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        基于重力測量的火山地質(zhì)遺跡調(diào)查
        ——以河北海興小山火山為例

        2020-12-29 10:13:56祁程楊明謝明宏張偉劉波魏濱趙叢艾虎焦智偉
        礦產(chǎn)勘查 2020年12期
        關(guān)鍵詞:布格蓋層小山

        祁程,楊明,謝明宏,張偉,劉波,魏濱,趙叢,艾虎,焦智偉

        (核工業(yè)航測遙感中心,河北 石家莊 050002)

        0 引言

        由于太平洋板塊向亞洲板塊不斷俯沖擠壓,新生代以來,在亞洲板塊東部產(chǎn)生一系列NNE 向剪壓性(右旋扭動)構(gòu)造和與之共軛的NW 向剪張性(左旋扭動)構(gòu)造(包漢勇等,2013),導(dǎo)致大規(guī)?;鹕絿姲l(fā),在中國東北、華北陸緣形成大規(guī)模的NW 向火山噴發(fā)帶(楊海斌等,2016;唐杰等,2018;朱日祥和徐義剛,2019;李三忠等,2019;田有等,2019)。

        河北省海興小山火山即位于該噴發(fā)帶內(nèi),是中國東部濱海平原僅有的兩個晚第四紀(jì)火山遺跡之一(邵時雄等,1983;河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989),與位于山東省濱州市的大山火山是姐妹山,記錄了距今248 萬年第四紀(jì)以來一直活動的火山地質(zhì)遺跡。

        小山火山地質(zhì)記錄完整,期間穿插有海相、河流相沉積,該火山在全新世以來依然有活動,是華北平原最后一個活動的火山(尹功明等,2013),對研究區(qū)域古氣候演化、新構(gòu)造運(yùn)動與火山活動的關(guān)系、地層劃分對比、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)等課題,尤其是對研究渤海西岸地質(zhì)演化及海進(jìn)海退規(guī)律有重要意義(馮金良,1997;鄧起東等,2001;姚政權(quán)等,2006;胥勤勉等,2011)。小山雖不及五岳之險峻,但其典型性、多樣性和自然性,實屬平原地區(qū)獨有,國內(nèi)罕見,是具有獨特科學(xué)價值和重要社會生態(tài)價值的地質(zhì)遺跡區(qū),受到省內(nèi)外地學(xué)界的關(guān)注,2003 年被河北省政府批準(zhǔn)為省級火山地質(zhì)遺址自然保護(hù)區(qū)。

        前人主要利用古地磁學(xué)(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1989;姚政權(quán)等,2006;肖國橋等,2008;施林峰等,2009)、常規(guī)14C(田文法等,1991;王強(qiáng)等,2008)、加速器質(zhì)譜(AMS)14C(閻玉忠等,2006)、電子自旋共振(ESR)(尹功明等,2013)、40Ar/39Ar(裴軍令等,2015)等技術(shù)方法對小山一帶的火山噴發(fā)年代及地層劃分做了研究。最近幾年,省、市、縣國土部門和地質(zhì)勘查、水文勘查單位也圍繞城市建設(shè)、地?zé)峥辈?、環(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)等做了一些區(qū)域性工作①②③④⑤⑥⑦⑧⑨,但地質(zhì)遺跡調(diào)查方面的工作仍不夠充分,保護(hù)管理尚處于起步階段,缺乏系統(tǒng)、完整的基礎(chǔ)性研究資料,在一定程度上制約了地質(zhì)遺跡開發(fā)利用及保護(hù)。筆者本次利用重力剖面測量的方法對小山火山地質(zhì)遺跡深部特征進(jìn)行調(diào)查,深化了對該保護(hù)區(qū)的科學(xué)認(rèn)識,為促進(jìn)和保障當(dāng)?shù)刭Y源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)資料。

