寧蕪火山巖盆地及周緣重磁場多尺度邊緣檢測與地質意義

姜昶旭, 嚴加永, 劉家豪, 王栩, 佘京瑾, 余愛民

(1.中國地質科學院, 北京 100037; 2.中國地質大學中國地質科學院, 北京 100083; 3.自然資源部深地科學與探測技術實驗室, 北京 100094)

寧蕪火山巖盆地位于長江中下游成礦帶東北部,地處南京(寧)與蕪湖(蕪)之間。屬于郯廬斷裂和長江斷裂之間,盆地及周緣斷裂構造復雜,是一個受左行平移拉張斷裂控制的斷陷火山巖盆地,火山巖出露面積約1 000 km2。寧蕪盆地位于繁昌盆地東北側,其附近還有著滁州盆地、溧水盆地等盆地,且主要發育著與別的盆地的斑巖-矽卡巖型礦床截然不同的玢巖型礦床。著名的寧蕪礦集區就發育在寧蕪火山巖盆地,該礦集區是長江中下游成礦帶地域7個礦集區(寧鎮、寧蕪、銅陵、廬樅、安慶-貴池、九瑞、鄂東南)中最典型和最具代表性的一個,它以鐵礦規模大、品位高而聞名,是中國東部重要的鐵礦集中區,也是馬鞍山等地鋼鐵公司鐵礦石的主要供給地[1-2]。

針對寧蕪盆地所處的特殊構造體制、強烈殼幔相互作用等復雜的大陸動力學背景、巖漿活動和大規模的金屬礦產聚集格局等,幾十年來,許多學者對這一區域進行了研究[3],取得了大量的進展和認識,但還存以下問題:①寧蕪火山巖盆地及盆地南部的覆蓋區的構造格架、性質不清楚,火山巖盆地的結構、深度、空間輪廓有待細化;②區域斷裂系統展布,以及成巖、成礦的控制關系有待查明;③深部資源潛力仍不清楚,如何有效尋找深部礦床,缺乏普適的理論和技術手段。以上問題制約了寧蕪地區找礦進展。針對以上幾個問題,采用多尺度邊緣檢測方法,利用覆蓋全區的重力和航磁數據,開展了多尺度邊緣檢測,對寧蕪地區的地下斷裂構造和隱伏巖體的識別和厘定。為認識寧蕪盆地深部結構和寧蕪礦集區的找礦預測提供了依據。

1 地質概況

寧蕪中生代火山巖盆地是長江中下游成礦帶7個礦集區之一,區內發育著名的“玢巖型”鐵礦[4]。寧蕪礦集區是中國勘查程度和研究程度都很高的地區之一[5],相繼在該區發現了凹山、姑山、尚村、陶村、白象山等大中型鐵礦床,為中國經濟建設做出了重大貢獻[6]。20世紀60年代起至今,諸多學者在礦集區火山巖地質、成巖成礦年代、成礦作用和區域成礦預測等方面開展了大量工作,取得了豐碩的成果[7]。

寧蕪中生代火山盆地是一個繼承式火山盆地,該區的成礦作用與火山巖和次火山巖密切相關(圖1)。寧蕪盆地的地質構造和地層演化可以大致分為3個時間段:前震旦紀變質基底、震旦紀-早三疊世海相沉積、中晚三疊世-白堊紀陸源碎屑巖和火山巖。若將地層細分為蓋層和基底,可將前震旦紀至早三疊世時間段歸并為寧蕪盆地的基底,而中晚三疊世至白堊紀這一時間段可認為是盆地的蓋層[8]。

圖1 寧蕪盆地及周緣地質礦產圖Fig.1 Geological and mineral map of Ningwu Basin and its surrounding areas

寧蕪盆地為在長江中下游褶皺帶基礎上發育起來的早白堊紀火山巖盆地,經歷了長期的構造演化和多期構造活動,盆地基底的褶皺變形式樣,發育的斷層性質及變形特征較為復雜,對火山巖的形成和演化及成礦作用起著重要的制約作用[9-10]。寧蕪盆地現在呈現的區域性基底褶皺主要是NNE(NE)-SSW(NW)向的褶皺構造。邊界由NNE向長江斷裂帶和方山-南陵斷裂,以及NW向南京-湖熟斷裂和三山-宣城斷裂控制,其中長江斷裂與方山-南陵斷裂發育較早。

