新疆準(zhǔn)噶爾北緣覆蓋區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及其地質(zhì)意義
——來自綜合地球物理探測(cè)的證據(jù)

劉堯, 孟貴祥, 呂慶田, 張貴賓, 鄧震, 祁光, 薛融暉

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083 2 中國地質(zhì)科學(xué)院， 北京 100037 3 中國地質(zhì)調(diào)查局中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心， 北京 100037

0 引言

準(zhǔn)噶爾北緣盆山結(jié)合帶是中亞造山帶的重要組成部分，位于西伯利亞板塊和準(zhǔn)噶爾—哈薩克斯坦板塊的結(jié)合部位，歷經(jīng)大洋擴(kuò)張、古洋盆洋殼俯沖消減、碰撞和板內(nèi)運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜的構(gòu)造演化過程.準(zhǔn)噶爾北緣發(fā)育有兩條重要的蛇綠混雜巖帶：扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶、卡拉麥里蛇綠巖帶，同時(shí)發(fā)育少量早古生代與俯沖相關(guān)的島弧火山巖.所以，一直以來準(zhǔn)噶爾北緣盆山結(jié)合帶都是地質(zhì)學(xué)家研究的熱點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容涉及：北疆地區(qū)古生代構(gòu)造格局和造山作用、準(zhǔn)噶爾洋盆演化時(shí)限、古板塊邊界、蛇綠巖帶形成時(shí)代、成因類型及構(gòu)造環(huán)境等重大地質(zhì)問題(Xu et al.，2013；Xiao and Santosh，2014；Su et al.，2010，2012; Zhang et al.，2009; Liu et al.，2013; Luo et al.，2016，2017).

針對(duì)區(qū)內(nèi)出露的扎河壩蛇綠巖帶，地質(zhì)學(xué)家對(duì)其構(gòu)造環(huán)境、侵位過程、形成時(shí)代等進(jìn)行了深入的研究.李錦軼等(1990,1995)認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶是奧陶紀(jì)期間存在的并于晚志留世之前關(guān)閉東準(zhǔn)噶爾洋盆的洋殼殘片，提出其侵位過程可以分為俯沖、碰撞仰沖和陸內(nèi)逆沖推覆等三個(gè)構(gòu)造階段.黃萱等(1997)認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶形成于早寒武世，并且早奧陶世到早泥盆世期間，該蛇綠巖帶的不同地段疊加了后期熱事件.肖文交等(2006)認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶是古亞洲洋的殘余，并以洋內(nèi)弧的形式向北拼貼到阿爾泰地體南緣，形成科迪勒拉型俯沖邊緣.牛賀才等(2009)研究發(fā)現(xiàn)該蛇綠巖帶內(nèi)存在超深俯沖后折返的洋殼，認(rèn)為其是大洋板塊的超深俯沖帶，進(jìn)一步證實(shí)北疆地區(qū)晚古生代新增陸殼是古亞洲洋多次俯沖作用的產(chǎn)物.

雖然針對(duì)該區(qū)域的研究很多，也取得了豐碩的成果，但是已有研究，絕大多數(shù)都是針對(duì)區(qū)內(nèi)出露較好的基巖區(qū)進(jìn)行的.以往對(duì)準(zhǔn)噶爾地區(qū)的地質(zhì)研究，多是將其分為東、西準(zhǔn)噶爾進(jìn)行相對(duì)獨(dú)立的研究，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行了東、西準(zhǔn)噶爾的系統(tǒng)對(duì)比研究(李滌等，2013).在東、西準(zhǔn)噶爾之間是大片被中新生代松散沉積物覆蓋的淺覆蓋區(qū)，地表基巖出露少，構(gòu)造形跡不明顯，基礎(chǔ)地質(zhì)資料不足.這影響了對(duì)準(zhǔn)噶爾北緣盆山結(jié)合帶的整體研究，導(dǎo)致對(duì)一些重要基礎(chǔ)地質(zhì)問題認(rèn)識(shí)比較模糊，爭(zhēng)議較多，如區(qū)域性烏倫古河深大斷裂、扎河壩深大斷裂等在覆蓋區(qū)內(nèi)延伸方向及空間分布位置？西準(zhǔn)噶爾出露的洪古勒楞蛇綠巖帶與研究區(qū)扎河壩蛇綠巖帶之間是否還有蛇綠巖帶存在，若存在，其在覆蓋區(qū)內(nèi)空間展布如何？薩吾爾—二臺(tái)島弧和謝米斯臺(tái)—庫蘭喀孜干島弧等次級(jí)構(gòu)造單元的分界線在哪里？

針對(duì)中新生代松散沉積物覆蓋層對(duì)下伏基巖地質(zhì)情況的“遮蔽”作用，一般通過帶地質(zhì)-地球物理約束的三維反演，獲得地下三維密度、磁化率結(jié)構(gòu)(Lü et al.，2013；陳輝等，2015；祁光等，2012，2014；索奎等，2018；嚴(yán)加永等，2015，2017；鄧震等，2019).本文在三維反演的基礎(chǔ)上，利用綜合地球物理探測(cè)方法，揭示深部隱伏構(gòu)造、巖漿巖空間展布，結(jié)合前人區(qū)域地質(zhì)、巖石地球化學(xué)、同位素地質(zhì)年代學(xué)研究成果，進(jìn)一步厘定區(qū)域斷裂在覆蓋區(qū)的展布、確定各構(gòu)造單元邊界，并探討扎河壩蛇綠巖帶所代表的古洋盆的俯沖極性及其地質(zhì)意義.

1 區(qū)域地質(zhì)與地球物理特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)屬于準(zhǔn)噶爾北緣盆山結(jié)合帶的一部分，位于東西準(zhǔn)噶爾造山帶銜接處，屬哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾微板塊，其北側(cè)為西伯利亞板塊，南部以紅巖斷階帶北斷裂吐孜托依拉斷裂為界與準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)烏倫古凹陷相鄰.自北向南跨越的三級(jí)構(gòu)造單元包括：薩吾爾—二臺(tái)晚古生代大洋島弧、扎河壩早古生代溝弧帶、謝米斯臺(tái)—庫蘭卡孜干—紙房—瓊河壩早古生代島弧.

