鄂尔多斯地块西部深部电性结构解析与地质意义探究

鄂尔多斯地块西部深部电性结构解析与地质意义探究一、引言1.1研究背景与意义鄂尔多斯地块作为华北克拉通的核心组成部分，在区域地质构造格局中占据着举足轻重的地位。其周边被一系列大型构造带环绕，西接阿拉善地块，南邻秦岭造山带，北部为阴山造山带，东部与山西断陷带相邻。这种独特的地理位置，使其成为研究中国大陆构造演化、板块相互作用以及深部动力学过程的关键区域。在漫长的地质历史时期，鄂尔多斯地块经历了多期复杂的构造运动，这些构造运动不仅塑造了地块现今的地质构造形态，还深刻影响了其深部地质结构和物质组成。研究鄂尔多斯地块西部深部电性结构具有重大的科学意义。从地质构造演化角度来看，深部电性结构能够为我们揭示地块在不同地质时期的构造变形、深部物质运移以及壳幔相互作用等重要信息。例如，通过对深部电性结构的研究，可以了解地块在古生代时期的构造演化过程，以及在中生代和新生代时期受到周边板块构造运动影响的具体表现。深部电性结构的研究还可以为探讨华北克拉通的破坏机制提供关键线索，有助于我们深入理解中国大陆构造演化的动力学过程。鄂尔多斯地块西部是地震活动较为频繁的区域，研究该区域的深部电性结构对于揭示地震活动规律、评估地震风险具有重要的现实意义。深部电性结构与地震活动之间存在着密切的联系，地震的发生往往与深部地质构造的变化以及深部物质的物理性质有关。通过对深部电性结构的研究，可以识别出可能存在的地震活动构造带，分析地震孕育和发生的深部地质条件，从而为地震预测和灾害防范提供科学依据。此外，深部电性结构的研究还可以为工程建设和资源开发提供重要的地质基础资料，有助于保障区域的可持续发展。1.2国内外研究现状在过去的几十年里，国内外学者针对鄂尔多斯地块西部深部电性结构开展了大量的研究工作，取得了一系列重要的研究成果。早期的研究主要集中在利用地震波速度结构来推断深部地质构造特征。例如，通过地震层析成像技术，学者们发现鄂尔多斯地块西部的地壳和上地幔存在明显的速度异常，这些异常与区域构造活动和深部物质组成密切相关。随着地球物理探测技术的不断发展，大地电磁测深（MT）等方法逐渐成为研究深部电性结构的重要手段。大地电磁测深法利用天然电磁场作为场源，通过测量不同频率的电磁场响应，来反演地下介质的电性结构，能够有效地揭示深部地质构造的电性特征。国内学者在鄂尔多斯地块西部深部电性结构研究方面取得了丰硕的成果。王鑫、詹艳、赵国泽等人在横跨鄂尔多斯盆地西缘构造带北段的查甘池—银川—五湖洞约200km长的东西向剖面上，进行了67个测点的大地电磁探测。他们使用“远参考道”和Robust技术处理数据，分析了各测点视电阻率、阻抗相位、二维偏离度、电性主轴方位角、磁实感应矢量等参数，并采用NLCG二维反演方法对TE和TM两种模式的数据进行了二维反演。研究结果表明，沿剖面查汗断裂带、贺兰山东缘断裂带和黄河断裂带是明显较大型电性边界，为超壳断裂带，而三关口断裂带深部延深不大。沿剖面阿拉善地块、贺兰山褶皱带、银川断陷盆地和鄂尔多斯地块具有明显不同的深部电性结构特征。阿拉善地块内部除浅表电阻率较低外，以下到深度约50km都表现为高电阻特性；贺兰山褶皱带电性结构复杂，电阻率高低相间；银川盆地具有上宽下窄最深达约8km低阻层，具有断陷盆地特征；鄂尔多斯地块具有低-高-低的深部电性结构特征，成层性较明显。李晨晶、白登海、薛帅等通过在华北克拉通西部布设一条穿过鄂尔多斯地块、河套地堑和阴山造山带的南北向大地电磁剖面，对鄂尔多斯地块深部岩石圈电性结构进行了研究。二维和三维反演结果均表明，鄂尔多斯地块内部以38°N为界，南部和北部电性结构存在明显差异。鄂尔多斯地块南部地壳至上地幔150km深度范围内整体表现为高阻，具有刚性克拉通的特征；鄂尔多斯地块北部到河套地堑之间下地壳出现低阻层，特别是鄂尔多斯北端与河套地堑接壤地段，深部存在一个规模较大的下地壳—上地幔低阻异常体，该异常体从河套地堑开始，横向上向南延伸到鄂尔多斯地块内部约200km，纵向上从下地壳向下延伸到上地幔（约100km深度）。根据该异常体的空间特征，参考该区地震波低速异常体的分布，他们认为鄂尔多斯北部及河套地堑中下地壳到上地幔存在热物质，其原因与深部的构造活动有关（软流圈热物质上涌、侧向流动等），这一情况可能反映出鄂尔多斯地块北部岩石圈深部正处于被改造（或者破坏）阶段。中国地震局地质研究所詹艳研究员课题组使用5条完全覆盖贺兰山-银川盆地不同区段的大地电磁剖面数据进行联合三维反演计算，获得了全区域的地壳上地幔尺度精细三维电性结构信息。研究发现贺兰山-银川盆地及其临近区域内各主要地块间的电性结构特征存在着东西横向分块的特点，黄河断裂与贺兰山东麓断裂在东西两侧以电性边界带的形态分割了鄂尔多斯地块、银川盆地和贺兰山。两个主要地块单元阿拉善地块和鄂尔多斯地块显示为明显的层状电阻率结构样式，贺兰山和银川盆地表现为典型的山脉高阻体和盆地低阻体的盆山构造特征，其中银川盆地北部存在着延伸至上地幔的大规模低阻结构，该低阻结构可能代表着幔源物质上涌活动。在国际上，学者们也从不同角度对鄂尔多斯地块西部深部电性结构进行了研究。部分研究侧重于利用地球物理模拟方法，结合区域地质背景，探讨深部电性结构与构造演化的关系。例如，通过数值模拟不同构造环境下的深部物质运移和变形过程，来解释观测到的电性结构特征。一些研究还将鄂尔多斯地块西部深部电性结构研究与全球构造演化模型相结合，试图从更宏观的角度理解其在全球板块构造格局中的地位和作用。尽管国内外在鄂尔多斯地块西部深部电性结构研究方面取得了显著进展，但仍存在一些不足之处和待解决的问题。目前的研究在空间分辨率上还存在一定的局限性，对于一些深部地质构造的细节特征，如小型断裂带的深部延伸和电性特征、深部低阻体的精确边界和成因等，还缺乏深入的认识。不同地球物理方法之间的联合反演研究还不够充分，如何综合利用大地电磁测深、地震波速度结构、重力和磁力等多种地球物理数据，构建更加准确和全面的深部地质模型，是未来研究需要重点解决的问题。深部电性结构与区域构造活动、地震活动之间的内在联系和作用机制尚未完全明确，需要进一步加强理论研究和数值模拟，以揭示其深部动力学过程。1.3研究内容与方法本文将对鄂尔多斯地块西部深部电性结构进行全面深入的研究，旨在揭示其深部地质构造特征，为区域地质构造演化和地震活动研究提供重要的地球物理依据。具体研究内容如下：深部电性结构的精细探测：在鄂尔多斯地块西部开展高密度的大地电磁测深观测，获取不同频率下的电磁场响应数据。通过对这些数据的处理和分析，精确反演地下介质的电性结构，包括电阻率的分布、电性界面的深度和形态等。断裂构造的电性特征分析：重点研究鄂尔多斯地块西部主要断裂构造的深部电性特征，如贺兰山东缘断裂带、六盘山东麓断裂带等。分析这些断裂带在深部的电性结构差异，确定断裂带的深部延伸、宽度和产状，以及它们与周边地质构造的关系。深部低阻体的成因与分布研究：对鄂尔多斯地块西部深部存在的低阻体进行详细研究，分析其成因、分布范围和几何形态。探讨低阻体的形成与深部热物质活动、流体运移以及构造变形之间的关系，揭示深部低阻体对区域地质构造演化和地震活动的影响。深部电性结构与区域构造活动的关系探讨：结合区域地质构造背景和其他地球物理资料，如地震波速度结构、重力和磁力等，综合分析深部电性结构与区域构造活动之间的内在联系。研究深部电性结构在区域构造演化过程中的响应机制，以及它对板块相互作用、壳幔物质交换和地震活动的控制作用。