多尺度綜合地球物理探測：揭示成礦系統、助力深部找礦
——長江中下游深部探測（SinoProbe-03）進展

呂慶田， 董樹文， 湯井田， 史大年， 常印佛， SinoProbe-0-CJ項目組

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中國地質科學院地球深部探測中心， 北京 1000373 中南大學地球科學與信息物理學院， 長沙 4100834 中國地質科學院礦產資源研究所， 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室， 北京 1000375 安徽省國土資源廳， 合肥 230088

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多尺度綜合地球物理探測：揭示成礦系統、助力深部找礦
——長江中下游深部探測（SinoProbe-03）進展

呂慶田1,2， 董樹文2， 湯井田3， 史大年4， 常印佛5， SinoProbe-03-CJ項目組*

1 中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所， 河北廊坊 0650002 中國地質科學院地球深部探測中心， 北京 1000373 中南大學地球科學與信息物理學院， 長沙 4100834 中國地質科學院礦產資源研究所， 國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室， 北京 1000375 安徽省國土資源廳， 合肥 230088

兩個原因使我們必須開展深部探測.一是尋找深部資源，二是更好地理解形成和控制陸內成礦的深部動力學過程，預測新的礦集區.在深部探測專項、國家自然科學基金和地質調查項目資助下，作者在長江中下游成礦帶及鄰區開展了系統的多尺度、綜合地球物理探測.包括：成礦帶尺度的寬頻地震探測及“廊帶式”綜合探測，礦集區尺度的骨干剖面探測和三維建模，礦田尺度的三維探測與反演模擬.探測結果在三個層次取得了一系列新認識和新發現，完善了相關探測方法技術.主要包括：揭示了成礦帶巖石圈結構、深部過程及對成巖、成礦的控制，提出了成礦帶形成的動力學模型，詮釋了在狹窄的成礦帶內形成大規模金屬堆積的深部因素；揭示了典型礦集區地殼三維結構、組成和斷裂分布，建立了礦集區三維結構模型和區域成礦模式，推斷了主要控礦巖體、地層的空間展布，預測了新的找礦靶區；開展了“玢巖型”、斑巖型和熱液型多金屬礦床綜合地球物理探測試驗，總結了勘查模式，預測了深邊部找礦靶區；提出了硬巖區反射地震數據采集設計、激發到接收的有效措施，探索了地震弱信號提取、噪聲壓制、靜校正和偏移等處理新技術、新方法；提出了強電磁干擾區電磁去噪的數字形態濾波等技術，完善了二/三維帶地形和考慮各向異性情況的電磁正反演技術.

長江中下游成礦帶； 層析成像； 深反射地震； 三維建模； 陸內俯沖； 地球動力學模型

1 引言

無論是成礦學的發展，還是深部找礦的現實需求，重大問題的解決都離不開深部探測.通過不同尺度的綜合地球物理探測，理解成礦的深部動力學過程和決定礦床空間分布的地殼結構；了解成礦、控礦地質要素的空間分布，為深部找礦提供必要的深部信息.

礦床的形成，尤其是大型、超大型礦床的形成是巨量物質和能量聚集的結果，它們受地球不同尺度的動力系統控制，從全球、區域到微觀尺度（Blewett et al., 2010）.深入理解一個礦床的形成過程，要從地質結構、動力、物理和化學等方面理解成礦的全過程，即成礦系統.成礦系統可以定義為：所有決定礦床形成和保存的地質要素和過程（Wyborn et al., 1994）.該系統可以從5個方面來描述：1）地球動力學背景；2）地殼結構框架；3）成礦流體來源和流體源區性質；4）流體通道和遷移路徑；5）成礦物質沉淀機理（Barnicoat et al., 2007）.對成礦系統各組成部分的探測和解剖，不僅是理解成礦過程的基礎，還將有效提高成礦預測的成功率.

礦產勘查走向深部已成為國際大趨勢.近100多年的勘查實踐表明，勘查技術的每次進步都會帶來一批新礦床的發現，并使勘探深度不斷加大（Gordon, 2006）.在探測的基礎上，開展三維地質建模可以了解一個地區的結構框架，助力深部成礦預測.近年，三維地質建模已經成為礦體形態描述和深部成礦預測的常規手段，尤其是反射地震技術，在三維地質建模中起到關鍵約束作用（e.g., Milkereit et al., 1992; Goleby et al., 2002; Malehmir et al., 2006, 2007; and Lü et al., 2013a）.

長江中下游成礦帶是我國東部的“礦業走廊”，產出有200多個大中型鐵、銅、金等多金屬礦床（Pan et al., 1999）.為什么在此狹窄的空間內發生了巨量金屬富集？深部發生了什么地球動力學過程？長期以來一直是礦床地質學家關注的重大科學問題.25年前，常印佛等（1991）在其“長江中下游銅鐵成礦帶”一書中指出，“長江中下游是一個陸內成礦帶，在各方面均存在自己的特色，它不同于碰撞造山成礦帶，也不同于大陸邊緣成礦帶，和典型的裂谷成礦帶也有很大差別”.20多年過去了，大量高精度年代學工作進一步證實了長江中下游的成礦作用發生在145 Ma到120 Ma，峰值在140 Ma 和125 Ma（Zhou, et al., 2008），成礦時間晚于揚子與華北板塊匯聚碰撞（Zhao et al., 1987；Li et al., 1989；Yin and Nie., 1993）約80多個百萬年，成礦階段完全處于大陸內部環境.相對于洋-陸俯沖（Kerrich and Wyman, 1990; Kerrich et al., 2000）和陸-陸碰撞（Hou and Cook, 2009; 侯增謙，2010）構造背景下的深部過程和成礦系統研究而言，大陸內部深部過程與成礦系統的研究還很薄弱，核心在于對復雜的大陸巖石圈結構和深部過程知之甚少.

最近10多年，在長江中下游成礦帶深部相繼發現了姚家嶺、沙溪、泥河、小包莊、楊莊、城門山深部等10多個大型、超大型銅、鐵礦床，深部成礦與找礦潛力再次引起科學界和工業界的高度重視.深部的找礦潛力到底有多大、多金屬如何開展深部找礦等問題再次擺在礦床學家和勘探工作者面前.

在國家深部探測專項（SinoProbe）、地質調查項目和國家自然科學基金支持下，自2009至2014年，SinoProbe-03項目組在長江中下游地區開展了多尺度、綜合地球物理探測研究工作.包括成礦帶尺度的綜合探測、礦集區尺度的三維地質建模和深部成礦預測，以及礦田尺度的三維探測與礦體定位.在不同尺度的探測中，針對遇到的特殊問題還開展了技術攻關，取得了一批技術創新成果.本文將主要回顧三個層次的綜合探測在長江中下游成礦帶巖石圈結構、深部過程、區域構造，典型礦集區三維結構和方法技術探測試驗方面取得的新認識、新進展，希望能對關注和研究長江中下游成礦帶，以及開展深部探測和勘探技術方法研究的科研工作者有所幫助和借鑒.

2 多尺度綜合地球物理探測工作部署

在國家“深部探測技術與實驗（SinoProbe）”等多個項目的支持下，作者對長江中下游地區進行了系統的多尺度綜合地球物理探測（呂慶田等，2011），總體部署可以概括為：“一網、兩帶、四區、多點”（圖1）.

巖石圈及上地幔結構探測的“一網、兩帶”部署.“一網”是指覆蓋長江中下游地區的寬頻地震臺網.作者先后部署了47臺和20臺寬頻地震臺連續觀測了5年，加上收集到的130多個固定地震臺站數據,形成了覆蓋整個地區的寬頻地震臺網.利用這些數據，先后開展了遠震層析成像（Jiang et al., 2013; 2014; 2015）、噪聲成像（Ouyang et al., 2014）、各項異性（Shi et al., 2013；歐陽龍斌等，2015）和P波、S波接收函數研究（史大年等，2012）等.“兩帶”是指兩條跨越長江中下游成礦帶的綜合探測廊帶，簡稱“北帶”和“南帶”（圖1）.“北帶”大致以寧蕪礦集區為中心，呈NW-SE走向，北西起自安徽省利辛縣境內，經馬鞍山，南東到達浙江湖州境內，全長約450 km；“南帶”位于安慶南側，呈NW-SE走向，北西起自湖北境內的英山縣（大別山內），經安徽的太湖和望江縣，南東到達江西開化縣境內，全長約350 km.沿地質廊帶開展了深地震反射（Lü et al., 2015a）、寬角反射/折射（徐濤等，2014；張明輝等，2015）、大地電磁（強建科等，2014；王顯瑩等，2015）探測.在“北帶”還部署了密集（臺站平均間距5 km）的寬頻地震觀測（史大年等，2012）.探測目標是揭示巨型成礦帶的巖石圈結構、形成的深部構造背景、動力學過程，以及礦集區形成的深部控制因素.

