基于航磁数据揭示巴拉多尼亚古河道地质特征

冯天舒

(西澳大学 地球科学学院，澳大利亚 珀斯 6009)

1 区域特征

在西澳大利亚南部的景观下部有许多埋藏的古河道。风化地表(中生代形成)上沿古河谷的排水切口导致河道发育,河道随后被砂、褐煤和高岭石以及富含蒙脱石的沉积物填满,沉积物中含有铁质砾石透镜体。崩积、冲积和风积沉积物不整合地覆盖在古河道沉积物、铁质硬锈岩或腐泥石上。研究区靠近弗雷泽山脉,位于佤邦内陆地区。巴拉多尼亚古河道位于太古宙伊尔加恩克拉通盆地东南部,位于 Nava-Bollinger 西部、Eyre Highway 北部的一个狭长峡谷内。研究区的浅层为上覆前寒武纪基底岩石为沉积于广泛的古水系中的第三纪沉积岩,地下水含盐量很高(图1)。

研究区前寒武纪基底主要为太古代花岗岩-绿岩地形组成。绿岩带由超镁铁质到长英质成分的变质火成岩和变质沉积岩组成,其中包括一些带状铁建造。研究区北部太古宙上覆林地组低变质石英质变质沉积岩。该地层包括砂岩、砾岩、chert breccia 和泥岩,弱变形并变形为绿片岩级,并折叠成具有 NE 走向轴的开放构造。研究区及其周围有几条大型元古代镁铁质岩脉。Widgeemooltha 群的宽度和横向范围都可能很大。这些堤坝主要呈东西走向。另一个镁铁质堤坝群,Gnowangerup-Fraser 堤坝呈东北-西南走向(图2)。

图1 研究区谷歌地球图像

图2 露头/地下岩石地质

2 地球物理背景

磁力勘探通过研究地下磁异常体在地表产生的磁异常数据来分析研究磁异常体的空间位置、大小、形状及产状等情况,从而达到找矿和解决地质问题的一种地球物理勘探方法。其具有轻便、快速、效率高及效果明显等特点,因此被广泛的应用于大面积的扫面工作,是一种必不可少的地球物理勘探手段[1-2]。

随着地球科学技术的发展,人类对地球浅层沉积建造和性质的研究己经不能满足生产、经济和社会发展,特别是可持续发展的要求。并且随着人类对地球的研究不断地深入,浅层地壳己经无法满足现今的研究需求,这迫使地球科学研究向纵深发展成为一个趋势,因为岩石圈是人类居住与获取各种资源、能源、改造和利用场所。在21世纪,地质构造作为岩石圈的重要组成部分与地球物理学息息相关。自20世纪80年代初以来,对大陆岩石圈的研究开始引起了地学界的广泛关注,实施了一系列的地学断面的研究工作[3],采用了多种地球物理方法,开展了对大陆岩石圈结构的研究,并产生了广泛的国际影响。在众多的地球物理方法中,唯有航磁调查覆盖了整个大陆及其海域,从而成为地学研究的一个亮点,吸引了众多国内外科学家的关注,为地学研究提供了不可多得的地球物理资料。航磁异常与大陆的大地构造格局之间的存在着一定的内在联系,因此通过探讨航磁异常的反演结果,用以研究地壳深部构造。

磁测数据资料中包含着地下丰富的信息,但目前的数据解析并没有充分利用好这些信息,磁测资料解释的目的在于通过地面或航空等实测数据利用某种手段推断出地下磁化强度分布规律,从而达到寻找目标地质体的目的[4-6]。

3 磁场理论基础

通过对磁异常的解释及分析,用以解决地质找矿及构造分析问题,必须对岩石的磁性特征有所了解。岩石和矿石磁性的强弱可用磁化强度M表示,组成岩石和矿石的矿物质有顺磁性、反磁性及铁磁性。岩石在地壳中形成后,经历了较长的时期,使它磁化的地球磁场无论在强度或方向上都发生过变化。岩石还曾经受过高温高压及机械力的作用。因此,岩石中如果含有铁磁性的矿物,它就可能有一定的剩余磁化强度或称永久磁化强度,剩余磁化强度与岩石的经历及其铁磁性矿物含量有关,与现今地磁场大小及其方向无关。通常,在磁异常资料解释工作中,剩余磁化强度一般情况下都很弱,磁性源的磁化方向通常不会受其影响,所以不考虑剩余磁化的存在。此外,岩石还在现今的磁场中被磁化而具备一部分感应磁化强度,它与现今的正常地磁场成正比,方向也与地磁场的方向一致[7-8]。在不考虑剩余磁化的情况下,岩石的感应磁化强度可表示为:

(1)

式中,T为现今地磁场总强度(磁感强度);K为岩矿石的磁化率,无量纲，取决于岩矿石的性质,决定岩矿石被磁化的难易程度;μ0为真空磁导率,在SI制中的大小为4π×10-7H/m;T为地磁场总强度,在地球表面上一般情况下是己知的,且相当大范围内可认为是不变的,为己知常数。

对阿尔泰-台湾地学断面和格尔木一额济纳旗地学断面的岩石磁性进行收集整理和测试,通过对比分析,两条断面上的岩石磁性参数均有共同特征(表1)。

(1)沉积岩盖层和一些浅变质岩(如大理岩、片岩、砂岩、灰岩和硅质岩等)磁性都很低。

(2)各类中酸性岩浆岩,包括安山岩、闪长岩、花岗岩、花岗闪长岩、闪长纷岩和中酸性火山岩及凝灰岩等,具有中等磁性。

(3)基性和超基性岩浆岩,包括橄榄岩、辉长岩、玄武岩等,磁性较强,磁化率为(1 000～5 000)×10-5SI。这些岩石的磁性变化大,不稳定。

(4)深变质岩也具有较强的磁性,磁化率为(1 000～2 000)×10-5SI。当这类岩石大面积出露时,会引起大范围的磁异常。

(5)太古界(结晶基底)具有强磁性,地表岩石的磁化率为(100～1 000)×10-5SI。

表1 各类岩石磁化率统计

此外,前人研究表明[9-12],结晶基底的磁性并不是向下一直延深至地核,而是在一定深度以后,由于地温随深度增加,结晶基底中的铁磁性矿物因达到居里点而变为顺磁性矿物,由于顺磁性矿物较弱,一般认为是无磁性物质。达到居里点时的界面称为居里面,居里面可以认为是磁性底界面或者太古界(或结晶基底)底界面。目前还有一种观点认为,莫霍面是地壳磁性层底界面。

根据上述岩石磁性特征,不管采用哪一种观点作为磁性底界面均可建立如图所示的地壳磁模型(图3)。该模型主要有四部分组成:无磁性沉积层、局部磁性体、磁性层以及磁性层下界面以下的无磁性岩层。

图3 地壳磁模型

无磁性沉积层实际上包括沉积岩和浅层变质岩,具有一定磁性,但相对岩浆岩或者铁磁性物质而言要小得多,因此认为是无磁性的。局部磁性体主要指铁磁性矿物、岩浆岩的侵入体(主要指由岩浆岩充填的断裂带)等。磁性层主要是由深成变质岩和结晶基底组成,其上界面可能为结晶基底的顶界面,下界面可能为居里面,也可能为莫霍面。磁性层上界面深 4～12 km,下界面深度变化较大。由于磁性层的位于地壳深部,埋深较大,可以认为其磁性变化不大,他所产生的异常只是由于顶底界面的起伏引起,在定量解释过程中将磁性层假定为均匀磁性层。

通常把磁性层因顶底界面起伏产生的异常称作为区域异常;深部岩浆岩一定通道(比如深大断裂)侵入到地表,或者规模较大的磁铁矿也会产生规模较小航磁异常,称之为局部异常。航磁的区域异常特征为:磁异常横向变化较为平缓,频率较低;局部异常特征为:横向变化较为剧烈,频率较高[13-14]。

4 研究数据与方法应用

研究数据中,遥感和辐射数据集绘制近地表环境图,钻孔数据确定古河道岩性数据,主要以泥质、砂、褐煤以及花岗岩为主;磁性数据绘制基岩地质图;地震和电磁数据确定古河道的厚度,并提供有关河道填充的信息。

4.1 谷歌地图地势解析

沿着巴拉多尼亚古河道,为一现代峡谷。若古河道我们可以主要判断古河道为南北走向。自南向北,古河道区域现代湖泊星罗棋布,且北部河道偏窄,南部河道变宽,中部有残留隆起位于河道内部(图4)。

图4 研究区谷歌地图

4.2 SRTM 地形数据解析

SRTM 即航天飞机雷达地形测绘使命,主要描述区域地貌形态的空间展布,是通过等高线进行数据采集,然后进行数据内插形成,是对地貌的虚拟表示。古河道在 SRTM地形数据中也明显表现为地形低洼,主要在研究区南北向分布,中部蓝色区域低洼成谷,东西部黄色区域为基底隆起。河道解释形态如图所示,在东部有一分叉河道,西北部河道形态较为复杂(图5)。

