龙门山构造带北段岩石物性研究

罗方兵，张　兵，闵　刚，张赛明，魏　斌，柳康伟

(1.成都理工大学　地球探测与信息技术教育部重点实验室 成都　610059；2.大庆钻探工程公司，大庆　163412)



龙门山构造带北段岩石物性研究

罗方兵1，张兵1，闵刚1，张赛明1，魏斌2，柳康伟1

(1.成都理工大学地球探测与信息技术教育部重点实验室 成都610059；2.大庆钻探工程公司，大庆163412)

摘要：在岩矿物性的研究中，为了能有效顺利的开展工作，往往需要了解工作区域内岩石矿物之间的物性差异，包括岩石之间的电性差异、磁性差异、密度差异等。对岩石物理性质的研究不仅是物探工作中地球物理场及地质解译的基础，也是对岩石形成时的地质条件、气候条件等的反映。此次研究发现，龙门山构造带北段岩石物理性质方面有较强的差异，尤其是电阻率、磁化率、密度差异较大，可以进行电法、磁法、重力等方法勘探。了解了该区域的物性特征，可以辅助指导该区域的电法、电磁法、重磁法等勘探方法。在对岩石物性数据采集后，进行统计分析和相关分析，结合研究区的地质特征，分析研究区岩石物性分布情况以及岩石物性的主要影响因素。选择相关剖面与音频大地电磁测深(AMT)结果对比，发现两者近地表电阻率特征具有良好的对应关系，这也验证了岩石物性测试结果的准确性，这为在该区以后的物探测量及地质解释等方面能提供更好的依据。

关键词：岩石物性；龙门山构造带；电阻率；磁化率；密度

0引言

随着电法、电磁法、重磁法等勘探方法的推广普及，充分认识勘探区岩矿石物性特征，以提高勘探的地质应用及找矿效果，越来越受到重视。在此背景下，进行了龙门山构造带北段的岩石物性研究。

岩矿物性的研究是地球物理、地球化学、矿冶及其他地球学科的重要基础之一[1]。岩石物性测试的目的是获取并分析岩石的各项物性数据，岩石物性数据是地球物理勘查的基础性数据，是研究成矿地质特征[2]与岩石矿物物性特征的关键所在，也是解决某些地质问题的描述性数据。因此希望通过物探资料得到较精确的地质解释,岩石物性数据是必不可少的基础[3]。此次测试收集了电阻率、磁化率、密度等参数。通过岩石电阻率测试与分析，了解地质构造、地层岩性等的电阻率分布特征，进而建立了标准电性层，同时兼顾测量了岩石磁化率、密度，这也为重磁资料解释提供物性基础。

1研究区构造地质概况

1.1区域位置

龙门山构造带位于北纬30°～33°、东经102°～106°，总体呈NE-SW向展布，全长五百余千米，宽30 km～50 km，地处青藏高原东缘，介于松潘-甘孜褶皱带与扬子板块之间，止于秦岭造山带[4]，由一系列走向北东(图1)、倾向北西的逆冲断层及其所夹的岩片组成。龙门山构造带在中国西南地区构造格局中占有主导地位，带被誉为“地质百慕大”[5]，具有重要的科学研究价值，许多学者都对龙门山构造带的研究步步深入[6]。

图1　研究区位置图Fig.1　Location map of the study area

1.2 地层岩性及沉积特征

龙门山构造带是一个独立的地层复合体，地层记录具有复杂性、混杂性、不连续性、不完整性和分带性等特征[7]。测区岩石地层系统主要以四川省地质矿产局《四川省岩石地层》[8]的区域岩石地层清理方案作为基础，结合本测区区域调查的实际情况而最终确定。龙门山前陆盆地是在晚三叠世早期扬子地台西缘被动大陆边缘的基础上形成的，充填地层厚度巨大，包括上三叠统至第四系，下覆地层为不整合接触，垂向上显示为由海相—海陆过渡相—陆相沉积物构成，具有向上变浅、变粗的序列[9]。龙门山北段各地层的主要特征：印支期花岗岩在研究区大面积出露，如印支期中期(γ51-2)似斑状黑云母花岗岩(图2(i))；蓟县系在研究区出露主要为灰—褐—紫—黑色安山岩；前震旦系在研究区出露主要为灰白—灰绿—墨绿色变质火山岩、细碧角斑岩、灰—绿灰色千枚岩、变砂岩，如碧口群中部(AnZbk2)细碧角斑岩(图2(h))。

