西太平洋MF海山磁异常特征及其地质解释
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发布时间：2022-04-23 08:53
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时间：2022-06-18 15:57
梁劲 沙志彬 陈弘
（广州海洋地质调查局，广州，510760）
本文研究得到国家重点基础研究发展项目（编号：G2000046705-01）资助。
第一作者简介：梁劲，男，1971年出生，物探工程师，1995年毕业于成都理工学院信息工程与地球物理系，大学本科，曾经从事大洋多金属结核和结壳的勘探工作，现主要从事天然气水合物调查研究工作。
摘要 西太平洋由于大规模火山活动存在，深层熔岩上涌，为结壳的形成提供了丰富的物质来源。根据磁测资料，对区内MF海山磁异常特征，采用似二度体磁力剖面异常特征计算公式，用正演拟合方法来反演地下地质体产状、形态大小、基底起伏和磁性体物性参数，从而得出磁源体特征。研究海山性质及邻域洋底的地质构造特征，特别是断裂构造及其分布、岩浆活动规律以及岩石物性等有关的海山结壳的地质构造背景及其演化，为探讨地质构造对结壳的生长的控制作用提供依据，并为评价富钴结壳资源提供基础资料。
关键词 西太平洋 磁异常 断裂构造 正演拟合 火山活动
1 前言
富钴结壳是海底重要的固体矿产资源之一。20世纪80年代以来，先进工业国对大洋底、特别是对中太平洋海山和西太平洋麦哲伦海山区以及约翰斯顿岛专属经济区进行了大量的调查工作。“九五”期间，我国开始有计划地开展侦察性的调查。国土资源部“海洋四号”船DY95-7、DY95-9航次在麦哲伦海山区对MA、MC、MD、ME、MF五座海山完成了5826.5km的磁力测量。磁测数据作了磁力电缆长度校正和船磁方向校正，并以国际地磁参考场（IGRF）进行正常场校正，资料真实可靠。
测区位于西太平洋的麦哲伦海山区，由五座海山组成，面积约60000km2，为国际公海区，是世界大洋中最大的海山群之一，西南距关岛约400nmile，东南距马绍尔共和国首都马朱罗约1000nmile。区内水深1200～5500m。该区水下海山链呈NW-SE向展布，多为平顶山，山顶水深1200～1500m，山坡较陡，坡上有丰富的富钴结壳。海山链是形成于侏罗－早白垩世洋底基底之上的火山构造隆起，区内磁条带的展布和地层分布特征表明，海山链的形成与北西走向的转换断层密切相关。海山均是构造因素控制下，沿断裂带火山喷发/喷溢作用的火山成因，海山在形成过程中受到北东向次级断裂控制，单座海山呈北东向展布。海山基座的主体岩石由中侏罗世洋中脊拉斑玄武岩、早白垩世板内碱性与拉斑玄武岩和洋岛枕状玄武岩组成，喷发年龄为100～200Ma。山顶主要沉积物为钙质软泥（有孔虫碎屑）、火山碎屑岩、碳酸盐壳（主要是鲕状灰岩）及粘土等组成（何高文等，2001）。根据有关资料（Nakan-ishi和Winterer,1998），测区西面的中生代磁异常条带近NE-SW走向，磁异常条带年龄往SE方向变老，从最新的M25（147Ma）到最老的M32（未确定年龄），经历了多次地磁极性倒转（图1）。
图1 测区附近海域中生代磁异常条带分布图（据Nakanishi和Winterer,1998，有修改）
Fig.1 Distribution of Mesozoic magnetic lineation in round the study sea area
2 磁异常特征
本区磁异常面貌比较简单，类型单一，且形态相似，各个海山大同小异。以MF海山为例，从平剖图（图2）看，测区磁异常呈有规律的条带状，且沿东西向平行排列、正负交替。异常变化梯度较缓，其形态较圆滑。有的磁异常振幅虽高达数百nT，但变化却不很剧烈，异常形态十分宽缓，剖面间可追踪对比。
图2 MF海山磁力异常（△T）平剖图
Fig.2 The MF seamount magnetic anomaly（△T）profile in plan
