我国新生代火山活动频繁,主要分布在两大区域:一是分布于青藏高原及其周边地区,属地中海—喜马拉雅火山构造带;二是中国东部北北东向盆地和山地分布区,是环西太平洋火山链的一部分。东北—华北火山区以东北最为密集,在约150×10⁴ km²范围内的辽宁、吉林、黑龙江以及内蒙东部共分布约690座火山锥。昆仑山火山带在东西向延伸 1 050 km的范围内共有12座群火山。东南沿海和海南岛火山群西起北部湾的围洲岛,东抵台湾的大屯,最南点是西沙群岛上的高尖石火山。云南腾冲火山群则孤悬于西南边陲。因此,对新生代火山岩浆囊与干热岩资源的关系研究意义重大。

从以往五大连池地区地热地质勘查可看出,20世纪70年代的地热普查和区域重力调查、80年代的热红外扫描、“九五”期间的电磁探测等工作,多集中在西部地段,对地热评价均未给出明确结论。

近年在五大连池为干热岩勘查开发选址,开展了新一轮地球物理勘查,完成了1∶10万重磁勘查、大地电磁测深和地震背景噪声层析成像剖面探测。笔者在重磁勘查资料的基础上,结合电磁探测和地震层析成像的成果,对重磁勘查资料重新认识再解释。通过重磁场对比,着重探讨了重磁场反映的尾山中心式喷发形成火山宆窿构造、岩浆囊的动力机制和地质背景,有别于笔架山—老黑山裂隙式喷发的特征,据此,可为五大连池火山机构研究和探讨深部存在干热岩提供地球物理信息和依据。

五大连池火山群位于黑龙江省中北部松嫩平原北东缘,由新生代14座新老期火山组成。长期火山活动的结果使得五大连池地区发育多处矿泉,是与法国维希、俄罗斯北高加索齐名的“世界三大冷泉”之一。五大连池老黑山和火烧山于1719年和1720~1721年曾两次喷发,距今不到300年,当年从这些火山喷出的碱性玄武岩凝固成熔岩,造就了千姿百态的熔岩和丰富多彩的火山地貌,被誉为火山公园和火山博物馆,特有的陆相枕状熔岩是著名的“石龙岩”,它堵塞了白河故道形成五个连串的堰塞湖,即五大连池。五大连池火山群除上述老黑山和火烧山两座火山外,尚有笔架山、焦得布、尾山等14座火山镶嵌在五大连池周边,沿北东和北西向断层呈斜列式排列(图1)形成火山群。该火山群中尾山火山形成于第四纪中更新世,距今57~31万年,之后该火山一直处于休眠状态,可能保存有岩浆余热。该地区地表主要出露上白垩统嫩江组上段(K₂n²)、中更新统尾山玄武岩(βQ₂w)、中—上更新统哈尔滨组(Q_2-3h)和全新统(Q₄)。尾山西部和北东部分别出露有上三叠统五池子序列九曲湾单元(T₃Jq)和小洪山单元(T₃Xh)等中酸性侵入体。

布格重力异常包含反映地壳深部信息的区域分量和反映浅部信息的局部分量,而局部重力异常特征变化是地质构造和岩性结构的反映。对比布格重力异常等值线图(图2a)和实测原始(仅混合零点改正)重力等值线图(图2b),不难看出图2b比图2a反映出更丰富的火山机构细节,而图2a掩盖、圆滑了较多有地质意义的信息。

布格重力异常是经多项改正的重力观测结果,基于重力改正中有些条件和参数与实际地质情况存在一定的差异,例如取中间层密度σ=2.6×10³ kg/m³,据勘查区岩石密度物性测定和钻孔所见岩芯,地壳浅部岩石密度变化较大,尤其表层以低密度岩石(σ=(2.0~2.4)×10³ kg/m³)为主,并且岩层横向变化也并非水平板,通过改算虽消除了地形、中间层和高度等对重力值的影响,但因改算不完善,在一定程度掩盖、圆滑了重力异常所反映火山机构的重要细节。

对比图2b和图2a尤其明显的是图3,在实测原始重力异常等值线图中,包括火山锥在内的环状重力异常,从内向外呈低、高、低相间分布;而布格重力异常图从内向外由高降低单调变化,同时放射状等值线消失。因此,在定性分析火山机构时,采用了实测原始重力值等值线图,而布格重力异常图可用于探讨深部构造。

