引用本文
路利春, 姜鸿, 吴荣高, 张佩, 张冲, 李陇锋. 重力方法在祁连山地区构造特征与岩体解释中的应用[J].中国地质调查, 2018,5(3): 95-103.
LU Lichun, JIANG Hong, WU Ronggao, ZHANG Pei, ZHANG Chong, LI Longfeng. Gravity method application in tectonic characters and rock mass interpretation of Qilian Mountains[J].Geological Survey of China, 2018,5(3): 95-103.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2018.03.13
Permissions
Copyright@2018, 《中国地质调查》编辑部
《中国地质调查》编辑部 所有
重力方法在祁连山地区构造特征与岩体解释中的应用
路利春1, 姜鸿2, 吴荣高1, 张佩3, 张冲4, 李陇锋5
1.陕西地矿第二综合物探大队有限公司,西安 710016
2.陕西地矿汉中地质大队有限公司,汉中 723000
3.中国地震局第二监测中心,西安 710054
4.中国地质科学院地球深部探测中心,北京 100037
5.甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院,兰州 730022

第一作者简介: 路利春(1988—),男,工程师,主要从事矿产地球物理勘探数据处理与解释工作。Email: lulichun_good@126.com。

收稿日期: 2017-05-11
基金资助: 中国地质调查局“1:25万成矿带基础地质调查修测(编号: 12120113066100)”项目资助
摘要

依据地质、航磁等资料,结合实测岩石物性资料,以1:250 000重力资料为基础对祁连山地区(张掖、刚察地区)进行综合研究。研究地质构造与地球物理特征,划分了大地构造单元,探讨了隐伏与半隐伏岩体分布。该区域经多年的重力工作,勘探面积已近3万多km2,根据重力资料研究布格重力场特征并进行分区; 对地质构造单元重新划分,对主要断裂进行探讨; 圈定隐伏与半隐伏岩体,推断其空间展布特征,并对其解释。结果表明: 祁连山地区地壳密度结构横向分区、纵向分层明显,布格重力异常场的分区特征与地质构造分区特征基本一致。结合2.5D重力剖面反演印证了新的推测结果,为综合地质、地球物理找矿提供参考。

关键词: 重力场特征; 构造单元; 隐伏岩体; 重力反演; 局部异常解释
中图分类号:P631.1 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2018)03-0095-09
Gravity method application in tectonic characters and rock mass interpretation of Qilian Mountains
LU Lichun1, JIANG Hong2, WU Ronggao1, ZHANG Pei3, ZHANG Chong4, LI Longfeng5
1. NO.2 Comprehensive Geophysical Prospecting Brigade, Shaanxi Geology and Mining Group Co. Ltd., Xi’an 710016, China
2. Shananxi Hanzhong Geological Brigade, Geology and Mineral and Mining Group Co. Ltd., Hanzhong 723000, China
3. The Second Crust Monitoring and Application Center, China Earthquake Administration, Xi’an 710054, China;
4. SinoProbe Center-China Deep Exploration Center, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037,China
5. Second Institute Geology and Mineral Resources, Gansu Bureau of Geology and MineralExploration and Development, Lanzhou 730022, China
Abstract

Based on geological, aeromagnetic and other data, and combined with measured physical properties of rock, the authors conducted a comprehensive research on Qilian Mountains (Zhangye and Gangcha areas) with the 1:250 000 gravity data. The geological structure characteristics, geophysical characteristics, division of tectonic units and distribution of concealed and semi-concealed rock mass were studied. After many years’ gravity work in this area, the exploration area has reached nearly 30 000 km2. This paper has studied the characteristics of Bouguer gravity field based on gravity data and has divided the anomaly units. The geological tectonic units have been redivided and the major faults have been discussed. Concealed and semi-concealed rock mass have been identified and the spatial distributions have been speculated and interpreted. The results show that the partition and stratification of the crust density structure in Qilian Mountains are obvious, and that the partition characteristics of the Bouguer gravity anomaly field are basically the same with the partition characteristics of the geological structure. The combination of 2.5D gravity section inversion confirms the new speculations. The results will provide some reference for comprehensive geological and geophysical prospecting.

