綜合地球物理探測在深部空間結構中的應用
——以膠東金礦集區為例

陳大磊，王潤生，賀春艷，王珣，尹召凱, 于嘉賓

(1.山東省物化探勘查院，山東 濟南 250013; 2.山東省地質勘查工程技術研究中心，山東 濟南 250013； 3.山東省第六地質礦產勘查院，山東 招遠 265400)

通訊作者： 王潤生(1987-),男,工程師, 2010年畢業于中國地質大學(北京)，主要從事地質礦產勘查研究工作。Email: wrs674@126.com

0 引言

膠東地區金礦成礦范圍廣、類型多樣，但均表現為受斷裂構造控制，不同規模和形式的斷裂構造控制著不同類型金礦的產出[1]。隨著目前區內勘探和開采深度的增加以及成礦理論研究的逐步深入，需要對區內深部地質體、構造發育特征及其與金成礦的關系開展更加深層次的探討。本次利用重、磁、電聯合反演從多方向對同一地質目標體利用不同物性參數進行相應的研究，利用大地電磁測深豐富的頻譜以及不受高阻地質體屏蔽影響等特點，對地下深部電性結構進行有效探測;通過重磁勘探橫向分辨率較高這一優勢，對所獲得的深部電性結構剖面進行約束，建立地質—地球物理模型進行約束反演，將地質與地球物理勘探有機結合，提高解釋的準確性及可靠性[2-3]。

為研究該區深部巖漿活動—淺部伸展構造特征及區內中生代侵入巖與前寒武紀變質基底以及膠萊盆地地層之間的深部空間特征[4]，在該區完成了一條NW向120 km的重、磁、電剖面。該剖面北西起萊州市金城鎮，東南至海陽市二十里店鎮，與該區主要地質單元及構造走向垂直，為后期資料反演提供基礎。應用重、磁、電綜合物探技術進行點、線、面相結合，多參數約束反演、多信息綜合研究，實現了重、磁、電資料的相互約束、相互補充和相互佐證，較為準確地揭示了深部構造特征及地層巖體的深部空間特征。

1 地質背景

膠東地區位于華北陸塊東南部和秦嶺—大別—蘇魯造山帶東北部，由膠北隆起、膠萊盆地和威海隆起3大構造單元組成(圖1)。主要分布前寒武紀和中生代地質體，少量古近系—新近系火山巖和碎屑沉積及第四系松散沉積。區內基底巖系屬華北地層區，出露地層主要由前寒武系變質地層和中生界陸相沉積火山地層。

1—第四系;2—新近系;3—白堊系王氏群;4—白堊系青山群;5—白堊系萊陽群;6—青白口系-震旦系蓬萊群;7—古元古界粉子山群;8—古元古界荊山群;9—白堊系嶗山型花崗巖;10—白堊系雨山型花崗閃長斑巖;11—白堊系偉德山型花崗巖;12—白堊系郭家嶺型花崗巖;13—三疊系柳林莊型閃長巖;14—侏羅系玲瓏型花崗巖;15—侏羅系文登型花崗巖;16—古元古界萊州組合;17—古元古界雙頂片麻巖套;18—新太古界棲霞片麻巖套;19—新太古界馬連莊組合;20—中太古界官地洼組合;21—地質界線;22—角度不整合界線;23—平行不整合界線;24—韌性剪切接觸界線;25—實測斷層;26—推測斷層;27—韌性剪切帶;28—重、磁、電綜合剖面位置1—Quaternary alluvium;2—Neocene;3—the Cretaceous wang group;4—the Cretaceous qingshan group;5—the Cretaceous laiyang group;6—qingbaikou-Sinian penglai group;7—Paleoproterozoic fenzishan group;8—Paleoproterozoic jingshan group;9—Cretaceous laoshan type granite;10—the Cretaceous yushan type granodiorite porphyry;11—Cretaceous weide mountain type granite;12—Cretaceous guojialing type granite;13—Triassic liulinzhuang type diorite;14—Jurassic linglong type granite;15—Jurassic wendeng type granite;16—Paleoproterozoic laizhou assemblage;17—Paleoproterozoic double-topped gneiss suite;18—Neoarchean qixia gneiss suite;19—Neoarchean association of malianzhuang;20—the middle Archean guandiwa assemblage;21—geological boundary;22—angular unconformity boundary;23—parallel unconformity boundaries;24—ductile shear contact boundary;25—the measured fault;26—inferred fault;27—tough shear zone;28—the location of gravity, magnetism and electricity composite profile圖1 研究區地質略圖Fig.1 Geological sketch of the study area