在实测原始重力值等值线图中,勘查区南西部笔架山—老黑山火山岩区和北东部尾山火山岩区重力场特征明显不同。南西部以大片负值背景上出现点状、线状异常为特征,总体呈NE走向;北东部以大片正值为背景,其上叠加高、低相间呈环状展布的正异常,又被呈放射状分布的等值线分隔出不同走向的高低相间的块状异常,总体构成NW向近椭圆形,异常特征波及范围13~15 km。

上述重力场特征反映出五大连池火山岩区所处的基底地质构造与岩性明显不同(图2、3),以及火山机构喷出形式的差异。南西部区域性负重力异常地段,在头池西侧地表见燕山期二长花岗岩;药泉山一带12个钻孔资料中见隐伏花岗岩体,呈北东向分布。温热1井2 000 m深的钻孔中除浅层见70 m厚的玄武岩外,下部均为花岗岩;老黑山喷出的部分熔岩流和火山弹含大量由花岗岩部分熔融形成的灰白色玻璃质浮岩捕虏体^[2],出露于五大连池北的印支期二长花岗岩,亦与重力低对应。据此认为五大连池南西部大范围重力低背景是密度偏低(2.59×10³ kg/m³)的印支—燕山期花岗岩基底所引起,其上叠加点状、线状负重力异常则是火山通道、锥体和玄武质熔岩等综合反映,呈NE向沿卧虎山—笔架山—老黑山一线与断裂分布对应最明显,显示出裂隙式喷发的特征。尤其是呈点状重力异常的老黑山复合火山锥体上环形和放射性断裂不发育^[1、3],布格重力异常经正演拟合也未发现反映深部有岩浆囊的重力异常(图4),仅表现为火山锥高地貌与重力低对应。

勘查区全部出露冷泉,据温热1井测温温度较低(2 000 m,43 ℃),因此可得出壳层无岩浆房的结论^[4]。另据上地幔生成的玄武质岩浆黏度低,在地壳形成的裂隙具有容易上升的性质,在地下浅部残留的岩浆很难滞流。因此,大规模岩浆房或岩浆固结在浅部形成岩体也较困难^[5]。

地震系统^[6,7]通过大地电磁测深(MT)在老黑山下发现的铆钉状高阻体,也可能就是花岗岩基底的反映,即便是通道和裂隙中充填有少量冷凝的玄武岩,基于二者在电性上具高阻的一致性,密度均偏低且数值相近,不易区分。它与岩性一致、喷发时代接近(1668、1702 年)的长白山天池火山区低阻电性结构^[8]对比显然两者不同,也说明高阻体推断为花岗岩较合理。

勘查区内的花岗岩为印支期或燕山期,距今已在100 Ma前,据计算100 Ma前侵入深度小于10 km的岩体,即是体积为10⁶ km³,岩浆余热已散失,其温度已恢复到围岩的环境温度^[9],因此,不可能为局部热源。另据花岗岩U、K、Th含量计算的生热率为2.56~3.08 μW/m³,接近背景值 2.8 μW/m³,这个数值远低于粤北、赣南等南岭地区花岗岩作为干热岩热源的生热率值(>5.0 μW/m³),这也是五大连池地区虽有花岗岩而未能起到热源作用的原因所在。

东部尾山火山锥体在五大连池火山岩区中是较小的,但以重力正异常为背景,叠加环状、放射状重力梯级带,反映出以断裂分割重力异常块体呈不同方向高、低相间的块状镶嵌分布,且影响范围较大,形态完整,与南西侧火山岩区截然不同。推测为火山喷溢在地表留下的痕迹和深部岩浆上侵,引起地壳上隆张裂和岩浆外流冷凝收缩所形成构造地貌,是深部地质动力作用的结果。

由此认为,尾山地区以重力正异常为背景,除基底新元古界—下寒武统北宽河组(Pt₃-∈₁b)变质岩密度(2.68×10³ kg/m³)高于南西侧不同之外,还应考虑壳内岩浆上涌和喷溢的动力作用,尾山基底是具韧塑性浅变质岩,而老黑山是脆性花岗岩,受力构造变形两者不同,否则难以形成尾山如此大范围重力异常反映的构造变形,并且尾山火山岩锥体也不在区内控制火山喷发地质推断的两组断裂延伸交汇部位(图1),似有以尾山火山岩锥体为中心,玄武质火山岩浆在深部热动力作用下,中心式喷发形成火山穹窿构造的特征。

