新疆准噶尔北缘覆盖区深部地质结构及其地质意义——来自综合地球物理探测的证据

刘尧, 孟贵祥, 吕庆田, 张贵宾, 邓震, 祁光, 薛融晖

1 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院， 北京 100083 2 中国地质科学院， 北京 100037 3 中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心， 北京 100037

0 引言

准噶尔北缘盆山结合带是中亚造山带的重要组成部分，位于西伯利亚板块和准噶尔—哈萨克斯坦板块的结合部位，历经大洋扩张、古洋盆洋壳俯冲消减、碰撞和板内运动等复杂的构造演化过程.准噶尔北缘发育有两条重要的蛇绿混杂岩带：扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带、卡拉麦里蛇绿岩带，同时发育少量早古生代与俯冲相关的岛弧火山岩.所以，一直以来准噶尔北缘盆山结合带都是地质学家研究的热点，研究内容涉及：北疆地区古生代构造格局和造山作用、准噶尔洋盆演化时限、古板块边界、蛇绿岩带形成时代、成因类型及构造环境等重大地质问题(Xu et al.，2013；Xiao and Santosh，2014；Su et al.，2010，2012; Zhang et al.，2009; Liu et al.，2013; Luo et al.，2016，2017).

针对区内出露的扎河坝蛇绿岩带，地质学家对其构造环境、侵位过程、形成时代等进行了深入的研究.李锦轶等(1990,1995)认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带是奥陶纪期间存在的并于晚志留世之前关闭东准噶尔洋盆的洋壳残片，提出其侵位过程可以分为俯冲、碰撞仰冲和陆内逆冲推覆等三个构造阶段.黄萱等(1997)认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带形成于早寒武世，并且早奥陶世到早泥盆世期间，该蛇绿岩带的不同地段叠加了后期热事件.肖文交等(2006)认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带是古亚洲洋的残余，并以洋内弧的形式向北拼贴到阿尔泰地体南缘，形成科迪勒拉型俯冲边缘.牛贺才等(2009)研究发现该蛇绿岩带内存在超深俯冲后折返的洋壳，认为其是大洋板块的超深俯冲带，进一步证实北疆地区晚古生代新增陆壳是古亚洲洋多次俯冲作用的产物.

虽然针对该区域的研究很多，也取得了丰硕的成果，但是已有研究，绝大多数都是针对区内出露较好的基岩区进行的.以往对准噶尔地区的地质研究，多是将其分为东、西准噶尔进行相对独立的研究，仅有少数学者进行了东、西准噶尔的系统对比研究(李涤等，2013).在东、西准噶尔之间是大片被中新生代松散沉积物覆盖的浅覆盖区，地表基岩出露少，构造形迹不明显，基础地质资料不足.这影响了对准噶尔北缘盆山结合带的整体研究，导致对一些重要基础地质问题认识比较模糊，争议较多，如区域性乌伦古河深大断裂、扎河坝深大断裂等在覆盖区内延伸方向及空间分布位置？西准噶尔出露的洪古勒楞蛇绿岩带与研究区扎河坝蛇绿岩带之间是否还有蛇绿岩带存在，若存在，其在覆盖区内空间展布如何？萨吾尔—二台岛弧和谢米斯台—库兰喀孜干岛弧等次级构造单元的分界线在哪里？

针对中新生代松散沉积物覆盖层对下伏基岩地质情况的“遮蔽”作用，一般通过带地质-地球物理约束的三维反演，获得地下三维密度、磁化率结构(Lü et al.，2013；陈辉等，2015；祁光等，2012，2014；索奎等，2018；严加永等，2015，2017；邓震等，2019).本文在三维反演的基础上，利用综合地球物理探测方法，揭示深部隐伏构造、岩浆岩空间展布，结合前人区域地质、岩石地球化学、同位素地质年代学研究成果，进一步厘定区域断裂在覆盖区的展布、确定各构造单元边界，并探讨扎河坝蛇绿岩带所代表的古洋盆的俯冲极性及其地质意义.

1 区域地质与地球物理特征

1.1 区域地质背景

研究区属于准噶尔北缘盆山结合带的一部分，位于东西准噶尔造山带衔接处，属哈萨克斯坦—准噶尔微板块，其北侧为西伯利亚板块，南部以红岩断阶带北断裂吐孜托依拉断裂为界与准噶尔盆地内乌伦古凹陷相邻.自北向南跨越的三级构造单元包括：萨吾尔—二台晚古生代大洋岛弧、扎河坝早古生代沟弧带、谢米斯台—库兰卡孜干—纸房—琼河坝早古生代岛弧.