礦集區三維結構探測的“四區”部署.“四區”是指寧蕪、銅陵、廬樅和貴池礦集區，各礦集區的剖面部署和工作程度有所差別，其中以廬樅、銅陵礦集區最為詳細.廬樅礦集區開展了5條相互交叉的高分辨率反射（Lü et al., 2013b；2015b；呂慶田等, 2014b）、MT剖面探測（肖曉等，2011, 2014），以及區域重磁物性填圖與三維建模研究（祁光等，2014；嚴加永等，2014a；郭冬等，2014）.銅陵礦集區開展了6條NW-SE向的高分辨率反射地震剖面（Lü et al., 2012）和6條MT剖面探測（Tang et al., 2013；湯井田等，2014），以及區域航磁巖性填圖（嚴加永等，2009）與重力三維反演建模研究（蘭學毅等，2015）等工作.探測的主要目標是揭示礦集區三維結構及主要控礦地質體（構造、地層和巖體）的深部延伸，建立礦集區區域成礦模式，為深部找礦勘查提供深部信息.總體技術思路是用骨干剖面為約束，利用區域重、磁位場三維反演技術（Lü et al., 2013a）構建礦集區三維地質-地球物理模型，并在關鍵地區實施鉆探驗證.

典型礦床（田）深部探測的“多點”部署.“多點”是指在廬樅、銅陵等礦集區，選擇典型類型礦床，如廬樅的沙溪斑巖銅礦（Chen et al., 2012；嚴加永等，2014b）、泥河（祁光等，2012；匡海洋等，2012；張昆等，2014；）、羅河“玢巖型”鐵礦（呂慶田等，2010）；銅陵礦集區舒家店斑巖銅礦床（胡英才等，2014）、姚家嶺鋅金多金屬礦等，開展三維綜合地球物理方法探測試驗.目的是檢驗方法應用效果、完善三維反演技術、開展深部及外圍成礦預測.

圖1 長江中下游成礦帶及典型礦集區多尺度綜合地球物理探測工作部署圖

3 成礦帶巖石圈結構、深部過程與變形

地震波速度是物質、溫度和流體的綜合反應，上地幔速度及變化一定程度上反映了熱狀態和物質的性質和變化.利用深部探測部署的寬頻地震臺和收集到的固定地震臺站數據，項目組應用多種層析成像方法獲得了上地幔及巖石圈的速度分布和各向異性參數；利用深地震反射/折射和MT探測獲得了更加精細的地殼速度、反射結構和電性結構，分析這些結果，對認識長江中下游成礦帶巖石圈結構、深部過程和變形提供了重要的約束.

3.1 上地幔及巖石圈速度結構與界面

利用長江中下游成礦帶及鄰區省份46個固定臺站和20個流動臺站數據，選擇678個遠震時間，提取了17118條P波到時數據，開展了遠震層析成像反演（Jiang et al., 2013; 江國明等2014）.成像結果顯示，從地殼到上地幔（400 km），成礦帶P波速度呈現兩高一低的“三明治”結構，即0～50 km深度表現為高速異常，100 km和200 km深度表現為低速異常，而300～400 km深度又表現為高速異常.三維異常形態基本上平行于成礦帶走向（NE-SW），而且南部較深、北部較淺，總體向南西傾斜.

利用138個固定地震臺和19個流動臺站數據，項目組還開展了噪聲及雙平面波層析成像反演（Ouyang et al., 2014），得到了長江中下游地區從地表到250 km深度范圍內的三維S波速度結構.結果表明在6 km深度范圍，盆地區總體表現為低速特征，河淮、蘇北和江漢盆地表現出比南陽和合肥盆地更低的速度；大別—蘇魯造山帶和華南褶皺帶表現為高速特征；在26 km深度，大別造山帶表現為低速特征.最顯著的特征是在長江中下游成礦帶下方100 km到200 km深度范圍內存在一個明顯的低速體，且從西南的九瑞礦集區到東北的寧蕪礦集區，該低速體深度逐漸變淺，速度逐漸變低（Ouyang et al., 2014），這一特征與遠震層析成像結果總體一致.

為研究上地幔和巖石圈內部主要界面的起伏，項目組利用“北帶”密集部署的寬頻地震臺數據，開展了接收函數研究，選取了信噪比較高的4851個遠震P波和205個遠震S波接收函數參加了疊加成像（史大年等，2012；Shi et al., 2013）.結果顯示，研究區內上地幔中410 km和670 km間斷面比較平坦，深度未見有明顯異常，但Moho面具有明顯的“幔隆”特征.在P波接收函數成像剖面上，Moho面具有最強轉換振幅、連續，且存在著明顯的橫向起伏變化，Moho最淺出位于寧蕪礦集區下方，大約在29 km；向東西兩側逐漸加深，最深處在郯廬斷裂附近，約36 km，揚子和華北克拉通內部Moho 基本在32～33 km之間.S波接收函數更適合上地幔結構成像，與P波接收函數不同，它們不受來自地殼多次波的干擾.S波接收函數結果顯示大約在70 km深度有一個負轉換界面，很可能是軟流圈頂界面的反映.這一結果與Chen 等（2006）和Sodoudi 等（2006）在大別和郯廬斷裂帶獲得的結果一致.S波接收函數結果說明長江中下游成礦帶存在軟流圈頂界面的隆起.

根據速度分布特征，呂慶田等（2014a）認為，P波層析成像第一層高速異常的分布大致反映長江中下游成礦帶的巖石圈厚度60～70 km，與該剖面的接收函數結果非常一致（Shi et al., 2013）.上地幔的速度異常通常由溫度和物質組成的變化引起，高速異常對應著“冷的”、堅硬的物質（比如俯沖的板塊或巖石圈），而低速異常則對應著“熱的”、較軟的物質（比如軟流圈熱物質）.研究區的“三明治”速度結構或可解釋為俯沖的古老洋殼殘余，或拆沉的巖石圈根部.呂慶田等（2014a）認為“三明治”速度結構可能與巖石圈的拆沉有關，高速體可能是增厚的巖石圈（下地殼）拆沉、并下沉到該深度的殘留體；而位于100～200 km之間的低速體應該是上升的軟流圈物質，它們替代了拆沉的巖石圈.這與長江中下游成礦帶的巖漿巖普遍具有與埃達克（adakite）巖石類似的地球化學特征相吻合，它們來自增厚的巖石圈（下地殼）拆沉、熔融的結果.

3.2 上地幔及下地殼各向異性

使用國際上通用的橫波分裂測量方法（Vinnik et al., 1989; Silver and Chan, 1991; Silver and Savage, 1994），項目組對研究區開展了SKS和SKKS各向異性參數測量和研究（Shi et al., 2013）.研究結果表明，快波偏振方向沿“北帶”廊帶有較大的變化，且規律性明顯.華北地臺內部可觀測到的快波偏振方向總體呈NW-SE方向.“北帶”廊帶北西端到滁河斷裂，可以看到快波偏振方向呈順時針逐漸旋轉，直到大致平行斷裂帶的NE向.長江中下游成礦帶內大多數的臺站快波的偏振方向在45°N—65°E之間，大致平行構造走向.江南斷裂以東，快波偏振方向從近似平行構造線方向又變為WNW-ESE.

研究區各向異性參數的另一個特征是快波偏振方向隨震源方位不同而變化.比如，對大多數來自南東134°方向的地震，江南斷裂附近臺站的快波偏振方向一致呈65°N—85°E；但對來自北西317°方向的地震，快波偏振方向呈120°N—130°E.這種現象的可能解釋是地幔變形在有限空間內突然變化，導致各向異性橫向變化迅速.長江中下游出現的這種變化，可能的解釋是來自不同方向的SKS、SKKS穿過了不同的各向異性層，造成在短距離內發生較大變化，這種特征通常在造山帶、陸內裂谷帶等狹窄線性構造區遇到（Nicolas,1993），反映上地幔流動變形方向在造山帶下的突然變化.

引起橫波分裂的原因通常認為是最后一次造山運動形成、并“凍結”在上地幔的“化石”各向異性（Silver and Chan, 1991），或者是現今軟流圈流動形成的地幔各向異性（Vinnik et al., 1989），或者是上述兩者成因兼而有之（Vinnik et al., 1992）.華北克拉通、長江中下游成礦帶和揚子克拉通分別具有NW-SE, NE-SW和WNW-ESE的快波偏振方向，區域上形成各向異性的“三明治”結構.表明在總體NW-SE擠壓下，長江中下游成礦帶上地幔由于受到華北克拉通的阻擋，在長江中下游地區發生了切向（垂直擠壓應力方向）流動變形，而上地殼仍然發生NW-SE向的褶皺或沖斷變形.這種解釋與層析成像發現的上地幔NE-SW走向的低速體十分吻合.沿成礦帶中央的馬鞍山（MAS）、安慶（ANQ）臺站上具有最大的快慢波延遲，這與上地幔低速體的空間位置十分吻合，很有可能該低速體的NE-SW向的流動變形是產生上地幔各向異性的機制.

