基于重力测量的火山地质遗迹调查——以河北海兴小山火山为例

祁程，杨明，谢明宏，张伟，刘波，魏滨，赵丛，艾虎，焦智伟

（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

0 引言

由于太平洋板块向亚洲板块不断俯冲挤压，新生代以来，在亚洲板块东部产生一系列NNE 向剪压性（右旋扭动）构造和与之共轭的NW 向剪张性（左旋扭动）构造（包汉勇等，2013），导致大规模火山喷发，在中国东北、华北陆缘形成大规模的NW 向火山喷发带（杨海斌等，2016；唐杰等，2018；朱日祥和徐义刚，2019；李三忠等，2019；田有等，2019）。

河北省海兴小山火山即位于该喷发带内，是中国东部滨海平原仅有的两个晚第四纪火山遗迹之一（邵时雄等，1983；河北省地质矿产局，1989），与位于山东省滨州市的大山火山是姐妹山，记录了距今248 万年第四纪以来一直活动的火山地质遗迹。

小山火山地质记录完整，期间穿插有海相、河流相沉积，该火山在全新世以来依然有活动，是华北平原最后一个活动的火山（尹功明等，2013），对研究区域古气候演化、新构造运动与火山活动的关系、地层划分对比、生态环境地质等课题，尤其是对研究渤海西岸地质演化及海进海退规律有重要意义（冯金良，1997；邓起东等，2001；姚政权等，2006；胥勤勉等，2011）。小山虽不及五岳之险峻，但其典型性、多样性和自然性，实属平原地区独有，国内罕见，是具有独特科学价值和重要社会生态价值的地质遗迹区，受到省内外地学界的关注，2003 年被河北省政府批准为省级火山地质遗址自然保护区。

前人主要利用古地磁学（河北省地质矿产局，1989；姚政权等，2006；肖国桥等，2008；施林峰等，2009）、常规14C（田文法等，1991；王强等，2008）、加速器质谱（AMS）14C（阎玉忠等，2006）、电子自旋共振（ESR）（尹功明等，2013）、40Ar/39Ar（裴军令等，2015）等技术方法对小山一带的火山喷发年代及地层划分做了研究。最近几年，省、市、县国土部门和地质勘查、水文勘查单位也围绕城市建设、地热勘查、环境地质、灾害地质等做了一些区域性工作①②③④⑤⑥⑦⑧⑨，但地质遗迹调查方面的工作仍不够充分，保护管理尚处于起步阶段，缺乏系统、完整的基础性研究资料，在一定程度上制约了地质遗迹开发利用及保护。笔者本次利用重力剖面测量的方法对小山火山地质遗迹深部特征进行调查，深化了对该保护区的科学认识，为促进和保障当地资源、环境与经济的可持续发展提供了基础资料。

1 小山火山地质遗迹保护区概况

1.1 生态地理概况

小山又名马骝山，地处渤海之滨，北望京津，趾触沧州大港，距海兴县城约9 km。小山火山地质遗迹自然保护区面积13.81 km2，小山、山后山、馍馍山依次排列于东、北、西三侧。受风化、剥蚀作用，三座山丘山顶形成剥蚀残丘，山麓形成残坡积台地地貌景观，山间合围形成一块直径2 km 左右的碟形洼地，中心较低处海拔2.8 m，夏季积水形成月角湖，冬春干涸形成滩涂，其地下为一掩埋的古火山口，已由2004 年前的钻探剖面证实（尹功明等，2013）。

保护区划分为核心区（地质剖面大类为主的火山碎屑沉积地层剖面保护区）、缓冲区（地貌景观大类为主的火山碎屑堆积地貌保护区）和实验区（水体景观大类为主的沼泽湿地景观保护区）三部分（图1）。核心区分布于小山乡西、山后村南及李良志村北，为火山剥蚀残丘及火山残坡积台地，面积0.91 km2，高程4.8～22.8 m，最高处34.8 m；缓冲区分布于核心区外围周边，面积2.03 km2，将核心区与自然保护区外界及实验区相隔；实验区分布于缓冲区外围，对核心区起到进一步缓冲作用，区内有掩埋活火山口、牧草地及国家级基岩标，面积10.87 km2。

图1 小山火山地质遗迹自然保护区平面图

1.2 地质概况

河北平原古生代早期是一片汪洋，中生代环太平洋运动使海兴南部上升隆起为埕宁隆起的一部分，北部至黄骅境内形成黄骅坳陷的一角（图2），隆起与拗陷之间发生断裂，并伴有岩浆活动。第四纪初，岩浆活动由弱渐强，中更新世晚期火山喷发，基性火山岩沿构造薄弱地段缓慢喷出地表，火山喷发的岩浆、岩屑在地表形成方圆10 km 左右的盾形火山穹丘，随地壳下沉，穹丘周围被河流冲洪积物、湖积、海积物碎屑覆盖，山丘顶部遭受剥蚀，形成现代的小山及山前洼地。

