2016, Vol. 31
吉林省东南部的长白山火山区位于亚欧大陆东部华北板块东北边缘，与新生代北东向滨太平洋火山造山带的交接处.新生代火山活动恰好位于松辽盆地与朝鲜-日本海盆地边缘接触隆起带的一侧.著名的长白山天池火山是一座复合式火山，正处于西太平洋板块俯冲带的前缘位置，与板块俯冲形成的深源地震相距很近，火山活动频繁，地质构造十分复杂(刘若新等，1992；王开燕等，2015).大量的地球物理工作表明长白山天池附近存在较大范围的岩浆囊，而且仍存在喷发的危险(赵金仁等，2003；杨卓欣等，2005).新生代中期有过多次的火山活动，形成了大面积的玄武岩盖层.长白山地区几乎全被玄武岩覆盖，很难获得玄武岩盖层下的地质结构和地层信息.利用物探方法并结合地质资料能很好地帮助我们了解地下信息，进而为长白山矿产资源勘探开发、地质灾害的研究提供参考资料(崔笃信等，2007；吴建平等，2007).本文根据前人对长白地区地质构造的研究并根据长白县某地区一条重力、磁法、电法CSAMT联合剖面来揭示测区内玄武岩盖层下的信息.
1 长白山地区区域地层及岩性特征长白山地区位于华北地台东北端，地层发育较为齐全，该区的基底为太古代至中晚元古代的古老变质岩系和中生代的花岗岩，其中花岗岩形成的时间为200~130 Ma (图 1)，古生代沉积盖层在一些地区出露地表(姜梓萌，2013).中生代主要发育一系列的陆相沉积盆地，并伴有较强的中酸性岩浆活动.到了新生代，盆地又变成分散的准平原.之后在喜马拉雅造山运动的影响下，火山间歇性的喷发，使得地壳经历了一系列的断裂，抬升，地下的玄武质熔浆喷出地面，冷却形成玄武岩台地(金伯录和张希友，1994；王璞君等，2013).但在第四系前，新的地壳运动开始爆发，火山活动由原来的裂隙式喷发，转为中心式喷发.活跃的火山活动，喷出的熔岩和各种碎屑物，形成了以天池为主要通道的庞大火山锥，长白山区地壳隆起，出现了以玄武岩质和粗面岩质的岩浆活动(单新建等，2001；刘嘉麒等，2015).
|
图 1 长白山及周边地区岩石地层特征分布图 (年代数据来自吉林省地质志，1989) Figure 1 The charateristics of rock layers in Changbai mountain and The surrounding area (the data is from The Geology of jilin province, 1989) |
长白山地区演化过程经历了太古代-早中元古代的地槽发展阶段，晚远古-古生代三叠纪的准地台发展阶段，三叠纪-新生代的滨太平洋大陆边缘活化阶段.长白山地区处于中朝准地台辽东台隆，火山活动频繁，构造活动复杂，构造主要以北东、北西及北北东的断裂构造为主.区域较大的断裂构造主要有：北北东走向的依兰-伊通断裂、北东向的敦化-密山断裂带、北东走向的鸭绿江-甄峰山断裂、北东走向的图们江断裂、北西及东西走向的断裂带，其中东西走向的断层存在于第四纪沉积层之下的基岩中，断层并没有切过第四季的沉积层，为第四级之前形成的断层，只是在第四纪以来的地壳抬升过程中由于抬升差异形成了区内的部分地段断层的高差不一致(涂广红等，2006).