接收函數成像研究中，Shi等（2013）發現長江中下游成礦帶的下地殼與其周邊的下地殼在結構上存在明顯的不同.在22 km處存在一個近水平的反射（/轉換）界面，極性為負，表示該界面下面為相對低速層.該界面對于不同方位入射的地震波，其反射（/轉換）極性不同.對于沿成礦帶走向（NE-SW）方向入射的地震波，其下地殼表現為高速特征，而對于垂直于成礦帶走向方向入射的地震波，其下地殼卻又表現為低速特征.說明長江中下游成礦帶現今的下地殼存在著明顯的地震波各向異性.通過理論正演模擬，Shi等（2013）認為長江中下游成礦帶下地殼具有約5%的各向異性，各向異性層對稱軸方向呈NE-SW向，厚約10 km,且以11°傾角向南西（225°）方向傾斜.由于中下地殼深度缺少裂隙（Kern，1982），下地殼的地震波各向異性不大可能是裂隙引起的，最有可能是各向異性礦物晶體，如黑云母、角閃石，甚至橄欖石定向排列引起的.角閃石和橄欖石分別被認為是下地殼（Tatham et al., 2008）和上的地幔（Mainprice and Nicolas, 1989）地震波各向異性的主要來源，因為它們晶體的排列方向都易隨變形而改變.根據上述分析，下地殼的各向異性可以解釋為強烈殼幔相互作用、流動變形留下的動力學“痕跡”，其中包含巖漿過程的貢獻.

3.3 地殼結構與變形特征

分析多條跨越長江中下游成礦帶不同位置的深反射地震剖面（Lü et al., 2015a； 呂慶田等，2015c），發現成礦帶及鄰區地殼結構和變形具有以下特征：1）“三層”非耦合地殼結構；2）大尺度褶皺、逆沖變形和對沖構造；3）成礦帶對應“鱷魚嘴”構造，指示存在“陸內俯沖”；4）Moho“鼻狀”隆起.

3.3.1 “三層”非耦合地殼結構

根據反射同相軸的密度、形態、傾向、連續性和相互之間的交叉關系，長江中下游地區的地殼結構具有明顯的分層特征（Lü et al., 2013b, 2015a），大致可分為上、中、下三層（圖2）.上地殼（TWT，0～4.0 s）：反射密集、形態多變；中地殼（TWT，4.0～7.0 s）：反射密集，形態以大尺度、長“波長”為特征；局部卷入上地殼，更多的參與下地殼變形；下地殼（TWT，7.0～11.0 s）：反射相對稀疏（火山巖盆地區除外），以大區域“單斜”和水平反射為特征.需要指出的是，根據反射特征對地殼結構的劃分與傳統的以地殼物質和地震波速度為依據的劃分（Holbrook et al., 1992; Rudnick and Fountain, 1995）有些差異；另外，不同地區和構造背景的地殼結構也存在較大差異，如銅陵隆起與廬樅凹陷等，一些地方中、下地殼很難分開，呈現出“雙層結構”.

中、上地殼之間存在明顯的滑脫界面（decollement），深度大致在4.0 s（TWT），不同地方差異較大.上地殼多數斷裂、變形都終止在此深度附近.上地殼與中地殼變形總體呈不耦合狀態，但局部也可以看到中、上地殼同步變形的情況；中、下地殼之間雖然沒有一個連續的滑脫層，但二者之間明顯的反射差異可以推測存在物性界面，使中、下地殼在變形過程中解耦，這個界面大致與地殼中脆型到韌性的轉換界面對應，大約在21 km（張國民等，2002）.根據華南地區區域地層、構造地質及巖性特征分析，區域滑脫面可能存在于早志留系頁巖層、早寒武系黑色頁巖層，或震旦粉砂巖和頁巖層（朱光等, 1999; Yan et al., 2003）.上、中地殼之間的滑脫界面在一些地方可能與這些區域滑脫面吻合.

3.3.2 上地殼大尺度褶皺、逆沖與對沖構造

穿過不同構造單元的地震反射總體上呈現出與構造單元性質相對應的反射特征（圖2）.伸展凹陷區，如潛山—孔城凹陷、沿江凹陷等，反射剖面清晰地揭示出凹陷盆地的輪廓和內部沉積層結構，以及基底復雜的褶皺、沖斷和疊瓦構造；隆起區，既有以強烈擠壓為特征的緊閉褶皺，又有蜿蜒起伏的“波浪式”褶皺、漆折和疊瓦（imbrication），不同規模和尺度的構造疊加在一起，小到幾十米，大到二三十公里.

上地殼變形還呈現出區域變化的特點，大致以“長江深斷裂（CJF）”為界（呂慶田等，2015c），西側的反射構造總體向NW傾斜（張八嶺除外），東側的反射構造總體向SE傾斜，構成以長江深斷裂（CJF）為中心的“對沖”構造樣式（圖2）.從郯廬斷裂到揚子板塊內部，上地殼變形呈現出由緊閉褶皺、沖斷和推覆逐漸演變為區域寬緩褶皺、或廂式褶皺.比如，滁全凹陷下方出現一系列近似平行的、傾向NW的反射同相軸，并有規律地被切斷.根據凹陷兩側出露的老地層及其變形特征，這些NW傾斜的密集反射反映出蓋層曾經歷了強烈擠壓變形，形成緊閉褶皺、沖斷和疊瓦的構造式樣，在后期伸展過程中，被區域拆離斷層切斷.沿江凹陷、寧蕪火山巖盆地及其以東，一直到剖面尾端，上地殼表現為大尺度“波浪”式褶皺，在“波谷”和“波峰”之間不乏較陡的沖斷和推覆構造（Lü et al., 2015a）.這種反射特征反映出蓋層變形以大尺度、塊體整體變形為特征，形成了地殼尺度的褶皺、沖斷和疊瓦，與長江以北的小尺度緊閉褶皺、沖斷和疊瓦形成鮮明對比.

3.3.3 “鱷魚嘴”構造與陸內俯沖

深反射地震揭示的最顯著的地殼結構特征（Lü et al., 2015a）是在寧蕪火山巖盆地、沿江凹陷（長江深斷裂）和郯廬斷裂之下，出現類似于碰撞造山帶的“鱷魚嘴”構造（Brewer et al., 1980; Meissner et al., 1989），即中、上地殼物質沿逆沖斷裂向上逆沖，而下地殼物質沿著剪切帶向下俯沖或疊置，形成“地殼根（crustal root）”，在相鄰塊體地殼中間形成楔狀體.向上逆沖的物質由于進入冷的、剛性的上地殼，很容易被保存再來；但“鱷魚嘴”構造的“下顎”只有在熱流和伸展作用不太強的地方才能保留下來.

從整個長江中下游地區的下地殼（TWT，7.0～10.5 s）反射特征看，主要有兩種反射模式，即“單斜”和負向“對沖”模式.在火山巖盆地之下也可看到密集的近水平反射，或與前兩種模式疊加在一起.典型的下地殼“單斜”反射，出現在“北帶”廊帶的深地震反射剖面上（圖2），介于長江深斷裂至茅山斷裂之間的下地殼，多組NW傾斜的“單斜（ramp）”反射從中地殼一直延伸到寧蕪盆地的上地幔（45 km），并導致寧蕪火山巖盆地和長江深斷裂帶之下的Moho界面多處錯斷，這種特征還出現在郯廬斷裂之下，但沒有寧蕪盆地下方典型.只有少數下地殼的傾斜反射錯斷了Moho面，多數情況則是Moho面切斷了下地殼的傾斜反射.一些穿過長江深斷裂的剖面下地殼表現為負向“對沖”構造形態（呂慶田等，2015c），即大致以長江深斷裂為界，兩側下地殼反射傾向相反；一些剖面下地殼的近水平密集反射，可能與后期下地殼的強烈巖漿活動和伸展流動有關.“鱷魚嘴”構造的出現和上地殼強烈的擠壓變形使作者提出以下大膽推測：

1）長江中下游成礦帶在燕山期可能發生陸內造山運動，在陸內塊體之間發生陸內俯沖或下地殼的疊瓦，俯沖產生“殼根”，使地殼增厚.

2）上地殼與中、下地殼在造山過程總體上處于解耦狀態.中、下地殼出現拆離的深度約21 km（雙程走時7.0 s），這一深度位于中國東部現今地震震源深度底界（19.0 km）之下約2.0 km，處于地殼內部剛性強度最小的深度，物質處于塑性流動狀態（存在殼內薄弱帶）.

