2023, Vol. 32
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2. 中国地质调查局 呼和浩特自然资源综合调查中心, 内蒙古 呼和浩特 010000;
3. 中国地质调查局 西安矿产资源调查中心, 陕西 西安 710000;
4. 黑龙江哈工石墨科技有限公司 黑龙江 鸡西 158100
2. Hohhot Natural Resources Comprehensive Survey Center, CGS, Hohhot 010000, China;
3. Xi'an Mineral Resources Survey Center, CGS, Xi'an 710000, China;
4. Heilongjiang Hagong Graphite Technology Co., Ltd., Jixi 158100, Heilongjiang Province, China
长白山地区在漫长的地质演化过程中, 经历了多期的火山喷发活动, 形成了复杂的地质构造, 特别是新生代的火山活动, 形成大面积的玄武岩覆盖层, 遮盖了它古老的面貌. 由于大面积的玄武岩覆盖, 研究区的地层与地质构造露头非常有限, 给研究区的深部地质调查与矿产勘探带来了很大的困难[1-3]. 以往对该区域的地质工作多采用单一的地球物理方法, 而单一的地球物理方法往往存在探测和解释上的局限性. 因此, 针对长白山玄武岩覆盖区复杂的地质情况, 本研究采用综合地球物理解释的方法, 采取大深度、高精度、长剖面的工作方式, 在确定玄武岩厚度的同时, 对玄武岩覆盖区下深部地质特征、断裂构造位置进行推断, 以期为研究区地质调查和找矿提供参考[4].
1 区域地质概况研究区位于吉林省东南部的中朝边界, 大地构造位置处于华北陆块北缘东段, 中朝克拉通的东北端, 东邻日本海, 是中国大陆东西向构造和北东向构造相互叠加转换最具代表性的地区, 也是现代西太平洋板块俯冲带的前端, 经历了多次的地壳运动, 火山和地震活动频繁[5-9].
研究区内地层发育, 太古宙-新生代地层均有不同程度的出露, 地层以断层接触为主. 地层区划前中生代属于华北地层大区, 晋冀鲁豫地层区, 辽东地层分区, 浑江地层小区; 中新生代属于滨太平洋地层大区, 吉南辽东地层分区, 通化地层小区. 研究区所处Ⅰ级大地构造单元为华北古陆, Ⅱ级构造单元为渤海东古陆块, Ⅲ级构造单元为太子河-浑江陆表海盆地[10-12]. 研究区中东部属长白山玄武岩覆盖区, 大面积出露新生代玄武岩, 西部出露古元古界、新元古界、古生界及中生界. 古元古界为中深变质岩类, 新元古界-古生界为海相-海陆交互相沉积建造, 中-新生界主要为陆相火山-沉积岩. 研究区内岩浆岩分布广泛, 岩体多呈北东向或东西向, 个别呈北西向及南北向[13-14].
2 区域地球物理特征 2.1 重力场特征研究区布格重力异常(图 1)总体上呈西高东低形式分布, 中部平稳. 在松树镇北东方向至仙人桥一带异常由高至低变化, 且梯度变化较大. 松树镇-松江河一带、松江河东北部分, 异常变化平稳. 松江河东南部异常由高向低变化, 且梯度变化较大.
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图 1 布格重力异常图 Fig.1 The Bouguer gravity anomaly map |
剩余重力异常(图 2)及二阶导数重力异常(图 3)显示, 区内重力异常带状分布较为明显, 总体具有"两高一低"的特点, 即: 松树镇至松江河镇发育北东向重力高异常带, 松江河至泉阳发育南北向重力高异常带, 南岭村附近发育北东向重力低异常带.
