基于重磁场特征的松辽盆地基底岩性研究

吴真玮,曾昭发,李 静,赵雪宇,许天福

(1. 吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026; 2. 吉林大学 环境与资源学院，吉林长春 130026)



基于重磁场特征的松辽盆地基底岩性研究

吴真玮1,曾昭发1,李 静1,赵雪宇1,许天福2

(1. 吉林大学 地球探测科学与技术学院，吉林长春 130026; 2. 吉林大学 环境与资源学院，吉林长春 130026)

盆地的基底埋藏深度、岩性和断裂分布与地热资源的形成、分布和开发利用密切相关。本文基于重磁方法的特点和松辽盆地的重磁场异常，利用最佳向上延拓的方法进行场源分离，提取了基底重磁异常信息；依据不同岩石物理属性(密度和磁性)和重磁异常对应分析的结果，对松辽盆地的基底岩性分布进行了划分，其结果对盆地地热资源远景评价和开发利用有重要参考价值。

地热 重磁异常 松辽盆地 对应分析 基底岩性 火山岩

Wu Zhen-wei, Zeng Zhao-fa, Li Jing, Zhao Xue-yu, Xu Tian-fu. Distribution of basement lithology in the Songliao basin derived from gravity and magnetic anomalies[J]. Geology and Exploration, 2015, 51(5):0939-0945.

0 引言

松辽盆地是一个典型的中、新生代陆相沉积盆地(杨万里等，1982)。盆地整体呈NE向展布，近似菱形,是蒙古-鄂霍茨克洋构造域和太平洋构造域叠加在古亚洲洋构造域基础上形成的一个陆内裂谷盆地(吴福元等，1999)。盆地西北部是大兴安岭-内蒙海西褶皱带，东北部及东部为黑龙江、吉林海西褶皱带，南部与内蒙地轴以东西向赤峰-开源断裂相隔，东以依兰-伊通断裂带为界(罗乌清等，1993)。已有资料表明，松辽盆地属于典型的中低温传导型地热系统，盆地地热变化范围为40～90mW/m2,平均热流值是70 mW/m2，其地热资源相当丰富，地热开发利用前景十分广阔(蒋林等，2013；韩湘君等，2002)。地热资源的形成、埋藏和分布大多与基底埋藏深度、岩性及区域构造断裂分布等密切相关(耿莉萍，1998；黄树峰等，1999)。盆地的形成演化受基底构造和岩性控制，研究盆地基底的岩性分布对盆地地热远景区划分和地热资源的开发利用具有重要意义。

松辽盆地的基底是前侏罗纪古亚洲洋构造域众多微板块、地体拼贴形成的复合陆块。根据地震和钻井资料解释对松辽盆地基底岩性研究的资料,认为盆地基底分布着大片华力西期和零星加里东期花岗岩体。基底岩性主要以千枚岩、泥质板岩、结晶灰岩等浅变质岩为主，同时还有片麻岩、片岩及花岗岩和闪长岩类(刘天佑，1993；朱焕来，2011)。同时松辽盆地基底也大面积分布着加里东期、华西期、燕山期花岗岩，而以花岗岩为主体的火成岩是盆地地热的重要来源，因此估计松辽盆地的产热量相当可观(刘耀光，1982)。

作为地球物理方法的重要分支，重磁研究是认识盆地深部构造不可缺少的方法。重磁方法能够提供覆盖整个研究区的地球物理场信息，其成本低、勘测范围和深度很大,具有其他物探方法无可比拟的横向分辨能力(刘光鼎，1996；刘财等，1996)。因而，要研究基底岩性的分布应该主要以重磁资料为主，其中以磁力资料最为重要，因为岩石的磁化强度相比于其他岩石物性参数(密度、速度、电阻率)与基底的岩性关系更密切(王家林等，2002)。因此利用重磁的方法深入研究松辽盆地的基底岩性对地热资源评价、开发及利用规划具有重要的参考价值。

1 松辽盆地的重磁异常特征

松辽盆地的重力异常与盆地的地形起伏呈现正相关的特征。由于盆地地处嫩江断裂带和牡丹江断裂带之间，因此盆地内的重力异常与盆地周边的重力异常存在明显的分界线。盆地内重力异常以正异常为主，异常值变化范围在70～120mGal之间，异常梯度变化较小，异常总体呈现NNE-NE向展布。盆地内局部重力异常呈现团状闭合圈闭，异常轴向不规则，有西北向，也有近东西或近南北向(图1)。松辽盆地的航磁异常分区性较为明显。变化相对舒缓，盆地内同时分布着正负异常，变化范围在-250～350nT之间。航磁异常主要以NE-NNE向的异常展布为主，局部也有EW向和SN向的磁性异常展布(胡旭芝等，2006)(图2)。

