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物探与化探, 2020, 44(4): 975-984 doi: 10.11720/wtyht.2020.0064

2020年重磁方法理论及应用研究专题研讨会专栏

基于重磁场特征的新蔡铁矿区构造单元分布特征

张磊,1,2,3, 王万银2,3, 赵修军1, 张义蜜2,3

1.河南省航空物探遥感中心,河南 郑州 450053

2.长安大学重磁方法技术研究所,陕西 西安 710054

3.长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054

Distribution characteristics of structural units in Xincai iron ore area based on gravity and magnetic field characteristics

ZHANG Lei,1,2,3, WANG Wan-Yin2,3, ZHAO Xiu-Jun1, ZHANG Yi-Mi2,3

1. Aero Geophysical and Remote Sensing Center of Henan Province,Zhengzhou 450053,China

2. Institute of Gravity and Magnetic Technology,Chang'an University,Xi'an 710054,China

3. College of Geological Engineering and Geomatics,Chang'an University,Xi'an 710054,China

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2020-02-14   修回日期: 2020-05-7   网络出版日期: 2020-08-20

基金资助: 中国地质调查局项目“河南舞阳新蔡铁矿整装勘查区1∶5万区域地质综合调查”.  12120113061100
河南省2009年度地质勘查基金项目.  豫财招标采购〔2010〕736号

Received: 2020-02-14   Revised: 2020-05-7   Online: 2020-08-20

作者简介 About authors

张磊(1987-),男,硕士,工程师,主要从事重、磁勘探工作。Email:282116453@qq.com

摘要

新蔡铁矿区位于河南省舞阳—新蔡铁矿成矿带的东南部,属新生界厚覆盖区,磁铁矿体主要赋存于太古宇太华岩群地层中,由于大比例尺地球物理资料未得到充分利用等原因,导致区内构造单元划分仍停留在小比例尺的划分结果上,制约了本区深部找矿突破。本文通过大比例尺重、磁资料的处理和解释,研究区内断裂构造、地层空间分布特征。研究认为:新蔡铁矿区主要断裂走向为NW向和NE向,控制基底构造格架;基底凹陷区域呈“V”字形,其中心及两侧为基底凸起区域,其中陈店凸起、练村—防胡店凸起为太古宇太华岩群引起。该研究成果对于实现深部找矿突破具有重要意义。

关键词： 新蔡铁矿区 ; 重磁异常 ; 断裂 ; 构造单元

Abstract

The Xincai iron ore district is located in the southeast of Wuyang Xincai iron ore metallogenic belt in Henan Province. It is covered with thick Cenozoic strata. The magnetite orebody mainly occurs in the Archean Taihua Group. Due to the underutilization of large-scale geophysical data and other reasons, the division of structural units in the area remains in the result of small-scale division, which restricts the deep exploration breakthrough in this area. In this paper, through the processing and interpretation of large-scale gravity and magnetic data, the spatial distribution characteristics of fault structures and strata in the area were studied. The study shows that there are six main faults in the Xincai iron ore district, which strike NW and NE, and control the basement structural framework; the basement depression area is V-shaped, and the center and both sides of V-shaped are the basement uplift areas. Among the structures, Chendian uplift and Liancun fanghudian uplift were caused by Archean Taihua rock group. The study of magnetic anomalies in this area will help to realize the deep iron ore prospecting breakthrough and hence is of great significance.

Keywords： Xincai iron ore district ; gravity and magnetic anomalies ; fault detection ; tectonic unit

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本文引用格式

张磊, 王万银, 赵修军, 张义蜜. 基于重磁场特征的新蔡铁矿区构造单元分布特征. 物探与化探[J], 2020, 44(4): 975-984 doi:10.11720/wtyht.2020.0064

ZHANG Lei, WANG Wan-Yin, ZHAO Xiu-Jun, ZHANG Yi-Mi. Distribution characteristics of structural units in Xincai iron ore area based on gravity and magnetic field characteristics. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2020, 44(4): 975-984 doi:10.11720/wtyht.2020.0064

