基于深部地球物理信息的构造变形岩相分类研究

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-04-18 10:13 热度：

　　摘 要:“构造变形岩相”填图方法的创立和应用为老矿区深部及外围的找矿工作指明了方向,在实践中取得了显著的效果,需要大力推广和深入研究。对于构造变形岩相带的深部结构认识,需要依靠地球物理信息的解译。与地球物理场性质相类似,构造变形岩相带也是一个现存的地质体;物探工作目的是要探测和揭示构造变形岩相带的埋深、轮廓、内部结构构造等特征,为确定其形成时间和演化过程提供依据。由于地质与地球物理的复杂时空关系,如果仅以新鲜岩石标本物性参数的差异作为判别标志,难以提高地球物理方法的分辨率和有效性。结合构造变形岩相进行综合解译,更能提高解释推断成果的多学科融合性。作为终极勘探目标,需要紧密结合构造控矿级序,建立构造变形岩相带的三级分类标准,提取对应的地球物理信息:一级构造变形岩相带为目标物所处的构造单元及构造应力场,及其所对应的区域地球物理场特征,如隆凹构造相间的伸展构造域;二级构造变形岩相带为目标物所处的控矿构造体系,及其所对应的矿田地球物理场特征,如岩浆核杂岩隆起 拆离构造系统;三级构造变形岩相带为目标物所在的有利成矿构造部位,及其所对应于关键剖面的地球物理特征,如侵入岩体与围岩的接触带或者含矿断裂带等。选择国际流行的典型金属矿床类型,介绍了三级构造变形岩相带的地球物理组合信息特征及其分级利用操作流程,为有效应用地球物理勘探方法开展深部找矿预测提供了范例。

　　关键词:深部地球物理信息;构造变形岩相带;物性参数;三级分类;找矿靶区

　　0 引言

　　“构造变形岩相”是“显示构造变形的那部分岩相”,是岩石形变和相变密切共生的地质体,既能反映成岩地质环境又包含成岩物理化学条件,是一种适用于开展“构造结合建造”观测和分析的构造岩石单元[1],特别适合于矿田 矿床级别,对于隐伏、深部矿产勘查和基础地质研究均具有重要的意义。 “构造变形岩相”填图方法的创立和应用,为老矿区深部及外围的找矿工作指明了方向,在实践中取得了显著的效果[2-5]。

　　进入21世纪,覆盖区和老矿区深部已成为矿产勘查的主攻目标[6-7],其中,地球物理信息的采集与解释是研究地质体结构构造特征、圈定深部找矿靶区的主要方法之一。但是,即使在浅部精细的地质研究基础上,深部物探异常的验证结果也常常难以达到地质认识和勘探工作的要求。那么,提高地球物理方法有效性和精度的出路在哪里? 基于当前的仪器和资料解释技术水平,只有扩大探测目标的空间规模,结合成矿地质模型和各种成矿信息,才能建立可识别的深部地球物理特征。作者曾提出“地物化三场异常耦合”理论,指出隐伏矿床定位预测的目标是有利的成矿构造部位,并取得了一定的找矿效果[8]。在此基础上,本文进一步提出,要突破矿石边界品位的限制,将矿体与受构造 流体作用改造的围岩组合成一体,即在“构造变形岩相带”研究的基础上,对采集的地球物理信息进行三级分类,圈定成矿作用边界,为深部勘探工作提供适宜的目标和技术支撑。

