蚌埠—淮北地区电性结构及地质意义

doi:10.11720/wtyht.2024.1502

蚌埠—淮北地区电性结构及地质意义

朱将波^,, 汪启年, 刘玉泉, 官大维, 李涛, 尤淼, 张健

安徽省勘查技术院,安徽合肥 230031

Electrical structure of the Bengbu-Huaibei area and its geological implications

ZHU Jiang-Bo^,, WANG Qi-Nian, LIU Yu-Quan, GUAN Da-Wei, LI Tao, YOU Miao, ZHANG Jian

Geological Exploration Technology Institute of Anhui Province, Hefei 230031,China

第一作者: 朱将波(1984-),男,高级工程师,2008年毕业成都理工大学,主要从事重磁电勘探及综合解释工作。Email:zjb20042005@163.com

责任编辑: 朱晓颖

收稿日期: 2023-11-22 修回日期: 2023-12-29

基金资助:

安徽省重点研发计划项目“基于人工源电磁法的页岩气绿色勘查新技术研究”(2022l07020010)
国家重点研发计划项目“深部资源勘查数据处理、解释软件平台开发及综合示范”(2018YFC060360600)
安徽省公益性地质调查项目“皖北地区物探编图及综合解释”(2012-g-2)

Received: 2023-11-22 Revised: 2023-12-29

摘要

通过安徽蚌埠—淮北地区开展大地电磁剖面探测,结合重磁异常,获得了该区深部电性结构及主要地层展布和断裂性质的信息,尤其是徐宿弧形构造形态和深部含煤系地层发育情况。结果表明:①上古生界主要分布在徐宿弧形构造地表高阻推覆体之下,具有低阻、低密度的物性特征,连续性较好,认为推覆构造下煤矿勘查潜力大。②剖面上断层早期以逆断层为主,使得局部下古生界及元古宇覆于上古生界之上,后期以正断层为主,控制新生界沉积。③徐宿弧形构造海拔-4 km以浅表现为“高、低”双层电性结构,主冲断层面由F₅、F₆断裂组成;其地表高阻推覆体前缘西北至萧县,南至固镇县北,在闸河地区被广泛剥蚀。上述成果为该区基础地质研究和找矿勘查提供了重要地球物理信息。

关键词： 大地电磁; 电性结构; 蚌埠隆起; 淮北断褶带; 徐宿弧形推覆构造; 上古生界

Abstract

This study conducted magnetotelluric profiling in the Bengbu-Huaibei area of Anhui Province. Combined with gravity and magnetic anomalies, it obtained the deep electrical structure, the distribution of primary strata, and the properties of faults in the area, particularly the morphology of the Xuzhou-Suzhouarcuate nappe structure and the development of deep coal-measure strata. The results indicate that: (1) The Upper Paleozoic strataare primarily distributed under the high-resistivity nappe on the surface of the Xuzhou-Suzhouarcuate nappe structure. Theymanifest low-resistivity and low-densityphysical properties and high continuity, suggesting high exploration potential for coal beneath the nappe structure;(2)On the profile, early-stage faulting was dominated by reverse faults, resulting in local Lower Paleozoic and Proterozoicstrata overlying the Upper Paleozoic strata. In the later stage, normal faults predominated, controlling the Cenozoic deposition;(3) The Xuzhou-Suzhouarcuate nappe structure exhibits a 'high-low' double-layer electrical structure at burial depths shallower than 4 km, withthe dominant thrust fault plane composed of F5 and F6 faults. The leading edge of the high-resistivity nappe on the surface extends northwestward to Xiaoxian County and southward to northern Guzhen County, experiencing significant denudation in the Zhahe area. The above results provide critical geophysical information for the basic geological research and mineral exploration in the study area.

Keywords： magnetotellurics; electrical structure; Bengbu uplift; Huaibei faultfold belt; Xuzhou-Suzhouarcuate nappe structure; Upper Paleozoic

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本文引用格式

朱将波, 汪启年, 刘玉泉, 官大维, 李涛, 尤淼, 张健. 蚌埠—淮北地区电性结构及地质意义[J]. 物探与化探, 2024, 48(4): 971-978 doi:10.11720/wtyht.2024.1502

ZHU Jiang-Bo, WANG Qi-Nian, LIU Yu-Quan, GUAN Da-Wei, LI Tao, YOU Miao, ZHANG Jian. Electrical structure of the Bengbu-Huaibei area and its geological implications[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2024, 48(4): 971-978 doi:10.11720/wtyht.2024.1502

