2. 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京 100037
2. Key Laboratory of Metallogency and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Beijing 100037, China
近年来,随着浅表矿愈来愈难以发现,我国矿产资源对外的依存度日益增加,因此,加大勘探深度,开发深部矿产资源,成为缓解我国资源紧缺状况的当务之急[1].长江中下游成矿带是我国东部重要的多金属成矿带,浅部矿产勘探开发程度较高,而对深部资源的勘探开发相对滞后.在安徽省铜陵市冬瓜山1km以下发现的大型铜矿证实了深部勘探开发的巨大潜力,深部找矿的关键在于获取深部结构构造信息[2].基于此,开展大型矿集区深部精细结构探测研究,总结矿集区成矿模式、揭示成矿规律、发现深部矿产,是实现资源可持续发展的主要途径.而向深部追踪地表已经发现的控矿构造,探讨成矿深部控制条件是开展深部找矿的突破口[3].
宁-芜盆地位于扬子克拉通东北缘,是在下扬子褶皱带基础上发育起来的继承性菱形火山岩盆地,呈北东向延伸.东迄方山—小丹阳断裂,西邻长江断裂带,南至芜湖断裂,北以南京—湖熟断裂为界[4].盆地内以发育典型“玢岩铁矿"著称,已发现铁矿床有梅山、凹山、陶村等大型矿床,还有大平山、铜井等小型铜金矿床.区域地层主要由古生代—早中生代浅海—深海相碳酸盐岩沉积、早中生代—新生代陆相碎屑岩和火山岩系组成.区内出露地层为三叠系至第四系.三叠系为浅-半深海碳酸盐岩和页岩沉积地层,晚侏罗系—早白垩系为火山-次火山岩,第三系及第四系地层以砂砾岩为主.盆地内褶皱、断裂发育广泛,岩浆活动剧烈,褶皱轴向以北东向或北北东向的宽缓背斜、狭窄向斜为特征,规模较大的主要是燕山运动早期形成的宁芜向斜、钟姑背斜、盆地东缘脊状背斜[5].盆地内的基底断裂具有近似等距的网格状格局,横向断裂主要为北西向,纵向断裂为北东向.岩浆活动始于晚侏罗世,晚白垩世结束,岩浆多沿断裂、褶皱轴部侵入,火山岩系覆盖面积达上千平方公里,由老至新可划分为龙王山、大王山、姑山和娘娘山四个旋回,岩性主要为辉长岩、辉长闪长玢岩、角闪粗安玢岩和角闪安山玢岩等,分布明显受深部断裂控制.盆地中段深部普遍有花岗岩体侵入,后期块断上升,被剥蚀改造[6].
张八岭隆起位于安徽省东部,为华北板块和扬子板块的分界带,呈北北东向延伸,西界为郯庐断裂带,东南接滁州—宿松褶皱冲断带[7].张八岭隆起南段出露晚太古代—早元古代的肥东群角闪岩相变质杂岩和晚元古代张八岭群低级变质岩,肥东群变质杂岩与上覆的张八岭群呈断层接触[8].张八岭群是扬子板块北缘的绿片岩相变质基底,在印支期华北板块与扬子板块的陆陆碰撞时卷入了造山变形,岩层变形复杂[9].
近年来,在宁芜矿集区开展了许多构造学、矿物学、岩石学方面的研究[10],对矿集区浅部结构构造形态已有相当的了解,但对深部10km 以上的上地壳结构的研究,尚属空白,而深部结构控制着成矿系统和成矿作用的形成,因此,开展典型矿集区深部结构探测,具有重要的意义.矿集区西缘的张八岭隆起南端也开展过大地电磁测深研究,提供了深至上地幔的深部电性结构特征,但多为长剖面,测点间距较大,且数据处理及反演方法都不够先进[11-12].本文根据宁芜矿集区及其西缘的布设的2条大地电磁测深剖面数据,采用先进的大地电磁数据处理及反演方法,结合区域地质资料及重力多尺度边缘检测结果对区域上地壳结构进行了的研究,取得了一些新的认识.
2 数据采集及处理 2.1 测线布置大地电磁测深2线纵贯宁芜矿集区,南起姑山,北达南京市江宁区,近南北向,测线长度49km,点距1km;3线近东西向,西起巢湖市,东至当涂县,测线长度84km,点距1km,穿过了肥东群超高压变质岩出露区、滁河断裂、长江断裂.测线位置如图 1所示.为避开人文电磁噪声干扰,部分实际的测点坐标与设计点坐标有一定偏移,但点位误差不超过100m.
数据采集使用加拿大Phoenix公司生产的V5型五分量大地电磁仪.采集频率范围为3.2×102~3.0×10-4Hz,仪器使用自带的GPS 卫星同步.为使数据有足够的叠加次数,每个测点的数据采集时长不少于20h.