长白山地区大规模的火山活动始于晚上新世，贯穿整个第四纪(刘嘉麒，1988).根据地质背景、火山岩分布和岩浆演化特点，广义长白山火山区包括天池火山、望天鹅火山、图们江火山和龙岗火山等，总面积超过20000 km2.其中著名的长白山天池火山是典型的双峰式火山，经历了早期造盾(2~1 Ma)、中期造锥(1~0.02 Ma)和晚期喷发三个阶段(刘若新等，1998).长白山望天鹅火山也经历了类似的三期火山活动，时间略早于天池火山.望天鹅火山长白期造盾阶段(？~2.87 Ma)形成大量玄武岩覆盖了周围古老地层(樊祺诚等，1998；樊祺诚等，2007).长白山火山岩区是我国最大的第四纪火山岩分布区，被称为钾质粗面玄武岩省(魏海泉等，2004).
3 长白山地区重磁资料长白山地区的重力异常分布较为简单，自东南向西北逐渐增加，并在西北边界达到最大异常值(图 3).由于地表火山岩的分布区域布格重力异常整体较低，并在长白山天池和长白县形成两个低值异常区(姜梓萌，2013).十四道沟-漫江一带等值线近南北向，漫江-马鞍山林场等值线呈北东向，马鞍山-马鹿沟林场等值线基本呈东西向，出现这些特征与断裂构造或出露的岩性有关.区域异常幅值为：-105~-10 mgal.
|
图 2 长白山天池火山及周边断裂构造解译图(据单新建，2000) Figure 2 Tianchi volcano and peripheral fault interpretation chart (from Shan, 2000) |
|
图 3 长白山地区布格重力异常图(姜梓萌，2013) Figure 3 Thebouguer gravity anomaly map of Changbai volcanic (from Jiang, 2013) |
长白山地区航磁异常的幅值在-550~+600 nT之间，相比布格重力异常的简单分布，航磁异常分布差异较大，形态无规律(图 4).高值主要分布在天池以南的长白县地区，西部和北部的真正异常孤立分布，而且异常分布区域面积不大.但从航磁异常图上很容易看出该区域主要有以天池-泉阳-二道沟为界，北部异常走向主要以北西为主(图 4，Ⅰ).以天池-临江北东向负异常为界限，西北部区域异常走向是北东向，异常变化较缓(图 4，Ⅱ)；由于长白山玄武岩的影响，东南部异常主要呈现正磁异常.在正磁场中，望天鹅一带出现多处环形高磁异常，推测环形磁异常为火山构造引起(图 4，Ⅲ).
|
图 4 长白山地区航磁异常图(姜梓萌，2013) Figure 4 The aeromagnetic anomaly map of Changbai volcanic (from Jiang, 2013) |
长白县地区内出露的地层由老至新主要有中元古界临江组(Pt2l)；新远古界南芬组(Qb2n)，新远古界震旦系桥头组(Z1g)，新远古界震旦系万隆组(Z1w)，新远古界震旦系八道江组(Z2b)，下古生界寒武系中统张夏组(∈2z)，下古生界寒武系上统崮山组(∈3g)，下古生界寒武系上统长山组(∈3ch), 下古生界奥陶系下统冶里组(O1y), 下古生界奥陶系中统马家沟组(O2m)，上古生界石炭系中统本溪组(C2b)，上统太原组(C3t)二迭系下统山西组(P1s)，下中生界三叠系椿树腰组(T3c)，中生界侏罗系中上统长白组(J2-3ch)，新生界新近系中新统马鞍山村组(N2m)，上新统船底山玄武岩(βN)；第四系全新统(Q).
侏罗系中上统长白组(J2-3ch)下部为灰绿~暗紫色安山岩，安山质集块熔岩，夹晶屑凝灰岩及凝灰质砂岩.中部为灰绿~灰紫色安山质火山角砾岩；安山质集块岩.上部为灰绿、灰紫色晶屑、岩屑凝灰岩、灰黑色页岩、粉砂岩和泥岩.与上覆地层马鞍山村组为不整合接触.本组地层平均厚度550 m.
