0 引言

大井坡航空地球物理试验场是中国国土资源航空物探遥感中心根据国内航空地球物理试验场建设的迫切需求，充分总结国内外航空地球物理试验场建设经验，依托国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目支持，确定的我国首个航空地球物理(航磁、航重和航电)综合试验场^{[1, 2, 3, 4]}，其各项研究工作正在逐步规范。为了全面掌握试验场内地质构造特征，提供试验场综合解释填图依据和约束条件，积累重、磁联合定量方法研究经验，综合考虑地质、地形、遥感、磁、重力和电磁等资料，在试验场地质构造有利且具有典型物探异常的位置，选取3条典型剖面开展综合地球物理解释研究。

大井坡试验场位于内蒙古四子王旗东北部大井坡地区，地理坐标为111°04′E111°27′E、41°43′N42°00′N，呈南北约31.5 km、东西约31.8 km的矩形，距离最近的呼和浩特机场约110 km。试验场周边有两条省级公路通过，交通较为便利。

试验场内地层较全，从中、新元古界到新生界均有出露。主要地层有：中、新元古界为一套浅海碎屑岩-碳酸盐岩建造，在试验场中部及东南部大面积出露；古生界为火山-碎屑岩建造，在场内零星出露；中生界除少量玄武岩、凝灰岩等火山碎屑岩外，以陆相碎屑岩沉积为主，主要分布于试验场东南部的大青山组；新生界在试验场内分布最广，为一套河流相碎屑岩建造，岩性以砂岩、泥岩及现代冲洪积物为主(图 1)。

1.全新统湖积洪积砂砾层；2.上新统宝格达乌拉组：泥岩、砂质泥岩；3.上侏罗统大青山组：砾岩、砂岩、粉砂岩；4.新元古界呼吉尔图岩组：石英岩、变质石英砂岩、变质粉砂岩；5.新元古界白音宝拉格岩组：变质石英砂岩、石英岩；6.中元古界比鲁特岩组：板岩、斑点板岩；7.中元古界哈拉霍圪特岩组：灰岩，夹板岩、变质含砾石英砂岩；8.中元古界尖山组：灰岩-锈红色变质石英砂岩板岩；9.中二叠世花岗岩；10.早泥盆系世灰黑色辉长岩；11.时代不明超基性岩；12.花岗斑岩脉；13.花岗伟晶岩脉；14.闪长岩脉；15.石英脉；16.闪长玢岩脉；17.断裂；18.动力变质带；19.典型剖面名称及位置。 图 1 大井坡航空地球物理试验场地质及典型剖面位置图 Fig. 1 Geological and location of typical profile of Dajingpo airborne geophysical test site

图选项

试验场内岩浆岩较为发育，从元古宙到中生代均有出露，以晚古生代酸性、中酸性花岗岩、花岗闪长岩为主，在场区内分布面积较大。另外，可见少量古生代中基性辉长岩体出露，在试验场中部呈近EW向带状断续出露。在试验区南部存在少量太古宙片麻状花岗岩体。

试验场在大地构造位置上处于华北板块北缘，地质构造十分复杂，经历多期次强烈构造变形。试验场从南到北主要涉及阴山隆起带、白云鄂博赤峰裂谷带及包尔汉图白乃庙岛弧带。场内断裂构造较为发育，中部有近EW向深大断裂穿过。

在航磁异常(ΔT)阴影图(图 2)上，试验场内区域背景场以宽缓或平缓变化为主，中、北部以正背景场为主，东南部以负背景场为主，总趋势由东南向西北逐渐抬升。试验场内局部磁异常较多，异常幅度变化范围较大。既有尖峰状强磁异常，又有低幅升高异常；既有正背景场中的叠加异常，又有负背景场中的孤立异常；既有长轴状异常，又有等轴状圆形异常，充分反映了火成岩区磁异常特点。其中：孤立状的强磁异常主要为中、基性火成岩的反映；幅度大于500 nT的强磁异常多与磁铁矿有关。此外，试验场中北部有一条呈NWW向展布的异常带，中南部有一条呈近NEE向展布的强磁异常带，两带在东部边缘汇合。在异常带上，局部分布基性、超基性岩，表明异常带主要为中-基性侵入岩引起。其中，中南部强磁异常带应为龙头山断裂带的反映。

