馮天舒

(西澳大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，澳大利亞 珀斯 6009)

1 區(qū)域特征

在西澳大利亞南部的景觀下部有許多埋藏的古河道。風(fēng)化地表(中生代形成)上沿古河谷的排水切口導(dǎo)致河道發(fā)育,河道隨后被砂、褐煤和高嶺石以及富含蒙脫石的沉積物填滿,沉積物中含有鐵質(zhì)礫石透鏡體。崩積、沖積和風(fēng)積沉積物不整合地覆蓋在古河道沉積物、鐵質(zhì)硬銹巖或腐泥石上。研究區(qū)靠近弗雷澤山脈,位于佤邦內(nèi)陸地區(qū)。巴拉多尼亞古河道位于太古宙伊爾加恩克拉通盆地東南部,位于 Nava-Bollinger 西部、Eyre Highway 北部的一個(gè)狹長(zhǎng)峽谷內(nèi)。研究區(qū)的淺層為上覆前寒武紀(jì)基底巖石為沉積于廣泛的古水系中的第三紀(jì)沉積巖,地下水含鹽量很高(圖1)。

研究區(qū)前寒武紀(jì)基底主要為太古代花崗巖-綠巖地形組成。綠巖帶由超鎂鐵質(zhì)到長(zhǎng)英質(zhì)成分的變質(zhì)火成巖和變質(zhì)沉積巖組成,其中包括一些帶狀鐵建造。研究區(qū)北部太古宙上覆林地組低變質(zhì)石英質(zhì)變質(zhì)沉積巖。該地層包括砂巖、礫巖、chert breccia 和泥巖,弱變形并變形為綠片巖級(jí),并折疊成具有 NE 走向軸的開(kāi)放構(gòu)造。研究區(qū)及其周圍有幾條大型元古代鎂鐵質(zhì)巖脈。Widgeemooltha 群的寬度和橫向范圍都可能很大。這些堤壩主要呈東西走向。另一個(gè)鎂鐵質(zhì)堤壩群,Gnowangerup-Fraser 堤壩呈東北-西南走向(圖2)。

圖1 研究區(qū)谷歌地球圖像

圖2 露頭/地下巖石地質(zhì)

2 地球物理背景

磁力勘探通過(guò)研究地下磁異常體在地表產(chǎn)生的磁異常數(shù)據(jù)來(lái)分析研究磁異常體的空間位置、大小、形狀及產(chǎn)狀等情況,從而達(dá)到找礦和解決地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理勘探方法。其具有輕便、快速、效率高及效果明顯等特點(diǎn),因此被廣泛的應(yīng)用于大面積的掃面工作,是一種必不可少的地球物理勘探手段[1-2]。

隨著地球科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人類對(duì)地球淺層沉積建造和性質(zhì)的研究己經(jīng)不能滿足生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展,特別是可持續(xù)發(fā)展的要求。并且隨著人類對(duì)地球的研究不斷地深入,淺層地殼己經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)今的研究需求,這迫使地球科學(xué)研究向縱深發(fā)展成為一個(gè)趨勢(shì),因?yàn)閹r石圈是人類居住與獲取各種資源、能源、改造和利用場(chǎng)所。在21世紀(jì),地質(zhì)構(gòu)造作為巖石圈的重要組成部分與地球物理學(xué)息息相關(guān)。自20世紀(jì)80年代初以來(lái),對(duì)大陸巖石圈的研究開(kāi)始引起了地學(xué)界的廣泛關(guān)注,實(shí)施了一系列的地學(xué)斷面的研究工作[3],采用了多種地球物理方法,開(kāi)展了對(duì)大陸巖石圈結(jié)構(gòu)的研究,并產(chǎn)生了廣泛的國(guó)際影響。在眾多的地球物理方法中,唯有航磁調(diào)查覆蓋了整個(gè)大陸及其海域,從而成為地學(xué)研究的一個(gè)亮點(diǎn),吸引了眾多國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注,為地學(xué)研究提供了不可多得的地球物理資料。航磁異常與大陸的大地構(gòu)造格局之間的存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系,因此通過(guò)探討航磁異常的反演結(jié)果,用以研究地殼深部構(gòu)造。

磁測(cè)數(shù)據(jù)資料中包含著地下豐富的信息,但目前的數(shù)據(jù)解析并沒(méi)有充分利用好這些信息,磁測(cè)資料解釋的目的在于通過(guò)地面或航空等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)利用某種手段推斷出地下磁化強(qiáng)度分布規(guī)律,從而達(dá)到尋找目標(biāo)地質(zhì)體的目的[4-6]。

3 磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)

