航空瞬变电磁及航磁资料在内蒙古阿巴嘎旗地区地质构造探测中的应用

刘波，骆燕，张伟盟，陈伟，程莎莎，刘彦涛

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术（重点实验室），河北石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002）

二连盆地位于内蒙古自治区中北部，是形成于中生代大陆伸展构造背景下的沉积盆地，因蕴含石油、天然气、煤炭、铀等多种资源而受到学者的广泛关注［1］。沉积盆地在演化过程中受到多方面地质因素的影响，其中，对沉积盆地从形成到后期封闭、沉积物质组构等影响最大的是大地构造背景和构造活动。同时，区域板块构造环境更是控制着沉积盆地的构造格架，盆地沉积中心的转移、主要物源体系的分布和变化都可能是盆地构造作用和构造格架演化的结果［2］。因此，对二连盆地的主要构造特征、构造单元划分的研究一直是地学领域的热点。

地球物理勘探方法在地质构造的研究中具有不可比拟的优势，前人采用了多种地面物探技术（重力、磁法、激电、地震）在二连盆地及周边地区进行地质构造研究，为进一步的地质信息分析提供了详实的资料，对该区域铀矿、油气藏的勘查具有现实的意义。航空TEM（瞬变电磁法）是一种基于电磁感应原理的时间域人工源电磁勘探方法，通过接收感应电磁场响应特性来分辨具有电性差异的地质体。航磁测量是在空中测量地磁场强度的方法。同时开展航空TEM和航磁组合测量具有成本低、效率高、对地形环境要求较少等特点。在多金属矿产勘查、大面积地质普查、地下水、环境工程和工程勘察等领域都有广泛的适用性［3-4］。通过组合测量可获得不同高度的地球物理场特征，为地质构造的解释提供更丰富的信息，如刘博等［5］以最新的高精度航磁资料为依据，论述了内蒙古阿巴嘎旗白音图嘎地区深大断裂的磁场特征，并对航磁在断裂构造解译中的应用进行了探讨；任朗宁［6］通过二连盆地及其周边1：20万布格重力异常和航磁异常数据，进行了断裂识别和大地构造单元划分；张文志［7］通过实测获取、处理二连浩特-东乌旗地区航磁数据，对该区的区域地质构造进行了推断和划分。

研究区位于内蒙古自治区阿巴嘎旗地区二连盆地马尼特坳陷中东部，横跨马尼特坳陷和苏尼特隆起两个构造单元。二连盆地基础地质及一般矿产地质工作程度相对较高，但由于研究区经历了古生代至中生代多次构造活动，形成了本区复杂的构造格局［8］。在研究区开展航空物探综合研究以提取深部地层结构、构造特征等信息，对方法研究和本区的资源评价和预测、油气和固体矿产勘探及成矿理论研究十分必要。

1 地质概况及岩石物性特征

研究区处于天山-兴蒙造山系东部的二连中新生代断陷沉积盆地内，主要跨及马尼特坳陷和苏尼特隆起两个二级构造单元（图1），还包含沙那凹陷、塔北凹陷、塔南凹陷、宝格达凹陷、朝克乌拉凹陷、红格尔凹陷和额尔登高毕凸起等三级构造单元［9-10］。贺根山岩石圈断裂呈北东东向横贯全区，控制着北部马尼特坳陷和南部苏尼特隆起的形成、发育与空间展布。研究区基底地层为古生界，零星分布在研究区北、西、南侧的外围地段，沉积盖层主要包括上侏罗统、下白垩统、上白垩统、新近系和第四系。研究区北部地表覆盖较薄的第四系各类成因的沉积物，视电阻率最大不超过70 Ω［11］，基本没有磁性。研究区岩浆侵入活动主要产生于华力西期、印支期和燕山期，岩性为花岗岩、钾长花岗岩、花岗斑岩、闪长岩等［11-12］，少量分布于研究区外围隆起带上。酸性侵入岩的电阻率较高，大致在300～500 Ω 之间［12］，但磁性较弱，大致在（0～840）×10-5SI 之间。研究区火山岩以上更新统阿巴嘎组玄武岩（β1）最为典型，呈岩盖状大面积分布于研究区中南部，玄武岩最厚达143 m，呈层状构造，产状平缓或近于水平。基性玄武岩在本区具有最高的视电阻率和磁化率，电阻率大于70 Ω，基本在200～1 500 Ω 之间，磁化率最高可达10 400×10-5SI［13］。电阻率及磁化率的差异是区内开展地质构造解释的重要依据。