區(qū)域上主要出露奧陶系、泥盆系、石炭系，二疊系、白堊系地層和第三系、第四系松散蓋層(圖1).區(qū)域斷裂主要為北西-南東向，其次為北北西向、北東向和近東西向(圖1).以往基礎(chǔ)地質(zhì)研究已查明的區(qū)域深大斷裂有：(1)額爾齊斯大斷裂，位于額爾齊斯結(jié)合帶內(nèi)，該斷裂為巖石圈斷裂，發(fā)育碎裂-糜棱巖帶，屬壓扭性質(zhì)，北盤南沖，具明顯韌性剪切.(2)可可托?！_(tái)斷裂，主要以北北西向右行走滑剪切為主，形成糜棱巖、糜棱巖化巖石，南東-南東東向具有糜棱巖化與劈理化共同作用的特點(diǎn).(3)薩爾布拉克斷裂，被可可托?！_(tái)斷裂右行錯(cuò)動(dòng)，斷裂以北為額爾齊斯—瑪因鄂博縫合帶，以南為二臺(tái)古生代復(fù)合島弧帶.該斷裂對(duì)該區(qū)火山沉積作用尤其是巖漿侵入活動(dòng)有明顯的控制作用.(4)扎河壩斷裂，切割寒武-奧陶紀(jì)扎河壩蛇綠巖和中、下泥盆統(tǒng)，圖1中蛇綠巖帶北界斷裂.野外地質(zhì)剖面測(cè)量顯示該斷層性質(zhì)為向北傾的逆斷層，與烏倫古河大斷裂傾向相對(duì).(5)烏倫古河大斷裂，圖1中扎河壩蛇綠巖帶南界斷裂，呈北西-南東走向，傾向南西，斷裂在扎河壩以東地區(qū)出露較好，扎河壩以西被第四系覆蓋.

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖(a)及綜合地球物理剖面位置(b)Fig.1 The tectonic setting (a) and geophysical profile (b)

研究區(qū)侵入巖出露最為廣泛的為石炭世花崗質(zhì)侵入巖，基性侵入巖僅少量分布.其中早石炭世殼幔混源I-A型花崗巖分布在烏倫古河斷裂—薩爾布拉克大斷裂之間，侵入的最新地層為下石炭統(tǒng)姜巴斯套組，出露的巖性主要包括閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖等.晚石炭世幔源A型花崗巖(扎河壩堿長(zhǎng)花崗巖)主要分布在烏倫古河斷裂以南，侵入的最新地層為下石炭統(tǒng)黑山頭組，出露的巖性主要包括輝長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)花崗巖、堿長(zhǎng)花崗巖等.

1.2 地球物理特征

1.2.1 區(qū)域衛(wèi)星重力場(chǎng)特征

區(qū)域重力異常來自全球布格重力異常(WGM2012)，數(shù)據(jù)分辨率為2′×2′，數(shù)據(jù)范圍87°E—91°E,44°N—48°N.區(qū)域重力異常顯示(圖2a)，研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾東北緣布格重力負(fù)異常梯度帶東北部、烏倫古—二臺(tái)重力高異常區(qū)內(nèi).區(qū)域布格重力場(chǎng)由西北向西南和東北明顯遞減(圖2a)，局部重力異常比較發(fā)育，主要表現(xiàn)為相對(duì)高值區(qū)等值線封閉和北西向“紡錘狀”的等值線同向彎曲等.北西向重力區(qū)域布格重力相對(duì)高值區(qū)對(duì)應(yīng)于泥盆紀(jì)中基性火山-沉積建造.衛(wèi)星布格重力異常表明本區(qū)莫氏面埋深偏淺，地殼薄，集中表現(xiàn)了以莫氏面為主導(dǎo)的深部構(gòu)造隆起區(qū)和上層建造變化的特點(diǎn).

1.2.2 區(qū)域磁場(chǎng)特征

區(qū)域磁異常來自全球磁異常(EMAG2)，數(shù)據(jù)分辨率為2′×2′，數(shù)據(jù)范圍87°E—91°E,44°N—48°N.區(qū)域磁異常顯示(圖2b)，研究區(qū)位于扎河壩—二臺(tái)正磁異常內(nèi)，以北西向條帶狀展布為特征，中部高兩側(cè)低.中部正磁異常推測(cè)為隱伏中基性火山巖及或基性、超基性巖漿巖體引起，以此為中心向南北方向階梯狀遞減，在南部烏倫古河斷裂南盤(下降盤)附近，表現(xiàn)為北西西向負(fù)磁異常.條帶狀的弧形異常主要與泥盆紀(jì)-石炭紀(jì)的火山巖建造中磁性體有關(guān).條帶狀正負(fù)磁異常相間的格局表明它們之間存在構(gòu)造(向斜或者背斜).局部正磁場(chǎng)異常反映了淺部中基性火山巖及可能存在的基性-超基性巖漿巖體的分布特征.

圖2 區(qū)域重磁異常(圖中黑色框?yàn)檠芯繀^(qū)范圍)(a) 布格重力異常； (b) 磁異常.Fig.2 Regional gravity and magnetic anomalies (study area in the black frame)(a) Bouguer gravity anomalies； (b) Magnetic anomalies.

1.2.3 巖石物性特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)各類地質(zhì)體的物性的測(cè)定、統(tǒng)計(jì)和特征分析是進(jìn)一步開展地球物理反演解釋的基礎(chǔ)，是推斷地下物質(zhì)組成的必要條件.為此，本次研究通過野外實(shí)測(cè)并收集前人物性研究成果，得到該區(qū)巖石密度、磁化率、電阻率，對(duì)它們進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析.