0 引言

河南省舞阳—新蔡铁矿带是河南省铁矿重要找矿区带,其大部分区域属于第四系覆盖区,矿床类型为沉积变质型铁矿,探明的铁矿资源量占河南省探明储量的76.3[1-2]。新蔡铁矿区位于舞阳—新蔡铁矿成矿带的东南部,根据以往勘探结果显示,区内练村集—杨集一带估算332+333铁矿石资源储量 45 547.63万t,其周边预测潜在资源量约6万t,矿床规模达超大型。该区铁矿体主要赋存于太古宇太华岩群地层中,层位稳定,延伸较大[3]。因此,对新蔡铁矿区进行研究对于找矿突破具有重要意义。

研究区勘查工作始于20世纪80年代,主要集中在练村—杨集一带。前人对练村铁矿矿床地质特征及成矿背景做了大量的研究,认为练村铁矿床位于华北克拉通南缘,赋存于新太古宇太华群铁山庙组地层中,矿床是由含磁铁矿的斜长角闪片麻岩、黑云斜长片麻岩组成,其成因类型为沉积变质型铁矿床,练村铁矿形成于新太古宙的弧后盆地构造环境,与鲁山—舞阳—霍邱铁矿一致[4-6]。随着河南省1∶50万区域重力、1∶25万区域重力的开展,研究区断裂构造得到了进一步认识。2013年的调查报告认为[7],研究区发育断裂6条,其中壳断裂5条、盖层断裂1条,断裂走向以NW向和NE向为主,对基底凸起、凹陷起控制作用,研究区内航磁异常均与太古宇及其他老地层中的含矿磁性岩体有关。但受限于研究范围及研究手段,前人对地层单元界线及区内一般断裂认识不够,这就制约了研究区实现深部找矿的突破。

本文依托“河南舞阳新蔡铁矿整装勘查区1∶5万区域地质综合调查”项目,以1∶5万[1,2]重力资料和1∶5万航磁资料为基础,结合地质和钻孔等资料,利用位场边缘识别技术(归一化总水平导数垂向导数),对研究区内断裂构造特征进行研究;利用2.5D反演技术,对基底界面进行反演,重新划定地层凸起、凹陷范围,综合分析断裂构造与地层单元分布规律,为实现深部找矿突破提供地球物理支撑。

1 地质与地球物理概况

1.1 地质概况

研究区属第四系厚覆盖区,地层具有基底、盖层两层结构。基底为新太古宇太华岩群,盖层岩系为新元古界震旦系、古生界寒武—奥陶系、石炭—二叠系及中新生界三叠—侏罗系、白垩系、古近系、新近系[8]。该区地处华北地台南缘地段,所处的栾川—确山—固始深大断裂为一级构造带。区内褶皱不发育,断裂共8条,断裂以大致平行地层走向分布,以NW向和NE向为主(图1)。

图1

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图1   研究区地质简图(据河南省地质局,1978)

Fig.1   Geological Sketch of the study area (Geological Bureau of Henan Province, 1978)


1.2 地球物理概况

1.2.1 地层密度特征

从表1可以看出,区内地层从新到老密度是从小到大。根据地层密度统计结果可分为5层:第四系平均密度为1.94×103 kg/m3;古近系、新近系平均密度为2.38×103 kg/m3;白垩系—石炭系底的平均密度为2.52×103 kg/m3;奥陶系—震旦系平均密度为2.67×103 kg/m3,太古宇平均密度为2.79×103 kg/m3。它们之间密度差分别为0.44×103 kg/m3,0.14×103 kg/m3、0.15×103 kg/m3、0.12×103 kg/m3。这五个大的密度层与该地区内出现的区域性不整合界面基本吻合,这就为实现研究区基底界面反演提供了地球物理基础。

表1   研究区主要地层、矿物密度统计结果

Table 1  Statistical table of main strata and mineral density in the study area103 kg/m3

地层主要岩性标本数极小值极大值平均值密度界面备注
第四系(Q)黏土921.602.201.941.94项目实测
新近系(N)灰质泥岩、黏土212.252.262.302.38
古近系(E)5772.38
白垩系(K)英安岩、角砾岩、凝灰岩、花岗斑岩431.972.682.452.52
侏罗系(J)砂岩911.883.522.52项目实测
三叠系(T)砂岩581.843.422.58项目实测
二叠系(P)砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩、泥岩7082.50
石炭系(C)石灰岩、砂岩3812.57
奥陶系(O)页岩、白云质灰岩8142.682.67
寒武系(∈)石英砂岩、灰岩、砂光岩、含碳质片岩、石英
岩、灰绿色绢云片岩、石煤、竹叶状灰岩		1252.202.862.68
震旦系(Z)砾岩、泥岩等5682.65
新太古界太华岩群(Ar3Th)片麻岩301.813.672.792.79项目实测
磁铁矿2.95