河北平原存在5 期火山活动（邵时雄等，1983；胡云壮等，2014；裴军令等，2015）（表1），火山岩呈现多层不连续分布，除新近系为安山凝灰角砾岩外，第四系全为基性火山岩，以基性粗凝灰岩、岩屑-晶屑-玻璃凝灰岩和层凝灰角砾岩为主，还有少数橄榄玄武岩、杏仁状橄榄玄武岩。在火山岩附近还可见到混入20%以下火山碎屑的凝灰质沉积物。上更新世末喷发沉积层凝灰岩和层角砾凝灰岩在小山一带露出地表，其它各层火山岩均见于钻孔之中。

图2 渤海湾西岸地质构造单元划分图（据裴军令等，2015）

表1 河北平原第四纪火山活动分期表

2 区域地球物理特征

2.1 物性参数特征

小山一带第四系及植被发育，火山碎屑岩露头不佳，部分钻孔资料揭露下部为玄武岩，中部见变质岩片麻岩和浅粒岩。

从收集的物性参数（表2）可以看出，玄武岩磁性远大于变质岩，是本区主要磁性岩石。片麻岩和浅粒岩磁化率相近，均属中等磁性，变异系数也接近，说明这两类岩石磁化率不均匀性也无显著差异；二者的剩余磁化强度则差异较大，片麻岩属于强磁性，且剩磁大于感磁，Q值高达3.81；而浅粒岩由于暗色矿物含量较少，剩磁相应较小，为中等磁性，且以感磁为主，Q值小于1。密度上看，片麻岩和浅粒岩基本没有差别。

2.2 区域重力异常特征

在区域布格重力异常图（图3）上，26×10-5m/s2等值线圈闭呈不规则的椭圆状，长轴近东西向，长35 km，宽20 km，极大值30×10-5m/s2。异常中心在海兴县城至香坊之间，绝大部分在河北省境内。布格重力异常的西部和南部均为等值线密集的梯度带，表明这2 个方向上均有断裂存在，西部和南部基底岩层相对下陷。

表2 物性参数统计表

图3 海兴县区域布格重力异常图

3 工作方法及部署

3.1 工作方法

使用加拿大产CG-5 型全自动陆地重力仪，该仪器测量时自动进行漂移改正、倾斜改正、地震滤波和温度补偿，分辨率0.001 mGal，精度0.005 mGal。

工作前，对仪器进行了漂移系数、偏移量、灵敏度调整。在北京灵山国家格值标定场做了格值标定，经过标定，本次工作所用仪器读格差平均值为105.254×10-5m/s2，格值K为0.999556，相对均方误差ε为±0.0000278×10-8m/s2，格值相对变化为1/2209。

在平稳、无振动、无风的场地进行了静态试验，算得掉格为-41.4332×10-8m/s2，掉格率为1.71811×10-8m/s2/h。

表3 布格重力异常总精度及误差分配表

在驻地附近稳固无振动干扰的地方进行了动态试验，试验点两点间高差9 m，重力差值2.35×10-5m/s2。计算观测均方误差为0.007×10-5m/s2，远小于本次工作测点重力观测均方误差的1/2（表3）。

采用单台仪器单程观测法进行测点观测，首先在基点上进行观测，基点读数之差小于0.005 格；然后进行测点观测，每个测点读二次数，两次读数之间差值小于0.010 格，最后闭合于基点。

闭合时间的长短根据仪器性能确定，一般不超过10 h。

每个闭合段的零点位移值，均小于（n为闭合时间）。

3.2 工作部署

根据本区布格重力异常特征及火山遗迹展布情况，布置重力测量剖面3 条。其中，ZG1 线方向130°，长度9 km；ZG2 线方向0°，长度5 km；ZG3 线方向46°，长度5.5 km（图4）。

图4 小山地区重力测量实际材料图

4 地质解释

4.1 ZG1 线地质解释

ZG1 线方向130°，布格重力异常数值自北西向南东逐渐变大（图5），说明基底沿着测线方向逐渐隆起，在北西部埋深较深，在南东部埋深较浅。在距离约5800 m 附近布格重力异常局部凸起，推断基底在此隆起，可能为火山通道。

剩余布格重力异常数值自北西向南东逐渐变大，说明在北西部盖层厚度较小，自北西向南东（0～5000 m）盖层厚度逐渐变厚，在5000 m（ZG1-101 号点）处盖层厚度最厚，然后，自北西向南东（5000～9000 m）盖层厚度逐渐变薄。在距离约5800 m 附近剩余布格布格重力异常局部凸起，推断为基底隆起，盖层厚度较薄，可能为火山通道。

