2019, Vol. 39
德国于2000年发射CHAMP卫星以来，经过连续10 a的观测，取得了不间断、高精度、高分辨率且均匀分布的海量岩石圈磁场数据[1]。根据这些数据，不仅可以研究地磁场随空间的变化，而且可以进一步研究其随时间的变化。
随着对岩石圈磁场的深入研究，对岩石圈磁场与地质构造之间关系的探索也随之展开。地质科学界通过岩石圈磁场来判别大地构造单元的演化过程；在海洋地质方面，岩石圈磁场走向与等时线一致，揭示了洋壳随时间的演化过程，为板块构造、地壳及地幔之间的相互作用提供了依据。王慧琳等[2]根据NGDC-720、WDMAM等模型数据绘制出中国大陆及周边地区的磁异常图，并在模型的磁异常方面对几个主要的构造单元如四川盆地、青藏高原等进行了描述。
大别山地区位于中国中东部地区，其在中生代由扬子板块北缘与华北板块南缘发生碰撞形成大别-苏鲁造山带，同时改变了整个陆块的岩石圈结构[3]；而郯庐断裂把大别-苏鲁造山带分割成大别山地区及苏鲁地区。本文通过大别山地区(115~117.5°E，29.5~32.5°N)东段岩石圈磁场的研究，分析该区域内磁异常与相关构造的关系。
1 研究区地质构造概况研究区活断层探测的最新研究成果显示(安徽省地震工程研究院，2016年)，区内地质构造较为复杂，有多条断裂穿过并将研究区分割成3个一级大地构造单元、5个二级构造单元(图 1)。其中，以肥西-韩摆渡断裂(F4)为界，将研究区北部分为华北准地台及秦岭-大别山地槽褶皱系2个一级构造单元，东部以郯庐断裂带(F10)为界属于扬子准地台一级构造单元。
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图 1 研究区大地构造分区 Fig. 1 The geotectonic units of research area |
华北准地台区域内的二级构造单元为江淮台隆，其构成了现今合肥盆地的主体。在盆地内部，肥中断裂(F1)以北从西往东分别是颍上-霍邱凹陷、板桥凸起、大桥定远凹陷3个三级构造单元，南部的丁集-肥东凹陷及六安凸起呈东西向展布。江淮台隆区域内还发育有阜阳深断裂(F2)及潢川-新县断裂(F3) 2条北北东向深断裂，其中阜阳断裂形成于喜马拉雅早期，近代有明显的活动迹象，属于壳断裂[4]。
秦岭-大别山地槽褶皱系是介于华北准地台与扬子准地台之间的楔形构造单元，为典型的多璇回地槽褶皱系。其二级构造单元北淮阳褶皱系南北向分别受近东西走向的青山-晓天断裂(F7)及肥西-韩摆渡断裂(F4)控制，在经受了多次强烈的构造运动以后，区内褶皱、断裂均十分发育，一般呈近东西向；其中以梅山-龙河口断裂(F5)最为典型，该断裂位于大别山内部，切割元古界、中生界2个地层，断层地貌清晰，断层崖、断层三角面在断裂沿线均有分布[4]。秦岭褶皱系区域另一个二级构造单元为大别山隆起，其在晚太古时期属于地槽褶皱带，之后一直处于隆升状态，以中浅变质岩为主。另外，北北东向商城-麻城断裂(F6)及北东向霍山-罗田断裂(F8)均贯穿研究区内的秦岭-大别山地槽褶皱系构造单元，在地形地貌上都有所显示。
郯庐断裂带是我国中东部的主控断裂，走向北东，几个大的一级构造单元均以郯庐断裂为界，郯庐断裂以东属于扬子准地台范畴。扬子准地台是研究区内范围最广的一级构造单元，跨越长江南北。池太深断裂(F10)可以看作是郯庐断裂带的中南段，其在庐江南桥附近有一条分支向西南怀宁宿松方向延伸，到江西境内后与新干-湖口深断裂相连。该断裂分支又将区内的扬子准地台分为张八岭台隆、下扬子台坳2个二级构造单元。张八岭台隆自震旦系以来，一直处于台隆状态，燕山期内构造活动强烈，并伴有岩浆活动[4]。下扬子台坳包括皖中南的大部分地区，其中宿松-枞阳断裂(F11)、葛公断裂(F12)及江南深断裂(F13)又将下扬子台坳分割成滁河陷褶断带、沿江拱断褶带、皖南陷褶断带和皖浙陷褶断带4个三级构造单元。下扬子台坳岩浆活动强烈，是研究区内侵入岩最发育的区域，印支期与燕山期的侵入岩并存，并伴随有大规模的火山活动。
2 研究区岩石圈磁场研究区主要位于安徽中西部、湖北东部及河南东南部局部地区。区内地形起伏较大(图 1)，地质条件复杂，主要跨越大别-苏鲁造山带及郯庐断裂带中南段，其次还发育有多条区域性断裂，为华北地震区与华南地震区的中强地震过渡区[5]。该区域存在地震“霍山窗”，小震不断，历史上曾发生过MS5.0以上地震。
