航磁资料在二连盆地构造区划及断裂体系识别中的应用

时间：2024-06-19

高玲举，于磊，刘祜

（1.核工业北京地质研究院中核集团铀资源勘查与评价技术重点实验室，北京 100029；2.临沂大学资源环境学院山东省水土保持与环境保育重点实验室，山东临沂 276000）

二连盆地是我国北方重要的煤-油-铀叠合沉积盆地，盆地内能源空间关系为下油上煤和铀［1-5］。铀矿多为中新生代盆地古河道砂岩型铀矿，主要赋存于下白垩统赛汉组上段古河道砂体中［6］。近年来，先后在二连盆地乌兰察布坳陷、马尼特坳陷和川井坳陷圈出规模不等的赛汉组古河谷砂带，并在古河谷砂体中发现巴彦乌拉、赛汗高毕铀矿床和一些规模不等的铀矿产地，二连盆地铀矿前景广阔［6-7］。已有研究表明，具有成矿前景的砂岩体多被其后的沉积物所覆盖，难以查明它的空间构造格架以及延伸展布形态，阻碍了对铀矿的预测和评价。古河道砂岩体的空间构造格架以及延伸展布形态除受水动力条件影响之外，主要受地质构造控制［8-11］。因而，在盆地寻找隐伏构造及古河谷是铀矿床勘探中亟待解决的地质问题［11］。前人对二连盆地的构造特征及演化研究较多，但受地震测网、钻井等地球物理资料的限制，二连盆地的构造区划及隐伏构造体系研究程度较低，构造与矿床的关系也缺乏深入探讨［12-14］。

航空磁测作为磁法勘探最主要的手段，在基础地质研究、矿产和资源勘查上具有广泛的应用［15-18］。它能够清晰地反映测区的大地构造格局，在提取地质构造方面有着独特的优势，尤其是在对断裂构造的研究中取得了较好的应用效果［19-26］。本文基于最新航空磁测资料，对二连盆地的断裂系统进行了划分和研究，并找出这些断裂与成矿位置的关系，探索了该区的大地构造格局，为铀矿的找矿预测提供了论证依据。

1 地质概况

二连盆地位于内蒙古自治区中北部，东起大兴安岭，西至索伦山，南接温都尔庙，北邻巴音宝力格［6］（图1），呈北东向、北东东向展布。盆地东西向长约1 000 km，南北向宽为20～220 km，总面积约10×104km2，是中国大型陆相沉积盆地之一［14］。从区域构造上看，二连盆地位于西伯利亚板块与中朝古板块的缝合带上，是在海西期“宽对接、软碰撞”褶皱基底上发育的中、新生代盆地。盆地内部划分为“五坳一隆”6 个构造单元，主要有川井坳陷、乌兰察布坳陷、马尼特坳陷、腾格尔坳陷、乌尼特坳陷和苏尼特中央隆起，具同方向的“隆、坳兼备”“多凸多凹”特点，且盆内发育一系列深大断裂［5］。盆地基底的构造总体呈北东向、北东东向及东西向［2-3］，充填的陆相地层包括侏罗系、下白垩统、上白垩统三大层序，缺失三叠系，其中，侏罗系主要为火山岩、火山碎屑岩，分布广泛［8］。

二连盆地目前发现的铀矿床有含煤泥（砂）岩型、古河道砂岩型和泥（砂）岩型3 种类型。盆地西北隆起区花岗岩和盆地边缘的火山岩中均有铀矿化显示，揭示二连盆地具有良好的铀资源勘探前景。由于矿化赋存的砂岩体和铀的赋存形式均有利于地浸法开采，古河道砂岩型铀矿床是目前为止该盆地中最有经济价值的矿床。已探明的二连盆地古河道型铀矿化从乌兰察布坳陷的齐哈日格图向北至塔木钦，再向东北至赛汉高毕一带发育。在马尼特坳陷中，河道分布从西南角的白音芒来向东北至巴彦乌拉、巴润等地，古河道的走向大致为北东向，与坳陷走向平行，总长度超过300 km［6］。

2 数据来源与异常特征

2.1 数据来源

本文研究范围为：111.5°E～121.5°E，41.5°N～46.5°N。自由空气重力异常和布格重力异常数据来自全球卫星重力异常数据库EGM2008（http：//bgi.obs-mip.fr），网格密度为1′×1′，数据精度为1×10-5m/s2；磁测数据来自核工业北京地质研究院，比例尺为1：50 万。

