结晶基底地质填图中的航空地球物理数据解释

航空磁测和航空重力测量数据在地质填图和区域深部结构研究中具有极其重要的作用。对其快速解释可获得新的资料，揭示结晶基底内部结构及形成历史，为区域地质研究和成矿预测提供现代依据。

解释的第一阶段研究结晶基底顶面的起伏。通常以地震勘探资料（主要是最可靠的共深度点反射地震资料）和深钻资料为基础，有时辅以深部电测深信息。然而，具有较可靠基底深度资料的点位总数通常仍十分有限，且平面分布极不均匀。在这种情况下，纯粹插值显然极不可靠，因此往往依据研究区基底起伏与重力场之间的相关性填补空缺。然而，重力场特征仅部分取决于基底表面的形态。基底内部物质组成的不均一性及沉积盖层中的地质体也对其结构有显著贡献，自然会给最终图件带来误差。因此，在不同研究者编制的结晶基底顶面构造图中，基底高程通常相差数百米，整体构造格局也往往存在明显差异。

引入航空磁测获得的补充信息，可以显著提高结晶基底表面填图的效果。异常磁场能量的主要部分（高达99%）往往正是由结晶基底上部引起，因此在大多数地台地区，磁测实际上是绘制其表面的直接方法。问题仅在于如何有效提取所需信息，长期以来对此已投入大量研究。目前最有力的工具之一是由同名程序实现的ROMGAS技术，它综合了该领域以往的成果，依据滑动窗口内计算的振幅谱，确定描述磁异常的函数奇异点坐标[1]。该技术用于绘制所谓主磁性界面（MMAS），即奇异点集合的上包络面。虽然由于自然地质原因，局部地区的MMAS可位于基底顶面之上或之下，但总体而言，在地台的沉积覆盖区，它主要对应这一界面。目前，ROMGAS程序已用于研究俄罗斯联邦约25%领土的结晶基底顶面起伏。研究区的大部分曾进行过1:200,000比例尺的国家航空磁测，基于这些资料确定MMAS的相对精度通常不劣于10%。在有利条件下，如有现代详细航空磁测资料，精度会显著提高。

图1为莫斯科向斜盆地内394口钻孔资料与ROMGAS结果的交会图。分析表明，虽然大部分区域使用的是上世纪中叶国家航空磁测资料，但除坳拉谷发育地区外，该技术均获得了相当可靠的结果。在这些地区，用于绘制MMAS的50×50 km滑动窗口内，最上部奇异点位于两侧边缘，因而不能反映坳拉谷底部的真实深度。尽管如此，最终在莫斯科向斜盆地内确定结晶基底表面深度的均方根误差为267.5 m，钻孔深度与ROMGAS深度之间的相关系数为0.940。

解释的第二阶段对结晶基底进行综合建模，采用SIGMA-3D软件包中的REIST程序，建立磁化强度和密度沿横向变化的近水平层模型[2]。模型上界为与基底顶面重合的接触面，下界假定为水平面，其深度由场的频谱分析确定。该层划分为平面呈正方形的棱柱，其尺寸根据测量比例尺和顶面平均深度选定。通过迭代法，利用观测场确定各棱柱相对于某一基准棱柱的密度差和磁化强度差，并假设岩石磁化主要为感应磁化，方向与现代地磁场一致。根据V. M. Novoselitsky定理[5]，REIST程序唯一地确定各近似单元的有效密度和磁化强度，使其产生的场与观测场尽可能一致。通过与钻孔岩芯研究资料比较，可由有效岩石物理性质值转换为真实值。

REIST程序所实现的技术为解释人员提供以下主要功能：

• 由分析观测场转向分析有效物理性质分布，从而提高利用重力和磁法资料进行地质填图的效果；
• 消除地球不同地区地磁场方向及相关岩石磁化矢量方向差异的影响，从而简化并统一磁异常DT的地质解释；
• 消除与地质结构无关、使解释复杂化的感应成因局部磁异常，并便于在这些位置发现微弱局部异常；
• 识别具有强自然剩余磁化、且方向与现代地磁场不同的局部地质体：在所得磁化强度分布图上，这类地质体在磁化矢量水平投影指向的一侧会伴随一个反号磁化强度异常；

探测顶界或底界深度与整个层所设定深度明显不同的局部地质体：若其埋深大于设定值，结果图上不会出现鲜明边界；若埋深小于设定值，则其周围会出现磁化强度或密度反号的异常带。