为实现上述研究目标，本文将采用以下研究方法：大地电磁测深法（MT）：大地电磁测深法是研究深部电性结构的重要手段，它利用天然电磁场作为场源，通过测量不同频率的电磁场响应，来反演地下介质的电性结构。该方法具有探测深度大、对低阻体敏感等优点，能够有效地揭示深部地质构造的电性特征。在本次研究中，将在鄂尔多斯地块西部布设多条大地电磁测深剖面，采用先进的仪器设备和数据采集技术，获取高质量的大地电磁数据。数据处理与反演方法：对采集到的大地电磁数据进行预处理，包括数据滤波、静校正等，以提高数据的质量和可靠性。采用先进的数据反演算法，如非线性共轭梯度法（NLCG）、光滑约束反演等，对大地电磁数据进行二维和三维反演，获得地下介质的电阻率分布模型。通过对反演结果的分析和解释，揭示深部电性结构的特征和规律。联合地球物理方法：为了更全面地了解鄂尔多斯地块西部深部地质构造特征，将综合利用大地电磁测深、地震波速度结构、重力和磁力等多种地球物理数据进行联合反演和解释。通过不同地球物理方法之间的相互验证和补充，提高对深部地质构造的认识精度，构建更加准确和全面的深部地质模型。地质构造分析与数值模拟：结合区域地质构造背景和野外地质调查资料，对深部电性结构的反演结果进行地质构造分析。探讨深部电性结构与区域构造演化、断裂构造活动以及地震活动之间的关系。利用数值模拟方法，如有限元法、边界元法等，模拟深部地质构造的演化过程和地震孕育机制，进一步验证和解释观测结果，揭示深部地质构造的动力学过程。二、鄂尔多斯地块西部地质概况2.1区域构造背景鄂尔多斯地块西部地处中国大地构造的关键部位，是多个构造单元相互作用的汇聚区。其大地构造位置独特，位于华北克拉通的西部边缘，西接阿拉善地块，南邻秦岭造山带，北部为阴山造山带，这种特殊的地理位置使其在地质演化过程中受到多种构造应力的影响，形成了复杂多样的地质构造格局。阿拉善地块作为鄂尔多斯地块西部的重要邻区，与鄂尔多斯地块之间以一系列断裂构造为界。这些断裂构造在地质历史时期经历了多次活动，对两个地块的相对运动和构造演化产生了重要影响。研究表明，阿拉善地块在新生代以来表现出相对稳定的刚性特征，而鄂尔多斯地块则经历了一定程度的构造变形和隆升作用。两者之间的相互作用导致了地块边界处的构造应力集中，形成了一系列逆冲断裂和褶皱构造，如贺兰山东缘断裂带就是阿拉善地块与鄂尔多斯地块相互挤压作用的产物。贺兰山褶皱带位于鄂尔多斯地块西部边缘，是一个经历了多期构造运动的复杂构造带。它呈北北东向展布，由一系列紧密排列的褶皱和断裂组成。在地质历史时期，贺兰山褶皱带经历了加里东期、海西期、印支期和燕山期等多期构造运动的叠加，使得其构造变形极为复杂。早期的构造运动主要表现为地壳的挤压和褶皱作用，形成了一系列紧闭褶皱和逆冲断裂；后期的构造运动则对早期构造进行了改造和叠加，导致了构造格局的进一步复杂化。贺兰山褶皱带的形成与鄂尔多斯地块和阿拉善地块的相互作用密切相关，是两者在不同地质时期相互挤压、碰撞的结果。银川断陷盆地是鄂尔多斯地块西部的一个重要构造单元，它位于贺兰山褶皱带与鄂尔多斯地块之间，呈北北东向展布。银川断陷盆地是在新生代以来的区域拉张作用下形成的，其形成过程与鄂尔多斯地块的构造演化密切相关。在新生代早期，鄂尔多斯地块整体处于相对稳定的状态，但随着区域构造应力场的转变，地块西部开始出现拉张作用，导致了银川断陷盆地的形成和发展。银川断陷盆地内沉积了大量的新生代地层，这些地层记录了盆地的演化历史和构造活动信息。研究表明，银川断陷盆地在形成过程中经历了多次沉降和隆升事件，其沉降速率和幅度在不同时期存在明显差异。盆地内还发育了一系列断裂构造，如贺兰山东缘断裂带和黄河断裂带等，这些断裂构造控制了盆地的边界和沉积格局，同时也是地震活动的主要场所。鄂尔多斯地块西部与周边构造单元之间的关系是一个动态演化的过程，受到多种因素的控制。在不同地质历史时期，由于板块运动、地幔对流等深部动力学过程的变化，鄂尔多斯地块与周边构造单元之间的相对运动和构造应力场也发生了相应的改变，从而导致了区域构造格局的演化和调整。在中生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，鄂尔多斯地块东部受到强烈的挤压作用，而西部则相对稳定；到了新生代时期，受印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应影响，鄂尔多斯地块西部受到了来自青藏高原向北东方向的挤压作用，导致了贺兰山的隆升和银川断陷盆地的形成。2.2地层分布特征鄂尔多斯地块西部地层分布广泛，从太古界至第四系均有出露，不同时代地层具有各自独特的岩性特征，这些特征在深部电性结构研究中起着关键作用。太古界地层主要出露于鄂尔多斯地块西部的古老结晶基底部分，其岩性主要为片麻岩、麻粒岩等深变质岩。这些岩石经历了复杂的地质作用，矿物结晶程度高，岩石结构致密，具有较高的电阻率。太古界地层的高电阻特性在深部电性结构中表现为明显的高阻层，它是深部电性结构的重要组成部分，对研究地块的早期构造演化和基底性质具有重要意义。片麻岩中的矿物定向排列和变质程度的差异，会导致其电性各向异性，这种特性在深部电性结构的反演和解释中需要加以考虑。元古界地层在鄂尔多斯地块西部也有一定的分布，其岩性主要为浅变质的碎屑岩、碳酸盐岩和火山岩。与太古界地层相比，元古界地层的变质程度相对较低，岩石的电阻率也有所降低。在深部电性结构中，元古界地层通常表现为相对较低的电阻层，但由于其岩性的复杂性，电阻率分布也存在一定的变化。在一些地区，元古界地层中的火山岩可能具有较高的电阻率，而碎屑岩和碳酸盐岩则具有相对较低的电阻率，这种电阻率的差异会在深部电性结构中形成复杂的电性界面。古生界地层在鄂尔多斯地块西部较为发育，包括寒武系、奥陶系、石炭系和二叠系等。寒武系和奥陶系地层主要为海相沉积，岩性以灰岩、白云岩和页岩为主。灰岩和白云岩由于其致密的结构和低孔隙度，通常具有较高的电阻率；而页岩则由于其富含黏土矿物和有机质，电阻率相对较低。在深部电性结构中，寒武系和奥陶系地层的电性特征表现为高阻与低阻相间的层状结构，这种结构与地层的岩性组合和沉积环境密切相关。石炭系和二叠系地层主要为海陆交互相沉积，岩性包括砂岩、页岩、煤层和灰岩等。煤层的存在是石炭系和二叠系地层的重要特征之一，煤层具有极低的电阻率，在深部电性结构中表现为明显的低阻异常。煤层的低阻特性可以作为识别煤层分布和厚度的重要标志，对于研究煤炭资源的勘探和开发具有重要意义。砂岩和页岩的电阻率差异也会在深部电性结构中形成不同的电性层，这些电性层的分布和变化与地层的沉积相和构造变形有关。中生界地层在鄂尔多斯地块西部广泛分布，主要包括三叠系、侏罗系和白垩系。三叠系地层为一套陆相碎屑岩沉积，岩性主要为砂岩、页岩和砾岩。砂岩和砾岩的电阻率相对较高，而页岩的电阻率较低，因此三叠系地层在深部电性结构中表现为高阻与低阻相间的特征。三叠系地层的沉积环境和构造背景对其岩性和电性特征有重要影响，在不同地区，由于沉积相的差异，三叠系地层的电性结构也会有所不同。侏罗系地层主要为含煤碎屑岩沉积，岩性包括砂岩、页岩、煤层和泥岩等。煤层的发育使得侏罗系地层在深部电性结构中具有明显的低阻异常，这与石炭系和二叠系地层中的煤层类似。侏罗系地层中的砂岩和页岩也会形成不同的电性层，这些电性层的分布和变化与地层的沉积旋回和构造活动有关。白垩系地层为一套陆相碎屑岩沉积，岩性主要为砂岩、泥岩和砾岩。白垩系地层的电阻率分布相对较为均匀，一般表现为中等电阻特征，但在一些地区，由于地层中含有较多的黏土矿物或地下水的影响，电阻率可能会有所降低。新生界地层在鄂尔多斯地块西部主要为第四系松散沉积物，包括黄土、砂土、黏土和砾石等。