通過(guò)對(duì)磁異常的解釋及分析,用以解決地質(zhì)找礦及構(gòu)造分析問(wèn)題,必須對(duì)巖石的磁性特征有所了解。巖石和礦石磁性的強(qiáng)弱可用磁化強(qiáng)度M表示,組成巖石和礦石的礦物質(zhì)有順磁性、反磁性及鐵磁性。巖石在地殼中形成后,經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)期,使它磁化的地球磁場(chǎng)無(wú)論在強(qiáng)度或方向上都發(fā)生過(guò)變化。巖石還曾經(jīng)受過(guò)高溫高壓及機(jī)械力的作用。因此,巖石中如果含有鐵磁性的礦物,它就可能有一定的剩余磁化強(qiáng)度或稱永久磁化強(qiáng)度,剩余磁化強(qiáng)度與巖石的經(jīng)歷及其鐵磁性礦物含量有關(guān),與現(xiàn)今地磁場(chǎng)大小及其方向無(wú)關(guān)。通常,在磁異常資料解釋工作中,剩余磁化強(qiáng)度一般情況下都很弱,磁性源的磁化方向通常不會(huì)受其影響,所以不考慮剩余磁化的存在。此外,巖石還在現(xiàn)今的磁場(chǎng)中被磁化而具備一部分感應(yīng)磁化強(qiáng)度,它與現(xiàn)今的正常地磁場(chǎng)成正比,方向也與地磁場(chǎng)的方向一致[7-8]。在不考慮剩余磁化的情況下,巖石的感應(yīng)磁化強(qiáng)度可表示為:

(1)

式中,T為現(xiàn)今地磁場(chǎng)總強(qiáng)度(磁感強(qiáng)度);K為巖礦石的磁化率,無(wú)量綱，取決于巖礦石的性質(zhì),決定巖礦石被磁化的難易程度;μ0為真空磁導(dǎo)率,在SI制中的大小為4π×10-7H/m;T為地磁場(chǎng)總強(qiáng)度,在地球表面上一般情況下是己知的,且相當(dāng)大范圍內(nèi)可認(rèn)為是不變的,為己知常數(shù)。

對(duì)阿爾泰-臺(tái)灣地學(xué)斷面和格爾木一額濟(jì)納旗地學(xué)斷面的巖石磁性進(jìn)行收集整理和測(cè)試,通過(guò)對(duì)比分析,兩條斷面上的巖石磁性參數(shù)均有共同特征(表1)。

(1)沉積巖蓋層和一些淺變質(zhì)巖(如大理巖、片巖、砂巖、灰?guī)r和硅質(zhì)巖等)磁性都很低。

(2)各類中酸性巖漿巖,包括安山巖、閃長(zhǎng)巖、花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖、閃長(zhǎng)紛巖和中酸性火山巖及凝灰?guī)r等,具有中等磁性。

(3)基性和超基性巖漿巖,包括橄欖巖、輝長(zhǎng)巖、玄武巖等,磁性較強(qiáng),磁化率為(1 000～5 000)×10-5SI。這些巖石的磁性變化大,不穩(wěn)定。

(4)深變質(zhì)巖也具有較強(qiáng)的磁性,磁化率為(1 000～2 000)×10-5SI。當(dāng)這類巖石大面積出露時(shí),會(huì)引起大范圍的磁異常。

(5)太古界(結(jié)晶基底)具有強(qiáng)磁性,地表巖石的磁化率為(100～1 000)×10-5SI。

表1 各類巖石磁化率統(tǒng)計(jì)

此外,前人研究表明[9-12],結(jié)晶基底的磁性并不是向下一直延深至地核,而是在一定深度以后,由于地溫隨深度增加,結(jié)晶基底中的鐵磁性礦物因達(dá)到居里點(diǎn)而變?yōu)轫槾判缘V物,由于順磁性礦物較弱,一般認(rèn)為是無(wú)磁性物質(zhì)。達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)的界面稱為居里面,居里面可以認(rèn)為是磁性底界面或者太古界(或結(jié)晶基底)底界面。目前還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,莫霍面是地殼磁性層底界面。

根據(jù)上述巖石磁性特征,不管采用哪一種觀點(diǎn)作為磁性底界面均可建立如圖所示的地殼磁模型(圖3)。該模型主要有四部分組成:無(wú)磁性沉積層、局部磁性體、磁性層以及磁性層下界面以下的無(wú)磁性巖層。

