西太平洋MF海山磁異常特征及其地質(zhì)解釋

梁勁　沙志彬　陳弘（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州，510760）本文研究得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展項(xiàng)目（編號(hào)：G2000046705-01）資助。第一作者簡(jiǎn)介：梁勁，男，1971年出生，物探工程師，1995年畢業(yè)于成都理工學(xué)院信息工程與地球物理系，大學(xué)本科，曾經(jīng)從事大洋多金屬結(jié)核和結(jié)殼的勘探工作，現(xiàn)主要從事天然氣水合物調(diào)查研究工作。摘要　西太平洋由于大規(guī)?；鹕交顒?dòng)存在，深層熔巖上涌，為結(jié)殼的形成提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。根據(jù)磁測(cè)資料，對(duì)區(qū)內(nèi)MF海山磁異常特征，采用似二度體磁力剖面異常特征計(jì)算公式，用正演擬合方法來(lái)反演地下地質(zhì)體產(chǎn)狀、形態(tài)大小、基底起伏和磁性體物性參數(shù)，從而得出磁源體特征。研究海山性質(zhì)及鄰域洋底的地質(zhì)構(gòu)造特征，特別是斷裂構(gòu)造及其分布、巖漿活動(dòng)規(guī)律以及巖石物性等有關(guān)的海山結(jié)殼的地質(zhì)構(gòu)造背景及其演化，為探討地質(zhì)構(gòu)造對(duì)結(jié)殼的生長(zhǎng)的控制作用提供依據(jù)，并為評(píng)價(jià)富鈷結(jié)殼資源提供基礎(chǔ)資料。關(guān)鍵詞　西太平洋　磁異?！嗔褬?gòu)造　正演擬合　火山活動(dòng)1　前言富鈷結(jié)殼是海底重要的固體礦產(chǎn)資源之一。20世紀(jì)80年代以來(lái)，先進(jìn)工業(yè)國(guó)對(duì)大洋底、特別是對(duì)中太平洋海山和西太平洋麥哲倫海山區(qū)以及約翰斯頓島專(zhuān)屬經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行了大量的調(diào)查工作。“九五”期間，我國(guó)開(kāi)始有計(jì)劃地開(kāi)展偵察性的調(diào)查。國(guó)土資源部“海洋四號(hào)”船DY95-7、DY95-9航次在麥哲倫海山區(qū)對(duì)MA、MC、MD、ME、MF五座海山完成了5826.5km的磁力測(cè)量。磁測(cè)數(shù)據(jù)作了磁力電纜長(zhǎng)度校正和船磁方向校正，并以國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF）進(jìn)行正常場(chǎng)校正，資料真實(shí)可靠。測(cè)區(qū)位于西太平洋的麥哲倫海山區(qū)，由五座海山組成，面積約60000km2，為國(guó)際公海區(qū)，是世界大洋中最大的海山群之一，西南距關(guān)島約400nmile，東南距馬紹爾共和國(guó)首都馬朱羅約1000nmile。區(qū)內(nèi)水深1200～5500m。該區(qū)水下海山鏈呈NW-SE向展布，多為平頂山，山頂水深1200～1500m，山坡較陡，坡上有豐富的富鈷結(jié)殼。海山鏈?zhǔn)切纬捎谫_－早白堊世洋底基底之上的火山構(gòu)造隆起，區(qū)內(nèi)磁條帶的展布和地層分布特征表明，海山鏈的形成與北西走向的轉(zhuǎn)換斷層密切相關(guān)。海山均是構(gòu)造因素控制下，沿?cái)嗔褞Щ鹕絿姲l(fā)/噴溢作用的火山成因，海山在形成過(guò)程中受到北東向次級(jí)斷裂控制，單座海山呈北東向展布。海山基座的主體巖石由中侏羅世洋中脊拉斑玄武巖、早白堊世板內(nèi)堿性與拉斑玄武巖和洋島枕狀玄武巖組成，噴發(fā)年齡為100～200Ma。山頂主要沉積物為鈣質(zhì)軟泥（有孔蟲(chóng)碎屑）、火山碎屑巖、碳酸鹽殼（主要是鮞狀灰?guī)r）及粘土等組成（何高文等，2001）。根據(jù)有關(guān)資料（Nakan-ishi和Winterer,1998），測(cè)區(qū)西面的中生代磁異常條帶近NE-SW走向，磁異常條帶年齡往SE方向變老，從最新的M25（147Ma）到最老的M32（未確定年齡），經(jīng)歷了多次地磁極性倒轉(zhuǎn)（圖1）。圖1　測(cè)區(qū)附近海域中生代磁異常條帶分布圖（據(jù)Nakanishi和Winterer,1998，有修改）Fig.1　Distribution of Mesozoic magnetic lineation in round the study sea area2　磁異常特征本區(qū)磁異常面貌比較簡(jiǎn)單，類(lèi)型單一，且形態(tài)相似，各個(gè)海山大同小異。