区域上主要出露奥陶系、泥盆系、石炭系，二叠系、白垩系地层和第三系、第四系松散盖层(图1).区域断裂主要为北西-南东向，其次为北北西向、北东向和近东西向(图1).以往基础地质研究已查明的区域深大断裂有：(1)额尔齐斯大断裂，位于额尔齐斯结合带内，该断裂为岩石圈断裂，发育碎裂-糜棱岩带，属压扭性质，北盘南冲，具明显韧性剪切.(2)可可托海—二台断裂，主要以北北西向右行走滑剪切为主，形成糜棱岩、糜棱岩化岩石，南东-南东东向具有糜棱岩化与劈理化共同作用的特点.(3)萨尔布拉克断裂，被可可托海—二台断裂右行错动，断裂以北为额尔齐斯—玛因鄂博缝合带，以南为二台古生代复合岛弧带.该断裂对该区火山沉积作用尤其是岩浆侵入活动有明显的控制作用.(4)扎河坝断裂，切割寒武-奥陶纪扎河坝蛇绿岩和中、下泥盆统，图1中蛇绿岩带北界断裂.野外地质剖面测量显示该断层性质为向北倾的逆断层，与乌伦古河大断裂倾向相对.(5)乌伦古河大断裂，图1中扎河坝蛇绿岩带南界断裂，呈北西-南东走向，倾向南西，断裂在扎河坝以东地区出露较好，扎河坝以西被第四系覆盖.

图1 区域地质构造图(a)及综合地球物理剖面位置(b)Fig.1 The tectonic setting (a) and geophysical profile (b)

研究区侵入岩出露最为广泛的为石炭世花岗质侵入岩，基性侵入岩仅少量分布.其中早石炭世壳幔混源I-A型花岗岩分布在乌伦古河断裂—萨尔布拉克大断裂之间，侵入的最新地层为下石炭统姜巴斯套组，出露的岩性主要包括闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩等.晚石炭世幔源A型花岗岩(扎河坝碱长花岗岩)主要分布在乌伦古河断裂以南，侵入的最新地层为下石炭统黑山头组，出露的岩性主要包括辉长岩、闪长岩、正长花岗岩、碱长花岗岩等.

1.2 地球物理特征

1.2.1 区域卫星重力场特征

区域重力异常来自全球布格重力异常(WGM2012)，数据分辨率为2′×2′，数据范围87°E—91°E,44°N—48°N.区域重力异常显示(图2a)，研究区位于准噶尔东北缘布格重力负异常梯度带东北部、乌伦古—二台重力高异常区内.区域布格重力场由西北向西南和东北明显递减(图2a)，局部重力异常比较发育，主要表现为相对高值区等值线封闭和北西向“纺锤状”的等值线同向弯曲等.北西向重力区域布格重力相对高值区对应于泥盆纪中基性火山-沉积建造.卫星布格重力异常表明本区莫氏面埋深偏浅，地壳薄，集中表现了以莫氏面为主导的深部构造隆起区和上层建造变化的特点.

1.2.2 区域磁场特征

区域磁异常来自全球磁异常(EMAG2)，数据分辨率为2′×2′，数据范围87°E—91°E,44°N—48°N.区域磁异常显示(图2b)，研究区位于扎河坝—二台正磁异常内，以北西向条带状展布为特征，中部高两侧低.中部正磁异常推测为隐伏中基性火山岩及或基性、超基性岩浆岩体引起，以此为中心向南北方向阶梯状递减，在南部乌伦古河断裂南盘(下降盘)附近，表现为北西西向负磁异常.条带状的弧形异常主要与泥盆纪-石炭纪的火山岩建造中磁性体有关.条带状正负磁异常相间的格局表明它们之间存在构造(向斜或者背斜).局部正磁场异常反映了浅部中基性火山岩及可能存在的基性-超基性岩浆岩体的分布特征.

图2 区域重磁异常(图中黑色框为研究区范围)(a) 布格重力异常； (b) 磁异常.Fig.2 Regional gravity and magnetic anomalies (study area in the black frame)(a) Bouguer gravity anomalies； (b) Magnetic anomalies.

1.2.3 岩石物性特征

对研究区内各类地质体的物性的测定、统计和特征分析是进一步开展地球物理反演解释的基础，是推断地下物质组成的必要条件.为此，本次研究通过野外实测并收集前人物性研究成果，得到该区岩石密度、磁化率、电阻率，对它们进行综合统计分析.

