鄭小明，倪杰才，郭剛，方維萱，王宏偉

（有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012）

0 引言

紅石山位于甘肅省肅北縣馬鬃山鎮(zhèn)以北約60 km處，北距中蒙邊界約30 km，東經(jīng)97°7′30″北緯42°26′35″，大地構(gòu)造位置位于西伯利亞、塔里木和華北三大板塊的結(jié)合部位，總體屬古亞洲構(gòu)造域的一部分。學(xué)者們目前對于紅石山基性—超基性巖的成因有著不同的觀點(diǎn)，一種觀點(diǎn)認(rèn)為紅石山地區(qū)的超基性—基性巖組合為蛇綠巖套的組成部分（左國朝等，1990；趙茹石等，1994；劉雪亞和王荃，1995；龔全勝等，2002；聶鳳軍等，2002；何世平等，2002，2005；魏志軍等，2004；黃增保和金霞，2006），另一種觀點(diǎn)認(rèn)為紅石山基性—超基性巖體是一種巖漿類型的侵入體（王小紅等，2013）。此次工作采用音頻大地電磁測深（AMT）方法與高精度磁法剖面測量，通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、反演、解譯，初步形成二維剖面模型，結(jié)合1∶5萬航磁測量數(shù)據(jù)處理和地質(zhì)驗(yàn)證，探索建立了紅石山地區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)而探討紅石山基性—超基性巖的形成機(jī)制。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)特征

研究區(qū)位于中亞巨型造山帶南緣，屬天山—興安造山系之北山構(gòu)造帶（圖1），以若羌－星星峽斷裂為西界與東天山相連，以阿爾金－阿拉善斷裂為東界與興蒙造山帶相連，北鄰蒙古造山帶，南接敦煌地塊（Xiao et al.,2010；Song et al.,2013，賀振宇等，2015），研究區(qū)經(jīng)歷了多期次、多階段的板塊裂解－俯沖－拼合的復(fù)雜地質(zhì)演化過程，具多旋回復(fù)合造山的特點(diǎn)（Xiao et al.,2009,2010）。紅石山地區(qū)出露的蛇綠巖為紅石山—百合山—蓬勃山蛇綠混雜巖帶的組成部分，該蛇綠巖帶位于北山北部紅石山深大斷裂帶中，呈近東西向-北西西向展布，是北山地區(qū)目前四條蛇綠混雜巖帶（紅石山-百合山-蓬勃山，芨芨臺子-小黃山，紅柳河-牛圈子-洗腸井，輝銅山-帳房山）中最北端的一條（楊合群等，2010；王國強(qiáng)等，2014）。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置圖（據(jù)Xiao et al.,2010）

1.2 區(qū)域地球物理特征

東天山—北山區(qū)域重力場明顯具有東西展布、南北分區(qū)的基本格局，呈現(xiàn)相對獨(dú)立特征差異的重力場區(qū)塊及其鑲嵌關(guān)聯(lián)組合。研究區(qū)的重力場總體呈現(xiàn)北部高、南部低的基本分布特征，區(qū)內(nèi)布格重力值最高為-110×10-5m/s2，最低為-260×10-5m/s2，布格重力值相差達(dá)150×10-5m/s2。區(qū)域重力場中以近東西向、北東東向重力異常為主，其次為近等軸狀重力異常；紅石山-康古爾重力高值異常區(qū)在研究區(qū)西北部地帶呈近東西向起伏帶狀展布，南界為著名的康古爾塔格重力梯級帶，北界為區(qū)外規(guī)模更大的吐哈南緣重力梯級帶。

東天山—北山區(qū)域磁場總體上呈近東西向展布。南北兩側(cè)為跳躍變化的正磁場，由一些不同延伸方向、不同規(guī)模和形狀的異常帶組成（異常形態(tài)頗為復(fù)雜，以條帶狀為主，還有等軸狀、環(huán)狀、串珠狀等異常），中間以平緩變化的負(fù)磁場為主，其間分布著一些大小不等的條帶狀和環(huán)狀異常。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

