地球物理场基本特征

在矿产资源勘查与评价中，一般将地球物理场划分为正常场和异常场。其异常的界定是相对的，与地质任务和探测目标有关。地球物理异常既具有独立的物理意义，又具有地质上的普遍内涵，其特点可概括为：
（一）客观性
地球物理场是地球物质存在的一种形式，是客观的实在，所以地球物理异常是相关地质现象存在的一种客观反映，也是地质信息的载体。如磁异常反映地下磁性地质体的存在；重力负异常与低密度地质体有关；视电阻率断面则反映地下一定深度内的电性结构或分布等等。所以地球物理异常与其他地质勘查方法反映的信息一样，都具有客观性。
（二）先导性
地球物理异常对寻找隐伏矿和解决深部地质构造问题、认识成矿环境有重要意义。由于地球物理勘查具有信息量大，参数多，反映的地质现象范围宽、深度大等优势，因而地球物理勘查常作为地质与矿产勘查的先导方法。通过对地球物理异常的数学物理解释，可判断其异常地质体的形态、产状及其构造背景；结合有关物性参数和已有地质资料的解释，可作出关于异常性质的判断。因而地球物理异常对地质勘查工作具有一定的导向性。
（三）解析性
地球物理场许多问题是属于“场论”的研究范畴，需要利用数学物理分析方法进行研究。地球物理异常是由包含着地质信息的地球物理数据，按一定数学、物理规律，沿一维、二维、三维乃至四维空间的有序组合，可应用数学物理分析方法对其原始数据进行各种处理或变换；也可以通过分析与异常有关的地质体，抽象出物理和数学结构，建立其地质体的物理—数学模型。如将叠加的地球物理异常中各组成部分分开，即进行异常分解，或将区域异常与局部异常分离；可以从叠加的异常种提取某种特定异常，如将重、磁异常向上延拓，压制浅部地质体引起的异常，突出深部大的地质体引起的异常；也可以根据测深方法所采集的数据，反映出地质断面或不同深度（水平）地质断面的电性结构特征等。地球物理的正、反演解释也正是建立在地球物理异常解析性的基础上。因此，地球物理异常的解释推断一般比较严谨。
（四）多解性
实际地质现象的错综复杂，以及地球物理方法在理论上的等效性和实际地质体场源的等效性，使得地球物理异常在处理和解释结果上存在多解性，包括定性（异常体的地质原因）和定量的（异常体的尺度和产状）两个方面，在进行异常解释时这两方面又互相影响，互相制约。理论上的等效性在于大小和埋深不同的地质体能够产生形态、大小与强度相同的异常。实际上的等效性决定于观测精度和所用解释方法的分辨率。每一种地球物理勘查方法的理论都是假定地球为均匀各向同性。然而，地球物质的分布实际是不均匀的，而且往往是各向异性的，如表层岩性分布不均匀，地表地形起伏等，但它们的空间分布和联合作用对地球物理场产生的影响是相似的，其观测结果相近。此外，由于观测数据常常带有不可避免的测量误差和难以消除的干扰等诸多外界因素，也将不可避免地造成地球物理数据解释的多解性。
我国固体矿产资源的特点是成矿条件复杂，巨型矿不多，而中小型矿和复合矿多，贫矿多，一些矿的物性条件对现有的物探方法并不利，加上我国地形地貌条件多样，山区多，这些都增加了物探工作的难度，也增加了物探信息解释的复杂性。
在进行区域成矿研究中，对于成矿物质的富集和外界地质因素影响矿床形成过程的了解，有助于合理选择地球物理勘查方法和数据解释手段，提高矿产资源分析评价准确度和效率。在一些成矿区（带），随着矿产勘查活动的逐步深入，找矿难度越来越大，这就对地球物理勘查技术方法提出了更高的要求，探索研究新的方法技术以及对已有技术的改进将是新一轮矿产资源调查的一个突破口。