全区密度最低者为中新生代盖层，平均1.49 g·cm-3.沉积岩平均密度2.65 g·cm-3，其中凝灰质砂岩密度较高，达到2.75 g·cm-3.侵入岩密度平均值2.59 g·cm-3，主要为酸性侵入岩，相对于周围地层密度偏低，随酸性增强，密度逐渐减小.火山碎屑岩密度可分为两类：凝灰岩密度较高，平均2.76 g·cm-3；火山角砾岩密度相对略低，平均2.64 g·cm-3.火山熔岩中粗面岩、英安岩密度较低，平均值为2.61 g·cm-3；基性火山熔岩平均值2.78 g·cm-3，其中玄武岩密度平均为2.82 g·cm-3，为全区密度最高的岩石(表1).

表1 研究区岩石物性参考表Table 1 Physical property parameters of rock in the study area

区内岩矿石磁化率普遍呈弱磁性，其中火山岩磁性相对较高，玄武岩、安山岩等火山熔岩均值5.68×10-3SI，以凝灰岩为代表的火山碎屑岩均值5.84×10-3SI.侵入岩中以辉长岩、辉绿岩为代表的中基性侵入岩磁性最强；酸性侵入岩中二长花岗岩磁性最强，正长岩次之，其余近无磁性.另外，流纹岩、安山岩均存在一定剩余磁化强度，其中流纹岩剩磁最强.

地表出露岩石电阻率远高于中新生代盖层，其中花岗岩电阻率最高，火山碎屑岩次之，沉积岩类电阻率处于火山碎屑岩和中基性火山熔岩之间，电阻率最低的是粗面岩.

2 数据与研究方法

2.1 数据采集与剖面布设

本次研究所用重磁数据均来自1∶5万地面测量，测量网格为100 m×500 m，数据范围60 km×40 km.重力数据使用CG-5 型重力仪测量，磁法测量使用GSM-19T磁力仪.电磁测深数据采集使用EH-4电导率成像系统，采集频率范围10～100 kHz，偶极距40 m，接地电阻不大于2000 Ωm，观测参数为Ex、Ey、Hx、Hy.

为了揭示准噶尔北缘覆盖区下伏基岩地质情况(地层、构造、岩浆岩)，于扎河坝蛇绿岩带西侧布设一条平均点距200 m，总长42 km的综合地球物理探测剖面(图1中 AB剖面).该剖面近似垂直区域构造线方向，经过主要区域重磁异常，由北向南依次穿过萨吾尔—二台晚古生代大洋岛弧、扎河坝早古生代沟弧带、谢米斯台—库兰卡孜干—纸房—琼河坝早古生代岛弧等三级构造单元.旨在厘定区域断裂在覆盖区的展布、确定各构造单元边界、查明扎河坝蛇绿岩带在北西方向的延伸情况等基础地质问题，并依次为切入点讨论该区的构造演化过程.

2.2 重磁数据处理及场分离

野外实测重力数据进行了八方位地形改正、布格改正和正常场改正，获得布格重力异常.为消除斜磁化的影响，对原始磁异常进行了化磁极处理，得到化极磁异常(图3).

图3 研究区重磁异常(a) 布格重力异常; (b) 化极磁异常.Fig.3 Gravity and magnetic anomalies in the study area(a) Bouguer gravity anomalies; (b) Reduction to the pole magnetic anomalies.

利用重磁数据进行三维反演之前，需要对异常进行分离，去除莫霍面、居里面起伏等深部地质结构引起的区域重、磁异常，获取隐伏断裂、侵入体、火山岩地层分布等目标地质体引起的局部剩余异常.研究区为戈壁覆盖区，地势平坦，故反演无需考虑地形起伏影响.

重磁异常分离方法比较多，但各种方法均有利弊，实际应用中往往需要根据不同地质情况，对比分析各方法的效果，最终选用实际效果最好的方法.本文对向上延拓、窗口滤波、趋势分析三种方法的场分离结果进行对比实验，发现利用向上延拓8 km求取得到的剩余场与地表已知地质信息吻合度较高，因此采用向上延拓8 km的方法计算区域场.然后从布格重力异常减去区域重力场得到剩余布格重力异常(图4a); 从化极磁异常减去区域磁场得到剩余化极磁异常(图4b).因为磁异常受浅部高频干扰较大，因此所得到的剩余磁异常含有很多毛刺，这样会导致后续反演误差变大，迭代无法收敛.为了改善反演结果，对剩余磁异常进行低通滤波，使得数据相对平滑.

图4 研究区剩余重磁异常(a) 剩余布格重力异常； (b) 剩余化极磁异常.Fig.4 Residual gravity and magnetic anomalies in the study area(a) Residual Bouguer gravity anomalies； (b) Residual reduction to the pole magnetic anomalies.