區內構造主要以斷裂構造和褶皺構造為主，膠東金礦集區主要控礦斷裂自西向東：三山島斷裂、焦家斷裂、招平斷裂、棲霞斷裂、牟乳斷裂等;褶皺構造總體呈EW向舒緩反“S”型展布，北部為萊州、招遠、棲霞、威?；顝褪奖承?，南部為舊店、萊陽、乳山、榮成弧狀復式褶皺[5]。

本次綜合剖面Y1自西向東穿過的地質單元依次為焦家斷裂帶西部的第四系覆蓋區、焦家斷裂帶和招平斷裂帶之間的玲瓏巖體分布區、夏甸至河頭店之間的前寒武系變質基底分布區、萊陽盆地—偉德山巖體侵入區。

2 物性特征

地球物理勘探的前提和基礎是基于巖(礦)石間的物性差異，其中密度、磁性和電性差異是引起重磁電異常的基礎，更是物探成果綜合研究、解釋推斷的重要依據。區內各主要地質單元在電阻率、密度上均有較為明顯的差異，因此可以根據重力、MT測量進行地質單元劃分和推斷解釋工作，通過磁法測量進行磁性體解釋。

結合物性測試統計結果(表1、表2)對區內物性特征分析如下：區內中生代沉積盆地為低密度、低阻特征，一般為弱磁性或無磁性特征，其中青山群火山沉積盆地內會出現局部強磁異常;中生代侵入巖體為低密度、高阻、弱磁性特征，如局部有中—基性巖體侵入或有中—基性巖石包裹體時，可出現局部高磁異常;新太古界棲霞序列片麻巖套一般為中等密度、中阻、弱磁性特征，由于其中常有基性、超基性巖殘留體發育，因此常出現局部高磁異常;古元古界荊山群為高密度、高阻特征，磁性變化大，該套地層為區內的高密度標志層電性表現為高阻特征[6-7]。

表1 區域地層物性參數統計

表2 區域巖漿巖物性參數統計

3 重、磁、電綜合地球物理勘探

3.1 重、磁、電勘探

本次綜合剖面Y1的重磁測量工作點距為200 m，重力測量使用CG-5型高精度流動石英彈簧重力儀，磁法測量采用 GSM-19T型質子磁力儀，通過對重磁數據進行各項改正(固體潮改正、正常場校正、高度校正、地形校正、布格校正、日變改正、正常場改正、高度改正、總基點改正等)得到布格重力值及磁異常值，最后利用RGIS2016軟件對重磁數據進行位場轉換[8-10]。大地電磁測深點距1 km，重點地段(重要成礦帶)加密至500 m。野外測量采用 V8電法工作站，采用五分量張量觀測方式，有效觀測頻率范圍為320～0.000 5 Hz，采集時間長度不少于10 h。大地電磁法數據處理采用Phoenix Geophysics公司的SSMT2000軟件進行時頻轉換，利用MTeditor軟件對原始數據進行處理和定性分析，采用相鄰地質單元極化一致的原則進行極化方向的判別，采用Geosystem公司的WingLink軟件進行“TM”模式帶地形NLCG二維反演[11-12]。

3.2 重、磁、電聯合反演

在地質、物性、已有鉆孔的資料的約束下，綜合應用多種類型的數據信息，使重、磁、電數據模擬和主觀解釋達到最佳，得到各參數有機統一的地質—地球物理模型，從而對地下地質情況作出客觀、合理、可靠的綜合推斷解釋[13-16]。聯合反演思路(圖2)如下：

1) 將取得的 MT數據進行帶地形NLCG二維反演，求得其電性反演結果，以視電阻率等值線密集的垂向高低阻過渡帶和相位低值異常的垂向錯位確定斷裂分布及特征，結合地質認識，建立聯合反演的初始地質模型。

2) 根據地層和巖石的密度磁性資料輸入其物性參數，利用RGIS2016 軟件進行2.5D重磁正反演，對建立的初始地質—地球物理模型進行正演計算、反演擬合理論重、磁異常。通過不斷修改初始模型和物性參數，使正演計算的理論重、磁曲線與實測的曲線擬合到最佳。

3) 將重、磁聯合反演結果與 MT 法NLCG二維反演結果進行分析對比，對 MT 數據進行精細處理并修改電性層模型和反演參數，重新進行更為精細的二維反演解釋。聯合反演過程中，進行模型修改時要注重分析模型對應的實際地質含義，使得模型的調整更加符合實地地質概況。

4) 重復上述3步，使地質—地球物理模型與重、磁、電實測資料達到擬合有機統一，逐漸逼近客觀地質事實，確定最終的地質解釋成果。

圖2 重、磁、電綜合反演流程Fig.2 Integrated inversion flow of gravity, magnetism and electricity