这些沉积物的电阻率较低，且变化较大，主要取决于沉积物的颗粒大小、含水量和孔隙度等因素。在深部电性结构中，第四系地层通常表现为明显的低阻层，它覆盖在老地层之上，对深部电性结构的浅层部分有重要影响。在一些地区，第四系地层中的地下水含量较高，会导致电阻率进一步降低，形成低阻异常区。第四系地层的电性特征还与区域的地貌和水文地质条件密切相关，在研究深部电性结构时，需要充分考虑这些因素的影响。2.3断裂构造特征鄂尔多斯地块西部断裂构造发育，这些断裂构造不仅控制了区域的地质构造格局，还对深部电性结构产生了显著影响。其中，查汗断裂带、贺兰山东缘断裂带等是该区域的主要断裂构造，它们的分布、走向和活动性各有特点。查汗断裂带位于鄂尔多斯地块西部边缘，呈近南北向展布，是一条重要的区域性断裂。该断裂带的走向在局部地段略有变化，但总体上保持着近南北的方向。它切割了不同时代的地层，从太古界到新生界地层均受到其影响。研究表明，查汗断裂带具有长期的活动性，在地质历史时期经历了多次构造运动的改造。在晚古生代时期，查汗断裂带可能受到了区域挤压作用的影响，表现为逆冲断裂活动，导致地层发生褶皱和逆冲推覆构造。到了中生代，随着区域构造应力场的转变，查汗断裂带的活动性有所变化，可能出现了走滑运动分量，使得断裂两侧的地层发生了水平位移。在新生代，查汗断裂带仍然表现出一定的活动性，对区域的地貌形态和地震活动产生了影响。从深部电性结构来看，查汗断裂带表现为明显的电性边界。在大地电磁测深反演结果中，断裂带两侧的电阻率存在显著差异，表明断裂带两侧的岩石电性性质不同。这种电性差异可能是由于断裂带的活动导致岩石破碎、裂隙发育，从而改变了岩石的导电性。断裂带的活动还可能导致深部流体的运移和聚集，进一步影响了深部电性结构。深部流体的存在会降低岩石的电阻率，使得断裂带附近出现低阻异常。因此，通过对深部电性结构的研究，可以推断查汗断裂带的深部延伸和活动性，为区域地质构造研究提供重要依据。贺兰山东缘断裂带是鄂尔多斯地块西部另一条重要的断裂构造，它沿贺兰山山脉东侧呈北北东向展布，是控制银川断陷盆地形成和演化的关键断裂之一。贺兰山东缘断裂带的走向较为稳定，北北东向的展布方向与区域构造应力场的方向密切相关。该断裂带具有强烈的活动性，在晚新生代时期，银川断陷盆地在贺兰山东缘断裂带的控制下，经历了快速的沉降和沉积过程。断裂带的活动导致了盆地内沉积物的厚度和岩性发生变化，同时也影响了盆地内的构造变形和地震活动。在深部电性结构中，贺兰山东缘断裂带同样表现为明显的电性边界。断裂带西侧的阿拉善地块和东侧的鄂尔多斯地块具有不同的深部电性结构特征，而贺兰山东缘断裂带则是两者之间的电性分界线。在断裂带附近，电阻率变化梯度较大，反映了断裂带对深部岩石电性性质的影响。研究发现，贺兰山东缘断裂带在深部存在明显的低阻异常，这可能与断裂带的活动导致深部热物质上涌和流体运移有关。深部热物质的上涌会使岩石温度升高，降低岩石的电阻率；而流体的运移则会携带离子，增加岩石的导电性，从而形成低阻异常。这种低阻异常在深部电性结构中清晰可见，为研究贺兰山东缘断裂带的深部构造特征提供了重要线索。除了查汗断裂带和贺兰山东缘断裂带，鄂尔多斯地块西部还发育有其他一些断裂构造，如黄河断裂带、六盘山东麓断裂带等。这些断裂构造在分布、走向和活动性上也各具特点，它们共同构成了鄂尔多斯地块西部复杂的断裂构造网络。黄河断裂带沿黄河河谷展布，对黄河流域的地质构造和水文地质条件产生了重要影响。六盘山东麓断裂带呈南北向展布，是控制六盘山地区构造演化和地震活动的重要断裂。这些断裂构造在深部电性结构中也表现出不同程度的电性异常，反映了它们对深部地质构造的影响。断裂构造对鄂尔多斯地块西部深部电性结构的影响是多方面的。断裂带的活动导致岩石破碎、裂隙发育，改变了岩石的物理性质，从而影响了岩石的导电性。断裂带的活动还可能导致深部热物质上涌、流体运移和物质交换，进一步改变了深部电性结构。在研究鄂尔多斯地块西部深部电性结构时，必须充分考虑断裂构造的影响，综合分析各种地球物理资料，才能准确揭示深部地质构造的特征和演化过程。三、研究方法3.1大地电磁测深原理与方法大地电磁测深（MagnetotelluricSounding，MT）是一种利用天然平面电磁波探测壳幔电性结构的被动源地球物理方法，在地球深部结构研究中发挥着重要作用。其基本原理基于麦克斯韦方程组，在地球介质中，天然交变电磁场满足以下方程：\begin{cases}\nabla\times\vec{H}=\vec{J}+\frac{\partial\vec{D}}{\partialt}\\\nabla\times\vec{E}=-\frac{\partial\vec{B}}{\partialt}\\\nabla\cdot\vec{D}=\rho\\\nabla\cdot\vec{B}=0\end{cases}其中，\vec{H}为磁场强度，\vec{E}为电场强度，\vec{J}为电流密度，\vec{D}为电位移矢量，\vec{B}为磁感应强度，\rho为电荷密度，t为时间。在大地电磁测深中，假设地球介质为均匀、各向同性的导电介质，且电磁场随时间作简谐变化，即\vec{E}=\vec{E}_0e^{i\omegat}，\vec{H}=\vec{H}_0e^{i\omegat}，其中\omega为角频率，i=\sqrt{-1}。将其代入麦克斯韦方程组，并考虑到地球介质的电导率\sigma、磁导率\mu和介电常数\varepsilon，可得：\nabla^2\vec{E}+i\omega\mu\sigma\vec{E}=0\nabla^2\vec{H}+i\omega\mu\sigma\vec{H}=0这就是波动方程，其解描述了电磁波在地球介质中的传播特性。不同频率的电磁波在导电介质中具有不同的趋肤深度\delta，趋肤深度的计算公式为：\delta=\sqrt{\frac{2}{\omega\mu\sigma}}从公式中可以看出，高频电磁波的趋肤深度较浅，主要反映浅部地质结构的信息；低频电磁波的趋肤深度较深，能够探测到深部地质结构的特征。通过在地表测量不同频率的天然电磁场的电场分量\vec{E}和磁场分量\vec{H}，可以获取不同深度的地质结构信息，从而实现对地下电性结构的探测。在实际观测中，通常采用张量阻抗Z来描述大地电磁场的响应，张量阻抗Z定义为电场水平分量与磁场水平分量的比值，即：Z=\begin{pmatrix}Z_{xx}&Z_{xy}\\Z_{yx}&Z_{yy}\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac{E_x}{H_x}&\frac{E_x}{H_y}\\\frac{E_y}{H_x}&\frac{E_y}{H_y}\end{pmatrix}其中，E_x、E_y为电场水平分量，H_x、H_y为磁场水平分量。张量阻抗Z包含了丰富的地下电性结构信息，通过对张量阻抗的分析和反演，可以得到地下介质的电阻率分布。视电阻率\rho_a是大地电磁测深中的一个重要参数，它与张量阻抗Z之间的关系为：\rho_a=\frac{1}{\omega\mu_0}|Z|^2其中，\mu_0为真空磁导率。视电阻率\rho_a反映了地下介质的等效电阻率，通过对视电阻率的测量和分析，可以初步了解地下电性结构的特征。在实际资料处理中，通常根据视电阻率和阻抗相位等参数来绘制视电阻率曲线和相位曲线，这些曲线能够直观地展示地下电性结构的变化情况。