图1 松辽盆地重力场Fig.1 Bouguer gravitational anomalies in the Songliao basin

图2 松辽盆地航磁异常Fig.2 Aeromagnetic anomalies in the Songliao basin

2 松辽盆地的重磁数据场源分离

为了研究松辽盆地的基底，需要对观测到的重磁数据进行特殊处理，将基底深部构造引起的低频区域异常与浅部构造引起的高频异常进行有效区分。最佳向上延拓能够很好地从观测重力异常和磁力异常中分离出由深部场源引起的区域重力异常和磁力异常，并且在分离异常场的过程中，最佳向上延拓可以使低频成分的衰减最小，故而能够较精确提取区域异常(孟小红等，2013)。

图3 两个相邻高度重力异常上延值相关系数与延拓高度的关系曲线Fig. 3 Correlation coefficients versus continuation altitudes of two neighboring gravity anomalies

最佳向上延拓的关键是确定一个最佳上延高度。两个相邻高度的异常向上延拓值之间的互相关系数与高度的关系曲线，存在一个明显的转折点，这个转折点对应的高度，就是最佳的向上延拓高度(曾华霖等，2002)。分别对重力数据和航磁数据进行了向上延拓,然后计算两个相邻延拓高度处异常值间的相关系数，可得到重力和航磁异常的不同延拓高度与对应的相关系数的关系(图3及图4)。图3中曲线在6.5km处存在明显转折点，过了转折点，随着上延高度的增加，相邻两个延拓高度的相关系数变化越来越小，基本没有变化，故而重力异常的最佳上延高度为6.5km。同理，依据图4可知航磁异常最佳上延高度为6.5km。于是分别对重力异常和航磁异常进行最佳上延高度的向上延拓，可以提取松辽盆地的区域重力和航磁异常(图5和图6)。

图4 两个相邻高度航磁异常上延值相关系数与延拓高度的关系曲线Fig. 4 Correlation coefficients versus continuation altitudes of two neighboring aeromagnetic anomalies

图5 重力区域场Fig.5 Regional gravity field

图6 航磁区域场Fig.6 Regional aeromagnetic field

3 松辽盆地的重磁区域数据的对应分析

泊松定理以线性关系的形式将重磁异常有机结合在一起，能提高解释的准确性，为开展重磁异常的综合分析提供了重要前提(曾昭发等，2006)。从泊松定理出发，计算区域重磁异常值的相关性，并根据相关性的分布特征来分离和鉴别不同类型的异常区，为划分地质构造单元以及认识深部结构的其他特征提供信息(王家林等，2002)。依据泊松公式，取一个窗口在研究范围内连续滑动计算相关系数，可知重力异常和磁力异常存在某种相关关系，如方程(1)所示

(1)

作为一种定量化联合解释的方法，重磁异常对应分析能有效地分离和鉴别不同类型的异常，减少多解性，从而能够很好划出异常源相对一致的地质单元和构造分区,了解基底岩性的分布(刘彦华等，2008)。依据泊松定理的基本原理，对重力区域场和航磁区域场在给定适宜的窗口下进行相关分析计算，得到相关系数平面分布图(图7)。相关系数R反映了重力区域场和航磁区域场在给定窗口内的线性相关程度。通过查阅相关文献资料，发现0.4和-0.4可以作为正相关和负相关的临界点。在正相关的情况下，R大于0.4时，表明重力异常值和航磁异常值同时为高或者同时为低的异常值；而在负相关的情况下，R小于-0.4时，表明重力异常高而航磁低，或者重力低而航磁高；R大于0.4为正相关，反映重力和磁力同高，或同低；当R的绝对值小于0.4为重磁不同源。

对于负相关区域的基底岩性存在两种情况：①密度小，磁性也强，为年代较为新的火成岩；②密度大，磁性小，为变质岩。对于正相关的区域也存在两种情况：①密度大，磁性也强，为变质岩或者年代较为古老的火成岩；②密度小，磁性小，为沉积岩。通过依据相关系数平面分布图(图7)，并结合重力区域场(图5)和航磁区域场(图6)进行分析，得出了松辽盆地基底岩性分部图(图8)。

