龍崗地塊-遼吉裂谷深部電性結(jié)構(gòu)特征

姚大為

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000;2.自然資源部 地球物理電磁法探測技術(shù)重點實驗室，廊坊 065000)

0 引言

龍崗地塊的主體部分太古代古陸核是發(fā)育一套深變質(zhì)巖[1]，它是著名鞍山式鐵礦的主要賦存層位；其南部的遼吉古裂谷帶，是重要成礦構(gòu)造帶。鞍山-本溪地區(qū)的變質(zhì)基底主要為太古代鞍山群變質(zhì)巖系及古元古代變質(zhì)巖系，推測覆蓋區(qū)下廣泛存在著含鐵建造。基底埋深或蓋層厚度決定鐵礦的可采性，查明變質(zhì)基底的起伏變化，對研究鞍山-本溪地區(qū)的深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)及含鐵建造的空間展布，進(jìn)行覆蓋區(qū)鐵礦資源潛力評價具有十分重要的意義[2]。

對遼吉裂谷的研究工作主要集中在地表和淺部：①遼吉裂谷地表的巖石建造;②巖石的變形變質(zhì)特征;③構(gòu)造地史演化規(guī)律等[3]。而對其深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究工作幾乎還是空白，因此開展遼吉裂谷深部地質(zhì)特征研究，對深刻解析裂谷的構(gòu)造性質(zhì)、構(gòu)造演變歷程具有重要指導(dǎo)作用。

筆者針對橫穿龍崗地塊和遼吉裂谷的大地電磁測深觀測剖面所獲得的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)模型，討論龍崗地塊-遼吉裂谷的主要巖漿巖體和斷裂構(gòu)造的電性特征，為研究龍崗地塊和遼吉裂谷深部地質(zhì)特征、解析構(gòu)造性質(zhì)和構(gòu)造演變歷程提供了電性數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)采集

研究區(qū)地處遼東-吉南成礦帶，區(qū)內(nèi)分布著眾多大中型礦山，在東三省采礦業(yè)相對發(fā)達(dá)地區(qū)，因此這里城鎮(zhèn)密集、人口集中，造成了研究區(qū)內(nèi)各種難以預(yù)測的電磁干擾較復(fù)雜嚴(yán)重。因此采集質(zhì)量可靠的電磁數(shù)據(jù)與后續(xù)資料的精細(xì)處理，成為項目兩大主要關(guān)鍵技術(shù)難題。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造大致走向和實際地形條件，同時與以往的工作成果作對比研究，部署1條長度約150 km北偏西向大地電磁測深觀測剖面(圖1)，設(shè)計大地電磁測深點31個，點距約5 km。野外測量工作采用張量觀測方式，即同時觀測Ex、Ey、Hx、Hy、Hz五個分量，其中大地電磁測深儀觀測頻段范圍為 320 Hz～1/1 000 Hz，采集時間20 h以上，采用感應(yīng)式 MTU-5A大地電磁測深儀。

圖1 遼東-吉南地區(qū)MT實測點位分布圖Fig.1 Measured point distribution map of MT in Liaodong-Jinan area

2 資料處理

針對研究區(qū)內(nèi)強電磁干擾，對部分測點原始數(shù)據(jù)采用Hilbert Huang變換處理技術(shù)來壓制噪聲干擾，獲得高質(zhì)量視電阻率曲線。針對研究區(qū)內(nèi)干擾較強測深曲線具有明顯的走勢特征的測點，應(yīng)用層狀介質(zhì)電阻率與相位互算技術(shù)進(jìn)行處理，獲取研究區(qū)內(nèi)質(zhì)量較為可靠的大地電磁數(shù)據(jù)，從而奠定了后期資料分析和數(shù)據(jù)二維反演的堅實基礎(chǔ)。

2.1 Hilbert Huang變換

HHT主要有兩個步驟組成[4-7]：①經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)，其核心是篩選；②組成一個復(fù)解析函數(shù)由每一個IMF的Hilbert變換構(gòu)成，導(dǎo)出電磁信號幅值的時頻特征，也即是信號的Hilbert譜。