大地电磁测深野外数据采集是获取高质量数据的关键环节，其方法和流程严谨且细致。在测线与测点布置方面，需依据研究区域的地质构造特征和研究目的进行精心规划。首先，收集工区及邻区已有的地质和地球物理资料，初步建立起工区的地层-电性关系模式。然后，结合已知的构造走向和地质露头情况，确定测线方向，使其尽量垂直于主要构造走向，以获取更全面的构造信息。测线间距和测点距离的确定则要综合考虑勘探目标的规模、精度要求以及地质条件的复杂程度等因素。一般来说，对于构造复杂、变化剧烈的区域，测线间距和测点距离应适当减小，以提高分辨率；而对于地质条件相对简单的区域，可适当增大间距，提高工作效率。在鄂尔多斯地块西部这样地质构造复杂的区域，测线间距可能设置在1-5千米，测点距离在0.5-2千米，以确保能够准确捕捉到深部电性结构的变化。在选点时，需遵循一系列原则以确保观测质量。测点应尽量选择在开阔的平地布极，至少在两对电极的范围内地面相对高差与电极距之比小于10%，以避免地形起伏对电磁场传播的影响。布极应尽可能避开近地表局部电性不均匀体，如金属矿脉、地下空洞等，这些不均匀体可能会导致电磁场的畸变，影响数据的准确性。所选测点还应远离电磁干扰源，如铁路、输电线、水电站和煤矿等，这些干扰源会产生强大的人工电磁场，掩盖天然电磁场信号。在无法避开干扰源的情况下，可采用远参考道等方法来减小干扰的影响。观测装置的布设也十分关键，每一测点上需要测量彼此正交的电磁场水平分量及垂直磁场分量。布极方位的选择，若已知测区的地质构造走向，最好取x、y分别与构造的走向和倾角平行，这样可直接测量入射场的TE极化波和TM极化波；若地质构造走向未知，则通常取正北为x轴，正东为y轴，且全区的各测点x和y取向尽量保持一致，以便在确定测区介质电性主轴方位角时，能有统一的标准。野外电极布置一般采用“+”字型布极方式，此种方法能较好地克服表层电流场不均匀的影响，若仪器安装在“+”字交汇点附近，还有助于消除共模干扰。特殊情况下，因地形等原因，也可采用T形或L形布极方式。电极距的长度一般在50-300米之间，若地形条件允许，两端电极应尽量水平，如测点周围地表起伏不平，电极两端不在同一水平面上，则应按实测水平距计算电极距。磁棒的埋设也有严格要求，水平磁棒与垂直磁棒埋入土中应保持水平和垂直，水平磁棒入土深度不小于30厘米，垂直磁棒入土深度应为磁棒长度的2/3以上，露出地面部分，应用土埋实。磁棒至仪器的信号线不能悬空，不能并行靠近放置，每隔3-5厘米需用土压实，防止晃动造成干扰。为提高资料观测质量，还需采取一系列措施。例如，掌握天然场源信号的规律性，尽可能在天然场信号强的时段组织野外采集工作，一般来说，夜间天然场信号相对稳定且干扰较小，是采集数据的良好时段。在人文干扰较严重的地区，充分利用干扰相对平静的夜间进行观测。延长观测时间，增强功率谱的迭加次数，提高信噪比，一般需要保证每个测点的观测时间在数小时至十几小时不等，以获取足够准确的数据。对电网干扰，可与地方政府协商，采用临时关停电的措施；对铁路、城镇和矿区造成的干扰，可采用远参考道的方法减少干扰的影响，参考站要远离干扰源。定期对极罐进行检查清洗，用极差较小的电极配套成为测量电极对；接地电阻较高时，采用电极四周垫土，周围浇盐水或采取多电极并联，降低接地电阻，确保电极与大地良好接触，提高信号传输质量。3.2数据处理与分析在鄂尔多斯地块西部的大地电磁测深数据处理过程中，采用“远参考道”和Robust技术处理数据，以提高数据质量，减少干扰和噪声对结果的影响。“远参考道”技术的原理基于磁场在一定区域范围内具有较高的相关性，而观测点噪声和参考点的噪声不相关，噪声与信号之间也不相关。在实际应用中，于距离观测点较远的区域设置一个参考点，同步观测磁场R_H和电场R_E。利用这一特性，在计算张量阻抗时，可有效降低噪声的影响。例如，在存在较强人文干扰的区域，如靠近铁路、输电线等设施的测点，通过引入远参考道，能显著改善数据的质量，使视电阻率和阻抗相位曲线更加平滑，减少数据的离散性。参考站的选择至关重要，要远离干扰源，以确保参考点数据的可靠性。Robust技术则是根据最小二乘法求得的阻抗估计值，再计算观测值与估计值的残差，根据残差大小赋予不同的权重。对数据质量高的给予较大的权重，对数据质量差的给予较小的权重，从而得到较精确的估计，抑制一些不满足高斯分布的不相关噪声。在实际数据处理中，当存在个别异常数据点（即“跳点”）时，Robust技术能通过调整权重，减少这些异常点对整体数据的影响，使处理后的数据更能反映真实的地质信息。该方法也存在一定的局限性，当存在电磁相关噪声且残差较小时，用Robust估计反而会加重噪声的权重。在处理完数据后，对视电阻率、阻抗相位等参数进行分析。视电阻率\rho_a是大地电磁测深中的一个重要参数，它与张量阻抗Z之间的关系为\rho_a=\frac{1}{\omega\mu_0}|Z|^2，其中\mu_0为真空磁导率。视电阻率反映了地下介质的等效电阻率，通过对视电阻率的测量和分析，可以初步了解地下电性结构的特征。不同地质体具有不同的电阻率，如岩石的成分、结构、含水量以及孔隙度等因素都会影响其电阻率。在鄂尔多斯地块西部，太古界地层主要由片麻岩、麻粒岩等深变质岩组成，这些岩石结晶程度高，结构致密，通常具有较高的电阻率，在视电阻率曲线上表现为高阻特征；而新生界地层主要为第四系松散沉积物，包括黄土、砂土、黏土和砾石等，由于其颗粒间孔隙较大，含水量变化较大，电阻率较低，在视电阻率曲线上表现为低阻特征。通过对视电阻率曲线的形态、变化趋势以及不同频率下的电阻率值进行分析，可以推断地下不同深度地质体的电性特征和分布情况。阻抗相位也是分析大地电磁数据的重要参数。阻抗相位\varphi与电场分量和磁场分量的相位差有关，它能提供关于地下介质性质和结构的额外信息。在均匀介质中，阻抗相位具有特定的理论值；而当地下存在地质构造变化、电性界面或异常体时，阻抗相位会发生相应的变化。在断裂构造附近，由于岩石的破碎和裂隙发育，导致介质的电性不均匀，阻抗相位会出现异常变化。通过对阻抗相位的分析，可以辅助确定断裂构造的位置和特征，以及识别地下可能存在的异常地质体。将阻抗相位与视电阻率结合分析，能够更全面地了解地下电性结构的特征，提高对深部地质构造的解释精度。例如，在研究深部低阻体时，不仅可以通过视电阻率确定低阻体的存在和大致范围，还可以通过阻抗相位的变化来进一步分析低阻体的边界和内部结构特征。3.3二维与三维反演方法在鄂尔多斯地块西部深部电性结构的研究中，采用NLCG二维反演方法对TE和TM两种模式数据进行二维反演，以获取地下二维电性结构信息。NLCG（NonlinearConjugateGradient）即非线性共轭梯度法，是一种高效的优化算法，在地球物理反演领域得到广泛应用。其基本原理是基于目标函数的梯度信息，通过迭代搜索来寻找目标函数的最小值，从而得到最优的反演模型。在二维反演中，首先需要构建目标函数。目标函数通常由数据拟合项和模型约束项两部分组成。数据拟合项用于衡量反演模型的计算响应与实际观测数据之间的差异，其表达式为：\Phi_d=\sum_{i=1}^{n}\frac{(d_{obs}^i-d_{cal}^i)^2}{\sigma_d^i}其中，\Phi_d表示数据拟合项，n为观测数据的数量，d_{obs}^i为第i个观测数据，d_{cal}^i为反演模型计算得到的第i个数据，\sigma_d^i为第i个观测数据的标准差，它反映了观测数据的不确定性。通过最小化数据拟合项，可以使反演模型的计算响应尽可能接近实际观测数据。