3.3.4 Moho“鼻狀”隆起

多種地球物理方法探測對長江中下游地區的Moho面形態取得一致的結果.反射地震發現（呂慶田等，2015a），從華北克拉通到揚子板塊內部，Moho界面在29到35 km之間變化，對應寧蕪火山巖盆地最淺（29 km，地殼平均速度按6 km·s-1），向東西兩側逐漸加深，揚子板塊內加深到約33 km，華北板塊加深到郯廬斷裂下的35 km，合肥盆地的32 km.折射地震聯合縱測線和非縱測線地震數據，獲得長江中下游成礦帶及鄰區Moho深度的區域變化，寧蕪礦集區內的Moho面深度整體較淺，約32～34 km，華北塊體合肥盆地內Moho面深度整體較深，約34～35 km（張明輝等，2015）.天然地震網格搜索法獲得的Moho深度變化在28～36 km，寧蕪礦集區下方約29 km（Shi et al., 2013）；這些結果與區域重力異常反演的Moho深度（嚴加永等，2011）在趨勢變化上是一致的，即沿成礦帶呈“鼻狀”隆起.雖然不同方法得出的Moho面的物理意義有所差別，但各種方法結果的趨勢驚人一致，說明地殼減薄、軟流圈上隆確實集中發生在長江中下游成礦帶之下.3.4 構造背景與動力學模式討論

基于不同的地質、地球化學和地球物理數據，很多學者提出過長江中下游地區的構造背景和深部動力學模式.歸納起來有：“大陸擠入（Indenter Model）”模式（Yin and Nie, 1993），碰撞后陸內轉換斷層模式（Okey et al., 1992），同碰撞轉換斷層模式（Zhu et al., 2009），地殼拆離模式（Li, 1994），洋脊俯沖模式（Ling et al.,2009；孫衛東等，2010），以及古太平洋斜向俯沖的左行平移模式（Xu et al., 1987; 1994）等.關于成礦巖漿的形成動力學模式主要集中在兩類：增厚的下地殼拆沉與熔融（Xu et al., 2002; Wang et al., 2007; 侯增謙等, 2007）；俯沖的洋殼熔融，或俯沖引起的富集地幔熔融（Ling et al., 2009; Zhou and Li, 2000）.鑒于篇幅所限，本文不展開討論這些模式優缺點，只強調本文取得的重要發現和提出的動力學模式.

歸納起來，多尺度綜合探測取得的主要發現：

1）上地殼經歷了強烈縮短，下地殼及巖石圈地幔可能發生俯沖，或疊置增厚.

2）巖石圈70～200 km之間存在低速層，300～400 km為高速層.

3）上地幔及下地殼各向異性顯示，沿成礦帶走向方向軟流圈物質發生流動變形.

4）LAB（巖石圈-軟流圈界面）和Moho面沿成礦帶呈“鼻狀”隆起.

上述證據猶如地質歷史演化過程中的一張張圖片，將其連接起來便可以推測區域構造演化歷史.呂慶田等（2015a）結合區域地質構造、巖石地球化學等資料，提出長江中下游地區的構造演化動力學模式如下：

1）中、晚三疊世華南板塊（SCB）與華北板塊（NCB）的碰撞（印支期造山）在研究區并沒有產生強烈的變形和巖漿活動.郯廬斷裂表現為同碰撞造山的陸內轉換斷裂（Zhu et al., 2009），大別和蘇魯UHP分別在郯廬斷裂南北兩側同時形成，期間研究區或發生了逆時針旋轉（Gilder et al., 1999）.印支期造山運動或只在大別和蘇魯的前陸有限范圍造成近E-W向褶皺和沖斷.中侏羅世開始，區域構造體制逐漸從特提斯構造域轉向濱太平洋構造域（張岳橋等，2009, 2012），并逐漸受控于古太平洋板塊向華南大陸低角度NW向俯沖的應力體系，在研究區及整個華南地區產生了強烈的陸內造山（燕山運動）.由于受華北板塊和大別地塊的強力阻擋，長江中下游地區地殼發生強烈變形，上下地殼拆離，上地殼發生強烈褶皺、沖斷或推覆，下地殼和巖石圈地幔發生陸內俯沖或疊置，并使巖石圈增厚（>100 km），形成了晚中生代沿江陸內造山帶.從晚侏羅或早白堊世開始，隨著古太平洋板塊俯沖應力減弱（或因角度變陡），增厚的巖石圈因下地殼物質發生榴輝巖化使密度反轉處于重力不穩定狀態，繼而發生拆沉.

2）巖石圈拆沉將導致軟流圈物質上隆，替代拆沉巖石圈所占據的空間，并導致沿江造山帶急劇隆升和隨后的垮塌伸展，以及大規模幔源巖漿活動（Kay and Kay, 1993）.拆沉的古老下地殼在地幔中熔融，或早期底侵在下地殼的幔源物質再熔融，將產生具有Adakite性質的巖漿，這種巖漿通常容易富集成礦物質，易于成礦（侯增謙等, 2007; Wang et al., 2007; Ling et al., 2009）.長江中下游很多成礦巖體具有很強的Adakite質巖親和性，或是由于大量增厚的下地殼物質再熔融的結果（Wang et al., 2007）.總之，燕山期的陸內俯沖、巖石圈拆沉、熔融和底侵作用，或許是造成長江中下游晚侏羅和早白堊大規模成巖和成礦作用的主導機制.隨著早白堊紀巖石圈的拆沉，區域構造體制逐漸轉為穩定的伸展環境，上地殼出現斷陷盆地，盆地內出現巨厚的白堊紀紅層沉積；巖漿活動逐漸減弱，但局部盆地出現玄武巖噴溢.經歷了白堊紀、第三紀的演化，長江中下游地區最終形成現在的“隆”“凹”相間的構造格局，地殼逐漸趨于穩定.

4 典型礦集區三維結構探測與成礦預測

長江中下游成礦帶經過復雜的構造演化，最終形成了現今“斷隆”、“斷凹”相間的構造格局.“斷隆區”，如銅陵、九瑞、貴池等礦集區，發育一套高鉀鈣堿性巖石系列，形成了以矽卡巖-斑巖型銅、鐵、金礦床為主的成礦系統（147～137 Ma）；“斷凹區”，如寧蕪、廬樅等礦集區，發育了一套橄欖安粗巖巖石系列（135 Ma），形成了以“玢巖”型鐵、硫礦床為主的成礦系統（常印佛等，1991；唐永成等，1998；周濤發等，2008）.長期以來，對兩類不同類型礦集區的深部結構、巖漿系統和主要控礦地質體的空間延伸并不清楚，一定程度上影響了對成礦過程的認識和深部資源潛力的評價.項目組選擇兩類典型的礦集區：廬樅和銅陵，開展了以高分辨率反射地震為主的綜合地球物理探測和建模，在此基礎上開展了區域深部成礦預測，簡述如下.

4.1 廬樅礦集區三維結構與成礦預測

廬樅礦集區的綜合探測及研究包括：5條相互垂直的高分辨率反射地震（Lü et al., 2013b, 2015b; 呂慶田等，2014b）和大地電磁測深剖面（肖曉等，2011，2014），總長近300 km，覆蓋整個礦集區；區域重、磁研究（劉彥等，2013）、巖性填圖（嚴加永等，2014）和三維建模（祁光等，2014）；區域成礦模式研究（周濤發等，2014）和深部成礦預測等，取得主要進展如下：

4.1.1 上地殼結構與斷裂系統

基于高分辨率反射地震、MT測深和多尺度重磁邊緣檢測結果，獲得了廬樅礦集區上地殼結構、組成和主要斷裂帶的分布（Lü et al., 2015b）.礦集區東西向結構呈現“兩凹一隆”格局，西側為潛山—孔城凹陷，東側為廬樅火山巖盆地，二者之間以一隆起相隔（圖3）；兩個凹陷除了火山活動強度差異較大外，結構上有類似之處.兩個盆地都存在一個基底斷裂，控制盆地的發育與演化，但潛山—孔城坳陷基底斷裂（CHF）平緩，而火山巖盆地之下的基底斷裂（CFZ）陡傾，而且延伸更深（圖3）.礦集區南北向結構呈“南凹北隆”階梯式臺升的格局，兩個“臺階”斷裂分別為湯家院—磚橋斷裂（圖4 ④）、廬江—黃姑閘—銅陵拆離斷層（LTHT）.廬樅火山巖盆地呈不對稱“箕狀”，四周由向盆地傾斜的邊界斷裂圍限，北、東邊界斷裂（BF2、LHTD）為深斷裂，控制火山巖盆地的發展與演化.廬樅火山巖東北部和東部，發現相對完好的早、中侏羅世沉積盆地，分別呈NWW-SEE和NE-SW走向，深達5.0 km，可能是印支陸-陸碰撞后伸展階段形成的盆地.

圖3 廬樅礦集區LZ-09-01線綜合地球物理探測及地質解釋剖面圖（據Lü et al., 2015b）

圖4 廬樅礦集區地殼結構及斷裂系統綜合解釋圖（據Lü et al.,2015b）

構造上，礦集區有“三橫六縱”斷裂系統（Lü et al., 2015b）.其中NWW-SEE和NW-SE向斷裂有三條，即：

1） 廬江—黃故閘—銅陵拆離斷層（LHTD）：該斷層是礦集區北界的一條重要斷層，一直延伸到中地殼，是廬樅礦集區“北隆南坳”的第一臺階，在區域構造演化中具有特殊意義，向東經銅陵一直延伸到杭州灣，往西可能與信陽—舒城斷裂相接.