地球物理特征能够反映现代地球结构、物质组成及地质构造的特征。区域重力、磁异常信息除了反映区内不同地质体的一般物性外，尚能够反映出不同层次的深部地质构造信息，即反映地壳的组成和结构，尤其是一些线性异常带，常反映出或显或隐的构造带或岩相带。
自20世纪60年代以来，不同部门对华北陆块北缘先后开展了多种地球物理探测工作。其中，1∶20万～1∶5万航磁已基本覆盖全区。80年代后期，全球地学断面(GGT)计划有3条穿过华北陆块北缘及邻区。上述工作及数据为解释研究华北地块区北缘的区域构造格局以及矿产勘查工作提供了详细的地球物理资料。
一、磁场特征
根据原国家地质总局航空物探大队测编的“中国航空磁力异常ΔTa图”及赤峰地区1∶50万航磁资料解释图等综合研究成果，比较清楚地看到研究区内的航磁异常分布存在着明显的规律性。
华北地块北缘及邻区所呈现的不同走向、不同形态、不同强度的磁场特征，综合反映了各种岩石，特别是岩浆岩类及基底结晶岩系中磁性物质的赋存及展布面貌。明显的线性磁异常带及两种不同特点磁场的连接带，则反映出区域性或者区划性断裂带的存在。
赤峰市地区航磁异常形态大致可以划分成3种类型:长条形(线性)、椭圆形和圆形。椭圆形居多。决定航磁异常形态的因素很多，主要与地质体产出形态、局部地质构造性质和产状有关。
按异常轴展布方向，区内航磁异常大致可以分为3组走向，即东西向、南北向和北东向。东西向展布的航磁异常主要集中在赤峰市南部，包括赤峰市以南、喀喇沁旗和宁城县境内。南北向展布的航磁异常集中分布在赤峰市东部，即白音套海—金厂沟梁一线以东地区。其余地区主要分布北东向展布的航磁异常。北东向异常又可以分为3种，即北北东向、北东向和北东东向。它们的分布地点和集中区域与岩性组合、区域地质构造息息相关。例如西拉木伦断裂两侧航磁异常一般呈北东东向展布，与反映西拉木伦断裂带存在的线性负异常带保持平行分布。它们主要反映了西拉木伦断裂带的波及范围。
根据航磁异常的特征看，区内航磁异常具有一定的分区性。其中，航磁正异常遍布赤峰市地区，从正负异常比例看，正异常面积相对大。相对来说，负异常的分布主要集中在赤峰市地区东部，形成以大片负磁场为背景的区域性负异常。其他地区分布的负异常则是局部的、零星的。而航磁正异常一般集中于赤峰市中部及西部地区，株连成片，形成规模宏大的正异常区。正异常的强度一般在100～300nT之间，最高值可达750nT。负异常变化幅度相对低些，一般在－50～－200nT之间。
研究区内的磁异常具有明显的分区、分带现象。依据区域航磁分布方向、磁场强度、变化特征等综合因素，赤峰市地区可以划分为3个I级磁场区:①赤峰市地区东部磁场区;②赤峰市地区北部磁场区;③赤峰市地区南部磁场区(图1－10)。

图1－10 赤峰地区航磁异常及断裂构造解译图(据内蒙古第二地质调查队及区域资料编辑修改)