为了进一步压制人文电磁噪声,获得高质量的大地电磁测深数据,野外数据观测时还采用了远参考道大地电磁观测技术,远参考观测技术是利用置于远离观测站的弱噪声地区的远参考站测得的磁场分量和本地测点测得的磁场分量计算互功率谱,从而达到消除自功率谱的目的.远参考站与观测站的距离的选择是满足噪声相关与否的关键因素,根据电磁场远区场和近区场划分数值模拟结果,噪声源与观测点的距离大于5倍趋肤深度δ 时,可以认为该噪声源是信号源,小于5倍趋肤深度时,应视为噪声信号.基于此,若远参考点与观测点的距离达到10倍趋肤深度时,可以认为两测点干扰信号是不相关的.根据趋肤深度δ 与勘探深度D的关系,δ =$\sqrt{2}D$,即远参考点距离选择14 倍勘探目标层时,满足噪声不相关的条件[13].本次探测目标层深度为10km,远参考站布设在距观测点140km 以外的人文电磁干扰少的地方,长期连续观测,与观测站同步采集数据.
2.3 数据处理利用傅里叶变换对大地电磁时间序列文件进行频谱分析,将时域信号转换为频域信号,然后计算电磁场的自功率谱和互功率谱,并采用Robust估算阻抗张量元素[14].经远参考处理、功率谱挑选等数据处理技术,最终得到123 个测点的阻抗张量及其视电阻率和相位曲线.远参考技术明显改善了视电阻率、阻抗相位曲线,图 2为视电阻率曲线和相位曲线在远参考处理前后的对比图,由图可知,经远参考处理后,数据质量得到明显提高.
二维偏离度是度量地下介质逼近二维程度的指标[15],定义:
倾子是分析构造走向的一个主要参数[16],根据倾子走向可以判断研究区构造的走向,图 4 给出了2线所有测点3 个频率点的倾子走向方位图,反映了不同测深的构造走向信息,图中每条短线方位角表示每个测点倾子的方位角,也即构造走向方位角.由图可知,三个频率点的倾子走向基本呈现北西向的构造走向特征,2线基本垂直区域构造走向,二维反演可以近似反映区域电性结构特征.值得注意的是:图 4(a,b)倾子走向的规律性较差,表明宁芜矿集区浅部构造较复杂,图 4c绝大部分测点倾子方向为北西向,表明矿集区深部构造主要为北西向.
二维反演前,为了保证判断TE、TM 曲线的准确性和所有测得资料旋转方向相同,将阻抗张量旋转到垂直测线方向.反演采用非线性共轭梯度(NLCG)反演方法[17],运用TE、TM、TE+TM 模式反复反演计算,初始模型是带地形的二维反演模型,以使反演模型尽量与实测地表环境一致,背景电阻率为100Ωm 的均匀半空间,光滑因子为10,经过100次迭代后,拟合差小于3%.根据区域地质资料,对三种极化模式反演计算得到的反演模型进行对比、分析,认为TM 模式反演得到的电性结构模型对地下结构分辨率高,且电性结构相对更为合理.确定了两条剖面的电性结构模型,即TM 模式反演计算得到的电性结构模型[18-19].
4.2 区域岩石电性特征岩石物性参数是地球物理解释的基础,为了对剖面电性结构更准确的解译,搜集了研究区电性参数信息,如表 1所示.从表中可以看出,岩石电阻率存在较大差异,同一类岩石电阻率变化范围也较大,另外,随深度的增加,岩石电阻率会有所增加,但不同岩石间的电阻率相对高低不会发生太大变化.从标本测定电阻率来看,岩石电阻率由大至小依次为:千枚岩、变粒岩、灰岩、侵入岩、火山岩、砂岩、砂砾岩、泥岩.通过区域电性资料,结合地质资料,可以根据大地电磁剖面的电性结构,揭示一定测深范围内的地层及构造特征.
图 5和图 6是宁芜矿集区2线和3线大地电磁数据应用非线性共轭梯度算法(NLCG)进行二维反演得到的电阻率断面图.剖面揭示了地表至10km深处的地下电性结构特征.通常情况下,电性梯度带、错断带及畸变带常指示断裂等地质构造的存在.3线剖面自西向东穿过滁河断裂、长江断裂带等大型断裂构造带,剖面上的电性梯度带和地质构造带吻合较好,2线与3 线交界处电性结构相似,如图 7所示,说明反演模型较好的反映了剖面深部结构.
剖面电性结构相对简单,具有横向分块的电性特征,高低阻体之间呈渐变过渡,从南到北,整体上呈现低—高—低的结构特点.剖面南端姑山附近有一倾向南,向上延伸至浅部的低阻带,电阻率值在10Ωm 左右;剖面中部小丹阳附近存在略向南倾的高阻体,顶面埋深2000m,由浅至深,电阻率值逐渐增大,至深部最大,超过104 Ωm,与姑山附近的低阻区域呈渐变过渡.剖面北端莺山附近存在大片低阻区域,电阻率值小于10Ωm,低阻区域浅部被局部高阻体分割,在深部连通,近于直立,相比较于姑山附近的低阻区域,莺山附近的低阻区域具有分布范围广,在浅部(5000m)被局部高阻体分隔的特点.