2） 湯家院—磚橋斷裂：本次探測新發現的一條斷裂，構成“北隆南坳”的第二臺階，向西或終止于郯廬斷裂，或與磨子譚—曉天斷裂相接（圖4④）.

3） 義津—陶家巷斷裂（圖4③）：為廬樅火山巖盆地主體的南界，斷裂規模較小，往西終止于郯廬斷裂，往東或與木鎮斷裂相連（MZF）.

NE-SW向斷裂主要有6條（圖4）.即：

1） 郯廬斷裂：在廬樅地區似乎沒有表現出深大斷裂的特點.

2） 滁河斷裂（CHF）：是滁河斷裂的南部延伸，控制了潛山—孔城凹陷的發育和演化.該斷裂在擠壓期或為逆沖斷裂，在伸展階段反轉為正斷層，而且區域演化過程和強度隨空間而變化，在礦集區北部基底隆起區，仍為逆沖斷層.

3） 長江深斷裂帶（CJF）：大致沿長江呈弧形分布，由沿江系列拆離斷層組成，控制沿江沉積凹陷的形成；擠壓期為一組逆沖斷層，在廬樅盆地東側形成雙重構造（Duplex），造成古生代-中生代地層出露.該斷裂帶的發現第一次揭示了“長江深斷裂帶”的性質（呂慶田等，2015c）.

4） 羅河—缺口斷裂（圖4①）：大致沿火山巖盆地西緣展布，為廬樅火山巖盆地的西邊界斷裂.

5） 陶家灣—施家灣斷裂（圖4②）：大致沿火山巖盆地東緣展布，傾角較陡，為廬樅火山巖盆地的東邊界斷裂，向南可能與樅陽—黃屯基底斷裂交匯；

6） 樅陽—黃屯基底斷裂（圖4⑤）：大致沿火山巖盆地中心展布，近似直立，是控制火山巖盆地的主要基底斷裂，也是上地殼巖漿遷移的主要通道（Lü et al., 2013b）.

廬樅礦集區構造變形復雜，表現出時空多變的特點（圖5）.上地殼物質組成的區域變化和不均勻主要源于構造變形的結果.上地殼的隆起區仍保留有擠壓變形的構造形態，如長江深斷裂帶、沙溪隆起下面的同心褶皺、廬江北部的尖頂褶皺等（呂慶田等，2014b），這些擠壓構造走向多為北東-南西，與區域構造線方向一致.礦集區廣泛分布的沉積盆地、區域拆離斷層和正斷層，有力證明擠壓構造的后期發生了強烈伸展運動，雖然伸展盆地的長軸方向多為北東-南西走向，但一系列向南、或南西傾斜的正斷層（如LHTD）說明伸展運動也不局限于NW-SE向.

4.1.2 “多級”巖漿系統結構

廬樅火山巖盆地下地殼的反射與其它地區明顯不同，具有很強的反射“各向異性”.沿廬樅盆地中央長軸方向，下地殼頂、底部（6.0 s和10.0 s，TWT）存在一個長距離強反射層，稱之為廬樅反射體（LZR）.它大致呈弧形，延伸長度在45 km以上，幾乎與廬樅火山巖盆地的長度相當（Lü et al., 2013b）.在與盆地長軸方向垂直的地震剖面上，LZR也存在，但延伸要短很多（5～10 km）.通過對比世界上其它火山巖區中、下地殼的層狀、長距離反射層（Jarchow, et al., 1993; Pratt, et al., 1993; Mandler and Clowes, 1997, 1998; Ross and Eaton, 1997）及由Deemer和Hurich （1994）進行的理論模擬結果，Lü等（2013b）認為下地殼頂、底面的巨型反射層是底侵的基性巖漿沿著NE向的深斷裂，或者地殼薄弱帶上侵到地殼不同位置的巖漿體，或巖漿分異后的殘晶體.綜合考慮到上地殼受斷裂控制的侵入巖體的分布，Lü等（2013b）提出了廬樅礦集區“多級巖漿系統”結構模型.該模型認為，廬樅礦集區巖漿活動總體上受NE向的盆中深斷裂（樅陽—黃屯隱伏斷裂）控制，初始巖漿緣于幔源玄武質巖漿的多次底侵，經過“MASH”（Melting-Assimilation-Storage-Homogenization）過程堆積在下地殼底部.在伸展體制下，熔融的巖漿更容易流向壓力較小的地區.當熔融體累積達到一定的溫度和壓力，熔融體在地殼薄弱區開始沿“煙囪狀”垂直通道向上運移，上升的巖漿通道遇到中地殼強各向異性界面（韌性-脆性轉換帶）將滯留，并逐漸連接形成次一級巖漿房（Vigneresse, et al., 1999），隨后彼此相互連接形成了一個橫向展布的大的巖漿房（Rubin, 1993; Vigneresse, 1995b），導致廬樅地區NE延長的席狀巖漿房（如LZR）.新的“MASH”過程可能繼續發生，當達到某種壓力和溫度下，巖漿繼續沿斷裂向上運移就位至上地殼，形成侵入體，或爆發出地表形成火山巖.

在脆性上地殼，區域變形控制了花崗質巖漿的分離、上升和侵位（Hutton, 1992; Vigeresse, 1995a; 1995b; 1999），豐富的A型花崗巖體沿NE向的廬樅火山巖盆地分布，空間上與北東向線性構造相連（嚴加永等, 2011）.在巖漿侵入過程中，伸展體制為巖漿注入、侵位形成更高一級的巖漿房創造了條件.上地殼反射的不連續或透明區即為淺部巖漿房、侵入體和噴發的通道.

4.1.3 深部成礦預測與深部鈾礦新發現

深部成礦預測在思路上有別于淺部的成礦預測，淺部成礦預測更加注重示礦信息的性質、組合，按照“成礦模式+綜合信息”的“二元”判別準則，一般遵循從已知到未知的類比.深部成礦預測首先必需了解三維地質結構，即控礦地質體（地層、構造、巖漿巖）的深部延伸，需要遵循“三維結構+成礦模式+綜合信息”的“三元”判別準則.

按照上述深部成礦預測的思路，祁光等（2014）依據5條高分辨率反射地震剖面構建初始模型，利用重磁全三維反演對模型進行修正，建立了礦集區三維地質-地球物理模型，大致刻畫了礦集區的結構框架、火山巖、侵入巖和基底地層分布，為深部成礦預測提供深部地質信息.周濤發等（2011）對礦集區各種類型的典型礦床進行研究，建立了礦集區區域成礦模式.模式總結了不同類型礦床的空間分布及控礦要素：盆地內部正長巖中發育脈狀鐵礦化，斷裂帶附件發育脈狀銅礦化；盆地內部正長巖頂部發育鈾礦化；盆地外緣A型花崗巖中的斷裂帶附近發育脈狀鐵礦化；盆地外緣A型花崗巖及與其接觸的砂巖中發育鈾礦化；盆地中的玢巖型鐵礦化主要發育在閃長玢巖體與火山巖地層及基底地層的接觸帶部位.

圖5 廬樅礦集區三維格架圖（據Lü et al.,2015b）.（a）5條反射剖面線條及電阻率模型；（b）5條反射地震線條圖及地質解釋

在上述研究的基礎上，項目組對礦集區大比例尺重、磁、化探等示礦信息進行了系統的提取和分析，通過與已知礦床綜合信息異常的對比，建立了“玢巖型”和“斑巖型”等主要礦床類型的找礦模式.按照“三元”信息判別準則，預測了泥河—羅河外圍玢巖型鐵礦、岳山鉛鋅礦外圍鉛鋅礦、大礬山深部斑巖型銅礦、沙溪南部岱嶠山銅礦、井邊—巴家灘銅鈾礦和羅嶺與正長巖有關的鐵礦等多個深部找礦遠景區.

在綜合分析基礎上，在廬樅盆地中部井邊—巴家灘銅鈾深部找礦遠景區內的劉屯附近進行鉆孔驗證，結果取得重大找礦發現.γ測井（高文利等，2015）和鉆孔巖心分析顯示，在鉆孔深度1500～1740 m之間的正長巖中，發現高強度鈾礦化，U異常高于萬分之一巖心厚度累計97余米；1848 m以下的二長巖局部也出現U異常.進一步研究認為，深部鈾礦化為交代堿性巖復合型鈾礦的新認識.通過對鈾礦化體的巖石學、礦物學、蝕變特征和含礦巖石的年代學研究，發現U富集存在兩期，即巖漿期和巖漿期后熱液期，兼具堿性巖型鈾礦和交代巖型鈾礦特征，屬于交代堿性巖復合型鈾礦.該認識為深部尋找與A型花崗巖有關的鈾礦指明了方向（熊欣等，2014）.