以MF海山為例，從平剖圖（圖2）看，測(cè)區(qū)磁異常呈有規(guī)律的條帶狀，且沿東西向平行排列、正負(fù)交替。異常變化梯度較緩，其形態(tài)較圓滑。有的磁異常振幅雖高達(dá)數(shù)百nT，但變化卻不很劇烈，異常形態(tài)十分寬緩，剖面間可追蹤對(duì)比。圖2　MF海山磁力異常（△T）平剖圖Fig.2　The MF seamount magnetic anomaly（△T）profile in plan對(duì)比海底地形圖（圖3）和磁力（△T）異常平面等值線圖（圖4）可以看出，MF區(qū)內(nèi)磁異常主要發(fā)育在內(nèi)平頂山南北兩側(cè)的山坡上，以負(fù)值為主，在負(fù)值的背景下，局部負(fù)異常發(fā)育，僅中部即山頂上有兩處異常值大于100nT的小正異常；平頂山南、北兩側(cè)邊緣處形成兩大伴生異常。北伴生異常北正南負(fù)，負(fù)異常幅值比正異常幅值大，負(fù)異常中心較兩翼平緩，異常中心極值超過(guò)－850nT。南、北兩翼陡峭，北翼較南翼陡（平均梯度值達(dá)120nT/km），梯度方向向北，其北側(cè)伴有一異常值大于400nT的正異常；南翼較緩（平均梯度值約90nT/km），梯度方向基本向南。南伴生異常南正北負(fù)，負(fù)異常亦具有中心較緩，南、北兩翼陡峭的特征，且異常幅值比正異常幅值大。異常中心極值超過(guò)－850nT；南北兩翼梯度值相近，（平均梯度值約為90nT/km），梯度方向近南北向，其南側(cè)伴有異常值大于300nT的正異常。3　磁異常解釋3.1斷裂與巖漿活動(dòng)斷裂是火山巖巖漿活動(dòng)的通道，海山本身就是火山巖漿沿?cái)嗔寻l(fā)生噴溢活動(dòng)的產(chǎn)物，而磁異常則是巖漿作用的地球物理表征，它是巖漿噴溢后所形成的巖石物性的客觀反映。因此，通過(guò)地磁異常分析可獲知巖漿活動(dòng)的某些特征與規(guī)律，以及巖石的物性差異等（米納德，1978）。圖3　MF海山地形圖Fig.3　The map of the topographical from of the MF seamount根據(jù)磁異常的異常階梯帶、線性異常帶、串珠狀異常分布，以及異常被扭曲或斷錯(cuò)等特征，可基本推斷和確定斷裂的分布狀況（瓦奎爾，1984）。如圖4所示，MF海山大的斷裂有兩條，屬于次級(jí)斷裂。F1斷裂位于海山體北部的平頂山邊緣，為EW向斷裂；F2斷裂位于海山體南部的平頂山邊緣，為NE向斷裂。斷裂位置磁異常發(fā)生明顯扭曲變化，兩側(cè)磁異常走向不同，異常面貌特征和異常振幅等存在一定的差異。對(duì)比海底地形圖（圖3）和MF海山△T磁異常平剖圖（圖2）可以看出，MF海山為大型平頂山，山頂平臺(tái)面積龐大，地形平坦開(kāi)闊，有一大一小兩個(gè)山頂平臺(tái)，而海山的山坡地形陡峭。與之相應(yīng)的磁異常變化單調(diào)，形態(tài)圓滑，少有局部發(fā)育，表明山頂平臺(tái)為單火山口中央噴溢式形成。控制MF海山兩大伴生負(fù)異常的磁源體，根據(jù)相似的地磁異常形態(tài)特征，相近的異常形態(tài)幅值，但其磁化方向幾乎相反，可認(rèn)為它們來(lái)源于相同的物源，并可能形成于不同時(shí)期的分別沿F1和F2斷裂的火山噴溢活動(dòng)。根據(jù)海山地形形態(tài)和磁異常特征分析，噴溢時(shí)熔巖向低洼處流溢。它們形成后經(jīng)后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)逐漸下沉、沉降過(guò)程中，其頂面逐漸被海水侵削而成為平頂山。圖4　MF海山磁力（△T）異常等值線圖Fig.4　Contour magnetic anomaly（△T）of the MF seamount3.2　正演擬合從實(shí)用的角度出發(fā)，正演擬合計(jì)算采用似二度體剖面磁力異常計(jì)算公式。地科院礦床所研制了一套進(jìn)行磁力異常剖面解釋研究工作的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。其主要原理是用計(jì)算機(jī)模型來(lái)模擬地下地質(zhì)條件，用模型引起的理論異常與實(shí)測(cè)異常相比較，通過(guò)逐步修改模型的形狀和物性參數(shù)，使理論異常與實(shí)測(cè)異常相吻合來(lái)反演地下地質(zhì)體的形狀或物性參數(shù)的目的?？梢罁?jù)一定已知資料反演地下地質(zhì)體的產(chǎn)狀、形態(tài)大小、基底起伏和磁性體物性參數(shù)。該系統(tǒng)對(duì)二度體和似二度體剖面磁力異常的地質(zhì)解釋十分有效，對(duì)三度體磁力異常的地質(zhì)解釋亦有一定的參考價(jià)值。