新生界新近系中新统马鞍山村组(N2m)分布标高一般都在710~800 m之间，为湖泊碎屑~化学沉积.上部为未固结~半固结的灰黄色细砂岩及粉砂岩，灰白色粘土岩及页岩，硅藻土.其中硅藻土是本组的标志层.下部为灰绿色~黄绿色砂砾岩、细砂岩、粘土岩，局部夹橄榄玄武岩及褐铁矿层，砾石成份有千枚岩、石英岩、火山岩等，胶结疏松.与上覆地层为不整合接触.本组地层厚度为25.62~145.07 m，平均厚度为98.48 m.
新生界新近系上新统船底山玄武岩(βN).该玄武岩在调查区广泛分布，分布标高大部是800 m以上，形成玄武岩台地，岩石柱状节理发育.该区域玄武岩是望天鹅火山上新世晚期的长白期火山活动形成的(？~2.87 Ma).岩性主要为灰~深灰色玄武岩、橄榄玄武岩.层间夹有赤紫色凝灰岩和角砾岩，与上覆地层为不整合接触.厚度分布不均，一般大于42.35 m.此次野外物探工作主要研究该区长白期的玄武岩厚度分布及盖层下的地层分布(图 5，L).
|
图 5 长白山火山区火山岩分布(据樊祺诚等，1998) Figure 5 The distribution map of volcanic rocks in Changbaivolcanic (from Fan et al., 1998) |
第四系全新统冲积层(Q).主要为河床堆积物，以砂砾层和砂质亚粘土层.
分布在河谷蛇曲地带.厚度8~30 m.平均厚度12.50 m (孙世芳，2013).
5 长白县某地物探特征如图 5所示，以鸭绿江为界，鸭绿江以南是朝鲜惠山市，以北是吉林省长白县朝鲜族自治县(简称长白县)，长白县境内几乎全部被望天鹅火山造盾和造锥时期形成的玄武岩覆盖，仅在靠近鸭绿江的南侧出露较老地层.为了进一步研究长白山玄武岩盖层下面地质构造，全面正确认识长白地区，以便为矿产资源调查提供指导依据，我们在长白县某地做了一条18 km的物探剖面(图 5所示L)，联合应用重力，磁法，电法可控源开展地球物理勘察工作.测线为南北走向，南起中朝边界的鸭绿江边，测线长度18 km，重磁测线点距为400 m，起点标号1000，终点标号2800.CSAMT测线点距为100 m，起点标号1000，终点标号2800.经过野外数据采集，室内数据处理，做出了该区的布格重力异常剖面图(图 6)，磁异常剖面图(图 7)，CSAMT视电阻率二维反演断面图(图 8)(野外实测数据来自吉林省勘察地球物理研究院).
|
图 6 长白县某地布格重力异常剖面图 Figure 6 The profile of Bouguer gravity anomaly in Changbai county |
|
图 7 长白县某地磁测ΔT异常剖面图 Figure 7 The profile of magnetic anomaly in Changbai county |
|
图 8 长白县某地CSAMT视电阻率二维反演断面图 Figure 8 Thesection map of 2D inversion of CSAMT apparent resistivity in Changbai county |
重力异常是由于岩石密度差引起的，测线南端为元古代、古生代老地层，岩石密度较大，在布格重力异常上显示为相对较大的重力负异常值.沿侧线向北过程中，地表开始出露中生代、新生代较新地层，岩石密度相对较小，在布格重力异常剖面图上表现为较小的负异常值，具体表现在重力布格异常图点号1640以后.布格重力异常变化率最大处往往指示地下断裂构造处，其中点号为1600，2150，2348在布格重力异常图上表现为斜率最大点，推测可能跟断裂有关.
磁测ΔT异常反映地下磁性异常体分布，对地层划分，构造确定很有意义，特别是磁异常斜率最大处，往往指示地质断裂构造.该区磁测ΔT点号为1152，1172，1212，1568，1640，1700，1940，2100，2360在磁异常剖面图上表现为磁异常变化率最大处，推测可能与地下断裂有关.在该调查区磁测剖面上，玄武岩出露区表现为正磁异常，但由于玄武岩的磁性不均匀，对应区域磁异常曲线具有锯齿状剧烈跳动特征.测线1900~2300区域出现大面积的负磁异常，根据测线对应区域的岩性出露情况，推测负磁异常为侏罗系地层引起的.
