云南騰沖山地?zé)豳Y源的深部低阻體研究

云南騰沖山地?zé)豳Y源的深部低阻體研究

云南騰沖火山巖帶位于青藏高原東南端，屬于大陸碰撞、滑動、逃離大陸聚集的地質(zhì)構(gòu)造結(jié)。（tapponietal等人，1976年；dongson等人，2011）。該區(qū)中、新生代巖漿活動頻繁、強烈,規(guī)模較大,廣泛分布著花崗巖和玄武巖,是國內(nèi)唯一第四紀玄武巖-安山巖-英安巖系列完整出露的地區(qū)(陳福坤等,2005;吳開興等,2004)。該區(qū)火山巖年齡為2Ma,自新近紀以來,火山活動規(guī)模逐步減小,現(xiàn)地表可見眾多近代火山口大小不一,沿近南北向的大盈江斷裂及其它次級斷裂有序分布(莫宣學(xué)等,2006;戚學(xué)祥等,2010;郭正府等,2011);并且地震活動強烈,溫泉地?zé)岚l(fā)育,景觀優(yōu)美,多金屬礦產(chǎn)資源豐富(圖1),長期以來吸引著國內(nèi)外各方面專家的關(guān)注。本區(qū)進行過大量地質(zhì)地研究(Deweyetal.,1988;李興振等,1999;羅照華等,2011;Nicolasetal.,1996;Collieretal.,1997;Mainprice,1997;Kappetal.,2007;Luttteretal.,1990;Sch?reretal.,1984)和地球物理研究(孫潔等,1989;白登海等,1994;吳乾蕃等,1988;廖志杰等,1991;秦嘉政等,1998;王椿鏞等,2002a,b;林中洋等,1993;穆治國等,1987),此外,國內(nèi)外其它火山構(gòu)造區(qū)進行的地震和大地電磁探測等地球物理工作(Yinetal.,2000;Nercessianetal.,1984;上官志冠等,1998;湯吉等,1998;郭履燦等,1996),也都為本研究提供了依據(jù)。20世紀80年代在滇西開展了大地電磁探測,其中的石坪測點臨近本區(qū)馬站鄉(xiāng)附近,給出了上地殼電性層的電阻率為6~10?·m,推論巖漿囊厚度5km埋深9~10km(孫潔等,1989;白登海等,1994)。同時還指出了該區(qū)具有低速、低電阻率、高熱流值層(吳乾蕃等,1988;廖志杰等,1991)和低Q值層(秦嘉政等,1998)。2002年穿越騰沖的多條人工地震探測和流動臺網(wǎng)觀測的地震記錄所進行的地殼研究指出,騰沖附近的上地殼和上地幔存在低速異常體,認為與火山地?zé)峄顒雍蛶r漿囊有關(guān)(王椿鏞等,2002b)。1地震探測資料為配合騰沖火山地?zé)針?gòu)造區(qū)的科學(xué)鉆探選址工作,項目組于2010—2011年先后3次在云南騰沖火山巖地區(qū)進行了較大比例尺的可控源音頻大地電磁法、大地電磁法、重力、磁力以及反射地震的剖面探測。重點地區(qū)是馬站以北的小空山—黑空山一帶工作布置示于圖1中。目的是在以往工作基礎(chǔ)上對科鉆選址提供更詳細的深部資料。圖1中5線剖面自西向東始于出露的花崗巖體進入騰沖火山盆地穿越黑空山中新世-第四紀火山沉積分布區(qū),然后越過怒江繼續(xù)向東進入高黎貢山西緣的元古代變質(zhì)巖地層中,長約30km。9線位于5線南約5km,與5線平行,西端亦起始于花崗巖體中,穿越小空山火山口,向東進入火山巖沉積層,長度10km,在此兩剖面上進行了大地電磁法、重力、磁力探測。圖1北部的4線、3線和2線及南部的1線,先前已進行過可控源音頻大地電磁法探測,且其中的1線與3線先前還曾進行過反射地震探測,但本文暫不涉及。