全區(qū)密度最低者為中新生代蓋層，平均1.49 g·cm-3.沉積巖平均密度2.65 g·cm-3，其中凝灰質(zhì)砂巖密度較高，達(dá)到2.75 g·cm-3.侵入巖密度平均值2.59 g·cm-3，主要為酸性侵入巖，相對(duì)于周圍地層密度偏低，隨酸性增強(qiáng)，密度逐漸減小.火山碎屑巖密度可分為兩類：凝灰?guī)r密度較高，平均2.76 g·cm-3；火山角礫巖密度相對(duì)略低，平均2.64 g·cm-3.火山熔巖中粗面巖、英安巖密度較低，平均值為2.61 g·cm-3；基性火山熔巖平均值2.78 g·cm-3，其中玄武巖密度平均為2.82 g·cm-3，為全區(qū)密度最高的巖石(表1).

表1 研究區(qū)巖石物性參考表Table 1 Physical property parameters of rock in the study area

區(qū)內(nèi)巖礦石磁化率普遍呈弱磁性，其中火山巖磁性相對(duì)較高，玄武巖、安山巖等火山熔巖均值5.68×10-3SI，以凝灰?guī)r為代表的火山碎屑巖均值5.84×10-3SI.侵入巖中以輝長(zhǎng)巖、輝綠巖為代表的中基性侵入巖磁性最強(qiáng)；酸性侵入巖中二長(zhǎng)花崗巖磁性最強(qiáng)，正長(zhǎng)巖次之，其余近無磁性.另外，流紋巖、安山巖均存在一定剩余磁化強(qiáng)度，其中流紋巖剩磁最強(qiáng).

地表出露巖石電阻率遠(yuǎn)高于中新生代蓋層，其中花崗巖電阻率最高，火山碎屑巖次之，沉積巖類電阻率處于火山碎屑巖和中基性火山熔巖之間，電阻率最低的是粗面巖.

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集與剖面布設(shè)

本次研究所用重磁數(shù)據(jù)均來自1∶5萬地面測(cè)量，測(cè)量網(wǎng)格為100 m×500 m，數(shù)據(jù)范圍60 km×40 km.重力數(shù)據(jù)使用CG-5 型重力儀測(cè)量，磁法測(cè)量使用GSM-19T磁力儀.電磁測(cè)深數(shù)據(jù)采集使用EH-4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)，采集頻率范圍10～100 kHz，偶極距40 m，接地電阻不大于2000 Ωm，觀測(cè)參數(shù)為Ex、Ey、Hx、Hy.

為了揭示準(zhǔn)噶爾北緣覆蓋區(qū)下伏基巖地質(zhì)情況(地層、構(gòu)造、巖漿巖)，于扎河壩蛇綠巖帶西側(cè)布設(shè)一條平均點(diǎn)距200 m，總長(zhǎng)42 km的綜合地球物理探測(cè)剖面(圖1中 AB剖面).該剖面近似垂直區(qū)域構(gòu)造線方向，經(jīng)過主要區(qū)域重磁異常，由北向南依次穿過薩吾爾—二臺(tái)晚古生代大洋島弧、扎河壩早古生代溝弧帶、謝米斯臺(tái)—庫蘭卡孜干—紙房—瓊河壩早古生代島弧等三級(jí)構(gòu)造單元.旨在厘定區(qū)域斷裂在覆蓋區(qū)的展布、確定各構(gòu)造單元邊界、查明扎河壩蛇綠巖帶在北西方向的延伸情況等基礎(chǔ)地質(zhì)問題，并依次為切入點(diǎn)討論該區(qū)的構(gòu)造演化過程.

2.2 重磁數(shù)據(jù)處理及場(chǎng)分離

野外實(shí)測(cè)重力數(shù)據(jù)進(jìn)行了八方位地形改正、布格改正和正常場(chǎng)改正，獲得布格重力異常.為消除斜磁化的影響，對(duì)原始磁異常進(jìn)行了化磁極處理，得到化極磁異常(圖3).

圖3 研究區(qū)重磁異常(a) 布格重力異常; (b) 化極磁異常.Fig.3 Gravity and magnetic anomalies in the study area(a) Bouguer gravity anomalies; (b) Reduction to the pole magnetic anomalies.

利用重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行三維反演之前，需要對(duì)異常進(jìn)行分離，去除莫霍面、居里面起伏等深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)引起的區(qū)域重、磁異常，獲取隱伏斷裂、侵入體、火山巖地層分布等目標(biāo)地質(zhì)體引起的局部剩余異常.研究區(qū)為戈壁覆蓋區(qū)，地勢(shì)平坦，故反演無需考慮地形起伏影響.

重磁異常分離方法比較多，但各種方法均有利弊，實(shí)際應(yīng)用中往往需要根據(jù)不同地質(zhì)情況，對(duì)比分析各方法的效果，最終選用實(shí)際效果最好的方法.本文對(duì)向上延拓、窗口濾波、趨勢(shì)分析三種方法的場(chǎng)分離結(jié)果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)利用向上延拓8 km求取得到的剩余場(chǎng)與地表已知地質(zhì)信息吻合度較高，因此采用向上延拓8 km的方法計(jì)算區(qū)域場(chǎng).然后從布格重力異常減去區(qū)域重力場(chǎng)得到剩余布格重力異常(圖4a); 從化極磁異常減去區(qū)域磁場(chǎng)得到剩余化極磁異常(圖4b).因?yàn)榇女惓Ｊ軠\部高頻干擾較大，因此所得到的剩余磁異常含有很多毛刺，這樣會(huì)導(dǎo)致后續(xù)反演誤差變大，迭代無法收斂.為了改善反演結(jié)果，對(duì)剩余磁異常進(jìn)行低通濾波，使得數(shù)據(jù)相對(duì)平滑.

圖4 研究區(qū)剩余重磁異常(a) 剩余布格重力異常； (b) 剩余化極磁異常.Fig.4 Residual gravity and magnetic anomalies in the study area(a) Residual Bouguer gravity anomalies； (b) Residual reduction to the pole magnetic anomalies.

