張磊，王萬銀，趙修軍，張義蜜

(1.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053； 2.長安大學(xué)重磁方法技術(shù)研究所，陜西 西安 710054；3.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

河南省舞陽—新蔡鐵礦帶是河南省鐵礦重要找礦區(qū)帶，其大部分區(qū)域?qū)儆诘谒南蹈采w區(qū)，礦床類型為沉積變質(zhì)型鐵礦，探明的鐵礦資源量占河南省探明儲量的76.3%[1-2]。新蔡鐵礦區(qū)位于舞陽—新蔡鐵礦成礦帶的東南部，根據(jù)以往勘探結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)練村集—楊集一帶估算332+333鐵礦石資源儲量 45 547.63萬t，其周邊預(yù)測潛在資源量約6萬t，礦床規(guī)模達超大型。該區(qū)鐵礦體主要賦存于太古宇太華巖群地層中，層位穩(wěn)定，延伸較大[3]。因此，對新蔡鐵礦區(qū)進行研究對于找礦突破具有重要意義。

研究區(qū)勘查工作始于20世紀80年代，主要集中在練村—楊集一帶。前人對練村鐵礦礦床地質(zhì)特征及成礦背景做了大量的研究，認為練村鐵礦床位于華北克拉通南緣，賦存于新太古宇太華群鐵山廟組地層中，礦床是由含磁鐵礦的斜長角閃片麻巖、黑云斜長片麻巖組成，其成因類型為沉積變質(zhì)型鐵礦床，練村鐵礦形成于新太古宙的弧后盆地構(gòu)造環(huán)境，與魯山—舞陽—霍邱鐵礦一致[4-6]。隨著河南省1∶50萬區(qū)域重力、1∶25萬區(qū)域重力的開展，研究區(qū)斷裂構(gòu)造得到了進一步認識。2013年的調(diào)查報告認為[7]，研究區(qū)發(fā)育斷裂6條，其中殼斷裂5條、蓋層斷裂1條，斷裂走向以NW向和NE向為主，對基底凸起、凹陷起控制作用，研究區(qū)內(nèi)航磁異常均與太古宇及其他老地層中的含礦磁性巖體有關(guān)。但受限于研究范圍及研究手段，前人對地層單元界線及區(qū)內(nèi)一般斷裂認識不夠，這就制約了研究區(qū)實現(xiàn)深部找礦的突破。

本文依托“河南舞陽新蔡鐵礦整裝勘查區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)綜合調(diào)查”項目，以1∶5萬[1-2]重力資料和1∶5萬航磁資料為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)和鉆孔等資料，利用位場邊緣識別技術(shù)(歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù))，對研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造特征進行研究；利用2.5D反演技術(shù)，對基底界面進行反演，重新劃定地層凸起、凹陷范圍，綜合分析斷裂構(gòu)造與地層單元分布規(guī)律，為實現(xiàn)深部找礦突破提供地球物理支撐。

1 地質(zhì)與地球物理概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)屬第四系厚覆蓋區(qū)，地層具有基底、蓋層兩層結(jié)構(gòu)?；诪樾绿庞钐A巖群，蓋層巖系為新元古界震旦系、古生界寒武—奧陶系、石炭—二疊系及中新生界三疊—侏羅系、白堊系、古近系、新近系[8]。該區(qū)地處華北地臺南緣地段，所處的欒川—確山—固始深大斷裂為一級構(gòu)造帶。區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育，斷裂共8條，斷裂以大致平行地層走向分布，以NW向和NE向為主(圖1)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖(據(jù)河南省地質(zhì)局，1978)Fig.1 Geological Sketch of the study area (Geological Bureau of Henan Province, 1978)

1.2 地球物理概況

1.2.1 地層密度特征

從表1可以看出，區(qū)內(nèi)地層從新到老密度是從小到大。根據(jù)地層密度統(tǒng)計結(jié)果可分為5層：第四系平均密度為1.94×103kg/m3；古近系、新近系平均密度為2.38×103kg/m3；白堊系—石炭系底的平均密度為2.52×103kg/m3；奧陶系—震旦系平均密度為2.67×103kg/m3，太古宇平均密度為2.79×103kg/m3。它們之間密度差分別為0.44×103kg/m3，0.14×103kg/m3、0.15×103kg/m3、0.12×103kg/m3。這五個大的密度層與該地區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的區(qū)域性不整合界面基本吻合，這就為實現(xiàn)研究區(qū)基底界面反演提供了地球物理基礎(chǔ)。

