劉 嶸,馬見青,李慶春,葉培盛
(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安 710054;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)
重磁電綜合地球物理探測河套盆地深部結(jié)構(gòu)
劉 嶸1,馬見青1,李慶春1,葉培盛2
(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院,西安 710054;2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京 100081)
從地球物理的角度出發(fā),利用重力、磁法及電法勘探對河套盆地第四系深覆蓋區(qū)展開深入研究,對河套斷陷帶南北邊界斷裂——鄂爾多斯北界斷裂、色爾騰山前斷裂的性質(zhì),河套盆地第四紀(jì)沉積物特征及厚度,河套沉積基底構(gòu)造的探測進(jìn)行了大量研究工作,并利用電法剖面對該區(qū)第四紀(jì)含水層分布規(guī)律進(jìn)行了初步研究。通過重磁聯(lián)合反演、天然地震數(shù)據(jù),分析并推斷了研究區(qū)由南向北的4條隱伏斷層F1—F4及狼山—色爾騰山前大斷裂F5,同時揭露了該區(qū)結(jié)晶基底的起伏及埋深,研究區(qū)南部基底深度2.5~4.2 km,北部中心基底最大埋深可達(dá)6 km,北部色爾騰山前斷裂帶迅速升至0~1 km。
河套盆地;磁法勘探;重力勘探;超高密度電法;結(jié)晶基底;隱伏斷層
河套盆地位于華北克拉通的北緣,夾于陰山造山帶與鄂爾多斯盆地之間,為一個近東西向的狹長型新生代斷陷盆地[1](見圖1)。前人研究認(rèn)為,在陰山造山帶造山過程中,主要是以結(jié)晶基底為受力邊界層,并控制著上覆沉積蓋層的構(gòu)造變形[2~3]。河套盆地及其鄰近地域的構(gòu)造類型眾多且復(fù)雜多樣,既存在穩(wěn)定的克拉通與油氣沉積盆地,又包括活動的造山帶。金屬、非金屬礦產(chǎn)資源與油、氣、煤等能源在該區(qū)蘊(yùn)藏豐富[4~6]。因此厘定該盆地的沉積建造和結(jié)晶基底的起伏結(jié)構(gòu),對于研究盆地的形成與演化、研究資源的分布都具有重要的理論意義和實際價值。我國近年來針對鄂爾多斯盆地與華北克拉通地域的深部殼、幔結(jié)構(gòu)與其形成的動力學(xué)過程開展了大量的地質(zhì)與地球物理工作[7~11],并取得了大量有意義的成果,但針對河套盆地地域的研究卻不多見。
圖1 河套盆地及鄰區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline of Hetao Basin and adjacent area
河套盆地西界為狼山山前斷裂,東界為和林格爾斷陷,北界為色爾騰山、烏位山和大青山山前斷裂,南界為鄂爾多斯北緣斷裂,盆地總體走向近東西,長約400 km,寬40~80 km,是鄂爾多斯塊體周緣規(guī)模最大、垂直差異活動最強(qiáng)烈的斷陷帶[12]。由于受到北側(cè)蒙古古生代板塊的南向擠壓、南側(cè)鄂爾多斯陸塊和山西陸塊的阻擋以及鄂爾多斯盆地穩(wěn)定陸塊的左旋運動[13~14],導(dǎo)致在該斷陷盆地的周邊時有地震發(fā)生?;谝延袑Χ鯛柖嗨龟憠K北緣主要活動斷裂分布和晚第四紀(jì)強(qiáng)震復(fù)發(fā)特征的研究,推測河套盆地為未來最可能發(fā)生強(qiáng)震的地區(qū)之一[4]。
對河套斷陷帶南北邊界斷裂——鄂爾多斯北界斷裂、色爾騰山前斷裂的性質(zhì),河套盆地第四紀(jì)沉積物特征、厚度及沉積相變化,河套沉積基底構(gòu)造的探測,是本次地球物理工作的重點,同時開展第四紀(jì)含水層分布規(guī)律的探測,目的是為區(qū)調(diào)填圖地層單元的建立、關(guān)鍵地質(zhì)問題的解決提供地球物理解釋。本文利用河套盆地南北向的重磁電綜合剖面研究了該區(qū)的結(jié)晶基底起伏及斷裂分布,為進(jìn)一步深化研究該區(qū)的構(gòu)造特征提供有力依據(jù)。