　　1 地球物理方法对地质构造的探测能力

　　地球物理的重要能力在于了解并提供地下三维结构及相应物性参数[9],在实际工作中,各种物探方法对地质构造的探测能力(如深度、分辨率等)是有很大差别的。

　　1.1 探测目标的分级

　　(1)按规模或面积分级。地质构造类型多样,构造单元的规模是分级的[10-11]。结合地球物理勘探目标物(或目标体,即构造岩相体),可粗略分为三级 (表1)。

　　(2)按探测深度的分级。地球物理方法的分辨率与有效探测深度直接相关,可粗略分为两级:浅部的分辨率较高,方法很多,包括航空/半航空、地面和井中高精度电法、电磁法、磁法、重力、速度、放射性等物探方法(表2);中深部的分辨率低,方法比较少,如大深度电磁法、地震、重磁法等(表2)。实际操作上,这些分辨率也是很粗略的。在浅部,物探方法是地质工作的辅助手段;到了深部,地质观察方法受到限制,必须转为以物探方法为主。但如何采集、处理、解释、验证地球物理信息,则需要深入细致研究。从探测目标和有效深度来看,地球物理方法的探测能力可分为三级(表2)。

　　1.2 地球物理方法的分辨率

　　大量的地球物理探测、深部钻探及测井工作结果表明,地壳物质成分、应力和结构随深度变化很大[6-7,12-15],因此,地表地质图不能代替深部地质体特征,地球物理异常的解释也不能只依靠地质图提供的信息,而是需要考虑深部物质成分变化和构造改造作用。此外,矿床地质的复杂性及成矿类型的多样性,也严重制约了深部预测参数选择和数学模型有效性[16-18]。

　　1.2.1 对不同级别构造的分辨率

　　(1)小比例尺构造(1~3级构造单元)。物探结果与地质填图结果常常存在很大的差异,在小比例尺(<1∶500000)图件上,中国主要构造带与物性异常 带 之 间 具 有 较 好 的 对 应 关 系[19-22],特别是据此可以大致划定中、新生代以来形成的重要地质体构造边界。但是,地质填图所揭示的褶皱、密集断层或其他方向的断裂带,物探异常图却难以识别。受到观测条件的限制,分布在海底的断 裂 带,更 是 主 要 依 靠 地 球 物 理 资 料 进 行解译。地球物理资料解译得到的,不仅仅限于地表形迹,更多表现的是地下一定深度内地质体的物 性 特 征,而 且 主 要 是 中、新 生 代 以 来 保 存 的特征。

　　对比中国主要构造体系图和布格重力异常图[19-22],有几个值得重视的问题:①NWW 向的中央造山带(昆仑—秦岭—大别山)物性异常带不连续,推测它们可能不是同期形成的,或者是浅层次的构造带,或者是受到了强烈改造。但是,南北构造带和新华夏系 NNE向构造带的物性异常带却是连续的,它们都是中、新生代以来形成的。由此说明,根据物探异常无法区分构造带的形成时期。②近EW 向的北方造山带,其南界(“纬向构造带”),或塔里木 华北地块的“华北北缘”带,并不存在显著的EW 向地球物理异常带。推测“华北北缘”带是残留的中、新生代以前形成的古构造带,其深部地壳和构造线方向已经被后期构造作用强烈改造。③中国西部的 NEE向阿尔金断裂带与重力异常带延伸方向一致,是新生代活动断裂,但没有穿过南北构造带。 ④中国西南地区的青藏高原,其地壳物质具有向 NE、向E的明显扩散趋势,与构造线的展布方向基本一致。

　　(2)中比例尺区域构造(3、4级构造单元)。当比例尺进一步加大到1∶200000~1∶50000,研究重要构造区带的深部结构时,地球物理方法的准确程度更加受到了挑战。例如,研究结果表明,NNE向郯庐断裂带中段重力密度低值区可以指示断裂构造的存在[23]。但从图1 [23]的结果来看,地质特征明显的 NWW 向断裂构造带及其他方向的断裂带,在地表和12km 深处均无明显的重力密度异常带。如何解释这个矛盾,是地质与地球物理之间并不存在一致的关系,或者可能12km 之内的地壳结构有分层特点,还是可能存在更深层次的原因,还需要进一步研究。

　　该实例说明,如果没有地质资料的支持,仅凭物探异常图,很难推测异常体(带)的地质属性。分析主要原因如下:①地球物理是以确定目标地质体空间位置和范围为主要任务,其准确度和精度受到观测技术和比例尺的限制;②地质现象的观察、描述和分类非常精细,以追求时间演变规律为主要目标,空间跳跃度大;③地球演化历史复杂,具有不可逆性, 地质过程难以复制。

