)域構(gòu)造環(huán)境分析，研究區(qū)的斷裂構(gòu)造形成時(shí)代應(yīng)主要集中在華力西期、燕山期，華力西期形成的斷裂走向主要為北東向，控制著本區(qū)的地層和巖漿巖格架，并且在燕山期、喜山期存在不同程度的復(fù)活，為張性的隱伏斷裂［20-21］。燕山期的斷裂構(gòu)造主要為北西向［20］。燕山早期主要體現(xiàn)北西-南東向擠壓環(huán)境，在擠壓作用下，區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造開(kāi)始發(fā)生反轉(zhuǎn)，構(gòu)造反轉(zhuǎn)會(huì)形成構(gòu)造天窗與構(gòu)造斜坡帶，使目的層剝露地表，有利于含鈾含氧流體的注入和氧化帶的發(fā)育，促進(jìn)完整鈾成礦系統(tǒng)和鈾礦化的形成。

3 地質(zhì)構(gòu)造對(duì)比

將本次推斷的地質(zhì)構(gòu)造與收集的重力反演基底埋深資料進(jìn)行對(duì)比研究［11］。由圖8 可知，北部坳陷區(qū)基底埋深較大，大部分凹陷區(qū)域埋深為900～1 300 m 之間，南部隆起區(qū)基底埋深較淺，劃定的凸起部位的基底埋深大致在100～400 m 之間，凸起之間坳陷的基底埋深在700～1 300 m 范圍內(nèi)。

圖8 重力反演基底埋深及推斷地質(zhì)構(gòu)造Fig.8 The Inferred result of geological structures and buried depth of basement by gravity inversion

北部坳陷區(qū)：F1 北部基底埋深明顯變淺，推斷為馬尼特坳陷與巴音寶力格隆起的過(guò)渡帶；F2 北部為白音希勒凸起，推斷的M1 與該凸起有關(guān)；F2 與F3 之間為塔北凹陷；F1 與F3 之間為沙那凹陷；F3 與F4 交匯部西南為塔南凹陷；F3 以南M2 周邊為額爾登高畢凸起；額爾登高畢凸起以南為寶格達(dá)凹陷。南部隆起區(qū)：F6～F15 為局部凹陷與凸起的分界線，本次推斷的阿巴嘎旗凸起、阿中凸起以及阿南凸起均位于基底埋深較淺的部位，阿南凸起與阿中凸起中間為朝克烏拉凹陷，阿中凸起與阿巴嘎旗凸起中間為紅格爾凹陷，紅格爾凹陷東側(cè)為朝克烏拉凹陷。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本次推斷的地質(zhì)構(gòu)造與重力反演基底埋深資料除局部有少許偏移外，大部分區(qū)域基本吻合，進(jìn)一步證明了航空TEM 及航磁組合資料對(duì)玄武巖覆蓋區(qū)下伏地質(zhì)構(gòu)造推斷的可信性，可以為研究區(qū)的鈾成礦地質(zhì)環(huán)境的研究提供基礎(chǔ)資料。

4 結(jié)論

航空TEM 及航磁綜合信息在探測(cè)玄武巖覆蓋區(qū)地質(zhì)構(gòu)造中可互為補(bǔ)充，使得推斷更為準(zhǔn)確。通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造的推斷，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1）利用航空TEM 準(zhǔn)確厘定了研究區(qū)馬尼特坳陷與蘇尼特隆起的分界線，即F5 斷裂，為區(qū)內(nèi)北東向深大斷裂。

2）利用航磁資料在研究區(qū)北部坳陷區(qū)推斷了3 條北東向一般斷裂（F1～F3），1 條北西向一般斷裂（F4），這些斷裂控制著坳陷區(qū)三級(jí)構(gòu)造單元的邊界。F3 為已知反轉(zhuǎn)斷裂，其反轉(zhuǎn)與鈾成礦有著重要聯(lián)系。推斷的3 個(gè)中基性巖體中有2 個(gè)位于局部凸起上。

3）利用航空TEM 資料在研究區(qū)南部隆起區(qū)推斷了10 條北東向一般斷裂，利用這些斷裂在重新厘定原有凹凸界限的基礎(chǔ)上，新推斷阿巴嘎旗、阿中和阿南3 個(gè)凸起，為后期進(jìn)行下一步地質(zhì)勘查提供了重要的資料依據(jù)。

4）通過(guò)對(duì)比分析研究，證明利用航空TEM及航磁組合方法在玄武巖覆蓋區(qū)推斷地質(zhì)構(gòu)造部是一種有效的技術(shù)手段。