东北地区重磁场与地壳结构特征_江为为

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第21卷 第3期地 球 物 理 学 进 展V ol.21 N o.32006年9月(页码:730~738)
P ROG RESS IN G EOP HY SICS
Sept. 2006
东北地区重磁场与地壳结构特征
江为为1, 周立宏2, 肖敦清2, 高嘉瑞2, 袁淑琴2, 涂广红1, 朱东英1
(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.中国石油大港油田公司,天津300280)
摘 要 分析了东北地区的重、磁场特征,同时对研究区的布格重力异常和航磁异常据进行了小波分析计算.根据分析与计算可知,东北地区重力场以北东走向为主,表现出该地区重力场的主要趋势.根据磁场的分布特征,可将研究区分为六个区域:呼和浩特以北磁场相对平静区;赤峰一带正负磁场交互变化区;海拉尔以南磁场缓变区;齐齐哈尔)依春磁场剧烈变化区;长春)沈阳负磁场平缓区;牡丹江)丹东磁场区.利用重力资料,应用调和级数法对研究区的莫霍界面进行了反演计算,得到了该地区莫霍界面深度分布.根据磁力资料采用遗传算法反演计算了研究区居里界面的深度分布.同时对研究区的地壳结构特征进行了探讨.关键词 地球物理场,地壳结构,地质构造
中图分类号 P318,P541 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2006)03-0730-09
The characteristics of crust structure and the gravity and magnetic
fields in northeast region of China
JIANG We-i w ei 1, ZH OU L-i ho ng 2, XIAO Dun -qing 2, GAO Jia -r ui 2,
YUAN Shu -qin 2, TU Guang -hong 1, ZH U Do ng -ying 1
(1.I nstitu te of G eology and G eoph ysic s,Chinese A cade my of Scienc es,Be ij ing 100029,China
2.Dag ang Oilf ield C omp any ,CN P C,T ianj in 300280,China)
Abstract T he char acter s of the gr avit y and mag net ic fields o f No rtheast of China are analy zed.A t the same time the Boug uer g ravity ano malies and the aero mag netic anomalies ar e calculat ed by the w avelet analysis method in this paper.Wit h the r esults o f analyzing and pr ocessing ,the main str ike of the g rav ity ano malies fields is N E.It show s leading featur es o f the gr avit y field in N o rtheast of China.A cco rding to distr ibution features of the mag netic field.T he re -search area is div ided into six distr icts:the relatively quiet dist rict in nor th H ohho t;the interactiv e changing district of po sitiv e and minus magnetic f ields ar ound ChiF eng ;the slo w chang ing distr ict in South H ailaer;the stro ng changing dist rict in Q iqihar -Y iChun;the quiet distr ict o f m inus mag netic field in Chang Chun -ShenYang;the dist rict in M uDan -Jiang -DanD ong.W e apply the H ar monious ser ies method o n g ravity dat a to inv erse the depth o f M o ho and use the ge -netic algo rithm method on magnetic data to inv erse the depth of Courier surface.T hen w e make a father research to the character istics of crust structure w ith the results of inver sion.Keywords g eophy sical fields,crust st ructur e,g eo lo gical structure
收稿日期 2006-02-15; 修回日期 2006-05-10.
基金项目 中国科学院知识创新工程重大项目(编号:KZCX1-SW -18)和大港油田外协项目共同资助.
作者简介 江为为,1955年生,男,陕西西安人,硕士,1982年毕业于中国科学技术大学地球与空间科学系,现为中国科学院地质与地球物
理研究所副研究员,主要从事综合地质与地球物理研究.
