基于重磁場特征的松遼盆地基底巖性研究

吳真瑋,曾昭發(fā),李 靜,趙雪宇,許天福

(1. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026; 2. 吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130026)

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基于重磁場特征的松遼盆地基底巖性研究

吳真瑋1,曾昭發(fā)1,李 靜1,趙雪宇1,許天福2

(1. 吉林大學(xué) 地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026; 2. 吉林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，吉林長春 130026)

盆地的基底埋藏深度、巖性和斷裂分布與地?zé)豳Y源的形成、分布和開發(fā)利用密切相關(guān)。本文基于重磁方法的特點(diǎn)和松遼盆地的重磁場異常，利用最佳向上延拓的方法進(jìn)行場源分離，提取了基底重磁異常信息；依據(jù)不同巖石物理屬性(密度和磁性)和重磁異常對應(yīng)分析的結(jié)果，對松遼盆地的基底巖性分布進(jìn)行了劃分，其結(jié)果對盆地地?zé)豳Y源遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)和開發(fā)利用有重要參考價(jià)值。

地?zé)?重磁異常 松遼盆地 對應(yīng)分析 基底巖性 火山巖

Wu Zhen-wei, Zeng Zhao-fa, Li Jing, Zhao Xue-yu, Xu Tian-fu. Distribution of basement lithology in the Songliao basin derived from gravity and magnetic anomalies[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5):0939-0945.

0 引言

松遼盆地是一個(gè)典型的中、新生代陸相沉積盆地(楊萬里等，1982)。盆地整體呈NE向展布，近似菱形,是蒙古-鄂霍茨克洋構(gòu)造域和太平洋構(gòu)造域疊加在古亞洲洋構(gòu)造域基礎(chǔ)上形成的一個(gè)陸內(nèi)裂谷盆地(吳福元等，1999)。盆地西北部是大興安嶺-內(nèi)蒙海西褶皺帶，東北部及東部為黑龍江、吉林海西褶皺帶，南部與內(nèi)蒙地軸以東西向赤峰-開源斷裂相隔，東以依蘭-伊通斷裂帶為界(羅烏清等，1993)。已有資料表明，松遼盆地屬于典型的中低溫傳導(dǎo)型地?zé)嵯到y(tǒng)，盆地地?zé)嶙兓秶鸀?0～90mW/m2,平均熱流值是70 mW/m2，其地?zé)豳Y源相當(dāng)豐富，地?zé)衢_發(fā)利用前景十分廣闊(蔣林等，2013；韓湘君等，2002)。地?zé)豳Y源的形成、埋藏和分布大多與基底埋藏深度、巖性及區(qū)域構(gòu)造斷裂分布等密切相關(guān)(耿莉萍，1998；黃樹峰等，1999)。盆地的形成演化受基底構(gòu)造和巖性控制，研究盆地基底的巖性分布對盆地地?zé)徇h(yuǎn)景區(qū)劃分和地?zé)豳Y源的開發(fā)利用具有重要意義。

松遼盆地的基底是前侏羅紀(jì)古亞洲洋構(gòu)造域眾多微板塊、地體拼貼形成的復(fù)合陸塊。根據(jù)地震和鉆井資料解釋對松遼盆地基底巖性研究的資料,認(rèn)為盆地基底分布著大片華力西期和零星加里東期花崗巖體?；讕r性主要以千枚巖、泥質(zhì)板巖、結(jié)晶灰?guī)r等淺變質(zhì)巖為主，同時(shí)還有片麻巖、片巖及花崗巖和閃長巖類(劉天佑，1993；朱煥來，2011)。同時(shí)松遼盆地基底也大面積分布著加里東期、華西期、燕山期花崗巖，而以花崗巖為主體的火成巖是盆地地?zé)岬闹匾獊碓矗虼斯烙?jì)松遼盆地的產(chǎn)熱量相當(dāng)可觀(劉耀光，1982)。