為了研究火山口的構(gòu)造,圍繞小空山進行了放射狀剖面的重力、磁力探測(圖1左上圖)。其中H1線是始于小空山火山口至黑空山火山口的南北向剖面。在騰沖火山構(gòu)造區(qū)已完成的上述地球物理探測取得了良好的結(jié)果,現(xiàn)在分述如下。2分辨率特性2.1淺部電阻率特征大地電磁法和可控源音頻大地電磁法提供了地下電阻率特征,圖2a、b、c、d分別顯示了4線、3線、2線和1線4條剖面3km以上的電阻率特征。圖3為5線大地電磁結(jié)果與相鄰2線和3線可控源音頻大地電磁結(jié)果對比圖,它們在3km以上的特征極為相似。實際上,火山盆地的深部電阻率特征主要決定于巖石孔隙度、破碎程度和含水與熱水的狀況,圖2e中的鉆孔巖性與電阻率的對比說明了這一點。結(jié)合地質(zhì)和鉆孔資料可以將本區(qū)地殼分成以下幾個電性層(圖2):淺部由單個高阻體組成不連續(xù)的高阻層,該層在盆地范圍內(nèi)厚度不大,約幾十米到1km,以火山噴出巖為主,包括火山錐體與火山熔巖沉積巖等。在可控源音頻大地電磁法的電阻率圖中可更清楚地看到淺部高阻體的反映。第二層是電阻率極低的低阻層,依據(jù)1線附近觀音堂鉆孔資料可知此低阻層主要為多孔隙的玄武巖,也可能包括砂礫化的花崗巖上層,花崗巖體為該低阻層的下底(圖2e),兩者之間為熱水儲存層。低阻層厚度從幾米到1.5km,最深處多與斷裂有關(guān),該層在圖2a、b、c、d與圖3c中均有顯示。第三層電阻率較高,電阻率大小一般為上百?·m,從剖面西部近地表延伸到6km以下,為以花崗巖體為主的反映,并且由火山口向東花崗巖的厚度增大,可達10km以上,而且可能與地表出露的花崗巖相連。第四層高阻層,電阻率一般為數(shù)百、上千?·m,分布在12~13km以下,一直延伸到30~35km的深度。該層在黑空山下部的厚度達18~20km,在小空山下部變薄,僅10km上下。該層認為是火山活動熱源的巖漿囊。最后,在30~35km以下仍然是低阻特征,可能延伸到Moho面以下,意味著有更深的巖漿源,向巖漿囊提供熱源。圖2a、b、c、d剖面中3km以上可控源音頻大地電磁法的電性分層較清晰,同時在1線剖面中標出了觀音廟附近鉆孔的巖性特征;大地電磁法淺部電阻率特征與可控源音頻大地電磁法結(jié)果相似。電阻率的特征從1線到3線有很強的可比性,這些特點表明在盆地范圍內(nèi)電性分層是穩(wěn)定的。到4線低電阻率特征的電性分層已很不明顯,可能意味著巖漿源以及有關(guān)的熱儲層已趨向尖滅。淺部低電阻層是由砂礫巖層、風(fēng)化殼以及碎裂的花崗巖火山巖組成,其中花崗巖、玄武巖為含水層,在電性上沒有明顯的分界面,由于頻繁的火山地震活動的作用,使深部的低阻巖漿囊熱源具有通向淺部的可能,而最新噴出的火山巖呈高阻體蓋層露出地表,與6km以下的花崗巖體共同構(gòu)成了接近地表的含熱水的貯存空間(圖2、圖4)。2.2沖積相的低阻體巖漿本文在騰沖盆地馬站以北地區(qū)的大地電磁法探測結(jié)果展示出的深部電阻率特征表明,在黑空山、大空山、小空山的深部存在著低阻異常體(圖3、圖4),如前所述,地質(zhì)研究首先提出了騰沖火山盆地存在著3個巖漿囊,本文給出了最北部的巖漿囊的具體深部特征。在騰沖及周邊地區(qū)的寬頻地震、反射地震探測和大地電磁探測確定出了低速體和低阻體的存在,普遍認為巖漿囊可能是由巖漿體的熔融或半熔融狀態(tài)造成的(Collieretal.,1997)。本區(qū)存在高溫?zé)嵩词嵌喾阶C明的事實,特別是地震P波速度低異常和電阻率極低的異常體的出現(xiàn)是很明顯的標志。