图 2 大井坡航空地球物理试验场航磁阴影图 Fig. 2 Aeromagnetic map of Dajingpo airborne geophysical test site

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在布格重力异常(Δg)等值线平面图(图 3)上，试验场重力场变化平缓，整体表现为中间高、四周低的重力场特征，最高-157×10^-5 m/s²，最低-183×10^-5 m/s²。位于试验场中间的区域重力异常，波长达18 km，范围与奥陶纪包尔汉图群范围大体相当，应为古隆起的反映。周围重力低，为二叠纪花岗岩和新生界沉积岩等低密度岩石的反映。重力场北部和中南部有两条十分明显的NEE向线性梯度带，是区内规模较大的断裂的反映。其中，重力场中南部线性梯度带与龙头山断裂带吻合，表明龙头山断裂带应为重要的构造分区界限。

图 3 大井坡航空地球物理试验场航空布格重力异常阴影图 Fig. 3 Airborne Bouguer gravity map of Dajingpo airborne geophysical test site

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在电阻率阴影图(图 4)上，试验场整体表现为中部和南部高、西北部低的特征。场内中部、南部形成大范围的相对高值圈闭，幅值变化范围为400~2 000 Ω·m。电阻率高异常呈近EW展布，在中部电阻率高值区和南部电阻率高值区之间，呈现一条近东西(EW)向展布的低阻带，幅值变化范围为50~200 Ω·m。

图 4 大井坡航空地球物理试验场电阻率阴影图 Fig. 4 Resistivity map of Dajingpo airborne geophysical test site

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大量实测结果表明，试验场及周边地层分布较全，主要出露中、新元古界白云鄂博群、二叠系大红山组、上侏罗统大青山组、新生界宝格达乌拉组及第四系。区内地层岩石主要有以下磁性特征：①试验场及周围具有磁性的地层主要为太古宇结晶基底中的正变质岩和磁铁石英岩。正变质岩的磁性主要取决于原岩的性质。若原岩是以花岗岩为主的变质岩，磁性较弱，磁化率平均值一般小于100×10^-5SI；而若原岩是以闪长岩、辉长岩等中基性岩为主的变质岩，则磁性较强，磁化率一般为(500~2 000)×10^-5SI，剩余磁化强度常见值为(300~1 000)×10^-3 A/m。磁铁石英岩具有强磁性，磁化率常见值为(2 000~10 000)×10^-5SI，剩余磁化强度常见值为(500~2 000)×10^-3 A/m。②中、新元古界白云鄂博群主要为无弱磁性浅变质岩系。③古生界大红山组主要岩性为安山岩、玄武安山岩及火山角砾岩，一般为中强磁性，在区内局部分布，磁化率常见值为(118~4 227)×10^-5SI，平均值为2 241×10^-5SI，剩余磁化强度也较大，平均值为1 157×10^-3 A/m。④中生界大青山组为一套陆相沉积杂岩，主要为无弱磁性浅变质岩系。白女羊盘组为一套玄武岩、凝灰岩等中酸性火山岩，主要分布在试验场外围，磁化率平均值为1 137×10^-5SI，剩余磁化强度也较大，平均值为330×10^-3A/m。⑤新生界主要为砂砾岩、砂岩、泥岩，为弱磁性物质。详细地层岩石磁性统计见表 1。