1 地质概况
东北地区的主要地质构造单元[1~3]呈北东向、北东东向展布,兴安岭)张广才岭褶皱带以西的是二连盆地、海拉尔盆地、根河盆地和漠河盆地,兴安
岭)张广才岭褶皱带和完达山造山带之间的是松辽
盆地和孙吴)嘉荫盆地,完达山造山带以东的是三江盆地.主要的油田有位于松辽盆地上的大庆油田和吉林油田,及位于渤海湾盆地上的辽河油田.东北地区在地质构造上处于中朝壳体和西伯利亚壳体之间[4~6],属于天山)兴蒙地槽褶皱系的东部,其南侧以开源)赤峰深大断裂为界,东临西太平
3期江为为,等:东北地区重磁场与地壳结构特征
洋边缘海.古生代末,中朝壳体与西伯利亚壳体之间存在着浩翰的中亚蒙古大洋,早寒武世末,佳木斯地块可能是其间的微大陆.加里东期,额尔古纳褶皱带和青龙)呼兰褶皱带形成,其中额尔古纳褶皱带北西侧与西伯利亚壳体对接;而青龙)呼兰褶皱带南侧缝合在中朝壳体北缘,构造线呈东西走向.海西早期,兴安岭褶皱带和张广才岭褶皱带同时形成,兴安岭海西早期褶皱带北西以得布尔干深断裂与额尔古纳褶皱带对接,构造线呈北东向延伸;张广才岭海西早期褶皱带东以牡丹江断裂为界与佳木斯微大陆缝合,西北与兴安岭海西早期褶皱带为邻.海西晚期,内蒙)吉林褶皱带形成,该褶皱带位于兴安岭、张广才岭海西早期褶皱带与青龙)呼兰加里东褶皱带之间,标志着西伯利亚壳体与中朝壳体东部完全对接,以及两大壳体之间增生褶皱带的形成.海西期以后,东北地区处于大陆隆起状态,普遍缺失三叠纪地层.进入侏罗纪,本区开始了构造发展的新阶段,这一时期,由于印度壳体、菲律宾海壳体和太平洋壳体与欧亚大陆发生了不同程度的碰撞和俯冲消减,特别是印度壳体不仅对中国西部陆壳产生强烈的碰撞、挤压,并使地壳发生了强烈的褶皱和大幅度的上升,而且也影响到中国东北部,促进了中国东北地区深部地幔的活动,加速了中国东北大陆边缘的解体、扩张和下沉,这时加之太平洋壳体、西伯利亚壳体向东北陆壳的俯冲潜没和不同程度的碰撞,致使中国东北部形成了以扩张为主、压张配套的大地构造格局[6],形成了一系列北东向、北东东向为主的造山带)盆地构造单元.
为了探讨东北地区的地球物理场特征,我们采集了东北地区的1:50万的布格重力异常、航磁($T)异常数据.在数据缺少的地区利用国家测绘总局绘制的1:100万布格重力异常、航磁异常数据进行了补差.在此基础上,对东北地区的重磁场特征进行了探讨,并根据重、磁异常分别反演计算了东北地区的莫霍界面、居里界面深度.通过对整个东北地区的地球物理场、地壳深部结构的探讨,为研究区域性构造提供基础的资料与依据.
2东北地区重力场及岩石密度特征
从东北地区布格重力异常图(图1)中可以看出:布格重力异常分布的总趋势是东高西低,异常自西向东从-174mGal逐渐增大至+42mGal,与现代地貌基本上成负相关关系.其中有一条北东向的重力梯级带十分醒目,此条重力梯级带即著名的大兴安岭-太行山-武夷山重力梯级带.这一梯级带的连续性好,带宽达100多公里,规模巨大,梯度带幅度约为60mGal,最大梯度约为每公里1m Gal.梯度带以东,异常变化平缓.梯度带以西,异常变化较为剧烈.大兴安岭-太行山-武夷山重力梯级带向东为另一条北东向重力梯级带,既伊春)佳木斯)长春)沈阳重力梯级带,该梯级带的幅度小于大兴安岭-太行山-武夷山重力梯级带,约为30mGal,最大梯度约为每公里0.3m Gal,基本上连续.在两条梯级带中间为重力变化平缓区,变化幅度约为20m Gal.
根据布格重力异常的分布趋势,以上两条重力异常梯级带可以将东北地区分为西部、中部、东部三个重力异常区[7~9].
