河北小山火山的地磁场分布特征及其地质意义

李兆令

(山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

0 引 言

河北海兴小山火山是中国东部滨海平原仅有的两个晚第四纪火山遗迹之一，它与山东滨州的大山是姐妹山，记录了距今248万年第四纪以来一直活动的火山地质遗迹，地质记录完整，期间穿插有海相、河流相沉积。该火山在全新世以来依然有活动，对区域古气候演化及地壳稳定性皆有重要的影响，是渤海西岸地壳活动最直接的证据，因而成为具有重大科学价值和社会价值的地质遗迹区，受到地学界的极大关注[1-3]。为加强火山地质遗迹的保护，准确划分有科学研究价值的基础类地质遗迹点，2019年末对小山火山地质遗迹保护区开展了高精度磁测工作，通过研究地磁场分布特征，来圈定火山岩分布范围，寻找隐伏断裂，为下一步地质遗迹开发利用及保护工作提供地球物理依据。

1 地质及地球物理特征

1.1 地质特征

海兴地区位于中生代隆起，新生代持续下降所形成复合型断陷盆地的边缘。由于古地壳的隆起，基底较高，沉积层厚度比邻区小，主要为松散的陆相沉积，上部间有海相沉积。小山附近因受火山活动影响，沉积层中心较薄，四周渐厚。

区内广泛覆盖第四系。小山一带主要为岩屑凝灰岩、凝灰角砾岩及火山灰，厚度不一，0.1～10 m，最厚达30 m。层底埋深250～420 m。基底为太古宙变质岩隆起。

小山一带在区域构造单元划分上，位于埕宁断凸上，其北西方向的羊二庄断裂(走向NE)成为与黄骅断凹的分界线，南东方向的车北断裂为与济阳断凹的分界线，从而形成了简明清晰的地质构造格架。

在沧州以东地区，火山岩在新近系、第四系中呈现多层不连续分布。其岩性除新近系为安山凝灰角砾岩外，第四纪火山全部为基性火山岩，有少数玄武岩，多数为凝灰岩(基性粗凝灰岩、岩屑-晶屑-玻璃凝灰岩)和层凝灰岩(层凝灰角砾岩)[4-5]。在火山岩附近还可见混入20%以下火山碎屑的凝灰质沉积物。火山岩集中分布在5个区域，其中海兴小山有上更新世末喷发的沉积层凝灰岩和层角砾凝灰岩出露地表，其它各层火山岩均见于钻孔之中。各区火山岩层位比较稳定，分布于第四系的有4期，但大部分地区被第四系松散物覆盖或以夹层存在。

1.2 地球物理特征

1.2.1 区域航磁特征

据焦海燕[6]以往研究工作显示，海兴地区航磁异常(图1)规模较大，分布在河北省海兴县与山东省无棣县之间，在海兴东南方向。异常可分为低缓磁场区和高磁场区两部分，其中低缓磁场区呈NE走向，ΔT大部分在300 nT以下；高磁场区ΔT大部分在300 nT以上，最大值达1 200 nT，是冀东平原地区磁场强度最大的航磁异常。以二分之一极大值即600 nT等值线圈闭的异常主体呈条带状展布，走向NWW，长约35 km，最大宽度约15 km。海兴航磁异常主体部分在山东省无棣县境内，异常最大值在西北部，位于海兴县境内。将海兴航磁异常化极向上延拓5 km，异常极大值变为600 nT；向上延拓10 km，异常极大值变为420 nT，异常强度依然很大。上延10 km后异常中心与原平面化极图对比向东北方位移约7 km，由此可见磁性体规模很大、埋藏很深。

图1 海兴航磁ΔT等值线平面图(单位：nT)Fig.1 Aeromagnetic ΔT contour map of the Haixing area (unit:nT)