4.2 銅陵礦集區三維結構與成礦預測

銅陵礦集區的綜合探測和研究工作包括：6條近乎平行的高分辨率反射地震（Lü et al., 2012）和大地電磁測深剖面（Tang et al., 2013; 湯井田等，2014a），剖面滿覆蓋長200 km（圖1）；區域重、磁場研究（嚴加永等，2015）、巖性填圖（嚴加永等，2009）和三維建模（蘭學毅等，2015）；區域成礦模式和成礦機制研究（Xu et al., 2011; 徐曉春等，2014）和深部成礦預測等，以下給出取得主要進展.

4.2.1 上地殼結構與斷裂系統

銅陵礦集區6條高分辨率反射地震偏移剖面清楚顯示，上地殼由各式逆沖和復雜褶皺組成（圖6）.以銅陵中央斷裂（TCF，向北可能與MTF1相接）為界，礦集區內部大致可分為北西和南東兩個塊體.“北西塊體”由一系列背斜、向斜構成，從北西到南東依次為：銅官山背斜、朱村向斜、永村橋—舒家店背斜等（圖7）.在獅子山北部的順安、黃滸鎮等覆蓋區，深部并沒有明顯的盆地，仍為由中生代-古生代蓋層組成的復雜褶皺區.在繁昌的紅花山地區，依次有樓屋基背斜和烏金嶺背斜.從南到北背斜褶皺軸向由北東、北北東到北東東變化.“南東塊體”夾持在丁橋—戴家匯斷裂（MTF2）和銅陵中央斷裂（TCF）之間，往南西方向逐漸變窄.該塊體與傳統的鳳凰山復向斜吻合，根據多條反射地震剖面的反射特征，鳳凰山復向斜表面上看類似復合向斜，實際上由一系列逆沖巖片和逆沖相關褶皺組成（圖6）.宣城—南陵斷陷受丁橋—戴家匯斷裂（MTF2）控制，呈不對稱“箕狀”.往北東方向，盆地“一分為二”，由一個斷陷盆地，變為兩個盆地，中間夾一隆起，該隆起沿茅山斷裂分布.銅陵隆起北部發育有北西-南東展布的火山巖盆地（繁昌火山巖盆地），盆地內部結構均勻，北深南淺，最深處估計或達3.0 km.火山巖盆地區域上受近東西向的廬江—黃姑閘—銅陵拆離斷層和北東向的銅陵中央斷裂共同控制.

區域斷裂系統可以概括為“兩橫三縱”，共有5條主要斷裂（圖7），它們控制了銅陵礦集區的結構框架.“兩橫”為北側的廬江—黃姑閘—銅陵拆離斷層，南部的木鎮斷裂；“三縱”分別為：長江深斷裂帶（CJF3）、銅陵中央斷裂（TCF）和丁橋—戴家匯斷裂（MTF2）.各斷裂帶的特點如下：

1） 廬江—黃故閘—銅陵拆離斷層（LHTD）：是廬樅礦集區反射地震探測首先發現的（見前述）巨型拆離斷層，呈近東-西走向，向南西傾斜，一直延伸到中地殼.該斷裂向東經銅陵北部可能一直延伸到杭州灣，往西或與信陽—舒城斷裂相接.

2） 長江深斷裂帶（CJF3）：由一系列逆沖斷層組成的沖斷構造系，該構造的發現第一次揭示了“長江深斷裂帶”的性質，即陸內造山階段為一組逆沖斷裂，伸展垮塌階段反轉為正斷層或拆離斷層，并控制了沿江凹陷的形成和演化.

3） 銅陵中央逆沖斷裂（TCF）：一條重要的沖斷層，呈北東-南西走向，向南東傾斜，向北可能與NW-11-01剖面的MTF1逆沖斷裂對接.區域上它將銅陵隆起分為兩部分，上盤為一系列逆沖巖片疊置構成的復雜沖斷構造系.

4）丁橋—戴家匯斷裂（MTF2）：很早就學者提出該斷裂是一條控盆斷裂，呈北東-南西走向，傾向南東，構成宣城—南陵斷陷的北界.該斷裂伸展期是控盆斷裂，擠壓期是一條規模巨大的逆沖斷層，向北或一直延伸到寧蕪，與下地殼“單斜”反射一起構成具有特色的“鱷魚嘴”反射構造.

5）木鎮斷裂（MZF）：由一組向北或北西傾斜的斷裂組成，為宣城—南陵斷陷的南部邊界，呈近東西走向，向西或與義津—陶家巷斷裂（圖4②）相接，構成廬樅盆地南部邊界.在晚中生代陸內造山期或為斷裂彎曲褶皺（fault-bend fold），伸展期反轉為拆離斷層，控制盆地的發育.

圖7 銅陵礦集區地殼結構及斷裂系統綜合解釋圖

銅陵礦集區構造變形復雜，表現出空間多變的特點.蓋層部分以逆沖、漆折、斷層相關褶皺等擠壓變形構造樣式為特點；而基底變形以“寬緩”的褶皺和沖斷為特征，二者雖然都為擠壓變形，但明顯不耦合，之間存在明顯的滑脫拆離面（圖6，D2）.伸展構造沿礦集區周邊分布，形成沿江凹陷、宣城—南陵斷陷和繁昌火山巖盆地，與銅陵隆起之間以拆離斷層相間.

4.2.2 中下地殼結構與深部過程

與廬樅礦集區相比，銅陵下地殼的反射“彌漫”在整個中、下地殼，總體表現出“單斜”或負向“對沖”的特點（圖6），但從南到北，“單斜”反射逐漸變為近水平反射，與地表伸展盆地的寬窄存在一定的正相關，反映出伸展強度由弱到強的區域變化.廬樅礦集區下地殼的反射則集中出現在Moho附近和下地殼的頂部，以近水平反射為主.兩種反射特點或反映出兩類礦集區深部變形和巖漿過程的差異：

1）伸展階段，廬樅礦集區中、下地殼受到了再改造，水平伸展作用更為強烈；銅陵礦集區則保留了一部分擠壓期的構造“痕跡”，如下地殼的近乎“對沖”的反射和錯斷的Moho等（圖6）.

2）巖漿過程可能存在差異.處于強烈伸展的廬樅礦集區，殼幔邊界發生基性巖漿底侵和MASH過程后，巖漿從殼幔邊界經過中地殼的巖漿房，直接噴發到地表；銅陵礦集區雖然處于伸展狀態，但其內部的伸展構造并不發育，伸展期活化的斷層多發生在銅陵周邊，銅陵仍作為一個擠壓的塊體，內部沒有形成順暢的通道供巖漿直接噴出地表.項目組還發現，無論是寧蕪、廬樅，或是繁昌，火山巖盆地深部都存在直接溝通中下地殼的斷裂通道，這或許也是形成火山巖盆地和隆起的重要原因之一.

4.2.3 深部成礦預測與科學鉆探新發現

蘭學毅等（2015）以高分辨率反射地震剖面和銅陵礦集區鉆孔等資料為約束，利用重、磁二度半反演技術，建立了銅陵礦集區三維地質-地球物理模型，揭示了礦集區結構、構造框架、主要控礦地層（五通組）和巖漿巖的空間展布，預測了深部找礦靶區；嚴加永等（2009）利用1∶5萬航磁數據，開展了三維巖性識別，給出了中酸性巖體的空間形態，為尋找隱伏礦床提供了有價值的隱伏巖體信息.

銅陵礦集區成礦條件和礦田-礦床空間分布規律研究，不僅對長江中下游地區意義重大，而且對中國東部類似地區的成礦與找礦研究都具有重要指導意義.徐曉春等（2014）在對獅子山礦田深入研究的基礎上，確定了代表性礦床的控礦構造和賦礦巖石、礦體和礦石、蝕變和礦化特征，研究了礦體與巖體空間關系及成巖成礦年齡，探討了成礦物質來源，分析了成巖成礦大地構造背景，在此基礎上，建立了以獅子山礦田為代表的銅陵礦集區斑巖型-矽卡巖型-淺成熱液型礦床綜合成礦模式（徐曉春等，2014）.

大比例尺重、磁、化探等示礦信息是進行深部成礦預測的重要基礎，項目組使用現代數據處理技術，對礦集區的區域信息進行系統分析、提取和挖掘，通過與已知礦床綜合信息異常的對比，建立了“熱液型”和“斑巖型”兩種主要礦床類型的找礦模式.按照“三元”信息判別準則，預測了西湖銅金礦、包村北銅礦、姚家灣—殷家河口斑巖型銅礦和茗山—永存橋銅金礦深部成礦遠景區.

在區內成礦條件、成礦規律和成礦預測研究基礎上，選定了永存橋地區作為深部科學鉆探地址.經過2160 m鉆探驗證，取得了一些新的發現和認識：

1）在永存橋背斜核部發現奧陶系，且通過蛤蟆嶺金礦的研究證明本地區奧陶系可以成礦，對于尋找銅陵地區深部第二找礦空間意義重大.