西部:重力异常为强度和梯度较大的负异常区,重力异常在-170)-20mGal之间变化,等值线走向由北向南为北北东)北东向,区内的海拉尔、漠河盆地范围为高重力异常区,分别在-40)-70mGal、-25~-55mGal之间变化.在赤峰以西为重力异常低值区,布格重力异常一般小于-100mGal.
中部:为重力异常缓变区,重力异常正负交替变化,以正异常为主,异常值在-5~10m Gal之间变化,异常的梯度较小,局部异常轴向变化较为频繁,区内具有南、北分块的特点.
东部:以北东向的负异常为主,异常值在-10~ -40mGal之间变化,区内存在两条北东向的重力异常梯级带:敦化)密山梯级带,安图)东宁梯级带.
布格重力异常图主要反映了东北地区深层构造轮廓以及不同构造区的壳幔结构差异.重力异常是岩石层地壳不同层位上质量分布不均衡性的综合反映,它与相邻层位之间的密度差有关.可以看出重力异常值东高西低,与地势展布(西高东低)的特征成负相关关系.总体上,上述梯度带不仅是不同块体的结合带,也是不同地壳厚度的分界[10].布格重力异常形态与深部构造分区密切相关.在地表,巨型重力梯度带对应着由造山带组成的山链,而深部则对应着地壳厚度陡变带,或称为地幔坡度带.这些坡度带往往是上地幔低密度带.由于地幔对流作用和构造挤压运动的影响,在地表形成造山带隆起,同时在地壳中产生深断裂带.这些深断裂带与各种大地构造单元的界限(各种观点的划分方案大同小异)都具有不同程度的吻合[11,12].
为进一步探讨东北地区的地球物理场特征,我们对布格重力异常进行了小波变换分析(见图2,
731
地 球 物 理 学 进 展21卷
3).小波变换逼近、细节结果显示了异常的频率组成成分,阶数越高的小波变换逼近反映的是场的低频部分,而低阶小波变换细节反映出异常的高频成分,这些逼近、细节结果可以方便的用于场的分区与断裂的划分及异常的分析[13,14].根据对东北地区布格重力异常的小波变换的结果可以清楚的看出以上的三个分区.在研究区的中部,一阶小波细节结果表明该区域异常变化平缓,表明该地区重力场的变化主
要是受深部构造的影响.而在西部、东部地区,一阶小波细节变化较为复杂,表明在这两个地区,同时具有深、浅部构造的影响.随着小波细节阶数的增加,上述差异逐渐减小,重力场以北东走向为主,表现出东北地区的重力场的主要趋势.四阶小波逼近结果具有明显的北东向走向的趋势,进一步反映出研究区深部主要的构造走向,表明东北地区的大地构造主要是由北东向构造所控制
.
图1 东北地区布格重力异常图(单位:mGal,等值线间距:10mGal)F ig.1 Bo ug uer gr avity anomaly of No rtheast of China(unit:mG
al)
图2 东北地区布格重力异常一阶小波细节图(单位:mGal)
Fig.2 One step o f wav elet detail o f Bo ug uer g ravity anomaly o f No rtheast of China (unit:mG al)
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3期江为为,等:
东北地区重磁场与地壳结构特征
图3 东北地区布格重力异常四阶小波逼近图(单位:mGal)
F ig.3 Four st ep of w avelet appr oach o f Bo ug uer g ravity anomaly o f No rtheast of China (unit:m
G al)
表1 东北地区主要岩性密度统计表
Table 1 Density of main rocks of Northeast of China
成因类型
岩类块数密度(g/cm 3)范围平均值备 注
火成岩
侵入岩
超基性岩类
63 2.75~3.29 3.05基性岩类84 2.48~3.14 2.77中型岩类86
2.50~2.87 2.70酸性岩类737 2.40~2.86 2.60喷出岩