Nicolas等(1996)對玄武巖巖漿的流體機制及空隙研究后認為,20%為熔融狀態(tài)的巖漿就可以流動而沒有塑性形變,因而預(yù)示,即使20%熔融狀態(tài)的巖漿也有噴發(fā)的可能性,處于半熔融狀態(tài),巖漿囊的速度在3.5到5.6km/s的范圍內(nèi)(Collieretal.1997;Mainprice,1997)。S波速度也不為零。我們在騰沖火山地區(qū)1線、3線進行反射地震的結(jié)果尚待研究,初步給出此低阻體范圍的P波速度亦是較低的。盡管騰沖地區(qū)為大陸地殼巖漿囊,與海洋地殼巖漿囊可能不完全相同,其地震特征與電性特征都可能存在差異,還有待深入研究。但是,應(yīng)該認為本區(qū)存在巖漿囊是有依據(jù)的。這與在長白山地區(qū)的地震探測與大地電磁探測都發(fā)現(xiàn)低速體和低阻體的情況相似(Nercessianetal.,1984;上官志冠等,1998;湯吉等,1998;郭履燦等,1996)。1)以圖4中5線為例,可以確定該巖漿囊的相應(yīng)特征。其上頂最淺處深度大約為12~13km,平均深度約15km,從西向東,深度逐漸加大,下底界的深度自西向東大致為27km,東西方向?qū)挾冗_30km,整個厚度大約為15km。當然,該深度和厚度是由圖示的低阻體范圍估計的,實際上其上下底均與周邊地質(zhì)體是漸變關(guān)系,缺少清晰的分界面。2)由圖4還可看出,相距2.2km的5線與9線MT電阻率的低阻體厚度有明顯差異,9線較短,其東西兩端的端部未顯示出來,但其厚度則減小至10km,深度15km。這可能意味著該巖漿囊向南,在小空山以南不遠處趨向變薄。向北該低阻體則已超過3線位置,因為,音頻大地電磁法在4剖面上淺部低阻層(熱儲層)已很不明顯(圖2),而且,此處已近火山盆地的北端(圖4)。3異常重磁功能3.1負重力異常與地形特征的關(guān)系圖5給出了從小空山到黑空山3個火山口的重力平面圖。小空山、大空山、黑空山3個火山口具有自南向北的3個負重力異常,呈串珠狀展布。范圍逐次增大,小空山火山口地表規(guī)模就明顯小于黑空山,其局部異常自然也較小,這是由于火山噴發(fā)巖漿物質(zhì)外溢造成物質(zhì)虧損而形成的負重力異常。圖5b、c、d,分別清楚地看到火山口的負重力與地形成鏡像的特征,在小空山火山口負重力異常小,山體高度亦低,向北大空山、黑空山逐次負重力異常隨地形起伏大小逐個增大。黑空山是最強的重力負異常,火山體也是最大的,較大的火山口其噴發(fā)出的物質(zhì)較多,物質(zhì)虧損亦大,負重力異常亦強。我們在火山口布設(shè)放射狀磁法剖面(圖1左上圖)。為了便于分析,將幾處火山口附近的重、磁場測量結(jié)果分別列于圖6。從中可以清楚地看到火山口的負重力異常及磁異常與地形的對應(yīng)關(guān)系。圖6a為南北向剖面,其余是東西向剖面。圖6b、c、e對小空山的重力異常與火山地形特征的對應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)地更為清楚。它們是在近地表較大范圍由巖漿囊引起的區(qū)域重力負異常的背景之上出現(xiàn)的。3.2深部低電阻率區(qū)圖5d中向上延拓500m的重力異常圖中三個局部負異常已消失,說明火山口本身的負重力異常不大,是淺部火山口附近低密度明顯降低的結(jié)果,延拓后中北部范圍較大的負重力異常與深部的高溫低速低阻巖漿囊的對應(yīng)。雖然重力延拓圖的北部沒有封口,但趨勢與電阻率特征一致(圖5d)。