2.3 重磁三維反演

本文使用基于先驗(yàn)信息約束的重磁三維反演方法(Li and Oldenburg, 1996, 1998)獲取研究區(qū)深部的密度和磁化率結(jié)構(gòu).根據(jù)本文的研究目標(biāo)，結(jié)合重磁異常的范圍及分辨率，確定反演深度范圍自地表至地下8 km.正則化反演的本質(zhì)是最優(yōu)化問題，通過最小化目標(biāo)函數(shù)(式1)求解該最優(yōu)化問題，最終獲得最優(yōu)解模型.

(1)

φd=‖Wd(Gm-dobs)‖2

=‖diag(1/σi)·(Gm-dobs)‖2,

(2)

(1)式中右端第一項(xiàng)為數(shù)據(jù)擬合差函數(shù)；第二項(xiàng)為模型目標(biāo)函數(shù)，μ是正則化因子；第三項(xiàng)為對(duì)數(shù)界限函數(shù)，λ為界限參數(shù).(2)式中G是核函數(shù)矩陣；m是模型；dobs為實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)；σi為第i個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差，其倒數(shù)構(gòu)成一個(gè)對(duì)角矩陣，即為權(quán)重矩陣Wd.

(3)

式中m0是參考模型；wr是距離加權(quán)函數(shù)；αs，αx，αy和αz是分別為模型長(zhǎng)度系數(shù)和x,y,z三個(gè)方向的光滑系數(shù).

本文重磁三維反演所采用的剖分網(wǎng)格方案為：在網(wǎng)格中心及周邊區(qū)域水平方向采用最大分辨率200 m×200 m，之后網(wǎng)格尺寸等間隔擴(kuò)大，最大網(wǎng)格尺寸1000 m×1000 m；垂向最大分辨率為100 m，反演深度8000 m；網(wǎng)格單元總數(shù)為322×218×46個(gè).

本次反演設(shè)置解模型密度變化范圍為-0.4～0.4 g·cm-3，磁化率變化范圍為0～0.1 SI.考慮該區(qū)地層主要為火成巖地層，且構(gòu)造線方向?yàn)楸睎|向，所以對(duì)于重力三維反演，設(shè)定模型的長(zhǎng)寬高比值為5∶2∶2；磁三維反演時(shí)設(shè)定模型的長(zhǎng)寬高比值為5∶4∶4.正則化因子μ的選取與觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差水平有密切關(guān)系，誤差較大時(shí)選取較大的μ值，反之應(yīng)選取較小的μ值.本文采用廣義交叉驗(yàn)證(GCV)方法(Li and Oldenburg, 2003)來估計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差并計(jì)算μ值.

剩余布格重力異常的三維反演結(jié)果(圖5)顯示：研究區(qū)密度結(jié)構(gòu)具有橫向非均勻性，高密度體與低密度體交替出現(xiàn)，而且縱向有向深部延伸的趨勢(shì).從三維切片圖可以看到，密度結(jié)構(gòu)的走向與地表構(gòu)造線走向一致.高密度體主要為隱伏的中基性火山巖體或地層，低密度體對(duì)應(yīng)深大斷裂的破碎帶或沿?cái)嗔延缮畈壳秩氲乃嵝詭r體.剩余化極磁異常反演結(jié)果(圖6)顯示：磁性體在研究區(qū)東北區(qū)域連續(xù)分布，反映了泥盆紀(jì)火山巖地層的賦存狀態(tài)；高磁體中間的零散分布的低磁性物質(zhì)以及熱液蝕變導(dǎo)致的熱退磁的火山巖；北西向的負(fù)磁異常，對(duì)應(yīng)無磁性的斷裂破碎帶.

圖5 密度結(jié)構(gòu)圖(a) 三維密度結(jié)構(gòu)的正演重力異常; (b) 重力反演結(jié)果.Fig.5 3D view of density structure(a) Gravity anomalies of 3D density structure; (b) Results of gravity inversion.

圖6 磁化率結(jié)構(gòu)圖(a) 三維磁化率結(jié)構(gòu)的正演磁異常; (b) 磁反演結(jié)果.Fig.6 3D view of susceptibility structure(a) Magnetic anomalies of 3D susceptibility structure; (b) Results of magnetic inversion.

2.4 隱伏斷裂識(shí)別

多尺度邊緣檢測(cè)深大斷裂通常是活動(dòng)斷裂構(gòu)造，其上下盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)錯(cuò)斷早期存在的地層單元或地質(zhì)體，形成較寬的斷裂破碎帶，并且經(jīng)常沿?cái)嗔褧?huì)發(fā)育巖漿活動(dòng)，形成侵入巖體.破壞原有的地質(zhì)體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，形成橫向的密度差異，為重力識(shí)別隱伏斷裂提供了物性前提.

多尺度邊緣檢測(cè)方法被證明在隱伏斷裂識(shí)別中有較好的效果(嚴(yán)加永等,2015)，本方法首先通過一系列向上延拓獲得反應(yīng)地下不同深度的重力場(chǎng)值，再計(jì)算水平總梯度模的局部極大值，此極大值所在位置即為物性邊界.并且根據(jù)不同延拓高度的場(chǎng)值所識(shí)別出的邊界位置，可以定性判斷邊界在深部的傾向信息.本文以布格重力異常作為初始場(chǎng)，向上延拓高度自100～8000 m，并對(duì)9個(gè)延拓高度的場(chǎng)值進(jìn)行多尺度邊緣檢測(cè)(圖7).

圖7 多尺度邊緣檢測(cè)結(jié)果Fig.7 The result of multiscale edge detection

邊緣檢測(cè)結(jié)果中的線性線束為隱伏斷裂，環(huán)狀或有閉合趨勢(shì)的形狀對(duì)應(yīng)隱伏巖體邊界.該區(qū)主要構(gòu)造方向?yàn)楸蔽鞣较?，另外區(qū)內(nèi)北東向斷裂也較發(fā)育，但規(guī)模不及北西向斷裂，這與搜集得到的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果一致.結(jié)合剩余重力異常、化極磁異常、淺鉆化探取樣結(jié)果以及基巖出露區(qū)地質(zhì)資料，綜合對(duì)比研究，得到覆蓋區(qū)斷裂體系分布(圖8)，解譯出北西向深大斷裂4條：F1—F4.從異常錯(cuò)斷和扭曲的特征看，區(qū)內(nèi)北東向斷裂多錯(cuò)斷了早期北西向斷裂構(gòu)造，多為左行斷裂屬性，但斷裂深度、規(guī)模不大.