模型约束项则用于对反演模型进行约束，以提高反演结果的稳定性和合理性。常用的模型约束项包括最小模型约束、最平缓模型约束和最光滑模型约束等。在本研究中，采用最平缓模型约束，其表达式为：\Phi_m=\lambda\sum_{j=1}^{m}(\frac{\partialm_j}{\partialx})^2+(\frac{\partialm_j}{\partialy})^2其中，\Phi_m表示模型约束项，\lambda为正则化因子，用于平衡数据拟合项和模型约束项的权重，m_j为模型参数，x和y为空间坐标，m为模型参数的数量。最平缓模型约束的目的是使反演模型在空间上尽可能平滑，避免出现不合理的剧烈变化。总的目标函数\Phi为数据拟合项和模型约束项之和，即：\Phi=\Phi_d+\Phi_mNLCG二维反演的具体步骤如下：初始模型建立：根据研究区域的地质先验信息，如地层分布、岩石电阻率等，构建一个初始的二维电性结构模型。初始模型的选择对反演结果有一定的影响，合理的初始模型可以加快反演的收敛速度。在鄂尔多斯地块西部，可参考前人的地质研究成果和地球物理资料，初步确定不同地层的电阻率范围和分布情况，以此构建初始模型。正演计算：利用建立的初始模型，采用有限元法或有限差分法等正演算法，计算不同频率下的大地电磁响应，得到理论的电场和磁场分量。正演计算是反演的基础，其准确性直接影响反演结果的可靠性。在正演计算过程中，需要考虑地下介质的电性各向异性、地形起伏等因素对电磁场传播的影响。计算目标函数和梯度：将正演计算得到的理论响应与实际观测数据进行对比，计算目标函数\Phi的值。同时，通过对目标函数关于模型参数求偏导数，得到目标函数的梯度\nabla\Phi。梯度信息反映了目标函数在当前模型参数下的变化趋势，是NLCG算法进行迭代搜索的重要依据。搜索方向确定：根据目标函数的梯度，采用非线性共轭梯度法确定搜索方向p。在NLCG算法中，搜索方向不仅与当前的梯度有关，还与上一次迭代的搜索方向和梯度信息有关，通过合理地确定搜索方向，可以使算法更快地收敛到目标函数的最小值。步长确定：在确定的搜索方向上，通过线性搜索方法确定步长\alpha，使得目标函数在该步长下取得最小值。步长的选择对反演的收敛速度和稳定性也有重要影响，过大的步长可能导致反演过程发散，过小的步长则会使反演收敛速度变慢。模型更新：根据确定的步长和搜索方向，对模型参数进行更新，得到新的模型。即m_{k+1}=m_k+\alphap，其中m_k为第k次迭代的模型参数，m_{k+1}为第k+1次迭代的模型参数。收敛判断：检查更新后的模型是否满足收敛条件。收敛条件通常包括目标函数的变化量小于某个阈值、模型参数的变化量小于某个阈值等。如果满足收敛条件，则反演结束，得到最终的二维反演结果；否则，返回步骤2，继续进行下一轮迭代。尽管二维反演能够在一定程度上揭示地下电性结构的特征，但在实际地质情况中，地下介质的电性结构往往呈现三维分布，二维反演存在一定的局限性。为了更全面、准确地了解鄂尔多斯地块西部深部电性结构，还需进行三维反演。三维反演的原理与二维反演类似，同样基于目标函数的最小化来求解地下介质的电性结构。在三维反演中，目标函数同样由数据拟合项和模型约束项组成，但由于考虑了三维空间的复杂性，其表达式和计算过程更为复杂。数据拟合项用于衡量三维模型的计算响应与实际观测数据之间的差异，模型约束项则用于对三维模型进行约束，以保证反演结果的合理性和稳定性。常用的模型约束包括对模型的平滑度、粗糙度等方面的约束，通过调整约束参数，可以控制反演模型的复杂程度。在实际应用中，三维反演面临着诸多挑战。首先，三维反演需要处理大量的数据和复杂的计算，对计算机的内存和计算能力要求较高。由于三维模型中包含大量的网格节点和模型参数，正演计算和反演迭代过程中的计算量巨大，需要高性能的计算机和高效的算法来支持。其次，三维反演的初始模型选择更加困难，因为缺乏足够的先验信息来构建合理的初始模型。初始模型的不合理可能导致反演结果陷入局部最优解，无法得到全局最优的反演模型。此外，三维反演结果的解释和可视化也相对复杂，需要采用先进的可视化技术来展示三维电性结构的特征，以便更好地理解和分析反演结果。为了克服这些挑战，研究人员不断发展和改进三维反演算法和技术。在算法方面，采用高效的正演算法和反演优化算法，如快速松弛反演、共轭梯度反演以及人工神经网络反演等，以提高计算效率和反演精度。快速松弛反演通过对大地电磁三维张量阻抗表达式的深入分析，获得了灵敏度函数表达式，从而快速计算灵敏度矩阵，解决了三维反演中计算速度慢的问题；共轭梯度反演则利用共轭梯度法的优势，在迭代过程中逐步逼近最优解，提高了反演的收敛速度和稳定性；人工神经网络反演通过训练神经网络来学习观测数据与地下电性结构之间的映射关系，具有较强的非线性拟合能力，能够处理复杂的地质情况。在技术方面，利用并行计算技术和高性能计算机集群，提高计算能力，缩短计算时间。并行计算技术可以将反演计算任务分配到多个处理器或计算节点上同时进行，大大提高了计算效率，使得大规模的三维反演成为可能。四、鄂尔多斯地块西部深部电性结构特征4.1二维电性结构特征在横跨鄂尔多斯盆地西缘构造带北段的查甘池—银川—五湖洞约200km长的东西向剖面上，进行了67个测点的大地电磁探测，使用“远参考道”和Robust技术处理数据，分析各测点视电阻率、阻抗相位、二维偏离度、电性主轴方位角、磁实感应矢量等参数，并采用NLCG二维反演方法对TE和TM两种模式的数据进行二维反演，得到了该剖面的二维电性结构（如图1所示）。图1：横跨鄂尔多斯盆地西缘构造带北段剖面的二维电性结构从二维反演结果来看，沿剖面查汗断裂带、贺兰山东缘断裂带和黄河断裂带是明显较大型电性边界，为超壳断裂带，而三关口断裂带深部延深不大。这些断裂带作为电性边界，两侧的电性结构存在显著差异，反映了断裂带对深部地质结构的控制作用以及两侧地质体性质的不同。查汗断裂带两侧的电阻率差异明显，可能是由于断裂活动导致岩石破碎程度不同，或者深部物质的运移和交换使得两侧岩石的成分和物理性质发生了改变。沿剖面阿拉善地块、贺兰山褶皱带、银川断陷盆地和鄂尔多斯地块具有明显不同的深部电性结构特征。阿拉善地块内部除浅表电阻率较低外，以下到深度约50km都表现为高电阻特性（如图2所示）。这种高电阻特性可能与阿拉善地块内部岩石的组成和结构有关，其岩石结晶程度较高，矿物颗粒之间的导电性较差，导致电阻率较高。浅表的低电阻率可能是由于浅表地层中含有较多的水分或黏土矿物，增加了岩石的导电性。高电阻特性也反映了阿拉善地块相对稳定的地质构造环境，深部物质的活动性较弱。图2：阿拉善地块深部电性结构特征贺兰山褶皱带电性结构复杂，电阻率高低相间（如图3所示）。这是因为贺兰山褶皱带经历了多期构造运动，地层发生了强烈的褶皱和断裂，岩石破碎程度高，不同岩性的地层相互交错，导致电阻率分布不均匀。在褶皱带的核部，岩石受到的挤压作用较强，可能形成了致密的岩石结构，电阻率相对较高；而在褶皱带的翼部或断裂附近，岩石破碎，裂隙发育，可能含有较多的流体，电阻率相对较低。这种复杂的电性结构特征为研究贺兰山褶皱带的构造演化和深部地质过程提供了重要线索。图3：贺兰山褶皱带深部电性结构特征银川盆地具有上宽下窄最深达约8km低阻层，具有断陷盆地特征（如图4所示）。该低阻层的存在与银川盆地的沉积特征和构造演化密切相关。银川盆地是在新生代以来的区域拉张作用下形成的，盆地内堆积了大量的新生代地层，这些地层中含有丰富的地下水和黏土矿物，导致电阻率较低。