基于航磁异常数据的中国东北地区地质构造研究

基于航磁异常数据的中国东北地区地质构造研究

1航磁异常特征与反演居里中国东北部位于古亚洲构造带和太平洋构造带的交汇处，经历了多期构造活动，地壳活动强烈，地质构造复杂。古代亚洲构造带是指古生代西伯利亚板块与华北板块的碰撞和连接。太平洋沿岸的构造区显示了中、现代太平洋板块和欧亚的多期次穿孔。在不同的地质和历史时期，这两个构造带的重叠效应导致了不同板块的性质。地球物理场可以为搜索深部结构和基本结构提供重要信息，分析研究区域内航磁异常的性质，并利用空间反演来阐明板块运动引起的深部过程的相关信息。居里面是指磁性矿物在一定温度下从铁磁性转变为顺磁性的居里(点)等温度面,简称居里面,是磁性层的下界面,它反映的是岩石圈热状态而非确定的地质构造面,不能用地质标志层来衡量.申宁华等曾指出居里面埋深对油气生成、保存有影响,反演居里面深度对大地构造研究和油气资源评价与勘探具有重要意义.另外,反演居里面对地热能的开发利用、热害防治、原生热液矿产勘查以及火山喷发的监测与预报等也具有重要意义.前人曾对研究区的居里面反演做过研究,刘天佑曾计算过研究区范围内松辽盆地的居里面深度;郝天珧、江为为等曾对贺兰山—龙门山以东的中国陆海及邻区进行居里面反演,并利用反演结果划分洋、陆构造单元;本文用功率谱法反演东北地区居里面,认识研究区地壳热状态,并借此探讨该地区的深部过程和地球动力学特征.2构造特征分析航磁异常资料来自国土资源部航空物探遥感中心编制的全国1∶100万航磁ΔT异常图件1),研究范围为120°E以东至国境线,纬度范围40°N～52°N.对原始图件资料进行数字化处理,获得了航磁ΔT异常网格数据(图1).研究区航磁异常以松辽盆地为中心,盆地周围的异常值大小、走向与形态迥然不同,呈现明显的拼贴板块构造特征.盆地内磁异常形态舒缓,异常值-200～300nT;西北部大兴安岭区磁异常变化剧烈,正磁异常高值达到1000nT以上;东南部盆岭相间区被一系列断裂带所分割,正、负磁异常条带相间分布,负磁异常带较为宽缓,正磁异常变化强烈,断裂两侧磁异常梯度变化大.航磁异常方向主要有NE-NNE向、EW向和SN向,其中NE-NNE向是研究区的主要磁异常方向,表征研究区后期主要受太平洋板块俯冲作用的影响,研究区南北两端呈现EW向磁异常带被NE向异常干扰、错断,反映古亚洲构造所形成的EW向构造线被中新生代太平洋板块向欧亚大陆俯冲作用继承和改造.航磁异常特征反映了研究区漫长的地质历史中经历了多期次复杂构造运动,磁异常方向变化反映了板块构造作用的应力方向及方式的改变,而区块间磁异常形态差异表明不同刚性程度各微板块在外部应力作用下产生了多样的地质构造形态,这种构造形态具有继承性和叠加性.3组合磁异常的统计功率谱分析法利用航磁异常数据反演居里等温面的方法有单体磁异常法和组合磁异常法,这两种方法都是通过把空间域转换到频率域来建立航磁异常与磁性体埋深的关系.针对研究区航磁异常具有分区特征,且浅源、深源磁场分布复杂的特点,应用组合磁异常的统计功率谱分析法计算居里面深度.该方法的理论基础是Spector-Grant统计模型,这种模型适应于对区域磁异常组合的分析,在世界上得到了很多的讨论和应用.3.1磁性层顶深的能谱分析假定地层在水平方向无限延伸,磁性体顶部埋深相对于其水平延伸尺度很小,磁化强度M(x,y)是x,y的随机函数.据Blakely定义的总磁场功率谱ΥΔT可以表示为其中,ΥM是磁化强度的功率谱,kx,ky分别是x,y方向的波数,单位为m-1.Cm是比例常数,Θm和Θf分别是磁化方向和地磁场方向因子,Zt和Zb分别为磁性层上顶和下底的埋深.