2.1 研究區(qū)地質(zhì)特征

研究區(qū)中部為紅石山蛇綠構(gòu)造混雜巖帶，北側(cè)以掃子山-紅石山斷裂為界，南側(cè)以紅石山西南斷裂為界，其內(nèi)發(fā)育一條規(guī)模較大的韌性剪切帶，是紅石山地區(qū)超基性巖（塊）集中分布的地帶，并構(gòu)成紅石山超基性巖的主體部分。超基性巖（塊）中分布有大小不等、形態(tài)各異的超鎂鐵質(zhì)巖、輝長巖、鎂鐵質(zhì)火山巖、硅質(zhì)巖等巖塊。掃子山-紅石山斷裂以北出露地層為上石炭統(tǒng)干泉組及中—下二疊統(tǒng)雙堡塘組。干泉組為一套中酸性火山巖，巖性組合以灰綠色安山巖、英安巖為主，夾安山玢巖、安山質(zhì)凝灰?guī)r、灰黑色凝灰質(zhì)砂巖、硅泥質(zhì)板巖等；雙堡塘組為一套砂礫巖沉積，為活動型濱淺海環(huán)境的產(chǎn)物，主要巖石類型有灰綠色凝灰質(zhì)礫巖、塊狀礫巖、細(xì)礫巖及凝灰質(zhì)細(xì)砂巖。紅石山蛇綠構(gòu)造混雜巖帶南界被晚石炭紀(jì)英云閃長巖所侵入。

2.2 研究區(qū)巖（礦）石物性特征

對工作區(qū)內(nèi)341塊不同巖礦石標(biāo)本進(jìn)行物性參數(shù)測試并進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，電阻率、磁化率均統(tǒng)計(jì)幾何平均值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)巖（礦）石物性參數(shù)測試統(tǒng)計(jì)表

測區(qū)內(nèi)除磁鐵石英巖外，礦石中鉻鐵礦礦石的磁性最強(qiáng)。沉積巖的磁性較低或無磁性。受原巖類型和變質(zhì)程度因素影響，變質(zhì)巖磁性變化較大。一般來講，原巖為泥質(zhì)粉砂質(zhì)巖石、灰?guī)r或酸性巖漿巖且不含磁性礦物的變質(zhì)巖磁性較低，如板巖、大理巖和石英巖等，原巖為中基性巖的變質(zhì)巖磁性普遍較強(qiáng)，如角閃巖、片巖等。大理巖磁性呈規(guī)律性變化，從大理巖經(jīng)透閃石大理巖到透輝石大理巖，隨著大理巖內(nèi)磁性礦物組分的增加磁性明顯增強(qiáng)。原巖為中基性巖的角閃巖類具有較強(qiáng)的磁性，但某些蝕變作用可使其磁性減弱，綠簾石化角閃巖的磁性相對較弱。矽卡巖往往伴有金屬礦化，含鐵石英巖具有一定的磁性，當(dāng)其以透鏡體產(chǎn)出且埋深不大時(shí)，可引起尖峰磁異常。全區(qū)巖漿巖中以基性侵入巖體磁性最強(qiáng)，但由于其規(guī)模較小，分布零星，在中小比例尺區(qū)域磁力圖上，不足以引起區(qū)域磁異常，在大比例尺磁場圖中，可產(chǎn)生一定規(guī)模的正磁力高異常。中、酸性侵入巖磁性小于基性巖石，屬中等磁性巖類。上述巖類尤其是酸性巖的磁性變化較大，可以從弱磁性到中等磁性，由于這類侵入巖體規(guī)模較大，分布面積廣，可產(chǎn)生一定范圍的正磁力高異常。這里值得注意的是，根據(jù)巖體與磁異常對應(yīng)關(guān)系分析，不同時(shí)代的酸性侵入體的磁性可產(chǎn)生截然不同的磁場，是引起區(qū)域和局部磁異常的主要地質(zhì)因素之一。

巖（礦）石標(biāo)本電阻率參數(shù)變化范圍較大，幾何平均值從732 Ω·m到7101 Ω·m，同一巖性電阻率參數(shù)變化也很大，分析原因可能是標(biāo)本代表性較差，結(jié)合音頻大地地磁測深反演剖面對應(yīng)的地層巖性電阻率參數(shù)，侵入巖及基性雜巖相對為高電阻率，中酸性花崗巖最高、基性雜巖次之，沉積巖為相對低電阻率，火山沉積巖最低、陸相砂巖粉砂巖次之。

巖（礦）石磁化率參數(shù)差異較大，磁化率最大為磁鐵石英巖，幾何平均值9842（4π×10-6SI），橄欖巖、鉻鐵礦石磁化率相對較高，幾何平均值平均值在190（4π×10-6SI）～506（4π×10-6SI）之間，其他酸性侵入巖和沉積巖呈弱磁和無磁特征；結(jié)合航磁三維磁化率反演對應(yīng)地層巖性磁化率參數(shù)，基性雜巖體磁性最強(qiáng)，中性侵入巖次之，沉積地層巖石呈弱磁性，花崗巖無磁性。