圖3 地殼磁模型

無(wú)磁性沉積層實(shí)際上包括沉積巖和淺層變質(zhì)巖,具有一定磁性,但相對(duì)巖漿巖或者鐵磁性物質(zhì)而言要小得多,因此認(rèn)為是無(wú)磁性的。局部磁性體主要指鐵磁性礦物、巖漿巖的侵入體(主要指由巖漿巖充填的斷裂帶)等。磁性層主要是由深成變質(zhì)巖和結(jié)晶基底組成,其上界面可能為結(jié)晶基底的頂界面,下界面可能為居里面,也可能為莫霍面。磁性層上界面深 4～12 km,下界面深度變化較大。由于磁性層的位于地殼深部,埋深較大,可以認(rèn)為其磁性變化不大,他所產(chǎn)生的異常只是由于頂?shù)捉缑娴钠鸱?在定量解釋過(guò)程中將磁性層假定為均勻磁性層。

通常把磁性層因頂?shù)捉缑嫫鸱a(chǎn)生的異常稱作為區(qū)域異常;深部巖漿巖一定通道(比如深大斷裂)侵入到地表,或者規(guī)模較大的磁鐵礦也會(huì)產(chǎn)生規(guī)模較小航磁異常,稱之為局部異常。航磁的區(qū)域異常特征為:磁異常橫向變化較為平緩,頻率較低;局部異常特征為:橫向變化較為劇烈,頻率較高[13-14]。

4 研究數(shù)據(jù)與方法應(yīng)用

研究數(shù)據(jù)中,遙感和輻射數(shù)據(jù)集繪制近地表環(huán)境圖,鉆孔數(shù)據(jù)確定古河道巖性數(shù)據(jù),主要以泥質(zhì)、砂、褐煤以及花崗巖為主;磁性數(shù)據(jù)繪制基巖地質(zhì)圖;地震和電磁數(shù)據(jù)確定古河道的厚度,并提供有關(guān)河道填充的信息。

4.1 谷歌地圖地勢(shì)解析

沿著巴拉多尼亞古河道,為一現(xiàn)代峽谷。若古河道我們可以主要判斷古河道為南北走向。自南向北,古河道區(qū)域現(xiàn)代湖泊星羅棋布,且北部河道偏窄,南部河道變寬,中部有殘留隆起位于河道內(nèi)部(圖4)。

圖4 研究區(qū)谷歌地圖

4.2 SRTM 地形數(shù)據(jù)解析

SRTM 即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命,主要描述區(qū)域地貌形態(tài)的空間展布,是通過(guò)等高線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)插形成,是對(duì)地貌的虛擬表示。古河道在 SRTM地形數(shù)據(jù)中也明顯表現(xiàn)為地形低洼,主要在研究區(qū)南北向分布,中部藍(lán)色區(qū)域低洼成谷,東西部黃色區(qū)域?yàn)榛茁∑?。河道解釋形態(tài)如圖所示,在東部有一分叉河道,西北部河道形態(tài)較為復(fù)雜(圖5)。

圖5 航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪圖

4.3 輻射圖像數(shù)據(jù)解析

輻射數(shù)據(jù)為研究區(qū)地表沉積物的響應(yīng),所以只能用于繪制地表地質(zhì)/土壤圖。

三值輻射圖像為K、Eu 和 Eth 濃度計(jì)數(shù),中部暗色區(qū)域泥質(zhì)、放射性物質(zhì)富集。地質(zhì)背景可以了解,風(fēng)化地表上河道發(fā)育,河道隨后被砂、褐煤和高嶺石以及富含蒙脫石的沉積物填滿,沉積物中含有鐵質(zhì)礫石透鏡體,這些放射性物質(zhì)存在可預(yù)測(cè)為古河道區(qū)域,河道兩側(cè)為地質(zhì)隆起,泥質(zhì)放射性物質(zhì)風(fēng)化剝蝕(圖6)。

總計(jì)數(shù)輻射圖像為輻射濃度的總計(jì)數(shù),古河道兩側(cè)基底為花崗巖-綠巖、變質(zhì)巖。輻射圖像為粉色高值,而河道中部為藍(lán)色低值。這些資料對(duì)古河道的地表范圍和地表地質(zhì)條件都有一定限制(圖7)。

4.4 磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)解析

古河道充填物是非磁性的,意味著觀測(cè)到的變化是由于基巖內(nèi)部的磁性變化造成的,數(shù)據(jù)變得更加“模糊”。這種細(xì)節(jié)的丟失是由于磁源離磁強(qiáng)計(jì)更遠(yuǎn),導(dǎo)致異常的振幅減小和波長(zhǎng)增加。

地磁場(chǎng)的總磁化強(qiáng)度(T)的異常稱為總磁異常強(qiáng)度。而垂向一階導(dǎo)數(shù)是垂向一次導(dǎo)數(shù)處理對(duì)磁場(chǎng)高頻成分有突出和放大作用,它側(cè)重于淺層近地表地質(zhì)的磁效應(yīng)而壓制深層區(qū)域背景場(chǎng)的影響,從而突出淺部地質(zhì)體引起的局部異常。

