北准噶尔增生杂岩带重磁场特征及构造解译

王 凯, 陈隽璐, 冯治汉, 郭培虹, 刘宽厚

(国土资源部 岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054)

北准噶尔增生杂岩带重磁场特征及构造解译

王 凯, 陈隽璐, 冯治汉, 郭培虹, 刘宽厚

(国土资源部 岩浆作用成矿与找矿重点实验室, 中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054)

通过系统统计新疆准噶尔北部地区主要岩矿石磁性、密度参数, 重点研究了该区航空磁场、区域重力场分布规律。按照布格重力和航磁异常形态, 准噶尔地区可以划分为三个布格重力异常单元和五个航磁异常单元, 认为北准噶尔地区的布格重力异常和航磁异常揭示该区可能为一陆缘增生杂岩带。该增生杂岩带形态上呈“锲形”, 其北缘位于阿尔泰–富蕴断裂一带, 西部与哈萨克斯坦板块毗邻, 南部边缘为阿尔曼太蛇绿混杂岩带。该增生杂岩带由多个增生单元“拼贴”而成, 具北东向凸起特点。阿尔泰–阿尔金地学断面揭示了增生杂岩带深部俯冲形态。本次研究成果为研究新疆北部与邻区大地构造提供了新的依据。

航磁异常；重力场；俯冲增生构造带；准噶尔；S-C组构

0 引 言

阿尔泰造山带是古亚洲造山区的重要组成部分,它夹持于北部西伯利亚板块和南部哈萨克斯坦–准噶尔板块之间。晚石炭世–二叠纪期间, 阿尔泰地区发生了强烈的壳幔相互作用, 火山–侵入岩浆活动剧烈而广泛, 形成了大规模的基性–超基性杂岩带(图1)。近年研究表明, 早古生代造山运动奠定了新疆大地构造基本格局, 新疆北部在陆缘及陆内均发生过大规模的陆壳增生, 并建立了阿尔泰古生代向准噶尔方向叠瓦式推覆构造体系(丛峰等, 2007; 肖序常等, 2010; 沈晓明等, 2013)。由于南部的北准噶尔大部分地区被新生代地层覆盖, 影响了对其增生边界的划分和构造属性的认识(李春昱等, 1982; 曲国胜和崇美英, 1991; 何国崎等, 2004; 李锦轶等, 2006; 曲国胜等, 2008, 2009; 李荣社等, 2012)。笔者通过对该区重、磁场异常特征等方面研究, 圈定了增生杂岩带范围, 并对增生带组成序列进行了初步划分。布尔津–敦煌地质地球物理测深综合剖面进一步揭示了该增生杂岩带深部俯冲形态。

1 准噶尔北缘地区地层及主要岩矿石物性特征

1.1 磁性特征

额尔齐斯–布尔根蛇绿构造混杂岩带, 即阿尔泰南缘增生杂岩带北侧为西伯利亚板块南缘早古生代活动陆缘火山沉积岩带, 出露中、新元古代中深变质地层, 志留纪–奥陶纪浅变质碎屑–火山碎屑岩以及古生代中酸性侵入体。中深变质地层以混合岩、片麻岩为主, 零星分布, 磁性较强。志留纪–奥陶纪地层以浅变质碎屑岩为主, 分布范围广, 呈弱磁或无磁性。阿尔泰–富蕴至阿尔曼太断裂带之间, 为北准噶尔增生杂岩带的主体, 主要由泥盆纪火山岩–碎屑岩夹少量碳酸盐岩建造和早石炭世含少量安山岩–玄武岩夹层的复理石建造组成；侵入岩以古生代花岗质侵入体为主, 其次为闪长岩、碱长正长岩、辉长岩体。石炭纪、泥盆纪的火山岩特别是中基性火山岩普遍具有强磁性, 磁化率(κ)值在43×10–5～10242×10–5之间。其中玄武岩、安山岩磁性较强, 磁化率平均值为1738×10–5～2880×10–5, 中酸性火山岩磁性较弱, 磁化率为0×10–5～7540×10–5, 平均值为1097×10–5。侵入岩从酸性–中性–基性–超基性, 磁性由弱到强。值得注意的是, 北准噶尔地区花岗岩磁性变化范围较大, 从强磁性到弱磁性或无磁性均有。阿尔曼太蛇绿混杂岩带为增生杂岩带的南部边界, 其南部为准噶尔板块, 被古生代及中新生代地层覆盖, 地表被中新生代地层所覆盖, 弱磁或无磁性。