不同地层岩石电阻率的不同，根据地层岩石电性差异，大致划分地层.根据实地考察地层露头并参考附近钻井资料，我们能够在CSAMT反演视电阻率断面图上准确划定地层界限，为矿产资源储层圈定提供帮助.根据野外露头分析，测线南侧(1680以南)为寒武奥陶老地层，以北逐渐出现玄武岩盖层，从该测线CSAMT视电阻率二维反演图 1680点以北可以明显看出：由于地表腐植层的作用，浅地表地层视电阻率较低，该低阻层下存在一高阻层，这就是我们所研究的玄武岩盖层，厚度基本保持在50~200 m，玄武岩厚度向北逐渐增大，在测线最北端厚度到最大.玄武岩下面出现一层厚度在300 m左右，电阻率小于100 Ω·m的低阻层，根据野外露头和测井资料推测该低阻层为马鞍山村组地层.马鞍山村组下面出现一层厚度较大，电阻率在200~500 Ω·m之间的中阻层，推断该层为侏罗系中上统长白组，该地层厚度由南向北逐渐增大，测线最北端达到最厚约800m.长白组下面出现高阻层，推断为基底侵入岩.
从CSAMT二维反演图中可以明显看出：测点1080, 1260, 1540, 2180，2660深部地层发生明显错动，特别是1400至1560，有一束近60°倾斜的高阻体，根据野外露头确定该高阻体为元古代老岭群.1440至1540有一束近60°低阻异常贯穿基岩直至地表，推测此处有大型断裂(F-3)，并有晚侏罗世闪长岩沿断裂侵入地表(露头可见)，故推断该断裂形成早于晚侏罗世.同样2180处的低阻异常表明该处也存在一条大型断裂(F-5)，断裂形成晚于玄武岩形成年代.2580至2660有高阻异常侵入低阻地层，推断该处深部晚侏罗世二长花岗岩侵入体侵入浅部地层.
根据该地重磁电物探资料和已知地质资料的联合应用，标定出了该地地层层序，圈定了6处断裂构造和两个侵入体地层，特别是断裂F-3与图 2中东西向断裂构造吻合.综合测区地质资料和重磁电联合解释绘出该地区综合地质推断面图(图 9).
|
图 9 长白县某地综合地质推断断面图 Figure 9 Thecomprehensive geological profile in Changbai county |
长白山地区大规模的火山活动始于晚上新世，贯穿整个第四纪，火山活动频繁，形成很多大型断裂构造带.
7.2长白山地区地层发育较为齐全，古老地层几乎全被玄武岩覆盖.由于玄武岩盖层的影响，长白山地区磁异常表现正异常，并在望天鹅火山附近形成了环形高磁异常.长白山地区布格重力异常以天池和长白县为低值带，普遍表现为负异常.
7.3根据长白县某地一条重磁电联合物探剖面和地质资料对测区进行了综合地质解释，从而揭示了长白县某地玄武岩盖层厚度在50~200 m，厚度由南向北逐渐增大；玄武岩盖层下主要是马鞍山组和长白组地层，基岩主要是晚侏罗期的侵入岩.
7.4根据重磁电联合剖面圈定了6条断裂和一些拟断裂处并推断了两处断裂形成年代；圈定了2个侵入体地层.为以后对长白山矿产资源寻找提供了可靠资料.