圖6 研究區(qū)三值輻射圖像

圖7 研究區(qū)總計(jì)數(shù)輻射圖像

所以兩張磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù),總磁強(qiáng)度圖為區(qū)域地層總體強(qiáng)度的響應(yīng),一階垂直導(dǎo)數(shù)反應(yīng)淺層地質(zhì)體的異常響應(yīng)。利用磁性資料的主要目的是繪制古河道及其附近基巖的巖性和構(gòu)造圖。

總磁強(qiáng)度的一階垂直Z導(dǎo)數(shù)圖,可以觀察到黃色標(biāo)注區(qū)域,為高亮,異常的振幅增大,波長(zhǎng)減小。中部與地質(zhì)圖存在北東-南西走向的不連續(xù)鎂鐵質(zhì)巖脈面吻合。南部高亮區(qū)域預(yù)計(jì)為花崗巖基底的磁強(qiáng)度異常(圖8)。

圖8 研究區(qū)磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖像

總磁場(chǎng)強(qiáng)度圖可以顯示深層基底的磁場(chǎng)性質(zhì)。除一階垂直導(dǎo)數(shù)圖部分鎂鐵質(zhì)巖脈面以外,圖中高亮紅色區(qū)域?yàn)榛◢弾r基底的磁場(chǎng)異常顯示,圖中以紅色曲線標(biāo)識(shí)?；◢弾r異常由強(qiáng)到弱,表現(xiàn)為紅色-橘色-黃色。綠色多為沉積巖相。古河道在此兩張圖都不夠清晰,大致河道方向?yàn)楸逼珫|向。

4.5 機(jī)載電磁數(shù)據(jù)解析

研究區(qū)一帶宏觀表現(xiàn)為磁力高值帶,地表主要出露磁性相對(duì)較弱的新生界,區(qū)域性磁力高值可能主要由區(qū)域性磁性基底上隆引起,地表主要出露磁性相對(duì)較強(qiáng)的古生界、元古界。

航磁數(shù)據(jù)可以用來(lái)解釋接近地表的古河道的范圍及其填充物的性質(zhì)和厚度。

AEM 時(shí)間常數(shù)是衰減常數(shù)(tau)大小的彩色表示,圖像是總電導(dǎo)及厚度的表示?？梢詮膱D件中了解到,古河道的范圍如9圖所示,為古河道的最準(zhǔn)確描述,內(nèi)部河道充填厚度以中部最厚。

AEM3Z-通道合成是一種圖像,顏色反映了“早”、“中”和“晚”通道的振幅。當(dāng)后期通道振幅較低時(shí),圖像更黑,當(dāng)通道振幅較高時(shí),圖像更藍(lán)。這些數(shù)據(jù)提供了一些關(guān)于通道填充物內(nèi)部變化的信息,即哪些部分具有更大的電導(dǎo)。從圖9可看出古河道的范圍,內(nèi)部深藍(lán)色區(qū)域有更大的電導(dǎo),即古河道中存在的可能性大。

圖9 研究區(qū)機(jī)載電磁數(shù)據(jù)圖像(AEM、AEM3Z)

5 結(jié) 論

(1)對(duì)比SRTM、輻射、磁場(chǎng)強(qiáng)度、航磁等成圖,對(duì)比其古河道平面分布。古河道大致為正南北向分布,向西有輕微彎曲,確定古河道中部有一花崗巖基底隆起。

(2)SRTM 反映現(xiàn)代區(qū)域地貌形態(tài)的空間展布,低地貌單元反應(yīng)為古河道的現(xiàn)代形態(tài)?？傆?jì)數(shù)輻射反映研究區(qū)地表沉積物的響應(yīng)以及內(nèi)部基巖響應(yīng),不能真實(shí)反映古河道的地表范圍。總磁強(qiáng)度反映基巖的巖性和基底構(gòu)造圖,不能真實(shí)反映古河道的分布,但是能夠明確古河道基底的巖性及分布。

(3)AEM 航磁衰減常數(shù)反映古河道的范圍及其填充物的性質(zhì)和厚度。為古河道的最準(zhǔn)確描述,內(nèi)部河道充填厚度以中部最厚航磁 AEM3Z-通道合成圖像,反映古河道填充物內(nèi)部的變化,藍(lán)色區(qū)域具有更大的電導(dǎo),更適合存在滲透性砂巖和水資源。

(4)綜上所述,航磁解釋結(jié)果最為精確,可作為古河道平面展布最終成果。