研究區(qū)位于內(nèi)蒙古呼勒斯太蘇木(K48E017024)、塔爾湖鎮(zhèn)(K48E018024)、復(fù)興城(K48E019024)、吉爾嘎朗圖鄉(xiāng)(K48E020024)4幅1∶50000圖幅內(nèi),工作區(qū)地理坐標(biāo)范圍:東經(jīng)107°45′—108°00′,北緯40°40′—41°20′,總面積1510 km2(見圖2)。
圖2 河套盆地研究區(qū)概況圖Fig.2 DEM of the Hetao Basin and location of the study area
2.1 巖石電性特征
本次勘查目的層主要為河套盆地第四系及其基底地層。一般情況下,如果不考慮地下水礦化度以及地下溫度的影響,潛水面以下第四系不同堆積物中,粗砂、砂礫石電阻率相對為高值,中、細(xì)砂電阻率稍低,黏土的電阻率最低,電性(收集)特征變化見表1。
在勘查區(qū)內(nèi),地下水礦化度差異較大,是影響電阻率變化的主要因素。結(jié)合在同類地區(qū)勘查的經(jīng)驗,測區(qū)電阻率隨地層巖性和地下水礦化度(收集)變化特征見表2。
表1 河套盆地第四系不同堆積物電阻率統(tǒng)計
表2 河套盆地潛水面以下第四系不同堆積物電阻率及地下水礦化度特征
2.2 巖石磁化率特征
前人對陰山造山帶地區(qū)采集標(biāo)本并測定了磁化率[15],可作為測區(qū)巖石磁性參數(shù)變化的依據(jù)(見表3)。
表3 鄂爾多斯—陰山一帶巖石磁化率參數(shù)[15]
2.3 密度特征
收集了內(nèi)蒙古地區(qū)主要巖石密度(樣本34個,大小30 mm×60 mm),其中板巖密度2.9 g/cm3,閃長巖密度在2.7 g/cm3以上;砂巖密度在2.6 g/cm3左右,部分粉砂巖密度達(dá)到了2.87 g/cm3;黑云母二長花崗巖的密度與砂巖的相近,在2.6~2.7 g/cm3之間變化。
河套盆地地區(qū)新第三系和第四系密度2.0~2.1 g/cm3,侏羅—白堊紀(jì)地層密度2.40~2.66 g/cm3,烏拉山群高磁性基底密度2.30~2.55 g/cm3,基底和其上覆地層之間有明顯的密度界面[16]。在老地層出露或基底埋藏較淺的地區(qū),產(chǎn)生高重力異常;相反地,老地層埋藏深的地方,出現(xiàn)局部重力低異常。
綜上分析,通過高精度重力、磁法測量可以揭示測區(qū)內(nèi)深部基底構(gòu)造特征及斷裂構(gòu)造分布情況;利用超高密度電法和音頻大地電磁測深,可對河套地區(qū)的地下含水層、淺層第四紀(jì)沖洪積物厚度和分層等進(jìn)行探測和研究。
1∶25000高精度重力剖面近南北貫穿工作區(qū),點距100 m,剖面長度91.5 km;1∶10000高精度磁法剖面近南北貫穿工作區(qū),與重力剖面重合,點距40 m,剖面長度110 km;測線分布詳情見圖2。超高密度電法剖面每個排列64根電極,電極距10 m,分31個排列布設(shè)在重磁剖面的局部地段,累計長度19.45 km。
3.1 重力勘探
南北穿過測區(qū)的實測布格重力異常剖面見圖3,幅值變化約100×10-5m/s2,中部相對平緩,南側(cè)異常值上升,北側(cè)出現(xiàn)較強(qiáng)的梯度變化帶,說明這里山前斷裂發(fā)育,且為沉積基底的最厚處。
圖3 100-110-120 測線實測布格重力異常(Δg)與區(qū)域重力對比剖面Fig.3 The measured Bouguer gravity anomaly (Δg) compared with regional gravity anomaly in line 100-110-120
河套盆地地形起伏變化于1000~1150 m之間,地勢極為平緩;在河套盆地北部的陰山造山帶地域地形高程又逐漸提升。根據(jù)經(jīng)典的地殼均衡假說,布格重力異常與地勢一般呈現(xiàn)反相關(guān)的“鏡像”關(guān)系,即地勢越高,布格重力異常值越低。但在河套盆地,其布格重力異常與地勢的分布卻呈現(xiàn)一種近似“同步變化”的特征,這是由于盆地內(nèi)部巨厚低密度沉積物質(zhì)填充所致。進(jìn)入測區(qū)后布格重力值開始緩慢下降,并且在41°09′(測點55 km)左右降至最低值,然后在約41°16′(測點80 km)左右開始迅速提升,直至出測區(qū)都維持高布格異常值。
