溧水火山岩盆地地球物理场特征及火山机构圈定

张宝松，邸兵叶，黄宁，朱红兵，陈基炜，张俊

（中国地质调查局南京地质调查中心，南京210016）

自1979年开始，区域重力调查列入中国地质调查计划，至今已有40余载[1]。在此期间，实现了全国除台湾省外陆域1/100万区域重力调查全覆盖（除高山雪线以上等地区），编制了全国重力图，还完成了重要成矿带和经济发达区1/20～1/25万区域重力调查约620万km2。重力调查是测量与围岩有密度差异的地质体引起的重力异常，以确定这些地质体存在的空间位置、大小和形状的地球物理调查方法。重力调查应用范围广，适用于大地构造分区[2-4]、地壳与上地幔深部构造[5]、区域地质调查[6]等大尺度勘查，也是成矿带地球物理调查断裂[4，7-9]、火山岩分布及成矿预测的重要方法[10-12]。

2010年以来，中国地质调查局部署了成矿带地球物理调查工作，开展1/5万重力调查项目，并在重力勘查技术中的近区地改[13，14]、中区地改[15，16]和高程转换[16-19]三个关键问题做了系统研究，大大提高了重力调查精度，取得一系列重要成果[20-24]。

江苏1/5万溧水县幅等区域地质调查项目实施了重力调查，分析了区域场及分区特征，圈定解释了132个重力异常；推断了35条断裂构造，划分了一级、二级构造单元；识别火山构造18处，推断了51个岩体；研究了典型矿床与重磁场关系，划分了8处成矿远景区，并圈定了8个找矿靶区及查证工作；研究了宁芜盆地、溧水盆地、茅山推覆体、茅东凹陷、上黄断隆电性特征以及区域深部构造与盆地基底特征，探讨了区域基底形态、深部构造分布特征等。

一般火山构造面貌受后期地质作用的破坏、改造或掩盖，致使常规地质调查工作很难识别。常规地质调查主要采用火山岩相构造填图及地层、岩相的研究，辅以遥感地貌分析，但仍无法较好划定火山机构边界范围。

本文是在江苏溧水地区1/5万重力调查项目成果基础上，以溧水火山岩盆地为例，说明1/5万重力调查在圈定火山机构方面的作用。

1 溧水火山活动基本地质特征

溧水盆地是长江中下游断裂拗陷带中许多继承性火山岩盆地之一[25-29]，中生代陆相火山岩系广泛分布，其出露面积约占全部出露地层的一半左右，它们与本区锶、铁、铜、金及膨润土等矿产的形成也有十分密切的关系。

溧水火山岩盆地，以马鞍山-朗溪断裂、南京-溧阳断裂为南北界，茅东断裂、方山-小丹阳断裂为东西边界（图1）。

中生代火山活动强烈，火山岩种类繁多，可分三个火山活动旋回。晚侏罗世出现了第一次较大规模的火山活动—龙王山旋回，形成了一套基性-中性火山岩。随后到早白垩世早期出现了第二次较大规模的火山活动—大王山旋回，形成了一套中偏碱性的火山岩。早白垩世晚期火山活动有所减弱，局部地区出现第三次火山活动—葛村旋回。总的来看，溧水火山活动具有自西向东逐渐迁移的规律，各类火山岩自西向东半环状迁移分布的特征明显，岩性则由中基性向酸性方向演化。

图1 溧水火山岩区地质简图[30-31]Fig.1 Geological sketch map of the Lishui volcanic basin

龙王山旋回主要分布于盆地中、北部，呈北西向带状分布，其周边东岗、杭村也有出露。岩性：上部辉石安山岩、玄武岩、安山质含集块角砾岩、角砾凝灰岩夹沉凝灰岩，下部安山质角砾凝灰岩、火山角砾岩、角闪安山岩。

大王山旋回沿夏家边-东芦山-观山-双尖山呈环带状分布。岩性:上部石英粗面岩，粗面质（集块）火山角砾岩和沉凝灰岩；中部粗安岩、粗安质熔结凝灰岩、角砾凝灰岩；下部沉凝灰岩、凝灰质砂岩、泥岩，含植物及丰富的孢粉，代表一次较大的喷发间歇。

葛村旋回伴有两次较大规模的由中偏碱性至酸性的火山喷发活动，相应出现上党火山岩带及甲山火山岩锥。

2 溧水岩矿石物性特征

区域岩（矿）石的物性参数特征为:

