2. 吉林大学地球科学学院, 长春 130026;
3. 中国地质调查局天津地调中心, 天津 300170;
4. 山东科技大学地质科学与工程学院, 青岛 266590
2. College of earth science, JiLin University, Changchun 130026, China;
3. Tianjing Center, China Geological Survey, Tianjing 300170, China;
4. Shandong university of science and technology institute of geological science and engineering, Qingdao 266590, Shandong, china
辽吉古裂谷是龙岗地块和狼林地块的拼合区域(胡国巍,1992),经历了多期构造叠加和岩浆活动,地质结构复杂,该区也是我国主要的古元古成矿带,赋存许多大型、超大型矿床(冯本智等,1998),许多学者在该区开展了大量的研究工作.张秋生、邹祖荣等系统论述了太古宙由与早远古宙层状岩系和岩体特征(张秋生,1988);陈荣度、李显东等对古元古代沉积盆地的构造属性、古元古界的层序与划分和南北古陆存在差异问题进行了深入的研究和探讨(陈荣度等,2003);刘俊来等通过对辽河群褶皱样式的研究,提出古元古界是一套处于伸展环境下裂谷堆积物组合(刘俊来等,2002);李三忠、杨振升等以同位素年代学制约,将元古代时期辽吉古裂谷深部动力学过程划分为造山前伸展、造山期的挤压、造山后的伸展塌陷三个阶段(李三忠等,1998);赵俊猛、卢造勋等以地震勘测建立了海城-岫岩一带的速度结构,并推测了该区的地幔起伏情况(赵俊猛和卢造勋,1998).前人多从地表的岩石类、地球化学角度进行研究的,而区域性深部地球物理资料相对匮乏,使得对该区深部地质结构以及区域构造演化的研究缺乏有力证据.以天然电磁场为场源的大地电磁测深法具有丰富的频谱成分,不受高阻层屏蔽影响,可以实现对地下深部电性结构进行深度探测,而横向分辨率较高的重磁法勘探对电法所获得的深部电性结构剖面的定性具有重要的约束作用,所以应用重磁电非震方法进行勘探可以更为准确的获得地下深部三维地质结构(王耀辉等,2013).为建立辽吉古裂古深部三维地质结构,设计并完成4条重、磁、电综合剖面,同时沿着上述非震地球物理剖面采集并测量了研究区内主要地质体物性.本文在充分收集和详细分析前人对于该区构造、地层等研究成果基础之上结合物性特征,对模拟和反演所获得的4条非震地球物理剖面进行综合地质-地球物理解译工作,为进一步矿产勘查和深入研究辽吉古裂谷形成机制及矿产预测提供重要的科学依据.
1 区域地质概况
辽吉古裂谷隶属于华北克拉通(翟明国和彭澎,2007),位于郯庐断裂以东,西起渤海湾,东至日本海,南接狼林地块,北邻龙岗地块.辽吉古裂谷主要由厚度达万米的古元古代辽河群(老岭群、集安群)和裂谷不同演化阶段的岩浆岩组合组成(翟安民等,2005).可分为北缘斜坡区、中央凹陷区和南缘浅台区(陈荣度等,2003).古元古代地层遭受多期复杂褶皱变形,南部变形强,北部变形弱.
1—structure partition boundaries;2—luliang cycle mainly fold structure;3—Tanlu fault; 4—fault; 5—klippe structure; 6—archean continental;7—Northern Slope;8—central sag; 9—the south rim shallow platform①Pianling-Hanling fault; ②Liujiahe-Qingduizi fault; ③Haicheng-Xiuyan fault; ④Haicheng-caohekou fault. |
研究区内主要由太古宙表壳岩、变质深成岩、古元古代辽河群层状变质岩系.
(1)太古宇:为一套分布在龙岗微陆块和狼林微陆块上并遭受区域变质作用而形成的中-深变质岩系,主要岩性为黑云绿泥岩、斜长角闪片岩和角闪磁铁石英岩.太古代地层绝大部分呈残留体分布花岗岩质片麻岩之中,为“鞍山式”铁矿储矿层位(张宏嘉等,2013).