东部磁场区，位于白音套海—金厂沟梁以东区域。该区域以航磁负异常为主，局部出现正异常。正负异常轴向均呈南北向展布为最大特征。
白音套海—金厂沟梁一线以西赤峰市地区，以西拉木伦断裂带为界，航磁特征各具特点，进而划分为赤峰市地区北部磁场区和赤峰市地区南部磁场区。
西拉木伦断裂带本身在航磁图上以线性负异常带反映出来。它阻截了南北两侧异常的延展，使南北两侧磁场各具特点，成为南北两侧磁场天然的分界线。
西拉木伦河以北磁场区:以北东向带状航磁正异常为主，局部北东东向，但负异常占很大比例。这些条状的航磁负异常有一定规模，一般以北东向或北东东向产出。总体来看，除接近西拉木伦断裂带和与东部磁场区衔接部位异常具有规模小、变化幅度大的特点外，一般比较平坦、低缓。
西拉木伦河南部磁场区:基本被航磁正异常覆盖，局部间或出现规模小的负异常，无论正异常还是负异常，按单个异常而论，规模都比较小，变化梯度大。异常主要呈北东东向交互排列分布，在赤峰市地区南部与河北省交界部位，磁异常展布方向逐渐转为东西向，与区域东西向隆起带相对应。
该区又可以划分为南北两个分区，即芝瑞－乌丹磁场分区(Ⅱ5)和锦山－天义磁场分区(Ⅱ6)
芝瑞－乌丹磁场分区:该磁场分区北部由西拉木伦断裂起，南部到老府—赤峰—新惠一线止。东部以白音套海－金厂沟梁断裂为界，西部与河北省衔接。航磁以正异常为主，局部出现规模较小的负异常。正负异常轴向一般呈椭圆形北东东向展布，少数为北东向，局部孤立存在。异常值较高，一般可达300～400nT，最大可达750nT。无论正负异常规模都比较小。对于该分区航磁特征的形成原因可以从区域地质得到解释，西拉木伦河南部属于天山－阴山纬向构造带部分，保留了一些东西向构造的片断。构成主要地质体的古、中生代地层和岩体受西拉木伦断裂带影响而成近东西向或由北东东向展布，少数燕山期断裂呈北东—北北东向局部发育。这些地质特征和上述航磁异常分布特点相互对应。
锦山－天义磁场分区:分区北部由老府—赤峰—新惠一线起，南部和西部与河北省承德地区交界，东部与辽宁省朝阳地区衔接。位于赤峰市地区最南端，分区的形态似舌状。区内航磁异常形态不规整，正负异常混杂交替出现，正负异常所占的面积大致相当。航磁异常以东西向为主，正负异常多数呈线状、条带状或串珠状东西向展布，黑里河－长青断裂、旺业店－松树梁断裂和老府－红花沟断裂等一系列纬向断裂都集中在这个区域，集中反映了由河北省延入赤峰市地区的天山－阴山东西向复杂构造带形迹。
总之，赤峰市地区的磁场分区特征，基本上反映了3类区域构造。北部磁场区因受华夏系、新华夏系构造控制，航磁异常总体上都呈北东向或北北东向;东部磁场区的航磁异常大体上为南北向或近南北向，这也是因为受该磁场区的地质构造，主要是南北向(经向)构造控制所致。南部磁场区，因受天山－阴山东西向复杂构造带的影响，航磁异常形态较复杂，由北东向变为北东东向，至该区的南部则变为东西向，从构造解释图上看，均有构造形迹与之相对应。
二、重力场特征
图1－11为研究区中东部地区布格重力异常平面图。就本区及外围布格重力异常分布看，重力梯级带明显反映出三大构造单元间的3条东西向大型边缘断裂带:西拉木伦河断裂带、赤峰－开原断裂带和承德－北票断裂带;同时，还明显反映出北东—北北东向的围场－翁牛特旗、青龙－六家子等断裂带的复合改造作用。这些重力梯级带应是深切断裂的发育部位。

图1－11 研究区东段及其周边地区布格重力异常平面图

总体上看，区内不同方向的线性异常带与区域重力低值带相吻合。尤其是在喀喇沁旗—承德一带，布格重力图上反映出明显的东西走向的布格重力密集梯度带，布格重力值由－50mGal变化到－90mGal。反映了地质体的东西走向和挤压特征。
实际上，区内重力场特征与磁场分区特征基本吻合。对比图1－10和图1－11可以看出，东部磁场区(Ⅰ1)布格重力值偏高，异常范围小，异常轴向没有明显的方向性。北部磁场区(Ⅰ2)和南部磁场区(Ⅰ3)布格重力值普遍低于东部磁场区(Ⅰ1)，呈负值，一般在－50mGal以下，最低可达－140mGal，以宽大、低缓的负异常展布，有些重力异常面积可达数百平方千米。
三、莫霍面特征
根据研究区及周边莫霍面等深线图(图1－12)，可以看出研究区恰恰处于大兴安岭幔坎的南段与东西向构造带的交汇部位的幔坡上。区域上的大兴安岭幔坎所显示的重力梯级带或地壳厚度陡变带在研究区赤峰市地区呈一向东突出的弧形。其中，东西向莫霍面自东向西降低达到5～7km，反映了区内东西向构造带与北北东向构造带的相互影响。

图1－12 研究区及外围莫霍面等深线图(据河北、内蒙古、辽宁地质志资料，李锦蓉编)