图1 二连盆地阿巴嘎旗地区地质简图（据参考文献［11］修改）Fig.1 Geological sketch of Abagaqi area in Erlian basin（modified after reference［11］）

2 地质构造推断

2.1 北部坳陷区地质构造推断

研究区北部马尼特坳陷区（图1 中F5 以北）沉积盖层岩性以中新生代的泥岩、砂岩、砾岩为主，视电阻率较低，由于航空TEM 对视电阻率低的盖层反演深度较浅，因此采用航磁资料对研究区北部坳陷区进行地质构造推断。根据收集的航磁资料，绘制了研究区航磁ΔT化极图（图2）及上延2 000 m 图（图3）。并根据磁场特征：不同磁场分界线、线性异常带、串珠状异常带、异常错动带、异常梯度带、异常变异带等［14］，对研究区北部坳陷区进行了地质构造推断。

图2 阿巴嘎旗地区航磁ΔT 化极等值线平面图Fig.2 Aeromagnetic contour map of ΔT data reducted to the pole in Abagaqi area

图3 阿巴嘎旗地区航磁ΔT 化极上延2 000 m 等值线平面图Fig.3 2 000 m upward continuation contour map of aeromagnetic ΔT data ruducted to the pole in Abagaqi area

北部坳陷区地质构造主要以断裂为主，可依据断层延伸规模划分断裂等级，不同等级的断裂具有不同的地质特性，控制了区域上的地质构造不同程度的发展及演化。文中将控制基底断块升降（隆起、坳陷）的断裂称为深大断裂，将坳陷区内推断的磁性过渡带、串珠状异常带、不同磁场分界线等称为一般断裂。根据磁场特征，北部坳陷区推断3条北东向展布的断裂（F1～F3），1条北西向断裂（F4）。F1 位于北高南低的磁性过渡带上，北东向展布，位于凹陷北部边缘。研究区中北部存在一北西向串珠状航磁异常，推断为一般断裂F4。F4 将北部磁场区明显分为东部弱磁区和西部高磁区。根据前人研究资料表明［10］，F1和F3 为北部坳陷区已知断裂，本次推断与前人划定的断裂构造位置大致吻合，走向基本一致。根据鲁超研究成果，F3 断裂为巴彦乌拉铀矿田已知断裂的东部延伸段，是盆内控制凹陷的主干断裂，该断裂将塔北凹陷分为北西和南东两个大的单断式次级凹陷，该断裂在地震剖面上反映为反转断裂，后期的构造反转和剥蚀作用既对地层的产状和分布有着控制作用，同时也控制了潜水/层间氧化带和砂岩型铀矿的发育［14］。F2 与前人资料中白音希勒凸起和塔北凹陷的分界线吻合，本次推断为一般断裂。

另外，根据磁性特征在该区推断3 个中基性岩体（M1～M3）。其中M1 位于白音希勒凸起上，M2 位于额尔登高毕凸起上，位置见图1。

2.2 中部隆坳分界线推断

北部马尼特坳陷与南部苏尼特隆起的分界线在不同比例尺的构造图中有不同的划定，本次收集的航磁资料也无法准确划定该界限。孙栋华等曾通过对航空TEM 不同时间道电磁响应及其转换参数时间常数和视电阻率的分析，对内蒙古大朝阳沟地区的华北地台北界限进行了精确厘定［15］。航空TEM测量在研究区共布置测线14条，测线编号L1000～L1130，测线方向323.7°，测线长度100～108 km 不等，相邻测线之间的间距为5 km。本文结合航空TEM 电阻率深度成像断面及反演电阻率断面，并辅以时间常数［16］及AIIP 计算视电阻率［17］平面信息，推断研究区内隆坳分界线。时间常数能够反映地下目标体的导电性，一般时间常数大反映的是良导体，反之为不良导体。AIIP 为航空感应激发极化效应，根据该效应计算视电阻率能反应一定范围内综合电阻率特征。