图1 北准噶尔大地构造简图(据何国琦等, 2004; 董连慧等, 2010修编)Fig.1 Tectonic sketch map of the North Junggar

磁铁矿具有强磁性, 其磁化率一般为基性岩浆岩的5～10倍以上, 铬铁矿为弱磁性, 一般赋存于中–强磁性的基性–超基性岩体中, 区域上可形成强磁异常带(北准噶尔地区不同时代地层、岩性物性参数统计见表1)。

1.2 密度特征

新生界为低密度层, 第四系平均密度为1.77× 103kg/m3, 由松散的沉积物所组成。古近系和新近系的平均密度为2.13×103kg/m3, 为一套固结不紧密的碎屑沉积岩。各类沉积岩的平均密度值在2.46～2.69 kg/m3之间变化。泥岩的平均密度值为2.46 kg/m3, 页岩及灰岩的平均密度值最高为2.69 kg/m3。中生界中–下侏罗统为一套正常碎屑岩和泥岩夹煤层的沉积, 其密度在1.97～2.88 kg/m3之间变化, 平均密度值为2.53 kg/m3。古生界包括二叠纪–奥陶纪地层, 这套地层比较复杂, 有泥盆纪、志留纪和奥陶纪出现的变质岩, 亦有石炭纪、二叠纪的正常碎屑岩夹碳酸盐岩及基性–酸性火山岩。古生界中各组(统)地层的密度值都比较接近, 各地层组的密度在2.65～2.96 kg/m3之间变化,平均密度值为2.72 kg/m3。

表1 北准噶尔不同时代地层、岩石物性参数统计(据区域地球物理调查成果集成与方法技术研究)Table 1 Physical property parameter statistics of different geological strata and rocks in the North Junggar

侵入岩从基性→中基性→中性→碱性, 密度呈递减趋势变化, 按照岩性密度由高到低依次为：辉绿岩→辉长岩→辉长闪长岩→闪长岩→花岗闪长岩→花岗岩→纳长斑岩→正长岩。花岗岩为研究区内主要岩体, 分布广泛, 平均密度值为2.64 kg/m3, 不同的侵入期次和不同的构造分区密度值变化不大, 基本稳定, 区域上引起弱重力低异常。

超基性岩受蛇纹石化蚀变和地表风化时, 密度一般偏低, 碳酸盐化时密度较高(达2.76 kg/m3)。

火山及熔岩按玄武岩、安山岩→英安岩、酸性熔岩的顺序密度递减, 与同类侵入岩相比密度稍低。不同时代同一岩性密度有显著的差异, 如玄武岩在中石炭统密度为2.76 kg/m3, 上泥盆统密度为2.86 kg/m3, 存在0.1 kg/m3的密度差；中石炭统凝灰岩的密度为2.68 kg/m3, 中泥盆统的密度为2.78 kg/m3, 亦存在0.1 kg/m3的密度差；酸性熔岩在中石炭统的密度为2.55 kg/m3, 中泥盆统的密度为2.74 kg/m3, 有0.19 kg/m3的密度差。在火山碎屑岩中, 火山角砾岩、凝灰岩、凝灰熔岩的密度分别为2.76、2.72、2.68 kg/m3。火山喷发物质颗粒由大到小密度相应减小。

各类变质岩的密度变化较大, 一般是随着变质程度的增强密度增大。而混合岩随着花岗岩化程度的增高密度变低。接触交代变质岩密度增高, 如矽卡岩密度为3.19 kg/m3。磁铁矿、铬铁矿、铜镍钴矿等密度在3.85～ 4.59 kg/m3之间变化, 高出该区各类岩石的平均密度值。

2 研究方法

该研究工作首次收集了新疆北部约21.5万平方公里的重磁数据, 航磁数据来源于不同时期, 测线方向和数据采集飞行高度也不尽相同, 因此数据处理时进行了归一化处理。航磁数据化极主要采用变纬度的频率域计算方法。为了突出不同走向的断裂、脉岩位置和宽大地质体的边界线, 对布格重力异常数据、航磁数据完成水平导数计算。求导方向依据研究区内实际的和推断的构造方向来确定, 分别沿0°、45°、90°、135°四个方向求取导数, 并计算异常水平总梯度模量。