　　如上所述,物探异常可以识别中小比例尺的构造带、岩相带,其结果能够给出一定的宽度和深度概念,但无法识别地质体内部形变特征(图1)[19-23]。物探结果只能定位,无法分辨地质构造的动力学、运动学、时间、次序。因此,要提高物探方法的分辨率, 必须进一步扩大地球物理观测目标。

　　(3)大中比例尺(矿田和矿区)。在比例尺大于 1∶50000的矿田和比例尺大于1∶10000的矿区范围内开展地球物理工作,一般有比较明确的勘查目标和岩石物性参数,以及各种地质模型。但是,由于地质过程的复杂性、人们的认知水平和保存的构造地质证据不完整等原因,也难免出现物探异常多解性的问题。在某些情况下,地球物理方法的分辨率还是比较高的。

　　例如,老挝万象盆地钾盐矿的综合研究结果表明,钾盐成矿后受到了后期构造运动的强烈改造 (图2)[24]。在挤压走滑背景下,后期的构造运动对钾盐进行改造,并使得钾盐矿体发生了塑性柔流和脆性滑移。万象盆地萨塔尼钾盐矿区的三维地震勘探结果表明,无论水平切片还是垂直剖面上,都清晰地显示了构造运动对钾盐矿和地层的后期改造 (图3)[24]。钻探岩心也显示与构造运动有关的柔流变形。通过钻孔测井资料对三维地震勘探进行标定,可以准确外推钾盐矿体的横向变化并预测钾盐矿的空间位置。此外,采用大地电磁测深方法,透过地表地质现象,可以揭示大别山地区典型剖面 100km深度内的地质结构特征(图4)[14]。

　　1.2.2 对不同方向构造面(带)的分辨率

　　地质构造通常具有各向异性的特点。从测线布设及数据反演结果来看,不同物探方法对地质构造延伸方向的分辨率有很大的差别(表3),在垂直方向上,地震勘探和大地电磁测深方法有较好的分辨率。其中,地震勘探方法对地质构造各向异性特征的分辨率最高。

　　2 构造变形岩相带的地球物理分类方案

　　2.1 分类原则

　　(1)以识别空间特征为目标。鉴于地质与地球物理之间存在复杂的时空关系[17-18],地球物理信息解析地质构造的目标应当是构造变形岩相带的埋深、轮廓、内部结构构造等特征,而关于其形成时间和演化过程等成因问题,则是地球物理方法力所不及的。因此,构造变形岩相带的分类标准,要以地球物理方法能够识别的地质体空间位置特征为主。

　　(2)提高空间分辨率。已经划分了矿田 矿床尺度的9种构造变形岩相类型[25],并对其成分和结构特征进行了详细的描述。这些构造变形岩相类型,是矿体所在的岩相,即“近矿”或“含矿”岩相,其宽度通常较小,而在其两侧,还存在着弱蚀变或其他类型的蚀变,即从矿体开始,经过强蚀变带,到弱蚀变带,再到原岩,组成了宽度大得多的蚀变变形带, 而这个更宽大的蚀变带是多期构造变形和热液蚀变作用形成的,因而称之为“构造变形蚀变岩相带”。值得注意的是,这些构造变形岩相类型的划分都是从地质角度出发,针对的是含矿的那部分地质体,而没有包括对围岩的描述,也没有给出蚀变强度和岩相边界的划分标准。实际上,有些岩相可以围绕同一个矿体出现,可以是互相交叉、覆盖的,有的岩相类型也可以出现在围岩中,难以区分。从构造变形岩相带的概念来看,它是由多个岩相亚带(单个岩相)组成的,而且往往具有对称分布的特点。