伴生異常一般在中緯度地區(qū)地下磁性體在斜磁化的條件下產(chǎn)生，并且在北半球具有南正北負(fù)的特征，測(cè)區(qū)位于北緯17°～19°，屬中、低緯度區(qū)，磁異常背景為負(fù)值，與正異常伴生的負(fù)異常幅值大，且磁異常分布特征與海山有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該地區(qū)在正常磁化（地磁傾角約15°～20°）條件下，根據(jù)磁場(chǎng)公式，沿走向有限或無(wú)限延深的單個(gè)規(guī)則板狀體所引起的異常形態(tài)，應(yīng)表現(xiàn)為兩正峰夾一負(fù)峰，負(fù)峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大（羅孝寬等，1991）（圖5）。下面根據(jù)此特征，通過(guò)實(shí)測(cè)剖面的模擬計(jì)算對(duì)磁異常進(jìn)行解釋。圖5　沿走向有限延深厚板狀體磁異常特征示意圖Fig.5　A sketch showing of magnetic anomaly character thick-platy body along the trend and limited extend圖6是正南北向切割MF平頂山的一個(gè)剖面。該地區(qū)正常磁化的地磁傾角約15°，異常形態(tài)特征表現(xiàn)為兩正異常夾一負(fù)異常，負(fù)峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大。實(shí)測(cè)異常曲線中，可分為f1和f2兩個(gè)異常段，f1段表現(xiàn)為兩正異常夾一負(fù)異常，負(fù)峰幅度比正峰幅度大。北段正異常比南段正異常幅值大，但受測(cè)線范圍限制，形態(tài)不完整，負(fù)異常對(duì)應(yīng)平頂山北側(cè)邊緣；南伴生正異常與f1段有重疊。f2段形態(tài)與f1段相類(lèi)似，但磁化方向相反，北正異常與f1段部分重疊，南正異常比北正異常幅值大，受測(cè)線范圍限制形態(tài)不完整，負(fù)異常對(duì)應(yīng)平頂山南側(cè)邊緣。根據(jù)上述分析，可知該剖面異常曲線基本上表現(xiàn)為該地區(qū)正常磁化異常的形態(tài)特征，根據(jù)此特征模擬出磁源體的分布狀況（圖6），磁異常為兩大磁源體所引起，其埋深約2km，為火山噴發(fā)的玄武巖。其中f1段磁源體有效磁傾角I為285°，有效磁化強(qiáng)度J為10A/m;f2段磁源體有效磁傾角I為16°，有效磁化強(qiáng)度J為12A/m，為正常磁化。根據(jù)磁條帶年齡分析，MF海山形成于侏羅紀(jì)，海山南北兩側(cè)巖石磁性有差異，但差異不大，而有效磁傾角幾乎相反，表明南北磁源體在磁場(chǎng)中磁化方向不一致，形成時(shí)間也不一樣，即發(fā)生了一次地磁極性倒轉(zhuǎn)。據(jù)此推測(cè)南北兩大磁源體是不同時(shí)期、不同位置的火山沿F1和F2斷裂噴發(fā)所形成。4　結(jié)論研究海山基底及鄰域洋底的地質(zhì)構(gòu)造特征，特別是斷裂構(gòu)造及其分布、巖漿活動(dòng)規(guī)律以及巖石物性等有關(guān)的海山結(jié)殼的地質(zhì)構(gòu)造背景及其演化，為探討地質(zhì)構(gòu)造對(duì)結(jié)殼生長(zhǎng)的控制作用提供依據(jù)。圖6　MF-09線磁力異常正演擬合剖面圖Fig.6　Line MF-09 magnetic anomaly interpreted section通過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)磁異常特征進(jìn)行討論、計(jì)算、解釋?zhuān)梢缘贸鋈缦陆Y(jié)論：MF磁源體形成于侏羅紀(jì)，為火山噴發(fā)的玄武巖所構(gòu)成，斷裂是火山巖巖漿活動(dòng)的通道，平頂山是火山巖漿沿?cái)嗔寻l(fā)生噴溢活動(dòng)的產(chǎn)物，磁性基底埋深約2km。f2段巖石磁化方向與該地區(qū)現(xiàn)在的地磁傾角較一致，而f1段巖石磁化方向與該地區(qū)現(xiàn)在的地磁傾角幾乎相反，顯然是受地磁極性倒轉(zhuǎn)的影響；磁化強(qiáng)度相互之間有較小的差異，可能是由于該地區(qū)火山活動(dòng)頻繁，為不同時(shí)期、不同位置、不同類(lèi)型的火山多次噴發(fā)所致。由于大規(guī)?；鹕交顒?dòng)存在，深層熔巖上涌，為結(jié)殼的形成提供了豐富的物質(zhì)來(lái)源。調(diào)查區(qū)拖網(wǎng)資料顯示，不同海山樣品中的Mn、Cu、Co、Ni含量有較大的差別（朱克超等，1999），這可能與海山體地磁異常所反映的地質(zhì)構(gòu)造特征的差異和構(gòu)造環(huán)境的不同，以及與可能的地質(zhì)發(fā)育史和年齡的差異有關(guān)。