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图 2 剩余重力异常图 Fig.2 The residual gravity anomaly map |
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图 3 布格重力异常垂向二阶导数等值线平面图 Fig.3 Vertical second derivative contour map of Bouguer gravity anomaly |
研究区东部重力低异常, 推测与东部玄武岩覆盖层下基底地质特征或火山机构有关. 西北部大营林场一带重力低异常, 重力异常等值线密集, 推测与该区发育的二长花岗岩有关. 松树镇西部至松江镇一带重力高异常, 与下白垩统火山岩有关. 在松树镇-仙人桥异常梯度变化较大部位、松江河东南部分异常梯度变化较大部位, 推测与北东、北西向断裂构造有关.
对重力异常的上延处理结果(图 4)显示区域重力异常特征: 从西北到东南异常值逐渐减小, 反映表层玄武岩逐渐变厚, 此特征也表示基底深度和莫氏面深度逐渐增大; 从仙人桥西部到果松村有异常低值带, 表示基底深度较大, 该带南部和北部特征一致, 为重力高值区, 基底较浅.
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图 4 布格重力异常上延2 km等值线平面图 Fig.4 Contour map of Bouguer gravity anomaly by 2 km upward continuation |
研究区西南部大安煤矿-月亮沟、南部仙人站、东南部石龙岗一带为航磁正负异常交替变化区域, 磁场值分别为-40~+40 nT、-340~+240 nT; 西南部松树镇、中部庙岭村、西部长青沟一带为正磁场区, 磁场值为40~240 nT; 松江河镇以东为负磁场, 磁场值为-40~ -720 nT.
研究区东部平稳负磁场区为大面积玄武岩分布区. 玄武岩一般显示为正磁异常, 而区内则表现为负异常, 推测是由于受后期地磁场的影响, 产生极性倒转, 或者长白山玄武岩磁性特征程度由外向内逐渐降低的特征. 中部正磁场区为中生界火山岩, 发育少量新生界玄武岩, 造成区内以正磁异常为主、负异常零星分布的特征. 研究区西南部主要为中生界火山岩以及古生界地层, 古生界岩性为灰岩、砂岩, 基本无磁性, 故呈现正负异常交替的特征. 在松江河镇磁场零等值线一带推测为北西向断裂构造带. 在松江河镇南部有一呈楔形的正异常与负异常的零等值线区域, 推测为北东向构造(图 5).
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图 5 航磁异常图 Fig.5 The aeromagnetic anomaly map |
通过对航磁异常的上延及求导分析(图 6、7)发现: 调查区东部平稳负磁场地段分布着大面积的玄武岩, 覆盖厚. 在松江河镇至仙人桥镇一带变化平稳正磁场地段分布着大面积的玄武岩, 玄武岩覆盖层较薄, 推测玄武岩覆盖层下伏地层为早白垩统果松组火山岩.
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图 6 航磁上延0.5 km等值线平面图 Fig.6 Contour map of aeromagnetic anomaly by 0.5 km upward continuation |
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图 7 航磁异常垂向一阶导数等值线平面图 Fig.7 Vertical first derivative contour map of aeromagnetic survey |
绿泥片岩、石英砂岩、粉砂岩、砂岩、砂砾岩、玄武岩电阻率值较低, 为区内的低阻区; 极化率值较低, 在本区形成低阻低极化的电性特征.
安山岩、流纹岩电阻率值中等, 为区内的中阻区; 极化率值较低, 在本区形成中阻低极化的电性特征.
花岗片麻岩、闪长质片麻岩电阻率值中等, 为区内的中阻区; 极化率值较高, 在本区形成中阻高极化的电性特征.
大理岩、石灰岩、灰岩、花岗斑岩电阻率平均值高, 极化率值较低, 在本区形成高阻低极化的电性特征[15].
综上所述, 本区发育的沉积岩整体上视电阻率低, 低阻区, 视极化率也低, 显示低阻低极化特征; 区内火山岩和侵入岩整体上视电阻率变化中等, 为中阻区, 视极化率较高, 显示中阻高极化特征; 区内分布的大理岩、灰岩、花岗斑岩为高阻, 视极化率较低, 显示高阻低极化特征(详见表 1).