试验场及周围发育新太古代中生代侵入岩，区内主要出露中元古代辉长岩、中二叠世花岗闪长岩及花岗岩。各期岩浆岩主要有以下磁性特征：①场区及周围的花岗岩，以弱磁性为主，区内出露的中二叠世花岗岩磁化率常见值为(0~249)×10^-5SI。②区内及周边的闪长岩、花岗闪长岩具有较强的磁性，磁化率常见值为(0~1 900)×10^-5SI，剩余磁化强度常见值为(4~96)×10^-3A/m。③辉长岩体磁性最强，其磁化率常见值一般为(17~3 436)×10^-5SI，剩余磁化强度均值为373×10^-3A/m。具体岩浆岩磁化率统计见表 2。

试验场内出露岩石类型较多，地层岩石之间密度差异较为明显。太古宇结晶基底强烈变质，密度较大，常见值为2.63~3.66 g/cm³；元古宇和古生界为中低沉积变质岩和火山变质岩系，密度常见值为2.45~3.05 g/cm³；中、新生界沉积岩与凝灰岩密度较低，常见值为1.05~2.98 g/cm³。具体地层岩石密度统计见表 3。

场内岩浆岩从酸性、中酸性、中性到基性，密度平均值从2.58 g/cm³增至3.12 g/cm³。其中辉长岩密度均值为3.12 g/cm³左右，闪长岩密度值为2.58~3.23 g/cm³，花岗岩、花岗闪长岩的密度值为2.48~2.95 g/cm³。不同岩体间密度差异较大，如表 4所示。

试验场内各类岩石电阻率差异明显，与岩石变质程度和结晶程度相关性较强。一般变质程度越高、结晶程度越强、矿物结构越致密，岩石的电阻率越大。从岩石类型来看：场内板岩类电阻率值最大，平均值为31 635 Ω·m，砂岩类最小，平均为2 703 Ω·m；试验场内岩石电阻率值由大到小依次为：板岩、灰岩、石英岩、片岩、火山岩、侵入岩和砂岩。

综合解释研究采用多边形2.5D棱柱体模型的组合，即组合二度半体(2.5D)重磁异常人机交互正反演技术，对典型剖面重、磁异常进行定量解释，获得剖面上密度、磁化强度的空间分布，不断反馈、试验，直至拟合精度满足预定要求，并且重磁资料的计算解释结果相互吻合。由于地球物理资料本身存在多解性，在综合解释过程中，以地质剖面测制成果和实测电磁测深剖面为基础，结合实测物性资料，对实测典型剖面进行重、磁异常联合正演拟合，建立综合地质-地球物理剖面，进行地质地球物理综合解释。具体解释研究流程见图 5。

图 5 典型剖面综合地球物理解释流程图 Fig. 5 Integrated geophysical interpretation thinking of typical profile

图选项

地质-地球物理模型的建立以地质资料为基础，通过岩石物理性质的分析与制约，实现地质模型到地球物理模型的转化^[5]。利用各种地球物理定性解释资料的聚合和取舍，完成地球物理模型到地球物理场的正演拟合，根据拟合精度对模型不断地进行修正，使模型达到使用要求。

试验场典型剖面地质-地球物理的建模过程主要包括4个环节。首先以实测地质剖面和物性资料为基础，以电磁测深剖面为约束条件，综合分析地质、地球物理资料，建立初始地质物性剖面模型；随后对地质物性剖面进行重力正演拟合，建立密度体模型剖面；继而以密度体模型为基础，对航磁异常剖面进行正演拟合，建立磁性体剖面；最后通过反复修正模型，得到满足重、磁和地质解释要求的物性剖面，并赋予拟合模型体地质含义，合理解释反演结果。由于电磁资料主要反映浅部信息，且同一种岩石在电性上存在着分布不均的特点，加之野外测量时试验场内地表水对电阻率的影响，使得视电阻率剖面与具有浅部和深部综合反映的重、磁剖面存在着一定的差异。因此，在建模时，浅部主要参考了电磁与地质信息资料，深部结合了重磁资料。此外，布格重力异常是由深部及浅部具有密度差异的地质体共同产生的。考虑试验场范围较小，深部重力场影响可视为恒定重力背景场，在重力正演拟合时未再考虑深部的影响，仅进行5 km以上的岩性密度拟合。在拟合过程中，选取-170×10^-5 m/s²作为布格重力零值线，根据实测岩石密度资料的统计分析结果，建立初始密度体模型。以重力拟合好的密度模型为基础，遵循磁性岩石空间赋存尽量与密度模型一致的原则，分析磁异常特征，构建初始磁性体模型，通过人机交互不断修正模型及参数，直至拟合精度达到预定要求，并使重磁计算解释结果相互吻合。