4 斷裂構造解釋

結合1∶25萬區調資料以及本次綜合反演成果，該剖面的斷裂構造分為區域斷裂構造和次級斷裂構造以及基底斷裂構造[17-18]。

區域斷裂構造：FⅠ-1(招遠—平度斷裂)：綜合重、磁、電異常特征分析，該斷裂為界巖構造，深部產狀反映較為清晰，上下盤地質體視電阻率和密度都有較大差異;該斷裂與其上盤欒家河斷裂、豐儀店斷裂等同屬一條大的斷裂帶，視電阻率異常特征為一條大的向東緩傾的低阻帶。FⅠ-2(桃村斷裂帶)、FⅠ-3(郭城斷裂帶)：該剖面發育在中生代盆地中，其淺部視電阻率異常表現為明顯的低阻異常帶，在深部高阻背景中仍有斷裂構造異常表現，推斷其發育深度超10 km。

次級斷裂構造：本次圈定次級斷裂構造6條，在圖4中為紅色細虛線表示，分別編號FⅡ-1、FⅡ-2、FⅡ-3、FⅡ-4、FⅡ-5、FⅡ-6，其中FⅡ-1為推斷斷裂，F2、F3、F4分別是招平斷裂上盤一組與其傾向平行或有一定夾角的次級斷裂，FⅡ-2、FⅡ-3分別對應欒家河斷裂和豐儀店斷裂，FⅡ-4為一條隱伏斷裂，同時在玲瓏巖體內部，發育一系列次級斷裂構造，從本次MT電性結構圖分析，這些斷裂帶發育深度和展布規模有限，屬于巖體內部次級構造。

基底構造：本次在中生代盆地下伏基底，圈定6條具有明顯斷裂構造異常特征的構造帶，在圖4中用藍色虛線表示，分別編號FJD-1～FJD-6,其中FJD-5、FJD-6為主斷裂構造,推斷是與深部熱隆物質上升有關的區域性斷裂構造，在MT視電阻率斷面圖中為明顯的低阻異常帶特征,且發育規模較大，FJD-1～FJD-4為次級斷裂,與盆緣附近的火山活動有關，以FJD-2為代表,其低阻異常非常明顯，與兩側地質體視電阻率差異明顯。這些斷裂構造是本次MT測量的新發現,尤其是FJD-5斷層在深部與招平斷裂疑似相交的關系，這些新的發現為區內構造系統與深部金礦的研究提供了新的依據。

5 地層解釋

通過本次實測MT及重磁聯合反演成果(圖3)，該剖面地質體主要分為5段：第四系覆蓋區、玲瓏復式巖體核部、變質巖基底出露區、火山巖盆地和偉德山巖體高侵位區。

1) 第四系覆蓋區：位于剖面0～7.5 km，低磁性特征明顯，但布格重力值較玲瓏巖體核部升高，在MT電性結構圖上反映該區由上之下分為2 000 m以淺的低阻區和深部高阻區。根據區內地質資料和重、磁、電聯合反演解釋推斷該低阻區為上覆變質巖體分布，深部高阻區對應為玲瓏巖體分布。

2) 玲瓏復式巖體核部：位于剖面7.5～33.5 km，主要表現為高阻、低重、微磁特征，與東南部地質體有明顯的密度和視電阻率差異，根據重、磁異常反演擬合的玲瓏巖體發育深度超過10 km，根據重、磁、電聯合反演成果顯示在該區段玲瓏巖體出露位置向ES向截止于大約33.5 km處，之后呈隱伏狀態分布于東部變質基底下部，與上部地質體沿FⅠ(招遠—平度斷裂)中段呈斷層接觸。

1—第四系；2—白堊系-古近系王氏群；3—白堊系青山群；4—下白堊界萊陽群；5—古元古界荊山群；6—新太古界棲霞序列； 7—新元古界榮成序列；8—中生界玲瓏序列；9—中生界偉德山序列；10—潛火山群； a—地質斷面圖；b—MT二維電性結構；c—初始地質-地球物理模型；d—實測及反演擬合ΔT曲線；e—實測及反演擬合Δg曲線；f—重、磁聯合反演推斷塊體及物性特征1—Quaternary alluvium;2—Cretaceous - Paleogene wang group;3—Cretaceous qingshan group;4—Early Cretaceous laiyang group;5—jingshan group;6—qixia sequence; 7—rongcheng sequence;8—linglong sequence;9—wade mountain sequence;10—latent volcanoes; a—geologic section map; b—MT two-dimensional electrical structure diagram;c—initial geology-geophysical model;d—actual measurement and inversion fitting ΔT curve;e—actual measurement and inversion fitting Δg curve; f—gravity and magnetic joint inversion to infer the physical properties of blocks圖3 重、磁、電聯合反演推斷結果Fig.3 Inferred map of gravity, magnetism and electricity joint inversion

