基于高精度重磁數(shù)據(jù)的隱伏斷層探測研究

摘要：為研究高精度重磁數(shù)據(jù)對于隱伏斷層探測的效果，以三山島及周邊主要斷層探測為例，建立地質(zhì)模型，對模型開展正演研究，并在研究區(qū)開展高精度重磁技術(shù)現(xiàn)場試驗(yàn)，采用重磁三維反演及多尺度邊緣檢測技術(shù)，獲取了研究區(qū)主要斷層分布情況。結(jié)果表明：該區(qū)具有利用不同磁場特征及重力場特征來劃分巖性界限的一定物性條件;在該區(qū)利用高精度磁法資料、重力測量資料圈定和追索斷裂是可行的。

關(guān)鍵詞：隱伏斷層； 高精度重磁； 三維反演； 多尺度邊緣檢測； 三山島

中圖法分類號：P631文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S2.005

文章編號：1006-0081（2024）S2-0015-04

0引言

三山島斷裂帶是膠東三大控礦斷裂之一，該區(qū)域金礦類型以斷裂破碎巖型金礦為主，確定控礦斷裂構(gòu)造展布特征是尋找該類礦床的關(guān)鍵。利用物探方法追蹤主要控礦斷裂的分區(qū)情況，達(dá)到間接找礦的目的。為研究三山島及周邊主要斷層分布，本文首先建立地質(zhì)模型，對該模型進(jìn)行正演研究，分析高精度重磁數(shù)據(jù)對隱伏斷層的分辨能力；并在研究區(qū)開展高精度重磁探測，通過三維反演及多尺度邊緣檢測等技術(shù)的應(yīng)用，初步確定該區(qū)域隱伏斷層的分布情況。

1研究區(qū)地質(zhì)條件

1.1地質(zhì)背景

三山島斷裂帶是膠東三大控礦斷裂之一，是近幾年找礦突破進(jìn)展最顯著的一條金礦帶，特別是三山島北東的海域，發(fā)現(xiàn)了全國最大的單礦體，說明三山島斷裂兩端淺海區(qū)具有較大的找礦前景［1-3］。斷裂帶南西段基本上沿燕山晚期郭家?guī)X序列花崗閃長巖體與新太古代棲霞序列英云閃長巖體的接觸帶展布，北東段在郭家?guī)X巖體沿?cái)嗔褞Оl(fā)育有寬大的構(gòu)造巖帶，由糜棱巖、碎裂巖、碎斑巖、角礫巖等組成。該斷裂帶具有以灰色斷層泥為特征的穩(wěn)定主裂面，后者呈舒緩波狀展布，呈壓性斷裂的特點(diǎn)，在主裂面的下盤發(fā)育有羽狀次級構(gòu)造，也是含礦構(gòu)造［4-7］。

1.2物性特征

研究區(qū)巖性以變質(zhì)巖及花崗巖為主，花崗巖密度平均值（2.77～2.83）×103 kg/m3，局部分布的斜長角閃巖磁性較強(qiáng)，其磁化率（κ值）為4 000×10-5 SI，剩余磁化強(qiáng)度平均值可達(dá)1 090×10-3 A/m。黑云英云閃長巖類變質(zhì)巖磁性相對較低，κ值一般在（23～178）×10-5 SI 之間變化，剩磁也很微弱。

2重磁數(shù)據(jù)正演模擬

為分析重磁對隱伏斷層的分辨和識別能力，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)情況構(gòu)建地質(zhì)模型（圖1）作為重磁模型的基礎(chǔ)，開展正演-反演試驗(yàn)。

模型上盤為變輝長巖，下盤為二長花崗巖，中間為斷裂破碎帶，約以45°傾角向北西傾覆。根據(jù)前人資料，取變輝長巖密度為2.87 g/cm³，磁化率為382×10^-5 SI，斷裂破碎帶密度為2.5 g/cm³，磁化率為16×10^-5 SI，二長花崗巖密度為2.58 g/cm³，磁化率為362×10^-5 SI。地質(zhì)模型正演的重磁響應(yīng)如圖2所示。

