蘇曉軼，李福文，屈旭鈞，張?zhí)祗K

1．長白山天池火山監(jiān)測站，吉林 安圖 133613；2．吉林省勘查地球物理研究院，長春 130012；3．吉林省地質(zhì)勘查基金管理中心，長春 130061

0 引言

居里面是指磁性礦物在一定溫度下從有磁性轉(zhuǎn)變?yōu)闊o磁性的居里(點(diǎn))等溫度面, 簡稱居里面,是磁性層的下界面,反映了巖石圈的熱狀態(tài)而不是確定的地質(zhì)構(gòu)造面。申寧華等[1]曾指出居里面埋深對油氣生成、保存有影響,反演居里面深度對大地構(gòu)造研究和油氣資源評價(jià)與勘探具有重要意義。此外,反演居里面對地?zé)崮艿拈_發(fā)利用以及火山噴發(fā)的監(jiān)測與預(yù)報(bào)等也具有重要意義。

前人曾對居里面的反演做過很多研究,劉天佑[2]曾計(jì)算松遼盆地的居里面深度，郝天珧等[3]和江為為等[4]曾對賀蘭山—龍門山以東的中國陸海及鄰區(qū)進(jìn)行居里面反演,并利用反演結(jié)果劃分洋、陸構(gòu)造單元。胡旭芝等[5]、吳招才等[6]、高德章[7]、南方舟等[8]用Spector-Grant的功率譜法反演東北、南海、東海及華北地區(qū)居里面,并研究了這些地區(qū)的地殼熱狀態(tài)。申寧華[9]推導(dǎo)了快速計(jì)算界面位場異常的正反演公式，其原理及性質(zhì)與Parker[10]、Oldenburg[11]算法基本一致，該算法具有速度快、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。

由于功率譜法原理假設(shè)條件與客觀差距較大，實(shí)際應(yīng)用效果不如Parker方法。本文采用改進(jìn)的Parker-Oldenburg反演迭代算法，計(jì)算了長白山地區(qū)居里面深度，實(shí)際應(yīng)用效果較好。利用居里面分析該區(qū)的熱狀態(tài),并準(zhǔn)確預(yù)測了研究區(qū)內(nèi)多個地?zé)嵊欣麉^(qū)。

1 居里面反演的Parker-Oldenburg理論

設(shè)地下有物質(zhì)界面A，形狀如圖1所示，假定其上部物質(zhì)的磁化強(qiáng)度M為零，下部的磁化強(qiáng)度不為零，還假定M的方向垂直向下。A面下某點(diǎn)Q(ξ,η,ζ)處體積元dV對地表測點(diǎn)P(x,y,0)在垂直磁化情況下所產(chǎn)生的垂直磁異常為ΔZ，設(shè)直角坐標(biāo)系Z軸垂直向下，則推導(dǎo)過程為：

(1)

式(1)中，μ0為真空磁導(dǎo)率，T由式(2)表示：

(2)

假設(shè)A面的平均深度為h，在ζ=h處將K用泰勒級數(shù)展開得到：

(3)

式(3)中，K(n)(x-ξ,y-η,h)是在ζ=h處K對ζ的n階導(dǎo)數(shù)，利用上式將K對ζ從(h+Δh)到h積分，其中Δh是A面相對于h的距離，在ζ=h以上Δh是負(fù)值，在其下面Δh為正值，且Δh是(ξ，η)的函數(shù)由式(2)、(3)可以得到：

(4)

設(shè)M在A以下只是(ξ,η)函數(shù)，則A以下全部物質(zhì)對P點(diǎn)產(chǎn)生的磁異常為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

迭代反演的基本原理:根據(jù)場值計(jì)算界面起伏的初始值，根據(jù)該初始界面模型進(jìn)行正演計(jì)算，利用正演計(jì)算值與實(shí)測值之差修正界面起伏。利用修正后的界面進(jìn)行正演計(jì)算，將正演值與實(shí)測值進(jìn)行比較，找出參差，并對交錯進(jìn)行修正和逐次迭代，直至界面模型和實(shí)測場擬合的均方差小于預(yù)設(shè)要求，得到最終界面分布。因此，界面模型的選擇和相應(yīng)正演計(jì)算方法的精度直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。合理地給出界面波動的初值和修正值將直接影響迭代的收斂速度。

本文涉及的單層界面反演利用界面反演中比較常用的Parker-Oldenburg方法，該方法采用頻率域計(jì)算公式，速度快、精度高，且使用方便。但反演公式包含由上而下延拓因子，這些因子通過放大高頻干擾成分使反演過程變得不穩(wěn)定。利用式(8)反演單界面A的起伏Δh(ξ,η)，可以將公式進(jìn)行移項(xiàng)，寫成：