2.1 岩石圈磁场的获取为了对大别山地区进行持续性磁异常观测，在研究区以点阵(点距20 km)形式均匀布置了108个地磁总强度野外观测点(图 2)，自2015年至今共进行了3期测量。本文以2016-03~05所测地磁总强度数据为基础，并进行5步处理：1)获取观测日期内蒙城国家地磁基准台(MCH)的连续观测分钟均值，并进行修正处理，选择相对平静日作为通化日。对观测数据进行日变通化改正，通化均方差要求在0.5 nT以内。2)对日变通化后数据，使用NOC模型[6]进行长期变改正，通化至2015.0。3)运用国际地磁参考场模型(IGRF-12)对地球主磁场进行剥离，获得岩石圈磁场数据(图 3)。4)根据获得的岩石圈磁场数据，利用匹配滤波法进一步分离为浅表岩石圈磁场(图 4)、深部岩石圈磁场(图 5)，并利用深部模型反演研究区居里等温面模型(图 6)。5)对以上所获取的相关岩石圈磁场建立“东大别地区岩石圈磁场曲面样条模型”。
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F1:肥中断裂；F2:阜阳深断裂；F3:潢川-新县断裂；F4:肥西-韩摆渡断裂；F5:梅山-龙河口断裂；F6:商城-麻城断裂；F7:青山-晓天断裂；F8:霍山-罗田断裂；F9:襄樊-广济断裂；F10:池太深断裂；F11：宿松-枞阳断裂；F12:葛公断裂；F13:江南深断裂 图 2 研究区测点分布及构造分布 Fig. 2 The distribution map of measuring point and structure of research area |
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图 3 岩石圈磁场模型 Fig. 3 Geomagnetic lithosphere field model |
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图 4 岩石圈磁场浅表模型 Fig. 4 Shallow geomagnetic lithosphere field model |
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图 5 岩石圈磁场深部模型 Fig. 5 Deep geomagnetic lithosphere field model |
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图 6 居里等温面模型 Fig. 6 Curie isothermal surface model |
由图 3可看出，岩石圈磁场空间分布呈条状，在商丘、固始、霍邱、长丰等研究区北部地区以及皖西南大别山一带呈正异常区域，而皖西南正异常条带呈北东走向，最大异常值位于黄梅、宿松一带，达300 nT。浅表磁场分布模型(图 4)与岩石圈磁场较为类似，主要有两个东西向正异常条带，一是北部潢川至长丰之间异常区，另一个位于麻城至桐城一线并较前者能量稍大，最大异常值达300 nT; 两个正异常条带之间则夹有一个东西走向的负异常条带，东起安徽舒城县西至河南商城县，最大负异常值为-300 nT。从深部磁场分布模型(图 5)可以看出，磁场分布较为均匀并无破碎，正异常区域仍位于黄梅、宿松、潜山等皖西南区域，而金寨、霍山至肥西为东西走向的负异常条带，异常值为-150~150 nT。居里等温面(图 6)呈南北深、中间浅的特征，金寨、舒城一带居里面深度较浅(在15~20 km之间)，而西南地区深度较深，最深处位于江西九江一带，居里面深度达35 km。
3 研究区岩石圈磁场与地质构造关系对于东大别构造带地区，地球物理学方面的研究较为丰富。就磁异常分布而言，其在一定程度上反映了区域构造分布以及介质间磁性结构的差异。磁异常形态、结构及走向可用作推断地质构造性质的重要依据；反之，可以理解为区域构造的演化在一定程度上控制了岩石圈磁场的结构、分布及大小[7]。