在反演断面图上,电阻率等值线的分布特征表明,剖面上不具有层状的电性结构特征.南北两端上地壳存在两个高导体,发育深度大,向上延伸至浅部,中部发育巨型高阻体,高低阻体之间呈渐变过渡关系.
4.3.2 巢湖—当涂剖面(3线)从图 6中的电阻率等值线断面图可以看出,在巢湖—当涂剖面上,西段巢湖附近和中段长江附近存在两组电性梯度带,发育深度大,近于直立.剖面西段呈现高阻的电性特征,电阻率值超过104 Ωm;剖面中部含山县附近,存在一呈“W"型的相对低阻区域,电阻率值在100Ωm 左右,中间夹高阻体电阻率值达104 Ωm,有几个局部高导体镶嵌在低阻区域中,电阻率值不大于10Ωm.剖面东段,深部存在高导体,发育深度大,向上延伸至3000m,倾向偏西,电阻率值小于10Ωm.
整体来看,巢湖—当涂剖面电性结构相对复杂,上地壳具有横向分块的电性特征,与姑山—江宁区剖面不同,在巢湖—当涂剖面位置,上地壳存在两组电性梯度带,倾向略偏东,向下延伸超过10km,剖面东段的高导体与姑山—江宁区剖面南段的高导体应是同一电性异常体在两条剖面上的反映.
4.4 反演模型与重力多尺度边缘检测对比分析Hornby首先提出了多尺度边缘检测的概念,由于检测结果形态类似蜿蜒爬行的蠕虫,又称WORMS法,其原理是由一系列上延到不同高度的重磁数据的水平极大值点组成,数据处理过程约束了位场梯度的位置和强度,按照不同的延拓高度,将检测点按一定的逻辑规则连接成线,即为WORMS线[20].WORMS线反映了具有密度或者磁性差异的地质体的边界,如断裂构造和各类接触面.线束的密集程度与边界构造的切割深度成正比,线束稀疏表示切割发育深度浅,反之表示切割深度大;线束组合越宽表示构造倾向越缓,反之表示该边界构造发育产状较陡[21].图 8是重力多尺度边缘检测结果与2线大地电磁反演断面的立体集成图.对比分析发现:红色带状密集约束线表明深部存在产状较陡的深断裂,显示断裂的位置与大地电磁反演模型的南北两端的两个高导体位置基本一致,认为高导体的形成与深断裂有关.
图 9是重力多尺度边缘检测与3线大地电磁反演模型的立体集成图,从图中可以看出,线束与长江断裂等构造界限对应,3 线中段含山附近的‘W'型低阻区与绿色密集约束线位置一致,指示含山附近存在断裂构造的可能性很大,从约束线的颜色蓝色来看,断裂发育深度不及2 线剖面南段和北段的断裂发育深度大.此外,根据检测线的密集程度与断裂产状的相关性,认为中段含山附近的检测线密集,断裂面较陡;东段边缘检测线较疏,指示断裂面较缓.
通过在宁芜矿集区及其西缘的大地电磁测深剖面的二维电性结构,结合重力多尺度边缘检测结果及前人研究成果,获得如下几点认识:
(1) 宁芜矿集区及其西缘上地壳电性结构具有不连续、分块的特点,发育大规模、不连续、产状各异的高阻体,电阻率值最高达104 Ωm,局部高导体电阻率值小于10Ωm.
(2) 从姑山—江宁区(2线)电性结构来看,宁芜矿集区深部电性结构呈低—高—低的电性特征,矿集区南部姑山附近存在略向南倾的高导体向下延伸且逐渐增大,推测是燕山期岩浆上涌侵位的通道,姑山矿田形成可能与该通道有关.矿集区北部梅山矿田的形成的高导体的成因似与南部高导体相同.
剖面中部的巨型高阻体是大型岩基,推测为花岗质岩性,这一认识与已知的宁芜矿集区花岗质岩主要产于中段、出露零星,多成小岩体产出,在深部连成一片,南北两端向深部倾没的地质资料相符.
(3) 从巢湖—当涂剖面(3线)电性结构来看,巢湖东侧的电性畸变带与滁河断裂吻合,滁河断裂附近的高阻体是肥东群超高压变质岩的电性反映,长江附近的电性梯度带对应长江断裂带,断裂带西侧的高阻体可能是超高压变质岩体的电性反映.
从电性结构和边缘检测线反映的密度体产状较陡的信息来看,含山附近呈“W"型的低阻体可能是扬子板块向华北板块俯冲后快速折返的电性证据.
整体来看,剖面从电性结构上反映了区域的推覆构造特征,这可能与造山过程中的扬子板块向华北板块俯冲的强挤压变形环境有关.
(4) 宁芜矿集区深部构造呈北西向,认为是扬子板块早期呈北东向向华北板块俯冲形成的,后期受郯庐断裂走滑剪切改造,浅部具有北东向的构造特征.
致谢成文过程中得到了中国地质科学院矿产资源研究所吕庆田老师的悉心指导,审稿专家对文章提出了重要的建议,安徽省勘查技术院兰学毅总工程师提供了区域电性资料,在此致以诚挚的谢意.
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