克拉玛依后山地区重磁场及其与构造格架关系研究

发布时间：2017-09-12 20:39

  本文关键词：克拉玛依后山地区重磁场及其与构造格架关系研究

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【摘要】：克拉玛依后山地区是中亚造山带的一个重要组成部分——西准噶尔地区的东南部,该地区被认为在古生代期间经历了复杂的洋陆转换和地壳增生过程,备受学术界关注。论文利用不同尺度的重磁异常资料,以壳幔结构特征为主要目标,结合岩石学与构造地质学等的新成果与新认识,研究该地区现今构造格架,推断其演化过程,具有重要的科学意义。论文利用新近发布的卫星重磁数据、区域重磁数据和克拉玛依后山地区4条高精度重磁剖面测量数据,从不同空间尺度来解析该地区的重磁异常特征,并且利用新方法与新技术对重、磁异常进行了定性分析和定量解释,以及通过反演完成了地壳三维密度与磁化率成像工作,取得了丰富的成果。卫星重磁数据具有较高的观测高度、全球较高的覆盖度、观测数据处理的较统一性以及数据精度与分辨率的较一致性等突出特点,可以弥补传统地面与航空重磁测量的数据空白区以及长波长段的不可靠性。因此,论文选取了西准噶尔及其周边地区最新的卫星重、磁数据进行处理,分析了卫星重磁异常的分布特征,并且对其进行三维反演,构建了地壳与上地幔顶部的大尺度三维密度与磁化率结构,进而解释了其分布特征及其蕴含的大地构造格架和演化信息。针对克拉玛依后山地区的地球物理工作现状,即研究区现有面积性地面重力和航空磁力资料具有不同年代、不同比例尺的特点,论文选用不同小波进行了试验对比,最终采用db4 (Daubechies-4)小波进行多尺度分解,将小波分解5阶逼近作为本区的重力异常的区域背景,6阶逼近异常作为本区岩石圈磁性基底引起的航磁异常；选择了小波模极大值法、归一化导数偏差法、总水平梯度倾斜角法与Canny边缘检测等多种技术处理平面重、磁异常数据,并且对本区地质体边界及断裂构造进行了识别和推断,进而根据地质体边界识别结果,结合局部重力异常和垂向一次导数异常特征,识别了出露地表和隐伏的大型构造；利用分离之后的局部重、磁异常,进行3D反演,结果刻画了克拉玛依后山地区中上地壳的中尺度3D密度与磁化率结构。论文利用实测的4条高精度、大比例尺的剖面重力和磁力剖面数据,分别进行2.5维密度与磁化率成像反演,在分析其分布特征的基础上,结合相同测线的MT反演结果,进行了地球物理剖面对比研究。论文取得的主要认识和成果如下：(1)西准噶尔及邻区卫星重磁异常特征及其区域大地构造格架认识根据重磁异常特征,研究区(40°N～50°N,80°E～90°E)的阿尔泰、哈萨克斯坦-准噶尔、天山和塔里木北缘构造区中的重磁异常特征明显。区域重力场较好地反映了本区主要构造单元的岩石圈深部重力场背景,区域背景之上的局部重力异常则较为详细地刻画了各构造单元之间交汇处的岩石圈构造特征：(i)区内北部的阿尔泰褶皱带东南的山前重力高值带反映了该区域岩石圈高密度特征,明显受到NW向构造的控制,尤其富蕴—福海一带广阔的重力高对应着准噶尔晚古生代活动大陆边缘板段,被认为是中国境内最大的西伯利亚板块二级构造单元；(ii)区内南部的天山褶皱带是本区重力异常变化最剧烈的区域,正负异常条带展示了该区岩石圈深大断裂分布及其相互关系,其中南天山造山带上的重力高值带显示了塔里木板块与其衔接带上岩石圈高密度物质带的存在；(iii)区内天山褶皱带与准噶尔盆地衔接带以北天山北地带上的重力低值带为特征；(iv)哈萨克斯坦地块与准噶尔盆地交汇处呈现的NW及NE向重力高异常带位于准噶尔及其以北的塔尔巴哈台山南缘一带,被认为是洋内俯冲增生带,具有古洋盆、岛弧、后碰撞等多种不同类型构造背景,这或许是引起重力高异常的成因之一。