        1 小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)概況

        1.1 生態(tài)地理概況

        小山又名馬騮山,地處渤海之濱,北望京津,趾觸滄州大港,距海興縣城約9 km。小山火山地質(zhì)遺跡自然保護(hù)區(qū)面積13.81 km2,小山、山后山、饃饃山依次排列于東、北、西三側(cè)。受風(fēng)化、剝蝕作用,三座山丘山頂形成剝蝕殘丘,山麓形成殘坡積臺地地貌景觀,山間合圍形成一塊直徑2 km 左右的碟形洼地,中心較低處海拔2.8 m,夏季積水形成月角湖,冬春干涸形成灘涂,其地下為一掩埋的古火山口,已由2004 年前的鉆探剖面證實(尹功明等,2013)。

        保護(hù)區(qū)劃分為核心區(qū)(地質(zhì)剖面大類為主的火山碎屑沉積地層剖面保護(hù)區(qū))、緩沖區(qū)(地貌景觀大類為主的火山碎屑堆積地貌保護(hù)區(qū))和實驗區(qū)(水體景觀大類為主的沼澤濕地景觀保護(hù)區(qū))三部分(圖1)。核心區(qū)分布于小山鄉(xiāng)西、山后村南及李良志村北,為火山剝蝕殘丘及火山殘坡積臺地,面積0.91 km2,高程4.8~22.8 m,最高處34.8 m;緩沖區(qū)分布于核心區(qū)外圍周邊,面積2.03 km2,將核心區(qū)與自然保護(hù)區(qū)外界及實驗區(qū)相隔;實驗區(qū)分布于緩沖區(qū)外圍,對核心區(qū)起到進(jìn)一步緩沖作用,區(qū)內(nèi)有掩埋活火山口、牧草地及國家級基巖標(biāo),面積10.87 km2。

        圖1 小山火山地質(zhì)遺跡自然保護(hù)區(qū)平面圖

        1.2 地質(zhì)概況

        河北平原古生代早期是一片汪洋,中生代環(huán)太平洋運(yùn)動使海興南部上升隆起為埕寧隆起的一部分,北部至黃驊境內(nèi)形成黃驊坳陷的一角(圖2),隆起與拗陷之間發(fā)生斷裂,并伴有巖漿活動。第四紀(jì)初,巖漿活動由弱漸強(qiáng),中更新世晚期火山噴發(fā),基性火山巖沿構(gòu)造薄弱地段緩慢噴出地表,火山噴發(fā)的巖漿、巖屑在地表形成方圓10 km 左右的盾形火山穹丘,隨地殼下沉,穹丘周圍被河流沖洪積物、湖積、海積物碎屑覆蓋,山丘頂部遭受剝蝕,形成現(xiàn)代的小山及山前洼地。

        河北平原存在5 期火山活動(邵時雄等,1983;胡云壯等,2014;裴軍令等,2015)(表1),火山巖呈現(xiàn)多層不連續(xù)分布,除新近系為安山凝灰角礫巖外,第四系全為基性火山巖,以基性粗凝灰?guī)r、巖屑-晶屑-玻璃凝灰?guī)r和層凝灰角礫巖為主,還有少數(shù)橄欖玄武巖、杏仁狀橄欖玄武巖。在火山巖附近還可見到混入20%以下火山碎屑的凝灰質(zhì)沉積物。上更新世末噴發(fā)沉積層凝灰?guī)r和層角礫凝灰?guī)r在小山一帶露出地表,其它各層火山巖均見于鉆孔之中。

        圖2 渤海灣西岸地質(zhì)構(gòu)造單元劃分圖(據(jù)裴軍令等,2015)

        表1 河北平原第四紀(jì)火山活動分期表

        2 區(qū)域地球物理特征

        2.1 物性參數(shù)特征

        小山一帶第四系及植被發(fā)育,火山碎屑巖露頭不佳,部分鉆孔資料揭露下部為玄武巖,中部見變質(zhì)巖片麻巖和淺粒巖。

        從收集的物性參數(shù)(表2)可以看出,玄武巖磁性遠(yuǎn)大于變質(zhì)巖,是本區(qū)主要磁性巖石。片麻巖和淺粒巖磁化率相近,均屬中等磁性,變異系數(shù)也接近,說明這兩類巖石磁化率不均勻性也無顯著差異;二者的剩余磁化強(qiáng)度則差異較大,片麻巖屬于強(qiáng)磁性,且剩磁大于感磁,Q值高達(dá)3.81;而淺粒巖由于暗色礦物含量較少,剩磁相應(yīng)較小,為中等磁性,且以感磁為主,Q值小于1。密度上看,片麻巖和淺粒巖基本沒有差別。