超基性岩类39 2.31~3.03 2.82基性岩类
239 2.39~3.18 2.74中型岩类259 2.10~3.07 2.64中酸性岩类298 1.89~2.84 2.4924 1.89~2.46 2.28珍珠岩变质岩
片麻岩类12 2.44~2.76 2.60混合岩类48 2.44~2.72 2.57碎裂岩类25 2.48~2.67 2.59变粒岩类35 2.23~2.77 2.58绿泥片岩类
152 2.45~3.10 2.73千枚岩类30 2.39~2.73 2.55板岩类687 2.25~2.88 2.61片理化凝灰岩31 2.56~2.91 2.70片理化碎屑岩类41 2.45~2.88 2.62片理化碎屑熔岩类
12 2.57~2.76 2.68大理岩60 2.66~3.01 2.69石英云母片岩类153 2.22~2.98 2.61沉积岩
碎屑砂岩、砂岩246 2.13~3.10 2.58碎屑砂岩、砂岩
49 2.07~2.70 2.47碎屑砂岩、砂岩
101 2.31~2.76 2.51砾岩83 2.17~2.80 2.54石灰岩
14
2.25~2.71
2.60
海相陆相海陆交互相733
地 球 物 理 学 进 展21卷
研究区的岩石物性是推断解释地球物理场异常的主要依据,是联系地质与地球物理资料之间的纽带,我们参考了黑龙江省物探队、吉林省物探队的岩石物性资料,得出了研究区的岩石密度主要特征(表1).根据表1可以看出东北地区岩石密度大致在1.90~3.30g/cm 3之间,各类岩石密度变化范围较大,反映了岩石密度因素的复杂性.
东北地区火成岩的密度随着其基性程度的减弱而减小,基性、超基性侵入岩的密度一般为2.80~3.00g/cm 3,个别达到3.30g /cm 3.变质岩的密度变化范围为2.20~ 3.00g/cm 3
之间,沉积岩经变质后其密度有增高的趋势.沉积岩的密度在2.50g/cm 3左右,一般海相沉积较海陆交互及陆相沉积岩密度偏高,沉积岩的密度有随时间越老(或埋深越大)则密度越大的趋势.
3 东北地区磁场及岩石磁性特征
从东北地区航磁($T )异常图(图4)可以看出,东北地区航磁异常在-500~1300nT 之间变化,航磁异常与地层分布、岩浆活动、构造运动关系密切相关,不同的地区具有不同的磁场特征.根据磁场的分布特征,可以将研究区分为六个区域:
(1)呼和浩特以北磁场相对平静区:该区磁场以负值为主,异常走向东西向,局部异常呈现出狭长条带状的正异常分布.
(2)赤峰一带正负磁场交互变化区:该区磁场呈正负交互变化的特征,在-250nT~500nT 之间变
化,异常走向主要为北东向.
(3)海拉尔以南磁场缓变区:该区磁场以大面积负异常为背景,异常连续性好,走向北东)北北东,局部区域迭加有北东及东西走向的正异常,平静的磁场背景表明该区域磁性体埋深较深.
(4)齐齐哈尔)依春磁场剧烈变化区:该区磁场以正异常为主,变化较为剧烈,主要走向为北东)北北东,大面积的正异常及磁场剧烈的变化表明该区域磁性体埋深较浅,
(5)长春)沈阳负磁场平缓区:该区磁场以平静的负异常为主,异常连续性好,平静的负背景是由于巨厚的中新生代无磁性盖层及深部莫霍界面的隆起使磁性层变薄引起,正异常主要是由前寒武磁性结晶基底及磁性侵入岩引起,平缓的特征主要与磁性体埋深有关.
(6)牡丹江)丹东磁场区:该区的磁场走向以北东、东西向为主.主要为大面积的负异常,局部异常分布紧密排列的正异常,为磁性花岗岩引起.
为进一步探讨东北地区的地球物理场特征[15],我们同样对航磁异常进行了小波变换分析(见图5,6).一阶小波细节结果表明东北地区的浅部构造走向主要为北东向,齐齐哈尔)赤峰一带、伊春)牡丹江)长春)沈阳一带存在有北东向的磁梯度带,表明在该地区存在有北东向构造.在研究区的西部,存在有东西向的构造.磁异常小波四阶逼近结果表明在东北地区中部,深部构造引起的磁场以负异常为主,在西部则更负,而在北部以正异常为主
.