　　地下深部的这些近矿构造岩相(带),包括金属类型、矿种、矿体规模(受品位指标限制)、埋深等指标,用物探方法很难识别,主要原因是单个岩相带与相邻围岩之间的物性差别小,矿体的空间尺度也相对较小。前已述及,地球物理方法在水平方向和垂直方向的分辨率都是有限的,达不到地质研究的精度,而且不同物探方法之间存在很大差别。

　　对构造变形岩相的探测,如果只考虑岩石的物性差别,就极大限制了地球物理方法的作用。以往的对策是用综合地球物理方法探测同一目标,但受到方法原理和观测条件的限制,往往难以达到预期目的。只有通过扩大目标体的空间尺度(即从矿体到围岩之间分布有多条构造岩相带,它们组合成较大宽度的构造变形岩相带),才能取得更高的分辨率。这种岩相带的组合,不仅扩大了目标体的空间尺度,而且其物性特征也不是已知岩石种类的标本参数组合,而是复合物性参数,是与地质构造紧密结合的数据指标。构造变形作用所引起的地质体结构构造及物质成分的变化规律,恰好是构造物理化学的研究范畴,也是地质与地球物理相结合的重要发展方向。

　　(3)从宏观到微观,分级筛选目标体。构造变形岩相带的成分和结构构造,可以通过野外露头、钻孔岩心和深部坑道的观察、测量、统计,镜下的矿物组合、显微构造观察,以及地球化学分析,得到规律性的认识,作出详细的分类,建立判别标志。从宏观尺度和微观尺度上看,不同类型构造带的岩石变形程度可进一步分为强变形带、中变形带、弱变形带、未变形带,这对于剪切带、糜棱岩等研究很有意义。根据地质调查结果,能够划分构造带的类型、变形强弱,划分构造 岩相带[26];依据钻孔资料,预测构造 岩相带的延伸;根据研究结果,推测地质事件、构造动力学、运动学、作用时间与期次等。从垂向应力分布的角度来看, 构造应力分带规律也很明显,即浅部引张带、中和面、深部挤压带,这是应力分布的普遍规律[27-28]。

　　但是,由于地质与地球物理的复杂时空关系,以上这些经典的地质研究成果,用地球物理信息解译方法难以识别[17-18]。地球物理方法只能在一定精度上解析地质体的结构构造特征,而不能解析构造的形成过程和构造面的性质。

　　与地球物理场的时间属性相同,构造变形岩相带也是一个现存的地质体,处于一定级别的构造单元中,不同级别的构造单元之间有着内在的成因联系,它们对于构造应力作用的响应程度既有差别又有联系。“区域约束局部”“深层制约浅层”是矿产资源分布的基本规律[29],本文对构造变形岩相带的分类也要参照这一思想,采用“撒大网、捞大鱼”的策略,要以矿产资源的地质成因模型为基础,确定目标地质体(含矿构造岩相带)的物性特征。对含矿构造变形岩相带的地球物理标型信息的解译,要以多级序构造控矿规律为基础,以选定的勘探区域为最小目标,从更大范围的构造单元开始,分3个层次,发挥不同物探方法的精度优势,“抽丝剥茧”,逐步“缩小包围圈”,直至锁定含矿构造变形岩相带,圈定有利成矿构造部位,为工程验证提供依据。

　　2.2 构造变形岩相带的地球物理分类方案

　　迄今为止,深部地质体结构构造的解析都是依靠综合地球物理方法,还没有发明一种万能的深部地球物理勘探方法。总的来看,业界也比较认可采用综合地球物理勘探方法。由于各种方法的原理和参数不同,综合方法的应用结果类似于“瞎子摸象”。要识别构造变形岩相带的类型,提取有效的成矿信息,需要按照目标地质体所在的多个构造单元级别, 分层次设定相应的地球物理信息解译方法,建立以目标体的空间轮廓和结构构造为核心的勘探计划, 延伸物探技术能力,扩展应用范围。