磁铁矿（K 为 163 551～775 788×10-6SI，Jr 为252 888～666 752×10-3A/m，密度为3.07～3.37 g/cm3，极化率为17.7%）为强磁性、高密度、高极化率特征；黄铜矿、赤铁矿、镜铁矿、铅锌矿等（K为0～100×10-6SI，Jr为0～10×10-3A/m，密度为3.68～3.94 g/cm3，极化率为8.3%～34.0%）为低磁、高密度、高极化特征；天青石（锶矿）（K为0～100×10-6SI，Jr为0～10×10-3A/m，密度为3.85 g/cm3,极化率为0～1.2%）为低磁、高密度、高电阻率，低极化率特征。

侵入岩具有一定磁性，其中闪长玢岩类磁性较强，如辉长闪长玢岩、辉石闪长玢岩、石英闪长玢岩、闪长玢岩等K值一般为8 500～3 550×10-64πSI，Jr值一般为1 043～335×10-3A/m，其它侵入岩磁性较低，K值一般为n×102×10-64πSI，Jr值一般为n×102×10-3A/m，Q值一般小于1，总体随酸度的增加磁性逐渐下降，密度减小，即由辉长闪长玢岩→辉石闪长玢岩→闪长玢岩→粗安斑岩→石英斑岩，磁性K 值由n×103×10-5SI，Jr值由n×103×10-3A/m降至无磁，中酸侵入岩在埋深不大时可引起数百或数千nT较为规则的磁异常。

火山岩类具有较强的磁性，磁性变化范围较大，其中玄武岩类磁性较强，K值一般为2 768×10-64πSI，Jr值一般为2 358×10-3A/m，其它磁性较低，安山岩、粗安岩、流纹岩和凝灰岩K值一般为n×102×10-64πSI，剩余磁化强度一般为n×（102～103）×10-3A/m，Q值绝大部分大于1，明显以剩磁为主，且磁化方向杂乱，一般产生正负杂乱跳跃的磁异常，出露地表时，尤为强烈，密度和视电阻率均较侵入岩稍低。

正常沉积岩无磁、低极化，地球物理场以平缓负磁场、无极化率异常为特征。

3 溧水火山盆地重磁场特征

3.1 重力场特征

溧水火山盆地位于北北东向句容-溧水-高淳相对重力高值带上，整体为“西北重力低、中部重力高、东北重力低”（图2）。

布格重力低值区主要有西北湖熟镇-陶吴镇重力低（北东向）、南东有上沛重力低（北东向）、西南有石臼湖重力低（北东向）；布格重力高值区主要有卧龙山、老虎头、韩湖村、别桥重力高，均为北东向。

区内比较醒目的重力梯级带主要有方山-小丹阳梯级带、茅东重力梯级带、南渡-金坛梯级带，均为区域性深断裂的反映。呈北东、北北东向展布的异常带在走向上往往发生等值线或梯级带拐折、扭曲或被切断、错位等现象，相邻异常扭曲的连线构成北西向异常扭曲带，为后期断裂构造的反映。重力异常梯级带、扭曲带所反映的区域性断裂构成了本区区域断裂构造格架，控制了区内隆、凹成带、成块出现的地质构造特征。

3.2 磁场特征

在区域航磁△T化极异常图上，北东向磁异常带非常清晰，强度中等，说明区内岩浆活动强烈。区内磁异常强度及变化趋势与重力场有类似特征，主要存在句容平静磁场区、柘塘-溧水杂乱磁场区、茅山磁异常带。

上述区域重磁场特征与本区的地质背景关系密切：重力低值区、平静磁场区与凹陷区相对应，为一套低密度，无-弱磁性的沉积区；重力高值区，杂乱磁异常区与隆起区相对应；为局部基底隆起，侵入岩、次火山岩类高密度体的叠加，以及磁性不均匀的火山岩覆盖区；重力梯级带，次异常带主要为第二密度界面的反映。

图2 溧水火山岩盆地区布格重力异常图Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of Lishui volcanic basin

4 火山机构推断依据

溧水地区火山活动始于上侏罗世西横山期，在晚侏罗世-早白垩世出现大规模火山活动（分为龙王山旋回、大王山旋回、姚家边旋回、甲山旋回），新生代方山旋回火山活动仅发生局部地区、零星分布。前期火山构造面貌受后期地质作用的破坏、改造或掩盖，导致火山岩自西向东递进发育和叠加覆盖，大多数已很难恢复，致使地表难以识别，因此区内一致公认火山机构较少。在结合1/5万区域地质调查基础上，本文从重磁场特征研究区内火山穹隆、破火山口等分布及范围。

火山穹隆构造为岩浆上隆作用，将上覆岩层顶成穹形或拱形的构造，这种穹隆往往由同喷发旋回的熔岩和次火山岩体组成。由于本区次火山岩体如辉山闪长玢岩密度高，其在重力场会引起等轴状剩余高异常，如韩湖村火山穹隆（见图2中韩湖村重力高）。