與其他巖石地層對比，構(gòu)造混雜巖帶具有磁性最強(qiáng)、電阻率為相對高阻的明顯特征，強(qiáng)磁性特征最為明顯。

3 數(shù)據(jù)處理及解譯推斷

音頻大地電磁測深（AMT），野外數(shù)據(jù)采集使用加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多功能電法采集系統(tǒng)。開工前對V8、3E和磁探頭進(jìn)行進(jìn)場標(biāo)定，儀器設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)合格后方可進(jìn)行工作。儀器設(shè)備的檢測、標(biāo)定定期進(jìn)行，相鄰兩次標(biāo)定結(jié)果相對誤差不超過2%。在野外條件下，選擇電磁干擾小的地段進(jìn)行單點(diǎn)全頻段測定儀器一致性。電極布設(shè)根據(jù)點(diǎn)位場地實(shí)際情況，選擇最佳布設(shè)方案，一般采用標(biāo)準(zhǔn)“+”字形布設(shè)方式，X方向與剖面方向一致，Y方向垂直剖面方向，在地形不利時(shí)采用“L”形或“T”形。物理測點(diǎn)的設(shè)計(jì)點(diǎn)距100～200 m，嚴(yán)格控制偏移距，同時(shí)保持測線的基本規(guī)則，盡量減少左右跳變。

高精度磁測工作采用加拿大產(chǎn)質(zhì)子磁力儀GSM-19進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該儀器噪聲誤差及一致性誤差滿足《地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程》對儀器精度的要求。施工過程采用Garmin GPS 60 CX進(jìn)行測量點(diǎn)位，在施工前選擇已知控制點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)和校正，利用手持GPS導(dǎo)航定點(diǎn)，為確保定位精度，在接近目標(biāo)點(diǎn)位時(shí)，保證觀測時(shí)間。

3.1 AMT數(shù)據(jù)處理

AMT資料處理解釋采用有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心自主研發(fā)的EMpro2.0處理系統(tǒng)，并輔以WingLink、SCS2D、Geosoft和等軟件進(jìn)行。首先對取得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，然后采用Bostick反演。反演處理是頻率測深資料解釋的重要環(huán)節(jié)，也稱為定量解釋。由于初始模型的給定方式不同，使得反演的方法也隨之不同。Bostick反演結(jié)果是唯一的，忠實(shí)于原始資料，為減少反演結(jié)果的多解性和提高解釋推斷異常的可靠性，可依據(jù)Bostick反演的結(jié)果建立初始的地電模型（徐新學(xué)等，2004）。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行一維連續(xù)介質(zhì)反演、二維連續(xù)介質(zhì)反演，依據(jù)標(biāo)本物性資料、AMT電阻率分布資料，研究地層、巖性與電性的對應(yīng)規(guī)律，對實(shí)測的電性斷面進(jìn)行成像處理、地質(zhì)解釋和綜合信息建模。

3.2 磁法數(shù)據(jù)處理

磁法的數(shù)據(jù)處理軟件主要采用Geosoft、RGIS 2012系統(tǒng)，進(jìn)行磁法資料的常規(guī)處理和反演解釋。本次主要進(jìn)行了如下的處理工作。

化極：實(shí)測磁法數(shù)據(jù)是在地磁場斜磁化條件下的磁異常，在斜磁化條件下，即使是一個(gè)簡單的磁性體，所產(chǎn)生的異常也是正負(fù)伴生，異常中心和異常體不對應(yīng)，與磁性體的實(shí)際位置有偏移。因此要進(jìn)行化極處理，將斜磁化條件實(shí)測的數(shù)據(jù)經(jīng)頻率域變換，計(jì)算出垂直磁化條件下的ΔT異常，簡化異常和異常源的對應(yīng)關(guān)系，突出磁性體。

延拓：根據(jù)在地面實(shí)測的磁場數(shù)據(jù)可以計(jì)算出距地面不同高度的磁場分布，稱之為延拓。由于不同地質(zhì)體的規(guī)模、埋深不盡相同，其磁場沿垂向衰減變化率是不相同的，利用向上延拓可以判別異常源的埋深及延伸等特征，從而選擇反映深部場源的最佳延拓高度，使淺部場源信息基本消失，突出深源場特征。從濾波的角度考慮，向上延拓相當(dāng)于低通濾波，延拓的越高，磁場越平滑。常用此方法來提取區(qū)域場，研究深部地質(zhì)體特征等，而且效果較佳。