Keyword: gravity field characteristics; tectonic units; concealed rock mass; gravity inversion; partial anomaly interpretation
0 引言

祁连山脉位于中国甘、青、藏、疆一带, 由多条NW-SE向的平行山脉和宽谷组成。西端在当金山口与阿尔金山脉相接, 东端至黄河谷地, 与秦岭、六盘山相连。研究区位于甘青交界的祁连山地区, 包含青海省刚察县、祁连县、天峻县及甘肃省张掖市、肃南县等, 区内褶皱、断裂发育, 地质情况复杂, 之前未做过系统的重力勘探, 但有许多学者做过地质研究。张伯宏等[1]认为祁连山重力场随时间的长波变化是由地壳深部物质迁移所引起的, 表明地下流体势较强; 向鼎璞[2]对主要地质特征进行了研究, 表明祁连山地槽具有多旋回展布特征, 认为该区域变质作用有7期; 一些学者认为祁连造山带蛇绿岩型为超基性岩, 具有分异后的上地幔组成特点, 其成岩作用比较复杂, 该类岩体均起源于分异作用相对较小的深部地幔[3, 4, 5]。但在祁连山地质构造、深部单元分布、隐伏岩体构造及成因、基底起伏与沉积特征及矿产分布空间构造特征等方面存在争议。

在收集1:25万张掖、刚察幅重力测量数据的基础上, 对重力数据进行综合处理分析; 利用方域窗口滑动平均法求取区域重力场与剩余重力异常, 并结合测区内地质情况, 对比不同窗口计算结果; 最后, 通过重点剖面反演, 解释隐伏岩体或矿体的空间分布特征、成因及埋深等。这对今后研究区内深部地质找矿提供了参考。

1 研究区地质概况

研究区位于秦祁昆造山带中段, 夹持于塔里木— 中朝板块和柴达木板块之间。其西段被阿尔金山断裂带所截, 断裂带与塔里木地块相连接; 东端被六盘山— 固原断裂所截, 与鄂尔多斯地块相邻; 北部以龙首山断裂为界与阿拉善地块相接; 西南以天峻— 青海湖— 天水断裂为界与西秦岭印支造山带相邻[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12](图1)。

在昆仑秦岭地槽褶皱系中, 祁连山是一个特别典型的加里东地槽, 褶皱旋回属于陆相泥盆系, 在磨拉石建造前就已经形成。北祁连山一带中下泥盆统、古生界与加里东晚期花岗岩存在不整合关系; 中下泥盆统与中奥陶统也是不整合关系。祁连山在加里东晚期才褶皱成山体, 从地槽转变为地台, 因此晚古生代— 中、新生代都属于地台型盖层沉积形式[14, 15]。柴达木北缘和青海南山主要以华力西和印支褶皱为主, 属于北秦岭褶皱带。

图1 祁连山造山带构造单元划分略图[13]Fig.1 Division of tectonic units in Qilian Mountains orogenic belt[13]

2 地球物理场特征
2.1 密度特征

祁连山各构造单元地层密度从新至老总体呈增大趋势, 同一地层在不同构造单元中密度也有差异, 侵入岩从酸性、中性到基性密度逐渐增大。该地区的超基性岩已蛇纹石化, 其密度小于基性岩。密度统计结果见表1, 重力异常反演时按综合资料进行密度值分析。本区域新太古代华隆群、古元古代托赖岩群均为变质岩, 变质程度高, 中新元古代和早古生代地层也有不同程度的变质, 局部变质作用较强烈, 对重力异常有着一定的影响。

表1 祁连山一带岩矿石密度统计成果 Tab.1 Rocks (ores) density statistics in Qilian Mountains
2.2 重力场特征

祁连山一带布格重力异常(图2)总体趋势沿2个方向变化: ①自北东朝南西方向逐次降低, 场值变化幅度达180× 10-5m/s2; ②自东朝西逐次降低, 北部主要为NW向展布的局部重力异常带和重力梯度带, 重力场变化剧烈, 中东部重力场值的变化强度明显弱于北部, 中西部及南部, 场值变化幅度较小, 平面上中西部为一个不完整的重力低, 从该重力低沿NE向重力场值快速升高, 向东重力场值逐渐升高, 向南缓慢升高。

图2 祁连山一带重力布格异常平面图Fig.2 Plan of Bouguer gravity anomaly in Qilian Mountains

通过对前人成果[16, 17, 18, 19, 20, 21]的分析, 结合重力和深部地震资料, 认为祁连山西侧重力低是地壳增厚的反映, 巨型重力低中心处, 地壳厚度增至最大, 重力场总体趋势反映了莫霍面自北朝南及由东到西逐渐加深, 而局部异常变化及重力局部扰动是由地壳上部密度不均引起的。重力场区域特征反映了研究区地壳厚度变化及壳内各密度层结构, 局部特征反映了地壳上部密度结构差异以及主构造格架。