图5 航天飞机雷达地形测绘图

4.3 辐射图像数据解析

辐射数据为研究区地表沉积物的响应,所以只能用于绘制地表地质/土壤图。

三值辐射图像为K、Eu 和 Eth 浓度计数,中部暗色区域泥质、放射性物质富集。地质背景可以了解,风化地表上河道发育,河道随后被砂、褐煤和高岭石以及富含蒙脱石的沉积物填满,沉积物中含有铁质砾石透镜体,这些放射性物质存在可预测为古河道区域,河道两侧为地质隆起,泥质放射性物质风化剥蚀(图6)。

总计数辐射图像为辐射浓度的总计数,古河道两侧基底为花岗岩-绿岩、变质岩。辐射图像为粉色高值,而河道中部为蓝色低值。这些资料对古河道的地表范围和地表地质条件都有一定限制(图7)。

4.4 磁场强度数据解析

古河道充填物是非磁性的,意味着观测到的变化是由于基岩内部的磁性变化造成的,数据变得更加“模糊”。这种细节的丢失是由于磁源离磁强计更远,导致异常的振幅减小和波长增加。

地磁场的总磁化强度(T)的异常称为总磁异常强度。而垂向一阶导数是垂向一次导数处理对磁场高频成分有突出和放大作用,它侧重于浅层近地表地质的磁效应而压制深层区域背景场的影响,从而突出浅部地质体引起的局部异常。

图6 研究区三值辐射图像

图7 研究区总计数辐射图像

所以两张磁场强度数据,总磁强度图为区域地层总体强度的响应,一阶垂直导数反应浅层地质体的异常响应。利用磁性资料的主要目的是绘制古河道及其附近基岩的岩性和构造图。

总磁强度的一阶垂直Z导数图,可以观察到黄色标注区域,为高亮,异常的振幅增大,波长减小。中部与地质图存在北东-南西走向的不连续镁铁质岩脉面吻合。南部高亮区域预计为花岗岩基底的磁强度异常(图8)。

图8 研究区磁场强度数据图像

总磁场强度图可以显示深层基底的磁场性质。除一阶垂直导数图部分镁铁质岩脉面以外,图中高亮红色区域为花岗岩基底的磁场异常显示,图中以红色曲线标识。花岗岩异常由强到弱,表现为红色-橘色-黄色。绿色多为沉积岩相。古河道在此两张图都不够清晰,大致河道方向为北偏东向。

4.5 机载电磁数据解析

研究区一带宏观表现为磁力高值带,地表主要出露磁性相对较弱的新生界,区域性磁力高值可能主要由区域性磁性基底上隆引起,地表主要出露磁性相对较强的古生界、元古界。

航磁数据可以用来解释接近地表的古河道的范围及其填充物的性质和厚度。

AEM 时间常数是衰减常数(tau)大小的彩色表示,图像是总电导及厚度的表示。可以从图件中了解到,古河道的范围如9图所示,为古河道的最准确描述,内部河道充填厚度以中部最厚。

AEM3Z-通道合成是一种图像,颜色反映了“早”、“中”和“晚”通道的振幅。当后期通道振幅较低时,图像更黑,当通道振幅较高时,图像更蓝。这些数据提供了一些关于通道填充物内部变化的信息,即哪些部分具有更大的电导。从图9可看出古河道的范围,内部深蓝色区域有更大的电导,即古河道中存在的可能性大。

图9 研究区机载电磁数据图像(AEM、AEM3Z)

5 结 论

(1)对比SRTM、辐射、磁场强度、航磁等成图,对比其古河道平面分布。古河道大致为正南北向分布,向西有轻微弯曲,确定古河道中部有一花岗岩基底隆起。

(2)SRTM 反映现代区域地貌形态的空间展布,低地貌单元反应为古河道的现代形态。总计数辐射反映研究区地表沉积物的响应以及内部基岩响应,不能真实反映古河道的地表范围。总磁强度反映基岩的岩性和基底构造图,不能真实反映古河道的分布,但是能够明确古河道基底的岩性及分布。

(3)AEM 航磁衰减常数反映古河道的范围及其填充物的性质和厚度。为古河道的最准确描述,内部河道充填厚度以中部最厚航磁 AEM3Z-通道合成图像,反映古河道填充物内部的变化,蓝色区域具有更大的电导,更适合存在渗透性砂岩和水资源。

(4)综上所述,航磁解释结果最为精确,可作为古河道平面展布最终成果。