        2.2 區(qū)域重力異常特征

        在區(qū)域布格重力異常圖(圖3)上,26×10-5m/s2等值線圈閉呈不規(guī)則的橢圓狀,長軸近東西向,長35 km,寬20 km,極大值30×10-5m/s2。異常中心在海興縣城至香坊之間,絕大部分在河北省境內(nèi)。布格重力異常的西部和南部均為等值線密集的梯度帶,表明這2 個方向上均有斷裂存在,西部和南部基底巖層相對下陷。

        表2 物性參數(shù)統(tǒng)計表

        圖3 海興縣區(qū)域布格重力異常圖

        3 工作方法及部署

        3.1 工作方法

        使用加拿大產(chǎn)CG-5 型全自動陸地重力儀,該儀器測量時自動進(jìn)行漂移改正、傾斜改正、地震濾波和溫度補(bǔ)償,分辨率0.001 mGal,精度0.005 mGal。

        工作前,對儀器進(jìn)行了漂移系數(shù)、偏移量、靈敏度調(diào)整。在北京靈山國家格值標(biāo)定場做了格值標(biāo)定,經(jīng)過標(biāo)定,本次工作所用儀器讀格差平均值為105.254×10-5m/s2,格值K為0.999556,相對均方誤差ε為±0.0000278×10-8m/s2,格值相對變化為1/2209。

        在平穩(wěn)、無振動、無風(fēng)的場地進(jìn)行了靜態(tài)試驗,算得掉格為-41.4332×10-8m/s2,掉格率為1.71811×10-8m/s2/h。

        表3 布格重力異??偩燃罢`差分配表

        在駐地附近穩(wěn)固無振動干擾的地方進(jìn)行了動態(tài)試驗,試驗點兩點間高差9 m,重力差值2.35×10-5m/s2。計算觀測均方誤差為0.007×10-5m/s2,遠(yuǎn)小于本次工作測點重力觀測均方誤差的1/2(表3)。

        采用單臺儀器單程觀測法進(jìn)行測點觀測,首先在基點上進(jìn)行觀測,基點讀數(shù)之差小于0.005 格;然后進(jìn)行測點觀測,每個測點讀二次數(shù),兩次讀數(shù)之間差值小于0.010 格,最后閉合于基點。

        閉合時間的長短根據(jù)儀器性能確定,一般不超過10 h。

        每個閉合段的零點位移值,均小于(n為閉合時間)。

        3.2 工作部署

        根據(jù)本區(qū)布格重力異常特征及火山遺跡展布情況,布置重力測量剖面3 條。其中,ZG1 線方向130°,長度9 km;ZG2 線方向0°,長度5 km;ZG3 線方向46°,長度5.5 km(圖4)。

        圖4 小山地區(qū)重力測量實際材料圖

        4 地質(zhì)解釋

        4.1 ZG1 線地質(zhì)解釋

        ZG1 線方向130°,布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大(圖5),說明基底沿著測線方向逐漸隆起,在北西部埋深較深,在南東部埋深較淺。在距離約5800 m 附近布格重力異常局部凸起,推斷基底在此隆起,可能為火山通道。

        剩余布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大,說明在北西部蓋層厚度較小,自北西向南東(0~5000 m)蓋層厚度逐漸變厚,在5000 m(ZG1-101 號點)處蓋層厚度最厚,然后,自北西向南東(5000~9000 m)蓋層厚度逐漸變薄。在距離約5800 m 附近剩余布格布格重力異常局部凸起,推斷為基底隆起,蓋層厚度較薄,可能為火山通道。

        ZG1 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似,可以看出在剖面5000 m 處存在1 條斷裂。在斷裂北西側(cè),導(dǎo)數(shù)變化相對較小,說明地層較為平緩,而在斷裂南東側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對較大,說明地層起伏變化較大。