3 构造单元划分

祁连山地区现今的构造格局与古大洋的演化密切相关。震旦纪— 早中寒武世为大陆裂谷构造演化阶段, 晚寒武世— 早奥陶世是被动大陆边缘演化阶段, 早中奥陶世是洋底扩张及沟弧盆体系大洋盆地演化阶段, 碰撞造山发生于志留纪— 泥盆纪, 其后至今是陆内造山作用阶段。早期的构造格局基本确立, 后期构造作用在此基础上进行局部改造, 因此构造单元的划分以早古生代中期的构造格局为基础, 适当考虑后期构造运动的改造作用。

本次构造单元划分主要基于重力异常及地质、航磁、地震等资料, 依据《DZ/T 0082— 2006区域重力调查规范》, 并结合前人研究成果[22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30], 划分了祁连山一带的大地构造单元。不同的地质学家对祁连地区构造单元的划分方案也不同[7, 9, 31, 32, 33, 34], 本次构造单元划分比较前人有局部的不同和增加。

将祁连山一带划分为4个一级构造单元(表2), 这些与前人的研究情况基本一致, 但在二级构造单元划分上有所不同, 新划分了13个三级构造单元(表2)。

表2 构造单元划分 Tab.2 Division of tectonic units

小部分区域重力场变化是大地构造运动结果的反映, 应对重点区域进行大比例尺重力测量, 查明构造演化特征(图3)。

图3 祁连山地区构造单元划分Fig.3 Total gradient modulus of gravity level and tectonic units division in Qilian Mountains

4 局部异常及隐伏与半隐伏岩体解释

以重力数据为主, 结合钻孔、航磁等资料, 在祁连山东部共圈定隐伏岩体1处(L18), 半隐伏岩体2处(L28、L29), 解释重点异常区2处(L22和G13、L9、L15), 为后期找矿圈定靶区。异常位置见图4。

图4 布格重力剩余异常划分图Fig.4 Division of residual anomaly of Bouguer gravity

4.1 维达涅河隐伏岩体(L18)

维达涅河隐伏岩体在布格重力异常和剩余重力异常图上均表现为局部重力低, 剩余重力异常L18位于天峻县木里乡东北, 剩余重力异常图上L18平面形态呈似椭圆状, 异常面积约100 km2, 走向NNE, 布格场形态与剩余异常图基本一致。此处地表出露古元古界托赖岩群和中元古界长城系, 重力场为局部重力低, 航磁异常显示具中强磁性背景, 据此推测该处异常(L18)为隐伏花岗岩体引起, 可能是加里东晚期花岗岩体和低密度花岗岩基底及新生代坳陷共同引起的结果。

4.2 卡梗库木半隐伏岩体(L28、L29)

该异常位于青海湖东北侧, 剩余重力异常图上L28呈椭圆状, L29呈鼻状, 面积约180 km2, 走向NW, 在布格重力异常图上都有明显显示, 平面形态与剩余重力异常图基本一致(图5)。L28地表为第四系覆盖, 异常东南出露加里东晚期花岗岩体, 推断该隐伏岩体由密度较低的花岗岩基底及其上部新生代坳陷共同引起; L29航磁异常图上显示为弱磁背景区, 南部边缘地表出露的少量残留二叠系覆于花岗岩体之上, 其余地段地表大面积出露加里东晚期花岗岩体, 花岗岩体密度较小、磁性较弱, 推断L29由厚度8 km的加里东晚期花岗岩体引起。

图5 局部重力异常L28、 L29 拟合计算及地质解释剖面Fig.5 Fitting calculation and geological interpretation section for L28 and L29 partial gravity anomaly

4.3 局部重力异常(L22)

L22位于中祁连木里乡东南, 异常形态椭圆状, 面积约80 km2, 走向NWW, 重力图件均显示局部重力低。L22处地表为第四系覆盖, 西南侧出露三叠系和少量侏罗系, 侏罗系呈条带状沿NW向展布, 以逆断层与三叠系接触。航磁异常有低磁区, 与重力低值区反映了该区域中新生代坳陷的特征, 拟合结果见图6。L22为木里盆地引起, 盆地基底为元古宇, 盖层为石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和第四系, 盆地沉积厚度达5 km, 具有煤炭、油气等找矿潜力。