表1 研究區(qū)主要地層、礦物密度統(tǒng)計結(jié)果

1.2.2 地層磁性特征

由于研究區(qū)為第四系全覆蓋區(qū)域，巖性標本測定工作有很大難度，所測定的地層單元不夠完整，缺失的地層和礦石以區(qū)域磁性特征進行補充，并進行綜合整理，結(jié)果見表2。可以看出：變質(zhì)巖的磁性變化較大，沉積巖的磁性微弱；總體上從古生界到新太古界由新到老，磁性由弱到強。研究區(qū)實測片麻巖磁性強度較弱，而區(qū)域物性資料顯示新太古宇片麻巖、片巖磁性較大，初步認為研究區(qū)內(nèi)片麻巖含磁性物質(zhì)分布不均。磁鐵礦磁性最強，磁性遠大于新太古宇太華巖群地層。

表2 研究區(qū)地層及主要巖礦石磁性統(tǒng)計結(jié)果

1.2.3 重力場特征

研究區(qū)重力異常整體表現(xiàn)為工作區(qū)北西部、西南部、東部異常高，其余區(qū)域表現(xiàn)重力異常低，異常形態(tài)呈“V”字形，異常形態(tài)不封閉(圖2)。根據(jù)重力異常特征，研究區(qū)可劃分為3個異常大區(qū)，分別為陳店異常高區(qū)、新蔡—雷寨異常低區(qū)和練村防—胡店異常高區(qū)。重力異常高主要是由基底隆起所致，重力異常低是由新生界覆蓋較厚、基底凹陷引起。

區(qū)內(nèi)重力異常梯度帶走向以NE、NW向為主，反映了區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造格架，對基底起伏起到控制作用。從圖2中可以看出，練村—防胡店異常高區(qū)布格重力異常值從北向南逐漸增大，說明基底呈現(xiàn)出南高北低的起伏特征，練村地區(qū)已有鉆孔顯示，但是斷裂位置與重力異常梯度帶位置有所偏移，且顯示不夠全面。因此，重新對研究區(qū)的地層單元界新生界下伏地層為太古宇太華巖群，這與前人認為的練村—防胡店一帶地層為侏羅系、奧陶系不符[5-6]；陳店異常高區(qū)存在兩個高異常中心，分別位于佛閣寺、陳店附近，根據(jù)重力場特征，基底應(yīng)為佛閣寺—陳店—磚店一線為凸起的中心，這與前人認為該區(qū)地層為寒武—奧陶系、石炭系、二疊系同樣不相符[7-8]；斷裂構(gòu)造基本可以反映研究區(qū)構(gòu)造格架，線、斷裂構(gòu)造分布進行認識，是很有必要的。

圖2 研究區(qū)布格重力異常與地質(zhì)疊加結(jié)果Fig.2 Bouguer gravity anomaly and geological superposition map of the study area

1.2.4 磁力場特征

區(qū)內(nèi)巖漿巖不發(fā)育，已知鉆孔資料亦未發(fā)現(xiàn)巖漿巖體，因此認為區(qū)內(nèi)磁異常主要是由磁鐵礦及老的沉積基底引起。根據(jù)1∶5萬航空磁測資料，對研究區(qū)的ΔT化極磁力異常數(shù)據(jù)進行分析(圖3)。

圖3 研究區(qū)化極磁力異常與地質(zhì)疊加結(jié)果Fig.3 Geochemical magnetic anomaly and geological superposition map of the study area

從異?？臻g分布上來看，化極磁異常C01、C02、C04呈NW向帶狀展布，異常梯級帶位于東北側(cè)，說明在磚店—關(guān)津一線存在一條走向NW的斷裂構(gòu)造[9-10]，前人并未在此推測有斷裂構(gòu)造；磁異常C02、C03整體呈NE向展布[11-12]，主要是受關(guān)津—岳城集一帶的NE向斷裂控制；磁異常C04、C05、C07呈SN向平行分布，初步推斷是受澗頭—宋崗—張里店一帶的NNE向斷裂控制，磁異常的空間分布特征與區(qū)內(nèi)主要斷裂的走向特征基本吻合。