寧蕪中生代火山盆地是一個繼承式火山盆地,從拗陷型到斷陷型,再到火山盆地,晚期的斷陷和火山噴發及成礦作用受深斷裂的控制,西界的長江深斷裂帶和東界的方山-小丹陽斷裂發生左行走滑,形成了具拉分盆地特征的中生代火山巖斷陷盆地[11-12],發育了一套以高鉀富堿為特征的玄武粗安巖、粗安巖、粗面巖,及少量安山巖和響巖,及以高鈉低硅為特征的輝長閃長玢巖一輝長閃長巖的侵入巖[13],從而形成了極具特色的“玢巖型”鐵礦。

通過對寧蕪盆地展開的大量巖漿巖成因和成礦作用研究發現,該區的成礦作用與圍巖的巖性無關,礦體的形成與火山巖和次火山巖密切相關,斷裂的構造、火山構造的發育和熱液活動的頻繁都會導致成礦作用的產生[14]。礦床類型多樣,有礦漿型、氣液交代型、高溫接觸交代型、火山噴發沉積型等。在成礦物質來源方面,有來自火山巖、次火山巖,也有來自地層;在成礦機理上,既有熱液充填和熱液交代作用,也有沉積和沉積-熱液疊加改造作用[15];在礦床定位和控礦作用方面,有的受地層控制,如噴發沉積礦床和層控-熱液復合礦床[16];有些受火山構造和火山機構的控制[17-18];有的則受火山構造和斷裂構造的雙重控制[19];還有的受接觸帶控制[20]。

2 重磁場邊緣檢測原理與方法

在對地下地質體的研究過程中,往往趨向于對地下的異常進行分析,這些異常一般出現在地下地質體的邊緣附近,通常為地下構造的斷裂帶或地下地質體的邊界線。在這些地方,重、磁異常數據往往產生突變,利用重、磁數據這一特點,可以有效地實現對地下地質體的識別和探測。因此重磁數據解釋的主題之一就是研究地質體的邊緣位置,近年來,中外利用重磁場進行地質體邊緣檢測的情形明顯增多。

目前,中外的專家學者提出了很多種位場數據邊緣檢測和邊際增強的方法,如垂向梯度法、總水平梯度法、總體度模量法、傾斜角法、傾斜角的總水平梯度法、θ圖法(θ為總水平梯度和總梯度模量的比值)等。其中,Cordell[21]提出利用重力異常總水平梯度的峰值來表述邊界或接觸帶的總水平梯度法。Miller等[22]提出了對垂向一階導數歸一化后的傾斜角法,該方法在中國又稱為斜導數法(tilt derivative,TDR)[23]。Verduzco等[24]提出了傾斜角的總水平梯度法(total horizontal derivative,THDR)。但是上述方法均基于位場數據的導數構建,通常存在抗噪能力較差、數據邊緣位置模糊不清等問題。為解決上述問題,嚴加永等[25]通過模擬實驗和對長江中下游地區的實際研究,發現多尺度邊緣檢測在區域重磁數據邊緣增強和檢測等方面有著良好的效果,對地下斷裂構造以及隱伏掩體的邊界等地質體邊界有較好的識別能力。基于此,選擇多尺度邊緣檢測方法對寧蕪盆地及周圍地區的重磁數據進行邊緣增強和檢測。

重磁場多尺度邊緣檢測通常用于研究目標區域的地質構造和斷裂系統。圖2[25]為多尺度邊緣檢測流程圖,該檢測手段通常將布格重力異常和化極磁異常作為原始數據輸入,在特殊情況下,需要對剩余重力異常或化極磁異常的垂向梯度進行處理。

圖2 重磁多尺度邊緣檢測流程圖[25]Fig.2 Flowchart of multi-scale edge detection based on gravity and magnetic data[25]

延拓高度取決于研究區規模,在對原始數據上延的過程中,通過采取遞進式的上延高度,當增加的上延高度使得異常形態不變或變化程度很小的時候,取這一時刻的上延高度為最高延拓高度,逐級增加的延拓高度應當分布均勻,一般在對數坐標系下等間隔選取每一級的高度。水平梯度在頻率域中進行。極大值的檢測可以采用Blakly方法或者Canny方法,基本原理是對所有值周圍的節點進行比較,如果其比周圍所有數值都大,則保留該點,對所有值通過滑窗法排隊檢測,若通過檢測則進行保留,若沒有通過檢測則舍去[26]。然后利用邏輯拓撲關系結合實際情況將點連接成線,將其稱為Worms線,從而完成重磁數據的多尺度邊緣檢測。