岩石圈磁异常的构造分区特征也很明显：(i)与区域重力场相类似,在研究区东北部呈现大面积低磁性,而西部与东南部呈高磁性分布特征；(ii)区域磁异常在北部的阿尔泰褶皱带NW-SE向分布的低值带,反映了该区域明显受到NW向构造的控制；(ⅲ)区内南部的NW-SE向磁力异常低的区域是天山褶皱带,显示了该区岩石圈深大断裂分布及其相互关系；(vi)塔里木盆地与准噶尔盆地具有高磁性岩石圈；(v)较明显地,克拉玛依后山地区是西北部哈萨克斯坦板块与东南部准噶尔盆地磁性分布的分界或转换地区：(vi)磁异常模量Ta表明准噶尔盆地呈现为外部高、中部略低的圆盘状,向西北方向与哈萨克斯坦板块挤压与碰撞,接触区域即为克拉玛依后山地区,而且似乎由于受挤压,被撕扯的哈萨克斯坦板块东部具有由向东和向西南包围准噶尔盆地的迹象；(vii)在区内准噶尔盆地西、北缘存在一个弧形的低磁化率条带状异常,该异常位于卡拉麦里构造带的西部延伸段上,而卡拉麦里构造带被认为是西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块的缝合带。为了能更好地了解该区域岩石圈结构,对卫星重磁资料进行了三维反演,获得了不同深度的密度和磁化率异常分布特征。(i)在上地壳深度上,区域密度变化与表层构造十分对应,尤其在天山褶皱带区域,南、北天山超深断裂两侧均出现密度变异,展示了复杂的构造格局；在阿尔泰褶皱带上,NW-NWW向“片状”密度异常特征十分明显；在西准噶尔区域,塔尔巴哈台山南缘高密度异常十分显著,而在克拉玛依后山一带高密度异常表现较弱,准噶尔盆地内密度变化相对平缓。(ii)在中地壳深度上,在天山褶皱带密度变化异常剧烈,巨大低密度异常区带主要对应北天山断裂带和南天山断裂带的北缘地带；在哈萨克斯坦-准噶尔区域,分布于它们之间地带的低密度带以达尔布特断裂西北的密度异常带最为显著。(iii)在下地壳、地幔顶部,哈萨克斯坦—准噶尔盆地区域以高密度异常为主,但是结构趋于简单,地壳构造痕迹依然可见：天山褶皱带上的超岩石圈断裂带密度异常有可能延伸至更大深度。从反演的不同深度磁化率可以看出：(i)伊利盆地、吐哈盆地、准噶尔盆地与塔里木盆地呈现为高磁性分布；(ii)准噶尔盆地以高磁性“蘑菇”状向西北方向顶入哈萨克斯坦板块的特征非常明显,碰撞接触区域即克拉玛依后山地区呈现北东-南西向的低磁性特征,与西北部哈萨克斯坦板块和东南部准噶尔盆地的高磁性分布相区别；(iii)区内北部的阿尔泰褶皱带NW-SE向分布的高值带反映了该区域明显受到NW向构造的控制,该高磁性异常与密度异常对应的晚古生代活动大陆边缘板段一致,为现今的额尔齐斯河流域发生陆缘地壳拉张——扩张脊的代表性生成物蛇绿岩和早泥盆世中酸性火山岩密切相关；(iv)在准噶尔盆地西北方向的低磁性与高磁性条带(呈北东-南西向)很有可能即为该碰撞与挤压增生的结果；(v)在准噶尔盆地西、北缘存在一个弧形的低磁化率条带状异常,该异常位于卡拉麦里构造带的西部延伸段上,该大型断裂带对幔源岩浆及其分异的残余熔体能够上升到上地壳侵位起着重要控制作用,而构造体制从碰撞期挤压变为后碰撞期拉张,则成为幔源岩浆及其分异产物能够在上地壳侵位的有利条件。从三维密度、磁化率成像结果中截取的三条典型剖面,分析了西准噶尔及周边的岩石圈密度和磁化率结构特征及其构造含义。(i)准噶尔盆地北段以中、下地壳—上地幔密度高、磁化率高为主要特征,高密度、高磁化率体具有向北下插的趋势,推测古洋板片有可能向北俯冲至阿尔泰陆缘岩石圈之下。(ii)在AA'剖面,准噶尔盆北段低密度、低磁化率异常位于卡拉麦里构造带的西部延伸段上：在印度板块与欧亚板块碰撞过程中,准噶尔地块岩石圈相对坚硬,保持了相对完整的结构；在天山褶皱带—塔里木盆地边缘段,天山褶皱带密度结构复杂,显示了在南北两侧的推挤下,地壳与岩石圈发生了褶皱、断裂、重叠和斜插过程,而磁化率结构则相对简单,为低磁化率反映,可能与现今较强烈的构造活动有关。(iii)在BB'和CC'两条横穿西准噶尔构造带的剖面上,均显示准噶尔盆地存在壳幔高密度、高磁化率体,且由SE向NW下插,在达尔布特断裂带附近,存在壳幔高密度体聚集,在达尔布特断裂带以北段存在低密度、低磁化率异常段,与AA'剖面中卡拉麦里构造带的磁化率结构相似。