北秦岭华阳川地区重磁三维反演及岩浆岩特征研究

郭培虹，冯治汉，王万银，唐小平，刘生荣

(1.中国地质调查局 西安地质调查中心，陕西 西安 710054； 2.中国地质调查局 造山带地质研究中心，陕西 西安 710054； 3.长安大学 重磁方法技术研究所,陕西 西安 710054; 4.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054)

0 引言

北秦岭地区位于华北板块与秦岭造山带接触部位，是秦岭造山带北部边缘重要的组成部分。该区岩浆作用强烈，岩体分布广泛，如老牛山杂岩体、华山岩体、华阳川碳酸岩体及金堆城花岗斑岩体等。前人认为区内中生代的中酸性花岗岩与成矿关系最为密切，诸如有学者指出新发现的华阳川铀多金属矿床属于与伟晶岩和碳酸岩有关的铀—铌—铅—稀土矿床[1]，金堆城钼矿和黄龙铺钼矿床的成因均与碱性花岗斑岩有关[2-5]。研究区内岩浆岩的深部空间分布特征，可以弥补地表地质填图的不足，同时对深部找矿具有重要指示意义。

重磁数据的三维反演技术目前已基本成熟，并在实际勘探中获得应用。Williams[6]通过理论模型说明含地质约束重磁三维反演的有效性和可行性，并在澳大利亚西部Perseverance镍矿床勘探中取得良好应用效果；Boszczuk等[7]利用岩石密度和地质信息建立初始反演约束模型进行重力三维反演，在多个VMS矿床勘探中取得良好应用效果；兰学毅等[8]、向杰等[9]在安徽铜陵矿集区开展了基于先验信息约束的重磁三维交互反演建模技术；祁光等[10]、罗凡等[11]在安徽泥河铁矿和庐纵矿集区开展先验地质信息约束的重磁三维反演，全面分析了矿体、地层与次火山岩之间的空间分布及对应关系；严加永等[12-13]以安徽庐枞矿集区为例开展利用地质约束条件下的重磁三维反演结果开展三维岩性填图。胡斌等[14]在青藏高原冈底斯带及邻区开展了三维反演，综合分析三维密度和磁化率结果模型，对岩浆岩做了进一步区分。综上所述，在重磁三维反演应用中，影响因素众多，为降低重磁数据三维反演多解性、提高分辨率，通常加入岩石物性、地质和其他地球物理资料作为约束条件，在地质结构研究、深部找矿和地质填图等领域可以取得良好的应用效果。

近年来，北秦岭华阳川地区完成了1∶5万地面重力、航空重力和航磁勘探调查，1∶10万地面重力勘探调查及数条电法剖面勘探，为区域内三维重磁模型的建立和反演提供了可靠的基础数据。本文采用综合地球物理方法建立了华阳川地区地表面积约792 km2(33 km×24 km)，地下4 km深度的三维地质—地球物理模型，给出深部地质体的几何形态、深度范围和物性分布等特征。对三维地质模型进行了地质解释，全面分析了岩体、地层之间的空间分布及关系。三维反演结果显示的浅部特征与地表地质填图结果基本吻合，且反映了深部老牛山岩体、华山岩体和华阳川韧性剪切带的三维形态和空间分布，结合地质资料，初步认识了华阳川韧性剪切带的形成过程。

1 地质背景

北秦岭华阳川地区位于陕西省渭南市华县、华阴市和商州市洛南县交界地带，地处北秦岭东段的小秦岭西部，隶属华北陆块南缘的太华断隆[1-5](图1)。区内地层出露主要为太古宇太华岩群，该地层因被不同时期侵入岩侵吞，呈规模不等、形态各异的残体或包体。岩性为混合岩化黑云(角闪)斜长片麻岩、黑云钠长片麻岩、混合片麻岩等。区内出露花岗岩以燕山期中—酸性花岗岩体为主，主要分布在华阳川断裂带附近。岩体规模有大有小，大的多为岩基，岩石类型以(黑云母)二长花岗岩为主；小的浅成侵入斑岩体为主，并且多围绕岩基周缘分布产出，岩性以闪长玢岩、二长花岗斑岩、花岗斑岩以及斜长花岗斑岩等为主，岩基和小岩体属同源不同深度侵位的产物。典型的岩基、大岩体如华山二长花岗岩(146Ma+)[3]、老牛山二长花岗岩(144.5Ma+)等，代表性的小岩体如金堆城花岗斑岩(143.7Ma+)等[4-5]。