2.3 重磁三维反演

本文使用基于先验信息约束的重磁三维反演方法(Li and Oldenburg, 1996, 1998)获取研究区深部的密度和磁化率结构.根据本文的研究目标，结合重磁异常的范围及分辨率，确定反演深度范围自地表至地下8 km.正则化反演的本质是最优化问题，通过最小化目标函数(式1)求解该最优化问题，最终获得最优解模型.

(1)

φd=‖Wd(Gm-dobs)‖2

=‖diag(1/σi)·(Gm-dobs)‖2,

(2)

(1)式中右端第一项为数据拟合差函数；第二项为模型目标函数，μ是正则化因子；第三项为对数界限函数，λ为界限参数.(2)式中G是核函数矩阵；m是模型；dobs为实际观测数据；σi为第i个数据的标准差，其倒数构成一个对角矩阵，即为权重矩阵Wd.

(3)

式中m0是参考模型；wr是距离加权函数；αs，αx，αy和αz是分别为模型长度系数和x,y,z三个方向的光滑系数.

本文重磁三维反演所采用的剖分网格方案为：在网格中心及周边区域水平方向采用最大分辨率200 m×200 m，之后网格尺寸等间隔扩大，最大网格尺寸1000 m×1000 m；垂向最大分辨率为100 m，反演深度8000 m；网格单元总数为322×218×46个.

本次反演设置解模型密度变化范围为-0.4～0.4 g·cm-3，磁化率变化范围为0～0.1 SI.考虑该区地层主要为火成岩地层，且构造线方向为北东向，所以对于重力三维反演，设定模型的长宽高比值为5∶2∶2；磁三维反演时设定模型的长宽高比值为5∶4∶4.正则化因子μ的选取与观测数据的误差水平有密切关系，误差较大时选取较大的μ值，反之应选取较小的μ值.本文采用广义交叉验证(GCV)方法(Li and Oldenburg, 2003)来估计观测数据误差并计算μ值.

剩余布格重力异常的三维反演结果(图5)显示：研究区密度结构具有横向非均匀性，高密度体与低密度体交替出现，而且纵向有向深部延伸的趋势.从三维切片图可以看到，密度结构的走向与地表构造线走向一致.高密度体主要为隐伏的中基性火山岩体或地层，低密度体对应深大断裂的破碎带或沿断裂由深部侵入的酸性岩体.剩余化极磁异常反演结果(图6)显示：磁性体在研究区东北区域连续分布，反映了泥盆纪火山岩地层的赋存状态；高磁体中间的零散分布的低磁性物质以及热液蚀变导致的热退磁的火山岩；北西向的负磁异常，对应无磁性的断裂破碎带.

图5 密度结构图(a) 三维密度结构的正演重力异常; (b) 重力反演结果.Fig.5 3D view of density structure(a) Gravity anomalies of 3D density structure; (b) Results of gravity inversion.

图6 磁化率结构图(a) 三维磁化率结构的正演磁异常; (b) 磁反演结果.Fig.6 3D view of susceptibility structure(a) Magnetic anomalies of 3D susceptibility structure; (b) Results of magnetic inversion.

2.4 隐伏断裂识别

多尺度边缘检测深大断裂通常是活动断裂构造，其上下盘的相对运动会错断早期存在的地层单元或地质体，形成较宽的断裂破碎带，并且经常沿断裂会发育岩浆活动，形成侵入岩体.破坏原有的地质体的物质结构，形成横向的密度差异，为重力识别隐伏断裂提供了物性前提.

多尺度边缘检测方法被证明在隐伏断裂识别中有较好的效果(严加永等,2015)，本方法首先通过一系列向上延拓获得反应地下不同深度的重力场值，再计算水平总梯度模的局部极大值，此极大值所在位置即为物性边界.并且根据不同延拓高度的场值所识别出的边界位置，可以定性判断边界在深部的倾向信息.本文以布格重力异常作为初始场，向上延拓高度自100～8000 m，并对9个延拓高度的场值进行多尺度边缘检测(图7).

图7 多尺度边缘检测结果Fig.7 The result of multiscale edge detection

边缘检测结果中的线性线束为隐伏断裂，环状或有闭合趋势的形状对应隐伏岩体边界.该区主要构造方向为北西方向，另外区内北东向断裂也较发育，但规模不及北西向断裂，这与搜集得到的区域地质调查成果一致.结合剩余重力异常、化极磁异常、浅钻化探取样结果以及基岩出露区地质资料，综合对比研究，得到覆盖区断裂体系分布(图8)，解译出北西向深大断裂4条：F1—F4.从异常错断和扭曲的特征看，区内北东向断裂多错断了早期北西向断裂构造，多为左行断裂属性，但断裂深度、规模不大.