重力響應(yīng)曲線總體平滑，呈西高東低的態(tài)勢，在斷裂頂端位置對應(yīng)的4 900～5 400 m為梯級過渡帶，而磁異常曲線則呈現(xiàn)為橫“Z”字形。采用不同的反演方法對重力響應(yīng)反演，反演結(jié)果對比見圖3。反演過程中，受邊緣效應(yīng)的影響，反演斷面兩側(cè)會出現(xiàn)畸變，因此，1 000～8 000 m段可用于解釋分析。從反演結(jié)果分析，奧克姆（Occam）和馬夸特（Marquardt）兩種方法反演獲得的密度差斷面在斷裂地段對應(yīng)位置均為低密度體，較好地反映了斷裂頂端位置，但是其產(chǎn)狀直立，與模型中45°左右的產(chǎn)狀相差甚遠(yuǎn)，說明重力方法在沒有其他信息約束的前提下，對判斷斷裂頂部位置能力尚可，但無法給出其傾向和深部延伸形態(tài)。

與布格重力方法類似，采用不同的反演方法對磁力響應(yīng)反演，見圖4。反演過程中受邊緣效應(yīng)的影響，反演斷面兩側(cè)會出現(xiàn)畸變，因此，1 000～8 000 m可用于解釋分析。從反演結(jié)果分析，奧克姆和馬夸特兩種方法反演獲得的磁化強(qiáng)度斷面在斷裂地段對應(yīng)位置均為低磁性體，較好地刻畫了斷裂頂端位置，但是其產(chǎn)狀直立，與模型中45°左右的產(chǎn)狀相差甚遠(yuǎn)，說明磁力方法在沒有其他信息約束的前提下，對判斷斷裂頂部位置能力尚可，但無法給出其傾向和深部延伸形態(tài)。

從模型正演-反演的試驗(yàn)結(jié)果分析，重磁方法能識別斷裂頂端位置，即在橫向上能區(qū)分出斷裂頂部所在位置，如果沒有已知信息輔助，很難進(jìn)一步了解斷裂的產(chǎn)狀和延伸。究其原因：重磁的垂向分辨率先天不足，且控礦斷裂規(guī)模較小，導(dǎo)致重磁方法無法更精細(xì)刻畫斷裂產(chǎn)狀。如果增加先驗(yàn)信息（如鉆孔、勘探線剖面等）約束，再進(jìn)行反演，也有可能追蹤斷裂的深部形態(tài)。

3高精度重磁試驗(yàn)

在研究區(qū)收集了4條重磁剖面（圖5），布格重力異常圖中北西低、南東高，反映了花崗巖體和變質(zhì)巖的過渡漸變，磁異常形態(tài)雜亂，總體趨勢是兩端高，中間低。中間低的可能是巖體的反映，兩端高的可能是老變質(zhì)巖。

對布格重力異常進(jìn)行一階趨勢分離，得到一階剩余重力異常，對磁異常進(jìn)行化極處理，從圖6中可以看出，三山島斷裂基本沿著剩余重力異常高低過渡帶分布，從北東的4線呈“S”狀往南延伸入海。對磁異常進(jìn)行化極處理，得到4條剖面的化極異常，如圖6所示，三山島斷裂基本沿著正負(fù)異常過渡帶北西側(cè)局部弱高磁異常分布。從重磁場特征分析，三山島斷裂總體的重磁場特征為“低剩余重力異常南側(cè)+化極磁異常正負(fù)異常梯度帶”。

4高精度重磁數(shù)據(jù)三維反演及多尺度邊緣檢測

傳統(tǒng)工作方法主要根據(jù)地表地質(zhì)觀察給出構(gòu)造信息，但當(dāng)?shù)乇砀采w嚴(yán)重時，難以給出準(zhǔn)確的構(gòu)造信息，即使在出露區(qū)也往往只能給出經(jīng)驗(yàn)性的推測；而重磁場是地下地質(zhì)體密度、磁性分別響應(yīng)的綜合，蘊(yùn)涵著豐富的地質(zhì)構(gòu)造信息，無論在基巖出露區(qū)還是覆蓋區(qū)（第四系、海水等覆蓋），均是地下地質(zhì)體的客觀反映。通過重磁場的邊緣檢測，可以識別和提取對應(yīng)的構(gòu)造信息，不但能給出準(zhǔn)確的斷裂構(gòu)造信息，還能反映巖體邊界、盆地邊界等地質(zhì)信息，對構(gòu)造研究、深部找礦預(yù)測都有著重要的應(yīng)用價值。對三山島南的化極磁異常進(jìn)行了多尺度邊緣檢測處理，結(jié)果見圖7。邊緣檢測的線束方向是磁性體邊界的反映，淺部信息的檢測線束較為零散，呈不規(guī)則雜亂分布；但當(dāng)向上延拓一定高度，檢測所得線束逐漸集中連續(xù)；從北西往南東，出現(xiàn)4條主要的線束密集分布帶，呈“帚狀”撒開，方向從北北東逐漸轉(zhuǎn)換至近東西向。