1.2.2 岩矿石物性参数

保护区大部分被第四系覆盖，只在小山附近有少量火山碎屑岩出露。根据搜集的钻孔资料，本区以火山碎屑岩为主，局部见变质岩(片麻岩、浅粒岩)，部分钻孔资料显示下部为玄武岩。综合岩石露头测定结果和收集的资料得到保护区各岩性物性参数如表1所示。由表1分析可知：本区岩石主要分为三类，一是以凝灰角砾岩、凝灰岩为代表的火山碎屑岩等弱磁性岩石，该类岩石磁化率基本在500×10-6×4π SI以下，磁性较弱，此类岩石广泛分布的区域一般无异常存在或磁场值较低。二是以片麻岩和浅粒岩为代表的变质岩类，该类岩石磁化率大部分在2 000×10-6×4π SI左右，属中等磁性，片麻岩和浅粒岩磁化率相近，变异系数也相差无几，不同的是片麻岩剩余磁性大于感应磁性，二者之比为3.81，有较大差异。对于暗色矿物含量较少的浅粒岩来说，剩余磁性小于感应磁性，二者之比小于1[6]。这类岩石一般对应中高值正磁异常或稍低于0值的负异常。三是以玄武岩为代表的强磁性岩石，该类岩石磁化率在7 000×10-6×4π SI以上，剩余磁化强度在10 000×10-3A/m以上，磁性较强。由于该类岩石感应磁性和剩余磁性均较强，故该类岩石分布区磁场差异较大，一般表现为强度较大的正异常，当剩余磁性与感应磁性方向相反且强度相当时，二者互相抵消，表现为低缓磁场特征。

表1 岩矿石物性参数统计表Table 1 Comparison of rock physical properties and parameters

综上所述可知，保护区内岩矿石具有明显的磁性差异，为高精度磁测的应用提供了很好的地球物理基础[7-9]。

2 地磁场分布特征研究

2.1 资料处理

将经过各项改正并剔除了突变点的地磁场数据进行网格化编辑，然后进行圆滑滤波，得到小山地区ΔT等值线平面图(图2)。为了降低倾斜磁化和浅部不均匀磁性体对地磁异常造成的影响，使磁异常形态变得相对简单，便于异常分析和解释，对ΔT进行了化极和上延处理，结果见图3和图4。

图2 小山地区ΔT等值线平面图Fig.2 ΔT contour map of the Xiaoshan area

图3 小山地区ΔT化极及成果推断图Fig.3 Map showing reduction to the pole on ΔT and inferred results of the Xiaoshan area

图4 小山地区ΔT化极上延等值线平面图Fig.4 Upward continuation ΔT contour map of the Xiaoshan area

化极处理采用的地磁倾角和地磁偏角由工作区中心点处经纬度坐标算出，分别为56.97°和-6.86°。由于小山火山经历了布容地磁极性倒转，剩余磁性的存在可能使磁性体的总磁化方向与感应磁场方向存在某一夹角，为了提高化极精度，本次化极采用李金朋等[10]提出的基于归一化磁源强度数据与磁场总场化极数据的磁化方向相关估算方法进行处理。先利用多个等间隔的磁化方向对总场进行化极处理，然后根据化极结果计算归一化磁源强度数据的相关系数，从而估算出有效磁化方向。化极后磁场高值区整体向东发生偏移，正异常和负异常强度有所变大，除此之外，异常形态及整体特征并未发生变化。

小山地区ΔT化极上延等值线平面图(上延高度分别为100 m、300 m、500 m和800 m)如图4所示。从图4可以看出，随着上延高度的加大，磁场值整体越来越低，但相对异常更突出，异常边界愈明显，异常中心向东偏移。

2.2 地磁场特征解释

小山火山地质遗迹保护区磁场值大部分在-200～200 nT之间，总体上呈现出低磁的特点，高磁区主要分布在保护区中部和东南角位置。自西向东依次出现三个高磁异常(M1、M2和M3，图2)，ΔT最大达672.8 nT。磁场等值线分布规律性较好，自南向北呈现出低-高-低的分布特征，经过化极和向上延拓处理后这种特征更加明显。保护区这种中间高、两边低的磁场特征反映了区内火山岩不同期次、不同阶段的分布格局，以及断陷盆地在火山活动时期受区域构造的影响。根据ΔT的分布特征，将保护区由南向北分为三个部分，分别编号为Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区，各区特征如下。