ZG1 线垂向一阶导数与垂向二阶导形态较为相似，可以看出在剖面5000 m 处存在1 条断裂。在断裂北西侧，导数变化相对较小，说明地层较为平缓，而在断裂南东侧导数变化相对较大，说明地层起伏变化较大。

4.2 ZG2 线地质解释

ZG2 线方向0°，布格重力异常数值自南向北逐渐变小，说明基底向北倾斜，在南部埋深较浅，在北部埋深较深。在距离约1700 m 附近布格重力异常局部凸起，推断为基底隆起，可能为火山通道（图6）。

剩余布格重力异常数值自南向北逐渐变小然后又变大，反映南部盖层厚度较小，自南向北（0～2500 m）盖层逐渐变厚，在2700 m 处最厚，继续向北盖层又逐渐变薄。在距离约1700 m 附近剩余布格重力异常局部凸起，盖层厚度较薄，可能为火山通道。

图5 ZG1 线布格重力异常曲线图

ZG2 线垂向一阶导数与垂向二阶导形态较为相似，可以看出在2000 m 处存在1 条断裂。断裂南侧导数变化较大，说明地层起伏变化较大，而北侧导数变化相对较小，说明地层较为平缓。

4.3 ZG3 线地质解释

ZG3 线方向46°，布格重力异常数值自南西向北东逐渐变小（图6），说明基底向北东倾斜，南西部埋深较浅，北部埋深较深。在距离约2000 m 附近布格重力异常局部凹陷，可能为火山通道，岩石较为破碎。

剩余布格重力异常数值自南西向北东逐渐变小然后又变大，说明在南部盖层厚度较小，自南东向北西（0～3500 m）盖层厚度逐渐变厚，在3500 m 处盖层厚度最厚，然后，南东向北西（3500～5000 m）盖层厚度逐渐变薄。在距离约1700 m 附近剩余布格布格重力异常局部凹陷，可能为火山通道，岩石较为破碎。

ZG3 线垂向一阶导数与垂向二阶导形态较为相似，可以看出在剖面1500 m 处存在1 条断裂。断裂西南侧导数变化相对较小，说明地层相对倾斜，起伏变化不大，地层较为平缓。而断裂北东侧导数变化相对较大，说明地层起伏变化较大。

图6 ZG2 线、ZG3 线布格重力异常曲线图

4.4 综合解释

通过人机联合二维反演（图7）发现，布格重力异常对小山地区的基底和盖层的空间分布具有一定反映，整体来说，北部基底埋深较深，南部埋深较浅，在北部地层较为平缓，在南部特别是推断火山口附近地层起伏变化较大。火山口附近基底隆起，但由于岩石较为破碎，致使其密度较小。通过重力剖面垂向一阶导数与垂向二阶导数推断的3 条断裂，恰好为围陷火山口的断裂（图8）。

5 结论

借助于火山岩与围岩的物性差异，物探方法可以在火山地质遗迹保护区规划工作中起到一定的科学指导作用，使保护区的设置更为合理。

通过在小山火山地质遗迹保护区开展重力剖面测量，大致掌握了小山地区布格重力异常特征：小山地区布格重力表现为南、南东高，北、北西低，反映了上部盖层南、南东浅，北、北西深的地质特征。大致圈定的火山通道位置，可以为后续保护区规划提供依据。

注释

①河北省地矿局第四水文工程地质大队.2003.沧州市地质灾害调查与区划报告.

② 河北省地质调查院.2005.沧州渤海新区地质环境保障与调查评价专题报告.

③中国地质环境监测院.2006.华北平原地下水动态调查评价（1 ∶50 万）.

图7 人机联合二维反演剖面

图8 小山地区综合推断解释图

④ 河北省地质环境监测总站.2007.河北平原地面沉降调查与监测报告，（1 ∶25 万）.

⑤ 河北省地矿局第四水文工程地质大队.2007.河北省海兴县城区地热资源调查评价报告（1 ∶5 万）.

⑥ 河北省地球物理勘查院.2008.河北省海兴县航磁异常区地面磁测普查报告.

⑦ 河北省地矿局第三水文工程地质大队.2008.河北省浅层地温能调查评价与开发区划报告（1 ∶50 万）.

⑧ 河北省地矿局第三水文工程地质大队.2011.河北省地热资源特征与开发利用（1 ∶50 万）.

⑨ 中国地质调查局水文地质环境地质调查中心.2015.华北平原地裂缝调查与防治研究成果报告.