致谢 感谢审稿专家和编辑部老师们的支持与帮助.| [] | Cui D X, Wang Q L, Li K, et al .2007. Analysis of recent deformation of ChangbaishanTianchivolcano[J]. Chinese Journalof Geophysics (in Chinese), 50 (6) : 1731–1739. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.06.013 |
| [] | Fan Q C, Liu R X, Zhang G H, et al .1998. The genesis and evolution of bimodal volcanic rocks in Wangtian'e volcano, Changbaishan[J]. Acta PetrologicaSinica (in Chinese), 14 (3) : 305–317. |
| [] | Fan Q C, Sui J L, Li N, et al .2007. The magmatism and interactive eruption of the two magma chambers in the Tianchi volcano, Changbaishan[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry (in Chinese), 26 (4) : 315–318. |
| [] | Fan Q C, Sui J L, Wang T H, et al .2007. History of volcanic activity, magma evolution and eruptive mechanisms of the Changbai volcanic province[J]. Geological Journal of China University (in Chinese), 13 (2) : 175–190. |
| [] | Jiang Z M. 2013. The study of integrated geophysics for geothermal resources exploration in Changbai Mountain (in Chinese)[MSc thesis]. Changchun:Jilin University. |
| [] | Jin B L, Zhang X Y .1994. The Changbai mountain Holocene epoch eruptive stages and its active features[J]. Jilin Geology (in Chinese), 13 (2) : 1–12. |
| [] | Liu J Q .1988. The Cenozoic volcanic episodes in northeast China[J]. Acta PetrologicaSinica (in Chinese) (1) : 1–10. |
| [] | Liu J Q, Chen S S, Guo W F, et al .2015. Research advances in the Mt. Changbaivolcano[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry (in Chinese), 34 (4) : 710–723. |
| [] | Liu R X, Fan Q C, Zheng X S, et al .1998. The magma evolution of Tianchi volcano, Changbaishan[J]. Science in ChinaSeries D:Earth Sciences, 41 (4) : 382–389. DOI:10.1007/BF02932689 |
| [] | Liu R X, Li J T, Wei H Q, et al .1992. Volcano at Tianchi Lake, Changbaishan Mt.-A modern volcano with potential danger of eruption[J]. Chinese Journalof Geophysics (in Chinese), 35 (5) : 661–665. |
| [] | Shan X J, Ye H, Chen G G, et al .2001. Study on temporo-spatial distribution oferuptionof the Tianchi volcano in Changbaishan Mountain by multisource data fusion[J]. Journal of Natural Disasters (in Chinese), 10 (2) : 107–112. |
| [] | Sun S F .2013. Application of audio magnetotelluric sounding in Shisandaogouarea[J]. Energy and Energy Conservation (in Chinese) (10) : 109–111. |
| [] | Tu G H, Jiang W W, Zhu D Y, et al .2006. The relationships between the characteristics of Northeast China residual gravity and magnetic anomalies and geological tectonic & metallogenic belt[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 21 (3) : 746–755. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2006.03.010 |
| [] | Wang K Y, Liu D, Liu J R, et al .2015. Crustal seismic in the northeast of China[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 30 (1) : 61–69. DOI:10.6038/pg20150110 |
| [] | Wang P J, Yi J, Chen C Y, et al .2013. Volcanostratigraphy and volcanic architecture of the Changbaishan volcanos, NE China[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition) (in Chinese), 43 (2) : 319–339. |