地球物理场是指具有一定的地球物理效应的区域或空间，如重力场、磁场、地热场、电场、弹性波场、放射性场等(地质矿产部地质辞典办公室，2005)。地球物理场的空间分布和显示的特征差异，主要反映了印支运动以来的构造格局，是确定华南后印支阶段构造运动、地壳结构的主要依据。

一、重力场

华南重力异常场是由不同深度上密度不均匀影响的总和引起的，这些不均匀性的主要来源是上地幔密度变化、地壳厚度变化、地壳内部密度界面起伏和地壳上部的密度变化。

区域重力场的总趋势是由东(南)向西(北)从20×10^－5m/s²逐渐减至－125×10^－5m/s²(图1－4)，可分8个异常区:温州－厦门重力梯级带，丽水－永安重力低，上海－南京－南昌重力高，南部沿海重力缓坡带，武汉－长沙、修水－桂东－桂林正负相间异常区，大别山重力低，武陵山重力梯级带，鄂西重力低。

图1-4 华南平均布格重力图(单位:10^－5m/s²)

华南重力场的主要特点有:

(1)莫氏面深度为28～41km，自东南沿海向北西方向逐渐加深。

(2)存在东南沿海和西部武陵山两条重力梯级带，水平梯度为(1～1.3)×10^－5m/(s²·km)，反映重力和地壳厚度陡变。

(3)规模巨大的花岗岩构造隆起区，都呈现明显的重力负异常，定量计算其现位深度一般为4～15km;规模较大的中新生代断陷盆地则出现明显重力高，比周围高出20～30×10^－5m/s²不等;碳酸盐岩地层广泛发育的古生代沉积盆地，重力场变化平缓。

(4)郯庐、赣江断裂两侧地壳平均密度有一定差异。西部，花岗岩基延深较大，重力负异常明显，地壳平均密度增高;东部花岗岩体延深较浅，基本未出现负异常。

(5)布格重力异常与地形常呈反向关系，即重力值由东向西减小的趋势与地形高程逐步增高的变化相呼应以及平原坳陷区对应着重力高，高原山脉隆起区对应着重力低，这表明华南地区地壳已达到较好的均衡。

二、磁场

华南磁场变化较复杂，强磁异常主要集中在东部沿海一带的火山岩分布区，以及大别山毗邻及其东北区，磁场强度一般在几百nT以上，多数局部异常在500～1000nT左右，向西和向南，磁场变得单调平稳，磁场背景在50～100nT之间。

根据磁场的形态、强度、走向特征，华南磁场可划分为9个区(图1－5):Ⅰ—鄂西磁场区、Ⅱ—大别山磁场区、Ⅲ—浙西磁场区、Ⅳ—闽赣磁场区、Ⅴ—沿海火山岩磁场区、Ⅵ—粤南磁场区、Ⅶ—粤西磁场区、Ⅷ—湘南磁场区、Ⅸ—江南古陆磁场区。

图1-5 华南磁场分区图(据地质矿产部航空物探总队和物化探研究所，1984)

通过把原始磁场经化极后向上延拓5km、10km、20km和30km，可以看出:大别山和扬子地块磁场衰减较慢，不同高度磁场图基本保持了原来的磁场骨架，几个主要磁异常始终存在，只是强度有所减弱，磁性基底起伏和磁性层厚度变化是引起磁异常的主要原因;东南地区磁场衰减很快，到30km高度磁场变化已基本消失，与原始磁场图面貌差别较大，这一地区的磁异常主要是浅部岩浆岩引起的，磁性体的埋藏深度在0～10km之间;西部地区磁场最弱，几个高度的磁场特征变化不大，从原来50～100nT的磁场强度到30km时只衰减到75nT，没有出现完整的区域磁异常，说明这里缺乏磁性岩层(地质矿产部航空物探总队和物化探研究所，1983)。

三、地温(热)场

根据李祥根(2003)和费栋宇等(1983)的著作及资料，以大地热流值、地温梯度、温泉、水温等地温信息为依据，在华南及其邻区，可划分出以下几个地热带(区)(图1－6)。

图1-6 华南地热场分布图

(1)东南沿海地热异常区(Ⅰ):北西侧大致以绍兴—钦州一线为界，东南至浙、闽、粤沿海，包括福建、广东、海南以及湘南赣东南地区。区内温泉600余处，多为中、低温温泉，也有高温温泉(潮州东山湖103℃)，后者多出露于闽、粤两省境内。温泉温度变化的基本规律是，向沿海地区温泉水温增高，密度增大，地热显示愈加强烈，沿海许多井下温度都在90℃以上。