图1 陕西华阳川地区地质背景及物探剖面位置示意Fig.1 Geological background map and geophysical profile location diagram of Huayangchuan Area, Shaanxi Province

2 重磁数据处理及物性统计

2.1 数据来源及重磁数据处理

2.1.1 重力数据

2010～2011年陕西省地矿局第二综合物探大队在本区开展了1∶10万重力测量，2017～2018年中国地质调查局西安地质调查中心完成了工区部分1∶5万地面和航空重力测量，以上数据构成了本次建模的重力数据基础。

以地面重力数据为基准，在同一位置反映相同地质体的航空重力和地面重力数据中，选取均匀分布的控制点，通过多元回归分析法，建立航空重力和地面重力的转换关系；以地面重力数据为基准，将航空重力数据换算到地面，并利用地面1∶10万数据进行补空和扩边，得到本文所需的重力数据。根据本次4 km深度建模的目的，将数据网格化，网格间距为100 m，采用滑动平均滤波、趋势分析法、垂向二阶导数法和解析延拓法对华阳川地区重力数据进行了区域场与剩余场分离，经与地表地质对比，认为解析延拓方法(上延2 km)求取的剩余重力异常满足后续反演计算的要求(图2a)。

2.1.2 磁测数据

本次采用的磁测数据为2016年中国自然资源航空物探遥感中心在华阳川矿床及其外围完成的 1∶1万高精度航空磁测数据。利用Geosoft Oasismontaj地球物理软件进行中高纬度的化磁极处理，其中输入的地磁倾角为52.46°，地磁偏角为-3.37°，并将化极异常作为三维反演的输入数据(图2b)。

图2 研究区重(a)、磁(b)异常Fig.2 Gravity(a) and magnetic(b) anomaly map in the study area

2.1.3 电法数据

2018～2019年中国地质调查局西安地质调查中心在本区实施完成了大地电磁、广域大地电磁、AMT、短偏移距瞬变电磁、频谱激电5种电法手段，共16条，其剖面位置见图1。电磁法剖面同已知的地质图、钻孔、实测地质剖面信息作为初始模型，加入到三维反演模型中，对三维反演计算进行约束和控制。

2.2 物性特征

物性是连接地球物理与地质的纽带和桥梁，笔者对工区1137块物性标本的密度、磁化率进行了统计分析，为后续2.5维和三维反演计算提供依据。物性统计结果见表1和图3。

表1 地层、岩体密度及磁化率

华阳区地区岩(矿)石物性具有以下特征：

1) 华山岩体和老牛山岩体具有低密度、较高磁性的特征；

2) 长城系老地层为低密度无磁或弱磁性，另熊耳群洛源组的细碧岩、细碧玢岩为高密度(2.85 g/cm3)高磁特征；

3) 太华岩群片麻岩岩套为中等密度、中等磁性特征，其中翁岔铺片麻岩套的密度低于大月坪片麻岩，磁性比大月坪片麻岩略强；

4) 燕山期侵入岩体(ηγKX、ηγKH、ηγKY、ηγKC、ηγKD、ηγKS)密度和磁化率呈正相关性(图3黑色虚线)，分析其岩性可知，岩性均为含斑黑云二长花岗岩，但ηγKS为细粒含斑黑云二长花岗岩，而其他为中粒或中—细粒含斑黑云二长花岗岩，说明同一岩性的岩体，其粒度小且致密，其密度相对较大，磁化率相对较高。

图3 研究区岩体、地层密度及磁化率散点分布Fig.3 Dispersion distribution of rock mass, formation density and susceptibility in the study area