(2)古元古界为工区主要出露地层,不整合于太古宙变质杂岩之上主要岩性自下而上为:富硼的火山-沉积岩夹陆源碎屑岩建造的里尔峪组,其主要岩性为黑云变粒岩、磁铁浅粒岩、电气浅粒岩、二长浅粒岩、片岩、斜长角闪岩组合;碳质陆源碎屑岩及粘土岩建造的高家峪组,其主要岩性为碳质板岩、千枚岩、片岩及白云质大理岩组合;碳酸盐岩夹陆源碎屑岩-粘土岩的大石桥组,其主要岩性为片岩、板岩、变粒岩及白云质大理岩组合;粘土岩-陆源碎屑岩夹碳酸盐岩建造的盖县组,其主要岩性为黑云变粒岩、变质二云石英砂岩、含墨透闪透辉岩组合.各组地层主要呈韧性滑脱面接触关系(李三忠等2001).
(3)新元古界:主要出露永宁组的含砾粗粒长石、石英砂岩,长石石英砂岩;钓鱼台组的石英粉砂岩、石英砂岩、沉积石英岩;南芬组的黄绿色页岩、含海绿石紫色页岩、泥灰岩、钙质砂岩,桥头组的石英砂岩、长石石英砂岩、粘土质粉砂岩.
(4)古生界:大面积出露于研究区北部本溪-辽阳等地,由寒武系的碱厂组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组和奥陶系的冶里组、亮甲山组、马家沟组组成,主要岩性为灰岩、泥质灰岩、条带灰岩、钙质页岩等.
(5)中生界:由侏罗系凝灰质砂岩、泥质粉砂岩、长石石英杂砂岩和白垩系的安山质岩屑晶屑凝灰岩、晶屑凝灰岩、粉砂质页岩组成.
(6)新生界:主要出露于研究区北部上伏于寒武系地层之上,二者呈不整合接触关系.
1.2 岩浆岩
区内侵入体分布广泛,具有多期叠加侵位特点,多呈穹隆式产出.主要有新太古代大苏河二长花岗岩、石英闪长花岗岩;古元古代辽东花岗杂岩及伟晶岩脉、辉绿岩脉;三叠纪花岗闪长岩、中细粒二长花岗岩;侏罗纪二长花岗岩;白垩纪二长花岗岩、流纹斑岩等(王翠芝,2007).
1.3 断裂构造
辽吉古裂谷处于古亚洲构造域和滨太平洋构造域的交接复合部位,经历多世代、多样式、多强度的构造变形,构造行迹以发育NE、NNE向及NW构造为主.
(1)寒岭-偏岭断裂:位于东鞍山-本溪寒岭-偏岭-新宾马圈子一线,呈北东向弧型展布,长约120 km.该断裂活动带切割深度大,断层面倾角陡,主要表现为左行平移性质,走滑距离较大,中段位移最大可达31 km,向东西两端逐渐减小.构造的活动形成于中生代时期,切割了太古宙深成岩、变质表壳岩及新元古界、古生界、中生界地质体.控制了侏罗纪、白垩纪陆相沉积盆地形成和岭期中酸性火山岩的喷发(张国仁等,2004).
(2)刘家河-青堆子断裂:位于庄河青堆子-凤城刘家河本溪蓝河峪一线,由断续延伸的北北东向走滑断裂组成,长约235 km.切割下元古界、二叠系、白垩系及早元古代混 合岩、印支期和燕山期花岗岩.断面倾向不定,以北西向为主.断裂带见挤压片理.构造透镜体,断层泥等.属压扭性壳断 裂.
(3)海城-岫岩断裂:自海城向南东延伸,过王家堡子、佟家堡子,岫岩、哨子河至东沟县北井子终止,总长l50 km.地表见有零星的北西向断裂,重力和航磁资料均显示有北西向断裂存在(秦亚,2013).