由此可見(jiàn)，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)多金屬結(jié)殼的生長(zhǎng)是具有明顯的控制作用的。從地磁學(xué)方面來(lái)說(shuō)，結(jié)合海山磁異常特征來(lái)研究海山深部構(gòu)造及火山活動(dòng)對(duì)富鈷結(jié)殼成礦的影響，特別是結(jié)殼基巖層的地質(zhì)構(gòu)造及其背景和演化過(guò)程對(duì)富鈷結(jié)殼的分布與生長(zhǎng)的控制作用，為探討基巖與結(jié)殼分布、厚度、品位之間關(guān)系提供依據(jù)，從而為進(jìn)一步地研究磁異常特征與富鈷結(jié)殼的分布關(guān)系，并以此結(jié)合地形地貌等地質(zhì)資料查明結(jié)殼分布的邊界及礦塊尺度，為評(píng)價(jià)富鈷結(jié)殼資源提供基礎(chǔ)資料。參考文獻(xiàn)何高文，趙祖斌，朱克超等.2001.西太平洋富鈷結(jié)殼資源.北京：地質(zhì)出版社，3～35羅孝寬，郭紹雍主編.1991.應(yīng)用地球物理教程——重力磁法.北京：地質(zhì)出版社，230～248朱克超，李揚(yáng)，趙祖斌.1999.麥哲倫海山區(qū)MA、MC海山玄武巖基巖的巖石學(xué)特征.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)（4）.北京：科學(xué)出版社，11～19H.W.米納德著，郝頤壽，谷磊昭譯.1978.太平洋海洋地質(zhì).北京：科學(xué)出版社，211Nakanishi and Winterer.1998.Journal of Geophysical.103（B6）:12453～12454V.瓦奎爾著.于聯(lián)生，杜曾蔭，吳銘先譯.1984.海底地磁學(xué).北京：科學(xué)出版社，132The Magnetism Anomaly and Its Geological Significance of Mf Seamount in West PacificLiang Jin Sha Zhibin Chen Hong（Guangzhou Marine Geology Survey,Guangzhou,510760）Abstract:There largely developed volcano erupting and effusing of the lava from the deep stratum in West Pacific,which provided plentiful sources for the crusts coming into being。based on the magnetic anomaly of the MF in the study area,we adopted the magnetic anomaly formula in similar two-dimension and then inversively simulated the occurrence,dimension of the geological body,The configuration of its basement and its physical parameter etc.by the forward modeling method.The characteristic of the magnetism sources was drawn.The research on the geological structure of quality of the seamount and adjoining seafloor,especially on its geological background and the evolution such as the distribution of the stuctrual fault,the rule of the mag-ma activity and rock property etc,which is related to the formation of the crusts,provided groundwork not only for the understanding of geological structure effecting on the srusts formation,but also for the assessment of the Co-rich crusts scull resources.Key Words:West Pacific　magnetic anomaly　Fault structure　Forward modeling　Volcanic activity
備注：數(shù)據(jù)僅供參考，不作為投資依據(jù)。