低阻层的上宽下窄形态可能是由于盆地沉积过程中，沉积物的粒度和成分在垂向上发生了变化，或者是由于深部构造活动对沉积层的改造作用。低阻层的存在也反映了银川盆地相对活跃的地质构造环境，深部可能存在热物质上涌或流体运移等现象。图4：银川盆地深部电性结构特征鄂尔多斯地块具有低-高-低的深部电性结构特征，成层性较明显（如图5所示）。上部的低阻层可能与地表覆盖的第四系松散沉积物以及浅层地下水的分布有关，这些松散沉积物和地下水具有较高的导电性，导致电阻率较低。中部的高阻层可能对应于鄂尔多斯地块的结晶基底，结晶基底岩石结构致密，电阻率较高。下部的低阻层可能与深部热物质活动或流体运移有关，深部热物质的上涌或流体的存在降低了岩石的电阻率。这种低-高-低的电性结构特征反映了鄂尔多斯地块在地质演化过程中经历了不同的构造阶段和深部物质运移过程。图5：鄂尔多斯地块深部电性结构特征4.2三维电性结构特征以贺兰山-银川盆地为例，中国地震局地质研究所詹艳研究员课题组使用5条完全覆盖贺兰山-银川盆地不同区段的大地电磁剖面数据进行联合三维反演计算，获得了全区域的地壳上地幔尺度精细三维电性结构信息（如图6所示）。从图中可以清晰地看出，贺兰山-银川盆地及其临近区域内各主要地块间的电性结构特征存在着东西横向分块的特点。黄河断裂与贺兰山东麓断裂在东西两侧以电性边界带的形态分割了鄂尔多斯地块、银川盆地和贺兰山。这种电性边界的存在，反映了断裂带两侧地质体的电性性质存在明显差异，进一步表明这些断裂在区域地质构造中起到了重要的分隔作用。图6：贺兰山-银川盆地三维电性结构两个主要地块单元阿拉善地块和鄂尔多斯地块显示为明显的层状电阻率结构样式。阿拉善地块内部除浅表电阻率较低外，以下到深度约50km都表现为高电阻特性，这与二维电性结构特征中所呈现的结果一致，表明阿拉善地块在深部具有相对稳定的地质结构和电性特征。鄂尔多斯地块同样具有一定的层状结构特征，其上部的低阻层、中部的高阻层和下部的低阻层在三维电性结构中也有清晰的展现，这种层状结构反映了鄂尔多斯地块在地质演化过程中经历了不同的构造阶段和深部物质运移过程。贺兰山和银川盆地表现为典型的山脉高阻体和盆地低阻体的盆山构造特征。贺兰山作为山脉，其高阻特性主要是由于岩石的组成和结构所致。贺兰山经历了多期构造运动，岩石受到强烈的挤压和变形，形成了致密的岩石结构，矿物结晶程度高，导电性较差，从而导致电阻率较高。银川盆地则具有上宽下窄最深达约8km低阻层，这是由于盆地内堆积了大量的新生代地层，这些地层中含有丰富的地下水和黏土矿物，增加了岩石的导电性，使得电阻率较低。在三维电性结构中，银川盆地的低阻特征在空间上的分布更加清晰，其低阻范围和形态得到了更准确的展现。特别值得注意的是，银川盆地北部存在着延伸至上地幔的大规模低阻结构（如图7所示）。该低阻结构可能代表着幔源物质上涌活动，这一发现对于理解银川盆地的形成机制和区域地球动力学过程具有重要意义。幔源物质的上涌可能导致了盆地北部地壳的加热和软化，使得岩石的电阻率降低，形成了大规模的低阻结构。这种幔源物质上涌活动可能与深部地幔热物质底侵伴随重力作用的上涌分流以及区域构造应力再分配等联合作用有关，它不仅影响了银川盆地的形成和演化，还可能对区域的地震活动产生重要影响。图7：银川盆地北部延伸至上地幔的低阻结构通过对贺兰山-银川盆地三维电性结构的分析，可以更全面、准确地了解该区域的深部地质构造特征。三维电性结构能够提供更丰富的信息，包括地质体在空间上的分布、电性特征的变化以及不同地质构造之间的相互关系等。与二维电性结构相比，三维电性结构能够更真实地反映地下地质结构的复杂性，为研究区域地质构造演化、地震活动规律以及深部动力学过程提供了更有力的依据。4.3不同构造单元电性结构对比通过对鄂尔多斯地块西部各构造单元电性结构的分析，可以发现阿拉善地块、贺兰山褶皱带、银川断陷盆地和鄂尔多斯地块之间存在显著差异，这些差异反映了各构造单元独特的地质演化历史和深部地质过程。阿拉善地块内部除浅表电阻率较低外，以下到深度约50km都表现为高电阻特性。这种高电阻特征在二维和三维电性结构中均有清晰展现，表明阿拉善地块深部岩石结构相对稳定，结晶程度高，岩石中矿物颗粒之间的导电性较差。浅表的低电阻率可能与浅表地层中含有较多的水分或黏土矿物有关，这些物质增加了岩石的导电性。从地质演化角度来看，阿拉善地块在漫长的地质历史时期内，相对较少受到强烈的构造运动影响，保持了较为稳定的刚性特征，这使得其深部岩石结构未发生明显的破坏和改造，从而维持了较高的电阻率。贺兰山褶皱带电性结构复杂，电阻率高低相间。这是由于贺兰山褶皱带经历了多期复杂的构造运动，地层发生强烈的褶皱和断裂，岩石破碎程度高，不同岩性的地层相互交错。在褶皱带的核部，岩石受到的挤压作用较强，形成了致密的岩石结构，电阻率相对较高；而在褶皱带的翼部或断裂附近，岩石破碎，裂隙发育，可能含有较多的流体，导致电阻率相对较低。这种复杂的电性结构特征反映了贺兰山褶皱带在地质演化过程中经历了多次构造应力的作用，以及不同地质体之间的相互作用和物质交换。银川断陷盆地具有上宽下窄最深达约8km低阻层，具有典型的断陷盆地特征。该低阻层的形成与银川盆地的沉积特征和构造演化密切相关。新生代以来，银川盆地在区域拉张作用下形成，盆地内堆积了大量的新生代地层，这些地层中含有丰富的地下水和黏土矿物，增加了岩石的导电性，导致电阻率较低。低阻层的上宽下窄形态可能是由于盆地沉积过程中，沉积物的粒度和成分在垂向上发生了变化，或者是由于深部构造活动对沉积层的改造作用。在三维电性结构中，银川盆地北部还存在着延伸至上地幔的大规模低阻结构，该低阻结构可能代表着幔源物质上涌活动，进一步表明银川盆地深部地质活动较为活跃。鄂尔多斯地块具有低-高-低的深部电性结构特征，成层性较明显。上部的低阻层可能与地表覆盖的第四系松散沉积物以及浅层地下水的分布有关，这些松散沉积物和地下水具有较高的导电性，导致电阻率较低。中部的高阻层可能对应于鄂尔多斯地块的结晶基底，结晶基底岩石结构致密，电阻率较高。下部的低阻层可能与深部热物质活动或流体运移有关，深部热物质的上涌或流体的存在降低了岩石的电阻率。这种低-高-低的电性结构特征反映了鄂尔多斯地块在地质演化过程中经历了不同的构造阶段，以及深部物质的运移和交换过程。各构造单元电性结构差异的可能原因主要包括以下几个方面。地质构造演化历史的不同是导致电性结构差异的重要原因。阿拉善地块相对稳定的构造历史使其深部岩石保持了较高的电阻率；而贺兰山褶皱带和银川断陷盆地经历了强烈的构造运动，导致岩石结构和物质组成发生改变，从而形成了复杂的电性结构。岩石组成和结构的差异也对电性结构产生重要影响。不同岩性的岩石具有不同的电阻率，例如，结晶程度高的岩石通常具有较高的电阻率，而含有较多水分、黏土矿物或有机质的岩石电阻率较低。深部热物质活动和流体运移也是造成电性结构差异的关键因素。在银川断陷盆地和鄂尔多斯地块下部，深部热物质的上涌和流体的运移导致了低阻层的形成，反映了深部地质活动的活跃程度。五、深部电性结构的影响因素分析5.1岩石物理性质对电性结构的影响岩石的物理性质是影响鄂尔多斯地块西部深部电性结构的重要因素之一，不同岩石的电阻率、电导率等物理性质差异显著，而这些差异主要源于岩石的成分、结构以及含水量等因素的不同。从岩石成分来看，不同矿物的电阻率存在很大差异。主要造岩矿物如石英、长石、云母、方解石等，其电阻率通常较高。石英的电阻率可达10^{12}-10^{14}\Omega\cdotm，长石的电阻率也在10^{11}-10^{13}\Omega\cdotm之间。这是因为这些矿物的晶体结构紧密，内部电子被束缚在晶格中，难以自由移动，导致导电性能较差。