圖4所示的130線布格重力異常也顯示類似的特征,在約10 km的水平距離內(nèi),異常變化達(dá)80×10-5m/s2,說明山前斷裂產(chǎn)狀較陡。
圖4 130測線實測布格重力異常(Δg)剖面圖Fig.4 Measured Bouguer gravity anomaly profile of profite 130
3.2 磁法勘探
根據(jù)收集的資料,河套盆地內(nèi)新生界主要以風(fēng)積砂土為主,磁性極弱。盆地結(jié)晶基底為強(qiáng)磁性,與上覆沉積地層之間有明顯的磁性差異,是區(qū)內(nèi)磁場出現(xiàn)正異常區(qū)或異常帶的主要原因。
圖5是近南北貫穿測區(qū)的1∶10000實測磁異常與1∶200000航磁異常剖面對比圖[17~18],二者具有較好的一致性,但實測異常局部變化更明顯,精度更高。由于河套盆地大部分都被較厚的新生代沉積地層覆蓋[19~20],沉積層弱磁性對磁異常貢獻(xiàn)則很小,磁異常主要來自于結(jié)晶基底的巖石。
圖5 100-110-120測線實測磁異常(ΔT)與航磁異常對比剖面圖Fig.5 Measured magnetic anomalies (ΔT) and aeromagnetic anomaly profile of profile 100-110-120
3.3 高密度電法
超高密度電法數(shù)據(jù)采集過程中使用多通道數(shù)據(jù)采集方式,充分利用已經(jīng)布好的電極,除供電電極以外其他電極均可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在此過程中縮短了因為進(jìn)行單一數(shù)據(jù)采集而消耗的時間,并且增大了數(shù)據(jù)采集量,從而提高了工作效率[21]。超高密度電法一次數(shù)據(jù)采集量很大,保證了數(shù)據(jù)處理的可靠性。45-44號排列位于測區(qū)中部,為北東方位,起點坐標(biāo)(107°51′E,41°05′N)。在610~920 m段反演顯示明顯的低-高-低三層結(jié)構(gòu);在550~570 m間,推測有斷層存在,兩側(cè)電阻率有明顯變化;地層分布呈水平層狀(見圖6)。整條斷面電阻率低于100 Ω·m,剖面南側(cè)0~550 m測點之間電阻率低于40 Ω·m。L100線斷面位于測區(qū)南部黃河沿岸,排列為北北西方位,起點坐標(biāo)(107°12′E,40°47′N),斷面長1821 m。525~1100 m間電阻率最低,電阻率低于5 Ω·m(見圖7)。南、北兩端地電分布呈現(xiàn)高-低-高的結(jié)構(gòu)特征,但電阻率差異并不明顯。推測地層呈水平層狀,富含地下水且有一定礦化度。110線斷面位于測區(qū)中部西側(cè),排列為北東方位,起點坐標(biāo)(107°45′E,41°01′N)。0~570 m間電阻率斷面呈現(xiàn)高-低二層結(jié)構(gòu),淺地表電阻率稍高,為25~38 Ω·m,下伏地層含水量大,電阻率10~20 Ω·m;570~940 m間電阻率斷面表現(xiàn)為低-高二層結(jié)構(gòu),淺地表電阻率較低,電阻率低于5 Ω·m,地層含水量大,下伏地層電阻率8~10 Ω·m,上下兩層電阻率差異不大(見圖8)。
圖6 排列45-44超高密度反演斷面Fig.6 Ultra high density inversion section in arrangement of 45-44
圖7 100斷面33-36排列超高密度反演斷面Fig.7 Super high density inversion in section 33-36 of the 100 cross section
圖8 110斷面37-100排列超高密度反演斷面Fig.8 Super high density inversion section in arrangement 37-100 of 110 section
三條反演斷面電阻率均很低,這主要與地層含水率高有關(guān),且有一定的礦化度。電性分層明顯,說明盆地地層近似水平。
3.4 單點音頻大地電磁(AMT)測深