異常分離：由于實(shí)測的磁力異常是地下由淺至深各類磁性地質(zhì)體的綜合疊加效應(yīng)，而我們感興趣的是與金屬礦床有關(guān)的局部異常。加之深部信息受淺部地質(zhì)體物性不均勻的影響，其信噪比差，所以必須用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，從綜合疊加場中將要研究的目標(biāo)場分離或提取出來，并盡可能壓抑或消除干擾噪聲，增強(qiáng)有用信息，以提高利用磁力異常綜合解決復(fù)雜地質(zhì)問題的能力。

3.3 AMT剖面解釋

經(jīng)大地音頻電磁測深（AMT），結(jié)合地面高精度磁力測量、航磁異常三維反演切面及地質(zhì)特征等綜合研究，對L3剖面各異常區(qū)段進(jìn)行分析解釋。

為了減少單一磁法的多解性、提高三維反演地質(zhì)解釋的可靠性，解釋中輔助了L3南北音頻大地電磁（AMT）測深剖面，聯(lián)合電阻率和磁化率雙參數(shù)、及地表巖性共同解釋，作為磁化率三維解釋的依據(jù)，對L3剖面各異常區(qū)段進(jìn)行分析（圖2）。

圖2 研究區(qū)L3線物探地質(zhì)綜合剖面圖

（1）0～1200 m、4500～7000 m位置，該區(qū)段高磁剖面表現(xiàn)為低磁，AMT剖面電阻率表現(xiàn)為中高阻，高磁三維反演切面圖該部位地表低磁性、隱伏部位有中高磁性。結(jié)合現(xiàn)場踏勘，綜合推斷中高阻中高磁異常是隱伏閃長巖引起的，與巖礦石標(biāo)本閃長巖的中低阻、高磁性相吻合。

（2）1200～4500 m位置，該區(qū)段高磁剖面表現(xiàn)為低磁，AMT剖面電阻率表現(xiàn)為高阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是低磁性。結(jié)合現(xiàn)場踏勘，綜合推斷該高磁異常是由隱伏花崗巖引起的，與巖礦石標(biāo)本花崗巖的中高阻、低磁性相吻合。

（3）8600～13600 m位置，該區(qū)段AMT剖面電阻率表現(xiàn)為中低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是高磁，結(jié)合地質(zhì)填圖成果，綜合推斷該高磁異常與巖礦石標(biāo)本橄欖巖的中低阻、高磁性相吻合。

（4）14800～15200 m位置，該區(qū)段高磁剖面表現(xiàn)為中高異常，AMT剖面電阻率表現(xiàn)為中低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是中高磁，結(jié)合現(xiàn)場踏勘，綜合推斷該高磁異常是隱伏蛇綠巖引起的，與巖礦石標(biāo)本橄欖巖的中低阻、高磁性相吻合。

（5）16000～18400 m位置，該區(qū)段高磁剖面表現(xiàn)為低磁性，AMT剖面電阻率表現(xiàn)為中高阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是低磁，結(jié)合現(xiàn)場踏勘，綜合推斷該高磁異常是由二疊系沉積巖引起的。

（6）AMT剖面7600～10000m位置地表以下2000m深部，該區(qū)段AMT剖面電阻率表現(xiàn)為低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是低磁，推斷該異常是由石炭系沉積巖引起的。

（7）AMT剖面12800～18400 m位置地面以下2000 m深部，該區(qū)段AMT剖面電阻率表現(xiàn)為低阻，高磁三維反演切面圖該部位反應(yīng)的是中高磁，推斷該異常是由石炭系火山巖引起的。

L3剖面綜合地質(zhì)解釋認(rèn)為：南部以侵入巖為主，中間部分為閃長巖巖塊，北部主要為沉積地層，南北之間為構(gòu)造混合雜巖帶，雜巖帶受F1和F2斷裂控制，雜巖帶寬約5 km，產(chǎn)狀北傾近直立、延伸大。

L3剖面綜合地質(zhì)解釋表明，雜巖體磁化率最高，中性侵入巖次之，酸性侵入巖磁化率最低，地層磁化率為弱磁背景。如圖2所示巖石地層和磁化率、電阻率具有較好的對應(yīng)關(guān)系，為整個(gè)地下三維地質(zhì)解釋劃分結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

3.4 航磁數(shù)據(jù)處理及解譯

收集研究區(qū)1∶5萬航磁測量（中國國土資源航空物探遙感中心，2005）ΔT平面等值線圖，通過數(shù)字化后獲得航磁數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)網(wǎng)格為250 m×250 m。為了從航磁數(shù)據(jù)中獲取盡可能多的信息，對勘查測區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行了航磁ΔT化極處理、延拓處理、垂向一次導(dǎo)數(shù)處理、剩余異常處理、斜導(dǎo)數(shù)處理以及解析信號處理等。同時(shí)對測區(qū)航磁△T數(shù)據(jù)進(jìn)行三維磁化率反演，得到地下磁化率的三維分布信息。為了對地層構(gòu)造的進(jìn)一步研究，在研究區(qū)中部開展了垂直貫穿于區(qū)域地層的南北（L3）AMT測深剖面測量，進(jìn)行電阻率約束下三維磁化率巖性構(gòu)造解釋。