对方程中的各项进行简化,注意到除│Θm│2和│Θf│2以外,其他项都具有径向对称性,此外Θm和Θf的径向平均是常数.如果M(x,y)完全随机且不相关,那么ΥM(kx,ky)也是常数.因此ΥΔT的径向平均可表示为这里,A是常数.当波长小于磁性层厚度2倍时,方程(2)可以近似变换为式中,B是常数.从(3)式可知,由总磁场异常功率谱对波数的斜率可估算出磁性层顶的深度Zt.另一方面,方程(2)可改写为C是常数,Zo为磁性体质心埋深.在长波长段,方程(4)变为2d即为磁性层厚度.从方程(5)可推出:其中D是常量.根据方程(3)和方程(6)可以分别由ln[ΥΔT(k)12]和ln[ΥΔT(k)12k]的平均径向能谱的高波数和低波数部分通过最小二乘拟合直线斜率估算磁性层顶面和质心深度.则磁性层底面深度Zb为先把反演区划分成一系列子区,再对子区进行谱分析即可得到子区对应的磁性体底面埋深,全区滑动即可得出反演区的居里等温面深度.需要指出的是,因为计算中只能用一部分磁异常数据进行反演,这将降低谱分析的精度,尽管如此,谱分析的方法通过对磁性层分布形态和磁化方向的简化模拟来估算磁性层埋深,不失为一种简单有效的方法.3.2段底深度及频率特征首先对全区航磁异常数据进行径向谱分析(图2).分析曲线特征并结合研究区的地质资料进行频段拟合计算,高频段取ω=0.2～0.5radians·km-1,对应波长约为13～30km,拟合曲线斜率即Zt为4.2km;低频段取0.05～0.2radians·km-1,对应波长约为30～130km,拟合结果Zo为16.8km.选择频段波长约为探测目的层埋深的2～8倍,由(7)式计算得出研究区磁性层底面埋深平均值为29km.所得的磁性层底面深度可以认为是居里点平均深度.由于计算中没有确切的居里面深度约束条件,计算结果仍具有多解性.为获得合理的计算结果,在计算中参照了前人工作中地热分布数据、结晶基底深度资料和满洲里-绥芬河地学断面解释结果,因此估算结果反映了研究区居里面深度变化趋势.考虑到利用谱分析方法求得的居里面反映的是平均变化趋势,为使计算结果更加合理,我们采取原始磁异常向上延拓的方法滤除浅源磁性体的影响,处理中选用了上延15km航磁异常场(图3)计算居里面.综合全区的径向谱分析结果以及研究区的范围、数据量等因素,选择160km×160km为计算时窗,并以40km的步长在数据块上滑动计算居里点深度.依据谱分析结果(图2),在计算每个时窗的Zt和Zb时,分别采用了0.2～0.5radians·km-1和0.04～0.27radians·km-1的频率窗,低频段适当扩大了频率范围.计算结果如图4,研究区内收集到的地热数据按热流值大小分类标示于图中,AB为满洲里-绥芬河(以下简称满-绥)地学断面通过研究区部分的剖面.4李等温度变化的分析4.1居民身份证及其周边构造反演计算结果表明研究区磁性层底面即居里点深度范围在19～40km(图4).与航磁异常特征类似,研究区的居里面分布特征也表现出EW向被NE向干扰、改造的特点,同样反映了构造发展的继承和叠加效应;且居里面分布图中,EW向特征比航磁异常更为明显,表明在滤除浅源磁性体影响后,居里面反演结果突显了深部热结构特征.将区内几个较大的火山活动区标示于居里面等深度图上(图5),可见其分布形态与岩浆和火山活动密切相关.居里面上隆与下坳区呈条带状分布,有两个明显的上隆区,一个是海龙-牡丹江一带沿NNE向延伸至密山附近的上隆带与四平-敦化NEE向隆起带交叉分布,此上隆区处于龙岗、镜泊湖及长白山火山活动区附近,这一带新生代岩浆活动较多;另一个在嫩江-五大连池之间,呈近EW向与NE向交截分布.