图2　研究区典型岩石图Fig.2　Typical rocks in the study area(a) 遂宁组(J3s)泥质粉砂岩夹石英砂岩；(b)吴家坪组(P3w)含炭质粉晶灰岩；(c)观雾山组(D2g)白云质灰岩；(d)滑天坡组一段(Sh1)粉砂质千枚状板岩；(e)黄坪组二段(Shp2)含铁白云石变斑晶千枚状板岩；(f)黄坪组三段(Shp3)含铁白云石变斑晶千枚岩；(g)邱家河组(∈1q)碳、硅质板岩；(h)碧口群中部(AnZbk2)细碧角斑岩；(i)印支期中期(γ51-2)似斑状黑云母花岗岩

震旦系—中三叠统，除志留系含大量变质岩外，其他地层主要为海相碳酸盐岩，以灰岩、白云岩为主，厚度一般在4 000 m以上。震旦系岩性主要为灰白—灰色中厚层—厚层白云岩、结晶白云岩、灰岩、白云质结晶灰岩。寒武系、奥陶系在研究区地表出露不多，多分布在青川—茂汶断裂带与北川—映秀断裂带之间，寒武系多为炭、硅质岩与结晶灰岩等碳酸盐岩，(如邱家河组(∈1q)碳、硅质板岩(图(2(g)))；奥陶系多为结晶灰岩、生物碎屑灰岩。志留系在研究区地表出露较多，主要有茂县群、罗惹坪群龙马溪群、纱帽群，是研究区极为重要的一个地层，岩性主要为千枚岩、板岩、灰岩，(如茂县群滑天坡组一段(Sh1)粉砂质千枚状板岩，(图2(d))；黄坪组二段(Shp2)含铁白云石变斑晶千枚状板岩(图(2(e))；黄坪组三段(Shp3)含铁白云石变斑晶千枚岩图(2(f))。泥盆系岩性主要为浅灰—深灰色灰岩、泥质灰岩、灰—灰白色白云岩(如观雾山组(D2g)白云质灰岩(图(2(c)))。石炭系和二叠系在研究区地表出露不多，岩性主要为结晶灰岩等灰岩(如石炭系吴家坪组(P3w)含炭质粉晶灰岩，图(2(b)))。下三叠统以灰岩、白云岩、为主，夹砂岩、泥页岩；中三叠统雷口坡组主要为浅灰—灰色灰岩、白云岩。

上三叠统—白垩系为陆相沉积，主要为陆相碎屑岩。其沉积特点总体表现为沉积厚度大，水系以纵向河为主，具点状物源，沉积物以扇三角洲、三角洲和湖泊相为主[9]。上三叠统岩性主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、泥岩夹煤层；侏罗系在研究区各段均有大量出露，成长条状展布，岩性主要为砂岩、砾岩和泥岩(如遂宁组(J3s)(图2(a)))；白至系主要分布在绵阳以北地区，岩性主要为砂岩或者砂砾岩[10]。

2方法技术

本次在龙门山构造带北段选择了地层出露较完整的三条地质剖面(除古近系和新近系外，从震旦系至第四系几乎各时代的地层均有出露)进行物性测试。作者在这三条剖面还进行了1：50 000区域地质调查、数字填图、遥感地质解释、大地电磁测深等工作。三条地质剖面分别为沙洲镇(水磨幅)-红岩镇(剑阁幅)、白马藏族乡-平武县城(平武幅)剖面、南坝镇(平武幅)-新安镇(绵阳幅)，共完成露头测试样点2 518个，标本采集测试637块，共计58个组或段的地层单元。

数据采集分野外露头测定法、标本测定法两种方法相结合得出相应的物性数据。野外露头测试得到岩石电阻率及磁化率，结合区域地质资料系统采集龙门山韧性剪切带代表性岩石标本，将标本按要求打磨成标准圆柱体型测试得到电阻率、磁化率、密度等参数。由于存在各向异性，对同一个岩石进行了不同方向的测定。根据测量结果整理出了调查区间按岩性区分的统计结果并进行相应分析，初步建立了三条龙门山地质构造带的有时代序列的以地质单位为单位的各构造单元地层物性统计表，这对研究区内物探资料解释具有重要指导性意义。

1)电阻率测试仪器选用中国地质大学(武汉)生产的LZSD-C型自动直流数字电测仪，该仪器有供电电流及电位差两个测量道。电流的测量是通过测量标准电阻上转换为电位差信号而达到目的。仪器输入阻抗大于1 000 Ω·m，适用范围宽，当输入阻抗达30 Ω·m时电位差读数减小低于0.05 %。仪器满足中国地调局DD2006-03《岩矿石物性调查技术规程》规范要求。

根据测试仪器读得测点MN间的电流iMN和电压UMN，用量尺量得电极AB间的距离LAB和测点MN间的距离LMN，电阻率计算公式由式(1)及式(2)。

(1)