窗口大小的選取取決于精度要求,但是窗口越大多解性越強。通常依據相鄰點之間最小距離或一條線距離相關點總距離最近等方法連線,從而完成檢測。完成檢測后,對連成將檢測線各點所在位置進行Euler反褶積,求出各點的磁性源或密度源的深度。從而開展地質構造信息的識別與提取。

3 重力和航磁數據

3.1 重力數據

結合筆者所在項目組承擔的深部探測和地質調查項目,在寧蕪礦集區及其周邊范圍完成重力測量(1∶50 000)共完成高精度重力測量面積1 942 km2。考慮研究區實際情況及數據處理影響因素等問題,重磁實際數據處理區域包括了整個研究區及其外圍部分地區,邊界長108 km、寬100 km,總面積為10 800 km2。

研究采用的重力數據由兩部分組成,一部分為實測1∶50 000高精度重力數據,覆蓋整個研究區范圍;另一部分采用所收集的1∶200 000重力數據,兩者整合得到實際處理所需的重力數據(圖3)。

圖3 寧蕪火山巖盆地及周緣布格重力異常圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly map of the Ningwu volcanic basin and its surrounding areas

寧蕪區域區域布格重力異常主體呈正負異常高低相間排列,異常走向大體為北東向,4個低重力異常夾著3個條帶狀高重力異常。重力異常反映了地下地質體密度的變化,區域重力異常主要反映了基底面的起伏,不同地下地質體之間密度變化區域等信息。從重力異常數據來看,位于寧蕪地區南東和西部的兩個重力異常強度較高,說明這兩個地區基底隆起程度較高。中部高重力異常由于數值中等,隆起程度較低,這一區域位于寧蕪、繁昌兩大火山巖盆地之間。

3.2 航磁數據

本項目航空磁法數據采用比例尺1∶50 000航磁數據為主,在沒有比例尺1∶50 000數據的區域,采用比例尺1∶200 000數據,通過網格融合技術,對二者進行調平拼合,形成覆蓋整個研究區的航磁數據。

由于斜磁化的影響,往往使磁體的兩側產生像伴生的正負異常,正負異常的中心均會偏離磁性體中心,偏移距離隨著磁性體的規模和頂面埋深的增大而增大。特別是對于從空中進行的航磁測量,斜磁化的影響更加明顯。磁異常的偏移會增加識別和分析的難度。因此,航磁化極處理是航磁解釋中最基本也是最關鍵的方法之一,采用國際地磁參考場(international geomagnetic reference field,IGRF)提供的磁參數,對寧蕪盆地及周緣航磁數據進行化極處理,結果如圖4所示。

ΔT為化極磁異常圖4 寧蕪火山巖盆地及周緣航磁化極異常圖Fig.4 Reduction to the pole aeromagnetic anomalies in the Ningwu volcanic basin and its surrounding areas

區域航磁正異常主要是磁性地質體的表現,如火山巖、中基性侵入巖、老變質基底等,寧蕪區域航磁化極異常正異常主要是中基性火山巖、侵入巖的反映;區域航磁負磁異常主要為無磁性的沉積地層的反映。寧蕪地區航磁化極異常正異常主體走向為北東向,在研究區域的東北部和南部出現了兩個高磁異常區,這兩個高磁異常中心反映了寧蕪火山巖盆地和繁昌火山巖盆地的邊界位置。

4 檢測結果與地質意義

4.1 檢測結果

重力多尺度邊緣檢測主要反映具有密度差異地質體的邊界,寧蕪火山巖盆地及周邊布格重力異常多尺度邊緣檢測如圖5所示,可以看出,檢測線束呈線狀或環狀分布,分別反映了斷裂、塊體邊界或巖體邊界。構造線方向以北東向為主。結合重力異常邊緣檢測振幅信號強度(圖6),通過強度可以判斷Worms邊界線的可信度,振幅強的地段說明密度體邊界存在的可能性較高。同時,在Worms檢測點位置,通過Euler反褶積,取構造指數(structural index,SI)為1,開展場源深度計算,可獲得了寧蕪火山巖盆地及周緣的密度源Euler反褶積計算結果,該深度可以提供半定量信息輔助判斷構造邊界的延伸。

線束顏色從藍色到紅色漸變表示水平梯度振幅強度的增加圖6 重力異常邊緣檢測水平梯度振幅強度鳥瞰圖Fig.6 Aerial view of horizontal gradient amplitude intensity of gravity anomaly edge detection