0 引言

安徽蚌埠—淮北地区位于华北陆块东南缘,印支期以来,受扬子陆块和华北陆块之间的拼合和碰撞^[1-2],以及郯庐断裂带左行平移^[3-4]的控制,形成以NWW向、NNE向为主的断裂格架和弧形推覆构造^[5⇓-7]等复杂的地质现象,已有研究表明区内淮北煤田、江山金铅锌矿床等多个重要矿床与这些构造有着密切的关系^[8-9]。但该区第四系覆盖较广,区域地质、地球物理勘探程度较低,深部地质构造认识不足,制约了找矿勘查的进展。

大地电磁测深法随着阻抗张量分析方法^[10]的发展及其基本理论不断完善,同时具备了勘探深度大、不受高阻层屏蔽、对低阻层反应灵敏^[11]等优点。因此,众多学者利用大地电磁测深对重要地层展布、推覆构造及断裂深部形态^{[12⇓⇓-15]}进行探测,取得了较好探测效果,是区域地质构造研究重要的地球物理方法之一。

本文通过对安徽蚌埠—淮北地区的大地电磁测深资料进行数据处理和分析,建立研究区剖面电性结构,结合重磁场分布特征分析该区主要地质构造的地球物理响应,推断剖面地质特征,为本区基础地质研究和矿产勘查提供重要信息。

1 地质概况

研究区属于华北陆块,四级构造单元分属蚌埠隆起和淮北断褶带(图1)。蚌埠隆起主要由太古宙五河岩群组成,构造形迹以EW向为主,北以利辛断裂为界与淮北断褶带分开。淮北断褶带经印支、燕山运动后全面褶皱,以发育一系列弧线形背向斜为特色,与华北陆块南部以近东西向构造占主导地位的格局极不协调;自喜马拉雅期以来,受EW向、NNE向断裂作用影响,剧烈沉陷形成多个断陷盆地^[16]。区内主要断裂有NWW向的利辛断裂、宿北断裂,NNE向的固镇断裂及徐宿弧形薄皮型逆冲推覆断层系统^[6]。徐宿弧形逆冲推覆断层系统由北向南呈NE—NNE—NS—NW向展布,弧顶位于萧县—淮北市一带,顶冲断层主要在震旦系和古生界中发育,逆冲断层前缘多表现为压煤系或煤系基底^[17],其下煤系地层发育。

图1

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图1 研究区大地构造位置(a)及地质略图(b)

Fig.1 Geotectonic location(a) and schematic geological map(b) of the research area

区内最古老的太古界和元古界主要由变质较深的片麻岩、片岩及大理岩组成;元古界震旦系及下古生界以浅海相碳酸盐岩为主;上古生界的石炭、二叠系为海陆交互沉积,是本区主要的煤系地层,与下古生界之间存在区域性假整合;缺失上奥陶统至下石炭统;中新生界以陆相碎屑为主,局部发育火山岩。

岩浆岩主要分布在蚌埠隆起和淮北断褶带北部。蚌埠隆起岩浆活动划分为古元古代岩浆活动、晚侏罗世岩浆活动和早白垩世岩浆活动^[18],以花岗岩类为主。淮北断褶带北部岩浆活动发生在燕山期,以花岗岩、闪长岩类为主。

2 物性特征

总结研究区以往岩石物性成果,分析各地层的物性特征(表1),为地质解释提供依据。研究区地层物性变化特征如下:

表1 研究区岩石物性特征

Table 1 Rock physical parameters in the research area

地层	主要岩性	ρ/(Ω·m)	κ/(10^-5SI)	σ/(10³kg∙m^-3)
新生界	粘土、砂岩、泥岩	1~16	3.5~61	2.01
中生界	砂岩、砾岩及部分火山岩	20~150 其中火山岩:80~150		2.50
上古生界	砂岩、泥岩及煤层	20~70		2.49~2.61 其中煤层:1.3~2.39
下古生界—中元古界	白云岩、灰岩为主	n×10²~n×10³		2.66~2.71
下元古界—太古界	片麻岩等	>n×10³	146	2.78
	侵入岩	>200	16~124	2.64

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新生界:以黏土、砂岩、泥岩为主,为低电阻率层,一般小于16 Ω·m,低密度,弱磁性。