以L1000 线30～45 km（图1）视电阻率断面图（图4）为例，在平距38 150 m 处，第一电性层下各电性层的电阻率曲线在水平方向上发生突变；左侧电阻率以层状为主，中间为一层连续的低阻；右侧电阻率整体偏高，层状特征消失；推断该处为F5 断裂。将F5 投影到平面，由航空TEM 时间常数图（图5）及航空TEM激发极化（AIIP）视电阻率图（图6）可知，南北两侧的电磁响应特征大致以萨门代音呼都格-哈珠乌拉为界显示出明显的不同：界线以南的地段时间常数值较低（＜0.5 ms），视电阻率相对较高（＞25 Ω·m），由图4 可以看出F5 右侧（南侧）目的层变薄或缺失、基底埋深变浅，导致该区视电阻率较高，推测为隆起区；界线以北的地段时间常数值较高，基本大于0.8 ms，视电阻率较低，小于18 Ω·m，这与北部坳陷区泥砂岩视电阻率低一致。综上推断北东向展布的F5 断裂为研究区内马尼特坳陷与苏尼特隆起的分界线。

图4 阿巴嘎旗地区L1000 线30～45 km 视电阻率断面图Fig.4 Apparent resistivity section at the segment of 30～45 km in exploration line L1000 of Abagaqi area

图5 阿巴嘎旗地区航空TEM 时间常数等值线平面图Fig.5 Contour map of time constant of airborne TEM data of Abagaqi area

图6 阿巴嘎旗地区航空TEM 激发极化视电阻率等值线平面图Fig.6 Contour map of AIIP airborne TEM data in Abagaqi area

2.3 南部隆起区断裂构造推断

研究区南部为苏尼特隆起区，大面积被玄武岩覆盖，据火成岩磁性特征分析，喷出岩结晶迅速，冷却不均匀，磁化率离散性大［18］，且与矿物成分相同的同类侵入岩磁化率特征相近，因此，受玄武岩覆盖影响，隆起区地质构造的磁场特征不明显。而苏尼特隆起区玄武岩盖层具有相对较高的电阻率，玄武岩层下的地层岩石电阻率比坳陷区大，使得隆起区探测深度可达500 m 以浅，因此该区断裂构造与中部隆坳分界线推测方法类似，先在电阻率深度成像及反演电阻率断面上进行推断，然后投影到平面对断裂进行了分析解释。断裂切割地层往往会导致岩层结构发生变化，从而引起电性层水平方向的不连续或缺失，根据它们的变化规律及分布特征，可揭示断裂的存在并确定其位置。断裂构造识别标志，主要是根据电阻率断面中在水平方向上电阻率曲线的突变特征，如疏密变化、掉落、转折、合并等，据此来推断断裂构造的位置、倾向、倾角等要素。依据地质资料及构造发展史，研究区内断裂大部分表现为上盘下降、下盘上升的正断层，因此本区断裂推断解释标志为：在电阻率深度成像及反演电阻率断面图中，电性层在水平方向发生中断或跌落，且底部高阻区一般表现为等值线密集带，且在相邻反演电阻率断面图上有相似特征。

L1130 线75～100.5 km 综合断面图（图7）上显示，在平距90 200 m 处，第一电性层下各电性层的电阻率曲线在水平方向上发生扭曲、突变，甚至垂直掉落，因此推测该处存在一条高角度正断层，推测断裂右侧地层发生了明显地错断，上部层位增厚，下部层位变薄。在平距79 000 m 及98 500 m 处，各存在一条高角度正断层，只不过倾向与前者正相反，为向北倾，但是电阻率曲线变化特征基本一致。这三条断裂相向倾斜，在断裂夹持区形成局部断陷，为南部隆起区内局部凸起和凹陷的分界线。最后将所有断面推断的断裂投影到平面，即为推断的南部隆起区内控制凹凸的正断层（图1），本区共推断北东向断裂10条（F6～F15），根据测量资料新圈定了凸凹分布范围，3 个凸起分别命名为阿巴嘎旗凸起、阿中凸起和阿南凸起。南部隆起区的凸起经历了多期构造活动的调整，可能为苏尼特隆起的继承性活动。凸起以正断层为边界与周围相隔，受断裂构造的控制［19］。