图2以莫斯科向斜盆地内的一个区段说明了由磁场转换为有效磁化强度分布模型的效果。图中可见，REIST建模结果有助于突出异常场所含的地质信息，并揭示重要的构造细节。

图2. 莫斯科向斜盆地结晶基底有效磁化强度分布模型局部：а）异常场DT；б）使用REIST程序得到的基底岩石有效磁化强度分布

解释的第三阶段对前一阶段用REIST程序建立的结晶基底岩石密度和磁化强度图进行综合分类。为此采用SIGMA-3D软件包中的CLASS2程序，将密度／磁化强度组合的二维直方图交互划分为统计均一的岩石物理复合体（PC）[3]。复合体的均一性由这两个参数组合的各个聚类确定，属于该类别的图上区域随即在屏幕上显示，并赋予约定颜色。确定类别后，程序计算各参数的统计特征。由此通过交互操作，将解释区划分为一组统计均一的PC。

图3展示了卡累利阿1-EV地学大断面某区段岩石有效密度与磁化强度的分类结果。该区露头较好，就地质和岩石物理研究程度而言可作为参考区。图3а和б为原始异常场Dg和DT，图3в和г为REIST程序对原始场自动建模得到的有效密度和磁化强度图。图3ж为修正的有效密度与磁化强度二维直方图，标出了在CLASS2中交互划分的类别边界；图3з按各类别推测的岩石物理对应关系赋予不同颜色，实际上构成分类图图例。所划分类别的空间分布见图3д。需要强调，所有这些图均由CLASS2程序自身生成。将双参数分类结果与图3е所示的研究区地质图比较表明，这些技术在此获得了相当合理的结果。

利用MGK程序，以主成分法对密度和磁化强度分布矩阵进行滤波，确定已划分PC的内部结构。岩石物理模型的局部分量标示统计统一的PC内部不同岩石学类型岩石的空间位置。这些图上可识别台阶型异常、伴随岩脉的线性异常、岩层走向、沿断裂的蚀变带，以及相关性被破坏和其特征发生变化的区域，后者往往与走滑断层重合。该技术可解析PC内部结构，识别褶皱和断裂构造、小型岩浆岩体及岩石蚀变带，为地质图增添具体构造信息，并进一步划分结构—物质复合体（SCC）。这些复合体不仅具有稳定的岩石物理性质，还具有特征性的褶皱、断裂和岩浆构造组合。

在基底研究中，构造再活化带填图尤其需要有效物理性质主成分图，以及相应物性值与这些主成分之差的图。识别控制这些带的断裂构造包含几个阶段。第一阶段分别研究各分量，并绘制断裂构造图。解释人员评估图件资料质量后，划出所有可靠的目标类型异常。第二阶段综合各图的形态分析结果，分别根据磁法和重力资料编制断裂构造综合图，并判断断裂识别的稳定性。在不同分量图上独立发现的断裂被认为最可靠。第三个也是最终阶段，是综合磁法与重力资料所得结果，即进行综合归纳。此阶段编制最终图件，同时解释人员可评估前面各阶段断裂识别的可靠性。

图4展示了在莫斯科向斜盆地某区段应用该技术的结果。图4а和б标示相同的推测断裂线，黑线是在有效磁化强度不同分量图上识别的，白线是在有效密度图上识别的。最初在磁化强度图上发现的大多数线，在密度图上也能可靠追踪，反之亦然。同时，也存在仅由一种方法发现的断裂。总体比较这些图可认为，此类填图相当稳定，探测基底断裂的效果很高。当然，本例原始磁法资料的比例尺较大，因此最初依据磁法资料绘制的线数量明显更多。

地球物理解释的最后阶段，利用DVOP程序确定有效参数的三维分布，建立SCC之间的空间关系。此处既可采用逼近方法，也可采用滤波方法，建立岩石物理性质分布的三维模型[3]。这些模型可沿任意剖面网和水平切片进行动态显示。该技术可识别伴随逆冲断层的PC倾斜接触面及与走滑断层有关的垂直接触面，绘制构造外来岩体，确定隐伏花岗岩侵入体及其他构造。SCC间接触面的倾向通常可由共深度点反射地震结果证实。

最终阶段对所得资料进行地质解释，通过与揭露基底的深钻资料，以及邻近出露良好或钻探充分地区的地质资料对比，将PC图转化为结构—物质复合体（SCC）图。这些资料可用于判断所划分SCC的实际岩石组成、变质程度及绝对年龄。对PC分类图的地质分析表明，在某些情况下，一个SCC可对应两个或三个PC类别，或一个PC可包含岩石学性质相近的不同SCC。此时，根据分类图表将该类别进一步分为两个或更多类别，或将相邻类别合并，并通过在地图上重新显示新的SCC检查结果。