对比海底地形图（图3）和磁力（△T）异常平面等值线图（图4）可以看出，MF区内磁异常主要发育在内平顶山南北两侧的山坡上，以负值为主，在负值的背景下，局部负异常发育，仅中部即山顶上有两处异常值大于100nT的小正异常；平顶山南、北两侧边缘处形成两大伴生异常。
北伴生异常北正南负，负异常幅值比正异常幅值大，负异常中心较两翼平缓，异常中心极值超过－850nT。南、北两翼陡峭，北翼较南翼陡（平均梯度值达120nT/km），梯度方向向北，其北侧伴有一异常值大于400nT的正异常；南翼较缓（平均梯度值约90nT/km），梯度方向基本向南。
南伴生异常南正北负，负异常亦具有中心较缓，南、北两翼陡峭的特征，且异常幅值比正异常幅值大。异常中心极值超过－850nT；南北两翼梯度值相近，（平均梯度值约为90nT/km），梯度方向近南北向，其南侧伴有异常值大于300nT的正异常。
3 磁异常解释3.1断裂与岩浆活动
断裂是火山岩岩浆活动的通道，海山本身就是火山岩浆沿断裂发生喷溢活动的产物，而磁异常则是岩浆作用的地球物理表征，它是岩浆喷溢后所形成的岩石物性的客观反映。因此，通过地磁异常分析可获知岩浆活动的某些特征与规律，以及岩石的物性差异等（米纳德，1978）。
图3 MF海山地形图
Fig.3 The map of the topographical from of the MF seamount
根据磁异常的异常阶梯带、线性异常带、串珠状异常分布，以及异常被扭曲或断错等特征，可基本推断和确定断裂的分布状况（瓦奎尔，1984）。如图4所示，MF海山大的断裂有两条，属于次级断裂。F1断裂位于海山体北部的平顶山边缘，为EW向断裂；F2断裂位于海山体南部的平顶山边缘，为NE向断裂。断裂位置磁异常发生明显扭曲变化，两侧磁异常走向不同，异常面貌特征和异常振幅等存在一定的差异。
对比海底地形图（图3）和MF海山△T磁异常平剖图（图2）可以看出，MF海山为大型平顶山，山顶平台面积庞大，地形平坦开阔，有一大一小两个山顶平台，而海山的山坡地形陡峭。与之相应的磁异常变化单调，形态圆滑，少有局部发育，表明山顶平台为单火山口*喷溢式形成。控制MF海山两大伴生负异常的磁源体，根据相似的地磁异常形态特征，相近的异常形态幅值，但其磁化方向几乎相反，可认为它们来源于相同的物源，并可能形成于不同时期的分别沿F1和F2断裂的火山喷溢活动。根据海山地形形态和磁异常特征分析，喷溢时熔岩向低洼处流溢。它们形成后经后期构造运动逐渐下沉、沉降过程中，其顶面逐渐被海水侵削而成为平顶山。
图4 MF海山磁力（△T）异常等值线图
Fig.4 Contour magnetic anomaly（△T）of the MF seamount
3.2 正演拟合
从实用的角度出发，正演拟合计算采用似二度体剖面磁力异常计算公式。地科院矿床所研制了一套进行磁力异常剖面解释研究工作的应用软件系统。其主要原理是用计算机模型来模拟地下地质条件，用模型引起的理论异常与实测异常相比较，通过逐步修改模型的形状和物性参数，使理论异常与实测异常相吻合来反演地下地质体的形状或物性参数的目的。可依据一定已知资料反演地下地质体的产状、形态大小、基底起伏和磁性体物性参数。该系统对二度体和似二度体剖面磁力异常的地质解释十分有效，对三度体磁力异常的地质解释亦有一定的参考价值。
伴生异常一般在中纬度地区地下磁性体在斜磁化的条件下产生，并且在北半球具有南正北负的特征，测区位于北纬17°～19°，属中、低纬度区，磁异常背景为负值，与正异常伴生的负异常幅值大，且磁异常分布特征与海山有一定的对应关系。该地区在正常磁化（地磁倾角约15°～20°）条件下，根据磁场公式，沿走向有限或无限延深的单个规则板状体所引起的异常形态，应表现为两正峰夹一负峰，负峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大（罗孝宽等，1991）（图5）。下面根据此特征，通过实测剖面的模拟计算对磁异常进行解释。
图5 沿走向有限延深厚板状体磁异常特征示意图
Fig.5 A sketch showing of magnetic anomaly character thick-platy body along the trend and limited extend