2.2.1 Ⅰ区

Ⅰ区位于保护区西南部，F2断裂以南，F4断裂以西。本区主要表现为平稳的低磁场值，数值较低，ΔT大部分都在60 nT以下，最低为-366.7 nT ，也是保护区内磁场最小值。该区无明显高值异常存在。化极和上延以后该区的低磁特征更加明显，且局部形成强度较大的负异常。

结合岩石物性资料分析，该区磁力线的分布特征反映了火山碎屑岩等的分布。区内火山碎屑岩主要为凝灰角砾岩、凝灰岩等，这些岩石虽具有磁性，但在小山火山岩系中属于弱磁性，因而在平面图上表现为低而平稳的磁场特征。在周良志村北存在一强度较大的负异常，上延300 m后，异常消失(图4)，可见引起该异常的磁性体埋藏相对较浅且磁性较强，推断此处为深部的变质岩基底局部变浅引起，片麻岩剩余磁场强度远大于感应磁场强度且方向相反，造成磁场反向在平面图上形成明显的负异常。

2.2.2 Ⅱ区

Ⅱ区位于Ⅰ区的北侧及东侧，F1断裂以南。该区以正磁异常为主要表现特征，磁场值整体较高，ΔT大部分在100 nT以上，最大值达672.8 nT，也是保护区内磁场最大值。区内磁力线稍显凌乱。自西向东出现三个高值异常体，分别编号M1、M2和M3(图2)。

M1异常位于保护区西部，异常形态不规则，主要由近东西向排列的两个等轴承次级异常组成，异常极大值为366.7 nT。在ΔT等值线平面图上，两个次级异常规模相似，经过化极和向上延拓以后，西侧次级异常变小，东侧次级异常变大，向上延拓300 m以后，异常只有一个，可见M1异常主体应在东侧(图4)。

M2异常位于保护区中部，介于M1异常和小山之间，异常呈规则的椭圆状，长轴方向近东西向，其北侧有负异常伴生，异常极大值为672.8 nT(图2)；化极后异常强度变大，异常中心向东偏移(图3)。以约二分之一极大值330 nT等值线圈定异常范围，长约1 000 m，平均宽约500 m。在化极和上延100 m等值线平面图上，异常北翼等值线较南翼稍密集，上延300 m及以后，异常两翼等值线疏密程度趋向一致，可见引起该异常的磁性体的产状自上而下越来越陡(图3、图4)。

M3异常位于保护区东南角，已出保护区范围，异常极大值为579.3 nT。以约二分之一极大值300 nT等值线圈定异常范围，异常呈近似圆形，直径约600 m。化极以后，异常中心向东偏移(图3)，异常形态变成近椭圆状，长轴方向近东西向，异常未封闭。异常两翼等值线疏密程度相近，可见引起该异常的磁性体的产状较陡。进行上延处理以后，异常向东偏出保护区范围，推断深度磁性体主体偏东。

M1、M2、M3三个异常体虽然异常强度不一，但其形态和走向均比较相似，尤其是经过上延300 m、500 m和800 m处理后，相似程度更大，推断其性质一致，均为古火山口的反映。该处岩性以含铁玄武岩为主，由于其形成时代较晚，受破坏程度较小，因而剩余磁性较高，加之其本身基性程度较高，磁性较强，故而在平面上形成高磁异常。

2.2.3 Ⅲ区

Ⅲ区位于Ⅱ区北部，两者由F1断裂相隔。该区是三个分区里面积最大的一个，其磁场特征与Ⅰ区相似，主要表现为平稳的低磁场值，ΔT大部分都在-60～60 nT之间，变化比较稳定，该区无明显高值异常存在。化极和上延以后该区的低磁异常特征更加明显。