(10)

若令等式右端的Δh值為第j次的近似值，而等式左端的Δh為第(j+1)次的近似值，那么這就是Parker-Oldenburg提出的迭代反演公式(左端的△h經(jīng)傅里葉變換后，得到空間域的Δh(ξ,η)值)。但是這樣的迭代，因每次求得是△h值，而非修正量，不易保證逐次逼近收斂?！鱤<

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

這種迭代所計(jì)算的值與實(shí)際值相差越來越少，因?yàn)槊看吻螃(ξ,η)增量的線性逼近，使迭代達(dá)到收斂。只需加一適當(dāng)?shù)恼齽t化因子防止高頻因子的發(fā)散作用。實(shí)際證明這種迭代反演的方法結(jié)果較好。

以上在求Δh(ξ,η)時(shí)，須事先已知A界面的大體平均深度h及界面以下的磁化強(qiáng)度M。如果存在雙界面，則還需知道H和ΔH(ξ,η)才能計(jì)算出界面異常。

圖1 界面A示意圖Fig.1 Diagram of interface A

2 長白山地區(qū)居里面反演結(jié)果與分析

2.1 航磁異常特征

長白山地區(qū)的航磁異常就異常強(qiáng)度而言，研究區(qū)可分為南、北兩個異常區(qū)，南部為高磁異常區(qū)(+200～+550 nT)，集中出現(xiàn)在南端的漫江—長白縣一帶；北部廣大地區(qū)為中-低磁異常區(qū)(-200～+200 nT)。根據(jù)該區(qū)的磁異常形態(tài)與構(gòu)造單元的對應(yīng)關(guān)系，研究區(qū)可分為六個磁異常區(qū)(圖2)：蒲柴河—露水河鎮(zhèn)以東，松江鎮(zhèn)以西地區(qū)，以夾皮溝地塊為主體，低緩的低磁異常，呈北西向展布(Ⅰ區(qū))；撫松—泉陽鎮(zhèn)以北，蒲柴河—露水河鎮(zhèn)以西地區(qū)，龍崗地塊為主體，磁異常正負(fù)交替，呈北東向展布(Ⅱ區(qū))；撫松—泉陽鎮(zhèn)以南，花山鎮(zhèn)—松江河以北，板石溝地塊為主體，環(huán)狀高磁異常為主(Ⅲ區(qū))；花山鎮(zhèn)—松江河以南，松江鎮(zhèn)以西，老嶺地塊為主體，大面積低磁異常為主(IV區(qū))；望天鵝以南，長山縣以北，長白地塊為主體，強(qiáng)磁異常，呈近東西向展布(V區(qū))；松江鎮(zhèn)以東，和龍地塊為主體，磁異常正負(fù)交替，呈北西向展布(VI區(qū))。

Ⅰ.夾皮溝地塊；Ⅱ.龍崗地塊；Ⅲ.板石溝地塊；Ⅳ.老嶺地塊；V.長白地塊；VI.和龍地塊.圖2 長白山地區(qū)航磁異常圖Fig.2 Aeromagnetic anomaly map of Changbai Mountain area

航磁異常形態(tài)特點(diǎn)不但反映了龍崗地塊與和龍等地塊及古生代褶皺斷裂帶之間的構(gòu)造演化關(guān)系，而且反映了該區(qū)淺表層的地質(zhì)巖礦石組成特點(diǎn)。

(1)北部低緩異常區(qū)(圖2 Ⅰ區(qū))

該區(qū)為低緩異常區(qū)，低緩正值場，在大荒溝—老嶺一帶正磁場為太古代鉀長花崗片麻巖引起，在興旺屯—老森嶺一帶正磁場為中元古代花崗閃長巖引起。金山南負(fù)場區(qū)為侏羅世鉀長花崗巖引起，四方頂子現(xiàn)負(fù)場區(qū)推測為深部存在酸性巖體。該區(qū)兩條深大斷裂，磁異常明顯。

(2)西北部正負(fù)交替磁異常區(qū)(圖2 Ⅱ區(qū))