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1.2.2 地层磁性特征由于研究区为第四系全覆盖区域,岩性标本测定工作有很大难度,所测定的地层单元不够完整,缺失的地层和矿石以区域磁性特征进行补充,并进行综合整理,结果见表2。可以看出:变质岩的磁性变化较大,沉积岩的磁性微弱;总体上从古生界到新太古界由新到老,磁性由弱到强。研究区实测片麻岩磁性强度较弱,而区域物性资料显示新太古宇片麻岩、片岩磁性较大,初步认为研究区内片麻岩含磁性物质分布不均。磁铁矿磁性最强,磁性远大于新太古宇太华岩群地层。

表2   研究区地层及主要岩矿石磁性统计结果

Table 2  Magnetic statistics of strata and main rocks and ores in the study area10-5SI(κ)

地层岩性标本数κ备注
新近系黄土0
新近系—古近系砂岩、泥岩、
砾岩、页岩		6~19
侏罗系—白垩系砂岩、砾岩、
泥岩		685
三叠系砂岩58109项目实测
二叠系—石炭系砂岩、页岩、
灰岩		0~9
奥陶系页岩、白云质
灰岩		0
寒武系灰岩、泥
灰岩、页岩		0~14
新太古界
太华岩群		片麻岩3086项目实测
片麻岩4562000~3900
片岩4681000~4000
磁铁矿329310

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1.2.3 重力场特征研究区重力异常整体表现为工作区北西部、西南部、东部异常高,其余区域表现重力异常低,异常形态呈“V”字形,异常形态不封闭(图2)。根据重力异常特征,研究区可划分为3个异常大区,分别为陈店异常高区、新蔡—雷寨异常低区和练村防—胡店异常高区。重力异常高主要是由基底隆起所致,重力异常低是由新生界覆盖较厚、基底凹陷引起。

图2

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图2   研究区布格重力异常与地质叠加结果

Fig.2   Bouguer gravity anomaly and geological superposition map of the study area


区内重力异常梯度带走向以NE、NW向为主,反映了区内主要断裂构造格架,对基底起伏起到控制作用。从图2中可以看出,练村—防胡店异常高区布格重力异常值从北向南逐渐增大,说明基底呈现出南高北低的起伏特征,练村地区已有钻孔显示,但是断裂位置与重力异常梯度带位置有所偏移,且显示不够全面。因此,重新对研究区的地层单元界新生界下伏地层为太古宇太华岩群,这与前人认为的练村—防胡店一带地层为侏罗系、奥陶系不符[5,6];陈店异常高区存在两个高异常中心,分别位于佛阁寺、陈店附近,根据重力场特征,基底应为佛阁寺—陈店—砖店一线为凸起的中心,这与前人认为该区地层为寒武—奥陶系、石炭系、二叠系同样不相符[7,8];断裂构造基本可以反映研究区构造格架,线、断裂构造分布进行认识,是很有必要的。1.2.4 磁力场特征区内岩浆岩不发育,已知钻孔资料亦未发现岩浆岩体,因此认为区内磁异常主要是由磁铁矿及老的沉积基底引起。根据1∶5万航空磁测资料,对研究区的ΔT化极磁力异常数据进行分析(图3)。

图3

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图3   研究区化极磁力异常与地质叠加结果

Fig.3   Geochemical magnetic anomaly and geological superposition map of the study area


从异常空间分布上来看,化极磁异常C01、C02、C04呈NW向带状展布,异常梯级带位于东北侧,说明在砖店—关津一线存在一条走向NW的断裂构造[9,10],前人并未在此推测有断裂构造;磁异常C02、C03整体呈NE向展布[11,12],主要是受关津—岳城集一带的NE向断裂控制;磁异常C04、C05、C07呈SN向平行分布,初步推断是受涧头—宋岗—张里店一带的NNE向断裂控制,磁异常的空间分布特征与区内主要断裂的走向特征基本吻合。