| [] | Wei H Q, Jin B L, Liu Y S .2004. Some advances in the study of volcanic geology and a hazards analysis of Tianchivolcano[J]. Acta PetrologicaetMineralogica (in Chinese), 23 (4) : 305–312. |
| [] | Wu J P, Ming Y H, Zhang H R, et al .2007. Earthquake swarm activity in ChangbaishanTianchivolcano[J]. Chinese Journalof Geophysics (in Chinese), 50 (4) : 1089–1096. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.04.016 |
| [] | Yang Z X, Zhang X K, Zhao J R, et al .2005. Tomographic imaging of 3-D crustal structure beneath Changbaishan-Tianchi volcano region[J]. Chinese Journalof Geophysics (in Chinese), 48 (1) : 107–115. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.01.016 |
| [] | Zhao J R, Zhang X K, Yang Z X, et al .2003. 3D tomography of velocity structure in the upper crust beneath the ChangbaishanTianchi volcanic regoin[J]. Chinese Journalof Geophysics (in Chinese), 46 (6) : 796–802. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2003.06.011 |
| [] | 崔笃信, 王庆良, 李克, 等.2007. 长白山天池火山近期形变场演化过程分析[J]. 地球物理学报, 50 (6) : 1731–1739. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.06.013 |
| [] | 樊祺诚, 刘若新, 张国辉, 等.1998. 长白山望天鹅火山双峰式火山岩的成因演化[J]. 岩石学报, 14 (3) : 305–317. |
| [] | 樊祺诚, 隋建立, 李霓, 等.2007b. 长白山天池火山双岩浆房岩浆作用与互动式喷发[J]. 矿物岩石地球化学通报, 26 (4) : 315–318. |
| [] | 樊祺诚, 隋建立, 王团华, 等.2007a. 长白山火山活动历史、岩浆演化与喷发机制探讨[J]. 高校地质学报, 13 (2) : 175–190. |
| [] | 姜梓萌. 2013.长白山地区地热资源综合地球物理研究[硕士论文].长春:吉林大学. http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10183-1013195324.htm |
| [] | 金伯录, 张希友.1994. 吉林省长白山全新世火山喷发期及火山活动特征[J]. 吉林地质, 13 (2) : 1–12. |
| [] | 刘嘉麒.1988. 中国东北地区新生代火山幕[J]. 岩石学报 (1) : 1–10. |
| [] | 刘嘉麒, 陈双双, 郭文峰, 等.2015. 长白山火山研究进展[J]. 矿物岩石地球化学通报, 34 (4) : 710–723. |
| [] | 刘若新, 樊祺诚, 郑祥身, 等.1998. 长白山天池火山的岩浆演化[J]. 中国科学(D辑), 28 (3) : 226–231. |
| [] | 刘若新, 李继泰, 魏海泉, 等.1992. 长白山天池火山--一座具潜在喷发危险的近代火山[J]. 地球物理学报, 35 (5) : 661–665. |
| [] | 单新建, 叶洪, 陈国光, 等.2001. 利用多源数据融合研究长白山天池火山的喷发期次及空间分布[J]. 自然灾害学报, 10 (2) : 107–112. |
| [] | 孙世芳.2013. 音频大地电磁测深在十三道沟区的应用[J]. 能源与节能 (10) : 109–111. |
| [] | 涂广红, 江为为, 朱东英, 等.2006. 中国东北地区剩余重磁异常特征与地质构造及成矿带的关系[J]. 地球物理学进展, 21 (3) : 746–755. DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2006.03.010 |
| [] | 王开燕, 刘丹, 柳俊茹, 等.2015. 东北地区地壳结构研究[J]. 地球物理学进展, 30 (1) : 61–69. DOI:10.6038/pg20150110 |
| [] | 王璞君, 衣健, 陈崇阳, 等.2013. 火山地层学与火山架构:以长白山火山为例[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 43 (2) : 319–339. |
| [] | 魏海泉, 金伯禄, 刘永顺.2004. 长白山天池火山地质学研究的若干进展与灾害分析[J]. 岩石矿物学杂志, 23 (4) : 305–312. |
| [] | 吴建平, 明跃红, 张恒荣, 等.2007. 长白山天池火山区的震群活动研究[J]. 地球物理学报, 50 (4) : 1089–1096. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2007.04.016 |
| [] | 杨卓欣, 张先康, 赵金仁, 等.2005. 长白山天池火山区三维地壳结构层析成像[J]. 地球物理学报, 48 (1) : 107–115. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2005.01.016 |
| [] | 赵金仁, 张先康, 杨卓欣, 等.2003. 长白山天池火山区上地壳三维速度层析成像[J]. 地球物理学报, 46 (6) : 796–802. DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2003.06.011 |