磁法三維反演可以反映地下磁性體的三維空間分布特征和變化規(guī)律。對該區(qū)域磁測數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維反演，獲得了3 km以淺的磁化率模型。圖8是高磁性體的三維分布特征，從圖中可以看出，完整的高磁性體主要分布在東北部，呈北東向帶狀分布，向南東側(cè)伏，其余的高磁性體規(guī)模較小，呈串珠狀分布于芙蓉島東南側(cè)。從物性資料分析，高磁性體可能反映了變質(zhì)巖的分布。

為了解三山島斷裂南部的構(gòu)造分布，將磁法三維反演水平切片與化極磁異常多尺度邊緣結(jié)果疊合。從圖9中磁化率垂向切片可以看出：三山島斷裂在陸地上的倉上斷裂對應(yīng)中高磁化率中的低磁化率帶，從此特征分析，三山島斷裂在海域中的延伸可根據(jù)磁化率切片來斷續(xù)追蹤；對應(yīng)的多尺度邊緣檢測為斷續(xù)組成的線束，沿著磁化率切片，可以看出邊緣檢測線束沿高磁化率中的低磁化率帶為斷續(xù)分布，說明三山島斷裂往南西可以據(jù)此追蹤。結(jié)合三維反演、多尺度邊緣檢測和垂向?qū)?shù)，推測區(qū)內(nèi)存在如下4條主要的斷裂。

（1） F3斷裂。該斷裂為三山島斷裂的南延。主要依據(jù)是三維反演磁化率切片和多尺度邊緣檢測及化極磁異常垂向一階導(dǎo)數(shù)異常在地面已知地段的響應(yīng)，反推其在淺海區(qū)的延伸。從磁化率切片可以看出高磁化率體中低磁化率產(chǎn)狀總體向南東傾伏，與三山島斷裂傾向一致。因此，綜合分析，厘定的F3斷裂推測為三山島斷裂的南延帶。

（2） F1斷裂。從磁異常強(qiáng)度幅值分析，F(xiàn)1是一條區(qū)域性的大斷裂，對比山東省物化探勘查院編制的《山東省重磁綜合解釋推斷成果圖》，可能是邑大店斷裂在該區(qū)域的分布。

（3） F2斷裂。該斷裂在邊緣檢測和垂向?qū)?shù)上特征非常明顯，推測為邑大店斷裂的次級斷裂。

（4） F4斷裂。從邊緣檢測線束來看該部分為比較連續(xù)的邊界，從磁化率反演切片可以看出低磁化率傾向南東，其西端趨近F3斷裂，往東走向逐漸變?yōu)榻鼥|西向，該斷裂可能是一個潛在的金礦富集帶。

5結(jié)論

重磁數(shù)據(jù)正演模擬及高精度重磁試驗(yàn)工作結(jié)果表明：利用不同磁場特征及重力場特征來劃分巖性界限，具有一定的物性條件。在該區(qū)利用高精度磁法資料、重力測量資料圈定和追索斷裂是可行的。

（1） 三山島斷裂在剩余重力異常圖上反映明顯，均表現(xiàn)為負(fù)剩余重力異常。原因是斷層破碎帶在相同體積下質(zhì)量較少，導(dǎo)致總體密度減小，故其響應(yīng)為低、負(fù)重力剩余異常。

（2） 三山島斷裂負(fù)磁異常在正異常北側(cè)（招平斷裂負(fù)磁異常在正異常南側(cè)）。

（3） 根據(jù)對三山島南淺海和陸域磁測數(shù)據(jù)的處理，初步厘定該區(qū)可能存在的4條斷裂的分布情況。

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（編輯：高小雲(yún)）