而金属矿物如黄铁矿、磁铁矿等，电阻率极低，黄铁矿的电阻率可低至10^{-3}-10^{-1}\Omega\cdotm，磁铁矿的电阻率也在10^{-2}-10^{0}\Omega\cdotm范围。金属矿物具有良好的导电性，是因为其内部存在大量可自由移动的电子。在鄂尔多斯地块西部，岩石的成分复杂多样，不同地层中的岩石矿物组成各异。太古界地层主要由片麻岩、麻粒岩等深变质岩组成，这些岩石中富含石英、长石等矿物，结晶程度高，结构致密，因此具有较高的电阻率，在深部电性结构中表现为明显的高阻层。而在一些含有金属矿物的地层中，如某些岩浆岩侵入体附近，由于金属矿物的存在，岩石的电阻率会显著降低，形成低阻异常区。岩石的结构对其电性性质也有着重要影响。岩石的孔隙度、孔隙结构以及颗粒间的接触关系等都会影响电子或离子的传导路径，从而改变岩石的电阻率。孔隙度较大的岩石，其内部孔隙空间较多，当孔隙中充满导电性较好的流体时，岩石的整体电阻率会降低。研究表明，岩石的电阻率与孔隙度之间存在一定的定量关系，通常可以用Archie公式来描述：F=a/\varphi^m，其中F为地层因素，\varphi为孔隙度，a为与岩石孔隙结构有关的岩性系数，m为胶结指数。一般情况下，a取值在0.4-1.5之间，m取值在1.3-2.5之间。当孔隙度增大时，地层因素F减小，岩石的电阻率降低。孔隙结构的复杂性也会影响岩石的导电性。孔隙通道的截面积大小、弯曲程度以及连通程度等都会影响离子的运动速度和参加运动的离子数量。孔隙通道狭窄且弯曲的岩石，离子在其中运动时受到的阻力较大，导电性能较差，电阻率较高；而孔隙通道宽敞且连通性好的岩石，离子能够更自由地移动，导电性能较好，电阻率较低。岩石颗粒间的接触关系也会影响导电性。颗粒间接触紧密的岩石，电子或离子更容易在颗粒间传导，电阻率较低；而颗粒间接触松散的岩石，电阻率较高。岩石的含水量对其电性结构的影响也不容忽视。沉积岩主要依靠孔隙水溶液来传导电流，因此岩层中水的导电性质将直接影响沉积岩石的电阻率。在其它条件相同的情况下，岩层电阻率与岩石中水的电阻率成正比。影响水的导电性的主要因素是水中离子的浓度和温度。当岩石孔隙中的水含有较多的离子时，如含有大量的氯化钠等盐类，水的电导率增大，岩石的电阻率降低。温度升高时，水中离子的运动速度加快，水的电导率也会增大，从而降低岩石的电阻率。在鄂尔多斯地块西部的银川断陷盆地，盆地内堆积了大量的新生代地层，这些地层中含有丰富的地下水。由于地下水的存在，使得银川盆地的岩石电阻率较低，形成了上宽下窄最深达约8km的低阻层。而在一些干旱地区，岩石含水量较低，电阻率相对较高。5.2构造运动对电性结构的作用鄂尔多斯地块西部在漫长的地质历史时期中，经历了复杂多样的构造运动，这些构造运动对深部电性结构产生了深远的影响。区域拉张、挤压等构造运动是塑造深部电性结构的重要因素。在新生代，鄂尔多斯地块西部受到了区域拉张作用的影响，银川断陷盆地的形成就是区域拉张的典型表现。拉张作用导致地壳变薄，岩石发生破裂和变形，形成了一系列正断层。这些正断层使得岩石的孔隙度和裂隙度增加，为流体的运移提供了通道。流体的运移改变了岩石的物理性质，导致岩石的电阻率降低。在银川断陷盆地，由于拉张作用形成的正断层使得深部热流体能够向上运移，这些热流体携带了大量的离子，增加了岩石的导电性，从而在深部电性结构中形成了低阻层。拉张作用还可能导致地幔物质的上涌，进一步改变深部电性结构。地幔物质的上涌会带来高温和高导性的物质，使得上地幔的电阻率降低，形成大规模的低阻异常。挤压作用在鄂尔多斯地块西部的构造演化中也起到了重要作用。贺兰山褶皱带的形成就是由于鄂尔多斯地块与阿拉善地块之间的挤压作用。挤压作用使得岩石发生褶皱和逆冲断裂，岩石受到强烈的挤压和变形，结构变得致密。在褶皱带的核部，岩石的结晶程度提高，矿物颗粒之间的接触更加紧密，导致电阻率升高。而在褶皱带的翼部或断裂附近，岩石破碎，裂隙发育，可能含有较多的流体，电阻率相对较低。挤压作用还可能导致深部岩石的重结晶和变质作用，进一步改变岩石的物理性质和电性结构。在贺兰山褶皱带，由于挤压作用导致的岩石重结晶和变质作用，使得岩石中的矿物成分和结构发生改变，从而影响了岩石的电阻率分布。断裂活动与电性边界之间存在着密切的关系。鄂尔多斯地块西部的查汗断裂带、贺兰山东缘断裂带和黄河断裂带等主要断裂带，在深部电性结构中都表现为明显的电性边界。这些断裂带的活动导致了岩石的破碎和变形，改变了岩石的物理性质和导电性。断裂带两侧的岩石由于受到不同程度的构造作用，其矿物组成、结构和含水量等存在差异，从而导致电阻率不同，形成了电性边界。贺兰山东缘断裂带作为鄂尔多斯地块与阿拉善地块的分界线，其两侧的电性结构存在显著差异。断裂带西侧的阿拉善地块表现为高电阻特性，而东侧的鄂尔多斯地块则具有低-高-低的电性结构特征。这种电性差异是由于断裂带的活动导致两侧岩石的地质演化历史和深部地质过程不同。断裂带的活动还可能导致深部流体的运移和聚集，进一步加剧了电性边界的形成。在贺兰山东缘断裂带附近，深部流体可能沿着断裂带向上运移，在断裂带两侧形成不同的流体分布格局，从而影响了两侧岩石的电阻率，形成了明显的电性边界。断裂活动还可能导致深部地质构造的变化，如地层的错动、褶皱的形成等，这些变化也会反映在深部电性结构中。在一些断裂带附近，由于地层的错动，不同地层的岩石相互接触，形成了复杂的电性界面。这些电性界面的存在不仅影响了深部电性结构的分布，还对地震波的传播和地震活动产生了重要影响。5.3深部热物质活动与电性结构上地幔热物质上涌、部分熔融等活动对鄂尔多斯地块西部深部电性结构有着显著影响。这些活动改变了岩石的物理性质，进而导致电性结构的变化。当热物质上涌时，岩石温度升高，矿物的电导率会发生改变。在高温条件下，岩石中的矿物晶格结构会发生变化，离子的活动性增强，从而使岩石的电导率增大，电阻率降低。深部热物质活动还可能导致岩石部分熔融，熔融物质的电导率通常比固态岩石高，这也会使岩石的整体电导率增加，在深部电性结构中表现为低阻异常。以银川-吉兰泰裂谷为例，大地电磁测深成像研究结果显示，在该裂谷中下地壳深度（15-40km），低阻异常集中分布于发育正断裂的裂谷盆地内，可能与幔源熔/流体有关。这是因为幔源熔/流体的存在增加了岩石的导电性，形成了低阻异常。在上地幔顶部（＞40km）存在大范围低阻异常（宽约400km），可能与流体交代地幔的部分熔融有关，反映了岩石圈地幔被改造/破坏的范围。这种熔融区域不仅局限于裂谷下方，还横向延伸至两侧鄂尔多斯和阿拉善地块内部。深部热物质活动与低阻异常之间存在着密切的联系。低阻异常往往是深部热物质活动的重要标志之一。深部热物质活动导致岩石的物理性质发生改变，使得岩石的电阻率降低，从而形成低阻异常。在银川-吉兰泰裂谷中，幔源物质的上涌和部分熔融使得岩石的导电性增强，形成了明显的低阻异常。这种低阻异常的分布范围和形态可以反映深部热物质活动的强度和范围。通过对低阻异常的研究，可以推断深部热物质活动的过程和机制，为理解区域地质构造演化提供重要线索。深部热物质活动对区域地质构造演化也有着重要的影响。热物质上涌和部分熔融会导致岩石圈的软化和减薄，从而影响区域的构造应力场和构造变形。在银川-吉兰泰裂谷，深部热物质活动可能是裂谷形成和演化的重要驱动力之一。热物质的上涌使得地壳局部受热膨胀，产生拉张应力，导致裂谷的形成和发展。深部热物质活动还可能影响地震活动，热物质的上涌和运移可能会引发地震，改变地震的分布和强度。