作為地球物理方法的重要分支，重磁研究是認(rèn)識(shí)盆地深部構(gòu)造不可缺少的方法。重磁方法能夠提供覆蓋整個(gè)研究區(qū)的地球物理場信息，其成本低、勘測范圍和深度很大,具有其他物探方法無可比擬的橫向分辨能力(劉光鼎，1996；劉財(cái)?shù)龋?996)。因而，要研究基底巖性的分布應(yīng)該主要以重磁資料為主，其中以磁力資料最為重要，因?yàn)閹r石的磁化強(qiáng)度相比于其他巖石物性參數(shù)(密度、速度、電阻率)與基底的巖性關(guān)系更密切(王家林等，2002)。因此利用重磁的方法深入研究松遼盆地的基底巖性對地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)、開發(fā)及利用規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 松遼盆地的重磁異常特征

松遼盆地的重力異常與盆地的地形起伏呈現(xiàn)正相關(guān)的特征。由于盆地地處嫩江斷裂帶和牡丹江斷裂帶之間，因此盆地內(nèi)的重力異常與盆地周邊的重力異常存在明顯的分界線。盆地內(nèi)重力異常以正異常為主，異常值變化范圍在70～120mGal之間，異常梯度變化較小，異?？傮w呈現(xiàn)NNE-NE向展布。盆地內(nèi)局部重力異常呈現(xiàn)團(tuán)狀閉合圈閉，異常軸向不規(guī)則，有西北向，也有近東西或近南北向(圖1)。松遼盆地的航磁異常分區(qū)性較為明顯。變化相對舒緩，盆地內(nèi)同時(shí)分布著正負(fù)異常，變化范圍在-250～350nT之間。航磁異常主要以NE-NNE向的異常展布為主，局部也有EW向和SN向的磁性異常展布(胡旭芝等，2006)(圖2)。

圖1 松遼盆地重力場Fig.1 Bouguer gravitational anomalies in the Songliao basin

圖2 松遼盆地航磁異常Fig.2 Aeromagnetic anomalies in the Songliao basin

2 松遼盆地的重磁數(shù)據(jù)場源分離

為了研究松遼盆地的基底，需要對觀測到的重磁數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理，將基底深部構(gòu)造引起的低頻區(qū)域異常與淺部構(gòu)造引起的高頻異常進(jìn)行有效區(qū)分。最佳向上延拓能夠很好地從觀測重力異常和磁力異常中分離出由深部場源引起的區(qū)域重力異常和磁力異常，并且在分離異常場的過程中，最佳向上延拓可以使低頻成分的衰減最小，故而能夠較精確提取區(qū)域異常(孟小紅等，2013)。

圖3 兩個(gè)相鄰高度重力異常上延值相關(guān)系數(shù)與延拓高度的關(guān)系曲線Fig. 3 Correlation coefficients versus continuation altitudes of two neighboring gravity anomalies

最佳向上延拓的關(guān)鍵是確定一個(gè)最佳上延高度。兩個(gè)相鄰高度的異常向上延拓值之間的互相關(guān)系數(shù)與高度的關(guān)系曲線，存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的高度，就是最佳的向上延拓高度(曾華霖等，2002)。分別對重力數(shù)據(jù)和航磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了向上延拓,然后計(jì)算兩個(gè)相鄰延拓高度處異常值間的相關(guān)系數(shù)，可得到重力和航磁異常的不同延拓高度與對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)的關(guān)系(圖3及圖4)。圖3中曲線在6.5km處存在明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，過了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨著上延高度的增加，相鄰兩個(gè)延拓高度的相關(guān)系數(shù)變化越來越小，基本沒有變化，故而重力異常的最佳上延高度為6.5km。同理，依據(jù)圖4可知航磁異常最佳上延高度為6.5km。于是分別對重力異常和航磁異常進(jìn)行最佳上延高度的向上延拓，可以提取松遼盆地的區(qū)域重力和航磁異常(圖5和圖6)。

圖4 兩個(gè)相鄰高度航磁異常上延值相關(guān)系數(shù)與延拓高度的關(guān)系曲線Fig. 4 Correlation coefficients versus continuation altitudes of two neighboring aeromagnetic anomalies