图8 隐伏断裂体系分布Fig.8 Distribution of faults

2.5 地球物理综合剖面2.5维交互式联合反演

为了获取研究区的深部精细地质构造，对综合地球物理探测剖面(图1中 AB剖面)进行人机交互联合反演.具体研究思路为：首先利用重力、磁法、 AMT数据的单一物性反演结果构建初始地质-地球物理剖面模型，然后利用Modelvision软件进行人机交互联合反演.重磁异常有很好的横向分辨率，但深度分辨率较差；所以本研究希望利用电磁法引入深度方向的信息，约束联合反演.但是研究区为第四系覆盖区，地表盖层表现为低阻，对电磁信号有一定的吸收，使得探测深度受限，根据AMT的实际探测深度，确定剖面反演深度为2 km.

对剖面重磁数据进行向上延拓2 km获得区域场，然后从总场减去区域场，得到用于剖面联合反演的剩余重磁异常.从剩余布格异常和剩余化极磁异常三维反演结果中提取AB剖面地表以下，2 km以浅范围内的密度扰动及磁化率扰动分布(图9c、d)；为了获得地下岩层在深度方向的电性差异，采用Bostick方法对AMT数据在TE模式下进行反演，得到电阻率分布(图9e).从电阻率反演结果可以看到，整条剖面电性结构可以分为三部分：近地表低阻盖层、深部团块状高阻侵入体、以及电阻率介于二者之间的火山沉积层.剖面最南侧地表覆盖过厚，电磁场能量衰减过快，1 km以下电磁信号未能有效获取，影响探测深度.自南向北表层低阻盖层的厚度逐渐减小，与浅钻工程地质所揭示的中新生代盖层由南向北减薄有很好的一致性.浅部出现的规模较小的高阻体认为是从深部沿断裂侵入的岩脉.整条剖面电阻率最大的地质体出现在剖面10～14 km处，对应剩余高重力异常，且高阻体南侧边界出现全区最大的高磁异常.

重力反演获得的密度扰动分布(图9d)显示，地表以下的密度结构不具有层状特征，高密度体与低密度体在水平方向交替出现，且深部物质的密度高于浅部，根据区域地质研究成果推测引起高重力异常的地质体为与泥盆纪火山喷发相关的中基性岩浆岩，低重力异常为深大断裂带或石炭纪区域拉张环境下形成的酸性侵入体.并且引起重力异常的源物质由深部向上延伸而来.重力反演结果很好地刻画了剖面上密度物性的变化特征，指示了断裂、隐伏岩体的位置、赋存形态.

本研究区主要重磁异常体具有同源特性，此情况下磁场与重力场满足泊松方程，磁场可认为是重力场的一阶导数，能更好的反应浅部场源信息.磁性物质的来源一般都是岩浆成因，磁性物质的侵入会引起高磁异常，同样岩浆热液的作用也会使得一些原本有磁性的岩石发生热退磁.磁化率显著变化的物性界面，较大可能的发育岩浆活动.磁法反演结果显示深部以无磁性或弱磁性物质为主，沿断裂带因为岩浆活动分布少量高磁性的物质.

由于重力、磁法、AMT单一物性反演均有很大的多解性，无法准确反映剖面深部的真实地质结构.因此选择以单一物性反演结果为初始模型，利用Modelvision软件进行人机交互联合反演.综合单一物性反演得到的磁化率、密度扰动、电阻率分布，结合岩石物性特征、多尺度边缘检测成果、先验地质信息，确定隐伏断裂的水平位置、倾向以及隐伏岩体的范围和形状，形成初始模型，然后反演拟合，并在此过程中不断调整模型位置及几何形状，使其与重磁数据拟合，最终得到包含：断裂水平位置及倾向、侵入岩体深度及形态、地层赋存状态等信息的综合地质推断结果(图9f).

图9 AB剖面反演及推断解释结果(a) 重力异常及拟合曲线； (b) 磁异常及拟合曲线； (c) 磁化率分布； (d) 密度分布； (e) 电阻率分布； (f) 地质解释.Fig.9 Results of AB profile inversion and inferential interpretation(a) Gravity anomalies and fitted curve； (b) Magnetic anomalies and fitted curve； (c) Susceptibility distribution； (d) Density distribution； (e) Resistivity distribution； (f) Geologic interpretation.