通过尾山东西向布格重力异常剖面(图5),利用似二度多边形重力反演程序进行拟合,在火山锥以重力低与火山通道熔岩对应,浅部200~300 m为玄武岩火山台地或下部上白垩统嫩江组(K₂n),因二者密度接近(σ=2.4×10³ kg/m³),厚度较薄,未能细分,形成相对重力低,其基底为密度较高的(σ=(2.68~2.72)×10³ kg/m³)新元古界—下寒武统北宽河组(Pt₃-∈₁b)浅变质岩,形成区域重力高背景,南西侧区域性重力低背景是花岗岩(σ=2.59×10³ kg/m³)的反映。基于密度与波速的相关性,在天然场S波观测反演结果的约束下(图6),推断深部6~7 km以下存在低密度体,相当于火山通道下延,上与火山锥对应,可认为是岩浆囊的残留体。由重力推断火山构造图(图3)结合剖面反演拟合结果(图5),着重对尾山重力异常形成机制与火山构造关系进行分析,也就是与布格重力异常所不同之处,虽然有些影响未改正,却保留了火山构造形成和变形的全貌。火山口和锥体对应重力低是火山通道充填堆积低密度火山熔岩和锥体垂直高程效应的反映,其外环状椭圆形重力低,波及直径5~6 km,在地形上拱高出周边100 m之多,是穹窿构造顶部,为盖层火山台地熔岩流厚度由中心向边部递减和高程效应以及深部残留岩浆囊低密度体叠加的反映,再向外为环状椭圆形重力高,并被放射状等值线分隔出不同走向重力高,影响直径12~13 km,是火山岩浆上侵作用下,引起地壳浅部高密度韧性变质岩基底上拱与上覆盖层火山台地,构成火山穹窿构造边部,并伴随张裂构造变形构成放射状断裂,这些边部放射状断裂就是有些地段CO₂的溢出通道。更外圈重力低,影响直径13~15 km,是受该火山作用影响较小、火山岩盖层递减过渡为基底变质岩的分布地段。

再由尾山两条相互垂直的MT剖面(图7)也可看出,所反映的电性层结构和埋深基本一致,断面的中部低阻层、深部次低阻体的形态都类似于“∩”型,基本以尾山为中心,中间上隆边缘下拗,与根据重磁场特征推断的穹隆构造对应,重磁场特征反映了平面分布,地电断面描绘出上隆形态。以重力高反映新元古界—下寒武统北宽河组变质岩层密度相对高的特征,其中含炭质板岩、粉砂泥质板岩和石墨片岩整体电性较低,尤其处于4~10 km小于2 Ω·m低阻电性层,推断应是地壳上部变质岩地层中赋存炭质板岩和石墨片岩的反映,而在1~2 km浅层分布不均匀只在局部零星出现,这在1 500 m钻孔中也已见到,且井底只有35 ℃,而到一定深度随温度与压力递增变为连续成片分布,显示出热动力与区域变质变形的特征。断面中间深部7 km以下呈丘状上凸的次低阻(7~15 Ω·m)体,与地震波低速体有形态相似、位置对应的一致性,推断是尾山玄武岩浆上侵通道及残存岩浆囊的反映,基于埋深较大,体态相对较小,据此推测即便是处在200~300 ℃地壳正常温压条件下,不会在地表形成地热异常。

勘查区内地磁ΔT异常,据地质调查、钻孔揭露和岩石物性测定以及不同高度的向上延拓,说明磁异常主要由浅层地质体引起,主要反映第四系玄武岩的分布,其展布形态和分布范围明显受基底构造控制。从ΔT磁异常展布形态来看,以勘查区中部NWW向连续负磁异常为界,形成南西和北东两种不同的ΔT磁异常特征组合,分别对应笔架山—老黑山火山岩区和尾山火山岩区(图8)。

笔架山—老黑山火山岩区,ΔT磁异常以点状、线状正异常为主,总体组合呈NE向展布,其间夹有不连续负异常。其中笔架山—老黑山火山锥处于正异常中,药泉山火山锥在南侧NE向线状正异常带中,南格拉球山火山锥在边缘负异常中。