图6 局部重力异常L22拟合计算及地质解释剖面图Fig.6 Fitting calculation and geological interpretation section for L22 partial gravity anomaly

4.4 局部重力异常(G13、L9、L15)

该组异常位于研究区西部托莱山, 平面形态椭圆状, 走向NW, 面积达550 km2。G13位于断裂之间, 出露下奥陶统, 以基性熔岩为主, 如玄武岩、细碧岩及枕状熔岩, 与超基性岩构成较完整的洋脊蛇绿岩, 局部磁力高, 引起磁异常的是超基性岩和辉长岩。L9为第四系覆盖区, 具有弱磁背景。L15为第四系覆盖区, 具有弱磁背景。拟合结果(图7)显示: 局部重力高G13为下古生界奥陶系、辉长岩体及少量的超基性岩共同引起, 该隆起严格受断裂控制; L9为晚古生代— 中新生代坳陷盆地引起, 该盆地内沉积厚度达3 km; L15为晚古生代— 中新生代坳陷盆地引起, 但该盆地规模和深度比前者小得多。该区域具有铜、金、铅、锌、铬矿、石棉矿等找矿潜力。

图7 局部重力异常G13、L9、L15拟合计算及地质解释剖面图Fig.7 Fitting calculation and geological interpretation section for G13, L9 and L15 partial gravity anomaly

5 结论

(1)通过在研究区开展相关工作, 获得了祁连山地区的密度实测资料, 其地壳密度结构横向分区性、纵向分层性明显, 说明研究区构造演化环境特殊, 构造特征是多方面因素共同影响的结果。