(2)克拉玛依后山地区区域重力与航磁异常特征及其地质构造意义选择了小波模极大值法、归一化导数偏差法、总水平梯度倾斜角法与Canny边缘检测等多种技术处理平面重、磁异常数据,并且就本区地质体边界及断裂构造进行了识别和推断,进而根据地质体边界识别结果,结合局部重力异常和垂向一次导数异常特征,识别了地表出露的达尔布特断裂、哈图断裂,及隐伏在盆地内覆盖区的克乌断裂和本区南部一条近南北向的区域性断裂F4,其向北可延伸至小拐以西,长达80 km以上,断裂两侧局部重力异常特征具有明显差异。应用磁性地质体边界识别结果和磁异常解析信号振幅,推测了具有较强磁性的地质体分布,地表发现的较强磁性蛇绿岩混杂岩(含基性岩)带均被预测,且推测这类磁性岩石很有可能在盆地内存在。原始重力异常与小波分解5阶逼近异常之差作为反演的局部(或剩余)重力异常,局部异常在克乌断裂以北,达尔布特断裂以南为全区异常幅值最高、范围最大的重力条带；铁厂沟及其以东具有两个重力低异常带,位于乌尔喀什尔山南侧山前的新生代覆盖区,可能是山前断陷盆地的反映。以下延500 m的航磁异常作为浅源磁异常,主要与区内岩浆岩、蛇绿岩混杂岩带的分布有关。利用地面重力与航空磁力异常,进行三维反演,刻画了克拉玛依后山地区中上地壳的中尺度密度与磁化率结构。克拉玛依后山地区中尺度三维密度和磁化率特征分析了该区的构造、岩体分布。密度和磁化率异常条带的边界与地表的断裂构造带,NE-SW向的哈图和达尔布特断裂,极为吻合,同时对隐伏的NE-SW向的克-乌断裂及SN向的F4断裂,均有明显的反映。哈图岩体、阿克巴斯陶岩体、洪山岩体及克拉玛依岩体周边均能见到密度和磁化率异常体,且发育深度较深,这类异常体均与线性构造密切相关,可以认为受到断裂的控制。本区最高密度、高磁化率的异常条带位于克-乌断裂带西北侧,推测很可能为蛇绿岩带产生,且与克拉玛依蛇绿岩带相关。位于铁厂沟南侧的低密度异常条带,浅层低磁化率、深层高磁化率的近EW向展布的的异常条带,控制了克拉玛依后山地区北部的构造格局。该区域受NW-SE向的碰撞挤压和拉伸,形成了一系列NE-SW向的达尔布特断裂、哈图断裂、克-乌断裂,很可能是俯冲增生楔环境下的区域性断裂,与附近的大规模花岗岩形成具有密切的关系,断裂体系控制了该区准噶尔泥盆-早石炭世岛弧(准噶尔中新生代上叠盆地)、克拉玛依后山奥陶纪—晚泥盆世蛇绿混杂岩带、克拉玛依后山早石炭世残留海盆、达尔布特中志留世—中泥盆世蛇绿混杂岩带、铁厂沟-白杨镇泥盆纪岛弧的地层和构造格局。(3)克拉玛依后山地区高精度重磁剖面的构造认识Ⅰ和Ⅱ线的密度成像剖面,均反映了地表出露的哈图断裂和达尔布特断裂带及隐伏的克乌断裂,同时对Ⅰ线上高密度的克拉玛依和达尔布特蛇绿岩带、低密度的洪山岩体具有较好的反映；Ⅱ线上高密度的克拉玛依和达尔布特蛇绿岩带,低密度的克拉玛依岩体具有较好的反映。Ⅲ线的密度成像剖面,也反映了地表出露的哈图断裂和达尔布特断裂带。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ线的磁化率成像剖面对构造断裂反映不明显,但对测线上分布的高磁化率克拉玛依和达尔布特蛇绿岩带均有明显的显示。这与该区域构造两侧岩性结构相近有关,这该区的物性分析中的高、中等磁化率和高密度岩石以及高磁化率岩石均与蛇绿岩带相关的结果相吻合。
【关键词】：西准噶尔及邻区 克拉玛依后山地区 重磁异常 处理与解释 构造格架
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P631;P548
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-11
• ABSTRACT11-20
• 第一章 绪论20-33
• §1.1 研究背景、目的和意义20
• §1.2 国内外研究现状和存在的问题20-29
• 1.2.1 西准噶尔地区的地质研究现状20-22
• 1.2.2 西准噶尔地区的地球物理工作现状22-23
• 1.2.3 重磁资料解释方法的研究进展23-27
• 1.2.4 卫星重磁技术的研究进展27-28
• 1.2.5 值得探讨的几个问题28-29
• §1.3 研究目标、内容、方法和技术路线29-31
• 1.3.1 研究目标和研究内容29-30
• 1.3.2 研究方法和技术路线30-31
• §1.4 论文主要成果与创新之处31