中生界:以陆相碎屑岩为主,在隆起区普遍缺失;为低电阻率层,中低密度,弱磁性;当局部发育火山岩时,为中等电阻率层,在70~150 Ω·m之间,中等密度,高磁性。

上古生界:以砂岩、泥岩为主,含煤层,中低等电阻率层,中低密度,煤层发育时密度显著降低,弱磁性。为本区重要的电性标志层。

下古生界—中元古界:以白云岩、灰岩为主,夹泥岩、页岩,为高电阻率层,高密度,弱磁性。

古元古界—太古界:变质岩系,高电阻率,高密度,高磁性。

侵入岩:表现为高电阻率,中等密度,高磁性。

3 数据来源与处理

研究区内地球物理数据来自安徽省公益性地质调查成果。大地电磁测深使用V5-2000系统,采用远参考,五分量观测方式进行测量。共布设测点78个,点距1~2 km,所有测点观测时间均>8 h,观测频率320~0.0 005 Hz,同时注重低频数据的采集,低频段有效迭加次数都在3次以上;考虑到主要构造走向,剖面南段13个测点以近SN向布设,北段65个测点以NW向布设;在固镇和西寺坡镇一带避开城镇及煤田矿区的干扰。重力测量采用CG-5高精度重力仪,地磁采用GSM-19T高精度磁力仪。

获得的大地电磁互功率谱数据,通过Robust处理^[19]后,开展曲线编辑、静位移矫正及极化模式识别,进行定性分析,包括曲线类型分析,电阻率断面分析,电性主轴分析和构造维度分析,选择可以较好地重建三维模型信息的TM模式^[20]数据进行二维连续介质反演^[21]。即,对连续导电介质模型,假定垂向上各层电阻率不变,而水平方向上电阻率ρ(x,y)是 $x, y$ 坐标的有限连续函数:

(1)

ρ (x, y) = \{ρ_{1} (x, y), ρ_{2} (x, y), \dots, ρ_{m} (x, y)\}

。

则数据与模型的关系d(x,y)可表示为

(2)

d_{i} (x, y) = F_{i} [x, y, ρ (x, y)], i = 1,2, \dots, n

。

反演问题是计算有限连续函数的解估计φ,即求φ极小值:

(3)

φ = \int \int_{s} \overset{n}{\sum_{i = 1}} {\{d_{a i} (x, y) - F_{i} [x, y, ρ (x, y)]\}}^{2} d x d y = m i n

。

其中: $m$ 为垂向分层数; $n$ 为测点频点数; $d_{a i}$ 为观测数据。

之后结合重磁数据开展重磁电联合解释。即以已有地质钻孔成果为约束,大地电磁二维反演建立的电性结构为依据,建立初始地质模型,赋予密度等参数,采用有限长三棱柱体组合的重力二度半体正演公式(4)、(5),对比正演场与实测地球物理场之间的差异,实时交互反馈,最终获得符合地质规律及地球物理场特征的地质结构。

(4)

\begin{array}{l} δ g_{i} = G σ \underset{s_{i}}{\int \int} \{\frac{η_{2}}{(ξ^{2} + η^{2} + ζ^{2})^{1 / 2}} - \\ \frac{η_{1}}{(ξ^{2} + η^{2} + ζ^{2})^{1 / 2}}\} \frac{ξ}{(ξ^{2} + ζ^{2})} d ξ \end{array}

(5)

Δ g_{i} = \overset{n}{\sum_{i = 1}} δ g_{i}

。

其中:G为万有引常数; $σ$ 为密度; $s_{i}$ 为截面; $ξ$ , $η$ , $ζ$ 是三棱柱体体积元坐标; $δ g_{i}$ 是第 $i$ 个三棱柱产生的重力异常; $Δ g$ 是三棱柱组合体重力异常。

4 地质解释

4.1 定性分析

4.1.1 曲线类型分析

曲线类型是地下电性结构变化的直接响应。根据典型测点曲线类型(图2)分析得出,研究区内曲线类型主要有‘K’型、‘HK’型及‘KHK’型。‘K’型曲线代表本区下古生界至太古界、侵入岩等高阻地质体抬升至地表,主要分布在蚌埠隆起南段120号点至130号点(图1),以及固镇北侧190号点至200号点。‘HK’型曲线表明视电阻率由上至下呈“低、高”变化,代表浅部低阻层发育,主要分布在蚌埠隆起北段的132号点至140号点, 淮北断褶带新马桥至固镇之间的160号点至180号点,以及宿州断陷218号点至224号点,与这些地区中新生界发育相对应;同时在258号点至268号点之间也是这种类型,则与上古生界有关。‘KHK’型曲线表明高阻地层覆与低阻层之上,主要分布在淮北断褶带北段的204号点至210号点,以及230号点至256号点。