3 讨论

3.1 深大断裂推断

深大断裂具多期次活动特点，断裂带内刚性岩石破碎-碎裂程度高，微细粒碎屑岩石类泥化发育，在地球物理场上变现为重力梯度带中的明显低重-低阻异常组合特征；磁异常特征则依据不同的地质条件而不同，存在沿深断裂构造后期热液流体活动或不同属性的岩浆热液活动时，依据不同的具体地质条件(围岩性质、侵入岩物理化学属性和热液流体性质等)有不同的异常特征.本文利用综合地球物理探测手段，结合三维反演、多尺度边缘检测以及综合剖面的人机交互联合反演，解译出4条深大断裂.

F1:吐孜托依拉断裂.位于剖面南侧，边缘检测结果由浅至深均有很好地表现，并且深部断裂位置向北略微偏移.剖面反演结果为向北陡倾的低密度物性分界线，沿低密度体有磁性物质填充，北侧深部电阻率高于南侧.区域布格重力异常图上，表现为明显的重力梯度陡变带，在喀拉布勒根南存在一个向北“顶入”的似三角的楔形地质体，造成该处重力陡变带呈向北凸出的弧形梯度陡变带特征.另外石油地质研究中开展的地震勘探及石油钻井皆证实，准噶尔盆地北缘盆山结合带存在向北陡倾的逆冲推覆断裂系，为乌伦古(索索泉)凹陷北部的红岩断裂阶一部分(谭绍泉，2012).综合已有资料，认为该断裂为区域红岩断裂阶内吐孜托依拉断裂(F1)，控制了乌伦古 “簸箕式”凹陷盆地北界，断裂具有逆冲性质，产状较陡.

F2：丹坝南断裂.位于剖面10 km位置，为一明显物性分界面，略微北倾.边缘检测结果表明此断裂深度较大，重磁异常图上该物性分界面有清晰地反映，为明显的重力梯级带、低阻异常和零星的串珠状磁异常，两侧密度变化十分明显.该断裂被后期北东向断裂左行错断的局部重磁异常特征明显.该断裂受后期构造-岩浆活动影响较强，沿断裂带南侧出现条带状负磁异常，判断为后期热液活动引起的消磁现象的反应.综合区域地质构造、地质单元及地球物理场异常对比分析，推断该物性分界面为一深大断裂——丹坝南断裂.与南部F1断裂之间的地质体属于塔尔巴哈台—阿尔曼太古生代岛弧一部分，以中基性火山岩、火山碎屑岩建造为主体，在空间上与前人划分的谢米斯台—库兰卡孜干古生代岛弧可大体对比.

F3：乌伦古河断裂.位于剖面34 km位置，为一低磁、低密度、低电阻率的近似三角状楔入体，边缘检测结果表明此断裂深度延伸超过5 km，密度分界面略向南倾，倾角较陡.布格重力异常图上表现为重力梯度带，航磁异常图上表现出明显的负异常.该断裂在剖面以西绝大部分被第四系覆盖，向东延伸至扎河坝地区并控制扎河坝蛇绿岩南部边界.根据地表出露情可以观察到，断裂上盘强烈破碎，断裂下盘地层出现牵引褶皱，该断裂系具有压性的高角度逆冲断裂.对比区域及邻区地质单元，初步推断该断裂与南部F1断裂之间的地质体仍属塔尔巴哈台—阿尔曼太古生代复合岛弧.

F4：扎河坝断裂.该断裂位于剖面北侧，其南侧为低磁、高密度的蚀变地质体，断裂两侧电阻率亦出现明显差异，航磁异常呈条带状延伸.该断裂向东延伸至扎河坝蛇绿岩北侧，切割寒武-奥陶纪扎河坝蛇绿岩和中、下泥盆统.地质剖面测量揭示断层性质为向北陡倾的逆断层，与乌伦古河大断裂倾向相对.在断裂南部，通过浅钻成功发现了蛇纹石化超基性岩(邓震等，2019)，说明在扎河坝断裂(F4)与乌伦古河断裂(F3)之间为存在隐伏蛇绿混杂岩带，其应该是扎河坝蛇绿混杂岩带向西延伸部分.且断裂两侧的岩石蚀变和变形特征明显不同，因此认为该断裂为研究区北部萨吾尔—二台古生代复合岛弧带与扎河坝蛇绿混杂岩带的分界断裂.