六、深部电性结构的地质意义6.1对区域构造演化的指示根据鄂尔多斯地块西部深部电性结构特征，可推断其在地质历史时期经历了复杂的构造演化过程。在早期阶段，鄂尔多斯地块可能与周边地块为统一的整体，随着板块运动和深部动力学过程的变化，逐渐与周边地块发生分离和相对运动。在古生代，鄂尔多斯地块西部可能处于稳定的克拉通环境，深部电性结构相对均一。从岩石物理性质来看，太古界和元古界地层的高电阻特性在这一时期得以保持，反映了地块深部岩石结构的稳定性。地层分布特征也显示，古生界地层在该区域广泛沉积，表明当时的构造环境相对稳定，有利于沉积作用的进行。到了中生代，受周边板块构造运动的影响，鄂尔多斯地块西部开始发生构造变形。区域拉张和挤压作用导致了断裂构造的形成和活动，这些断裂构造成为深部电性结构的重要边界。查汗断裂带、贺兰山东缘断裂带等在这一时期可能开始活动，它们切割了不同地层，改变了深部岩石的结构和物理性质，从而在深部电性结构中表现为明显的电性边界。贺兰山褶皱带在中生代经历了强烈的挤压作用，地层发生褶皱和断裂，形成了复杂的电性结构，电阻率高低相间，反映了岩石的变形和破碎程度。新生代以来，鄂尔多斯地块西部的构造演化更为活跃。银川断陷盆地在区域拉张作用下形成，其深部电性结构表现为上宽下窄的低阻层，这与盆地的沉积特征和深部热物质活动密切相关。深部热物质的上涌导致岩石温度升高，部分熔融，增加了岩石的导电性，形成了低阻异常。这种低阻异常在深部电性结构中清晰可见，表明银川断陷盆地在新生代经历了快速的沉降和沉积过程，同时深部地质活动也较为活跃。鄂尔多斯地块与周边地块的相互作用对盆山构造的形成与演化起到了关键作用。在鄂尔多斯地块与阿拉善地块的接触地带，由于两者的相对运动和挤压作用，形成了贺兰山褶皱带和银川断陷盆地。贺兰山褶皱带的隆升和银川断陷盆地的沉降形成了典型的盆山构造格局。从深部电性结构来看，贺兰山表现为高阻体，银川盆地表现为低阻体，两者之间的电性差异明显，反映了盆山构造的特征。这种盆山构造的形成不仅受到地壳运动的影响，还与深部地幔热物质的活动密切相关。深部地幔热物质的上涌和底侵作用可能导致了地壳的变形和隆升，从而促进了盆山构造的形成和演化。在地质历史时期，鄂尔多斯地块与周边地块的相互作用还导致了断裂构造的活动和深部物质的运移。断裂构造的活动为深部物质的运移提供了通道，使得不同地块之间的物质发生交换和混合。这种物质的运移和交换进一步改变了深部电性结构，使得深部地质构造更加复杂多样。在贺兰山东缘断裂带附近，深部流体可能沿着断裂带向上运移，导致断裂带两侧的岩石电性性质发生改变，形成了明显的电性边界。深部热物质的运移也可能导致岩石的部分熔融和重结晶，改变岩石的物理性质和电性结构。6.2与地震活动的关系深部电性结构与地震活动之间存在着密切的关联，对理解地震的发生机制和预测地震活动具有重要意义。以1739年平罗8级地震为例，该地震发生在鄂尔多斯地块西部的银川盆地，对其深部电性结构的研究可以为揭示此次地震的发生机制提供重要线索。从深部电性结构来看，银川盆地具有上宽下窄最深达约8km低阻层，且盆地北部存在着延伸至上地幔的大规模低阻结构，这可能代表着幔源物质上涌活动。这些低阻结构的存在反映了银川盆地下方深部地质活动的活跃性。1739年平罗8级地震的发生可能与深部热物质活动导致的岩石物理性质变化以及构造应力的积累和释放密切相关。幔源物质的上涌会使岩石温度升高，部分熔融，从而降低岩石的强度和稳定性。当岩石受到的构造应力超过其承受能力时，就会发生破裂和错动，引发地震。深部热物质活动还可能导致地壳的变形和隆升，改变区域的构造应力场，进一步促进地震的发生。在银川盆地，深部热物质的上涌可能使得地壳局部受热膨胀，产生拉张应力，导致岩石破裂，形成地震的发震构造。地震发生时，地震波在不同电性结构的介质中传播会产生不同的响应，这也为研究地震活动提供了线索。高电阻的岩石对地震波的传播具有较强的阻挡作用，而低电阻的岩石则相对容易让地震波通过。在鄂尔多斯地块西部，阿拉善地块的高电阻特性和银川盆地的低电阻特性会导致地震波在两者交界处发生反射、折射和散射等现象，这些现象会影响地震波的传播路径和能量分布，进而影响地震的破坏程度和范围。通过对深部电性结构的研究，可以识别出可能存在的地震活动构造带，分析地震孕育和发生的深部地质条件。在鄂尔多斯地块西部，贺兰山东缘断裂带、黄河断裂带等主要断裂带在深部电性结构中表现为明显的电性边界，这些断裂带的活动与地震活动密切相关。通过对这些断裂带深部电性结构的监测和分析，可以实时了解断裂带的活动性和应力状态，为地震预测提供重要依据。深部电性结构的研究还可以为地震灾害的评估和预防提供科学依据。了解深部电性结构与地震活动的关系，可以更好地评估地震发生的可能性和潜在的地震灾害风险，从而制定相应的预防措施和应急预案，减少地震灾害对人类社会的影响。6.3在矿产资源勘探中的应用潜力鄂尔多斯地块西部深部电性结构研究在矿产资源勘探领域具有巨大的应用潜力，能够为寻找矿产资源提供重要的线索和依据。不同矿产资源往往与特定的地质构造和岩石物理性质相关联，而深部电性结构能够反映这些地质特征，从而为预测矿产资源的分布提供关键信息。在金属矿产勘探方面，金属矿体通常与围岩之间存在明显的电性差异。金属矿物如黄铁矿、黄铜矿等具有良好的导电性，其电阻率远低于周围的岩石。在深部电性结构中，这些金属矿体往往表现为低阻异常。通过对鄂尔多斯地块西部深部电性结构的研究，能够识别出这些低阻异常区域，从而圈定出可能存在金属矿产的靶区。在一些岩浆岩侵入体附近，由于岩浆活动带来的金属矿物富集，深部电性结构中可能会出现局部的低阻异常，这些区域就有可能蕴藏着金属矿产。利用大地电磁测深等方法获取的深部电性结构信息，可以确定低阻异常的位置、范围和形态，为后续的矿产勘探工作提供指导，减少勘探的盲目性，提高勘探效率。对于煤炭资源勘探，煤层的电阻率特征在深部电性结构中具有独特的表现。煤层通常具有极低的电阻率，这是由于煤层中含有大量的有机质，这些有机质的导电性较差，导致煤层整体电阻率较低。在鄂尔多斯地块西部，中生界和古生界地层中发育有丰富的煤层，通过对深部电性结构的研究，可以清晰地识别出煤层的分布范围和厚度变化。在大地电磁测深反演结果中，煤层表现为明显的低阻层，其电阻率与周围地层形成鲜明对比。根据这一特征，可以绘制出煤层的等电阻率线图，直观地展示煤层的分布情况，为煤炭资源的勘探和开发提供重要的地质依据。通过分析深部电性结构中煤层的变化趋势，还可以预测煤层的延伸方向和可能的富集区域，为煤炭资源的进一步勘探提供方向。深部电性结构研究还可以与其他地球物理方法相结合，提高矿产资源勘探的准确性和可靠性。将大地电磁测深与重力、磁力等地球物理方法联合应用，可以从不同角度获取地下地质结构的信息。重力测量可以反映地下物质的密度差异，磁力测量则对磁性矿物的分布敏感。通过综合分析这些地球物理数据，可以更全面地了解地下地质构造和矿产资源的分布情况。在研究一个潜在的矿产区域时，首先利用重力测量确定地下可能存在的密度异常区域，然后通过磁力测量确定磁性矿物的分布范围，最后结合深部电性结构信息，确定低阻异常与密度异常、磁性异常的重叠区域，这些重叠区域往往是矿产资源富集的重要区域，从而为矿产勘探提供更精确的靶区。深部电性结构研究在鄂尔多斯地块西部矿产资源勘探中具有重要的应用价值。通过识别电性异常特征，能够有效地预测金属矿产和煤炭资源的分布，为矿产勘探工作提供科学依据。随着地球物理探测技术和数据处理方法的不断发展，深部电性结构研究将在矿产资源勘探领域发挥更加重要的作用，为区域的矿产资源开发和经济发展做出贡献。七、结论与展