图2

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图2 研究区典型大地电磁测点曲线类型

Fig.2 Apparent resistivity curves of typical MT sites in the research area

4.1.2 区域构造方向分析

通过多测点—多频点阻抗张量分解的统计成像技术^[10]获得的剖面主轴方向圆形玫瑰图(图3)显示,蚌埠隆起段的电性主轴方向以NEE向为主(图3a);淮北断褶带与蚌埠隆起相比较,主轴方向产生了显著分异(图3b),南段主轴以NWW向为主,SW向次之。而淮北断褶带北段(图3c),由于徐宿弧形构造的出露,剖面相应位置测点主轴变成以NE向为主,与剖面所在弧形构造走向大体一致;NEE向次之,推断是徐宿弧形构造之下深部构造的反应,其余有多个分散的构造走向,可能与弧形构造走向逐渐变化相关。

图3

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图3 主轴方位玫瑰统计

Fig.3 Rose diagram of sectional spindle azimuth statistics

4.1.3 构造维度分析

通过共轭梯度进行阻抗张量分解^[22],计算出的剖面二维偏离度结果(图4)可知,剖面沿线二维偏离度具有明显的差异,中高频段二维偏离度普遍小于0.3,表明构造二维性强;蚌埠隆起(152号点以南)的低频段二维偏离度大于0.4,指示深部电性结构三维性较强;淮北断褶带北部(232号点以北)的低频段二维偏离度也较大,且越向北中频段二维偏离度逐渐增大,表明该段中深部构造与浅部构造之间存在显著差异。

图4

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图4 二维偏离度

Fig.4 Two-dimensional skewness

4.2 剖面电性结构及地质解释

图5所示的剖面反演结果表明,该区电阻率变化丰富,分层明晰,不同构造单元之间电性结构分界较为清楚,同时对应的重磁场也有显著变化。

图5

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图5 剖面电性结构及综合解释

Fig.5 Deep electrical structure and geologic interpretation of the profile

4.2.1 地层分布

从剖面电性结构分析得出,中新生界在宿州断陷、蚌埠隆起北段、淮北褶断带、新马桥镇至固镇县一带较为发育,且对应的重力异常都为低值区;其中宿州断陷中新生界在靠近宿北断裂附近最深可至海拔-2 km以上,向南减薄,呈楔状,且超覆在古生界之上,具有北断南超的特点;沫河口至王庄镇、新马桥至固镇地区的地表低阻层内还可见中等电阻率薄层分布,对应地磁较高异常,局部发育火山岩。其余地区中新生界不发育。

上古生界在沫河口—王庄镇,以及新马桥至固镇一带不发育或发育较薄;宿州断陷厚度在0.2~0.6 km,北深南浅;在大店镇北部及符离集以北地区,上古生界为一套发育在高阻层之下的低阻层,厚度0.6~1.2 km之间,低阻层一直延伸到闸河一带,对应二叠系出露。

下古生界—元古界在剖面上普遍发育,隆起区相对发育较薄,一般在数百米至1 km。大店镇北,符离集以北地区,下古生界、元古界地层部分覆盖在上古生界之上。

太古界是本区基底,具有高阻高密度的特征,在沫河口以南,王庄至新马桥,固镇至大店镇这些地区,地表高阻发育且重力异常值较高,这些地区太古界普遍埋深较浅。

4.2.2 断裂构造

区域断裂往往控制地层差异分布,形成不同的大地电磁响应,导致电性结构变化;岩石破碎断裂在剖面上形成低阻带;同时对应重磁场变化。本次划分断裂8条,对主要断裂分述如下:

怀远断裂(F₁),两侧128号点和132号点曲线类型显著不同(图2),南侧高阻体发育,而北侧呈现‘低—高’两层电性结构。断裂所在处电阻率显著降低,对应重力梯级带,推断该断裂倾向S,倾角较为陡立。

利辛断裂(F₂),近东西走向,断裂北侧低阻层较南侧显著变薄,且对应‘南低北高’的密集重力梯级带。该断裂倾向N,倾角在45°~60°之间。

固镇断裂(F₄),在电阻率剖面上,断裂南东低阻层发育,断裂北西侧高阻层抬升,断裂所处位置电阻率值有明显的降低,推断为逆断层,倾向SE,倾角陡立。

徐宿弧形构造冲断面(F₅、F₆),从永固镇、符离集至固镇北一带,该断层面前缘较陡,之后近水平分布,在剖面上延伸近70 km。沿断层面是显著的电阻率突变带,其上推覆体为层状高阻,由下古生界、新元古界组成;大店镇以北地区,断层下盘发育低阻层,推断以上古生界为主。