结合岩石物性资料分析，该区磁力线的分布特征反映了火山碎屑岩等的分布。区内火山碎屑岩主要为凝灰角砾岩、凝灰岩等，这些岩石虽具有磁性，但在小山火山岩系中属于弱磁性，因而在平面图上表现为低而平稳的磁场特征。

2.3 断裂构造的推断

磁法推断区内断裂构造主要遵循以下几条原则：不同磁场区的分界线；线性磁力异常的梯度带；串珠状、线状低磁异常带的连线或具有一定走向的低磁异常带；线性磁力异常转折或宽度突变带；搜集到的其他地质、物化探资料曾经发现或推断的断裂[11-15]。

综合保护区磁场分布特征和地质资料，共推断出4条断裂，分别编号为F1、F2、F3和F4，具体位置见图3。

F1断裂：F1断裂位于Ⅱ区和Ⅲ区之间，基本可以作为两区的界线，断裂北侧是平缓的低磁场区，断裂南侧是高磁场区。该断裂走向近东西向，贯穿工区，其磁力线特征既表现为不同磁场区的分界线，又表现为线性磁力异常的梯度带。这一特征在上延处理后表现得更加明显，可以推断断裂两侧岩性存在明显的磁性差异。F1断裂在M1异常和M2异常之间与F4断裂相交，并被其错断，可以推断其形成时间应在F4断裂之前。

F2断裂：F2断裂位于保护区南部，基本与F1断裂平行展布，贯穿工区。自西向东依次被F3和F4断裂错断为西、中、东3段，其中西段和中段磁力线特征表现为高、低磁场区的分界线，基本可以作为Ⅰ区和Ⅱ区的界线，南侧是平缓的低磁场区，北侧是高值磁场区；东段位于Ⅱ区内，断裂两侧磁场差异变小，磁力线特征表现为串珠状、线状低磁异常带的连线或具有一定走向的低磁异常带。F2断裂形成时间在F3和F4断裂之前，应与F1断裂属同一时期。

F3断裂：F3断裂位于保护区中部，北东走向。其磁力线特征表现为串珠状低磁异常的连线或线性磁力异常的梯度带[16-20]。断裂穿过Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个磁场区，与F2和F4断裂相交，并将F2断裂错断，推测其形成时间应在F2断裂之后。

F4断裂：F4断裂位于保护区中部，北西走向。其磁力线特征表现为串珠状低磁异常的连线。断裂穿过Ⅰ区、Ⅱ区和Ⅲ区三个磁场区，其南段为Ⅰ区、Ⅱ区的界限，西侧磁场值较低，变化平稳，东侧相对较高。该断裂与F1、F2和F3断裂均相交，且将F1和F2断裂明显错断，推测其形成时间应在F1、F2断裂之后。

3 结 论

(1)小山火山地质遗迹保护区大部分磁场值在-200～200 nT之间，总体上呈现出低磁的特点；高磁区主要分布在保护区中部和东南角位置，自西向东依次出现三个高磁异常体。保护区磁力线自南向北呈现出的低-高-低的分布特征，大致反映了普查区内火山岩不同期次、不同阶段的分布格局，以及断陷盆地在火山活动时期受区域构造的影响。

(2)根据磁场特征，将保护区分为三个区块，其中Ⅰ区和Ⅲ区都以平稳的低磁场值为主要表现，反映了火山碎屑岩等的分布，局部可能有变质岩存在。Ⅱ区以正磁异常为主要表现特征，磁场值整体较高，圈定的M1、M2和M3异常体在异常形态和走向上都比较相似，均推断为古火山口的反映，大致指示了玄武岩的分布。

(3)保护区共推测出断裂4条，F1、F2断裂近东西走向，F3北东走向，F4北西走向。从4条断裂的交汇关系及空间分布位置判断，F1、F2断裂形成时间较早，F3和F4断裂形成时间相对较晚。