图6是正南北向切割MF平顶山的一个剖面。该地区正常磁化的地磁倾角约15°，异常形态特征表现为两正异常夹一负异常，负峰幅度比正峰幅度大，南正峰幅度比北正峰幅度大。实测异常曲线中，可分为f1和f2两个异常段，f1段表现为两正异常夹一负异常，负峰幅度比正峰幅度大。北段正异常比南段正异常幅值大，但受测线范围*，形态不完整，负异常对应平顶山北侧边缘；南伴生正异常与f1段有重叠。f2段形态与f1段相类似，但磁化方向相反，北正异常与f1段部分重叠，南正异常比北正异常幅值大，受测线范围*形态不完整，负异常对应平顶山南侧边缘。
根据上述分析，可知该剖面异常曲线基本上表现为该地区正常磁化异常的形态特征，根据此特征模拟出磁源体的分布状况（图6），磁异常为两大磁源体所引起，其埋深约2km，为火山喷发的玄武岩。其中f1段磁源体有效磁倾角I为285°，有效磁化强度J为10A/m;f2段磁源体有效磁倾角I为16°，有效磁化强度J为12A/m，为正常磁化。根据磁条带年龄分析，MF海山形成于侏罗纪，海山南北两侧岩石磁性有差异，但差异不大，而有效磁倾角几乎相反，表明南北磁源体在磁场中磁化方向不一致，形成时间也不一样，即发生了一次地磁极性倒转。据此推测南北两大磁源体是不同时期、不同位置的火山沿F1和F2断裂喷发所形成。
4 结论
研究海山基底及邻域洋底的地质构造特征，特别是断裂构造及其分布、岩浆活动规律以及岩石物性等有关的海山结壳的地质构造背景及其演化，为探讨地质构造对结壳生长的控制作用提供依据。
图6 MF-09线磁力异常正演拟合剖面图
Fig.6 Line MF-09 magnetic anomaly interpreted section
通过对调查区磁异常特征进行讨论、计算、解释，可以得出如下结论：MF磁源体形成于侏罗纪，为火山喷发的玄武岩所构成，断裂是火山岩岩浆活动的通道，平顶山是火山岩浆沿断裂发生喷溢活动的产物，磁性基底埋深约2km。f2段岩石磁化方向与该地区现在的地磁倾角较一致，而f1段岩石磁化方向与该地区现在的地磁倾角几乎相反，显然是受地磁极性倒转的影响；磁化强度相互之间有较小的差异，可能是由于该地区火山活动频繁，为不同时期、不同位置、不同类型的火山多次喷发所致。由于大规模火山活动存在，深层熔岩上涌，为结壳的形成提供了丰富的物质来源。调查区拖网资料显示，不同海山样品中的Mn、Cu、Co、Ni含量有较大的差别（朱克超等，1999），这可能与海山体地磁异常所反映的地质构造特征的差异和构造环境的不同，以及与可能的地质发育史和年龄的差异有关。由此可见，地质构造对多金属结壳的生长是具有明显的控制作用的。
从地磁学方面来说，结合海山磁异常特征来研究海山深部构造及火山活动对富钴结壳成矿的影响，特别是结壳基岩层的地质构造及其背景和演化过程对富钴结壳的分布与生长的控制作用，为探讨基岩与结壳分布、厚度、品位之间关系提供依据，从而为进一步地研究磁异常特征与富钴结壳的分布关系，并以此结合地形地貌等地质资料查明结壳分布的边界及矿块尺度，为评价富钴结壳资源提供基础资料。
参考文献
何高文，赵祖斌，朱克超等.2001.西太平洋富钴结壳资源.北京：地质出版社，3～35
罗孝宽，郭绍雍主编.1991.应用地球物理教程——重力磁法.北京：地质出版社，230～248
朱克超，李扬，赵祖斌.1999.麦哲伦海山区MA、MC海山玄武岩基岩的岩石学特征.海洋地质与第四纪地质（4）.北京：科学出版社，11～19
H.W.米纳德著，郝颐寿，谷磊昭译.1978.太平洋海洋地质.北京：科学出版社，211
Nakanishi and Winterer.1998.Journal of Geophysical.103（B6）:12453～12454
V.瓦奎尔著.于联生，杜曾荫，吴铭先译.1984.海底地磁学.北京：科学出版社，132
The Magnetism Anomaly and Its Geological Significance of Mf Seamount in West Pacific
Liang 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