2 断裂构造研究

地质构造是地壳的岩层或岩体在构造运动中发生形变的形迹,受不同时期构造运动影响,其边缘往往会形成具有一定密度或磁性差异的边界线,而重、磁异常数据会发生较大的变化,因此利用重、磁位场识别地质体边缘位置时有其独特的优势[9]。在进行构造识别时,常用的方法主要有总水平导数[10-11]、垂向导数[12-13]、倾斜角法[14]、总梯度模法等[15-16]。近年来,随着边缘识别方法的不断提高,利用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)对位场数据进行边缘识别取得了更好的应用,该方法是通过对总水平导数求垂向导数,使得计算结果的峰值更加尖锐,横向分辨能力更强,消除了地质体剩余密度或磁化强度的影响,消除了地质体边缘外的信息,使得图面简单,清晰,便于识别[17]。如在五台—恒山地区构造格局研究 [18]、贝克盆地构造单元划分[19]、天津市断裂构造单元划分[20]、莺-琼盆地构造分界及其两侧断裂特征[21]、南海及邻区断裂分布研究[22]中均得到了很好的验证,故本文断裂推断采用NVDR-THDR方法来进行。研究区属于第四系覆盖区,地层以沉积地层为主,磁性体以沉积变质型磁铁矿为主,太古宇太华群地层中的片麻岩属中弱磁特征,重、磁异常特征对主要断裂的平面位置确定均能起到指示作用,但重力异常特征在一般断裂平面位置确定上优势更为明显。因此本文断裂研究以布格重力异常识别(图4)为主、化极磁力异常识别(图5)为辅的方法来进行综合研究。从图4可以看出,1978年基岩地质图推断断裂[15,16]与重力异常NVDR-THDR峰值中心对应较差,已不能用于研究区内断裂构造特征关系的研究,1∶25万区域重力推断断裂成果与重力异常NVDR-THDR峰值中心基本对应,对研究区断裂体系研究具有参考意义。①前人推断的F42、F43、F44、F45、F48分别与本次推测的F4、F1、F6、F3、F2位置、走向基本一致,为研究区内主要断裂构造,走向以NE、NW为主,控制着区内的基底凸起、凹陷。

图4

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图4   研究区重力异常NVDR-THDR与断裂叠加结果

Fig.4   Superposition of gravity anomaly NVDR-THDR and fault detectio of the study area


图5

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图5   研究区化极磁力异常NVDR-THDR与断裂叠加结果

Fig.5   Superposition of chemical polar magnetic anomaly NVDR-THDR and fault detection of the study area


本次认为F1在汝南埠附近被F5错断,F3平面位置与前人认识偏移较大,与以往认识不同。②前人认为F49为深大断裂,与本次推测的F21位置基本一致,推测F49由多条断裂组成,F21为其中的一支。通过分析图4、图5可以得出,研究区断裂构造极为发育,断裂构造具有多期性、多层次性的特点。按照断裂走向可划分为NNW、NW、NE和NNE向,其中NNE向和NW向断裂为区内主要构造格架,发育时间较早,如断裂 F1~F6,对研究区基底隆起与凹陷的形成起着重要的控制作用。F7~F21断裂较新,形成于构造演化中、晚期[19,20],根据断裂构造发育规模、性质不同,控制研究区地层的发育,可形成断凹、断隆等,规模较小,形成时间晚,属后期断裂,这类断裂多数对盆地内沉积没有控制作用,可能为沉积层内的盖层断裂。研究区主要断裂为F1(寒冻—殷围孜断裂)、F2(涧头—张里店断裂)、F3、F4(砖店断裂)、F5(佛阁寺—雷寨断裂)、F6(关津断裂),根据断裂规模及其对区域构造控制作用,结合以往地质资料,对6条主要断裂特征进行统计(表3)。