(2)祁连山地区重力场变化剧烈, 梯级带特征明显, 区域场整体表现为东北高、南西低。

(3)大体上祁连山布格重力异常场与地质构造分区特征基本一致, 新划分了13个三级构造单元。

(4)新推测解释隐伏岩体1处, 半隐伏岩体2处, 解释局部异常2处, 为后期深部找矿提供参考。

致谢: 中国地质调查局西安地质调查中心刘宽厚教授级高级工程师在撰写过程中给予指导,审稿专家和编辑提出了宝贵的修改意见,在此深表感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 张伯宏, 刘天铭, 祝意青. 河西—祁连山重复重力测量资料的地震前兆信息研究[J]. 地震, 1997, 17(3): 304-312. [本文引用:1]
[2] 向鼎璞. 祁连山地质构造特征[J]. 地质科学, 1982(4): 364-370. [本文引用:1]
[3] 郭原生, 孙淑荣, 代文昭, 等. 祁连山西段蛇绿岩型超基性岩特征及其地质意义[J]. 甘肃地质学报, 1993, 2(2): 34-44, 108. [本文引用:1]
[4] 周良仁, 秦克令. 北祁连山超基性岩体接触变质特征及其地质意义[J]. 地质论评, 1980, 26(6): 490-498. [本文引用:1]
[5] 魏春海. 中国祁连山地质构造的基本特征[J]. 地质学报, 1978, 52(2): 95-105. [本文引用:1]
[6] 中国科学院地质研究所. 祁连山地质志[M]. 北京: 科学出版社, 1963. [本文引用:1]
[7] 冯益民. 祁连造山带研究概况——历史、现状及展望[J]. 地球科学进展, 1997, 12(4): 307-314. [本文引用:2]
[8] 向鼎璞. 祁连山主要地质特征[G]//青藏高原地质文集(17). 北京: 地质出版社, 1985: 61-79. [本文引用:1]
[9] 冯益民, 何世平. 祁连山大地构造与造山作用[M]. 北京: 地质出版社, 1996. [本文引用:2]
[10] 中国科学院地质研究所构造地质室. 中国大地构造图[M]. 北京: 地图出版社, 1979. [本文引用:1]
[11] 夏林圻, 夏祖春, 徐学义. 北祁连山海相火山岩岩石成因[M]. 北京: 地质出版社, 1996. [本文引用:1]
[12] 夏林圻, 夏祖春, 任有祥, 等. 祁连、秦岭山系海相火山岩[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1991. [本文引用:1]
[13] 吴荣高, 路利春, 崔丽艳, 等. 青海1: 25万刚察县幅、张掖市幅基础地质调查修测成果报告[R]. 西安: 陕西省地质矿产勘查开发局第二综合物探大队, 2015. [本文引用:1]
[14] 黄瑞琦. 祁连山地质构造特征研究[J]. 西部资源, 2016(5): 9-10. [本文引用:1]
[15] 计文化, 杨博, 姜寒冰, 等. 西北主要成矿带地质矿产调查工程进展[J]. 中国地质调查, 2017, 4(6): 1-8. [本文引用:1]
[16] 崔作舟, 李秋生, 吴朝东, 等. 格尔木—额济纳旗地学断面的地壳结构与深部构造[J]. 地球物理学报, 1995, 38(增刊2): 15-28. [本文引用:1]
[17] 彭礼贵, 任有祥, 李智佩, 等. 甘肃省白银厂铜多金属矿床成矿模式[M]. 北京: 地质出版社, 1995. [本文引用:1]
[18] 邬介人, 任秉琛, 黄玉春, 等. 西北海相火山岩地区块状硫化物矿床[M]. 武汉: 中国地质大学出版社, 1994: 232-234. [本文引用:1]
[19] 李家斌, 朱大友, 屈念念, 等. 高精度重力方法在"大塘坡式"锰矿找矿中的应用[J]. 中国地质调查, 2016, 3(2): 15-20. [本文引用:1]
[20] 郭周平, 赵辛敏, 白赟. 北祁连山银灿铜矿矿床地质特征及成因[J]. 中国地质调查, 2015, 2(3): 54-58. [本文引用:1]
[21] 张照伟, 李文渊, 高永宝. 祁连—龙首山元古宙大火成岩省与金川型铜镍矿关系探讨[J]. 中国地质调查, 2014, 1(1): 14-18. [本文引用:1]
[22] 路利春, 文博, 程斌, 等. 成像技术在矿区重力勘探中的应用研究[J]. 地质与资源, 2018, 27(1): 99-102, 88. [本文引用:1]
[23] 路利春, 王鹏, 周明霞, 等. 渭河盆地重力场与构造特征关系研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2017, 37(增刊1): 36-42. [本文引用:1]
[24] 路利春, 赵炳坤, 周明霞, 等. 高精度重磁测量在渭河盆地氦气调查中的应用研究[J]. 陕西地质, 2017, 35(2): 52-59. [本文引用:1]
[25] ΓайнаHов АΓ. 陈邦彦, 译. 地球重力场和大地构造[J]. 海洋地质译丛, 1992(3): 39-46. [本文引用:1]
[26] 祝恒宾, 周文虎, 武立高. 青藏高原重力场特征及其在大地构造上的含义[G]//中国科学院地球物理研究所论文摘要集(1985). 北京: 中国科学院地球物理研究所, 1989: 2. [本文引用:1]
[27] 杨宗仁. 中国区域重力场的大地构造意义[J]. 大地构造与成矿学, 1988, 12(2): 155-164. [本文引用:1]
[28] 张凤旭, 张兴洲, 张凤琴, 等. 中国东北地区重力场研究——利用改进的三方向小子域滤波划分主构造线及大地构造单元[J]. 地球物理学报, 2010, 53(6): 1475-1485. [本文引用:1]
[29] 程顺有. 中央造山系及其邻区岩石圈三维结构与动力学意义[D]. 西安: 西北大学, 2006. [本文引用:1]
[30] 闫雅芬, 王光杰, 张中杰. 华南大陆重力场特征及其大地构造意义[C]//中国地球物理学会年刊2002——中国地球物理学会第十八届年会论文集. 北京: 中国地球物理学会, 2002: 1. [本文引用:1]
[31] 夏林圻, 李向民, 余吉远, 等. 祁连山新元古代中—晚期至早古生代火山作用与构造演化[J]. 中国地质, 2016, 43(4): 1087-1138. [本文引用:1]
[32] 李冰. 祁连山典型地区新生代构造地貌演化过程研究[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2016. [本文引用:1]
[33] 戚帮申. 祁连山新生代构造地貌演化特征[D]. 北京: 中国地质大学(北京), 2014. [本文引用:1]
[34] 李世金. 祁连造山带地球动力学演化与内生金属矿产成矿作用研究[D]. 长春: 吉林大学, 2011. [本文引用:1]