5) 太古宇片麻岩套(Ar2Dgg、Ar2Mgn、Ar2Hgn、Ar2Wgn)的密度和磁化率呈负相关性。大月坪片麻岩的岩性为花岗片麻岩，其岩性单一，主要矿物为弱磁特性，随之岩石经过不同程度的变质、分化剥蚀，变为黑云斜长片麻岩、角闪斜长片麻岩和黑云斜长角闪斜长片麻岩等，岩石中的磁性矿物(黑云母、绿泥石、绿帘石等)含量逐渐增加，致使其岩石磁化率逐渐增加，而岩石的紧密性也因多种矿物的充填而产生了微小的空隙，使的密度值变小。

研究区岩体、地层及矿石具有明显的物性差异，利用重磁异常可较好地划分各岩性单元的空间展布，为下一步三维地球物理—地质模型提供了地球物理前提。

3 重磁三维反演技术流程

集成已有地质、钻孔、岩性和地球物理资料，尤其是充分利用多种地球物理数据，包括航空、地面、测井等资料，通过数据融合、多方法组合等，建立工区三维地质—地球物理模型，实现对工作区三维地质结构的刻画。具体反演流程如图4所示。

图4 三维地质建模技术路线Fig.4 3D geological modeling technology route

3.1 初始模型的建立

主要包括对地表岩性单元或地质单元进行简化，钻孔数据、岩石物性测量，岩性与物性对应关系分析，利用回归分析法对不同尺度、空间的地球物理数据融合处理，对电磁剖面的推断解释，并将多元数据信息作为三维反演的初始模型，其中钻孔信息和电法剖面提供深部主要地层单位的边界深度，一般在重磁反演中作为重要的约束，保持不变。

3.2 2.5D地质—地球物理模型构建

本次剖面反演利用了剩余布格重力异常和化极磁异常的网格数据，对网格数据进行点距100 m，线距1 km的剖面数据提取，研究区地质构造和重磁异常多为NWW、NE向或近EW向，所以二维剖面方向取为SN向，共建立了34条人机交互反演剖面，从西往东线号依次为L3853、L3903、L3913、L3923、……、L4233、L4283，其中L3853和L4283为外扩剖面。

使用澳大利亚Tensor Research公司开发的Model vision软件对研究区34条剖面进行反演拟合计算，模型EW向延伸500 m，背景密度设置为2.67 g/cm3,背景磁化率为0 SI，反演深度为地下4 km，为了消除模型的边界影响，将模型体向东西南北向各延长了10 km，获得了该区2.5维的地质反演结果。图5展示了通过华阳川韧性剪切带L4083剖面的曲线拟合结果及地质解释。

图5 L4083剖面2.5D反演解释结果Fig.5 2.5D inversion interpretation result of the section L4083

本步骤实质为将地球物理异常转化为地质信息的过程，其推断和解释的地质剖面是否合理至关重要，因为该步的结果将作为后面三维地质建模的初始模型，将影响整个三维地质模型的结果。

3.3 重磁三维反演

把拟合的34条2.5维地质—地球物理剖面作为初始模型，利用Intrepid Geophysics公司的GeoModeller，采用“基于规则建模”的原则，遵循地层层序关系，进行综合三维地质—地球物理模型建模计算，并结合已知的地质图、钻孔及地质柱状图等信息对模型进行反复修改，再进行三维反演计算，直至得出与地质规律相符合的三维模型为止。在整个模拟过程中，物性与岩性的对应关系保持不变。

通过本次区域三维反演，可以提取区域内地层、构造、岩体的三维空间分布和深部地层、岩体之间接触关系，同时可提供深部成矿信息，结合成矿模型开展深部成矿预测。针对矿区三维建模，可以全面分析控矿地层、矿体和岩体的空间关系等，尤其是华阳川铀矿区的含矿地层和周边岩体的接触关系。