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表 1 研究区典型岩石物性参数统计表 Table 1 Physical parameters of typical rocks in the study area |
研究区共布设高精度联合剖面测量7条(ZC01-ZC07), 开展了高精度重力测量、高精度磁法测量、可控源音频大地电磁测深、浅层地震等多种地球物理测量方法[16-21]. 目的是查明玄武岩盖层下不同地质体之间的接触关系、新生代玄武岩厚度变化规律及其产状特征, 进一步确定玄武岩下基岩岩性, 并根据实测剖面绘制玄武岩厚度等值线图及基岩地质图, 为区域地质矿产调查工作提供依据.
4 剖面测量成果解译及推断 4.1 ZC01(烟筒砬子-维东管理站)该剖面为研究区典型重点研究剖面, 布格重力异常由西北端-东南端呈高-低形态分布(图 8). 剖面东南部重力低推断为古生代-中生代上叠盆地, 西北部重力高对应薄层玄武岩、白垩系火山岩、青白口系钓鱼台组石英砂岩及古元古界结晶基底.
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图 8 ZC01重磁异常剖面图 Fig.8 Gravity-magnetic anomaly profile of ZC01 a-高精度磁测异常剖面(high precision magnetic anomaly); b-布格重力异常剖面(Bouguer gravity anomaly); c-高剩余重力异常剖面(high residual gravity anomaly); d-一阶导数推断图(first derivative inference); e-剩余重力2.5D反演推断图(2.5D inversion inference of residual gravity); 1-垂向一阶导数(vertical first derivative); 2-水平一阶导数(horizontal first derivative); 3-实测曲线(surveyed curve); 4-理论曲线(theoretical curve) |
剖面磁场呈正负磁场交替变化, 磁场强度变化较大. 正磁场变化范围为0~200 nT, 推测为区内的安山质凝灰熔岩引起; 负磁场变化范围为0~ -400 nT, 推测为区内主要岩性玄武岩所引起. 在负磁场较强地段表明玄武岩覆盖较厚. 在正负磁场交替部位推测断裂7条(图 8a).
根据重磁异常选取典型剖面位置, 在2 300~16 040 m布设了浅层地震剖面(图 9). 结果显示H1位于双程走时100 ms以上, 为地表. H2位于双程走时120~350 ms之间, 在地震剖面上表现为连续性较好的强能量反射同相轴, H2上覆地层和下伏地层之间存在很明显的波阻抗差异. 在H1和H2之间, 地层岩性主要以新生代玄武岩为主, 且其厚度在CMP号1900附近达到最大, 约500 m左右(双程走时350 ms左右), 其厚度由此处向两侧逐渐减小, 至石英砂岩出露地段尖灭, 之后再向北西方向继续增大. H3仅在剖面两端有发育, 位于双程走时200~350 ms之间, 在剖面北西端, 其厚度具有往北西方向逐渐增大的趋势; 在剖面南东方向, 其厚度则具有往南东方向减小的趋势. H4位于双程走时330~560 ms之间, 仅见于剖面西北部, 在地震剖面上表现为向上凸起的弧状反射轴, 能量较强, 连续性一般. 在瞬时频率剖面上, H4表现为中高频与中低频的分界, 即H4上部为中高频特征, 其下部为中低频特征; 在瞬时相位上, 亦表现出向上凸起的弧状特征, 且相位较连续. 推测H4为新元古代石英砂岩底界面或古元古代地层顶界面. 在H1和H4之间(CMP号240-650之间), 地层岩性以石英砂岩为主. 在CMP号250附近, 其厚度最大值达到1 100 m左右(双程走时550 ms左右). H5位于双程走时200~700 ms之间, 在剖面西北端埋深大, 在剖面中部和西南段埋深相对较浅. H5在地震剖面上表现为能量较强、连续性较好的反射同相轴, 在此界面之下一般为低频短轴反射、弱反射或杂乱反射. 在瞬时振幅剖面上, H5表现为强振幅特征, 且在H5界面之下为弱振幅特征. 在瞬时频率剖面上可看出, 在H5界面之下频率普遍较低. 推测H5为太古宙花岗片麻岩顶界面. 在剖面东南段, H3和H5之间为古元古代地层.