110線AMT測深點位于測區(qū)中部黃河以北附近,110號點AMT電阻率反演結(jié)果如圖9所示。電阻率模型表現(xiàn)為高、低互層,地表電阻率較低,隨深度加大逐漸升高;在1000 m深度范圍內(nèi)電阻率分層明顯,電阻率值低于10 Ω·m。由XY和YX兩個模式觀測結(jié)果反演電阻率分布可以看出,測點下方電阻率分布表現(xiàn)出較好的橫向各向同性,電阻率很低,說明沉積環(huán)境穩(wěn)定。
圖9 110線110號點AMT電阻率反演圖 Fig.9 AMT resistivity inversion model from point 110 in line 110
4.1 重磁剖面聯(lián)合反演及結(jié)果分析
采用中國地質(zhì)調(diào)查局RGIS2012軟件進(jìn)行2.5D重磁聯(lián)合反演,得到重磁反演擬合曲線(見圖10),并結(jié)合了該區(qū)DEM圖與天然地震,得到該區(qū)綜合結(jié)構(gòu)模型(見圖11)。
圖10 重磁反演擬合曲線Fig.10 Fitting curves of gravity and magnetic inversion
1—鄂爾多斯臺坳斜坡;②—基底隆升;③—烏加河凹陷;F1—F4—河套新斷層;F5—狼山南緣斷層(色爾騰山前斷裂)圖11 河套覆蓋區(qū)深部模型Fig.11 The deep model of the covered area in Hetao Basin
4.1.1 推斷基底界面特征及斷裂
4.1.1.1 由布格重力異常推斷基底界面特征
重力異??刂埔蛩乇容^復(fù)雜,它受基底和蓋層乃至深部莫霍面等因素的綜合影響。河套盆地沉積蓋層廣泛發(fā)育,層內(nèi)密度橫向差別不大,層間密度差異明顯的主要是蓋層與下伏基底,加之剖面長度有限,因而將剖面上的重力異常變化主要歸結(jié)為結(jié)晶基底的起伏,兼有沉積蓋層不同類巖性界面的局部影響。
由反演結(jié)果看,測區(qū)南端基底變化不大,沉積厚度在2.5~4.2 km之間,沉積厚度自南向北增大,基底界面有明顯的起伏變化,最大厚度沿山前斷裂分布,達(dá)6 km。巨厚的低密度沉積建造使之在地表觀測到明顯的低布格重力異常,這也是造成布格重力異常與地形高程呈特異的同步變化的主要原因。結(jié)晶基底在色爾騰山前斷裂處已出露,野外地質(zhì)調(diào)查可見明顯的基底露頭。高密度基底沿色爾騰山前斷裂升至地表導(dǎo)致該處平均密度值增大,在地表觀測到顯著的呈上升趨勢的高布格重力異常。根據(jù)反演結(jié)果,沉積厚度最大的地區(qū)其基底以下地層平均密度要略高于南側(cè)基底密度。
4.1.1.2 由磁異常推斷基底界面特征
測區(qū)南端磁異常在0 nT附近,而后迅速上升至600 nT左右。從反演過程來看,如果盆地下方巖石磁性均勻一致的話,單純的基底起伏是難以引起如此大的磁場變化的,況且重力并未發(fā)現(xiàn)顯著的基底上隆。航磁異常顯示在該處也為明顯的東西向條帶狀磁異常高值區(qū),前人推測為山體屬推擠造山機(jī)制,山體不斷抬升,其深部軟流層上凸,地幔底辟活動,而地幔物質(zhì)和巖漿則沿塊體邊界以斷裂為通道上涌,形成高磁性的巖體物質(zhì),導(dǎo)致高梯度變化的正異常帶出現(xiàn)。故剖面南部達(dá)600 nT的高正磁異常應(yīng)該是由強(qiáng)磁性烏拉山群巖體引起。測區(qū)北端基巖出露區(qū)磁異常也為高值區(qū),剖面中部和北部磁異常寬緩起伏推測是由高磁性基底局部起伏引起(與重力反演結(jié)果吻合)。
4.1.2 隱伏斷層推斷
在斷裂構(gòu)造作用下,地質(zhì)上會產(chǎn)生各種構(gòu)造現(xiàn)象。深大斷裂可以控制其兩側(cè)的構(gòu)造活動,使巖層被錯斷或發(fā)生裂開,相互錯斷的斷裂破壞了原構(gòu)造的連續(xù)性,形成不同的構(gòu)造格局。發(fā)生斷裂的同時往往伴隨有巖漿活動,這樣就形成密度與磁性上的橫向差異,這種橫向差異在重、磁力異常上必然有所表現(xiàn),具備了利用重、磁異常確定斷裂構(gòu)造的地球物理前提,因而可根據(jù)重、磁異常特征來推斷斷裂。結(jié)合1∶200000內(nèi)蒙古區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(臨河幅)及區(qū)域重磁資料,綜合推斷出5條斷裂:
F1:鄂爾多斯臺坳北緣推測斷裂,大致位于吉日嘎郎圖鎮(zhèn)北側(cè)(緯度40°48′)。在該斷裂附近重、磁異常都一致顯著下降。該斷裂或與高磁性結(jié)晶基底的局部界面起伏有關(guān)。結(jié)合以往相鄰測區(qū)地震資料與測區(qū)航磁資料推測,該斷裂走向近東西,傾向北,傾角約60°。
F2:復(fù)興斷裂(景陽林推測斷層),大致位于復(fù)興鎮(zhèn)南側(cè)(緯度40°55′)。在該斷裂附近磁異常起伏變化明顯,推測該斷裂或與高磁性結(jié)晶基底的局部界面起伏有關(guān)。結(jié)合地震及地質(zhì)資料推測,該斷裂走向近北西,傾向北,傾角約70°。
F3:復(fù)興斷裂(孫家圪旦推測斷層),大致位于復(fù)興鎮(zhèn)北側(cè)(緯度40°58′)。該斷裂附近磁異常由正異常變?yōu)樨?fù)異常,有明顯下降趨勢,布格重力異常也有下降趨勢,與F1、F2一樣與高磁性結(jié)晶基底的局部界面起伏有關(guān)。F2、F3之間基底隆起導(dǎo)致局部微弱重力高。結(jié)合地震及地質(zhì)資料推測,F(xiàn)3走向東西,傾向北,傾角約70°。F2、F3統(tǒng)稱為復(fù)興斷裂。
F4:即五原斷裂(臨河凹陷南緣推測斷裂),大致位于塔爾湖鎮(zhèn)南側(cè)(緯度41°00′)。該斷裂附近重磁異常均呈明顯下降趨勢,直至降到最低值。推測該斷裂面亦是一個巖性分界面,斷裂南側(cè)巖體磁性高(烏拉山群),北側(cè)巖體磁性低(色爾騰山結(jié)晶基底)。該斷裂北側(cè)即為沉積構(gòu)造最厚的地區(qū)。結(jié)合地質(zhì)及地震資料推測,該斷裂近東西走向,傾向北,傾角約45°。
F5:即狼山—色爾騰山前斷裂,是位于河套盆地北界的一條深大斷裂。沿該斷裂以北基底迅速升至地表,導(dǎo)致磁異常和布格重力異常都隨之迅速增大至局部高值。該斷裂在1~3 km深度產(chǎn)狀陡,淺部及深部傾角減小,呈上陡下緩鏟型,結(jié)合地質(zhì)資料,該斷裂走向東西,傾角40°—60°,傾向南。
4.2 天然地震
天然地震是地殼運動最直觀的表現(xiàn)之一,也是地下構(gòu)造活動鮮明的標(biāo)志。本次共收集了研究區(qū)63個天然地震事件,時間范圍自1971至2016,其中Ms>3級的地震有10個[22](見表4),其目的是為了對隱伏斷層的推論提供依據(jù)。通過對天然地震數(shù)據(jù)的投影,可以清晰觀測到在上文推測的隱伏斷層周圍均出現(xiàn)地震密集現(xiàn)象。但是狼山南緣斷層附近未見有天然地震聚集,斷層活動時間早于1971年。
表4 天然地震事件
注:天然地震數(shù)據(jù)來自http://data.earthquake.cn/data/index.jsp
重磁聯(lián)合反演表明,測區(qū)基底埋深普遍超過2000 m,北端盆地中心基底埋深達(dá)7000 m。結(jié)合以往相鄰測區(qū)地震資料與測區(qū)航磁資料推測出5條斷裂(F1—F5),F(xiàn)1走向近東西,傾向北,傾角約60°;F2走向近北西,傾向北,傾角約70°;F3走向東西,傾向北,傾角約70°;F4走向北西,傾向北,傾角約45°;F5(即色爾騰山前斷裂)走向東西,傾角40°—60°,傾向南。
河套盆地北緣色爾騰山前斷裂帶在重、磁、超高密度電法剖面上均有異常反應(yīng)。該異常區(qū)隨著基底抬升,布格重力異常向北呈增大趨勢,梯度變化明顯。斷裂帶兩側(cè)的電阻率差異明顯,電性分界面向南傾斜,且山前斷裂附近沖洪積扇沉積分層結(jié)構(gòu)明顯。
超高密度電法和音頻大地電磁測深結(jié)果表明,河套盆地下覆沉積地層的電阻率很低,電性分層明顯,電阻率分布表現(xiàn)出較好的橫向各向同性,這些都與地層含水率高有關(guān),且有一定的礦化度。同時說明河套盆地地層近似水平,沉積環(huán)境穩(wěn)定。
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GRAVITY, MAGNETIC AND ELECTRIC COMPREHENSIVE GEOPHYSICAL PROSPECTING FOR DEEP STRUCTURES IN HETAO BASIN