对重磁资料进行相关分析, 定性了解同源重磁异常和非同源重磁异常的性质, 结合地质、遥感等资料, 划分大地构造单元, 研究异常群的空间分布特征和相互联系。磁异常分区主要依据剖面平面图,参照平面图和各参数转换图进行。重力异常分区依据布格异常图和剩余异常图进行。

3 区域重磁场特征及解译

北准噶尔地区区域重力资料显示(新疆北部区域重力场见图2a), 布格重力低异常分别位于阿尔泰–富蕴断裂以北和阿尔曼太断裂带以南地区(图2a中A、C区域), 中部福海–萨尔喀仁为布格重力高值区(图2a中B区域)。重力梯级带位于南北两条断裂带附近, 走向北西, 其走向与该区地层及主要构造走向一致。福海一带布格重力值最高, 向东逐渐降低, 布格重力高异常形态上呈“楔形”。

图2 新疆北部区域重磁场(数据来源：区域地球物理调查成果集成与方法技术研究。图b中①为卡拉先格尔断裂)Fig.2 Regional gravity and magnetic field in the northern Xinjiang area

阿尔泰布格重力低值区(图2a中A区), 重力场表现为较平缓的扭曲和低值圈闭, 重力值从南向北较均匀地逐渐降低。布格重力异常呈北西向分布。重力梯级带位于阿尔泰–青河一带。

福海–恰库尔特重力高异常区(B区)分布范围广, 贯穿研究区, 走向北西。该区总体以区域重力高为主要特征, 平均布格重力值在–150×10–5m/s2以上。西部阿林王克斯套地区是新疆北部布格重力值最高的区域, 向东依次降低, 尖端指向东部野马泉方向。阿尔泰地区重力场呈紧闭线型, 布格重力值在–300×10–5m/s2以下, 与额尔齐斯断裂以南的北准噶尔区形成鲜明对比。北准噶尔区呈开阔的短轴型, 区域重力异常高, 布格重力值为–70×10–5～–110× 10–5m/s2之间, 等值线呈镶嵌状。资料显示阿尔泰以北地壳厚度为42～45 km, 而其南部约55 km,表现在重力场上, 南北两区布格值差别是显著的(秦元喜和董志远, 1994；王隆平和温佩琳, 2001；杜晓娟等, 2009)。

阿尔曼太蛇绿混杂岩带以南为重力场相对平稳区(图2a中C区), 该区布格重力异常等值线呈近东西向延伸, 平稳而宽缓, 叠加深源的平缓重力高异常, 为典型沉积盆地与深部隆起相加异常, 南端为规律、宽缓的重力梯级带。

重力高异常位于南部克拉玛依一带(图2a中C-1区), 呈“扫帚”状, 北东走向。该区发育着一系列超基性岩带和铬铁矿区, 是西准噶尔著名的超基性岩带和鲸鱼–萨尔托海铬铁矿区。该重力异常是克拉玛依一带发育的深源铁镁质岩体的反映。

航磁异常则进一步将北准噶尔地区分为5个磁性单元(航磁异常及磁性单元划分见图2b)。第1磁性单元位于阿尔泰–富蕴以北, 其范围与布格重力低异常A区基本重合。该区是阿尔泰微板块, 属西伯利亚板块的一部分。较新观点认为它是西伯利亚古板块的古生代增生边缘(肖序常等, 2010)。奥陶系哈巴河群在该区东部分布较广, 为一套厚层变质杂岩系, 呈弱磁性。北西向带状强磁异常出现在阿尔泰–富蕴一带的北部, 该高磁异常带与火山岩地层中铁磁性物质含量有关, 如蒙库、阿巴宫高磁异常带为上泥盆统康布铁堡组中基性火山岩引起。