表3   研究区主要断裂特征分析

Table 3  Analysis of main fracture characteristics in the study area

断裂编号断裂名称断裂特征
F1寒冻—殷围
孜断裂		该断裂位于研究区西部,沿寒冻—殷围孜—汝南埠一线展布,整体走向NW,其间在汝南埠附近被F5断裂错断。F1断裂位于重力异常梯度带上。F1断裂东北侧为陈店异常高区。在重力异常NVDRTHDR图上显示为断裂与信号的极大值有明显的对应关系
F2涧头—张里
店断裂		该断裂位于研究区东部,沿涧头—张里店一线展布,呈S形贯穿工作区南北,该断层为正断层,是研究区内的主要断裂构造之一。F2断裂位于重力异常梯度带上,东侧为练村—防胡店异常高区;在重(磁)力异常NVDR-THDR图上显示为断裂与信号的极大值有明显的对应关系
F3王勿桥断裂该断裂位于研究区的西南角,位于王勿桥西南,走向NW,该断裂为研究区主要断裂之一, F3断裂位于重力异常梯度带上
F4砖店—关津
断裂		该断裂位于研究区的北部,沿砖店—关津一线展布,走向NW,该断裂为研究区内的主要断裂之一。F4断裂位于重力异常梯度带上,西南侧为陈店异常高区;在重(磁)力异常NVDR-THDR图上显示为断裂与信号的极大值有明显的对应关系
F5佛阁寺—雷
寨断裂		该断裂位于研究区的中部,沿佛阁寺—汝南埠—雷寨一线展布,走向近EN,该断裂为研究区内的主要断裂之一,为本次研究发现的新断裂。F5断裂形成时期较F1断裂晚,在后期构造运动中,将F1断裂错断。F5断裂位于重力异常梯度带上,西北侧为陈店异常高区;在重力异常NVDR-THDR图上显示为断裂与信号的极大值有明显的对应关系
F6关津断裂该断裂位于研究区中部,走向NE,在关津附近,断裂走向发生改变,向正北方向延伸,该断裂为研究区内的主要断裂之一。F6断裂位于重力异常梯度带上,西北侧为陈店异常高区,与F5断裂基本平行;在重(磁)力异常NVDR-THDR图上显示为断裂与信号的极大值有明显的对应关系

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3 地层分布研究

3.1 地层界线研究

在对研究区重力场特征、断裂进行综合研究的基础上,结合基岩地质图(图1)及钻孔资料等,对研究区基层界线进行研究(图6)。

图6

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图6   本次修编基岩地质图

Fig.6   Geological map of bedrock revised this time


1) 前人认为顿岗—涧头一带地层为太古宇太华岩群,练村—张里店一带地层为侏罗系,防胡店南地层为奥陶系,而根据重力场特征显示,从涧头到防胡店,由北向南重力异常值逐渐增大,南部防胡店地区重力值最大,异常峰值为8.6×10-5 m/s2。根据钻孔ZK101、ZK102、ZK307、ZK1705、ZK12701、ZK3204资料显示,地层为新生界、太古宇, 而顿岗—防胡店一带均位于练村—防胡店重力异常高区,该区未发现深大断裂对地层进行破坏。因此本次研究认为,顿岗—防胡店一带地层均为新生界、太古宇,基底地层隆起引起该区在重力场上表现为重力高异常。

2) 前人认为在顿岗—陈集一带,新生界下伏地层为奥陶—寒武系,根据重力场特征,该区为重力异常低及其梯度带,低异常中心位于陈集附近,异常峰值为-9.5×10-5 m/s2;在陈集—麻里店一带,未发现有深大断裂破坏地层,根据ZK12-1显示,新生界值为-9.5×10-5 m/s2;在陈集—麻里店一带,未发现有深大断裂破坏地层,根据ZK12-1显示,新生界厚度528 m,下伏地层为侏罗系。因此本次研究认为,顿岗—陈集一带新生界下伏地层均为侏罗系,重力低异常是由新生界覆盖较厚、基底凹陷所致。

3)前人认为在寒冻镇—河坞集—新蔡县—涧头一带新生界下伏地层为二叠系、石炭系、寒武—奥陶系,根据重力场特征,该区为重力异常低及其梯度带,低异常中心位于十里铺东北,异常峰值为-11.8×10-5 m/s2。ZK0001显示新生界厚940 m,下伏地层为侏罗系,厚为419 m,在1 359 m处钻遇三叠系;ZK0201显示新生界厚940 m,下伏地层为侏罗系,厚为777 m,在1 717 m处钻遇太古宇太华岩群。因此本次研究认为,寒冻镇—河坞集—新蔡县—涧头一带新生界下伏地层均为侏罗系,受F4断裂影响,新蔡县东北形成基底凹陷,引起重力低异常。