(2)

2)岩石磁化率测定选用从捷克进口的SM-30高精度磁化，该仪器能够快速准确的分析出岩矿石的磁化率，轻巧方便，其灵敏度达到1×10-7SI。该仪器满足规范要求的不低于1×10-6SI。

3)将采得的样品按照相应要求加工成圆柱体，先测试其磁化率和密度；再在清水中浸泡超过24 h达到水饱和后，将其表面水分晾干测试其电阻率。

3岩石物性参数统计特征

测区内主要出露岩石的电阻率、磁化率、密度按岩性区分的统计结果见表1。

3.1电阻率

根据表1绘制岩石电阻率柱状图(图3)。

从表1和图3中分析可知：泥岩、页岩、千枚岩、炭质板岩的电阻率相对较低，属低阻；砂岩、砾岩等岩石的电阻率在300Ω·m～1 000 Ω·m，属中阻；灰岩、白云岩及花岗岩的电阻率普遍达到1 000 Ω·m，属高阻。沉积岩、变质岩与岩浆岩的电阻率差异较大：变质岩中除变质火山岩外普遍电阻率不高，且变质火山岩与板岩、千枚岩、变质砂岩容易区分辨别；沉积岩中除灰岩和白云岩等碳酸盐外普遍电阻率不高；岩浆岩普遍电阻率较高，其中花岗岩电阻率最高，达到了10 000 Ω·m。由此可见，龙门山构造带北段不同岩性的电阻率差异大，可以实行电法勘探。岩石电阻率差异可以区分不同地层的岩性，这在电法反演中识别相应区域地下深部岩性上有很大帮助，在钻井岩性识别上也有一定帮助。

表1　研究区岩石电阻率、磁化率、密度统计表Tab.1 Statistics of rock resistivity、magnetic susceptibility and density of the study area

图3　岩石电阻率柱状图Fig.3　Rock resistivity histogram

3.2磁化率

根据表1绘制岩石磁化率柱状图(图4)。为描述方便，将龙门山构造带岩石的磁性按磁化率的数值，划分为五个等级：强磁性，大于10 000 SI；中磁性，1 000 SI～10 000 SI；弱磁性，100 SI～1 000 SI；微弱磁性，10 SI～100 SI；无磁性，小于10 SI[11]。

从表1和图4中分析可知：大部分岩石的磁化率不高，在10 SI～1 000 SI之间，属于微弱-弱磁性；小部分岩石的磁化率小于10 SI，属于无磁性；少数岩石的磁化率大于10 000 SI，属于强磁性。灰岩、白云岩磁化率最低，几乎无磁性；变质火山岩磁化率最高，多数超过10 000 SI，属强磁性，此类岩石采于平武-白马一带，表明此区域岩石含有铁等矿物；安山岩磁化率较高，由于火成岩含铁所致。沉积岩磁化率多在1 SI～1 000 SI之间；变质岩中千枚岩、板岩、变质砂岩磁化率多在10 SI～400 SI之间。研究区不同岩性磁化率差异较大，可以实行磁法勘探，磁化率差异可区分不同地层的岩性，这在磁法反演中地下深部岩性识别上有很大帮助，也可帮助在研究区寻找含磁性矿物。

图4　岩石磁化率柱状图Fig.4　Rock magnetic susceptibility histogram

3.3密度

根据表1绘制岩石密度柱状图(图5)。

图5　岩石密度柱状图Fig.5　Rock density histogram

从表1和图5中分析可知：龙门上构造带岩石密度特征符合一般规律，即疏松的沉积岩密度低，致密的沉积岩、变质岩和岩浆岩密度偏高。平均密度岩浆岩最高，沉积岩居中，变质岩最低。沉积岩中碳酸盐密度较稳定，在2.64 g/cm3左右。各类沉积岩的密度变化较大，页岩密度最低，常见值在2.30 g/cm3左右；砾岩密度最高，常见值达2.82 g/cm3左右。在统计中还发现不同层位,同一种岩性的岩石密度,以碳酸盐岩较为稳定。碎屑岩类的砾岩、砂岩等,密度值在不同地层中变化较大。显然,前者的稳定,与碳酸盐岩成分、结构比较均一有关,后者的变化,则由碎屑岩本身成分、结构的多变性所决定。变质岩中变质火山岩密度最高，板岩、千枚岩、变质砂岩较低，随着变质程度的增强，密度稍有降低的趋势，即变质火山岩>板岩>千枚岩。各类岩石密度存在明显差异，研究区具有一定重力勘探基础。