1—第四系;2—白堊系-古近系王氏群;3—白堊系青山群;4—下白堊界萊陽群;5—古元古界荊山群;6—古元古界膠南表殼巖組合;7—新太古界棲霞序列;8—新元古界榮成序列;9—中生界玲瓏序列;10—中生界偉德山序列;11—潛火山群;12—推斷Ⅰ級斷裂;13—推斷Ⅱ級斷裂;14—推斷Ⅲ級斷裂;15—推斷基底斷裂;16—推斷地質界線 1—Quaternary alluvium;2—Cretaceous - Paleogene wang group;3—Cretaceous qingshan group;4—Early Cretaceous laiyang group;5—Paleoproterozoic jingshan group;6—Paleoproterozoic jiaonan supercrust rock assemblage;7—New Archean qixia sequence;8—Neoproterozoic rongcheng sequence;9—Mesozoic linglong sequence;10—Mesozoic weideshan sequence;11—latent volcanoes;12—grade inference Ⅰ fracture;13—grade inference Ⅱ fracture;14—grade inference Ⅲ fracture；15—inferred basement fault;16—inferred geological boundary圖4 聯合反演地質解釋成果Fig.4 Joint inversion geological interpretation results map

3) 變質基底出露區：位于剖面33.5～64 km，地表對應棲霞序列出露區，棲霞序列是一套古老的侵入巖體，經過地質演化和構造活動影響，反映出強烈變質變形的特點，巖體內部多有更早形成的基性、超基性巖，使其巖石密度測量結果高于中生代侵入巖體，該段布格重力異常呈向東南逐漸升高的特征，推斷深部玲瓏巖體呈斷層接觸侵入棲霞序列，在MT電性結構圖中顯示為中—高視電阻率異常特征，與深部玲瓏巖體有明顯的帶狀低阻異常分離，低阻異常寬大，推斷與上盤棲霞序列遭受多期斷層活動，致使該接觸帶尤其是上盤老的基底巖體視電阻率顯著降低。

4) 火山巖盆地：位于剖面64～106 km，地表對應中生代火山巖盆地分布區，主要表現為低阻、低密度、磁性變化大的特征，下伏荊山群、棲霞序列為中—高電阻、高密度、磁性不均勻特征，在該段布格重力表現為高異常、中局部低異常分布的特點。在MT電性結構圖反映該區深部有高阻體發育，推斷該高阻體為中生界侵入巖體的可能性較大，因此結合其深部異常形態解釋該區中生代盆地最大厚度約2 800 m。

5) 偉德山巖體高侵位區：位于測線106～120 km，地表主要分布有白堊系青山群，局部有偉德山巖體出露，綜合異常顯示其重力值沿測線向剖面盡頭逐漸降低，視電阻率較西側有明顯抬升，推測該段深部中生界侵入巖體向上侵位抬升、在斷裂發育地段有潛火山巖集中上侵。

6 結論

研究區各時代地質體間有較為鮮明的密度、磁性和電性差異，在聯合反演過程中，由物性資料建立的地質—地球物理模型的選取是處理的基礎；在解釋過程中，綜合重、磁、電的地球物理場特征,結合地質規律，解決基巖斷裂、地層、巖漿巖分布規律及深部特征等地質問題，提高定量解釋的精度[19]。

本次研究利用重、磁、電聯合約束反演技術，重點解釋了招平斷裂帶東(上)西(下)兩盤新太古界棲霞片麻巖套與中生界玲瓏巖體的構造接觸界線的深部變化規律，較為清晰地刻畫了招平斷裂的深部空間展布特征；同時對膠萊盆地內白堊紀(火山)沉積地層及下伏前寒武紀變質基底的埋深、厚度、接觸關系等空間幾何要素進行研究，對膠萊盆地深部與金礦相關的隱伏中生代巖體進行了圈定。

膠東地區地質體分布多樣，構造分布及地質體接觸關系復雜，且部分地質體間具有相近的物性特征，利用重、磁、電單方法往往難以取得理想的解釋效果。例如MT法難以區分同為低阻的白堊系盆地與荊山群變質基底，而重、磁法難以將同為低密度、低磁性的中生界巖體與棲霞片麻巖套進行劃分，本次利用重、磁、電聯合約束反演技術，既減少了重磁聯合反演的多解性問題，同時彌補了MT法對部分相似電性特征地質體的分層難題，使本次深部地球物理探測的解釋成果更貼近真實地質情況。

通過該剖面綜合地球物理探測研究,解釋了10 km以淺膠東金礦集區熱隆—伸展構造樣式的深部空間特征,表明在此深度利用重、磁、電的組合方法進行深部地質結構和構造的探測及研究是適用的,深部探測效果符合預期，達到了良好的解釋效果，為今后深部金礦找礦預測以及相關研究工作提供目標和依據。