在主要深大断裂带处,居里面起伏有明显特征.将1978.5～2005.10发生的地震震中(中国地震台网中心发布)按震源深浅分类投放于居里面深度图上(图5),结合地震事件的密集分布带可清楚地显示区内几条较大的超壳断裂.沿依兰-伊通断裂带是居里面明显变化带,断裂带东南侧居里面较深,起伏平缓,西北侧明显较浅,沿此断裂带浅源地震较多同时也有岩浆活动,表明目前该断裂带处于活动状态.而敦化-密山断裂带位于居里面上隆带,近代火山活动较为活跃.区内南部库伦-四平一带近东西向分布的居里面隆起条带与古亚洲时期形成的近东西向断裂带有关,表明早期断裂带可能成为岩浆活动的通道,从而地壳温度较高造成居里面上隆.4.2居民身份证及构造环境满洲里-绥芬河地学断面横贯研究区,断面的综合解释为研究提供了区内地壳和上地幔结构的重要信息.截取该地学断面通过研究区部分AB段(位置示于图4),通过对比研究区的航磁异常、居里面、莫霍面及软流圈顶面深度剖面(图6),发现居里面起伏趋势与软流圈起伏相关性明显,而莫霍面全区较为平稳.剖面上0～300km部分软流圈与居里面起伏基本一致,都有缓慢抬升的趋势,该段处于大兴安岭重力梯级带的东段,莫霍面在该区也趋浅.剖面中齐齐哈尔-哈尔滨段位于松辽盆地内,该段内地学断面解释剖面依据盆地内热流值推断软流圈上涌,而居里面有起伏变化,埋深与莫霍面相差不大,其中齐齐哈尔、哈尔滨位于上隆区.据杨宝俊等对松辽盆地构造演化的研究,松辽盆地在中生代时期软流圈物质上涌并发生伸展断陷活动,同期伴随强烈的火山喷发,由于大规模岩浆喷发造成地幔热能损失,而后岩石圈逐渐冷却,新生代盆地进入萎缩坳陷阶段.居里面反映了现代地壳的热状态,因此盆地内居里面起伏变化与软流圈简单上隆不尽一致可能与幔源传导热降低和岩石圈冷却过程横向不均一有关.哈尔滨以东开始居里面与软流圈起伏趋于一致,两者在尚志表现为下坳,是整条剖面的最低段,而在牡丹江以东呈现同步隆起,表明居里面变化趋势与软流圈起伏有关.居里面起伏与软流圈起伏相关性较强体现了地幔传导热对磁性层下界面的影响,刻画了目前地壳热结构状态,反映了深部地球动力学过程对浅部地壳热状态的控制.4.3盆地内分布的热流特征大地热流是指在单位时间内由地下垂直向上传导通过地球表面单位面积的热量,其大小与地球内部热过程、构造作用、浅部构造及地壳和上地幔结构密切相关.由钻孔测得的井温值受地下多种因素影响,包括壳内放射性元素产生的热能和深部上地幔的传导热以及浅层局部因素的影响;居里面能够反映地壳深部热状态,因此大地热流分布与居里面起伏具有一定相关性.本次研究中,系统收集了区内已发布的95个大地热流数据投放于居里点深度图中(图4),其中76个数据集中于辽河油田,这部分热流数据在相同或相近位置变化较大,且其处于研究区边缘,这里暂不作讨论.由图4分析可见,其余数据与居里面起伏相关性明显:较高的大地热流值分布在居里面隆起或隆起边缘,而居里面深处大地热流值普遍较低.松辽盆地内9个测温数据大都集中于大庆油田附近,难以均匀控制全盆地的热流分布.前人研究认为松辽盆地较周边老地块大地热流值高,地温梯度高,推断盆地内软流圈上隆、莫霍面埋深浅.而居里面估算结果,松辽盆地内居里面有起伏变化、隆坳相间,并非简单的上隆.据金旭等对满洲里-绥芬河热流断面的研究,松辽盆地壳内10km以上地壳对地表热流的贡献比下部层位大得多.另据吴乾蕃等对松辽盆地热结构的研究认为,松辽盆地下部5～13km深度范围内分布有巨厚花岗岩层,花岗岩生热率很高,且松辽盆地属于封闭型滞留盆地易于聚热和隔热等因素,都是导致盆地内大地热流值高的重要原因.