研究区以额尔齐斯断裂(NW向)和乌伦古凹陷(NE向)为界, 布格重力高异常B区可划分为3个航磁异常(图2b 中2, 3, 4单元)。其中, 第2磁性单元位于阿尔泰–富蕴断裂和额尔齐斯断裂之间, 航磁异常呈NWW向条带状走向, 航磁正负异常相间。强磁异常带呈雁列分布。强磁条带主要为泥盆纪–石炭纪中酸性花岗岩, 弱磁区为喀喇额尔齐斯组和康布铁堡组凝灰岩、绢云母板岩、砂岩及火山碎屑岩等。额尔齐斯断裂至阿尔曼太断裂带之间为第3磁性单元。该单元北部磁异常分带性不清晰, 异常形状呈“团块”状, 大规模强磁异常出现在东南部。南部磁异常形态上具向北凸起的弧形特征。按照磁异常强弱及分布特点, 该区可进一步分为5个次级磁异常单元。单元3-5位于最南端, 紧邻阿尔曼太断裂带北侧, 呈弧形, 长度约100 km。3-4单元磁异常强度最高, 强磁异常出现在该区东部, 异常规模较大,主要为泥盆纪–石炭纪正长花岗岩。3-3～3-1单元磁异常强度相对较弱, 高磁异常呈团块状, 零星分布,但总体异常形态上具弧形、线性特征, 弧形顶端基本上指向北东方向。该地区局部正异常强度较大,一般为200～400 nT, 最高达800 nT, 负异常强度一般–200～–400 nT, 局部–500 nT。该区地表为第四纪地层覆盖, 磁异常带推断为酸性花岗岩引起, 是岩浆弧的反映。中生代沉积岩磁性弱, 增生杂岩带内系列窄细弧形负磁异常带, 是沉积岩片的反映。第4磁性单元位于研究区西部, 由南、北两片高磁异常和两个低磁异常带组成。高磁异常向西延伸入哈萨克斯坦境内。北部哈巴河磁异常走向北西, 吉木乃磁异常走向北东, 尖灭于乌伦古湖附近。该区重力异常和磁异常规模大, 与东部2、3单元地球物理场特征有明显区别。吉木乃、哈巴河一带, 主要为一套泥盆纪–石炭纪碎屑岩夹安山岩地层, 具有强磁性, 与该区南北两块大规模航磁异常对应。航磁异常终止于布尔津–和什托洛盖一带, 指示了哈萨克斯坦板块与准噶尔板块的边界。

第5磁性单元位于阿尔曼太断裂带以南(图2b中5单元)的准噶尔板块(布格重力异常C区)。主要为新生代松散沉积物覆盖, 基岩出露少, 航磁场为北西向展布的宽大负磁异常, 向东延进入蒙古国境内, 西部与白杨河坳陷相接。负磁异常带北部梯度大于南部, 且较陡, 中部负磁异常变化不大, 相对宽缓, 为正常沉积的巨厚无磁或弱磁性地层反映。北部存在一条北西向重力低异常带, 异常宽缓, 具有一定规模。该负磁异常带是准噶尔盆地北缘山前深坳陷的反映, 是准噶尔地块北部陆缘标志。有学者认为准噶尔盆地具有前寒武结晶基底和古生代浅变质基底的双重结构(杨文孝等, 1995；王京红和杨帆, 2012)。

根据北准噶尔地区航磁异常分布特征, 认为阿尔泰以南NE向凸起的弧形航磁异常是由该区增生杂岩带引起, 并且该增生杂岩带由多个增生杂岩单元“拼贴”而成(图2b, 2和3单元)。以额尔齐斯断裂带为界, 可将增生杂岩带分为两个单元, 单元2即额尔齐斯–布尔根板块缝合构造带(EBT), 主体为下石炭统滑混堆积和中石炭统陆相磨拉石堆积。对该构造带变形机制的认识, 有学者提出为“挤压带”(曲国胜和何国琦, 1992), 亦有学者认为是大型韧性剪切带, 是西伯利亚古板块与哈萨克斯坦–准噶尔古板块的缝合带(芮行建等, 1993；刘悟辉等, 1999)。该带受南北两侧的阿尔泰–富蕴断裂和额尔齐斯断裂夹持, 形成一巨型右行走滑剪切构造, 具S-C组构特征(S面理走向近EW, C面理走向NW)。其北缘的早泥盆世康布铁堡组地层的深变质作用, 与北西向挤压、走滑有关。花岗岩同位素年代学资料表明, 其形成年代为晚古生代二叠纪, 且带内每一斜–逆冲推覆的时间, 具有由北向南、由老变新的迁移性(曲国胜和崇美英, 1991; 曲国胜和张进江, 1992)。