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图 9 在悦园员剖面浅层地震断面解译图 Fig.9 Shallow seismic interpretation section of ZC01 |
根据重磁异常特征, 优选1 400~8 480 m布设了可控源音频大地电磁测深剖面. 结果显示由西北0 m至东南4 400 m, 大部分为低阻区, 这与区内分布的玄武岩关系密切. 在900 m以下, 为一高阻层, 推测900 m以下为侵入岩, 形成一个巨厚的基底. 同时, 在200~400 m深度内也存在一系列不规则状高阻体, 推测为小型岩体. 2 500 m为侵入岩的隆起地带. 从4 400 m到剖面7 075 m中阻层推测为变质岩, 4 400 m附近为两种岩性的接触带, 在4 200 m与5 120 m存在两处断层, 延深大于600 m (图 10).
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图 10 在悦园员剖面可控源音频大地电磁测深视电阻率二维反演断面图 Fig.10 2D inversion of CSAMT apparent resistivity of section ZC01 |
综合地球物理解译(图 11): 北部3~6 km地段青白口系基岩出露地表, 其他地段地表为新近系和第四系玄武岩、下白垩统安山岩; 西北部下白垩统安山岩下为青白口系石英砂岩; 东南部6~11 km玄武岩下是青白口系, 基底为古元古代花岗岩; 东南部11~20 km玄武岩下是安山岩, 基底为古元古代花岗岩; 西北部玄武岩和安山岩厚度均小于100 m; 东南部6 km处玄武岩厚度从几十米开始向南逐渐增厚, 到剖面东南部达到500 m.
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图 11 ZC01剖面地质推断图 Fig.11 Inferred geological profile of ZC01 1-下更新统军舰山组(Lower Pleistocene Junjianshan fm.); 2-上新统老爷岭组(Pliocene Laoyeling fm.); 3-下白垩统果松组(Lower Cretaceous Guosong fm.); 4-青白口系钓鱼台组(Qingbaikouan Diaoyutai fm.); 5-古元古界珍珠门岩组(Paleoproterozoic Zhenzhumen fm.); 6-新太古界四道砬子河岩组(Neoarchean Sidaolazihe fm.); 7-古元古代片麻状二长花岗岩(Paleoproterozoic gneissic monzogranite) |
采用多种物探方法结果对比解译, 布设钻孔3个, 通过钻孔揭露玄武岩覆盖层厚度及地下地质体特征. 结果表明, 综合物探方法解译的成果与钻探验证结果较为吻合, 充分表明该组合方法的有效性. 并结合综合物探方法解译的成果, 查明了玄武岩覆盖区深部地质体特征, 为玄武岩覆盖区地质矿产调查方法综合评价提供依据(图 12).
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图 12 钻孔柱状对比图 Fig.12 Comparison of borehole columns 1-中更新统黄土(Middle Pleistocene loess); 2-下更新统漫江组(Lower Pleistocene Manjiang fm.); 3-下更新统军舰山组(Lower Pleistocene Junjianshan fm.); 4-上新统老爷岭组(Pliocene Laoyeling fm.); 5-青白口系钓鱼台组(Qingbaikouan Diaoyutai fm.); 6-古元古界珍珠门组(Paleoproterozoic Zhenzhumen fm.); 7-新太古界四道砬子河岩组(Neoarchean Sidaolazihe fm.) |
该剖面中部22~26 km地段古元古代花岗岩和古元古界变质岩基岩出露地表, 其他地段地表为新近系和第四系玄武岩、白垩系安山岩. 西北部火山岩下为三叠系沉积岩, 基底为寒武系变质岩; 东南部玄武岩、安山岩下部是古元古界变质岩基底. 西北部玄武岩厚度小于100 m, 安山岩厚度小于200 m; 东南部玄武岩和安山岩厚度均小于100 m.