2.2 异常特征

2.2.1 重力场特征

二连盆地自由空气重力异常（图2a）变化范围为（-30～70）×10-5m/s2，总体特征表现为“两低夹一高”，呈北东向条带状展布。高值区分布在盆地中部和南部，即苏尼特隆起区和温都尔庙隆起东部，极高值出现在温都尔庙隆起东部，最高可达70×10-5m/s2；低值区分布在盆地西北部和东南部，即极低值出现在乌兰察布凹陷区，异常值达-30×10-5m/s2。苏尼特隆起与乌兰察布凹陷自由空气重力异常高低反差明显，盆地以东大兴安岭隆起重力异常幅值低，变化范围在0～10×10-5m/s2。自由空气重力异常与二连盆地“多凸多凹”的地形特点具有较好的对应关系。二连盆地整体布格重力异常（图2b）均为负值，总体特征表现为东北高、西南低，异常幅值由东北向西南逐渐增大，走向多为北东向。区域内布格重力异常极高值位于二连盆地以东大兴安岭隆起，最高达-20×10-5m/s-2。二连盆地内东北部布格重力值最高，约为-80×10-5m/s-2，向西南部依次降低，布格重力异常极低值位于盆地西南部，最低可达-180×10-5m/s-2。

2.2.2 磁异常特征

二连盆地航磁异常（图2c）总体表现为“两高夹一低”。两侧为剧烈变化的高磁异常区，中间为平缓变化的低磁异常区，异常的走向多为北东东向、北东向、近东西向，异常的形态呈整体条带状，局部串珠状。由于磁化方向对磁异常特征有很大影响，使磁异常形态变得较为复杂，为了使磁异常形态变得较为简单，便于分析和解释，采用化极方法把斜磁化的异常化到垂直磁化方向上来。化极处理中采用的磁化倾角为61.12°，磁化偏角为-5.19°。对图2c经过化极处理以后可得到图2d。化极后磁异常表现为“南高-中低-北高”，两侧为剧烈变化的磁场区，中间为平缓变化的负磁异常区，异常的走向多为北东东向、北东向、近东西向，异常特征呈现出明显的条带状，且异常幅值增大。磁异常极高值由原来的700 nT 增加至900 nT，极低值由-300 nT 降低至-400 nT。从航磁△T化极图中可以看出，本区的磁场特征具有明显的分带性和分区性，磁场特征面貌清晰、规律性强，显示出多个不同的磁异常特征分区。因此，根据磁异常的形态、走向及异常的组合等特征，可以将该区划分为不同的磁异常特征分区。

3 数据处理和结果解释

3.1 延拓处理特征

通过向上解析延拓有效地抑制和减小高频的浅源场的干扰，突出和增强区域场，突出深部与基底有关的信息。本次对研究区化极磁力异常做了向上5、10 km 的延拓处理，如图3a、b所示，为研究工作区深部的断裂构造展布、基底起伏形态、基底结构等区域构造特征提供了依据。

从图3a可以看出，化极磁力异常上延5 km后，局部串珠状磁异常得到显著压制，除研究区东南部大兴安岭隆起仍呈团块状高磁异常外，盆地内部磁异常整体呈条带状展布，异常的幅值明显减弱。正异常最高幅值由900 nT 锐减至350 nT，负异常最高幅值由400 nT 锐减至250 nT，相对而言，局部高值正磁异常得到的压制效果更显著，说明浅源场存在磁异常突出的高磁异常体。随着延拓高度的增加（图3b），研究区中部和南部为大面积平缓变化的负磁异常区，南部的正磁异常呈东西向狭窄带状展布，北部条带状异常则逐渐消失变为串珠状异常，异常的形态多为椭圆形，异常特征的走向为近北西、北东东和北东向。

3.2 导数特征

为了了解航磁△T磁场在水平及垂向上的变化规律，准确地判断磁性体边界及断裂构造的位置，对工作区磁场数据做了水平方向求导、垂向求导，使许多深部断裂构造和磁性地质体的形态特征变得更加清晰明朗。

3.2.1 水平导数特征

对化极磁力异常求取总水平导数异常，得到化极磁力异常总水平导数特征（图4a）。从化极磁力异常总水平导数图中可以看出，整个研究区具有非常清晰的线性、椭圆状的异常特征，并且弧形异常特征也比较明显，水平变化率在0.005～0.075 nT/m 之间。研究区中部水平变化率较弱，南部和北部水平变化率剧烈，北部线性异常尤为显著，东南部多为椭圆状异常，异常走向为北东东和北东向。线性走向多指示断裂构造边界，椭圆形多为高磁异常体。