LIU Rong1, MA Jian-qing1, LI Qing-chun1, YE Pei-sheng2
(1.SchoolofGeologicalEngineeringandGeomatics,Chang’anUniversity,Xi’an,Shaanxi710054,China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China)
The gravity, magnetic, and electrical methods have been used to reveal the structure developed in the deep covered area of the Hetao Basin. We have carried out a lot of research on the characteristics of the northern and southern boundary faults, the features and thickness of Quaternary sediments and the structures developed in the basement of the Hetao Basin. A preliminary study on the distribution of Quaternary aquifer in this area was made by using electrical resistivity method. The joint inversion results of gravity and magnetic data, and earthquake data have been analyzed. And four concealed fault F1to F4from south to north and Langshan-Seertengshan piedmont fault F5have been revealed. The fluctuation and buried depth of the crystalline basement in the area have been revealed. Depth of the basement in the southern part of the study area is about 2.5~4.2 km, and which in the northern part is up to 6 km. North Adjacent to the Seertengshan piedmont fault, the basement rock has been uplifted to about 0—1 km.
Hetao Basin; magnetic prospecting; gravity exploration; ultrahigh density resistivity method; crystalline basement; buried fault
1006-6616(2016)04-0943-12
2016-09-16
中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“特殊地質(zhì)地貌區(qū)填圖試點”(DD20160060);國家自然科學(xué)基金項目(41374145);中國地質(zhì)調(diào)查局特殊景觀區(qū)填圖試點項目(12120114042101);長安大學(xué)中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2013G1261060)
劉嶸(1992-),男,碩士研究生,地球探測與信息技術(shù)專業(yè)。E-mail:liurong0918@126.com
馬見青(1984-),男,博士,講師。主要從事地震信號多尺度處理,地調(diào)、地質(zhì)填圖綜合地球物理處理與解釋的教學(xué)與研究。E-mail:majianqing1984@126.com
P631
A