尾山火山岩区,以不同轴向正磁异常和其间负磁异常呈环状、放射状组合展布,波及范围可达12~13 km,火山锥在其负磁异常中心部位。

按磁异常展布形态分析,NE向线性磁异常和点状磁异常,分别与地质推断NE向断裂以及NE向断裂与NW向断裂交汇处对应,点状磁异常范围和线形磁异常的宽度均小于2 km。据此分析,认为笔架山—老黑山火山岩区,磁异常特征反映了玄武岩沿脆性花岗岩基底中的断裂以裂隙式喷发为主。尾山火山岩区磁异常呈环状、放射状分布,并且范围大又不处在地质推断的两组断裂延伸交汇部位(图1),是在韧性浅变质岩基底形成火山穹窿构造,展示出以中心式喷发的火山机构特征。鉴于磁测点线距较大(1 000~500 m),磁异常对火山机构细节反映虽不够清晰,但还可看出,火山锥体附近与重力低、磁力高对应(图9、图10),只在火山锥部位上隆,而尾山除火山锥地形上隆外,还反映出火山穹窿构造上隆特征。对比两剖面图和平面等值线图还可看出,同样性质的基性玄武岩,笔架山—老黑山火山岩区磁异常强度要比尾山火山岩区强度大。磁异常强度的不同,揭示出南西侧火山以沿裂隙上侵充填为主,产状较陡;北东侧火山岩以中心式喷溢为主,形成熔岩台地面积广、产状平缓为特征。笔架山—老黑山火山岩区内火山岩磁参数统计结果来看(图11),磁化率(K)偏低,其值较小于剩余磁强度(J_r),且在较大的范围内变化。若将磁化率换算为感应磁化强度与剩余磁化强度对比只相当于1/5,可见火山岩以剩余磁化强度为主,加之在较高纬度地区地磁倾角较大(65.7°)。因此,化向磁极处理又仅对感应磁化强度, 测的ΔT是向量合,在剩余磁化强度较大的条件下,因此,化极处理效果不太明显。

由图11还可以看出,五大连池地区火山岩以剩磁为主,火山岩的形成时代距今0.31~0.57 Ma,属古磁极布容正向极性期。由此看来,尾山火山岩区中心较大范围负异常,不是地磁极反转作用的结果,而是与基性火山岩成岩过程有关,中心部位岩浆较边部冷凝和过居里点要晚,受边部环状被磁化玄武岩反向外磁场大于正向地磁场的合向量作用所致。在笔架山—老黑山火山岩区多火山口、多期次喷发,磁异常分带将不再明显。

1) 通过勘查区重力与磁法勘查,圈定了火山岩分布范围、产状和构造控制关系。根据南西和北东两个火山岩区重、磁、电、波等异常的差异,认为两侧基底岩性不同,也控制了火山喷发形式有别。北东侧尾山火山岩区具有范围较大的环状和放射状重、磁异常特征,是中心喷发形成隐伏穹窿构造的反映,有别于南西侧笔架山—老黑山火山岩区的裂隙式喷发。进而推断出尾山火山穹窿构造是岩浆上侵深部动力作用的结果,深部残存有岩浆囊,为干热岩勘查提供信息和依据。基于埋深较大、体态相对较小,在地表未形成地热异常,不具开发应用价值。

2) 重、磁、电、波等异常反映的尾山火山机构与模拟实验以及中心式火山构造形迹形成机理的研究结果^[11]相符合。火山穹窿构造形成是以深部熔融岩浆垂向上升抬起上覆岩层为动力作用,首先产生由穹窿顶部为中心向四周延伸的放射状断裂,随着隆起幅度的加大,被放射状断裂所截割的扇形断块发生径向来拉伸,产生切向次级环状断裂,从而构成以顶部为中心的蜘网状断块构造。在承受最大拉伸的轴部,岩浆沿通道侵入,构成火山喷发,形成火山锥体,并于穹窿顶部区堆积成厚度由中心向四周递减的产状外倾的火山穹窿构造盖层。

3) 基于多参数组合求解和地质检验是克服物探异常解释多解性行之有效的方法,从五大连池地区重力和大地电磁测深(MT)结果空间对应关系分析,重力低与高电阻率对应, 重力高与低电阻率对应。老黑山大地电磁测深(MT)剖面东西两侧的低阻体,尾山剖面低阻层均与重力高部位对应,应是新元古界—下寒武统北宽河组基底的反映,其岩性为一套低级变质岩系密度偏高,其中多层炭质板岩、石墨化片岩可形成低阻不均匀体。老黑山地区重力低与高电阻率对应,正是花岗岩物性组合特征。而以往的大地电磁测深(MT)异常解释时,对此地质因素和物性组合未加考虑。