图4 化极航磁异常导数特征Fig.4 Derivative characteristics of depolarized magnetic anomaly

3.2.2 垂向导数特征

垂向一阶导数的主要作用是突出局部异常的影响，一般使用垂向一阶导数零值线的位置，其高值区一般反映了局部的高密度体（重力异常）或高磁性体（化极磁力异常），因此利用这种方法零值的位置圈定密度体或者是磁性体的范围。从化极磁力异常垂向一阶导数异常图中可以看出（图4b），整个研究区的垂向变化率大，变化率介于-0.04～0.09 nT/m 之间。垂向一阶导数的特征也表现为北部和南部变化率比较强，中部垂向变化率比较弱。异常形态多呈串珠状，走向也多为北东、北东东向。

3.3 构造区划及断裂构造特征

3.3.1 盆地构造分区

通过对化极航磁异常延拓、求导特征分析，以及坳陷和隆起的综合研究，发现二连盆地具有明显的分区性，与各主要地质单元对应关系良好，其总体面貌反映了本区基本构造格架。依据二连盆地的磁异常和构造分级分带特征，磁场由南向北可划分为4 个区（图5）。

图5 二连盆地航磁化极异常区划图Fig.5 Division of depolarized aeromagnetic anomalies in Erlian Basin

Ⅰ区为强烈变化的磁场区，该区磁场特征以团块状的正磁异常为主，间夹少量负磁异常，磁场梯度变化较大，水平变化率和垂向变化率都较大，场值一般在100 nT 以上。局部正磁异常呈东西向狭窄带状展布，场值300～750 nT。该磁场带是狼山-阴山陆块核部具紧密线状褶皱的太古代正变质岩的反映。陆块核部及南北两侧广泛发育近东西向区域性深大断裂。

Ⅱ区为剧烈变化的磁场区，该区的磁场特征主要为条带状的正磁场，区域背景以负磁异常为主体，主要是以变质岩类为主的元古宇的反映。条带状的正磁场特征显示了该区结晶基底褶皱也十分强烈，其构造线走向由近东西向逐步变为北东东向。在乌拉特中旗至四子王旗之间的区域和太仆寺及东部地区磁场值较高，跳跃变化强烈，局部异常广泛分布，多呈带状，少数呈近等轴状，一般为100 nT 左右，局部大于300 nT，主要由上侏罗统火山岩、加里东期花岗岩和华力西期花岗岩引起。

Ⅲ区为平缓变化的负磁异常区。该区以比较开阔平缓的负磁场为主体，区域场为负磁异常，在该区的东部为团块状的正磁异常区，异常的梯度变化不大，磁场的水平变化率和垂向变化率都比较小，异常的走向多为北东向和北东东向。该区对应为华北板块北缘华力西早期褶皱带，亦即华北板块向北增生，在华力西早期褶皱回返的地带，构造总体为东西向。磁场特征反映该区具有褶皱带性质，古生代岩浆作用特别是火山活动不强烈，华力西晚期有酸性至中酸性岩浆侵入。北侧西拉木伦河断裂的西段以及向西至索伦一带，南侧在温都尔庙及白云鄂博一带均见有超基性岩分布。到中新生代，在镶黄旗至查干诺尔湖一线的东部地区，上侏罗世和更新世火山活动广泛而强烈。上述侵入岩和喷出岩具有强或较强磁性，引起了局部异常或区段性磁场增高。

Ⅳ区为强烈变化的磁场区。该区的磁场特征为正负磁场区相互交错，正磁异常的形态多为串珠状，线性异常特征明显，异常的梯度变化比较大，水平变化率和垂向变化率剧烈，异常的走向多为北东向。该区区域背景场一般较弱，以负场为主，但场值变化较大。该区的东段由于中新生代火山岩发育，局部异常走向多偏向北东，该区早古生界断裂出露，一般认为，在早古生代一些地段已经隆起，形成古蒙古洋中的岛链带，从磁场特征分析，该区基底构造走向与其南北两区对比，具有由东西向转为北东向的过渡特征。局部异常强度达100～250 nT，多由华力西期花岗岩和上侏罗统火山岩引起。该区的西南磁异常多呈带状，部分呈近等轴状，一般强度200 nT左右，贺根山及东北地段超基性岩呈岩基产出，引起数百至上千纳特（nT）的异常。根据区域性资料，该区南缘华力西晚期超基性岩广为分布，基底泥盆系有巨厚的海底喷发基性火山岩，二叠系亦有较厚的中基性火山岩分布，在西乌旗北侧下二叠统有含海绵骨针硅质岩分布。该区的中部以正磁场为主，局部异常广为分布，走向呈北东东至北东向，一般强度150 nT左右，高者可达300 nT以上，所对应的地质单元均属于西伯利亚板块向南增生的产物，晚古生代岩浆活动十分强烈，具典型的裂谷特征。