2）鉆孔中發現鉛鋅礦化和輝石閃長巖脈，對于在永存橋背斜核部找礦提供了一定的線索.

5 典型礦床的探測方法試驗與技術進展

5.1 典型礦床方法試驗與找礦技術組合

現代地球物理勘探技術方法層出不窮，而礦床類型、產出環境又多種多樣.尋找針對某類礦床的有效方法技術組合，在實際礦產勘查中有重要的現實意義.項目組在廬樅和銅陵礦集區分別選取了代表性的礦床類型，開展了二維和三維多種地球物理勘查方法探測試驗，一方面檢驗了技術，總結了找礦技術組合；另一方面對礦區外圍進行了成礦預測.

5.1.1 泥河“玢巖型”鐵礦

在礦區及外圍開展了大比例尺重、磁位場分離（劉彥等，2012）、全三維反演（祁光等，2012），AMT、CSAMT、TEM和SIP等電磁探測方法試驗（匡海洋等，2012；張昆等，2014），對比了不同方法的探測效果.結果顯示，在鉆孔資料的約束下，重磁全三維反演可以精確反演礦體空間形態，可以指導鉆孔部署.各類電磁法對火山沉積巖和次火山巖體電性特征的宏觀反映大體一致，但在細節上存在差異.電阻率的分布可以大致反映次火山巖體和火山沉積巖的范圍和形態，一些方法或對淺色和深色蝕變的空間分布范圍有一定分辨.提出了利用“重、磁局部同高異常圈定礦體位置、電磁法大致確定礦體深度”的“玢巖型”鐵礦找礦方法組合.強調“重磁位場分離”和“全三維反演”在“玢巖型”鐵礦深部勘查中的重要作用；認為“全三維反演”技術是認識礦床三維空間結構的可靠手段，其結果甚至可以直接用來估算資源儲量.

5.1.2 沙溪斑巖型銅礦

在沙溪“斑巖型”銅礦區開展了AMT、CSAMT、TEM和SIP方法試驗（Chen et al., 2012）和重磁場三維巖性反演研究（嚴加永等，2014），并進行了方法應用效果評估.結果表明AMT等方法可以有效揭示深部巖體的空間分布，對間接預測礦體十分有用.通過三維可視化平臺建立了石英閃長巖體3D電阻率模型，很好的展視出了呈瘤狀的石英閃長斑巖體在深部的分布狀態，為礦區及外圍找礦提供了參考.提出了“斑巖型”銅礦綜合勘查技術模型，即“重磁和AMT確定巖體深度和形態，激電確定異常性質”.通過對沙溪銅礦及周邊重、磁數據的三維反演，結合大地電磁、音頻大地電磁和地質解釋，推測沙溪主礦體東側可能還存在兩個巖枝，并指出沙湖山和夏家墩等地是尋找斑巖型銅金礦的有利地段；鳳臺山西部也有可能存在隱伏礦體，是深部找礦的有利靶區.

5.1.3 舒家店斑巖型銅礦

在舒家店“斑巖型”銅礦區開展了AMT、CSAMT和SIP三種電磁探測方法試驗，對比了不同方法的探測效果.結果顯示，各種電磁方法對沉積地層和侵入巖體，電阻率特征基本一致.志留系下統墳頭組地層電阻率最低，石英閃長斑巖、花崗閃長斑巖和閃長巖的電阻率最高，輝石閃長巖電阻率最低.多期次侵入體的電阻率差異遠遠大于含礦所造成的電阻率差異，因此，電阻率方法只能通過電阻率填圖，實現間接找礦.提出了利用“重、磁局部同高異常圈定成礦巖體、電磁法填圖確定侵入體的空間展布”的斑巖型銅礦找礦方法組合.舒家店斑巖銅礦具有電阻率中等，極化率中等，但頻率相關系數和時間常數2個結構參數較大的特點.

5.1.4 姚家玲熱液型鋅金多金屬礦

在姚家嶺“熱液型”銅礦區開展了TEM和SIP方法試驗，并進行了方法應用效果評估.結果表明TEM可以有效揭示深部成礦構造，直接預測礦體位置.復電阻率方法揭示的頻散率和相位異常可進一步確定TEM低電阻率異常的性質.在姚家玲背斜構造和巖體內捕虜體控礦模式指導下，提出了“熱液型”鋅、金多金屬礦綜合勘查技術模型，即“重磁和各種電阻率測深方法確定巖體深度和形態，激電和化探確定異常性質”的找礦技術組合.通過對姚家嶺北部火山巖覆蓋區的綜合電磁探測結果分析，認為該區可以作為深部找礦靶區.

5.2 礦集區深部探測方法進展

在東部礦集區開展綜合地球物理探測面臨諸多挑戰，首先是地質結構復雜，地層嚴重變形，構造和巖漿活動強烈；其次是巖石密度、速度差異較小、成層性差，導致反射信號微弱；最后是干擾嚴重.各種電磁干擾、礦山干擾、人文干擾嚴重影響地球物理數據采集的品質.因此，從數據采集、預處理到正反演各階段都需要方法技術創新.

5.2.1 硬巖區反射地震采集與處理技術

針對硬巖區反射地震數據采集、處理和解釋面臨的各種挑戰，項目組嘗試了各種方法、措施，以提高采集數據的信噪比，形成了適合火山巖、灰巖等硬巖地區的反射地震數據采集集成技術.主要包括：基于波動方程模型正演和照明的觀測系統優化設計方法；基于精細表層參數調查的井深設計技術；緩沖激發與泥漿悶井技術；寬線接收技術等1）呂慶田，吳明安，湯井田等，2014. 廬樅礦集區立體探測技術與深部成礦預測示范，科研報告..完善和形成了適合于礦集區和復雜地表的地震數據處理技術流程.主要包括：首波層析靜校正技術，地表一致性處理技術（振幅處理、反褶積），疊前噪聲衰減技術；深部高精度速度分析方法，剩余靜校正技術，基于起伏地表的疊前時間偏移技術等.實現了硬巖區高質量反射地震成像技術的集成創新.

5.2.2 電磁探測技術

天然電磁場源具有隨機性、信號微弱、且易受干擾等特點，對天然場源電磁探測技術帶來極大不便.為此，項目組開展了系列信號處理技術研究，有效提高了天然場源電磁探測技術的適用性.湯井田等（2008）基于Hilbert-Huang變換時頻分析方法，提出了利用Hilbert時-頻能量譜對大地電磁信號進行時段篩選，以提高信號品質；利用經驗模態分解方法及其多尺度濾波特征，有效地分析MT信號中的噪聲分布特征，并進行干擾壓制.礦集區因采礦活動通常會出現一些振幅大、相對規則的強電磁干擾，湯井田等（2012a）研究了這種干擾的特征，提出了基于數學形態學的信噪分離方法，探討了傳統形態濾波、廣義形態濾波和多尺度形態濾波的大地電磁強干擾分離方法，有效改善了大地電磁視電阻率和相位曲線形態（湯井田等，2012b）；在此基礎上，研究了Top-hat變換、中值濾波和信號子空間增強的大地電磁二次信噪分離方法（湯井田等，2012c, 2014b）.針對MT、AMT數據的“死頻帶”數據畸變問題，周聰等（2015）提出了基于Rhoplus分析的校正方法，給出了該方法的適用條件、關鍵技術與評價方案，提供了大量實測數據證明了其應用效果.

在二維/三維電磁正反演技術方面，張昆等（2011）推導了井地大地電磁場二維NLCG 反演算法，優化了反演代碼，通過對比不同測點埋深的正、反演結果，發現測點埋置在地下能夠壓制地面噪音，提高反演的分辨能力.在此基礎上，通過改進預處理方法，提出了一個新的非線性共軛梯度預處理因子，實現了大地電磁場NLCG三維反演，減低了對初始模型的依賴.通過并行計算方案，實現了PC機上的高效三維反演（張昆等，2013）.湯井田等（2014c）實現了有限元-無限元結合的三維電磁正演和反演，極大地減少了計算區域和時間（肖曉等，2014）；Ren 和Tang（2014）提出了虛擬場結合多級展開的快速正反演計算策略.在數據采集方面，還提出了時空陣列電磁數據采集和處理方法，可有效實現平面波阻抗與非平面波阻抗的分離，陣列越大、采集時間越長，去噪效果越好.

5.2.3 重磁處理和三維建模技術

計算速度是實現重磁三維正、反演的重要因素，陳召曦等（2012a, 2012b）基于GPU并行計算方案，實現了任意形體重磁三維正演計算和海量數據的三維反演，利用重磁場進行構造信息提取和巖性填圖是目前國際重磁領域的前沿課題，嚴加永等（2011; 2014a）、郭冬等（2014）完善和改進了基于三維重磁反演的多尺度邊緣檢測技術，發展了基于重磁三維物性反演的三維巖性填圖技術.基于地球物理反演的三維地質-地球物理建模技術是目前深部找礦勘查的主要技術，Lü 等（2013）提出了地質-地球物理約束下的3D建模方法技術，該方法基于離散體的人機交互重磁三維反演技術，在構造模式、鉆孔資料和反射地震剖面的約束下，可實現礦集區5km的“透明化”.該技術在廬樅、銅陵等礦集區和礦田三維建模中取得較好的效果（祁光等，2012；2014）.