EMD分解得到的每一個IMF要滿足兩個必要前提，①關(guān)于一個序列的極值點和零點的數(shù)目應(yīng)相等或最多差一個；②兩條由局部極大值和極小值組成的包絡(luò)線的平均值，在任意給定的點處均為零。

EMD分解獲得IMF有很多種辦法，其中一種具體步驟如下:

1)獲得時域信號x(t)的全部極值點，擬合這些極值點的上、下包絡(luò)線采用三次樣條插值函數(shù)，把這個平均值記為m1，用原數(shù)據(jù)序列減去這個平均值m1，得到的第一個分量h1是去掉低頻的新數(shù)據(jù)序列，實際包絡(luò)擬合普遍存在過沖和欠沖。然而EMD分解的目的是去除疊加波和使波形更加對稱，要實現(xiàn)著兩個目的，就必須反復(fù)進(jìn)行EMD分解。直到hk滿足平均包絡(luò)線趨于零，于是第一個IMF分量c1便從原數(shù)據(jù)中分離出來，它表示信號數(shù)據(jù)中的最高頻成分。

2)從原信號數(shù)據(jù)x(t)中減去c1，得到殘余信號r1，然后重復(fù)步驟1)，最后得到的IMF分量cn小于預(yù)設(shè)值，或者殘余信號rn小于預(yù)設(shè)值，再或者殘余信號rn為單調(diào)函數(shù)時，分解結(jié)束。則原始信號則由n個IMF分量和一個余項組合而成為式(1)。

(1)

于是對各階IMF分量作Hilbert變換：

(2)

式中：P為Cauchy主值，原始信號可寫成式(3)形式。

(3)

其實部即為原始信號的Hilbert譜，記為H(ω,t)，對H(ω,t)做時間的積分，獲得的譜為原始信號的Hilbert邊際譜為式(4)。

(4)

HHT方法能清晰地描繪具有非線性、非平穩(wěn)性大地電磁信號的動態(tài)變化過程，可以很好地揭示不同時段頻率特性和能量差異的細(xì)微變化。

對研究區(qū)內(nèi)大部分測點做HHT，這里選取13號測點處理前、后的電阻率曲線對比(圖2)，由圖2可見，該方法對干擾信號進(jìn)行了有效地壓制，使得因不明干擾源造成的曲線脫節(jié)和飛點回歸應(yīng)有的位置，從而使曲線圓滑，符合實際的電性特征。對于低頻信號，由于其信噪比低，很難完全壓制干擾信號，提取有用信號，因此低頻數(shù)據(jù)沒有高頻曲線圓滑。

圖2 Hilbert Huang變換(HHT)13號測點處理結(jié)果Fig.2 Huang Hilbert transform (HHT) 13 test point processing results(a)13號點測原始深曲線;(b)13號點編輯之后處理結(jié)果

2.2 電阻率與相位互算技術(shù)

在層狀介質(zhì)中，電磁波的阻抗是其最小相位的響應(yīng)函數(shù)，該響應(yīng)函數(shù)經(jīng)Hilbert轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換[8]，阻抗幅值和相位角之間的關(guān)系可表示成為式(5)。

(5)

式中：Z為阻抗張量；θ為相位角,從而可得式(6)。

(6)

同時可得：

(7)

由式(6) 、式(7)可以根據(jù)實測的視電阻率曲線和相位曲線進(jìn)行互算，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)近似為一維層狀時，實測曲線與按上式計算的曲線是應(yīng)趨于一致的。針對研究區(qū)內(nèi)干擾較強測深曲線具有明顯的走勢特征測點，利用上述公式計算出的理論值作為參考，對實測曲線進(jìn)行修正處理，從而改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。對25號測點處理結(jié)果如圖3所示，按上述公式計算的視電阻率趨勢數(shù)據(jù)和相位趨勢數(shù)據(jù)，為圖3中空心圓點示出的紫色和天藍(lán)色曲線。由圖3(a)可以看出，實測曲線與理論計算曲線較為近似。在計算出理論曲線約束下，根據(jù)實際測深曲線自身的走勢特點，對明顯干擾頻點適當(dāng)進(jìn)行的修正，最終的處理結(jié)果如圖3(b)所示。