2 斷裂構(gòu)造研究

地質(zhì)構(gòu)造是地殼的巖層或巖體在構(gòu)造運動中發(fā)生形變的形跡，受不同時期構(gòu)造運動影響，其邊緣往往會形成具有一定密度或磁性差異的邊界線，而重、磁異常數(shù)據(jù)會發(fā)生較大的變化，因此利用重、磁位場識別地質(zhì)體邊緣位置時有其獨特的優(yōu)勢[9]。在進行構(gòu)造識別時，常用的方法主要有總水平導(dǎo)數(shù)[10-11]、垂向?qū)?shù)[12-13]、傾斜角法[14]、總梯度模法等[15-16]。近年來，隨著邊緣識別方法的不斷提高，利用歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR)對位場數(shù)據(jù)進行邊緣識別取得了更好的應(yīng)用，該方法是通過對總水平導(dǎo)數(shù)求垂向?qū)?shù)，使得計算結(jié)果的峰值更加尖銳，橫向分辨能力更強，消除了地質(zhì)體剩余密度或磁化強度的影響，消除了地質(zhì)體邊緣外的信息，使得圖面簡單，清晰，便于識別[17]。如在五臺—恒山地區(qū)構(gòu)造格局研究[18]、貝克盆地構(gòu)造單元劃分[19]、天津市斷裂構(gòu)造單元劃分[20]、鶯-瓊盆地構(gòu)造分界及其兩側(cè)斷裂特征[21]、南海及鄰區(qū)斷裂分布研究[22]中均得到了很好的驗證，故本文斷裂推斷采用NVDR-THDR方法來進行。

研究區(qū)屬于第四系覆蓋區(qū)，地層以沉積地層為主，磁性體以沉積變質(zhì)型磁鐵礦為主，太古宇太華群地層中的片麻巖屬中弱磁特征，重、磁異常特征對主要斷裂的平面位置確定均能起到指示作用，但重力異常特征在一般斷裂平面位置確定上優(yōu)勢更為明顯。因此本文斷裂研究以布格重力異常識別(圖4)為主、化極磁力異常識別(圖5)為輔的方法來進行綜合研究。從圖4可以看出，1978年基巖地質(zhì)圖推斷斷裂[15-16]與重力異常NVDR-THDR峰值中心對應(yīng)較差，已不能用于研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造特征關(guān)系的研究，1∶25萬區(qū)域重力推斷斷裂成果與重力異常NVDR-THDR峰值中心基本對應(yīng)，對研究區(qū)斷裂體系研究具有參考意義。①前人推斷的F42、F43、F44、F45、F48分別與本次推測的F4、F1、F6、F3、F2位置、走向基本一致，為研究區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造，走向以NE、NW為主，控制著區(qū)內(nèi)的基底凸起、凹陷。

圖4 研究區(qū)重力異常NVDR-THDR與斷裂疊加結(jié)果Fig.4 Superposition of gravity anomaly NVDR-THDR and fault detectio of the study area

圖5 研究區(qū)化極磁力異常NVDR-THDR與斷裂疊加結(jié)果Fig.5 Superposition of chemical polar magnetic anomaly NVDR-THDR and fault detection of the study area

本次認為F1在汝南埠附近被F5錯斷，F(xiàn)3平面位置與前人認識偏移較大，與以往認識不同。②前人認為F49為深大斷裂，與本次推測的F21位置基本一致，推測F49由多條斷裂組成，F(xiàn)21為其中的一支。