圖8 隱伏斷裂體系分布Fig.8 Distribution of faults

2.5 地球物理綜合剖面2.5維交互式聯(lián)合反演

為了獲取研究區(qū)的深部精細(xì)地質(zhì)構(gòu)造，對(duì)綜合地球物理探測(cè)剖面(圖1中 AB剖面)進(jìn)行人機(jī)交互聯(lián)合反演.具體研究思路為：首先利用重力、磁法、 AMT數(shù)據(jù)的單一物性反演結(jié)果構(gòu)建初始地質(zhì)-地球物理剖面模型，然后利用Modelvision軟件進(jìn)行人機(jī)交互聯(lián)合反演.重磁異常有很好的橫向分辨率，但深度分辨率較差；所以本研究希望利用電磁法引入深度方向的信息，約束聯(lián)合反演.但是研究區(qū)為第四系覆蓋區(qū)，地表蓋層表現(xiàn)為低阻，對(duì)電磁信號(hào)有一定的吸收，使得探測(cè)深度受限，根據(jù)AMT的實(shí)際探測(cè)深度，確定剖面反演深度為2 km.

對(duì)剖面重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行向上延拓2 km獲得區(qū)域場(chǎng)，然后從總場(chǎng)減去區(qū)域場(chǎng)，得到用于剖面聯(lián)合反演的剩余重磁異常.從剩余布格異常和剩余化極磁異常三維反演結(jié)果中提取AB剖面地表以下，2 km以淺范圍內(nèi)的密度擾動(dòng)及磁化率擾動(dòng)分布(圖9c、d)；為了獲得地下巖層在深度方向的電性差異，采用Bostick方法對(duì)AMT數(shù)據(jù)在TE模式下進(jìn)行反演，得到電阻率分布(圖9e).從電阻率反演結(jié)果可以看到，整條剖面電性結(jié)構(gòu)可以分為三部分：近地表低阻蓋層、深部團(tuán)塊狀高阻侵入體、以及電阻率介于二者之間的火山沉積層.剖面最南側(cè)地表覆蓋過厚，電磁場(chǎng)能量衰減過快，1 km以下電磁信號(hào)未能有效獲取，影響探測(cè)深度.自南向北表層低阻蓋層的厚度逐漸減小，與淺鉆工程地質(zhì)所揭示的中新生代蓋層由南向北減薄有很好的一致性.淺部出現(xiàn)的規(guī)模較小的高阻體認(rèn)為是從深部沿?cái)嗔亚秩氲膸r脈.整條剖面電阻率最大的地質(zhì)體出現(xiàn)在剖面10～14 km處，對(duì)應(yīng)剩余高重力異常，且高阻體南側(cè)邊界出現(xiàn)全區(qū)最大的高磁異常.

重力反演獲得的密度擾動(dòng)分布(圖9d)顯示，地表以下的密度結(jié)構(gòu)不具有層狀特征，高密度體與低密度體在水平方向交替出現(xiàn)，且深部物質(zhì)的密度高于淺部，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)研究成果推測(cè)引起高重力異常的地質(zhì)體為與泥盆紀(jì)火山噴發(fā)相關(guān)的中基性巖漿巖，低重力異常為深大斷裂帶或石炭紀(jì)區(qū)域拉張環(huán)境下形成的酸性侵入體.并且引起重力異常的源物質(zhì)由深部向上延伸而來.重力反演結(jié)果很好地刻畫了剖面上密度物性的變化特征，指示了斷裂、隱伏巖體的位置、賦存形態(tài).

本研究區(qū)主要重磁異常體具有同源特性，此情況下磁場(chǎng)與重力場(chǎng)滿足泊松方程，磁場(chǎng)可認(rèn)為是重力場(chǎng)的一階導(dǎo)數(shù)，能更好的反應(yīng)淺部場(chǎng)源信息.磁性物質(zhì)的來源一般都是巖漿成因，磁性物質(zhì)的侵入會(huì)引起高磁異常，同樣巖漿熱液的作用也會(huì)使得一些原本有磁性的巖石發(fā)生熱退磁.磁化率顯著變化的物性界面，較大可能的發(fā)育巖漿活動(dòng).磁法反演結(jié)果顯示深部以無磁性或弱磁性物質(zhì)為主，沿?cái)嗔褞б驗(yàn)閹r漿活動(dòng)分布少量高磁性的物質(zhì).

由于重力、磁法、AMT單一物性反演均有很大的多解性，無法準(zhǔn)確反映剖面深部的真實(shí)地質(zhì)結(jié)構(gòu).因此選擇以單一物性反演結(jié)果為初始模型，利用Modelvision軟件進(jìn)行人機(jī)交互聯(lián)合反演.綜合單一物性反演得到的磁化率、密度擾動(dòng)、電阻率分布，結(jié)合巖石物性特征、多尺度邊緣檢測(cè)成果、先驗(yàn)地質(zhì)信息，確定隱伏斷裂的水平位置、傾向以及隱伏巖體的范圍和形狀，形成初始模型，然后反演擬合，并在此過程中不斷調(diào)整模型位置及幾何形狀，使其與重磁數(shù)據(jù)擬合，最終得到包含：斷裂水平位置及傾向、侵入巖體深度及形態(tài)、地層賦存狀態(tài)等信息的綜合地質(zhì)推斷結(jié)果(圖9f).