图7 阿巴嘎旗地区L1130 线75～100.5 km 视电阻率断面图Fig.7 Apparent resistivity section at the segment of 75～100.5 km in exploration line L1130 of Abagaqi area

通过区域构造环境分析，研究区的断裂构造形成时代应主要集中在华力西期、燕山期，华力西期形成的断裂走向主要为北东向，控制着本区的地层和岩浆岩格架，并且在燕山期、喜山期存在不同程度的复活，为张性的隐伏断裂［20-21］。燕山期的断裂构造主要为北西向［20］。燕山早期主要体现北西-南东向挤压环境，在挤压作用下，区内的断裂构造开始发生反转，构造反转会形成构造天窗与构造斜坡带，使目的层剥露地表，有利于含铀含氧流体的注入和氧化带的发育，促进完整铀成矿系统和铀矿化的形成。

3 地质构造对比

将本次推断的地质构造与收集的重力反演基底埋深资料进行对比研究［11］。由图8 可知，北部坳陷区基底埋深较大，大部分凹陷区域埋深为900～1 300 m 之间，南部隆起区基底埋深较浅，划定的凸起部位的基底埋深大致在100～400 m 之间，凸起之间坳陷的基底埋深在700～1 300 m 范围内。

图8 重力反演基底埋深及推断地质构造Fig.8 The Inferred result of geological structures and buried depth of basement by gravity inversion

北部坳陷区：F1 北部基底埋深明显变浅，推断为马尼特坳陷与巴音宝力格隆起的过渡带；F2 北部为白音希勒凸起，推断的M1 与该凸起有关；F2 与F3 之间为塔北凹陷；F1 与F3 之间为沙那凹陷；F3 与F4 交汇部西南为塔南凹陷；F3 以南M2 周边为额尔登高毕凸起；额尔登高毕凸起以南为宝格达凹陷。南部隆起区：F6～F15 为局部凹陷与凸起的分界线，本次推断的阿巴嘎旗凸起、阿中凸起以及阿南凸起均位于基底埋深较浅的部位，阿南凸起与阿中凸起中间为朝克乌拉凹陷，阿中凸起与阿巴嘎旗凸起中间为红格尔凹陷，红格尔凹陷东侧为朝克乌拉凹陷。

通过对比发现，本次推断的地质构造与重力反演基底埋深资料除局部有少许偏移外，大部分区域基本吻合，进一步证明了航空TEM 及航磁组合资料对玄武岩覆盖区下伏地质构造推断的可信性，可以为研究区的铀成矿地质环境的研究提供基础资料。

4 结论

航空TEM 及航磁综合信息在探测玄武岩覆盖区地质构造中可互为补充，使得推断更为准确。通过对研究区地质构造的推断，得到以下几点认识：

1）利用航空TEM 准确厘定了研究区马尼特坳陷与苏尼特隆起的分界线，即F5 断裂，为区内北东向深大断裂。

2）利用航磁资料在研究区北部坳陷区推断了3 条北东向一般断裂（F1～F3），1 条北西向一般断裂（F4），这些断裂控制着坳陷区三级构造单元的边界。F3 为已知反转断裂，其反转与铀成矿有着重要联系。推断的3 个中基性岩体中有2 个位于局部凸起上。

3）利用航空TEM 资料在研究区南部隆起区推断了10 条北东向一般断裂，利用这些断裂在重新厘定原有凹凸界限的基础上，新推断阿巴嘎旗、阿中和阿南3 个凸起，为后期进行下一步地质勘查提供了重要的资料依据。

4）通过对比分析研究，证明利用航空TEM及航磁组合方法在玄武岩覆盖区推断地质构造部是一种有效的技术手段。