3.2 隐伏侵入岩体

按岩体的物理化学性质，通常将隐伏岩体大体分为酸性、中性和基性-超基性岩体三类，不同的类别对应不同的物性组合特征.酸性岩体大多具有低密度、弱-无磁和高电阻物理性质，但在后期强烈构造活动(韧-脆性剪切)和热液蚀变条件下，会形成明显的低阻异常，磁异常一般表现为低负异常背景，局部异常可能与后期热液活动及中基性岩脉的侵入活动有密切关系.中性侵入岩体多表现为重力高、中等-高磁异常和高电阻异常组合；但若与中性火山岩(或次火山岩)同时受到后期热液退磁时，二者很难区分，需依据先验地质信息大致推断.基性-超基性侵入岩体一般表现为高磁、高重、高阻异常组合；与火山岩区玄武岩类的磁异常形态较杂乱不同，后期基性侵入岩体的磁异常形态较为规则.

此剖面上有一定规模的侵入体共有三个，均为低密度体，电阻率为中高阻，判断为酸性侵入体；另外还发育一些规模较小的中基性脉岩.酸性侵入体A1，为一近似直角三角形的低密度、低磁化率的隐伏体，其北界为F2断裂，推断为沿深大断裂侵入于火山碎屑岩中的酸性侵入体，相对北侧的火山岩，电阻率表现为低阻，推断发生了热液蚀变.其南侧存在向南倾斜的高磁高重的板状体，推测为沿断裂裂隙侵入的中基性岩脉.

酸性侵入体A2，为一楔形低密度、高磁地质体，地表东侧零星出露石炭纪碱性花岗岩体，结合物性统计结果，推断此为一隐伏酸性侵入体，其表现高磁性的原因可能为黑云母二长花岗岩中含有的磁铁矿等副矿物.

酸性侵入体A3，剖面反演推断结果显示其为自深部楔入的低密度、低磁的物质，地表有酸性岩体出露，F3深大断裂位于此位置，故推断此处有沿断裂后期侵入的酸性岩体.

3.3 扎河坝—阿尔曼太古洋岩石圈板块的俯冲极性

扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带所代表的古洋盆的岩石圈板块的俯冲极性一直以来都是学术界讨论的焦点.李锦轶等(1990,1995)根据索尔巴斯他乌—纸房岛弧一带出露的索尔巴斯他乌群及荒草坡群的岩性组合以及其中侵入的岛弧型花岗质岩石，推断扎河坝蛇绿岩带南侧为洋盆拉张边缘或洋内岛弧.提出：准噶尔地块北部弧盆体系的形成及演化可能与东准噶尔洋盆的洋壳板片向其南侧的准噶尔地块之下的俯冲消减有关.黄萱等(1997)认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带为古亚洲洋向南俯冲在阿尔泰弧南形成的弧后小洋盆的洋壳残片.

与以上研究认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带是古洋盆向南俯冲消减的观点不同，肖文交等(2006)认为扎河坝—阿尔曼太蛇绿岩带是古亚洲洋的残余，并以洋内弧的形式向北拼贴到阿尔泰地体南缘，形成科迪勒拉型俯冲边缘.李荣社等(2012)提出阿尔曼太(扎河坝)蛇绿构造混杂带是华力西—印支期由南向北高角度逆冲推覆断裂铲起了早古生代(额尔其斯—卡拉麦里断裂间)增生杂岩楔(蛇绿岩块)推覆构造带.

赵同阳等(2017)对扎河坝地区蛇绿岩带中的玄武岩进行岩石地球化学研究，发现富铌高镁的洋中脊玄武岩，并运用洋板块地质学理论进行解释，提出扎河坝—阿尔曼太古洋盆在奥陶纪初期开始汇聚，洋壳分别向南北两侧双向俯冲消减.本次所进行的地球物理综合研究为此观点提供了新证据，多尺度边缘检测及地球物理反演得到的深部地质结构均表明，控制扎河坝蛇绿岩带南北界的两条深大断裂F3、F4分别为南倾和北倾，在深部构成开口向下的对称扇形构造样式，显示此蛇绿岩带所代表的古洋盆具有双向俯冲的特征.

3.4 东准噶尔地区构造演化过程

早古生代初期，东准噶尔地区位于中亚古板块内部，构造演化以板内运动为主.中寒武世开始，中亚古板块开始裂解，进入洋盆扩张时期，扎河坝—阿尔曼太洋开始发育，一直持续至早奥陶世末(图10 ∈1-O1).

中奥陶世，扎河坝—阿尔曼太洋开始汇聚，古洋盆进入消减和闭合阶段，并且具有双向俯冲的特点.最终，在蛇绿岩带南侧形成岛弧型火山岩以及具有活动陆缘特征的荒草坡群安山质火山碎屑岩、安山玢岩和英安斑岩的火山岩组合.蛇绿岩北侧则因俯冲作用，在阿尔泰活动陆缘形成科迪勒拉型俯冲边缘(图10 O1-S1).