3.4地层电阻率

表2为沙洲镇(水磨幅)—红岩镇(剑阁幅)各地层电阻率统计结果，从表2中可以看出各地层电阻率差异较大。究其原因，主要是因为物质成分不同。如泥盆系观雾山组、石炭系黄龙组、二叠系茅口组等地层电阻率特别高，其原因为这些地层多含灰岩、白云岩等碳酸盐；志留系茂县群呈中电阻率层，其原因是这些地层多含千枚岩、板岩等；志留系新滩组、罗惹坪组因主要含泥岩、页岩、砂岩，故而呈低电阻率层。

图6(a)为沙洲镇—红岩镇音频大地电磁测深(AMT)测点图，图6(b)为沙洲镇—红岩镇AMT反演图(注：由闵刚提供)，根据表4绘制沙洲镇—红岩镇地层电阻率物性图(图6(c))。

对比地层电阻率物性图和AMT反演图可见两者近地表电阻率特征具有良好的对应关系，验证了岩石物性测试结果的准确性。表明该区域岩石物性研究可以作为大地电磁测深的工作基础，也可以作为大地电磁测深的辅助验证方法，这为在该区以后的物探测量及地质解释等方面能提供更好的依据。

4 结论

在研究区进行物探工作前，岩石物性研究是一种行之有效且必不可少的工作基础。岩石的物性研究可以起到多方面的作用，不同的物理参数可以应用到不同的问题上，同时，以一种物理参数为基础也可以应用到多方面。

1)研究发现研究区岩石在密度、磁性、电性方面均有显著差异，表明研究区可以进行重、磁、电法勘探。

2)物性数据可以区分研究区不同地层的岩性，这在相应方法反演中地下深部岩性识别上有很大帮助，在钻井岩性识别上也有一定帮助。

3)经过本次研究，了解了研究区的一些物性特征，这可以辅助指导重、磁、电等方法，这在解决某些地质、矿产等问题上有很大应用价值。

4)地层电阻率物性图和闵刚提供的该区AMT反演图的良好对应，验证了岩石物性测试结果的准确性，表明岩石物性研究可以作为大地电磁测深的工作基础，也可以作为大地电磁测深的辅助验证方法，这为研究区以后的物探测量及地质解释等方面能提供更好的依据。

致谢

感谢张讯、李强强等在野外进行AMT测试并提供AMT数据，感谢闵刚提供AMT反演图，感谢张赛明对论文的帮助。

表2　沙洲镇—红岩镇各地层电阻率统计表Tab.2　Statistics of formation resistivity from Shazhou town to Hongyan town

图6　测试结果对比图Fig.6　Test results contrast figure(a)沙洲镇—红岩镇音频大地电磁测深(AMT)测点图；(b)沙洲镇—红岩镇AMT反演图；(c)沙洲镇—红岩镇地层电阻率物性图

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The physical properties study of the northern section of iongmenshan tectonic belt

LUO Fang-bing1,ZHANG Bing1,MIN Gang1,ZHANG Sai-ming1,WEI Bin2,LIU Kang-wei1

(1.Key Laboratory of Earth Exploration and Information Technology of MOE,Chengdu University of Technology,Chengdu610059,China;2.Daping driuing engineering conpany,Daqing163412,China)

Abstract:Before starting many geological work,in order to carry out the work effectively and successfully,we often need to understand the physical differences of rocks and minerals in study area,including the electrical differences、magnetic differences and density differences.The study of physical properties is not only the essential foundation of geophysical field work and geological interpretation,but also reflects geological and weather conditions in which they are formed.This study find that the physical properties of the north section of Longmen mountain tectonic belt have big differences,especially the resistivity、magnetic susceptibility and density.Electrical method,magnetic method,and gravity method can be carried out in the study area.We find the characteristic of physical properties in study area.It can guide electrical method,electromagnetic method,gravity and magnetic exploration method.After acquisition physical data of rocks,combing the geological characteristics of the study area and the results of statistical and correlation analysis to analyze the physical distributions of rocks and the main influencing factors of the study area.Choosing relevant profile and comparing with the result of Audio-frequency Magneto telluric,finding that the near-surface resistivity features have a good correspondence.It also certificates the accuracy of the AMT test results.It can provide better overview for geophysical survey and geological interpretation in the study area.

Key words:physical properties;Longmen mountain tectonic belt;resistivity;magnetic susceptibility;density

收稿日期：2015-03-27改回日期：2015-06-23

基金项目:中国地质调查局工作项目(1212011220263)

作者简介：罗方兵(1990-)，男，硕士，主要从事固体地球物理学的研究，E-mail:717235144@qq.com。

文章编号：1001-1749(2016)02-0191-07

中图分类号：P 631.3

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.02.08