同時,低重力、低電阻率異常在小空山以南已變薄,與向東南部的另一低重力異?？赡芟噙B,也可能與騰沖巖漿囊相連(圖5d),但是馬站附近應(yīng)是巖漿囊變薄的位置。也是深部北北西向大斷裂的地面投影位置。向北越過黑空山,接近4線達盆地北端(圖2、圖7)。低電阻和低密度的地質(zhì)體共同反映出一定程度上物質(zhì)虧損,可能還有高溫?zé)嵋?、含礦物質(zhì)的巖漿囊的存在。3.3火山的巖石磁異常是火山活動的頻發(fā)性在火山巖分布區(qū)磁異常的特征通常是大范圍極無規(guī)律的鋸齒狀磁異常,這是由于噴出的火山巖磁性極不均勻而且屬于多次噴發(fā)的結(jié)果,其剩余磁化強度較強且無規(guī)則,這也是國內(nèi)外許多火山地區(qū)都有的特征(Clark,1997)。但是,仔細分析正如圖6所示,可以看到所有火山口的磁異常是有很清晰的一致性,與重力負異常相對比其特點是:1)火山口的磁異常與地形、重力異常對應(yīng)關(guān)系密切。從圖6的剖面中可以看出大空山、小空山、黑空山都具有很典型對應(yīng)關(guān)系,火山活動的頻發(fā)性使得火山噴出的火山沉積物的磁性分布極不均勻,凝結(jié)后的多呈鋸齒狀磁異常,一般情況下難以分辯清楚噴出巖石各自的磁性特征。但在騰沖地區(qū),唯獨在火山口是有較清晰的火山噴發(fā)活動的磁場特征的,從而與火山地形、重力負異常有著較清楚的對應(yīng)關(guān)系。2)火山巖巖石的磁性,主要來源于熾熱的巖漿溢出后在冷卻過程中獲得的剩余磁性,其磁化強度和方向主要決定于從噴發(fā)到冷卻過程當時地球磁場方向和強度。因此,在同一個噴發(fā)期里的無論有多少次噴發(fā),在火山口附近,特別是火山口邊緣的火山巖的磁性主要決定于最后一次噴發(fā)冷凝成巖時獲得的剩余磁性的強度和方向。而此前噴發(fā)已凝固成巖的磁性或被新噴發(fā)物沖碎或熔于溢出的巖漿中被遷移到它處,因而只有火山口的火山巖磁性,在剖面上一般呈“凹”字形,火山巖磁異常是圍繞火山口的較強磁性體,中心低處是火山通道。而遠離火山口的巖石磁性則難以分辨出磁性與溢出物之間的復(fù)雜關(guān)系。3)黑空山、大空山和小空山屬第四紀火山,其噴發(fā)結(jié)束時間可能不同,圖6中黑空山火山口的磁異常是強的正磁性,它與其它幾個火山磁異常有差異,從火山規(guī)?？?黑空山火山噴發(fā)的規(guī)模相對較大,又更接近深部巖漿囊的中心位置,可能噴發(fā)時間較長些,而小空山則可能位于巖漿囊的南端,噴發(fā)時間較短,較早結(jié)束了火山活動(圖7)。4巖漿囊區(qū)的構(gòu)造意義本文作為騰沖火山盆地綜合研究的組成部分主要依據(jù)大地電磁法、可控源音頻大地電磁法及重磁法資料,對40km以上的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行研究,為科學(xué)鉆探選址與構(gòu)造劃分提供依據(jù)。1)云南騰沖火山地?zé)針?gòu)造區(qū)的地殼的電性特征具有明顯分層性,地表高阻層是最新火山覆蓋層低阻層是因火山地震引起的碎裂玄武巖為主的熱水儲存層,下部高阻層是代表花崗巖,最下部的低阻層可能屬于巖漿囊區(qū)。2)在本區(qū)馬站鎮(zhèn)—固東一帶的深部12~30km處存在巖漿囊,騰沖火山地?zé)針?gòu)造區(qū)的巖漿囊之一該巖漿囊在黑空山附近的上頂深度為12~13km,下底深度達30km以上,東西向?qū)挾冗_25km以上。巖漿囊向北延展,越過黑空山繼續(xù)延伸近騰沖盆