線束顏色從藍色到紅色漸變表示延拓高度的增加圖7 航磁異常邊緣檢測結果俯視圖Fig.7 Vertical view of aeromagnetic anomaly edge detection results

線束顏色從藍色到粉紅色漸變表示水平梯度振幅的增加圖8 航磁異常邊緣檢測水平梯度振幅強度俯視圖Fig.8 Vertical view of horizontal gradient amplitude intensity for aeromagnetic anomaly edge detection

航磁化極異常邊緣檢測結果反映的是不同磁性體的邊界,環形線束主要反映了火山巖盆地和巖體(隱伏巖體)的邊界,線狀線束反映了斷裂或磁性體邊緣(圖7)。環狀構造分布廣泛,特別是在長江南東側,由淺到深不同深度的環形線束均有分布,這些環狀構造大多反映了地下地質體及隱伏巖體的分布[27]。結合航磁化極異常邊緣檢測振幅信號強度(圖8),通過強度可以判斷Worms邊界線的可信度,振幅強的地段說明磁性體邊界存在的可能性較高。同時,在Worms檢測點位置,通過Euler反褶積,取SI=1,開展場源深度計算,可以獲得長江中下游成礦帶中段的磁性源源深度信息,該深度信息可提供半定量的深度信息輔助判斷構造邊界的延伸。

4.2 地質意義

綜合重力和航磁多尺度邊緣檢測結果,結合區域地質資料,對寧蕪火山巖盆地及周緣的邊緣檢測結果的解譯如圖9所示。

F1、F2、F4、F6為主干斷裂圖9 重磁多尺度邊緣檢測綜合解譯圖Fig.9 Comprehensive interpretation map of gravity and magnetic multi-scale edge detection

4.2.1 斷裂構造識別與厘定

從重力多尺度邊緣檢測結果可以看出區內存在4條醒目的北東向線束,結合地質資料,推測這是4條主干斷裂:從北西到南東依次為F1:含山斷裂;F2:江浦-冶山-和縣-無為斷裂,該斷裂北東段為江浦-冶山斷裂,走向北東,南起江浦西南端,北經冶山、高郵湖達建湖以南,長約200 km。根據重力邊緣檢測,推測其沿和縣-無為向南西延伸,為深度較大的隱伏斷裂。根據重力邊緣檢測結果判斷,該斷裂在白橋鎮附近被F12斷裂錯斷; F4:清水河斷裂,該重力異常梯級帶梯度大、延深大,應為清水河斷裂的反映,該斷裂為南陵盆地西界的控盆斷裂,也是區域一條向南延伸至貴池的大型斷裂,該斷裂同時是大型推覆體的邊界,F4斷裂在蕪湖東伴生出兩條次級斷裂F8和F9。F6:茅山斷裂,隱伏或物探推測斷層茅山斷裂帶走向北北東,展布于茅山山體,經鎮江、興化達斗龍港,為向北西推覆的斷裂,長近300 km。F1、F2、F4和F6這4條主干斷裂將研究區分為5個風格迥異的區域,F1北西為張八嶺隆起區,F1和F2之間為無為坳陷,區內重力邊界線稀少,磁性邊界也較少,總體均呈北東向,反映了區域構造走向主體;F2和F4之間為長江中下游成礦帶北段主體,重磁邊界均十分發育,說明該區域地質構造活動強烈,造成大量局部重磁異常,形成了眾多的邊緣檢測線束,雖然看起來線束看起來較為雜亂,但大部分線束方向均為北東向,保留了受南北向擠壓再到伸展構造過程的痕跡。在該區域內,根據磁異常的邊緣檢測,圈定了巖漿巖帶的范圍,刻畫了巖漿-火山活動的邊界,正是強烈的構造-巖漿活動,導致了這片區域是長江中下游成礦帶在北西段礦床密集分布的主要區域。F4和F6之間為南陵盆地,區內重磁邊緣檢測線束較少,說明盆地內部物質結構較為均勻,但根據重力邊緣檢測結果,推測在該盆地中間有一條隱伏斷裂,可能是在拉張過程中形成的斷裂。F6東南為宣城基底隆起區,該區分布稀疏的北東向重力多尺度邊緣檢測線束。