        4.2 ZG2 線地質(zhì)解釋

        ZG2 線方向0°,布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小,說明基底向北傾斜,在南部埋深較淺,在北部埋深較深。在距離約1700 m 附近布格重力異常局部凸起,推斷為基底隆起,可能為火山通道(圖6)。

        剩余布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小然后又變大,反映南部蓋層厚度較小,自南向北(0~2500 m)蓋層逐漸變厚,在2700 m 處最厚,繼續(xù)向北蓋層又逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格重力異常局部凸起,蓋層厚度較薄,可能為火山通道。

        圖5 ZG1 線布格重力異常曲線圖

        ZG2 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似,可以看出在2000 m 處存在1 條斷裂。斷裂南側(cè)導(dǎo)數(shù)變化較大,說明地層起伏變化較大,而北側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對較小,說明地層較為平緩。

        4.3 ZG3 線地質(zhì)解釋

        ZG3 線方向46°,布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小(圖6),說明基底向北東傾斜,南西部埋深較淺,北部埋深較深。在距離約2000 m 附近布格重力異常局部凹陷,可能為火山通道,巖石較為破碎。

        剩余布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小然后又變大,說明在南部蓋層厚度較小,自南東向北西(0~3500 m)蓋層厚度逐漸變厚,在3500 m 處蓋層厚度最厚,然后,南東向北西(3500~5000 m)蓋層厚度逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格布格重力異常局部凹陷,可能為火山通道,巖石較為破碎。

        ZG3 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似,可以看出在剖面1500 m 處存在1 條斷裂。斷裂西南側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對較小,說明地層相對傾斜,起伏變化不大,地層較為平緩。而斷裂北東側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對較大,說明地層起伏變化較大。

        圖6 ZG2 線、ZG3 線布格重力異常曲線圖

        4.4 綜合解釋

        通過人機(jī)聯(lián)合二維反演(圖7)發(fā)現(xiàn),布格重力異常對小山地區(qū)的基底和蓋層的空間分布具有一定反映,整體來說,北部基底埋深較深,南部埋深較淺,在北部地層較為平緩,在南部特別是推斷火山口附近地層起伏變化較大。火山口附近基底隆起,但由于巖石較為破碎,致使其密度較小。通過重力剖面垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)數(shù)推斷的3 條斷裂,恰好為圍陷火山口的斷裂(圖8)。

        5 結(jié)論

        借助于火山巖與圍巖的物性差異,物探方法可以在火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)規(guī)劃工作中起到一定的科學(xué)指導(dǎo)作用,使保護(hù)區(qū)的設(shè)置更為合理。

        通過在小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)開展重力剖面測量,大致掌握了小山地區(qū)布格重力異常特征:小山地區(qū)布格重力表現(xiàn)為南、南東高,北、北西低,反映了上部蓋層南、南東淺,北、北西深的地質(zhì)特征。大致圈定的火山通道位置,可以為后續(xù)保護(hù)區(qū)規(guī)劃提供依據(jù)。

        注釋

        ①河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊.2003.滄州市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報告.

        ② 河北省地質(zhì)調(diào)查院.2005.滄州渤海新區(qū)地質(zhì)環(huán)境保障與調(diào)查評價專題報告.

        ③中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.2006.華北平原地下水動態(tài)調(diào)查評價(1 ∶50 萬).

        圖7 人機(jī)聯(lián)合二維反演剖面

        圖8 小山地區(qū)綜合推斷解釋圖

        ④ 河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站.2007.河北平原地面沉降調(diào)查與監(jiān)測報告,(1 ∶25 萬).

        ⑤ 河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊.2007.河北省海興縣城區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查評價報告(1 ∶5 萬).

        ⑥ 河北省地球物理勘查院.2008.河北省海興縣航磁異常區(qū)地面磁測普查報告.

        ⑦ 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊.2008.河北省淺層地溫能調(diào)查評價與開發(fā)區(qū)劃報告(1 ∶50 萬).

        ⑧ 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊.2011.河北省地?zé)豳Y源特征與開發(fā)利用(1 ∶50 萬).

        ⑨ 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心.2015.華北平原地裂縫調(diào)查與防治研究成果報告.

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