通過分析圖4、圖5可以得出，研究區(qū)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育，斷裂構(gòu)造具有多期性、多層次性的特點。按照斷裂走向可劃分為NNW、NW、NE和NNE向，其中NNE向和NW向斷裂為區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造格架，發(fā)育時間較早，如斷裂 F1～F6，對研究區(qū)基底隆起與凹陷的形成起著重要的控制作用。F7～F21斷裂較新，形成于構(gòu)造演化中、晚期[19-20]，根據(jù)斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)模、性質(zhì)不同，控制研究區(qū)地層的發(fā)育，可形成斷凹、斷隆等，規(guī)模較小，形成時間晚，屬后期斷裂，這類斷裂多數(shù)對盆地內(nèi)沉積沒有控制作用，可能為沉積層內(nèi)的蓋層斷裂。

研究區(qū)主要斷裂為F1(寒凍—殷圍孜斷裂)、F2(澗頭—張里店斷裂)、F3、F4(磚店斷裂)、F5(佛閣寺—雷寨斷裂)、F6(關(guān)津斷裂)，根據(jù)斷裂規(guī)模及其對區(qū)域構(gòu)造控制作用，結(jié)合以往地質(zhì)資料，對6條主要斷裂特征進行統(tǒng)計(表3)。

表3 研究區(qū)主要斷裂特征分析

3 地層分布研究

3.1 地層界線研究

在對研究區(qū)重力場特征、斷裂進行綜合研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合基巖地質(zhì)圖(圖1)及鉆孔資料等，對研究區(qū)基層界線進行研究(圖6)。

圖6 本次修編基巖地質(zhì)圖Fig.6 Geological map of bedrock revised this time

1) 前人認為頓崗—澗頭一帶地層為太古宇太華巖群，練村—張里店一帶地層為侏羅系，防胡店南地層為奧陶系，而根據(jù)重力場特征顯示，從澗頭到防胡店，由北向南重力異常值逐漸增大，南部防胡店地區(qū)重力值最大，異常峰值為8.6×10-5m/s2。根據(jù)鉆孔ZK101、ZK102、ZK307、ZK1705、ZK12701、ZK3204資料顯示，地層為新生界、太古宇， 而頓崗—防胡店一帶均位于練村—防胡店重力異常高區(qū)，該區(qū)未發(fā)現(xiàn)深大斷裂對地層進行破壞。因此本次研究認為，頓崗—防胡店一帶地層均為新生界、太古宇，基底地層隆起引起該區(qū)在重力場上表現(xiàn)為重力高異常。

2) 前人認為在頓崗—陳集一帶，新生界下伏地層為奧陶—寒武系，根據(jù)重力場特征，該區(qū)為重力異常低及其梯度帶，低異常中心位于陳集附近，異常峰值為-9.5×10-5m/s2；在陳集—麻里店一帶，未發(fā)現(xiàn)有深大斷裂破壞地層，根據(jù)ZK12-1顯示，新生界值為-9.5×10-5m/s2；在陳集—麻里店一帶，未發(fā)現(xiàn)有深大斷裂破壞地層，根據(jù)ZK12-1顯示，新生界厚度528 m，下伏地層為侏羅系。因此本次研究認為，頓崗—陳集一帶新生界下伏地層均為侏羅系，重力低異常是由新生界覆蓋較厚、基底凹陷所致。

3)前人認為在寒凍鎮(zhèn)—河塢集—新蔡縣—澗頭一帶新生界下伏地層為二疊系、石炭系、寒武—奧陶系，根據(jù)重力場特征，該區(qū)為重力異常低及其梯度帶，低異常中心位于十里鋪東北，異常峰值為-11.8×10-5m/s2。ZK0001顯示新生界厚940 m，下伏地層為侏羅系，厚為419 m，在1 359 m處鉆遇三疊系；ZK0201顯示新生界厚940 m，下伏地層為侏羅系，厚為777 m，在1 717 m處鉆遇太古宇太華巖群。因此本次研究認為，寒凍鎮(zhèn)—河塢集—新蔡縣—澗頭一帶新生界下伏地層均為侏羅系，受F4斷裂影響，新蔡縣東北形成基底凹陷，引起重力低異常。