刘亚然等(2016)获得位于北塔山蛇绿混杂岩周边的花岗斑岩锆石U-Pb年龄为407±2 Ma；罗军员等(2017)获得蛇绿岩中后期侵入的闪长玢岩的年龄为424.5±3.1 Ma.上述年龄说明阿尔曼太洋盆可能于晚志留纪-早泥盆纪闭合，准噶尔地块和阿尔泰地块发生碰撞，最终统一为一个整体(何国琦等，2001)(图10 S1-S3).

图10 东准噶尔地区洋板块演化模式图(据赵同阳等，2017修改)Fig.10 Evolution model of oceanic plate in East Junggar area

之后，由于应力松弛，前期碰撞形成的统一的古陆块发生裂解，进入拉张环境.早泥盆世，在增生了的西伯利亚古陆的内部，因为陆壳再破裂发育北部的额尔齐斯次生洋以及南部的卡拉麦丽有限洋盆(李锦轶等，1990；何国琦等，2001；赵同阳等，2017)(图10 S3-D1).

中泥盆至早石炭世(图10 D1-C1)，额尔齐斯次生洋开始向南北两侧俯冲消减，最终碰撞形成玛因鄂博蛇绿混杂岩带.卡拉麦里有限洋盆也于中泥盆世开始萎缩并向北俯冲，并伴随大量岩浆活动，在准噶尔北缘大量出露的泥盆纪火山岩也证实了这一点.

张海军等(2019)认为蕴都卡拉一带碱性花岗岩属晚石炭世后造山的拉张构造环境的A 型花岗岩，可能是下地壳先存的俯冲洋壳或富Nb玄武岩部分熔融的产物，并且认为此花岗岩的形成标志着准噶尔东北缘造山作用的结束.至此，东准噶尔地区进入后造山板内伸展阶段(图10 C2-P1).

从二叠纪开始，随着洋壳的闭合，新疆北部进入板内演化阶段.由于西伯利亚古板块向南推挤作用影响，卡拉麦里地区发生了强烈的逆冲推覆变动；隆起的准噶尔陆块在这一时期逐渐下陷，构成盆地的基底.至侏罗纪末，形成了今天所见的构造格局(李锦轶等，1990).

4 结论

本文利用高精度地面重磁数据进行了三维约束反演，揭示了准噶尔盆地北缘浅覆盖区内的三维密度和磁化率结构；结合多尺度边缘检测方法推断得到研究区隐伏断裂体系的水平分布；然后针对贯穿研究区的综合地球物理剖面进行人机交互联合反演，进一步获得研究区的深部精细地质结构.

(1)重磁三维反演结果显示：研究区密度结构具有横向非均匀性，高密度体与低密度体交替出现，而且纵向有向深部延伸的趋势.研究区深部广泛分布石炭纪、泥盆纪火山岩地层等高磁性体；零散分布的低磁性物质主要为热液蚀变导致的热退磁的火山岩；北西向分布的低密度低磁性物质，对应无磁性的断裂破碎带.结合多尺度边缘检测结果，推断得到研究区隐伏断裂体系水平分布.

(2)运用综合地球物理剖面对准噶尔北缘覆盖区深部地质结构进行研究，推断出深大断裂的位置、倾向以及深部空间分布.人机交互联合反演结果显示：控制扎河坝蛇绿岩带分布的南北界深大断裂在深部构成开口向下的对称扇形构造样式，显示此蛇绿岩带所代表的古洋盆可能具有双向俯冲的特征.

(3)划定了剖面所穿过的构造单元的分界线：F1断裂为南侧乌伦古(索索泉)凹陷与塔尔巴哈台—阿尔曼太古生代岛弧的分界；F3和F4之间为扎河坝—二台早古生代沟弧带；F4断裂以北为萨吾尔—二台古生代复合岛弧带.

(4)结合大量前人的地质、地球化学和地球物理资料，对准噶尔东北缘区域构造演化进行了讨论，认为扎河坝—阿尔曼太古洋盆于中奥陶世开始汇聚，古洋盆可能向南北两侧双向俯冲，并于晚志留纪-早泥盆纪洋盆闭合.

致谢感谢中国地质科学院为本次研究提供了观测数据和相关资料；感谢新疆维吾尔自治区地质调查院提供了部分基础地质资料．感谢审稿专家提出的宝贵意见．