松辽盆地的热流值高除了应考虑深部热传导因素还应考虑地壳上部物质的生热因素,因此仅利用地表热流和测井获得的地表地温梯度来反推居里面深度将偏浅,而本次计算结果中盆地内居里深度较深符合研究区地质实际.4.4坡下下插深度和采集的下插深度关系图5中有两个最显著的居里面隆起区:敦化-牡丹江上隆区和嫩江-五大连池居里面上隆区,刚好位于东北地区两大著名火山活动区附近,即长白山-镜泊湖火山活动区和五大连池火山活动区;这两处火山群在历史上都曾多次喷发,如五大连池火山于1719～1721年间喷发,长白山火山于公元前1120年、公元1050、1413、1597、1668年和1702年喷发过,说明它们近代还在活动.火山活动是地幔深部岩浆活动在地表的反映,它和居里面上隆的关联性揭示了板块活动引起的地壳深部变化对居里面起伏的影响.赵大鹏等通过地震层析成像对长白山火山的起源进行研究,从其所作的长白山火山至五大连池火山的速度模型纵剖面可以发现,该剖面通过本文计算结果中的两大居里面上隆区,因此其对火山起源的研究可以揭示居里面上隆的深部原因.由地震研究揭示的不同震源深度分布区域的明显变化(图5)表明,震源深度的变化与太平洋板块俯冲板片下插深度的变化相关.研究区边缘东宁、延吉处于500～600km的深源地震带,大量地震研究证明太平洋板块向欧亚板块俯冲,从日本海沟向西震源逐渐加深,下插的太平洋板片在此处引起了深源地震,并在西部诱发了一系列浅源地震.赵大鹏等在对长白山火山的起源研究中认为太平洋板块俯冲至中国东北部时遇到了660km间断面的强大阻力而变弯并在地幔转换带中发生滞留与深部脱水等过程,进而引起长白山地区火山活动.这些活动导致了中国东北部软流圈物质大尺度上涌、大陆岩石圈破裂以及板内火山作用等大地构造作用.由此我们认为俯冲板块滞留引发的软流圈上涌以及岩浆岩活动是造成长白山-镜泊湖地区居里面变浅的深部原因.图5中长白山火山活动区位于居里面上隆区的东南边缘,曾有人利用地球物理方法对长白山火山群的岩浆系统进行过研究,汤吉等利用大地电磁测深探测到长白山火山口北部12～40km深度有低阻异常体,推测可能为地下岩浆囊;张先康、杨卓欣等利用深地震测深及地震层析成像研究显示长白山火山口西北部存在P波低速异常,认为存在地下岩浆源.由此可见,居里面隆起位置在长白山火山口的北部是由于地下岩浆源储存、运移的活动过程造成.赵大鹏等还认为在东亚大陆广大地区广泛存在拉张型裂谷和断裂可能是由于太平洋板块的深俯冲和软流圈热物质上涌等深部动力学过程所造成的地表构造特征,在全球三维速度模型中,五大连池火山区的深部结构特征与长白山火山非常类似,由此认为它们有着相同的起源.我们认为,板块活动等外部动力作用施加于某地区所产生的影响还与该区域本身所具有的刚性性质和其历史遗留形态有关,新的构造作用会在老的构造作用的基础上有所继承和改造.东北地区由多个微陆块拼合而成,各微陆块之间存在古缝合带、超壳断裂等大陆断裂系统,成为岩石圈薄弱带;五大连池火山活动区处于嫩江断裂、讷漠尔河断裂和南北河断裂等多条断裂的围陷区内,地壳活动性强,因此提供了岩浆上涌的通道.地震层析成像研究揭示了俯冲板块在660km深部受阻滞留脱水等作用下最后因相变引起的不平衡而下沉至核幔边界,巨大的板片下沉引起地幔物质对流扰动.因此认为,太平洋板块俯冲和滞留板片下沉引起的地幔扰动使地幔物质从东北大陆的岩石圈薄弱带上涌,这种机制引发了五大连池的火山活动.当然也不排除其他层圈作用对地幔物质的影响从而也对五大连池的岩浆活动产生作用,这需要进一步的研究工作加以证实.居里面研究结果显示五大连池火山活动区居里面深度在区内最浅,约为19～21km,火山活动区内地震事件较多.五大连池火山群形成于第四纪,显示本区近阶段岩浆