4.3 ZC03(长春村-头道松花江)该剖面9 km处青白口系基岩出露地表, 其他地段地表为新近系和第四系玄武岩、白垩系安山岩. 西北部火山岩下基底为青白口系石英砂岩, 整条剖面玄武岩、安山岩下部是青白口系石英砂岩. 西北部玄武岩厚度小于100 m, 安山岩厚度小于200 m; 东南部玄武岩和安山岩厚度均为100~200 m.
4.4 ZC04(暖水村西-仙人站西)该剖面南部17.5~18.6 km处古元古代花岗岩、新太古界变质岩基岩出露地表, 其他地段地表为新近系和第四系玄武岩、白垩系安山岩. 北部火山岩下为三叠系沉积岩, 基底是古元古代花岗岩; 南部玄武岩、安山岩下是奥陶系灰岩. 北部玄武岩和安山岩厚度均小于100 m; 南部玄武岩厚度100~200 m.
4.5 ZC05(松江河镇-白西林场南西)该剖面南部10 km处古元古代花岗岩、新太古代花岗岩基岩出露地表, 其他地段地表为新近系和第四系玄武岩、白垩系安山岩. 北部火山岩下为新太古界、震旦系、青白口系地层单元; 南部玄武岩、安山岩下部是新太古界变质岩基底. 北部玄武岩厚度小于100 m, 安山岩厚度为200~250 m; 南部玄武岩厚度小于100 m, 安山岩厚度为200~300 m.
4.6 ZC06(板石河经营所-东马鞍山北)整条剖面地表为新近系和第四系玄武岩. 北部玄武岩下为白垩系安山岩, 基底是古元古代花岗岩; 南部玄武岩下为白垩系安山岩, 基底是青白口系石英砂岩, 只有剖面南端基底是三叠系沉积岩. 整条剖面玄武岩厚度为从剖面北端100 m逐渐增加到南端的200 m, 白垩系安山岩厚度为100~200 m.
4.7 ZC07(泉阳镇-曙光林场北东)该剖面大部分地表为第四系玄武岩, 只有5 km处出露青白口系石英砂岩. 北部玄武岩下为青白口系石英砂岩和新太古界变质岩基底; 南部玄武岩下为白垩系安山岩, 基底是青白口系石英砂岩. 中部玄武岩厚度较大, 达到150 m, 向剖面两端逐渐减小到几十米, 剖面南部玄武岩下的白垩系安山岩厚度为100~150 m.
5 工作成果(1) 揭露了研究区玄武岩基底覆盖特征, 编制了玄武岩覆盖区基底地质图(图 13). 依据研究区综合地球物理解译成果, 结合区域地质特征, 对玄武岩覆盖层下地质体特征进行推断, 研究区东部玄武岩覆盖层下大面积发育下白垩统果松组. 研究区南部出露的新太古界四道砬子河岩组以及古元古代深成变质岩(古元古代二长花岗岩), 上震旦统八道江组、青白口系钓鱼台组、南芬组等为松树镇幅南部老变质基底东延部分, 主要受北东、北西向断裂构造控制, 受其影响地层单元被分割成多个断块. 研究区北部开峰林场幅仅在泉阳村东部发育新太古界四道砬子河岩组以及青白口系钓鱼台组, 板石河养路工区西侧有古元古代二长花岗岩发育. 东马鞍山南部发育有上三叠统小河口组.
