溧水火山岩盆地地球物理场特征及火山机构圈定
2021-05-11张宝松邸兵叶黄宁朱红兵陈基炜张俊
张宝松,邸兵叶,黄宁,朱红兵,陈基炜,张俊
(中国地质调查局南京地质调查中心,南京210016)
自1979年开始,区域重力调查列入中国地质调查计划,至今已有40余载[1]。在此期间,实现了全国除台湾省外陆域1/100万区域重力调查全覆盖(除高山雪线以上等地区),编制了全国重力图,还完成了重要成矿带和经济发达区1/20~1/25万区域重力调查约620万km2。重力调查是测量与围岩有密度差异的地质体引起的重力异常,以确定这些地质体存在的空间位置、大小和形状的地球物理调查方法。重力调查应用范围广,适用于大地构造分区[2-4]、地壳与上地幔深部构造[5]、区域地质调查[6]等大尺度勘查,也是成矿带地球物理调查断裂[4,7-9]、火山岩分布及成矿预测的重要方法[10-12]。
2010年以来,中国地质调查局部署了成矿带地球物理调查工作,开展1/5万重力调查项目,并在重力勘查技术中的近区地改[13,14]、中区地改[15,16]和高程转换[16-19]三个关键问题做了系统研究,大大提高了重力调查精度,取得一系列重要成果[20-24]。
江苏1/5万溧水县幅等区域地质调查项目实施了重力调查,分析了区域场及分区特征,圈定解释了132个重力异常;推断了35条断裂构造,划分了一级、二级构造单元;识别火山构造18处,推断了51个岩体;研究了典型矿床与重磁场关系,划分了8处成矿远景区,并圈定了8个找矿靶区及查证工作;研究了宁芜盆地、溧水盆地、茅山推覆体、茅东凹陷、上黄断隆电性特征以及区域深部构造与盆地基底特征,探讨了区域基底形态、深部构造分布特征等。
一般火山构造面貌受后期地质作用的破坏、改造或掩盖,致使常规地质调查工作很难识别。常规地质调查主要采用火山岩相构造填图及地层、岩相的研究,辅以遥感地貌分析,但仍无法较好划定火山机构边界范围。
本文是在江苏溧水地区1/5万重力调查项目成果基础上,以溧水火山岩盆地为例,说明1/5万重力调查在圈定火山机构方面的作用。
1 溧水火山活动基本地质特征
溧水盆地是长江中下游断裂拗陷带中许多继承性火山岩盆地之一[25-29],中生代陆相火山岩系广泛分布,其出露面积约占全部出露地层的一半左右,它们与本区锶、铁、铜、金及膨润土等矿产的形成也有十分密切的关系。
溧水火山岩盆地,以马鞍山-朗溪断裂、南京-溧阳断裂为南北界,茅东断裂、方山-小丹阳断裂为东西边界(图1)。
中生代火山活动强烈,火山岩种类繁多,可分三个火山活动旋回。晚侏罗世出现了第一次较大规模的火山活动—龙王山旋回,形成了一套基性-中性火山岩。随后到早白垩世早期出现了第二次较大规模的火山活动—大王山旋回,形成了一套中偏碱性的火山岩。早白垩世晚期火山活动有所减弱,局部地区出现第三次火山活动—葛村旋回。总的来看,溧水火山活动具有自西向东逐渐迁移的规律,各类火山岩自西向东半环状迁移分布的特征明显,岩性则由中基性向酸性方向演化。
图1 溧水火山岩区地质简图[30-31]Fig.1 Geological sketch map of the Lishui volcanic basin
龙王山旋回主要分布于盆地中、北部,呈北西向带状分布,其周边东岗、杭村也有出露。岩性:上部辉石安山岩、玄武岩、安山质含集块角砾岩、角砾凝灰岩夹沉凝灰岩,下部安山质角砾凝灰岩、火山角砾岩、角闪安山岩。
大王山旋回沿夏家边-东芦山-观山-双尖山呈环带状分布。岩性:上部石英粗面岩,粗面质(集块)火山角砾岩和沉凝灰岩;中部粗安岩、粗安质熔结凝灰岩、角砾凝灰岩;下部沉凝灰岩、凝灰质砂岩、泥岩,含植物及丰富的孢粉,代表一次较大的喷发间歇。
葛村旋回伴有两次较大规模的由中偏碱性至酸性的火山喷发活动,相应出现上党火山岩带及甲山火山岩锥。
2 溧水岩矿石物性特征
区域岩(矿)石的物性参数特征为:
磁铁矿(K 为 163 551~775 788×10-6SI,Jr 为252 888~666 752×10-3A/m,密度为3.07~3.37 g/cm3,极化率为17.7%)为强磁性、高密度、高极化率特征;黄铜矿、赤铁矿、镜铁矿、铅锌矿等(K为0~100×10-6SI,Jr为0~10×10-3A/m,密度为3.68~3.94 g/cm3,极化率为8.3%~34.0%)为低磁、高密度、高极化特征;天青石(锶矿)(K为0~100×10-6SI,Jr为0~10×10-3A/m,密度为3.85 g/cm3,极化率为0~1.2%)为低磁、高密度、高电阻率,低极化率特征。
侵入岩具有一定磁性,其中闪长玢岩类磁性较强,如辉长闪长玢岩、辉石闪长玢岩、石英闪长玢岩、闪长玢岩等K值一般为8 500~3 550×10-64πSI,Jr值一般为1 043~335×10-3A/m,其它侵入岩磁性较低,K值一般为n×102×10-64πSI,Jr值一般为n×102×10-3A/m,Q值一般小于1,总体随酸度的增加磁性逐渐下降,密度减小,即由辉长闪长玢岩→辉石闪长玢岩→闪长玢岩→粗安斑岩→石英斑岩,磁性K 值由n×103×10-5SI,Jr值由n×103×10-3A/m降至无磁,中酸侵入岩在埋深不大时可引起数百或数千nT较为规则的磁异常。
火山岩类具有较强的磁性,磁性变化范围较大,其中玄武岩类磁性较强,K值一般为2 768×10-64πSI,Jr值一般为2 358×10-3A/m,其它磁性较低,安山岩、粗安岩、流纹岩和凝灰岩K值一般为n×102×10-64πSI,剩余磁化强度一般为n×(102~103)×10-3A/m,Q值绝大部分大于1,明显以剩磁为主,且磁化方向杂乱,一般产生正负杂乱跳跃的磁异常,出露地表时,尤为强烈,密度和视电阻率均较侵入岩稍低。
正常沉积岩无磁、低极化,地球物理场以平缓负磁场、无极化率异常为特征。
3 溧水火山盆地重磁场特征
3.1 重力场特征
溧水火山盆地位于北北东向句容-溧水-高淳相对重力高值带上,整体为“西北重力低、中部重力高、东北重力低”(图2)。
布格重力低值区主要有西北湖熟镇-陶吴镇重力低(北东向)、南东有上沛重力低(北东向)、西南有石臼湖重力低(北东向);布格重力高值区主要有卧龙山、老虎头、韩湖村、别桥重力高,均为北东向。
区内比较醒目的重力梯级带主要有方山-小丹阳梯级带、茅东重力梯级带、南渡-金坛梯级带,均为区域性深断裂的反映。呈北东、北北东向展布的异常带在走向上往往发生等值线或梯级带拐折、扭曲或被切断、错位等现象,相邻异常扭曲的连线构成北西向异常扭曲带,为后期断裂构造的反映。重力异常梯级带、扭曲带所反映的区域性断裂构成了本区区域断裂构造格架,控制了区内隆、凹成带、成块出现的地质构造特征。
3.2 磁场特征
在区域航磁△T化极异常图上,北东向磁异常带非常清晰,强度中等,说明区内岩浆活动强烈。区内磁异常强度及变化趋势与重力场有类似特征,主要存在句容平静磁场区、柘塘-溧水杂乱磁场区、茅山磁异常带。
上述区域重磁场特征与本区的地质背景关系密切:重力低值区、平静磁场区与凹陷区相对应,为一套低密度,无-弱磁性的沉积区;重力高值区,杂乱磁异常区与隆起区相对应;为局部基底隆起,侵入岩、次火山岩类高密度体的叠加,以及磁性不均匀的火山岩覆盖区;重力梯级带,次异常带主要为第二密度界面的反映。
图2 溧水火山岩盆地区布格重力异常图Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of Lishui volcanic basin
4 火山机构推断依据
溧水地区火山活动始于上侏罗世西横山期,在晚侏罗世-早白垩世出现大规模火山活动(分为龙王山旋回、大王山旋回、姚家边旋回、甲山旋回),新生代方山旋回火山活动仅发生局部地区、零星分布。前期火山构造面貌受后期地质作用的破坏、改造或掩盖,导致火山岩自西向东递进发育和叠加覆盖,大多数已很难恢复,致使地表难以识别,因此区内一致公认火山机构较少。在结合1/5万区域地质调查基础上,本文从重磁场特征研究区内火山穹隆、破火山口等分布及范围。
火山穹隆构造为岩浆上隆作用,将上覆岩层顶成穹形或拱形的构造,这种穹隆往往由同喷发旋回的熔岩和次火山岩体组成。由于本区次火山岩体如辉山闪长玢岩密度高,其在重力场会引起等轴状剩余高异常,如韩湖村火山穹隆(见图2中韩湖村重力高)。