3.1 岩石圈磁场从研究区内岩石圈磁场及地质构造分布来看，两者之间关系较为密切。就岩石圈磁场而言，在肥西-韩摆渡断裂(F4)以北展布于豫皖之间的江淮台隆为明显的正异常区域，且局部呈高梯度带，该正异常由霍邱群变质岩系引起。霍邱群是一套遭受混合岩化作用改造的火山-沉积变质岩系，该类变质岩一般具有铁磁-顺磁性特征。在北淮阳褶皱带，岩石圈磁场呈巨大的负异常区域，该负异常由区内发育的槽相变质岩系引起，其中卢镇关群是低角闪岩相的变质岩，佛子岭群为高绿片岩相变质岩，梅山群为轻变质的海陆相粗碎屑岩。
在岩石圈磁场分布模型中，可以清晰地辨识出东部地区十分重要的巨型断裂带——郯庐断裂带。郯庐带在岩石圈磁场中具体表现为正异常狭长条带，其反映了挤压变质岩带、火山岩及基底冲断带的分布特征。扬子准地台构造单元以长江为界，在长江以北郯庐以南地区，岩石圈磁场总体表现为区域负异常，但异常幅度较低；其低磁背景反映了该地区沉积盖层较厚，变质基地埋藏较深。在长江以南地区表现为正异常团块，表明该地区燕山期活动强烈，并伴有大规模岩浆活动。
3.2 岩石圈浅表磁场岩石圈磁场浅表模型是指地下10 km以内介质磁化率的分布情况。研究区内的岩石圈磁场浅表模型整体分布特征与岩石圈磁场类似，仅在局部存在差异。其差异主要体现在两方面：一是在江淮台隆构造区，岩石圈磁场总体呈正异常团块，在固始-霍邱一带磁场较弱；而浅表磁场显示该区域为一条连续的正异常条带。区内与之相关的为肥中断裂(F1)及阜阳深断裂(F2)，浅表未断而在岩石圈整体磁场出现间断，说明这两条断裂为隐伏断裂，且切割较深。野外踏勘表明(安徽省地震工程研究院，2016年)，肥中断裂隐伏于新生代盖层之下，向下切割深度约8 km；阜阳深断裂是一条由物探、遥感推测的深大断裂，切割较深，属于壳断裂。二是位于北淮阳褶皱带与大别山隆起带的交界处，浅表磁场呈东西向正异常条带，与岩石圈磁场的低磁性有较大区别。由此可见2个二级构造单元的分界线青山-晓天断裂控制了岩石圈磁场的分布，研究表明[8]该断裂切割莫霍面，为一条岩石圈断裂。
3.3 岩石圈深部磁场岩石圈深部磁场模型反映了10~30 km范围的磁场分布情况，其更多的是反映岩石圈基底的磁场分布。从岩石圈深部磁场分布特征看，各构造单元差异明显，但正负异常均呈区域性分布。位于研究区北部的江淮台隆总体呈正异常，其基底形成凤阳运动，元古代-古生代地壳较长时间处于隆起状态，形成了一个三级构造单元淮南-蚌埠隆起，该隆起单元是正异常的核心区域。在北淮阳地槽褶皱带构造单元，深部磁场依然表现为巨大的区域负异常，其基底由中元古界低角闪岩相变质岩、上元古界高绿片岩相变质岩、石炭-二叠系的轻变质岩系组成。在大别山隆起带，深部磁场为区域正异常团块，该隆起主要由浅-中深变质岩组成，其原岩为一套强磁性巨厚的基性、中性、酸性火山岩系建造。下扬子台坳体现磁场正异常主要与区内印支及燕山期强烈的岩浆活动有关。
3.4 居里等温面岩石圈居里面是地壳上部埋深几十km处的高低起伏不平的等温面[9]。居里面的温度能将岩石中铁磁矿物从铁磁性转变为顺磁性；界面以下，岩石的剩余磁化和感应磁化强度均发生突变性锐减，所以居里面以上的磁性介质会产生一个明显的磁性基底。由此可见，居里等温面的埋深反映了构造单元的分布情况。
从研究区居里等温面分布模型可以看出，居里面呈南北深、中间浅的特征。居里面的上隆与下坳呈条带状分布，其中有两个比较明显的下坳区，一个位于江淮台隆东西向延伸的上隆带，其在颍上-霍邱凹陷区达到下坳极大值35 km左右。另一个在大别山隆起带，下坳条带呈NW向展布。而北淮阳褶皱带是一条整体的NW向相对上隆条带，推测与该地槽褶皱系在晚太古系有大量超基性-基性-中酸性火山岩喷发有关。
4 结语1) 东大别地区岩石圈磁场正负异常整体呈条带状分布，正异常区域主要存在于构造单元江淮台隆及扬子准地台内，同时沿郯庐断裂带也为正异常条带分布，最大异常值达300 nT；在北淮阳褶皱带则有一条区域性磁场负异常条带通过。
2) 岩石圈浅表磁场分布模型与岩石圈磁场模型整体特征类似，而局部的差别则反映出区内相关断裂的切割深度及走向特征。
3) 岩石圈深部磁场分布在一定程度上反映了岩石圈基底的构成情况。深部磁场负异常区域岩石圈基底以变质岩为主；岩浆活动较为强烈地区，深部磁场多表现为正异常。
4) 研究区内居里等温面埋深的分布呈南北深、中间浅的特征。在构造凹陷区居里面埋深较深，最深达35 km；在岩浆活动活跃的区域居里面埋深较浅，最浅在15 km左右。
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