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　　如前所述,被用来进行地球物理信息探测的“构造变形岩相带”,是目前提高物探方法分辨率最好的探测目标。由于地质与地球物理的复杂时空关系, 如果以岩石物性参数的差异作为唯一的判别标志, 难以提高地球物理方法的分辨率和有效性。作为终极勘探目标,需要紧密结合构造控矿级序,建立构造变形岩相带的三级分类标准,提取对应的地球物理信息。基于地球物理信息特点和方法技术水平,构造变形岩相带的分类目前暂划分为三个级别(成矿带、矿田、矿床)(表4)。

　　一级构造变形岩相带,即目标所处的3、4级构造单元及构造应力场(如隆凹构造相间的伸展构造域,对应于区域地球物理场特征);二级构造变形岩相带,即目标所处的控矿构造体系(如岩浆核杂岩隆起 拆离构造系统[30-31],对应于矿田地球物理场特征);三级构造变形岩相带,即目标所在的有利成矿构造部位(如岩体与围岩的接触带,对应于关键剖面的地球物理特征)。

　　具体操作流程:(1)在成矿条件分析和矿床成因模型的基础上,建立含矿构造变形岩相带的物性参数模型;(2)采用综合地球物理方法,对勘查区开展 3个层次的构造 地球物理勘查工作;(3)采用层层识别、分级解译的技术组合,从综合地球物理信息中提取与构造变形岩相带类型对应的成矿信息,进一步提高地球物理方法的分辨率。图5 [32]的物化探异常综合剖面图,就是针对第三级别构造变形岩相带开展的地球物理信息提取工作,主要采取大深度地球物理剖面测量,勘探目标是含金断裂带。

　　3 典型构造变形岩相带的深部地球物理信息组合

　　矿田 矿床级别的地球物理勘探要分级实施。有的采用“一步式”,精度高;有的采用“组合式”,精度不高。各种方法组合对勘探目标的分辨率是不同的,不能一概而论,要实事求是地选择和评价地球物理方法的有效性。

　　3.1 矿物及矿物集合体的一般物性特征

　　(1)金属矿物及其集合体。金属矿物的物性参数异常比较显著,例如,磁铁矿是铁磁性矿物,磁化率极高,密度也较大。在地质环境下,如果磁铁矿稀疏分散在岩石中,其含量就很低;或者其富集,但形成的集合体规模很小;或者其集合体有一定规模,但埋藏深度很大。以上这些情况,很难引起深部显著的磁异常或重力异常。其他常见的硫化矿物,如黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、方铅矿、辉钼矿等,在密度、电阻率和极化率方面也具有类似的表现。

　　(2)非金属矿物及其集合体。从非金属矿物来看,硅酸盐类造岩矿物之间物性差别不大,但如果它们出现定向排列构造,则可能产生磁场、速度、电阻率等矢量物理量的各向异性特征,导致不同方向出现显著的物性参数差异,差异可达一到两个数量级。含氧酸盐矿物也具有类似的特征。对于含水矿物来说,其分布方向的连续性和定向特征也将直接影响到磁场、速度、电阻率等矢量物理量的各向异性特征。此外,含水矿物的连续存在或相当大规模出现, 将会显著降低地质体的密度。

　　(3)原岩与构造岩。从岩石破裂程度或孔隙度来看,致密的原岩与受到构造 流体影响而出现变形、破碎、蚀变、含水等现象的岩石相比,其密度、电阻率等性质也会发生显著变化。

　　3.2 典型矿田构造变形岩相地球物理信息

　　前期划分了5种地质作用下的矿田构造变形岩相一级类型[33],本文根据不同类型构造变形岩相 带 的 构 造 特 征 (主 要 是 隆 起 凹 陷 过 渡带),提出对应的地球物理勘探目标和方法组合 (表5)。——论文作者：张宝林1,2,3, 吕古贤4,* , 余建国1,2,3, 梁光河1,2,3, 李志远1,2,3, 徐兴旺1,2,3, 胡宝群5, 王红才4, 毕珉峰6, 焦建刚7, 王翠芝8

文章名称：基于深部地球物理信息的构造变形岩相分类研究

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