(1)F3斷裂。推測可能為長江深斷裂的一部分,主要依據從重力多尺度邊緣檢測結果追蹤而來,在繁昌以北的航磁多尺度邊緣檢測線束上,存在一條與重力檢測結果基本重合的線,從重力和航磁Euler反演深度圖上,也可清晰的勘查該邊界的存在,因此,推測其北段可能是長江斷裂的一部分。在大橋鎮北,F3派生出一支次級斷裂F11,F11沿北東向展布,到當涂縣東側又伴生出另一支北東向斷裂F10。

(2)F5斷裂。推測是南嶺盆地中央的斷裂,主要根據重力多尺度邊緣檢測結果判斷,航磁在該區域沒有相關邊緣線的存在。從重力Euler反演深度圖上可以看出,該邊界對應的密度源深度均較深,說明是一條隱伏的斷裂,推測該斷裂是在盆地形成之后,在長江中下游地區從擠壓向拉張過程中形成的一條斷裂。

(3)F13。推測是繁昌火山巖盆地的南邊界,在重力和航磁多長的邊緣檢測上均有明顯反映,該斷裂走向北西,往東至清水河斷裂;F14:推測是繁昌火山盆地的北邊界,總體走向北西。

對應寧蕪盆地的邊界斷裂,重力邊緣檢測對盆地東西邊界有較好反映,而南部的三山-宣城斷裂則沒有明顯的顯示,其原因可能有兩個,一是這兩處斷裂的密度差異較小,而是這兩處斷裂規模較小,切割深度較淺,特別是三山-宣城斷裂,可能并非文獻[28]推測的深斷裂,根據航磁化極多尺度邊緣檢測結果,寧蕪火山巖盆地(或火山巖分布區)范圍的南部邊界可能為延湯溝-蕪湖分布的斷裂F15。

4.2.2 隱伏巖體的識別

以航磁多尺度邊緣檢測結果為主,推測8個隱伏巖體及其邊界。

P1位于F1斷裂東側,磁異常較為明顯,地表為覆蓋區,推測在覆蓋區下方存在一個隱伏的中基性巖體。P2和P3位于長江西邊的覆蓋區之下,這兩個巖體為在F2斷裂上,按“構造+巖體”的思路,該段有較好的成礦潛力。P4巖體的西北部對應是繁昌地區濱江巖體,從航磁邊緣檢測分析,濱江巖體可能往北東東側伏,形成一個大型巖基。

P5地表出露三山等小巖體、巖株,推測在深部存在一個較大的隱伏巖體。P6兩頭均有巖體出露,北側為浮山巖體,南側也有巖體,推測二者之間深部相連形成一個大型巖基。P7在火龍崗附近,推測存在一般北東向長帶狀巖體。P8在白象山、姑山一帶,推測深部是一個大型的復式巖體。P9位于當涂縣北側,推測存在一個近似圓形的大型巖體。

4.2.3 對找礦預測的啟示

對于內生金屬礦產的勘探預測來說,重磁異常數據處理和分析具有重要作用,利用區域重磁場多尺度邊緣檢測方法對目標區域的巖體和斷裂構造進行圈定,可以為找礦預測提供依據[29]。

由于P2和P3巖體位于斷裂之上(圖9),這一區域巖漿活動頻繁,地質結構復雜,這一區域的磁異常通常反映了巖體對地層的侵入作用,因此是較好的成礦前景區。P6區域位于繁昌盆地,但與盆地位置有所差異,借助圖像可以大致識別盆地地下深部巖體的實際位置和大小。火龍崗地區推測的長帶狀隱伏巖體P7,對該地區的找礦預測提供了證據。

推測的P8巖體,處于長江深斷裂F3和清水河斷裂F4之間,作為北段長江中下游成礦帶的一部分,在白象山、姑山一帶形成的高磁異常集合體同鐘姑礦田的整體走向大體一致。P8主要位于龍橋鎮的西南側,其中包含了鐘姑礦田的位置,在其外圍的覆蓋區存在較好的找礦前景。

5 結論

(1)采用多尺度邊緣檢測法對寧蕪火山巖盆地以及周緣地區區域重力、航磁數據進行了處理,增強和識別了地質體邊界。

(2)初步確定了寧蕪火山巖盆地及其周緣地區的空間結構,進一步細化了盆地的邊緣輪廓,識別了15條斷裂構造,推測了8個隱伏巖體的分別范圍,建立了寧蕪盆地及周緣地區構造格架。

(3)推測的斷裂構造和隱伏巖體為分析寧蕪礦集區形成和新一輪找礦工作提供了依據。