破火山口构造是由破火口及周围的火山喷发物组成的火山构造。在地貌上呈周边地势高,内部地势低洼特点。如砚瓦桥破火山口及通道充填大王山闪长斑岩等岩脉;东岗头火山口破火山口构造外围为溢流相熔岩,通道为辉石闪长玢岩,后期塌陷形成。以上破火山口构造在重力场上多呈封闭的“负心”构造,会引起等轴状剩余负异常,它常常被剩余正异常环绕,这种环状特征在地貌和遥感图像上更为清晰。
在常规地质调查已发现或疑似火山机构地区,综合分析研究重力、磁测资料可推断火山穹隆、破火山口等[3,11]分布范围。本次推测火山穹隆、破火山构造主要依据剩余重力特征线、垂向导数、水平总梯度模等参数,航磁等资料进行圈定。
5 典型火山机构剖析
5.1 砚瓦桥火山机构
砚瓦桥破火山口位于溧水隆起北部,属龙王山早亚旋回角闪安山质火山岩喷发期所形成的火山机构。因剥蚀较深,火山机构外貌已难恢复。推测砚瓦桥一带为主要火山口,近火山口由爆发相粗碎屑岩组成。火山口相为约3 km2的闪长玢岩体-砚瓦桥岩体,北北西向近椭圆状,岩体中心相为石英闪长斑岩,属于龙王山早亚旋回晚期分异的残余岩浆填充在火山口中的产物。火山活动中心外围分布一系列玄武玢岩、辉长闪长玢岩、辉石闪长岩、闪长玢岩、花岗闪长玢岩等龙王山晚亚旋回岩脉,充填在叠加区域构造应力场特征的构造裂隙中。
砚瓦桥破火山口在布格重力图上显示负异常,剩余重力异常大致能反映出破火山口形态;航磁显示火山口外围存在多处磁高异常,与剩余磁异常反映一致。砚瓦桥破火山口大致可依据剩余重力异常“-0.2”等值线圈定。
图3 砚瓦桥破火山与重磁异常剖析图Fig.3 Analysis map of Yanwaqiao caldera and gravity-magnetic anomalies
5.2 甲山破火山口
甲山地区甲山旋回流纹岩分布呈东西长2.2 km,南北最宽1.1 km的椭圆状,主要为溢流相熔岩,底部局部发育少量爆发相碎屑熔岩。其上下都为葛村组湖盆相红层,甲山旋回属葛村早期局部火山活动的产物。甲山流纹岩基本上属裂隙-中心式火山喷发,主要受北西西向断裂控制,在中段局部见陡流理的瘤状流纹岩为主要喷发口,在北西西延长方向上有同成分岩床侵入于龙王山组火山岩中。
甲山破火山内主要充填了低密度酸性流纹岩,因此在布格重力图上显示梯级带局部陡变部位,重力剩余异常大致能反映出破火山口形态;航磁及剩余异常均显示其火山口外围存在2处磁高异常。最终,甲山破火山口大致可依据剩余重力异常“-0.5”等值线圈定。
6 火山机构解释成果
本次调查包括了二级火山机构溧水火山构造洼地区,依据地质资料,结合重磁场异常特征,共推断了火山机构18处,包括破火山、火山穹窿等,其中破火山16处、火山穹窿2处。
图4 甲山火山口与重磁异常剖析图Fig.4 Analysis map of Jiashan caldera and gravity-magnetic anomalies
图5 溧水地区重力推测火山机构分布图Fig.5 Distribution map of gravity-magnetic inferred volcanic structures in Lishui area
在本次火山机构推断解释中,重力调查、航磁资料较好地圈定了火山机构边界,这与地表地质、遥感调查有区别,主要表现重磁圈定范围略大一些,整体环形结构更加完善,常规地表调查、遥感影像无法做到。单以重磁异常直接推断火山机构也是不可行的,必须具有火山构造的地质前提下,利用重磁资料进行火山机构推断解释,为地质构造研究和资源预测提供有用信息。
7 结语
(1)利用1/5万重力调查资料研究区域构造与断裂研究表明,区域重磁场反映出基底起伏形态,深大断裂具有较宽梯级带异常,隐伏断裂一般也有较明显异常。
(2)研究典型火山机构与重磁场关系与形成机理,为解决重力调查圈定火山机构提供了技术路线。
(3)利用地质调查与重磁资料相结合方法,依据重力剩余异常、垂向导数、水平总梯度模等,可有效地推断火山机构,为今后重力调查研究火山机构提供了很好的案例。