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图 13 玄武岩覆盖区基底推断图 Fig.13 Inferred geological map of basalt covered basement 1-下白垩统林子头组(Lower Cretaceous Linzitou fm.); 2-下白垩统果松组(Lower Cretaceous Guosong fm.); 3-上三叠统小河口组上段(Upper mem. of Xiaohekou fm., Upper Triassic); 4-小河口组下段(Lower mem. of Xiaohekou fm.); 5-上二叠统孙家沟组(Upper Permian Sunjiagou fm.); 6-中二叠统盒子组(Middle Permian Hezi fm.); 7-下-中二叠统山西组(Lower-Middle Permian Shanxi fm.); 8-上石炭-下二叠统太原组(Upper Carboniferous-Lower Permian Taiyuan fm.); 9-上石炭统本溪组(Upper Carboniferous Benxi fm.); 10-中奥陶统马家沟组(Middle Ordovician Majiagou fm.); 11-下奥陶统亮甲山组(Lower Ordovician Liangjiashan fm.); 12-寒武系芙蓉统-下奥陶统冶里组(Cambrian Furongian-Lower Ordovician Yeli fm.); 13-寒武系芙蓉统炒米店组(Cambrian Furongian Chaomidian fm.); 14-寒武系三统-芙蓉统崮山组(Cambrian Series 3-Furongian Gushan fm.); 15-寒武系三统张夏组(Cambrian Series 3 Zhangxia fm.); 16-寒武系二统-三统馒头组(Cambrian Series 2-3 Mantou fm.); 17-上震旦统八道江组(Upper Sinian Badaojiang fm.); 18-下震旦统万隆组(Lower Sinian Wanlong fm.); 19-青白口系南芬组(Qingbaikouan Nanfen fm.); 20-青白口系钓鱼台组(Qingbaikouan Diaoyutai fm.); 21-古元古界花山岩组(Paleoproterozoic Huashan fm.); 22-古元古界珍珠门岩组(Paleoproterozoic Zhenzhumen fm.); 23-新太古界四道砬子河岩组(Neoarchean Sidaolazihe fm.); 24-早白垩世英安斑岩(Early Cretaceous dacite porphyry); 25-早白垩世正长花岗岩(Early Cretaceous syenogranite); 26-早白垩世二长花岗岩(Early Cretaceous monzogranite); 27-早白垩世闪长岩(Early Cretaceous diorite); 28-古元古代正长花岗岩(Paleoproterozoic syenogranite); 29-古元古代片麻状二长花岗岩(Paleoproterozoic gneissic monzogranite); 30-新太古代花岗闪长片麻岩(Neoarchean granodiorite gneiss); 31-新太古代英云闪长片麻岩(Neoarchean tonalite gneiss); 32-花岗闪长岩脉(granodiorite vein); 33-闪长玢岩脉(diorite porphyrite vein); 34-实测断裂(surveyed fault); 35-推测断裂(inferred fault); 36-地质界线(geological boundary); 37-推测地质界线(inferred geological boundary); 38-钻孔编号(borehole number); 39-重磁联合解译剖面及编号(gravity-magnetic interpretation section and number) |
(2) 查明了研究区玄武岩厚度, 编制了玄武岩覆盖层厚度等值线图(图 14). 根据研究区综合地球物理测量方法解译成果, 结合钻孔揭露资料, 研究区东南部玄武岩厚度较大, 为100~500 m, 厚度等值线变化梯度较大. 西北部玄武岩厚度较小, 多为20~60 m, 等值线变化梯度较小. 玄武岩整体上具有自南东至北西, 厚度由深变浅的趋势.
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图 14 玄武岩厚度等值线图 Fig.14 Contour map of basalt thickness 1-基底出露区(basement exposed area); 2-玄武岩厚度等值线(basalt thickness contour); 3-钻孔位置及编号-玄武岩厚度/钻孔深度(borehole and number-basalt thickness/drilling depth); 4-重磁联合解译剖面及编号(gravity-magnetic interpretation section and number) |
对于大面积玄武岩覆盖区的长白山地区, 可以利用综合物探方法的组合实施, 通过不同方法的反演解译成果, 结合工程钻孔加以验证, 准确分析判断玄武岩覆盖之下地质体的空间展布及岩性、构造特征. 本研究解决了单一的地球物理方法存在的探测和解释上的局限性, 为区域地质填图和找矿方法提供了依据.
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