圖3 基于層狀介質(zhì)電阻率與相位互算技術(shù)25號測點處理結(jié)果Fig.3 Processing results of 25 point measurement points based on layered medium resistivity and phase interaction technique(a)25號點測深曲線與理論值對比分析;(b)25號點編輯之后處理結(jié)果

3 二維反演計算

反演是利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行求解計算，找出一個相對合理的地電模型，使地下介質(zhì)場的響應(yīng)(視電阻率、相位、波阻抗和傾子等)與之相符合。地球物理反演面對大多是非線性問題，常用解決思路是非線性問題線性化處理，非線性共軛梯度法(NLCG)法即是這種思路。NLCG法將求解大型矩陣和預(yù)設(shè)條件矩陣，轉(zhuǎn)換為求解大型矩陣與向量的乘積，不需要每次迭代都計算整個大型矩陣，從而有效地減少了計算時間和占用的計算機內(nèi)存。基于共軛梯度法(CG)，NLCG法實現(xiàn)了搜索步長的非線性化處理，進(jìn)而提高了NLCG法的非線性化程度，使得NLCG法在大地電磁反演算法中兼具反演速度快和結(jié)果真實可靠的特點。

結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)資料和以往的反演工作經(jīng)驗，研究區(qū)構(gòu)造的主要方向為北東和北北東方向，測線的展布方向為北偏西方向，因此將波阻抗張量旋轉(zhuǎn)90°，此時的TE、TM極化模式就相對準(zhǔn)確。由于TE極化模式能更敏感地反映淺部異常和局部三維異常且對深部的能力較弱，而TM極化模式對深部反映能力可以較好擬合觀測數(shù)據(jù)[9-11]，故這里采用TM極化模式的數(shù)據(jù)進(jìn)行反演。確定模型參數(shù)為：背景電阻率為100 Ω·m，網(wǎng)格數(shù)為60×300，水平圓滑因子α為1，底板誤差視電阻率設(shè)置為10%，視相位為5%。選取正則化參數(shù)τ=3、5、9、10、11、20、50分別進(jìn)行NLCG反演，τ=3、5時，反應(yīng)的低阻異常體的規(guī)模、位置與理論模型相差比較大，尤其是左右邊界相差較大；τ=9、11時，出現(xiàn)了異常體不連續(xù)的情況，反應(yīng)結(jié)果與理論模型不符；τ=20、50時，基本能反應(yīng)理論模型的位置與大小，但隨著正則化參數(shù)的增大，低阻異常體底界面有不斷向下延伸的趨勢，反應(yīng)異常體厚度比理論模型要大;τ=10時，反應(yīng)異常體規(guī)模、位置與理論模型吻合得比較好，最終確定用正則化參數(shù)τ=10進(jìn)行NLCG反演。

4 電性結(jié)構(gòu)

橫縱向電阻率差異是大地電磁測深勘查的基礎(chǔ),二維反演斷面圖直觀地表現(xiàn)剖面的電性結(jié)構(gòu)特征。剖面的左側(cè)整體表現(xiàn)為高阻特征，局部低阻體的切割使其不連續(xù)，右側(cè)主要表現(xiàn)出低阻特征，小的高阻塊體穿插其中。

圖4 MT二維反演電阻率斷面綜合解釋圖Fig.4 Comprehensive interpretation chart of resistivity section in 2D inversion of MT

4.1 地塊

從MT二維反演電阻率剖面上可以發(fā)現(xiàn)，在100 km東南側(cè)存在一個明顯的東南傾地質(zhì)構(gòu)造界面—遼吉裂谷北緣斜坡，從而將整個剖面分為兩大地質(zhì)塊體：龍崗地塊和遼吉裂谷。界面的西北(0 km～100 km)總體位于龍崗地塊上，主要表現(xiàn)為深部高阻(基底)，淺部低阻(蓋層)的基底-蓋層雙層結(jié)構(gòu)。界面東南(95 km～145 km)主要表現(xiàn)為相對低阻電性特征，是遼吉裂谷的遼河群低阻電性結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。裂谷內(nèi)部，有局部中高阻穿插，使得裂谷區(qū)低電阻率不連續(xù)。