圖9 AB剖面反演及推斷解釋結(jié)果(a) 重力異常及擬合曲線； (b) 磁異常及擬合曲線； (c) 磁化率分布； (d) 密度分布； (e) 電阻率分布； (f) 地質(zhì)解釋.Fig.9 Results of AB profile inversion and inferential interpretation(a) Gravity anomalies and fitted curve； (b) Magnetic anomalies and fitted curve； (c) Susceptibility distribution； (d) Density distribution； (e) Resistivity distribution； (f) Geologic interpretation.

3 討論

3.1 深大斷裂推斷

深大斷裂具多期次活動(dòng)特點(diǎn)，斷裂帶內(nèi)剛性巖石破碎-碎裂程度高，微細(xì)粒碎屑巖石類泥化發(fā)育，在地球物理場(chǎng)上變現(xiàn)為重力梯度帶中的明顯低重-低阻異常組合特征；磁異常特征則依據(jù)不同的地質(zhì)條件而不同，存在沿深斷裂構(gòu)造后期熱液流體活動(dòng)或不同屬性的巖漿熱液活動(dòng)時(shí)，依據(jù)不同的具體地質(zhì)條件(圍巖性質(zhì)、侵入巖物理化學(xué)屬性和熱液流體性質(zhì)等)有不同的異常特征.本文利用綜合地球物理探測(cè)手段，結(jié)合三維反演、多尺度邊緣檢測(cè)以及綜合剖面的人機(jī)交互聯(lián)合反演，解譯出4條深大斷裂.

F1:吐孜托依拉斷裂.位于剖面南側(cè)，邊緣檢測(cè)結(jié)果由淺至深均有很好地表現(xiàn)，并且深部斷裂位置向北略微偏移.剖面反演結(jié)果為向北陡傾的低密度物性分界線，沿低密度體有磁性物質(zhì)填充，北側(cè)深部電阻率高于南側(cè).區(qū)域布格重力異常圖上，表現(xiàn)為明顯的重力梯度陡變帶，在喀拉布勒根南存在一個(gè)向北“頂入”的似三角的楔形地質(zhì)體，造成該處重力陡變帶呈向北凸出的弧形梯度陡變帶特征.另外石油地質(zhì)研究中開展的地震勘探及石油鉆井皆證實(shí)，準(zhǔn)噶爾盆地北緣盆山結(jié)合帶存在向北陡傾的逆沖推覆斷裂系，為烏倫古(索索泉)凹陷北部的紅巖斷裂階一部分(譚紹泉，2012).綜合已有資料，認(rèn)為該斷裂為區(qū)域紅巖斷裂階內(nèi)吐孜托依拉斷裂(F1)，控制了烏倫古 “簸箕式”凹陷盆地北界，斷裂具有逆沖性質(zhì)，產(chǎn)狀較陡.

F2：丹壩南斷裂.位于剖面10 km位置，為一明顯物性分界面，略微北傾.邊緣檢測(cè)結(jié)果表明此斷裂深度較大，重磁異常圖上該物性分界面有清晰地反映，為明顯的重力梯級(jí)帶、低阻異常和零星的串珠狀磁異常，兩側(cè)密度變化十分明顯.該斷裂被后期北東向斷裂左行錯(cuò)斷的局部重磁異常特征明顯.該斷裂受后期構(gòu)造-巖漿活動(dòng)影響較強(qiáng)，沿?cái)嗔褞蟼?cè)出現(xiàn)條帶狀負(fù)磁異常，判斷為后期熱液活動(dòng)引起的消磁現(xiàn)象的反應(yīng).綜合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)單元及地球物理場(chǎng)異常對(duì)比分析，推斷該物性分界面為一深大斷裂——丹壩南斷裂.與南部F1斷裂之間的地質(zhì)體屬于塔爾巴哈臺(tái)—阿爾曼太古生代島弧一部分，以中基性火山巖、火山碎屑巖建造為主體，在空間上與前人劃分的謝米斯臺(tái)—庫蘭卡孜干古生代島弧可大體對(duì)比.

F3：烏倫古河斷裂.位于剖面34 km位置，為一低磁、低密度、低電阻率的近似三角狀楔入體，邊緣檢測(cè)結(jié)果表明此斷裂深度延伸超過5 km，密度分界面略向南傾，傾角較陡.布格重力異常圖上表現(xiàn)為重力梯度帶，航磁異常圖上表現(xiàn)出明顯的負(fù)異常.該斷裂在剖面以西絕大部分被第四系覆蓋，向東延伸至扎河壩地區(qū)并控制扎河壩蛇綠巖南部邊界.根據(jù)地表出露情可以觀察到，斷裂上盤強(qiáng)烈破碎，斷裂下盤地層出現(xiàn)牽引褶皺，該斷裂系具有壓性的高角度逆沖斷裂.對(duì)比區(qū)域及鄰區(qū)地質(zhì)單元，初步推斷該斷裂與南部F1斷裂之間的地質(zhì)體仍屬塔爾巴哈臺(tái)—阿爾曼太古生代復(fù)合島弧.

F4：扎河壩斷裂.該斷裂位于剖面北側(cè)，其南側(cè)為低磁、高密度的蝕變地質(zhì)體，斷裂兩側(cè)電阻率亦出現(xiàn)明顯差異，航磁異常呈條帶狀延伸.該斷裂向東延伸至扎河壩蛇綠巖北側(cè)，切割寒武-奧陶紀(jì)扎河壩蛇綠巖和中、下泥盆統(tǒng).地質(zhì)剖面測(cè)量揭示斷層性質(zhì)為向北陡傾的逆斷層，與烏倫古河大斷裂傾向相對(duì).在斷裂南部，通過淺鉆成功發(fā)現(xiàn)了蛇紋石化超基性巖(鄧震等，2019)，說明在扎河壩斷裂(F4)與烏倫古河斷裂(F3)之間為存在隱伏蛇綠混雜巖帶，其應(yīng)該是扎河壩蛇綠混雜巖帶向西延伸部分.且斷裂兩側(cè)的巖石蝕變和變形特征明顯不同，因此認(rèn)為該斷裂為研究區(qū)北部薩吾爾—二臺(tái)古生代復(fù)合島弧帶與扎河壩蛇綠混雜巖帶的分界斷裂.