• §1.5 论文章节安排31-33
• 第二章 大地构造及区域地质背景33-50
• §2.1 西准噶尔及邻区大地构造及地质背景33-36
• 2.1.1 西准噶尔及邻区大地构造背景33-35
• 2.1.2 西准噶尔及邻区区域地质背景35-36
• §2.2 克拉玛依后山地区构造与地质背景36-41
• 2.2.1 克拉玛依后山地区主要构造单元及属性36-39
• 2.2.2 克拉玛依后山地区蛇绿混杂岩与地层分布39-41
• §2.3 克拉玛依后山地区主要地质单元的岩石物性特征41-49
• §2.4 小结49-50
• 第三章 重磁数据处理与解释方法50-63
• §3.1 重磁异常转换处理方法50-54
• 3.1.1 磁异常模量50-52
• 3.1.2 重磁异常梯度52-54
• §3.2 重磁异常分离方法54-60
• 3.2.1 小波多尺度分解54-57
• 3.2.2 经验模态多尺度分解57-59
• 3.2.3 基于多尺度分解分离重磁异常的对比分析59-60
• §3.3 重磁异常三维反演方法60-62
• §3.4 小结62-63
• 第四章 西准噶尔及邻区卫星重磁异常特征与大地构造63-81
• §4.1 卫星重磁资料来源与解算63-68
• 4.1.1 卫星重力资料来源与解算63-66
• 4.1.2 卫星磁力资料来源与解算66-68
• §4.2 卫星重磁异常分布特征及其大地构造意义68-71
• 4.2.1 卫星重力异常分布特征与大地构造68-70
• 4.2.2 卫星磁力异常分布特征与大地构造70-71
• §4.3 岩石圈三维密度与磁化率结构特征及其大地构造意义71-79
• 4.3.1 卫星重磁异常三维反演71-72
• 4.3.2 岩石圈三维密度与磁化率结构特征72-79
• 4.3.3 岩石圈三维密度与磁性结构的大地构造含义及演化启示79
• §4.4 小结79-81
• 第五章 克拉玛依后山地区区域重磁异常处理与解释81-97
• §5.1 区域重力与航磁资料来源与汇编81-82
• §5.2 区域重力与航磁异常处理82-93
• 5.2.1 重磁异常常规方法处理结果82-85
• 5.2.2 多尺度分解方法的应用与评价85-87
• 5.2.3 重磁异常线性信号的提取87-90
• 5.2.4 浅源与深源重磁异常90-93
• §5.3 上地壳三维密度与磁化率结构特征及其地质构造意义93-96
• 5.3.1 重磁异常三维反演93-94
• 5.3.2 上地壳三维密度与磁化率结构特征94-95
• 5.3.3 克拉玛依后山地区的地质构造格架95-96
• §5.4 小结96-97
• 第六章 克拉玛依后山地区高精度重磁与MT剖面综合研究97-110
• §6.1 地面高精度重磁剖面数据97-101
• §6.2 地面高精度重磁剖面数据反演101-102
• §6.3 上地壳密度与磁化率剖面结构特征102-106
• §6.4 综合地球物理剖面解释106-109
• 6.4.1. Ⅰ和Ⅱ线综合大剖面106-107
• 6.4.2. Ⅲ线综合大剖面107-108
• 6.4.3. Ⅳ线综合大剖面108-109
• §6.5 小结109-110
• 第七章 结论与建议110-114
• §7.1 结论110-113
• 7.1.1 西准噶尔及邻区卫星重磁异常特征与大地构造意义110-112
• 7.1.2 克拉玛依后山地区区域重力与航磁异常特征与地质构造分布112
• 7.1.3 克拉玛依后山地区高精度剖面重磁异常特征与综合解释112-113
• §7.2 建议113-114
• 致谢114-115
• 参考文献115-127
• 附录127-135
• 附录A：克拉玛依后山地区主要地层的岩石物性特征127-129
• 附录B：克拉玛依后山地区主要岩体的岩石物性特征129-132
• 附录C：克拉玛依后山地区主要蛇绿岩带的岩石物性特征132-135

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本文编号：839418