宿北断裂(F₇)所在位置反演电性结构差异显著,海拔-3 km以浅电阻率变化带倾向S,控制宿北断陷发育;深部电阻率变化带倾向N,且较陡立;对应‘南低北高’的密集重力梯级带。这种电性结构表明该断裂具有先挤压逆冲,后拉张的特征,早期逆断层倾向N,倾角65°~80°,晚期正断层倾角50°~60°左右,上盘剧烈下降,沉积巨厚中新生界。

蚌埠隆起以F₁断裂为界,分南北两部分;南段整体电阻率较高,布格重力异常低值,地磁异常曲线突跳,该段具有“高阻、低密度及高磁”的地球物理异常特征,反映侵入岩发育,于内生矿床成矿有利;北段为‘低、高’双层电性结构,布格重力异常值为剖面最低,最小值-32×10^-5 m/s²,地磁异常高值且稳定变化,推断经喜马拉雅期沉陷,并伴随火山喷发。

淮北断褶带在新马桥至固镇、宿州断陷地表低阻层发育之外,其余地区高阻体普遍抬升。在大店镇至永固镇一带(除宿州断陷外),大致海拔-4 km以浅由上至下皆出现‘高、低’分布的双层电性结构,特别是符离集至永固镇,对应地表徐宿弧形构造出露区,揭示了大型薄皮型逆冲推覆构造的电性特征,以F₆断裂为冲断面,其上部地表高阻推覆体由下古生界及元古界组成,延伸至永固镇,前缘较薄,中部夹沟镇北侧增厚至1 km以上,其下部发育稳定低阻层,推断以上古生界为主,深部为下古生界至太古界。

4.2.3 侵入岩

侵入岩主要在蚌埠隆起、淮北断褶带北部丁里一带发育;火山岩主要分布在蚌埠隆起北段及新马桥至固镇一带。

4.3 讨论

1)宿州断陷以南,特别是剖面200~210号点深部,存在与符离集以北地区相似的电性结构,是徐宿弧形推覆构造的南部^[7],推断认为F₅与F₆断裂一起组成地表高阻推覆体的主推覆面。

2)萧县至淮北市一带是徐宿弧形推覆构造的前缘。而本次探测结果表明,萧县一带浅部发育零星的高阻异常,层状高阻异常主体止于永固镇一带,未延伸至萧县。形成这种差异的原因推断是闸河向斜的上覆高阻推覆体被大量剥蚀,导致该处下部低阻的上古生界广泛出露。黑峰岭飞来峰也是剥蚀残留的产物^[6,17]。

3)以往研究表明,推覆构造是重要的控岩控煤构造,它掩盖了煤系或其他地层,前缘多表现为逆冲断层压煤系或煤系基底^[5,16],钻孔也证实了逆冲断层之下存在含煤地层^[23],本次电性结构揭示徐宿弧形构造高阻推覆体下普遍存在低阻层,特别是大店镇以北地区,该低阻层有一定的连续性(除宿州断陷外), 延伸至闸河向斜一带,对应该处出露的上古生界;且大店镇以北地区对应的重力异常值在(-5~0)×10^-5 m/s²,普遍小于固镇至大店镇一带的重力异常值(3~5)×10^-5 m/s²,表明大店镇以北地区深部发育低密度的地层。综上所述,认为在大店镇以北地区,推覆构造深部上古生界是发育的,这对本区煤系地层勘探具有重要指示意义。

5 结论

1)徐宿弧形构造地表高阻推覆体下的低阻层延伸至闸河向斜一带,且具有低密度的特征,推断为上古生界,与找煤有利。

2)剖面上断裂以逆断层为主,使得部分地区下古生界及元古界覆于上古生界之上,后期正断层控制新生界沉积。

3)徐宿弧形构造海拔-4 km以浅表现为‘高、低’双层电性结构,主冲断面位于新元古界与下古生界之间的软弱层位,由F₅、F₆两条断裂组成,对应双层电性结构的突变带,地表高阻推覆体前缘西北至萧县至淮北市一带,南至固镇县北缘一带,闸河一带被广泛剥蚀。

参考文献

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被引期刊影响因子

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翟明国, 郭敬辉, 李忠,

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苏鲁造山带在朝鲜半岛的延伸:造山带、前寒武纪基底以及古生代沉积盆地的证据与制约

[J]. 高校地质学报, 2007, 13(3):415-428.