4)佛閣寺—陳店一帶前人認為新生界下伏地層為石炭系、寒武—奧陶系，而ZK0201在1 717 m處鉆遇太古宇太華巖群，未發(fā)現(xiàn)石炭系、寒武—奧陶系，根據(jù)重力場特征，該區(qū)域為陳店重力高異常區(qū)，異常中心峰值為2.2×10-5m/s2。因此本次研究認為，該佛閣寺—陳店一帶新生界下伏地層均為太古宇太華巖群，重力高為基底隆起所致；而岳城集—河塢集一帶，受斷裂F5影響，該區(qū)位于斷層的下盤，地層向下滑動，根據(jù)重力場特征，該區(qū)域侏羅系地層下伏仍為太古宇太華巖群。

3.2 基底界面研究

研究區(qū)屬第四系厚覆蓋區(qū)，前人對基底起伏及埋深研究較少，為了進一步了解區(qū)內(nèi)凹陷盆地及基底隆起分布、埋深情況，本文結(jié)合區(qū)內(nèi)重力場、地質(zhì)特征和已知鉆孔資料，利用2.5D反演技術(shù)，在布格重力異常圖上選取了14條剖面(圖7)進行定量解釋，提取每條剖面上新太古宇頂板埋藏深度，以此來對基底界面起伏特征進行研究。

圖7 反演剖面位置示意Fig.7 Schematic diagram of inversion profile location

圖8為研究區(qū)推測新太古宇頂?shù)壬顖D，從圖中可以看出，在陳店—佛閣寺一帶、澗頭—防胡店一帶，新太古宇頂部埋深最淺，與研究區(qū)重力場特征及本次推測的地層界線基本吻合。

3.3 凸起凹陷研究

前人認為本次研究區(qū)存在2個凸起、2個凹陷，即陳店—岳城集凸起、西洋店凹陷、新蔡—王勿橋凹陷、練村—防胡店凸起[2]，見圖9。本文通過重磁場特征研究，結(jié)合鉆孔、地質(zhì)等資料，在太古宇頂板等深圖的基礎(chǔ)上對研究區(qū)凸起、凹陷進行了重新認識。

圖9 前人劃分基底凸起與凹陷分布(據(jù)馬振波等，2013)Fig.9 Distribution of basement bulges and depressions by predecessors (MA Zhenbo et al., 2013)

從圖8可以看出：

圖8 推斷新太古宇頂?shù)壬罹€Fig.8 Inferred bathymetric map of Neoarchaean dome

1)在東部練村—防胡店一帶，新太古宇頂板埋深較淺，最淺推測為300 m，為基底凸起區(qū)域；在新蔡—東岳—袁寨一帶，新太古宇頂板埋藏較深，最深推測為2 900 m，為基底凹陷區(qū)域。這些認識與前人認識基本一致。

2)陳店—寒凍鎮(zhèn)一帶，新太古宇頂板埋深較淺，最淺推測為900 m，為基底凸起區(qū)域；關(guān)津—岳城集一帶太古宇頂板埋深推測為2 000 m，為基底次級凸起區(qū)域。這與前人認識存在一定的區(qū)別。

根據(jù)本次研究區(qū)成果，將研究區(qū)劃分為4個凸起、1個凹陷，依次為：陳店凸起、河塢集—岳城集次級凸起、新蔡—王勿橋凹陷、王勿橋西凸起和練村—防胡店凸起(圖10)。從圖10可以看出，研究區(qū)基底凸起、凹陷主要受斷裂F1、F2、F3、F4、F5、F6控制，斷裂走向為NW、NE(NNE)，說明研究區(qū)的主要斷裂對基底起伏控制作用明顯。

圖10 本次劃分基底凸起與凹陷分布Fig.10 distribution of basement bulge and depression

4 結(jié)論與建議

1) 本文利用歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR)對重磁場數(shù)據(jù)進行處理，推斷主要斷裂6條，一般斷裂15條。基底起伏受主要斷裂控制，基底凹陷區(qū)域呈“V”形，“V”形中心及兩側(cè)為基底凸起區(qū)，而一般斷裂影響基底凸起、凹陷的局部形態(tài)。

2) 研究認為陳店、練村—防胡店一帶新生界下伏地層為新太古宇太華巖群，防胡店一帶太古宇太華巖群埋深約300 m，陳店一帶太古宇太華巖群埋深約900 m，為該區(qū)尋找新的沉積變質(zhì)型鐵礦靶區(qū)提供依據(jù)。