該區(qū)磁場為正負(fù)交替場，區(qū)內(nèi)有多個時(shí)代地質(zhì)出露，場態(tài)復(fù)雜，異常強(qiáng)度變化較大，強(qiáng)度在-300～+300 nT之間。靖宇附近為正磁異常，范圍大、形狀不規(guī)則，強(qiáng)度為+50～+350 nT之間，對應(yīng)的主要為侏羅系火山巖和新生代玄武巖，其中高值異常為燕山期花崗巖和閃長巖，并有一處大營子小型鉛鋅礦床。萬良附近正磁異常表現(xiàn)為南北兩個低緩異常，區(qū)內(nèi)南部為侏羅系安山巖，北部為中太古代鉀長花崗質(zhì)片麻巖，異常北側(cè)有三處小型鐵礦床。抽水村北為正磁異常，異常近南北方向，南部異常較大，北部異常較小，呈亞葫蘆狀，為低緩異常，強(qiáng)度+350 nT，地表大部出露太古代表殼巖，對尋找“鞍山式”沉積變質(zhì)鐵礦有利。

(3)西部高磁異常區(qū)(圖2 Ⅲ區(qū))

該區(qū)磁場以環(huán)形正磁場為主，在松江河附近為正磁異常，范圍大，形態(tài)較規(guī)律，對應(yīng)的主要是侏羅系火山巖和新生代玄武巖，其中高值異常為燕山期花崗巖和閃長巖。

(4)中部低磁異常區(qū)(圖2 Ⅳ區(qū))

該區(qū)磁場以低磁為主，但異常強(qiáng)度變化較大，強(qiáng)度在-300～+200 nT之間。該區(qū)幾乎被火山巖層覆蓋，但由于大量酸性巖體的侵入，導(dǎo)致大面積低磁異常。低磁異常區(qū)為酸性侵入巖區(qū)，高磁異常為第三第四紀(jì)基性火山巖覆蓋較厚區(qū)。在正磁場中從望天鵝—天池一帶出現(xiàn)多處環(huán)形異常，區(qū)內(nèi)主要出露為玄武巖，磁場體現(xiàn)了玄武巖特征，出現(xiàn)的環(huán)形異常推測為火山構(gòu)造引起。

(5)南部強(qiáng)磁區(qū)(圖2 V區(qū))

該區(qū)磁場以正磁場為主，六道溝北局部正磁異常，呈橢圓形、走向北東，強(qiáng)度+400 nT，異常為侏羅系果松組安山巖，晚侏羅世閃長巖引起，六道溝小型矽卡巖型銅鉬礦床位于異常中。長白縣八道溝—十四道溝之間，高磁異常呈東西向展布，主要為裸露的龍崗群古老基地巖系。

(6)東北部負(fù)交替磁異常區(qū)(圖2 VI區(qū))

該區(qū)磁場為正負(fù)交替場，但異常強(qiáng)度變化不大，強(qiáng)度在-100～+250 nT之間。該區(qū)北部有一條深大斷裂，異常明顯。高磁異常主要為一套閃長質(zhì)、花崗質(zhì)深成侵入體。

2.2 長白山地區(qū)居里面及其分析

利用本文提及的磁性界面求解方法，計(jì)算了長白山地區(qū)的居里面深度(圖3)。長白山地區(qū)磁性層底面即居里面深度范圍在12.8～15.8 km，靖宇—仁義砬子地區(qū)局里面深度較淺，在12.8 km；松江河以及長白山天池西南居里面深度較大，在14～15 km；長白山天池地區(qū)居里面較淺，深度在12.8 km±。

由計(jì)算結(jié)果分析：長白山天池作為一個活動的火山，居里面較淺是合理的。大地電磁測深的結(jié)果揭示[12]，該處深為12 km的地方，有低電阻的特征，推測是未固結(jié)的巖漿囊。靖宇—花山鎮(zhèn)一帶居里深度也較淺，花山鎮(zhèn)附近有老三隊(duì)溫泉，表明深部地殼處于熱狀態(tài)，而靖宇地區(qū)作為臺區(qū)，表層出露的巖石是太古代地層，但其深部可能存在深部巖漿的底侵，造成該區(qū)居里面較淺。長白山的東北部和西南部，居里深度較深，該區(qū)分布著較厚的元古界和古生界，居里深度較深是合理的。

圖3 長白山地區(qū)居里面深度圖Fig.3 Curie depth map of Changbai Mountain area

3 結(jié)論

(1)長白山地區(qū)由于地溫梯度較高，居里深度總體較淺，居里深度為12.8～15.8 km，較全球的居里深度20 km為淺。

(2)長白山地區(qū)的居里深度平面上有變化，最深處在松江鎮(zhèn)右側(cè)，最淺處在長白山與靖宇—臨

江—撫松一帶，與當(dāng)前地?zé)岢雎稜顟B(tài)符合。

(3)長白山地區(qū)的地?zé)嶂饕欣貐^(qū)除在天池地區(qū)以外，松江河以西的撫松、仙人橋、老三隊(duì)地區(qū)都屬居里深度較淺地區(qū)，為較好的地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)。