從研究區(qū)1∶5萬航磁化極ΔT異常原始數(shù)據(jù)資料可以看出，△T磁異常最小值為-603 nT，最大值為1299 nT，平均值為65 nT。以地表填繪構(gòu)造混合雜巖帶的南邊界為界，磁場可大致劃分為南北兩個(gè)區(qū)（圖3），北部高背景區(qū)對應(yīng)雜巖帶、石炭紀(jì)和二疊紀(jì)地層，南部低背景區(qū)，主要對應(yīng)酸性侵入巖體。研究區(qū)內(nèi)主要異常以近東西向展布，與區(qū)域構(gòu)造走向一致。北部高磁異常區(qū)對應(yīng)地表填繪構(gòu)造混合雜巖帶，周圍被近東西向線性帶狀高磁異常包圍，對應(yīng)于控制雜巖體的構(gòu)造斷裂。航磁綜合解釋顯示主要斷裂構(gòu)造有5條，其中F1和F2走向近東西向，分布于雜巖帶的南北兩側(cè)，控制著區(qū)域構(gòu)造混合雜巖帶，為本區(qū)最大的斷裂帶；F3和F4走向近東西向，分布于雜巖體的南北兩側(cè)，為雜巖體的邊界；F5位于圖幅的東南角，走向北北東向，橫切南部侵入巖體。

圖3 研究區(qū)航磁ΔT數(shù)據(jù)巖性構(gòu)造解譯平面圖

4 三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建立

4.1 航磁磁化率三維反演

為了對異常進(jìn)行定量解釋，建立研究區(qū)三維地質(zhì)模型，本次工作對1∶5萬航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維反演（圖4），直觀地展示了磁化率在地下三維空間的展布特征，左圖為模型全貌視圖，右圖為南北向L3線（切圖）（AMT測深）剖面視圖，異常定量解釋的參數(shù)主要是其模型得出的。

圖4 研究區(qū)1∶5萬航磁測量三維反演結(jié)果模型圖

4.2 構(gòu)造雜巖帶三維地質(zhì)模型

依據(jù)L3剖面綜合地質(zhì)解釋給出的巖性和磁化率的對應(yīng)關(guān)系，對航磁磁化率三維反演結(jié)果進(jìn)行地質(zhì)解釋，主要?jiǎng)澐殖鰳?gòu)造混合雜巖帶中蝕變輝石橄欖巖體的空間分布（圖5）。

圖5 三維反演磁化率圈定蝕變輝石橄欖巖帶模型圖

蝕變輝石橄欖巖帶（雜巖體）在本區(qū)呈最強(qiáng)磁性特征，采用反演磁化率K值大于0.015 SI，近似圈定蝕變輝石橄欖巖帶，該雜巖帶沿F1—F2區(qū)域斷裂帶分布，產(chǎn)狀近直立，寬0～3 km，最大延伸可達(dá)3 km。

5 結(jié)論

（1）通過磁化率三維反演，認(rèn)為紅石山蛇綠混雜巖帶總體為無根狀的大型透鏡體，淺部石炭系被卷入蛇綠構(gòu)造混雜巖帶中，深部卷入地層可能為石炭系，呈現(xiàn)兩處向上凸起的低阻體，從而進(jìn)一步說明紅石山基性—超基性巖體為構(gòu)造成因而非侵入體。

（2）紅石山蛇綠混雜巖帶深部具有相連接特征，向東端深部蛇綠混雜巖帶規(guī)模減小，向西端側(cè)伏并隱伏在深部，與地面高精度磁法測量揭示深部存在隱伏磁性體（基性巖—超基性巖）相吻合。

（3）利用音頻大地電磁測深（AMT）技術(shù)能較好反映剖面的巖體地層整體電性特征、突出局部異常，對斷裂構(gòu)造、巖性變化有較準(zhǔn)確的刻劃。

（4）推斷的斷裂除F5為北北東走向外，其余均為近東西走向，斷裂位置與區(qū)域地質(zhì)資料的斷裂特征較為吻合。

注 釋

①中國國土資源航空物探遙感中心.2005.甘肅北山地區(qū)1∶5萬航空物探綜合站勘查成果報(bào)告[R].1-173.