4)佛阁寺—陈店一带前人认为新生界下伏地层为石炭系、寒武—奥陶系,而ZK0201在1 717 m处钻遇太古宇太华岩群,未发现石炭系、寒武—奥陶系,根据重力场特征,该区域为陈店重力高异常区,异常中心峰值为2.2×10-5 m/s2。因此本次研究认为,该佛阁寺—陈店一带新生界下伏地层均为太古宇太华岩群,重力高为基底隆起所致;而岳城集—河坞集一带,受断裂F5影响,该区位于断层的下盘,地层向下滑动,根据重力场特征,该区域侏罗系地层下伏仍为太古宇太华岩群。

3.2 基底界面研究

研究区属第四系厚覆盖区,前人对基底起伏及埋深研究较少,为了进一步了解区内凹陷盆地及基底隆起分布、埋深情况,本文结合区内重力场、地质

特征和已知钻孔资料,利用2.5D反演技术,在布格重力异常图上选取了14条剖面(图7)进行定量解释,提取每条剖面上新太古宇顶板埋藏深度,以此来对基底界面起伏特征进行研究。

图7

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图7   反演剖面位置示意

Fig.7   Schematic diagram of inversion profile location


图8为研究区推测新太古宇顶等深图,从图中可以看出,在陈店—佛阁寺一带、涧头—防胡店一带,新太古宇顶部埋深最浅,与研究区重力场特征及本次推测的地层界线基本吻合。

图8

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图8   推断新太古宇顶等深线

Fig.8   Inferred bathymetric map of Neoarchaean dome


3.3 凸起凹陷研究

前人认为本次研究区存在2个凸起、2个凹陷,即陈店—岳城集凸起、西洋店凹陷、新蔡—王勿桥凹陷、练村—防胡店凸起[2],见图9。本文通过重磁场特征研究,结合钻孔、地质等资料,在太古宇顶板等深图的基础上对研究区凸起、凹陷进行了重新认识。

图9

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图9   前人划分基底凸起与凹陷分布(据马振波等,2013)

Fig.9   Distribution of basement bulges and depressions by predecessors (MA Zhenbo et al., 2013)


从图8可以看出:

1)在东部练村—防胡店一带,新太古宇顶板埋深较浅,最浅推测为300 m,为基底凸起区域;在新蔡—东岳—袁寨一带,新太古宇顶板埋藏较深,最深推测为2 900 m,为基底凹陷区域。这些认识与前人认识基本一致。

2)陈店—寒冻镇一带,新太古宇顶板埋深较浅,最浅推测为900 m,为基底凸起区域;关津—岳城集一带太古宇顶板埋深推测为2 000 m,为基底次级凸起区域。这与前人认识存在一定的区别。

根据本次研究区成果,将研究区划分为4个凸起、1个凹陷,依次为:陈店凸起、河坞集—岳城集次级凸起、新蔡—王勿桥凹陷、王勿桥西凸起和练村—防胡店凸起(图10)。从图10可以看出,研究区基底凸起、凹陷主要受断裂F1、F2、F3、F4、F5、F6控制,断裂走向为NW、NE(NNE),说明研究区的主要断裂对基底起伏控制作用明显。

图10

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图10   本次划分基底凸起与凹陷分布

Fig.10   distribution of basement bulge and depression


4 结论与建议

1) 本文利用归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)对重磁场数据进行处理,推断主要断裂6条,一般断裂15条。基底起伏受主要断裂控制,基底凹陷区域呈“V”形,“V”形中心及两侧为基底凸起区,而一般断裂影响基底凸起、凹陷的局部形态。

2) 研究认为陈店、练村—防胡店一带新生界下伏地层为新太古宇太华岩群,防胡店一带太古宇太华岩群埋深约300 m,陈店一带太古宇太华岩群埋深约900 m,为该区寻找新的沉积变质型铁矿靶区提供依据。

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