3.2 隱伏侵入巖體

按巖體的物理化學(xué)性質(zhì)，通常將隱伏巖體大體分為酸性、中性和基性-超基性巖體三類，不同的類別對(duì)應(yīng)不同的物性組合特征.酸性巖體大多具有低密度、弱-無磁和高電阻物理性質(zhì)，但在后期強(qiáng)烈構(gòu)造活動(dòng)(韌-脆性剪切)和熱液蝕變條件下，會(huì)形成明顯的低阻異常，磁異常一般表現(xiàn)為低負(fù)異常背景，局部異?？赡芘c后期熱液活動(dòng)及中基性巖脈的侵入活動(dòng)有密切關(guān)系.中性侵入巖體多表現(xiàn)為重力高、中等-高磁異常和高電阻異常組合；但若與中性火山巖(或次火山巖)同時(shí)受到后期熱液退磁時(shí)，二者很難區(qū)分，需依據(jù)先驗(yàn)地質(zhì)信息大致推斷.基性-超基性侵入巖體一般表現(xiàn)為高磁、高重、高阻異常組合；與火山巖區(qū)玄武巖類的磁異常形態(tài)較雜亂不同，后期基性侵入巖體的磁異常形態(tài)較為規(guī)則.

此剖面上有一定規(guī)模的侵入體共有三個(gè)，均為低密度體，電阻率為中高阻，判斷為酸性侵入體；另外還發(fā)育一些規(guī)模較小的中基性脈巖.酸性侵入體A1，為一近似直角三角形的低密度、低磁化率的隱伏體，其北界為F2斷裂，推斷為沿深大斷裂侵入于火山碎屑巖中的酸性侵入體，相對(duì)北側(cè)的火山巖，電阻率表現(xiàn)為低阻，推斷發(fā)生了熱液蝕變.其南側(cè)存在向南傾斜的高磁高重的板狀體，推測(cè)為沿?cái)嗔蚜严肚秩氲闹谢詭r脈.

酸性侵入體A2，為一楔形低密度、高磁地質(zhì)體，地表東側(cè)零星出露石炭紀(jì)堿性花崗巖體，結(jié)合物性統(tǒng)計(jì)結(jié)果，推斷此為一隱伏酸性侵入體，其表現(xiàn)高磁性的原因可能為黑云母二長(zhǎng)花崗巖中含有的磁鐵礦等副礦物.

酸性侵入體A3，剖面反演推斷結(jié)果顯示其為自深部楔入的低密度、低磁的物質(zhì)，地表有酸性巖體出露，F(xiàn)3深大斷裂位于此位置，故推斷此處有沿?cái)嗔押笃谇秩氲乃嵝詭r體.

3.3 扎河壩—阿爾曼太古洋巖石圈板塊的俯沖極性

扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶所代表的古洋盆的巖石圈板塊的俯沖極性一直以來都是學(xué)術(shù)界討論的焦點(diǎn).李錦軼等(1990,1995)根據(jù)索爾巴斯他烏—紙房島弧一帶出露的索爾巴斯他烏群及荒草坡群的巖性組合以及其中侵入的島弧型花崗質(zhì)巖石，推斷扎河壩蛇綠巖帶南側(cè)為洋盆拉張邊緣或洋內(nèi)島弧.提出：準(zhǔn)噶爾地塊北部弧盆體系的形成及演化可能與東準(zhǔn)噶爾洋盆的洋殼板片向其南側(cè)的準(zhǔn)噶爾地塊之下的俯沖消減有關(guān).黃萱等(1997)認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶為古亞洲洋向南俯沖在阿爾泰弧南形成的弧后小洋盆的洋殼殘片.

與以上研究認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶是古洋盆向南俯沖消減的觀點(diǎn)不同，肖文交等(2006)認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太蛇綠巖帶是古亞洲洋的殘余，并以洋內(nèi)弧的形式向北拼貼到阿爾泰地體南緣，形成科迪勒拉型俯沖邊緣.李榮社等(2012)提出阿爾曼太(扎河壩)蛇綠構(gòu)造混雜帶是華力西—印支期由南向北高角度逆沖推覆斷裂鏟起了早古生代(額爾其斯—卡拉麥里斷裂間)增生雜巖楔(蛇綠巖塊)推覆構(gòu)造帶.

趙同陽等(2017)對(duì)扎河壩地區(qū)蛇綠巖帶中的玄武巖進(jìn)行巖石地球化學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)富鈮高鎂的洋中脊玄武巖，并運(yùn)用洋板塊地質(zhì)學(xué)理論進(jìn)行解釋，提出扎河壩—阿爾曼太古洋盆在奧陶紀(jì)初期開始匯聚，洋殼分別向南北兩側(cè)雙向俯沖消減.本次所進(jìn)行的地球物理綜合研究為此觀點(diǎn)提供了新證據(jù)，多尺度邊緣檢測(cè)及地球物理反演得到的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)均表明，控制扎河壩蛇綠巖帶南北界的兩條深大斷裂F3、F4分別為南傾和北傾，在深部構(gòu)成開口向下的對(duì)稱扇形構(gòu)造樣式，顯示此蛇綠巖帶所代表的古洋盆具有雙向俯沖的特征.

3.4 東準(zhǔn)噶爾地區(qū)構(gòu)造演化過程

早古生代初期，東準(zhǔn)噶爾地區(qū)位于中亞古板塊內(nèi)部，構(gòu)造演化以板內(nèi)運(yùn)動(dòng)為主.中寒武世開始，中亞古板塊開始裂解，進(jìn)入洋盆擴(kuò)張時(shí)期，扎河壩—阿爾曼太洋開始發(fā)育，一直持續(xù)至早奧陶世末(圖10 ∈1-O1).