圖5 重力區(qū)域場Fig.5 Regional gravity field

圖6 航磁區(qū)域場Fig.6 Regional aeromagnetic field

3 松遼盆地的重磁區(qū)域數(shù)據(jù)的對應(yīng)分析

泊松定理以線性關(guān)系的形式將重磁異常有機(jī)結(jié)合在一起，能提高解釋的準(zhǔn)確性，為開展重磁異常的綜合分析提供了重要前提(曾昭發(fā)等，2006)。從泊松定理出發(fā)，計(jì)算區(qū)域重磁異常值的相關(guān)性，并根據(jù)相關(guān)性的分布特征來分離和鑒別不同類型的異常區(qū)，為劃分地質(zhì)構(gòu)造單元以及認(rèn)識(shí)深部結(jié)構(gòu)的其他特征提供信息(王家林等，2002)。依據(jù)泊松公式，取一個(gè)窗口在研究范圍內(nèi)連續(xù)滑動(dòng)計(jì)算相關(guān)系數(shù)，可知重力異常和磁力異常存在某種相關(guān)關(guān)系，如方程(1)所示

(1)

作為一種定量化聯(lián)合解釋的方法，重磁異常對應(yīng)分析能有效地分離和鑒別不同類型的異常，減少多解性，從而能夠很好劃出異常源相對一致的地質(zhì)單元和構(gòu)造分區(qū),了解基底巖性的分布(劉彥華等，2008)。依據(jù)泊松定理的基本原理，對重力區(qū)域場和航磁區(qū)域場在給定適宜的窗口下進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)平面分布圖(圖7)。相關(guān)系數(shù)R反映了重力區(qū)域場和航磁區(qū)域場在給定窗口內(nèi)的線性相關(guān)程度。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)0.4和-0.4可以作為正相關(guān)和負(fù)相關(guān)的臨界點(diǎn)。在正相關(guān)的情況下，R大于0.4時(shí)，表明重力異常值和航磁異常值同時(shí)為高或者同時(shí)為低的異常值；而在負(fù)相關(guān)的情況下，R小于-0.4時(shí)，表明重力異常高而航磁低，或者重力低而航磁高；R大于0.4為正相關(guān)，反映重力和磁力同高，或同低；當(dāng)R的絕對值小于0.4為重磁不同源。

對于負(fù)相關(guān)區(qū)域的基底巖性存在兩種情況：①密度小，磁性也強(qiáng)，為年代較為新的火成巖；②密度大，磁性小，為變質(zhì)巖。對于正相關(guān)的區(qū)域也存在兩種情況：①密度大，磁性也強(qiáng)，為變質(zhì)巖或者年代較為古老的火成巖；②密度小，磁性小，為沉積巖。通過依據(jù)相關(guān)系數(shù)平面分布圖(圖7)，并結(jié)合重力區(qū)域場(圖5)和航磁區(qū)域場(圖6)進(jìn)行分析，得出了松遼盆地基底巖性分部圖(圖8)。

圖7 相關(guān)系數(shù)平面分布圖Fig.7 Plane distribution of correlation coefficient

由圖8可知，松遼盆地基底主要以變質(zhì)巖和火成巖為主，其中火成巖主要以花崗巖和閃長巖為主，變質(zhì)巖主要以板巖、千枚巖和變質(zhì)砂巖為主。按年代來對基底進(jìn)行劃分，可分為加里東期、海西期、印支期和燕山期。加里東期和海西期火成巖為年代較老的火成巖，印支期和燕山期火成巖相對來說為年代較新的火成巖。印支期和燕山期火成巖主要分布于盆地的中部和東部，海西期火成巖分布在松遼盆地的中部和西部，加里東期花崗巖少量分布于盆地的西部。從圖8中可以看出火山巖的展布受基底斷裂構(gòu)造的影響?；鸪蓭r巖體的走向及邊界與盆地中的斷裂帶的走向是平行的，可知基底斷裂帶對巖漿活動(dòng)起控制作用，與基底巖性的分布存在密切的關(guān)系。