图4 东北地区航磁($T )异常图(单位:nT ,等值线间距:100nT )F ig.4 Aer omag netic($T )ano maly o f N or theast o f China(unit:nT )
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3期江为为,等:
东北地区重磁场与地壳结构特征
图5 东北地区航磁异常一阶小波细节图(单位:nT )
Fig.5 One step o f wav elet detail of aero magnetic anomaly of N o rtheast of China (unit :nT
)
图6 东北地区航磁异常四阶小波逼近图(单位:nT )
Fig.6 Fo ur step o f wav elet appr oach of aero magnetic anomaly of No rtheast of China (unit:nT )
同样,我们整理得到了东北地区岩石磁性参数统计结果(表2).根据表2可以看出:东北地区沉积岩的磁性普遍较弱,不足引起明显的磁异常,在局部地区或局部层位,因为其铁磁性矿物的相对富集,磁性较强.
东北地区火成岩的磁性比较复杂,而且变化范围大,其磁性有随着岩石基性程度增大而磁性增强的特点,磁性强弱的一般规律为超基性岩类>基性岩类>中基性岩类>中酸性岩类.
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地球物理学进展21卷
表2东北地区岩石磁参数统计表
Table2Magnetic param eter of main rocks of Northeast of C hina
岩石类型岩石名称
K(1.26*10-5S I)J r(1.26*10-5S I)
标本块数变化范围平均值标本块数变化范围平均值
Q
沉积岩砂岩、石灰岩12700127000
变质岩
片麻岩及混合岩类1680~153602060236560~9608400.8角闪片岩、云母片岩、
斜长角闪岩
3050~272019502600~9603600.4正常沉积变质岩16010~25000277015990~170002630 1.9
220740~250002592220950~170002147 1.7
火成岩类
花岗岩
C518100~17900110913970~11630040007.4
C46560~130004705970~14000643 2.8闪长岩类22820~15600232022500~475004880 4.3基性岩、辉长岩、
超基性岩、脉岩
23140~12000340022490~185002480 1.5喷出岩类
酸性岩类1350~12502771180~1100010457.7
安山岩类32490~11730264032260~542301410010.9
玄武岩类3211290~40002640471172~69103080 2.4
2107670~179002316103080~1163006751 5.9
矿石与围岩
蚀变
铁矿(以磁铁矿为主)15030~8000006600013770~1800000165900.5矽卡岩、角岩矿化岩石6340~44200108206030~660007550 1.4
喷出岩的磁性不均匀,变化很大.陆相喷出岩一般较海相喷出岩的磁性强,时代较新的喷出岩一般较时代老的喷出岩磁性强.
花岗岩类在火成岩类中属于磁性偏低者,其磁性强弱与成岩时代有关.一般燕山期花岗岩磁性最强,印支及华力西期次之,加里东期或更早期的花岗岩磁性最弱.
变质岩的磁性可以分为无磁性和有磁性两大类.古生代及前古生代的海相沉积岩经区域变质后,一般具有磁性,而它们往往构成沉积盆地的基底[16].
4东北地区地壳结构特征
根据东北地区布格重力异常、航磁异常、整理得到的岩石物性参数以及在东北地区进行的地质、地球物理测深结果[17,18],该地区上地壳平均速度为6.2~6.4km/s,下地壳平均速度为6.5~6.6km/ s,上地幔平均速度为7.7~8.0km/s.依据速度和密度的经验公式,在计算中选取地壳底部与上地幔顶部的界面密度差为0.43g/cm3.
应用调和级数方法[19](江为为,1989)对该地区的莫霍界面进行了反演计算(图7).有关计算的数据、资料为:
(1)全部区域内按10km@10km的网格距取重力值;
(2)选取标准地壳深度为33km;
(3)地壳底部与上地幔顶部的界面密度差选用0.43g/cm3;
(4)水准高程采用黄海坐标系.