(4)海城-草河口岩石圈断裂:位于海城市小女寨-辽阳市亮甲-甜水-本溪市草河口-凤城宫家堡一线,呈东西向舒缓波状,延长130 km以上,宽1~1.5 km,构成辽阳-本溪溪凹陷之南界.由断续相连平行展布的数条断裂组成,挤压片理、构造透镜体、断层泥发育.沿断裂有基性、超基性岩体群分布.
2 地球物理测量与解译 2.1 地球物理测量与物性统计
本次野外数据采集使用仪器分别美国BURRIS型高精度重力仪、加拿大GEM公司生产的GSM-19T违纪质子磁力仪和凤凰公司生产的V5-2000系列电磁仪.严格执行相关数据采集规范的前提下共完成4条重磁电剖面测量工作(见图 2),4条非震地球物理剖面总长度426 km.重力、磁法点距为0.25 km,总物理点3465个.大地电磁测深(MT)基本点距2.96 km,共布设完成MT测点144个,平均采集时间为12小时,经远参考处理、阻抗张量分解等数据去噪处理后(徐义贤和王家映,2000;汤井田等,2012;叶涛等,2013;陈小斌等,2014),得到的视电阻率和相位曲线表明数据质量良好,可用频率范围为0.001~360 Hz.除城镇、矿区存在严重噪声干扰外,绝大多数测量结果可以用于地质解释.
沿4条非震剖面和主要矿区共采集物性样本526件.测量结果见表 1.物性统计结果表明:沉积地层密度一般大于同一时代的岩体密度,同一岩性不同时代形成的岩体,从老到新密度呈递减趋势.太古宙鞍山群、下元古界辽河群底层密度值较大,在2.75 g/cm3左右,高密度体上覆地层之间存在0.1~0.15 g/cm3的密度差.因此老的结晶基底是引起区域重力高的主要地质因素.酸性—中酸性岩体,一些均属低密度体,例如广泛分布的印支、燕山期花岗岩密度值为2.6~2.64 g/cm3,两者之间存有0.14 g/cm3密度差,反映出重力低异常.中性岩体密度值较高(2.70~2.75 g/cm3),基性超基性岩体或中-深成变质岩属高密度体(2.75~2.81 g/cm3),能引起重力高异常,例如研究区西北侧太古代结晶基底.区域磁性特征为磁铁矿石磁性最强,可引起强大的局部磁异常.沉积地层基本无磁性或测行较弱.中基性岩体磁性较强,能引起较大的磁异常,酸性侵入岩磁性变化范围较大,异常形态不规则,并且不同期次的岩体磁性存在差异.电阻率方面:各时代形成的沉积地层电阻率值低,表 现为低阻异常区.岩体除辽东花岗岩电阻率略低外均高,一般在5 ΚΩ·Μ左右,而太古代中-深变质岩系电阻率值最高,达到50~100 ΚΩ·Μ.但由于岩矿石电阻率值极易受测量环境影响(如湿度、温度、压力),所以其值仅作为参考.
MT数据反演使用SCS2D平滑反演软件进行反演,该软件由美国ZONG公司生产,因其稳定性强、可靠性高得以广泛应用.为了减小三维畸变的影响,在二维反演时选择TM极化模式进行带地形反演(汤井田等,2007; 张罗磊等,2009;董浩等,2012;胡祥云等,2013;梁生贤等,2014),反演参数首层厚度设为50 m,比例系数为1.21,反演深度达到10 km,相位和视电阻率拟合差不大于5%.结合重磁最终得到4条非震法地球物理剖面,由于篇幅所限现仅列出两条具有代表性剖面.
2.2.1 Line2剖面
如图 3所示,该条剖面北东向展布,亦可分为四段:
1~7号点,为古元古界辽河群地层,局部有中高阻里尔峪组辽东花岗杂岩(Pt1Ldγ)侵入.重力总体表现为正异常,进一步证明古元古界地层密度大的特征.地磁场值波动较大,表明岩性变化较大,即元古代不同时期地层存在一定磁性差异.