中奧陶世，扎河壩—阿爾曼太洋開始匯聚，古洋盆進(jìn)入消減和閉合階段，并且具有雙向俯沖的特點(diǎn).最終，在蛇綠巖帶南側(cè)形成島弧型火山巖以及具有活動(dòng)陸緣特征的荒草坡群安山質(zhì)火山碎屑巖、安山玢巖和英安斑巖的火山巖組合.蛇綠巖北側(cè)則因俯沖作用，在阿爾泰活動(dòng)陸緣形成科迪勒拉型俯沖邊緣(圖10 O1-S1).

劉亞然等(2016)獲得位于北塔山蛇綠混雜巖周邊的花崗斑巖鋯石U-Pb年齡為407±2 Ma；羅軍員等(2017)獲得蛇綠巖中后期侵入的閃長(zhǎng)玢巖的年齡為424.5±3.1 Ma.上述年齡說明阿爾曼太洋盆可能于晚志留紀(jì)-早泥盆紀(jì)閉合，準(zhǔn)噶爾地塊和阿爾泰地塊發(fā)生碰撞，最終統(tǒng)一為一個(gè)整體(何國琦等，2001)(圖10 S1-S3).

圖10 東準(zhǔn)噶爾地區(qū)洋板塊演化模式圖(據(jù)趙同陽等，2017修改)Fig.10 Evolution model of oceanic plate in East Junggar area

之后，由于應(yīng)力松弛，前期碰撞形成的統(tǒng)一的古陸塊發(fā)生裂解，進(jìn)入拉張環(huán)境.早泥盆世，在增生了的西伯利亞古陸的內(nèi)部，因?yàn)殛憵ぴ倨屏寻l(fā)育北部的額爾齊斯次生洋以及南部的卡拉麥麗有限洋盆(李錦軼等，1990；何國琦等，2001；趙同陽等，2017)(圖10 S3-D1).

中泥盆至早石炭世(圖10 D1-C1)，額爾齊斯次生洋開始向南北兩側(cè)俯沖消減，最終碰撞形成瑪因鄂博蛇綠混雜巖帶.卡拉麥里有限洋盆也于中泥盆世開始萎縮并向北俯沖，并伴隨大量巖漿活動(dòng)，在準(zhǔn)噶爾北緣大量出露的泥盆紀(jì)火山巖也證實(shí)了這一點(diǎn).

張海軍等(2019)認(rèn)為蘊(yùn)都卡拉一帶堿性花崗巖屬晚石炭世后造山的拉張構(gòu)造環(huán)境的A 型花崗巖，可能是下地殼先存的俯沖洋殼或富Nb玄武巖部分熔融的產(chǎn)物，并且認(rèn)為此花崗巖的形成標(biāo)志著準(zhǔn)噶爾東北緣造山作用的結(jié)束.至此，東準(zhǔn)噶爾地區(qū)進(jìn)入后造山板內(nèi)伸展階段(圖10 C2-P1).

從二疊紀(jì)開始，隨著洋殼的閉合，新疆北部進(jìn)入板內(nèi)演化階段.由于西伯利亞古板塊向南推擠作用影響，卡拉麥里地區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的逆沖推覆變動(dòng)；隆起的準(zhǔn)噶爾陸塊在這一時(shí)期逐漸下陷，構(gòu)成盆地的基底.至侏羅紀(jì)末，形成了今天所見的構(gòu)造格局(李錦軼等，1990).

4 結(jié)論

本文利用高精度地面重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維約束反演，揭示了準(zhǔn)噶爾盆地北緣淺覆蓋區(qū)內(nèi)的三維密度和磁化率結(jié)構(gòu)；結(jié)合多尺度邊緣檢測(cè)方法推斷得到研究區(qū)隱伏斷裂體系的水平分布；然后針對(duì)貫穿研究區(qū)的綜合地球物理剖面進(jìn)行人機(jī)交互聯(lián)合反演，進(jìn)一步獲得研究區(qū)的深部精細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu).

(1)重磁三維反演結(jié)果顯示：研究區(qū)密度結(jié)構(gòu)具有橫向非均勻性，高密度體與低密度體交替出現(xiàn)，而且縱向有向深部延伸的趨勢(shì).研究區(qū)深部廣泛分布石炭紀(jì)、泥盆紀(jì)火山巖地層等高磁性體；零散分布的低磁性物質(zhì)主要為熱液蝕變導(dǎo)致的熱退磁的火山巖；北西向分布的低密度低磁性物質(zhì)，對(duì)應(yīng)無磁性的斷裂破碎帶.結(jié)合多尺度邊緣檢測(cè)結(jié)果，推斷得到研究區(qū)隱伏斷裂體系水平分布.

(2)運(yùn)用綜合地球物理剖面對(duì)準(zhǔn)噶爾北緣覆蓋區(qū)深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，推斷出深大斷裂的位置、傾向以及深部空間分布.人機(jī)交互聯(lián)合反演結(jié)果顯示：控制扎河壩蛇綠巖帶分布的南北界深大斷裂在深部構(gòu)成開口向下的對(duì)稱扇形構(gòu)造樣式，顯示此蛇綠巖帶所代表的古洋盆可能具有雙向俯沖的特征.

(3)劃定了剖面所穿過的構(gòu)造單元的分界線：F1斷裂為南側(cè)烏倫古(索索泉)凹陷與塔爾巴哈臺(tái)—阿爾曼太古生代島弧的分界；F3和F4之間為扎河壩—二臺(tái)早古生代溝弧帶；F4斷裂以北為薩吾爾—二臺(tái)古生代復(fù)合島弧帶.

(4)結(jié)合大量前人的地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理資料，對(duì)準(zhǔn)噶爾東北緣區(qū)域構(gòu)造演化進(jìn)行了討論，認(rèn)為扎河壩—阿爾曼太古洋盆于中奧陶世開始匯聚，古洋盆可能向南北兩側(cè)雙向俯沖，并于晚志留紀(jì)-早泥盆紀(jì)洋盆閉合.

致謝感謝中國地質(zhì)科學(xué)院為本次研究提供了觀測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料；感謝新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院提供了部分基礎(chǔ)地質(zhì)資料．感謝審稿專家提出的寶貴意見．