采用遗传算法[20](张明华,1995)反演计算了研究区居里界面的深度(图8),有关计算的各种参数如下选取:
(1)全部区域内按10km@10km的网格距取值;
(2)选取标准深度为20km;
(3)磁化率采用指数变化的函数(a n e-bz10-6 4P SI).
从图7可以看出,东北地区莫霍界面基本上呈北东方向展布,这表明东北地区深部地壳构造是以北东向构造为主的.深度变化为从中部向东、西两侧逐渐变厚.在中部地区,自哈尔滨至沈阳一带,莫霍界面厚度较浅,起伏变化不大,在30~33km之间,存在着局部的隆起或坳陷圈闭区域.自中部向东、西两侧深度增加的梯度不同,向东增加的幅度较小,而
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3期江为为,等:
东北地区重磁场与地壳结构特征
图7 东北地区莫霍界面深度图(单位:km)F ig.7 Depth of M o ho of N or theast o f China (unit :
km)
图8 东北地区居里界面深度图(单位:km)
Fig.8 Depth of Courier of N o rtheast of China (unit:km)
向西增加的幅度较大.在西部,从大兴安岭的东坡向西,深度变化的梯度较大,从33km 增加到40km 以上.在东部,以沈阳)长春)佳木斯连线为界,向东莫霍界面厚度平缓增厚,最深为38km 左右.
总的来说,东北地区莫霍界面的起伏与上覆构
造密切相关[21,22]
,主要表现为:
(1)莫霍界面的隆起区和坳陷区分别与中新生代沉积区和褶皱山区相对应,如松辽盆地、海拉尔盆地、三江盆地等分别对应着上地幔的隆起区.而大兴
安岭、小兴安岭、张广才岭、长白山则分别对应着上地幔的坳陷区.
(2)莫霍界面深度以北东、北北东向线性构造
最为清晰、完整,而东西向、南北向构造表现为被北东、北北东向构造的局部改造、破坏,呈现断续出现的特点,这与构造体系上表现为连续性较好的北东、北北东向构造和断续出现的东西、南北向构造特征是一致的,这从深部构造与浅部构造发育的对应关
737
地球物理学进展21卷
系上说明了莫霍界面对浅部构造的控制作用.
(3)莫霍界面与现代地形之间表现为镜像关系,是地壳现代均衡的表现.
(4)深大断裂与莫霍界面变化带相对应.如伊兰)伊通断裂、敦化)密山断裂等,说明断裂构造的展布受莫霍界面形变所制约.地壳厚度变化大的地方,这一地区产生的断裂多数是深断裂.
从图8可以看出,东北地区磁性底(居里)界面的深度在10~23km之间变化起伏.其分布趋势为:中部地区厚度较浅,在12~17km之间变化.而北部地区厚度较厚,在19~23km之间变化.西部地区厚度最浅,最薄处小于12km.居里界面的分布表明东北北部地区磁性界面较厚,地下磁性体的深度也较厚,磁场特征表现为大面积的负异常背景上迭加有高值的正异常.在局部地区存在有居里界面的上隆及坳陷圈闭.
5结论
根据以上的分析与计算,可以得出以下认识:
(1)东北地区布格重力异常分布的总趋势是东高西低,异常自西向东从-174mGal逐渐增大至+ 42m Gal,与现代地貌基本上成负相关关系.
(2)东北地区航磁异常在-500~1300nT之间变化,航磁异常与地层分布、岩浆活动、构造运动关系密切相关,不同的地区具有不同的磁场特征.根据磁场的分布特征,可以将研究区分为六个区域.
(3)东北地区莫霍界面基本上呈北东方向展布,这表明东北地区深部地壳构造是以北东向构造为主的.深度变化为从中部向东、西两侧逐渐变厚.自中部向东、西两侧深度增加的梯度不同,向东增加的幅度较小,而向西增加的幅度较大.
(4)东北地区居里界面的深度在10~23km之间变化起伏.其分布趋势为:中部地区厚度较浅,在12~17km之间变化.而北部地区厚度较厚,在19 ~23km之间变化.西部地区厚度最浅,最薄处小于12km.
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