6 結論

在深部探測（SinoProbe）專項等多個項目的資助下，作者對長江中下游成礦帶及鄰區進行了系統的多尺度綜合地球物理探測研究工作.在巖石圈深部結構、構造背景和動力學，礦集區三維結構、區域成礦模式和深部成礦預測研究，以及礦田多方法探測試驗等方面取得了一些新進展、新認識，總結如下：

1） 長江中下游成礦帶是一個構造上非常獨特的構造-物理單元.上地幔地球物理特征明顯有別于鄰區的華北板塊和揚子板塊：具有較薄的巖石圈厚度，較低的上地幔P波和S波速度、且低速體頂面從南到北逐漸抬升至70 km；上地幔各向異性參數快波偏振方向平行與成礦帶走向，與華北和揚子板塊形成“三明治”結構；地殼結構與鄰區迥異，上下地殼變形呈非耦合狀態.上地殼變形以大尺度褶皺、逆沖和雙重構造為特征，并大致以長江為界，東西呈“對沖”構造形態；下地殼以長距離“單斜”構造、或負向“對沖”構造為特點，在寧蕪火山巖盆地和沿江凹陷之下出現“鱷魚嘴”構造形態. 根據這些地球物理特征，加上區域構造演化和地表地質證據，作者認為燕山期發生了強烈的陸內造山運動，長江中下游成礦帶可能是一個“陸內俯沖帶”，上地殼發生強烈擠壓變形，下地殼和巖石圈地幔發生“陸內俯沖”或疊瓦，使地殼增厚.在隨后的區域伸展變形期，增厚的下地殼和巖石圈地幔拆沉，軟流圈上隆，大量幔源物質沿“長江深斷裂”侵入到上地殼，控制了區域巖漿巖和成礦帶的分布.

2） 銅陵和廬樅礦集區都經歷了燕山期的陸內造山運動，由于后期伸展的區域不均勻性，形成了現在的“隆起”和“凹陷”.廬樅礦集區由“三橫六縱”斷層系統組成，多以拆離斷層和正斷層為特點，但前白堊系基底仍保留擠壓構造變形的特征；銅陵礦集區由“兩橫三縱”斷裂系統組成，上地殼主體仍由逆沖、褶皺等擠壓構造系統控制，Moho錯斷仍清晰可見，四周由伸展構造圍限.兩類礦集區的地殼結構有一定差異，隆起區上地殼較薄、中下地殼較厚；凹陷區則反之.兩類礦集區都存在“多級”巖漿系統結構，但由于地殼結構不同、伸展強度不同，造成幔源巖漿侵入和遷移方式存在差異.隆起區或以“彌漫式”“內侵（intraplating）”為特征，凹陷區或以大規模“底侵（underplating）”、MASH過程和巖漿快速向上遷移為特征，這或許是造成兩類礦集區成礦差異的原因之一.兩類礦集區深部仍有巨大的找礦潛力，廬樅礦集區應加強盆地北部火山巖覆蓋層之下的斑巖-矽卡巖型礦床和與正長巖有關的鈾礦的勘查；銅陵礦集區則應加強深部斑巖型銅礦和外圍熱液型鉛鋅、金多金屬礦的勘查.

3） 多種地球物理方法探測試驗為開展“玢巖型”、“斑巖型”、“熱液型”鐵、銅、多金屬礦床深部勘查提供了方法選擇.同時，在勘查程序上，要加強對區域三維地質-地球物理模型的建立和研究，準確了解主要控礦層位、巖體和構造的深部延伸.深部礦產勘查要求地球物理勘查必須走向“精細”化，即從施工設計、數據采集、噪聲壓制、數據處理和反演解釋各環節，都要考慮對有效信號的增強.文中總結的反射地震采集、處理和成像技術為類似地區開展類似工作提供了借鑒；礦集區強干擾下的去噪技術可以用于礦區的MT、AMT和CSAMT探測的噪聲壓制；在骨干地震剖面、構造地質、地表地質和鉆孔地質約束下的人機交互重磁三維反演建模技術，將會在礦集區和礦田層次的“透明化”中發揮更大的作用.

致謝 感謝國土資源部科技司、中國地質調查局科外部、中國地質科學院的有關領導和專項辦的領導對本研究的大力支持.數據采集得到了安徽省國土資源廳、安徽省地礦局、安徽省地調院、江蘇省國土廳及沿線地方各級政府的大力支持和協助.吉林大學的董世學教授和一些研究生參與了野外采集質量監控工作；北京派特森科技發展有限公司的薛愛民、李兵高工參與了數據處理工作.滕吉文院士、高銳院士、于晟研究員、王椿庸研究員、劉啟元研究員、盧民杰研究員、于長青研究員等，一直參與數據采集方案的論證、質量檢查和野外驗收，對項目取得高質量的數據起到了重要作用.在此，對上述提到的領導、專家一并表示最衷心的感謝！

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（本文編輯 劉少華）

Multi-scale and integrated geophysical data revealing mineral systems and exploring for mineral deposits at depth: A synthesis from SinoProbe-03

Lü Qing-Tian1, 2, DONG Shu-Wen2, TANG Jing-Tian3, SHI Da-Nian4, CHANG Yin-Fu3, SinoProbe-03-CJ Group*

1InstituteofGeophysicalandGeochemicalexploration,ChineseAcademyofGeologicalSciences,HebeiLangfang065000,China2ChinaDeepExplorationCenter—SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3SchoolofGeosciencesandInfo-physicsofCentralSouthUniversity,Changsha410083,China4MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China5DepartmentofLandandmineralResourcesofAnhuiProvince,Hefei230088,China

There are two reasons make it essential to explore the deep, one is the need for deep mineral exploration, and the other better understanding the deep dynamic processes that control the formation and distribution of major ore deposits, particularly, in the intra-continental setting. Financed by the SinoProbe （China′s largest national collaborative, multidisciplinary Earth science research project）, National Nature Sciences foundation and Chinese Geological Survey, the authors have conducted multi-scale and integrated deep exploration across middle and lower reaches of Yangtze Metallogenic Belt （YMB） and its major ore districts in Eastern China. These data range in scale from terrane and belt, district to camp-scale. The methods included broadband seismic, deep reflection seismic, wide-angle reflection/refraction, magnetotelluric sounding and gravity and magnetic modelling. The results provide first-order insights into physical and structural properties of the lithosphere and upper mantle beneath the YMB. These insights provide geodynamic clues and constraints as to why YMB is so well endowed in metals. The results also provide first-order constraints for the upper crustal structure, composition and fault distribution of major ore districts. Based on these information at depth, the three dimension geological model was constructed, which provides knowledge of the depth extent of subsurface or ore-controlling geologic units （e.g., faults, strata, and intrusions） that thus leads to a new targeting for deep mineral. Some typical exploration models for “porphyry” iron, porphyry copper and hydrothermal polymetal deposits were summarized through the 3D integrated geophysical methods test, and deep potential for exploration was evaluated around the deposits. In term of technical progresses, a series of measures were taken from acquisition parameter design, shooting to receiving. New methods from weak seismic signal extraction, noise suppression, static to pre-stack migration were proposed and tested. Mathematical morphology filtering and other denoising techniques, and 2D/3D forward and inversion methods considering the influence of the topography and anisotropy were proposed in the magnetotelluric sounding （MT） data processing.Keywords The Middle and lower Yangtze metallogenic Belt; Tomography; Deep seismic reflection; Three dimension geological modelling; Intro-continental subduction; Geodynamic model

國家深部探測專項第3項目（SinoProbe-03），地質調查項目（1212011220243,1212011220244）和國家自然科學基金重點項目（40930418）聯合資助.

呂慶田，男，1964年生，研究員，博士生導師，主要從事深部探測和金屬礦勘查技術方法研究.E-mail:lqt@cags.ac.cn

*SinoProbe-03-CJ項目組成員：吳明安，杜建國，周濤發，徐曉春，張貴賓，江國明，徐濤，李紅誼，鄧居智，李桐林，嚴加永，劉振東，肖曉，張昆，祁光，趙金花等.

10.6038/cjg20151201.

10.6038/cjg20151201

P631; P541

2015-09-29，2015-10-10收修定稿

呂慶田， 董樹文， 湯井田等. 2015. 多尺度綜合地球物理探測：揭示成礦系統、助力深部找礦——長江中下游深部探測（SinoProbe-03）進展.地球物理學報，58（12）:4319-4343,

Lü Q T, Dong S W, Tang J T, et al. 2015. Multi-scale and integrated geophysical data revealing mineral systems and exploring for mineral deposits at depth: A synthesis from SinoProbe-03.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4319-4343,doi:10.6038/cjg20151201.