图7 相关系数平面分布图Fig.7 Plane distribution of correlation coefficient

由图8可知，松辽盆地基底主要以变质岩和火成岩为主，其中火成岩主要以花岗岩和闪长岩为主，变质岩主要以板岩、千枚岩和变质砂岩为主。按年代来对基底进行划分，可分为加里东期、海西期、印支期和燕山期。加里东期和海西期火成岩为年代较老的火成岩，印支期和燕山期火成岩相对来说为年代较新的火成岩。印支期和燕山期火成岩主要分布于盆地的中部和东部，海西期火成岩分布在松辽盆地的中部和西部，加里东期花岗岩少量分布于盆地的西部。从图8中可以看出火山岩的展布受基底断裂构造的影响。火成岩岩体的走向及边界与盆地中的断裂带的走向是平行的，可知基底断裂带对岩浆活动起控制作用，与基底岩性的分布存在密切的关系。

一般说来，盆地内的地热能主要来自上地幔的隆起和岩石放射性衰变释放的热能(刘耀光，1982)。各种资料也表明，在各种类型的岩石中以花岗岩为代表的火成岩的产热率最高，而随着岩石中放射性元素逐渐衰变，岩石的产热率也会逐渐下降，故而年代较新的火成岩的产热率优于年代较老的火成岩。因而，在获得基底岩性的分布图的同时，也可以划分出地热勘探开发的远景区，即基底为火成岩的区域，其中以年代较新的火成岩区域为最佳，这些区域是地热勘探开发的远景区。

4 结论

(1) 松辽盆地基底岩石的物理性质及基底构造是影响盆地重力、磁力异常的地质因素。因而，对于不同类型以及不同地质时代的岩石，依据其所具有的密度和磁性特征，利用重磁对应分析减少资料解释中的多解性，并且依据布格重力和磁力异常在宏观上的分布特征，能够有效划分出松辽盆地的基底岩性的分布范围，特别是划分了火成岩的有效分布范围。

(2) 松辽盆地基底岩性的分布还受到盆地基底断裂带的控制，基底岩性的分布与基底断裂带的展布方向大致平行。

(3) 松辽盆地的基底主要以变质岩和火成岩的分布为主，基底大面积分布着从加里东期到燕山期的具有很高生热率的花岗岩层，松辽盆地地热资源前景广阔。

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Distribution of Basement Lithology in the Songliao Basin Derived from Gravity and Magnetic Anomalies

WU Zhen-wei1，ZENG Zhao-fa1, LI Jing1, ZHAO Xue-yu1, XU Tian-fu2

(1.CollegeofGeoexplorationScienceandTechnology，JilinUniversity，Changchun,Jilin130026； 2.CollegeofEnvironmentandresources，JilinUniversity，Changchun,Jilin130026)

The basement burial depth, lithology and fault distribution of a basin are closely related to geothermal resources. Based on the characteristics of gravity and magnetic anomalies, using the preferential upward continuation method, this work has separated the fields and sources of gravity and magnetism, and extracted the gravity and magnetic anomalies of the basement in the Songliao basin. Combining physical properties of rocks, correlation between gravity and magnetic anomalies as well as geological data, this work has further inferred the lithological distribution of the basement in the Songliao basin. Metamorphic and igneous rocks dominate the basin basement, which were formed in the Caledonian, Hercynian, Indosinian, and Yanshanian periods. The rocks of former two ages are relatively older, while those of the latter are younger. The Indosinian and Yanshanian igneous rocks are distributed in the central and eastern basin, Hercynian rocks in the middle and west, and few Caledonian granites in the west. Their patterns are controlled by faults in the basement. Strikes of these rock bodies tend to be parallel to the basin boundaries and faults within the basin. Magma activities along faults of the basement likely determined the distribution of the lithology. These data will provide evidence for prospect assessment and development of geothermal resources in the basin.

geothermal energy, gravity and magnetic anomaly, Songliao basin, basement lithology, igneous rock

2015-01-01；

2015-05-12；[责任编辑]郝情情。

国家863项目(2012AA052801)和博士点基金项目(20130061110060)联合资助。

吴真玮(1988年-)，男，2013年毕业于吉林大学地球探测科学与技术学院，获学士学位，现为吉林大学在读研究生，主要从事工程与环境地球物理研究。E-mail:1143485332@qq.com。

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A

0495-5331(2015)05-0939-07