4 三维地质—地球物理模型解释

三维地质模型反映了丰富的地质信息，通过对三维地质模型的分析，可为区域构造、岩体分布、控矿构造华阳川剪切带的空间分布提供了丰富的信息。

4.1 区域地层、岩体的空间分布特征

通过三维地质模型(图6)可知研究区三维地层、岩体分布情况：在研究区的东南部地层从寒武系、震旦系、蓟县系、长城系到太古宇的太华岩群均出露完整，且形成向斜构造，向斜构造的轴部位于研究区的西南角，走向为EW向；研究区的西南部出露古元古界铁洞沟组。研究区的西北和东北部基本为岩体和太华群的片麻岩套覆盖。以华阳川韧性剪切带为界，界线的西南地区广泛分布老牛山复式岩体(包括侏罗系和白垩系岩体)，岩体规模巨大，埋深较深，在本次反演的地下4 000 m处为见岩体根部。界线以北，分布华山岩体(包括葱峪岩体、大夫峪岩体、翁峪岩体、西峰岩体和杜峰岩体)，根据三维反演结果显示，华山岩体在研究区内的规模较大，但埋深较浅。在麻地沟一带出露小河岩体(ηγPt2G)，规模和埋深均较小。研究区岩体与地层之间主要为断层接触和侵入接触，复式岩体内不同岩性单元之间呈涌动型侵入接触关系。

图6 研究区三维地质模型示意(图例同图1)Fig.6 Diagram of three-dimensional geological model in the study area(the legend is the same as Fig.1)

4.2 华山岩体、老牛山岩体与华阳川韧性剪切带三维形态与分布特征

在整个工区建立的三维地质—地球物理模型的基础上，为进一步精细刻画华阳川铀矿矿区及外围的三维地质结构，利用剩余重力异常进行三维密度反演(图7)。反演结果直观地展示出华山岩体、老牛山岩体和华阳川韧性剪切带的三维形态和分布。为验证本次三维反演的结果，并分析华山岩体、老牛山岩体和华阳川韧性剪切带的深部接触关系，截取了横跨华阳川铀矿区、老牛山岩体和华山岩体的Z2剖面，通过对比反演密度剖面和已有电阻率剖面，发现两者具有很好的对应关系(图8)，说明本次三维反演的结果可靠且符合地质规律。通过图7、图8可知：

图7 华山岩体、老牛山岩体和华阳川韧性剪切带的空间分布Fig.7 Spatial distribution of Huashan rock mass, Laoniushan rock mass and Huayangchuan ductile shear zone

图8 华山岩体、老牛山岩体与太华岩群深部接触关系Fig.8 Deep contact relationship between Huashan rock mass, Laoniushan rock mass and Taihua rock group

1) 老牛山岩体和华山岩体在深部空间上并不联通，结合同位素年龄[15-19]，华山岩体侵入早与老牛山岩体,两者可能并不同源。华山岩体下覆地层为太华岩群，认为华山岩体源区为太华岩群。

2) 华阳川韧性剪切带大致呈“漏斗形”,NW走向，EW向长6 km，SN宽为0～200 m不等；在深部2 km时，宽度变窄至40～50 m。剪切带的密度随着深度变化逐渐变大，到深部2.5 km处接近太华岩群密度。且2018年实施的广域电磁剖面结果，佐证了本次推断华阳川韧性剪切带的形状及规模。

3) 结合同位素年龄，华阳川韧性剪切带形成于400 Ma，而华山岩体、老牛山岩体大约在140 Ma侵入就位，演化过程中，韧性剪切带受岩体侵位时挤压而变形；在中—新生代以来，由于华山岩体、老牛山岩体发育节理及脆性断层，早期韧性剪切带由叠加脆性变形再次被活化。

5 结论

本文尝试在地形地质“双复杂”地区开展了区域和矿区两个尺度的三维反演与建模工作。集成航空、地面和测井等不同来源、不同属性、不同维度的数据资料，通过多方法数据整合处理、多元数据融合、数据验证、联合反演等工作，构建了工作区三维地质—地球物理模型，获取了华阳川地区深部矿体、地层、构造、岩体的空间结构与分布特征，为华阳川铀矿区勘探开发与深、边部找矿提供地球物理依据。

1) 从区域重磁三维反演结果可知：研究区内地层、岩体等的深部的形态和空间分布规律，有助于地质人员快速了解和掌握区内的地质背景。

2) 由华阳川矿区及外围三维密度反演结果可获取华山岩体、老牛山岩体和华阳川韧性剪切带的三维形态和分布特征。结合地质资料，初步推断解释了华阳川韧性剪切带的形成过程，及与华山岩体、老牛山岩体的接触关系。并利用野外最新的广域电磁剖面佐证了本次三维反演的结果。