实际计算过程中，参考试验场实测物性资料，岩石密度选择如下：元古宇变质岩为2.65~2.68 g/cm³；古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂为2.62~2.66 g/cm³；古生界浅变质岩为2.56~2.60 g/cm³；中、新生界盖层为2.40~2.50 g/cm³；中基性侵入岩为2.80~3.10 g/cm³；中酸性侵入岩为2.55~2.60 g/cm³；次火山岩为2.80 g/cm³。

岩石磁性参数选择如下：正常地磁场强度为55 976 nT；正常地磁场倾角为61.3°；正常地磁场磁偏角为-5.2°；剖面方向为南北向；元古宇变质岩磁化强度为(15~150)×10^-3 A/m；古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂磁化强度为(10~140)×10^-3 A/m；古生代浅变质岩磁化强度为(1~60)×10^-3 A/m；中基性侵入岩磁化强度为(500~1 300)×10^-3 A/m；中酸性侵入岩磁化强度为(2~130)×10^-3 A/m；次火山岩磁化强度为(300~400)×10^-3 A/m。

综合分析大井坡试验场地质、地形、遥感、磁、重力和电磁等资料，在场内西部、中部和东部分别选择3条纵贯南北的典型剖面(AA’，BB’，CC’)进行综合解释。

AA’剖面位于试验场西部，在地质上由南至北穿过二叠纪花岗岩、元古宇白云鄂博群沉积变质岩和第三系宝格达乌拉组盖层，局部出露古生代大红山组中基性火山岩。

在AA’剖面综合地质-地球物理解释图(图 6)中，布格重力异常变化范围为(-182~-160)×10^-5 m/s²，整个剖面由南向北先抬升后下降。根据已知地质出露情况及实测物性资料，推断南部的重力低值主要由低密度花岗岩引起，中部的重力高值主要由密度较大的元古宇岩石引起，而北部的重力低值则由中、新生代浅变质岩和中酸性侵入岩引起。

1.中酸性侵入岩：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；2.中酸性侵入岩：Js=60×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；3.中酸性侵入岩：Js=20×10-3 A/m、ρ=2.58 g/cm3；4. 古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂：Js=140×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；5. 元古宇变质岩：Js=80×10-3 A/m、ρ=2.68 g/cm3；6. 元古宇变质岩：Js=60×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；7. 中基性侵入岩：Js=780×10-3 A/m、ρ=3.10 g/cm3；8.中基性侵入岩：Js=1 300×10-3 A/m、ρ=3.10 g/cm3；9.古生界浅变质岩：Js=180×10-3 A/m、ρ=2.60 g/cm3；10.次火山岩：Js=300×10-3 A/m、ρ=2.80 g/cm3；11.中、新生界盖层：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.42 g/cm3；12.中、新生界盖层：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.47 g/cm3；13.断裂。Js为磁化强度。 图 6 AA’剖面综合地质-地球物理解释成果图 Fig. 6 Comprehensive geological geophysical interpretation of AA’ profile

图选项

航磁异常变化范围为-50~67 nT，存在较多范围较小的局部异常，主要为埋藏较浅的磁性体引起。在剖面的中北部，有一典型的负异常，推断地质体存在剩磁。由实测剖面物性可知，在小白林地附近测到磁化率均值为1 000×10^-5 SI左右、最大值达4 000×10^-5 SI以上、剩磁强度最大达909×10^-3 A/m的大红山组玄武安山岩相，与推断相吻合。实际正演中确定其有效磁倾角为-70°，磁化强度为1 300×10^-3 A/m，推测为剩磁强度较大的中基性侵入岩。