一般說來，盆地內(nèi)的地?zé)崮苤饕獊碜陨系蒯５穆∑鸷蛶r石放射性衰變釋放的熱能(劉耀光，1982)。各種資料也表明，在各種類型的巖石中以花崗巖為代表的火成巖的產(chǎn)熱率最高，而隨著巖石中放射性元素逐漸衰變，巖石的產(chǎn)熱率也會(huì)逐漸下降，故而年代較新的火成巖的產(chǎn)熱率優(yōu)于年代較老的火成巖。因而，在獲得基底巖性的分布圖的同時(shí)，也可以劃分出地?zé)峥碧介_發(fā)的遠(yuǎn)景區(qū)，即基底為火成巖的區(qū)域，其中以年代較新的火成巖區(qū)域?yàn)樽罴?，這些區(qū)域是地?zé)峥碧介_發(fā)的遠(yuǎn)景區(qū)。

4 結(jié)論

(1) 松遼盆地基底巖石的物理性質(zhì)及基底構(gòu)造是影響盆地重力、磁力異常的地質(zhì)因素。因而，對于不同類型以及不同地質(zhì)時(shí)代的巖石，依據(jù)其所具有的密度和磁性特征，利用重磁對應(yīng)分析減少資料解釋中的多解性，并且依據(jù)布格重力和磁力異常在宏觀上的分布特征，能夠有效劃分出松遼盆地的基底巖性的分布范圍，特別是劃分了火成巖的有效分布范圍。

(2) 松遼盆地基底巖性的分布還受到盆地基底斷裂帶的控制，基底巖性的分布與基底斷裂帶的展布方向大致平行。

(3) 松遼盆地的基底主要以變質(zhì)巖和火成巖的分布為主，基底大面積分布著從加里東期到燕山期的具有很高生熱率的花崗巖層，松遼盆地地?zé)豳Y源前景廣闊。

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Distribution of Basement Lithology in the Songliao Basin Derived from Gravity and Magnetic Anomalies

WU Zhen-wei1，ZENG Zhao-fa1, LI Jing1, ZHAO Xue-yu1, XU Tian-fu2

(1.CollegeofGeoexplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun,Jilin130026； 2.CollegeofEnvironmentandresources，JilinUniversity，Changchun,Jilin130026)

The basement burial depth, lithology and fault distribution of a basin are closely related to geothermal resources. Based on the characteristics of gravity and magnetic anomalies, using the preferential upward continuation method, this work has separated the fields and sources of gravity and magnetism, and extracted the gravity and magnetic anomalies of the basement in the Songliao basin. Combining physical properties of rocks, correlation between gravity and magnetic anomalies as well as geological data, this work has further inferred the lithological distribution of the basement in the Songliao basin. Metamorphic and igneous rocks dominate the basin basement, which were formed in the Caledonian, Hercynian, Indosinian, and Yanshanian periods. The rocks of former two ages are relatively older, while those of the latter are younger. The Indosinian and Yanshanian igneous rocks are distributed in the central and eastern basin, Hercynian rocks in the middle and west, and few Caledonian granites in the west. Their patterns are controlled by faults in the basement. Strikes of these rock bodies tend to be parallel to the basin boundaries and faults within the basin. Magma activities along faults of the basement likely determined the distribution of the lithology. These data will provide evidence for prospect assessment and development of geothermal resources in the basin.

geothermal energy, gravity and magnetic anomaly, Songliao basin, basement lithology, igneous rock

2015-01-01；

2015-05-12；[責(zé)任編輯]郝情情。

國家863項(xiàng)目(2012AA052801)和博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20130061110060)聯(lián)合資助。

吳真瑋(1988年-)，男，2013年畢業(yè)于吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)為吉林大學(xué)在讀研究生，主要從事工程與環(huán)境地球物理研究。E-mail:1143485332@qq.com。

P631

A

0495-5331(2015)05-0939-07