破火山口构造是由破火口及周围的火山喷发物组成的火山构造。在地貌上呈周边地势高，内部地势低洼特点。如砚瓦桥破火山口及通道充填大王山闪长斑岩等岩脉；东岗头火山口破火山口构造外围为溢流相熔岩，通道为辉石闪长玢岩，后期塌陷形成。以上破火山口构造在重力场上多呈封闭的“负心”构造，会引起等轴状剩余负异常，它常常被剩余正异常环绕，这种环状特征在地貌和遥感图像上更为清晰。

在常规地质调查已发现或疑似火山机构地区，综合分析研究重力、磁测资料可推断火山穹隆、破火山口等[3，11]分布范围。本次推测火山穹隆、破火山构造主要依据剩余重力特征线、垂向导数、水平总梯度模等参数，航磁等资料进行圈定。

5 典型火山机构剖析

5.1 砚瓦桥火山机构

砚瓦桥破火山口位于溧水隆起北部，属龙王山早亚旋回角闪安山质火山岩喷发期所形成的火山机构。因剥蚀较深，火山机构外貌已难恢复。推测砚瓦桥一带为主要火山口，近火山口由爆发相粗碎屑岩组成。火山口相为约3 km2的闪长玢岩体-砚瓦桥岩体，北北西向近椭圆状，岩体中心相为石英闪长斑岩，属于龙王山早亚旋回晚期分异的残余岩浆填充在火山口中的产物。火山活动中心外围分布一系列玄武玢岩、辉长闪长玢岩、辉石闪长岩、闪长玢岩、花岗闪长玢岩等龙王山晚亚旋回岩脉，充填在叠加区域构造应力场特征的构造裂隙中。

砚瓦桥破火山口在布格重力图上显示负异常，剩余重力异常大致能反映出破火山口形态；航磁显示火山口外围存在多处磁高异常，与剩余磁异常反映一致。砚瓦桥破火山口大致可依据剩余重力异常“-0.2”等值线圈定。

图3 砚瓦桥破火山与重磁异常剖析图Fig.3 Analysis map of Yanwaqiao caldera and gravity-magnetic anomalies

5.2 甲山破火山口

甲山地区甲山旋回流纹岩分布呈东西长2.2 km，南北最宽1.1 km的椭圆状，主要为溢流相熔岩，底部局部发育少量爆发相碎屑熔岩。其上下都为葛村组湖盆相红层，甲山旋回属葛村早期局部火山活动的产物。甲山流纹岩基本上属裂隙-中心式火山喷发，主要受北西西向断裂控制，在中段局部见陡流理的瘤状流纹岩为主要喷发口，在北西西延长方向上有同成分岩床侵入于龙王山组火山岩中。

甲山破火山内主要充填了低密度酸性流纹岩，因此在布格重力图上显示梯级带局部陡变部位，重力剩余异常大致能反映出破火山口形态；航磁及剩余异常均显示其火山口外围存在2处磁高异常。最终，甲山破火山口大致可依据剩余重力异常“-0.5”等值线圈定。

6 火山机构解释成果

本次调查包括了二级火山机构溧水火山构造洼地区，依据地质资料，结合重磁场异常特征，共推断了火山机构18处，包括破火山、火山穹窿等，其中破火山16处、火山穹窿2处。

图4 甲山火山口与重磁异常剖析图Fig.4 Analysis map of Jiashan caldera and gravity-magnetic anomalies

图5 溧水地区重力推测火山机构分布图Fig.5 Distribution map of gravity-magnetic inferred volcanic structures in Lishui area

在本次火山机构推断解释中，重力调查、航磁资料较好地圈定了火山机构边界，这与地表地质、遥感调查有区别，主要表现重磁圈定范围略大一些，整体环形结构更加完善，常规地表调查、遥感影像无法做到。单以重磁异常直接推断火山机构也是不可行的，必须具有火山构造的地质前提下，利用重磁资料进行火山机构推断解释，为地质构造研究和资源预测提供有用信息。

7 结语

（1）利用1/5万重力调查资料研究区域构造与断裂研究表明，区域重磁场反映出基底起伏形态，深大断裂具有较宽梯级带异常，隐伏断裂一般也有较明显异常。

（2）研究典型火山机构与重磁场关系与形成机理，为解决重力调查圈定火山机构提供了技术路线。

（3）利用地质调查与重磁资料相结合方法，依据重力剩余异常、垂向导数、水平总梯度模等，可有效地推断火山机构，为今后重力调查研究火山机构提供了很好的案例。