视电阻率剖面大体呈现出3个低电阻率体和2个高电阻率体交替分布；在低电阻率体和高电阻率体电性突变的位置，对应着布格重力异常梯度变化带，且在重磁平面图上均有明显反映，推断为断裂的反映。

BB’剖面位于试验场中部，其穿越地质内容与AA’剖面相似，区别仅在于剖面中部出露古生代辉长岩。在BB’剖面综合地质-地球物理解释图(图 7)中，布格重力异常变化范围为(-182~-154)×10^-5 m/s²，整体表现为中间高、两侧低的特征，其中南翼变化幅度较大，成因与AA’剖面的推断基本一致。

1.中酸性侵入岩：Js=100×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；2.中酸性侵入岩：Js=55×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；3.中酸性侵入岩：Js=30×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；4. 古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂：Js=80×10-3 A/m、ρ=2.62 g/cm3；5. 元古宇变质岩：Js=15×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；6. 元古宇变质岩：Js=140×10-3 A/m、ρ=2.66 g/cm3；7. 中基性侵入岩：Js=560×10-3 A/m、ρ=2.87 g/cm3；8. 中基性侵入岩：Js=500×10-3 A/m、ρ=2.85 g/cm3；9. 古生界浅变质岩：Js=60×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；10. 中、新生界盖层：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.44 g/cm3；11.断裂。 图 7 BB’剖面综合地质-地球物理解释成果图 Fig. 7 Comprehensive geological geophysical interpretation of BB’ profile

图选项

航磁异常变化范围为-44~151 nT，除存在2个较强的局部磁异常外，整体变化平缓，主要为无磁或弱磁性岩石的反映。该剖面中部有两个较强的局部磁异常：南侧异常幅度较大、梯度变化较快，表明磁性体埋藏较浅；北侧异常幅度较小，梯度变化较缓，表明磁性体埋藏较深。正演拟合结果显示，这两处异常磁化强度分别为560×10^-3 A/m、500×10^-3 A/m，推测是由同类岩石引起的。南侧异常与出露辉长岩对应较好，推测两个异常为中基性侵入岩引起。

视电阻率剖面总体表现为南北低、中间高的特点，中部高阻区域中间又出现相对低阻，电性差异明显的地方与布格重力梯度变化大的地方相对应，为断裂破碎带的反映。其中，南北两侧低电阻率区分别为中酸性侵入岩与中、新生界盖层的反映，中部是具有较高电阻率的元古宇变质岩的综合反映。

CC’剖面位于试验场东部，相对于其他两条剖面，该剖面穿越的地质内容最为丰富，主要出露上侏罗统大青山组、元古宇白云鄂博群沉积变质岩和新近系白音宝拉格组沉积岩等，出露二叠纪花岗岩、花岗闪长岩等侵入岩。

在CC’剖面综合地质-地球物理解释图(图 8)中，布格重力异常由南向北先逐渐升高、再缓慢降低，中部偏南异常有较多起伏变化，整体变化范围为(-175~-159)×10^-5 m/s²。根据地质出露、剖面实地测制、重力转换平面图件的联合反映，推断该剖面穿过了多条断裂。断裂存在位置在电阻率剖面图上也有明显电性差异变化的显示，推断中部重力高主要是由元古宇岩石所引起。