增生杂岩带南部(图2b中单元3)负磁异常弧线特征清晰, 北部弧线特征逐渐模糊。从航磁异常形态分析, 该带由多个逆冲推覆岩片“拼贴”而成, “拼贴”体依次由北向南增生(图2b, 3-1～3-5单元), 形成时限由老到新。南部3-5单元最新。3-2单元东部花岗岩锆石U-Pb年龄为275～281 Ma(童英等, 2006), 推测其形成时期为二叠纪。

4 结 语

图3 重磁场构造解译及阿尔泰地球物理综合断面Fig.3 Structural interpretation and geophysical composite section in Altay

本文在分析以往新疆板块构造划分基础上(董连慧等, 2010), 认为在西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和准噶尔板块之间, 存在一个巨型增生楔(构造解译见图3a)。该增生楔北界为阿尔泰–富蕴断裂, 南界为阿尔曼太蛇绿混杂岩带, 分别与南、北两条重力梯级带相对应。西部与哈萨克斯坦板块毗邻, 东部为卡拉先格尔断裂。其形态呈楔形, 尖端指向萨尔喀仁, 其范围基本上与福海–恰库尔特重力高异常区(B区)相一致。以额尔齐斯断裂为界, 将该增生楔分为南北两个增生单元, 其中, 北部增生单元具韧性剪切特征, 南部增生单元则有向南依次序列增生的特点。由于北东向俯冲–挤压, 增生杂岩带北缘和东缘分别具有向东、南走滑特征。

阿尔泰–阿尔金地学断面深部地震资料揭示(图3b), 北准噶尔增生杂岩带内地壳厚度为56 km, 南部准噶尔盆地厚度为46 km(袁学诚等, 1991; 王友学等, 2004)。在阿尔曼太断裂带以北, 综合解释断面(地震反射, 大地电磁, 地磁差分测深, 重、磁测量等)反映深部有向北俯冲、莫霍面变深之特点, 是北准噶尔地壳侧向增生证据之一。

致谢：在文章编写过程中, 李荣社、徐学义、马中平、李智佩、李建星、宋忠宝等提出了宝贵意见, 在审稿过程中, 中国地震局应急搜救中心曲国胜研究员和另一位匿名评审者指出了稿件存在的问题并提出了中肯的修改建议, 谨此一并表示感谢！

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Geophysical Characteristics of Accretionary Complex Belt in North Junggar and Structural Interpretation

WANG Kai, CHEN Junlu, FENG Zhihan, GUO Peihong and LIU Kuanhou
(MLR Key Laboratory for the Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, Xi’an Center of Geological Survey, CGS, Xi’an 710054, Shaanxi, China)

The distribution of regional gravitational fields and aeromagnetic fields are analyzed through systematic statistics of the magnetic and density parameters of the main rocks and ores from North Junggar in Xinjiang. The northern Junggar can be divided into three Bouguer gravity anomaly units and five aeromagnetic anomaly districts. The Bouguer and aeromagnetic anomaly belts indicate the presence of accretionary complex zone at the active continental margin in northern Junggar. The complex is wedge-shaped and is limited by the Altay-Fuyun fault zone at the north, the east margin of Kazakhstan Plate at the west, and the Almantaio phiolitic melange belt at the south. This accretionary complex zone consists of several N-E trending accretionary units. The deep-geophysical sounding profile of the Altay region indicates that the subduction resulted in the formation of the accretionary complex zone.

aeromagnetic anomalies; gravity filed; accretionary complex belt; Junggar; S-C fabric

P631

A

1001-1552(2015)02-0273-007

2013-11-12; 改回日期: 2014-03-07

项目资助: 中国地质调查局计划项目“成矿带区域地球物理调查”(编号: 基[2012]02-017-025)中“区域地球物理调查成果集成与方法技术研究”(编号: 1212011120917)资助。

王凯(1967–), 男, 教授级高级工程师, 主要从事地球物理勘查工作。Email:wangkaixian001@sina.com