大地电磁测深结果显示，壳下15～25km深处发育了低阻高导层(体)，可能是该地壳深部有熔融岩浆，它提供了地震活动和水热活动的条件。该区大地热流值高于内地，平均值为87mW/m²以上，显示高热流密度异常分布区，地温梯度(3～4)℃/(100m)、(48～50)℃/(1000m)和(70～120)℃/(3000m)，均高于正常值。

(2)雪峰山－幕阜山－紫金山地热带(Ⅱ):自湖北、江西两省交界的幕阜山向北东方向横穿大别山，顺长江谷地内的潜山、马鞍山到南京紫金山方向，向西南可到湖南长沙、邵阳方向及雪峰山东麓，分布了成串的60以上的低温泉和少数60～80℃温泉。带内大地热流值在40～50mW/m²之间，是低热流密度区，地温梯度＜2.5℃/(100m)、40℃/(1000m)和90℃/(3000m)，基本上是正常地温梯度。

大地电磁测深揭示，壳下20km深处存在低阻高导层(体)，北段于0.55～0.73MaB.P.前有火山喷发(嘉山)。该地热带北段位于斜置于郯庐断裂带南段的六安－合肥－嘉山中更新世之后形成的拱形隆起南侧，该拱形隆起是至今仍为长江与淮河在该区段的分水岭。地热带的西南段于湖南省境内，多同北北东向活动断裂相伴。

(3)大娄山、武陵山地热带(Ⅲ):川东、鄂西、湘西北地区的大娄山和武陵山一带有40～60℃温泉密集出露，呈北东方向延伸，但贵阳西南方向多为25～40℃低温温泉，地热带走向与常德－怀化－贵阳断裂带走向基本一致，带内大地热流值在40mW/m²左右，是低热流密度区，地温梯度(1.5～2.0)℃/(100m)、(30～35)℃/(1000m)和(70～80)℃/(3000m)，是低地温梯度区。

该地带地壳相对稳定，没有发现壳内低阻高导层体，少地震活动，但在地壳浅层，岩溶发育，地下暗河流向尚有一定规律。

地下热水的富集、运动与构造作用有直接的关系，地热异常区的分布大多与挽近时期活动的构造形迹相吻合，由于挽近时期构造运动与铀矿保存是相关的，故地热异常或温泉分布在一定程度上关联着华南铀矿分布格局。

四、波场

据地震波资料，华南地壳的分层结构，自上而下可划分为4层:

第一层速度为4.92～5.80km/s，代表中新生代陆相沉积;

第二层速度为5.95～6.10km/s，代表古生代盖层;

第三层速度为6.04～6.3km/s，代表变质基底;

第四层速度为6.65～6.9km/s，代表下地壳玄武岩质层。

其中第一层在本区分布不广，第三层与第四层之间的界面，应为康拉德面。因此第二、三层合起来应为上部地壳即花岗岩质层。华南地区康拉德面常不连续，其深部一般在20km上下，第四层以下为上地幔，上地幔顶部Pn波速度为8.13～8.12km/s。

华南地区的波场具有如下几个基本特点:

(1)无论在陆区还是海域，弹性波在横向上和纵向上其波速都是不均一的，其纵向的突变反映地壳的分层结构，其横向变化反映出地块在空间上的弹性差异和密度差异。在华南地区的上地壳层中，许多地区仍可分出两个波速层，如扬子地块上层v_P=5.95km/s，下层v_P=6.21km/s，可分别代表其沉积盖层和褶皱基底。在横向上，下扬子区和华北平原近似，其速度为6.07～6.12km/s;南海的波速普遍比大陆地区低，反映出上述不同构造单元的密度和弹性差异。

(2)从华北及其他地区大地电磁测深资料来看，地震波的低速带常与高导层的位置相一致。华南从大陆与海洋之间的对比来看，高热流、薄地壳与地震低速场仍然相一致，说明三者存在相关性，这种相关性综合反映出大陆与海域新生代以来构造活动的差异性。

(3)南岭地区上地幔密度值反映出上地幔的横向不均一和某些异常地幔的存在。