7~21号点之间,重力为负异常,磁场值为负值,电性结构为明显高阻异常体,电阻率高达15 KΩm,甚至更高.该区段为不同时代岩浆侵入叠加而成的复式岩体,由多期岩浆侵入活动,主要为早三叠纪侵入体T3Jd和中三叠系侵入体T2Tp,二者为超动式接触关系.物性参数表明T3Jd密度(2.73 g/cm3)大于T2Tp密度(2.6 g/cm3),因此根据布格重力异常剖面将7~14号点间高阻异常体为T3Jd,14~19号点高阻异常体为T2Tp.另外在10号点附近存在断陷盆地,盆地内富有白垩纪小岭组(Jkx)中酸性熔岩、火山碎屑岩,根据低阻异常范围确定其厚度约为0.18 km.断陷盆地下部是将早三叠纪侵入体(T3Jd)分割的火山通道,该通道电性剖面上表现为明显的中高阻异常带,重磁剖面均表现为低异常值.
21~33号点之间,为高密度的古元古界地层,磁场为正负磁异常,电性结构剖面上部为沉积厚度较大的古元古代地层,在裂谷收缩背景下发育一系列逆冲断层,从而导致局部出现中高阻的动力变质区域.根据地层层序和断层倾向应力分析表明该套地层在空间上为复向斜构造,左翼舒展,右翼陡立,充分证明该区经历过多期构造运动.下部有中高阻辽东花岗岩(Pt1Ldγ)侵入到古元古界地层中,并有随围岩后期改造形变的痕迹.另外在30号点附近磁异常值高,为找铁矿重点研究区.
33号点以后,根据地层层序和电性结构剖面可以确定该处为向斜构造,核部在36号点附近,为第四纪桥头组(Qnq)石英砂岩夹页岩及砂质页岩,电阻率较高,两翼为寒武纪沉积地层,电阻率较低.布格重力值呈先降后升趋势,为负异常,其规律与该区段向斜构造特征吻合.磁场值变化除向斜核部出为较稳定的负异常值外,正负异常值成韵律变化,进一步证明该区段构造为向斜构造.向斜下部低阻区可能有古元古带变质岩系存在.
本条剖面南段古元古代地层遭受多期岩浆侵入,北段出现复向斜、向斜等强烈褶皱构造,这些都可能与辽吉古裂谷碰撞造山期活动有关.
2.2.2 Line4剖面
如图 4所示,该条剖面呈现横向分区纵向分层的特点,大体分四段:
1~7号点,低密度,低磁性,高电阻的侏罗纪二长花岗岩(J1Hy)侵入并覆盖古元古界地层之上,古元古地层下伏于J1Hy,埋藏较深约7 km左右,该侵入体在2号点右侧被脆性滑脱断层所错动,断层深切数千米之多.
7~15号点之间,古元古界地层起伏并出露于地表,重力值明显增高.在9、13号点附近地下深部,地球物理特征表现为高密度、中高阻异常体,结合地质信息推测存在古元古时期侵入岩体辽东花岗岩(Pt1Ldγ)所致.海城-岫岩断裂在10号点附近与剖面相交,地球物理剖面均表现为明显的异常场梯度带,从电阻率剖面分析该断裂倾角约为75°,断层上盘为古元古代沉积地层,下盘为辽吉花岗杂岩,该断层切割达数千米.
15~24号点,出现明显电性分层结构,上地表左侧为小岭组(Jkx)中酸性熔岩、火山碎屑岩.从电性剖面对应的低阻带推测其厚度约为1.7 km.右侧厚度约1.7 km的中高阻异常带为三叠系中统侵入岩体T2Yj和T2Tp,二者为涌动式接触关系.下伏为古元古界地层,其中高阻异常体为辽东花岗岩(Pt1Ldγ).
24~26号点,地表出露高阻、高密度、正磁异常新太古代大苏河片麻杂岩(Ar3Dgn),与领近古元古地层为断层接触关系,该断层即为北东走向的刘家河-青堆子断裂,依据电性结构剖面判断该断层倾向为西北向,倾角约为70°,断裂深切达数千米,这可能与辽吉裂谷挤压造山改造阶段有直接关系.