4.2 巖漿巖

在剖面上圈出9個明顯高阻體：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為深部巖漿侵入與太古代地層變質(zhì)形成的太古代變質(zhì)結(jié)晶基底巖系和深部巖漿巖引起；Ⅳ、Ⅴ是燕山期沿著龍崗地塊和遼吉裂谷的構(gòu)造邊界發(fā)育的花崗巖侵入體；Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ主要由中生代巖漿巖侵入遼河群形成的花崗侵入巖引起的。

4.3 斷裂構(gòu)造

整個剖面上可標(biāo)出13條斷裂，從西北向東南方向依次為：F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11、F12、F13。其中F1、F7、F9、F11為向東南傾逆斷層；F8、F10、F12為向西北傾逆斷層；F13為近似直立的左行走滑斷層，屬遼東走滑構(gòu)造系統(tǒng)；F2、F3、F4、F5和F6為逆掩走滑斷層。它們共同控制著該剖面的電阻率分布。整個剖面受逆沖推覆構(gòu)造及走滑斷裂影響，出現(xiàn)四個低阻帶：①10 km～20 km出現(xiàn)向東南方向斜插的低阻帶，主要是由于東南傾斷層F1引起，由于地表第四系覆蓋，屬于隱伏斷裂構(gòu)造；②在40 km～55 km處出現(xiàn)向西北方向斜插的似腎狀低阻體，主要由多條斷層相互切割形成的破碎帶引起，主要斷層為F2、F3、F4、F5和F6，屬逆掩走滑斷層，地表雖有高阻的太古代地層出露，但由于處在破碎帶上，宜表現(xiàn)為低阻體征；③在70 km～85 km處穿透剖面直立狀低阻體，淺部中高阻為太古代片麻雜巖和中生代花崗巖引起；深部低阻可能是由巖漿遷移形成的巖漿房；④在95 km～145 km處出現(xiàn)大面積漏斗狀低阻體，被高阻體Ⅶ截斷，主要由中低阻遼河群地層引起，再加之F8、F9、F10、F11和F12等多條斷層相互切割使原本電阻率偏低的遼河群表現(xiàn)出更低的特征，基底埋深較深至少大于10 km。

5 結(jié)論與認(rèn)識

1)針對研究區(qū)內(nèi)不同類型的強電磁干擾測點，采用Hilbert Huang有效壓制了不明干擾源噪聲；應(yīng)用層狀介質(zhì)電阻率與相位互算技術(shù)，在理論曲線約束下，適當(dāng)修正明顯的干擾頻點，取得了噪聲壓制的良好效果。

2)初步建立了龍崗地塊和遼吉裂谷15 km以上的電性結(jié)構(gòu)剖面，電性結(jié)構(gòu)和地表地質(zhì)構(gòu)造單元對應(yīng)關(guān)系較好，電阻率剖面上的電性梯度帶表現(xiàn)出各個斷裂構(gòu)造的位置和切割深度。

3)龍崗地塊主要表現(xiàn)為深部高阻(基底)，淺部低阻(蓋層)的基底-蓋層雙層結(jié)構(gòu)。龍崗地塊太古代基底受逆沖推覆構(gòu)造及走滑斷裂影響，太古代基底頂面呈斷塊狀起伏，基底埋深變化較大，基底埋深一般小于5 km，基底巖系主要有太古代表殼巖系鞍山群變質(zhì)巖、古元古代變質(zhì)巖及花崗巖組成，推測覆蓋區(qū)下廣泛存在著含鐵建造；蓋層主要為新元古代-古生代沉積，局部發(fā)育中生界、新生界。

4)遼吉裂谷北緣斜坡是一條東南頃構(gòu)造界面或巖體侵入帶，它是龍崗地塊和遼吉裂谷的構(gòu)造分界帶，同時是遼吉裂谷發(fā)育初期的控盆斷裂構(gòu)造帶。

5)遼吉裂谷內(nèi)古元古代遼河群地層大面積出現(xiàn)，局部地區(qū)埋藏深度大于10 km。裂谷內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為復(fù)式褶皺，主要是古元古代受元古代，中新生代多期巖體侵位和后期構(gòu)造活動影響，使遼河群的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為殘塊；結(jié)晶基底為遼吉花崗巖，太古代結(jié)晶基底因后期改造而缺失。