3.3.2 断裂分布特征

区域地质调查结果显示，由于南北两个古板块运动的长期构造应力作用及晚期构造对早期构造的继承性，又由于中生代以来印度板块和太平洋板块对中朝板块持续俯冲的影响。在二连盆地内发育有近东西、北东、北东东和北西向等几组断裂，它们的规模，活动时期各不相同。本文基于区域构造地质背景资料，通过分析研究区的磁场特征及处理结果，共推断出28 条断裂，如图6 所示。

图6 二连盆地断裂分布特征Fig.6 Distribution characteristics of faults in Erlian Basin

1）近东西向断裂：断裂规模大，活动期长，在洋壳闭合前及褶皱带拉伸断裂形成新的陆相盆地的过程中都有活动，控制了盆地的展布形态并控制了几个大的坳陷及中间隆起带的位置和构造发育状况，乃至对近代地形、地貌及水系发育也有影响。主要的断裂有F9、F10、F11一级断裂。

2）北东向断裂：此组断裂多发育在盆地的东部，乌尼特凹陷，腾格尔坳陷中最为发育，愈往西愈少。但在乌兰察布凹陷中，111°E～112°E 之间，盆地构造转换部位也较发育，此组构造多为壳层构造，发育在盆地基底内，也切穿了巴彦花群，很可能也切穿了最上边的二连达布苏组和新近系，为地下水的运移提供了较好的通道，为层间氧化还原过渡带的形成提供了良好的环境。此组断裂的形成明显与太平洋板块的俯冲有关，与大兴安岭隆升也有关系，是印支期和燕山期构造活动的产物。主要的断裂有F2～F6、F12～F19为二级断裂。

3）北西向断裂：大多数北西向断裂生成较晚，切割较浅，基本是壳面断裂，也有少数北西向断裂活动期较长。切割了基底，成为壳层断裂。此组断裂多发育在盆地的东部和北部，尤以马尼特坳陷最为发育。第四系的古河道的支流受其控制，并有少量的更新世玄武岩沿断裂分布。主要的断裂有F23，F24，F25，F28等为三级断裂。

4）北东东向断裂：多发育在盆地中部，控制了盆地内部坳陷及次级凹陷和凸起的展布。主要的断裂有F13，F16，F17等为三级断裂。

3.4 深部断裂与成矿关系

二连盆地及周边地区长期活动的深断裂构造发育，构成区内主要构造格架。这些断裂在航磁图上都有明显清晰的反映，它们不仅对沉积建造、变质作用、岩浆活动有着明显的控制作用，而且还控制着基底的局部隆起和坳陷的形成，同时也是构造单元的分界线。由于晚期构造对早期构造的改造，这些发育方向不同，地段各异，强弱不一致的断裂构造，互相间产生了叠加、穿插、复合、扭曲等活动，影响了盆地内凹陷和凸起的形态、展布及沉积史，盆地内不同时期沉积中心的转移，第四纪地表水系的发育和地下水的活动，进而影响着古河谷砂岩体的空间构造格架和延伸展布形态以及铀矿化的生成。

二连盆地砂岩型铀矿床位于古河谷［6］，由于古河谷通常由深大断裂发育而来或受控于深大断裂，沿断裂带展布。深大断裂带内一般地形相对较低，岩浆活动频繁，自由空气重力异常通常与地形的高低起伏具有很好的对应关系，而布格重力异常则正好相反。岩浆活动导致高磁性岩浆岩体发育，因而表现为自由空气重力异常低而布格重力异常高，并且位于高磁异常条带区。从现有的重磁资料及已发现的铀矿床分布看，已发现的砂岩型铀矿床主要集中于乌兰察布凹陷，即典型的自由空气重力异常低值区、布格重力异常高值区，线性磁异常高值区。综合全区地球物理场特征和推断的断裂分布，从构造分区上看，Ⅳ区（图5）马尼特-乌兰察布坳陷带满足古河谷发育的地质构造条件，并且具有低自由空气重力异常、高布格重力异常以及条带状高磁异常，是比较好的砂岩型成矿有利区。本区主断裂构造的交汇部位对上部地层的铀成矿具有特殊的意义，首先是导致该地区地热值的升高，有利于微生物的繁殖和有机物的分解，为铀的沉积和富集提供了有利的地球化学条件。其次是在北东向断裂交汇的地区，上部的地层虽然构造裂隙较为发育，但并未受到强烈分割和明显错动等破坏。上述这种特殊的构造特征，促使了地下水、地表水循环的加强和还原剂的向上逸散，从而有利于铀的活化、迁移，在有利的环境下富集，为形成大范围、大矿量的铀矿藏提供了有利的地质环境。