3 辽古吉裂谷中央凹陷区基底性质的认识
通过分析和解译研究区4条非震地球物理剖面,并结合地表地质信息,本文认为辽吉古裂谷中央凹陷区的基底主体为辽东花岗岩(Pt1Ldγ),局部被后期侵入岩体相继侵位,即辽吉古裂谷并不存在太古代结晶基底.依据如下:1、太古代结晶基底具有较大磁性(约196·10-2 A/m),辽东花岗岩磁性相对较弱(120·10-2 A/m),而磁测数据表明除不具磁性或磁性微弱的中生代侵入体对基底后期改造的区域外,研究区内磁场值与所测辽东花岗岩磁场值基本一致.2、太古代结晶基底具有由于长期处在高压环境下,密度值非常高(2.8 g/cm3),辽东花岗杂岩密度相对较弱(2.72 g/cm3),而重力测量数据表明除低密度中生代侵入体(2.65 g/cm3)对基底后期改造的区域外,研究区内布格重力异常值均与辽东花岗岩相当.3、太古代结晶基底电阻率值很高(约大于20 kΩ·m),辽东花岗岩电阻率值相对较低(小于1 kΩ·m),在反演电性结构剖面上,研究区内深部电阻率值与辽东花岗岩电阻率值十分吻合,另外在剖面所经过的古裂谷北部斜坡南部边缘高阻异常体埋藏逐渐加深后突然转变低阻,表明中央凹陷区内太古宙古陆结晶基底已缺失.4、辽吉古裂谷经历多期次,多旋回的构造演化历史进程,辽东花岗岩有大面积出露,而太古代基底仅出露于邻近的龙岗微陆块狼林微陆块,在辽吉古裂谷中央凹陷区并未出露,这在一定程度上也可说明辽吉古裂谷是以辽东花岗岩为结晶基底的.
太古代结晶基底的在辽吉古裂谷中央凹陷区的缺失可能是新太古代时期由于地幔岩浆上涌,底侵到中下部太古宙克拉通(李三忠等,1998),导致其结晶基底下部被重融而缺失,持续的岩浆作用最终导致太古宙龙岗微陆块与狼林微陆块之间发生裂解而形成初期裂谷环境,太古代结晶基底上部被深大断裂所切割而缺失,又由于断裂所致的迅速减压效应,岩浆活动活动进一步加强,大量地幔与地壳岩浆沿着断裂带上侵造山,形成辽吉古裂谷初期拉张环境下具有双峰式火山岩特点的结晶基底.后期裂谷进入挤压造山阶段(徐纪人等,2008),因温压降低及大量岩浆上涌导致局部上地幔亏损,密度减少而重力失稳,在下地壳发生断掉和拆沉等构造作用的同时伴有一系列岩浆活动,辽东花岗岩以塑态底劈重就位(李三忠等,1996),最终在收缩机制下形成裂谷基底的基本格架.
4 结 论 4.1 初步建立了辽吉古裂谷的10 km以上的电性结构剖面,剖面上重磁特点和电性结构与地表构造单元对应关系较好,各主要断裂在电阻率剖面上均表现为电性梯度带,切割深度为5~7 km;
4.2 古代变质岩系在龙岗地块埋藏浅,地球物理特征表现为密度大、磁场值高、电阻率高的特点;4.3 测区内古元古代地层大面积出露,局部地区埋藏深度大于10 km,褶皱变形与断层构造发育,地球物理特征表现为重力值高,电阻率值较低,磁场变化较大.中生代沉积盆地多为断陷型,埋深约1.8 km,地球物理特征表现为密度中等,电阻率值低,略有磁性; 4.4 测区内古元古宙受元古代、中新生代多期岩体侵位并形成复式岩体,受后期岩体侵位和构造活动影响,辽东花岗岩原始侵入形态已随古元古代地层一同被改造变形,而有些中生代的岩体还“漂”在元古宙之上,即顺层侵入;4.5 辽吉古裂谷中央凹陷区主体以辽吉花岗岩为结晶基底,太古代结晶基底因后期改造而缺失.[1] | Chen R D, Li X D, Zhang F S. 2003. Several problems about the Paleoproterozoic geology of eastern Liaodong[J]. Geology in China (in Chinese), 30(2): 207-213. |
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