有效磁化强度局部分量图为解析SCC内部结构提供了尤其丰富的资料。它们可确定SCC中岩石的走向和大型褶皱变形，根据环状或椭圆状异常系统识别圆形花岗片麻岩穹隆和混合岩穹隆，根据宽广的“无结构”区域识别大型花岗质岩体，并确定不同SCC间的构造不整合，或岩浆岩接触面的切穿性质。

上述方法尤其应用于编制东欧地台前寒武纪基底不同尺度的地质图。图5为一个实例，将我们编制的N-37（莫斯科）图幅前寒武纪基底SCC图，与1999年出版的《1:1,000,000国家地质图说明书》所附基底图进行比较。

该区东部伏尔加—乌拉尔隆起的太古宙构造，被划分为Otradnaya岩系的麻粒岩—基性岩SCC和Bolshecheremshan岩系的“酸性”麻粒岩SCC。识别出了由太古宙构造逆冲到Toropets—Serdobsk带早元古代构造之上形成的构造推覆体系统。研究区东北部为莫斯科酸性麻粒岩地块，属于早元古代莫斯科—梅津带的构造。这里识别出了早元古代基性侵入体，以及岩石花岗岩化和混合岩化带。

研究区中部为Toropets—Serdobsk带，是伏尔加—乌拉尔与萨尔马特太古宙原大陆之间的碰撞带。首次确定了Pachelma坳拉谷厚层沉积物之下该带的内部结构。其结构由向东北倾斜的大型构造岩片组成，岩片之间以逆冲面分隔。南部岩片由Kaluga带的绿岩—片岩岩系组成，代表一个增生楔。第二个构造岩片是Peresypkino麻粒岩地块，标示早元古代俯冲带。Toropets—Serdobsk带的第三个分带，即Serpukhov带，由晚太古宙（？）—早元古代绿岩火山—陆源碎屑岩系组成，经历角闪岩相变质，构成扇状褶皱—推覆系统。这些地质体的性质接近俯冲带上方的古岛弧建造。在东南部，Serpukhov带和Peresypkino地块的构造沿西北走向的碰撞后左行走滑断层发生了强烈混合岩化。

Toropets—Serdobsk带整体向西南推覆，在沃罗涅日地块北缘明显不协调地截切其下方倾伏的萨尔马特太古宙原大陆构造。N-37图幅包含早元古代库尔斯克铁矿带东部，其中可区分出太古宙的混合岩—片麻岩Oboyan岩系和变质火山绿岩Mikhailovka岩系，以及下元古界库尔斯克铁矿岩系和Oskol岩系。研究确定了库尔斯克带复杂的S形逆冲—走滑构造，并识别出众多片麻岩穹隆及晚太古宙Saltykovka花岗质杂岩的侵入体。更东部为Lipetsk—Losevo火山带，标示早元古代原大陆的活动边缘。该带内识别出了太古宙Oboyan岩系基底的露头、早元古代片麻岩穹隆，以及基性和酸性岩浆岩侵入体。最东部为Vorontsovka带，由下元古界变质陆源沉积岩及基性、酸性侵入体组成，并由代表古俯冲带的Livny缝合带与Losevo带分隔。

依据航空地球物理资料解释所得的图件，还可作为利用深地震测深资料向深部追踪已识别复合体的基础，进而建立地壳深部结构的三维模型。

因此，解释现代航空地球物理测量数据可获得结晶基底结构的新资料。所建立的基底岩石物理模型可为区域地质研究和成矿预测提供现代依据。从观测场中减去模型场，可得到与研究区剖面上部地质体有关、具有矿产勘查前景的剩余异常。本刊另有专文讨论这些问题。

参考文献

1. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. 利用磁法资料研究结晶基底表面起伏。Geofizika，2003年第4期，第37—40页。

2. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. 利用磁法和重力资料研究地台区结晶基底结构。Geofizika，2003年第6期，第55—58页。

3. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. SIGMA-3D软件包中基于重力和磁法资料的解释层析成像。载《重力场、磁场和电场地质解释的理论与实践问题：第31届D. G. Uspensky国际研讨会论文集》。莫斯科：俄罗斯科学院OIFZ，2004年，第11页。

4. Babayants P. S.、Blokh Yu. I.、Trusov A. A. SIGMA-3D软件包利用磁法和重力资料进行结构—物质填图的能力。Geofizicheskii Vestnik，2004年第3期，第11—15页。

5. Novoselitsky V. M. 根据重力异常确定水平层密度变化的理论。Izvestiya AN SSSR. Fizika Zemli，1965年第5期，第25—32页。