1.中酸性侵入岩：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.55 g/cm3；2.中酸性侵入岩：Js=70×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；3.中酸性侵入岩：Js=100×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；4.中酸性侵入岩：Js=80×10-3 A/m、ρ=2.56 g/cm3；5.中酸性侵入岩：Js=130×10-3 A/m、ρ=2.58 g/cm3；6.古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂：Js=130×10-3 A/m、ρ=2.66 g/cm3；7.古生代花岗岩与元古宇变质岩混杂：Js=140×10-3 A/m、ρ=2.66 g/cm3 8. 元古宇变质岩：Js=60×10-3 A/m、ρ=2.67 g/cm3；9. 元古宇变质岩：Js=150×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；10. 元古宇变质岩：Js=140×10-3 A/m、ρ=2.65 g/cm3；11.古生界浅变质岩：Js=120×10-3 A/m、ρ=2.60 g/cm3；12.中基性侵入岩：Js=600×10-3 A/m、ρ=2.80 g/cm3；13. 中生界盖层：Js=15×10-3 A/m、ρ=2.42 g/cm3；14. 中、新生界盖层：Js=10×10-3 A/m、ρ=2.47 g/cm3；15.断裂。 图 8 CC’剖面综合地质-地球物理解释成果图 Fig. 8 Comprehensive geological geophysical interpretation of CC’ profile

图选项

航磁异常主要表现为中间有比较典型的宽缓正磁异常，异常幅度约100 nT，认为是由隐伏在元古宇老地层中的中基性侵入岩所引起。

视电阻率剖面总体表现为南部、中部低，北部高的特点。南部低阻范围较大，长约4 km，为低阻的中、新生界盖层的反映。北部约26 km处由浅至深出现明显的高低阻界线，认为是中酸性侵入岩与古生界浅变质岩的分界线。

综合地球物理与地质解释是剖面与平面不断反馈、不断修正的过程。利用典型剖面综合解释结果作为试验场岩性构造解释的依据和约束条件，综合对比场内电磁、重、磁异常特征，对试验场全区进行岩性构造解释填图，编制了航空物探试验场岩性构造图，如图 9所示。

1.中、新生界；2.古生代浅变质岩；3.古生代花岗岩与元古宙变质岩混杂；4.元古宙变质岩；5.中酸性侵入岩；6.中基性侵入岩；7.次火山岩；8.磁铁矿；9.断裂。 图 9 大井坡航空地球物理试验场岩性构造解释平面图 Fig. 9 Tectono lithologic map of Dajingpo airborne geophysical test site

图选项

从图 9可以看出，试验场被中部近EW向展布的断裂F₁与北部呈NEE向展布的断裂F₂分割成南部褶皱区、中部断隆区和北部坳陷区3个区域。南部褶皱区东南部在地球物理场上表现为重力高、航磁背景略高、电阻率变化大的特点，推断为元古宇变质岩，其中航磁负背景场中的升高异常，推测为中基性侵入岩反映；西南部表现为低密、低电阻率和弱磁特征，推测主要为中酸性侵入岩的反映。中部断隆区表现为重力场高、视电阻率高，磁场上存在正异常带的特征，综合推断中南部为元古宇变质岩的反映，南部为中酸性侵入岩的反映，其中电阻率较高、重力低的异常组合为变质岩中侵入的中基性侵入岩的表现。北部坳陷区地球物理场上表现为电阻率低、重力低、磁力低的特征，推断为中、新生界盖层下伏古生界浅变质岩。

通过剖面与平面间的互相检验，检验了试验场综合解释与典型综合剖面解释的合理性、准确性，从而全面掌握试验场内地质构造特征，为试验场进一步解释研究提供指导。

充分利用大井坡试验场地质、矿产、地形、遥感、磁、重力和电磁等资料，对典型综合剖面进行地质、地球物理综合分析，整个过程实现了地质与地球物理、定性分析与定量分析的结合，获取了重、磁联合定量方法研究经验，全面掌握了试验场地质构造情况。通过对典型剖面的研究分析，既为试验场综合解释填图提供了依据和约束条件，也为航空地球物理测量系统标准剖面建设创造了条件，为进一步提出试验场建设标准、规范数据分析应用程序，建设具有国际水平的试验场奠定了基础。