Question

中国主要金属成矿带的地球物理分析

Answer 1

杨文采

（中国地质科学院地质所，北京　100037）

侯遵泽

（地质矿产部物化探研究所，河北廊坊　065000）

摘要　特大矿床的成矿域与地壳生成早期的动力学与化学作用的不均匀性有关。测量化学元素的丰度已证明地壳物质分布的不均匀性。根据大陆深钻与超深钻的研究和全球地学断面等资料，我们发现这些成矿域的特征是在上地壳较高的平均密度，而根据重力资料并应用小波变换多尺度分析等新处理反演技术，则可以确定地壳的高密度区。将中国布格重力数据作多尺度分析之后，结合地质认识作出了中国特大型矿床成矿域的预测。

关键词　小波变换　多尺度分析　重力　特大型矿床　中国

1　特大型矿床的地球物理特征

本文的目标旨在根据地球物理资料预测特大型重金属矿床。多年来，地球物理学家已应用了一些间接找矿的准则，如圈定断裂带作为可能的金属成矿带的标志等。这些间接找矿标志常常有参考价值而且到处可用，但是由于特大型矿是非常稀少的，找到它们的概率也极低，因此这些间接大众化的找矿准则对它未必有效。我们去找一些与特大型成矿有直接联系的地球物理特征。从地球化学调查中取得的一个启发是：围绕特大型铜、金矿周围这些元素的丰度都很大，形成范围较大的成矿域。据此我们推测这些特大型矿周围的上地壳的质量与密度分布也很不均匀，这个特征可利用来圈定特大型金属成矿域。

原苏联大陆科学钻探的数据见图1^[1,2]，我们发现大多数成矿带的地球物理特征包括：地壳最上部高密度（＞2800kg/m³）和高纵波速度（6km/s以上）。在科拉、乌拉尔、木龙套等矿域具有高密度及高波速的特征。基于全球地学断面资料的分析也得出相当的结论。例如，内蒙古满都拉—江苏响水地学断面的白云鄂博特大型矿段，地壳存在很高的密度（图2），即2810～2950kg/m³。同时，在成矿域附近地壳顶层的横波速度也可能较高（如＞3.7km/s），而其它地区则大约为3.5km/s。

为什么特大型大型矿床会与高密度地壳有关？这是个复杂的问题，其中至少有一个原因，即特大型金属矿床需要大量的重金属物质供应，而重金属物质通常密度高，原始地壳经历了陨石冲击或地壳早期的火山爆发，以及熔融地幔物质的侵入或洋壳的推覆，这些活动促成特大型成矿域初型的形成。

图1　原苏联大陆科学钻探场地上地壳物理参数

图2　满都拉—响水地学断面西段重力反演的密度剖面^[3]

图上数值单位为g/cm³

图3　小波变换的合成模型

a—平面图；b—断面图；c—合成重力异常；d—多尺度分析后小波细节D₁-D₃差值

D₁,D₂,D₃,D₄分别为一阶、二阶、三阶小波细节和四阶逼近

2　上地壳高密度区的圈定

布伽重力异常场的来源是岩石圈不同深度的物质不均匀性。过去常把它分解为区域异常与剩余异常，但这种分解并不严格，并不能真正反映地壳上部的密度不均匀性。为此，必须有新的分解重力场的方法，把上地壳不均匀与莫霍面起伏引起的重力异常分解开。小波变换就是一种适合的新数学工具^[4～6]，可用它进行足够精确的重力场分解。

在小波变换理论中，尺度分解是通过伸缩和平移选择的子波并用它与重力数据褶积来实现的。Meyer和Mallat导出了多尺度分度分析的概念，并给出其中构造正交小波基的方法和快速小波变换算法^[7]。我们曾把这一强有力的工具扩展到二维情况并应用于不同尺度的重力异常的分解^[8]。由于上地壳物质产生的重力异常尺度较小，它们通常对应于一阶小波细节。如果质量分布越深，如莫霍面起伏的深度，重力异常的分布范围变得越大，它们与高阶小波细节对应。图3a与b表示一个简化的地壳模型，包括一个莫霍面的台阶和上地壳的高密度体，它们共同产生的异常示于图3c，应用多尺度分析之后我们得到了1～4阶小波细节（用D₁—D₄表示），并示于图4。一阶小波细节基本上反映上地壳物体，但仍然含有莫霍面起伏的影响，后者主要体现在三阶小波细节上。将一阶小波细节减去三阶小波细节（D₁—D₃），其差较准确地反映出上地壳的物质分布，见图3d。

图4　图3c的重力场的小波细节说明见图3

3　中国上地壳密度分布

在中国境内1°×1°的网格上取出万余个布格重力数据，并将它进行多尺度分析，其二维小波变换及多尺度分析算法见文献[7]。由此得到的中国重力小波细节D₁—D₃的正值部分见图5，它表示上地壳的重物质分布；而负值部分示于图6，表示上地壳的轻物质分布，它与中国含油气沉积盆地吻合很好。这是因为，中国陆相含油气盆地为中新生代的拉张盆地，具有上地壳低密度的属性。

图5　重力小波细节之差（D₁-D₃）的正值部分

如图5所示的D₁-D₃正异常细节主要位于造山带及其边缘，把它与中国已知的大型特大型矿床对比（图7），可清楚地看出这些矿床在空间上与上地壳的高密度区相关。仔细分析后知，D₁-D₃异常细节的高梯度带，尤其是其中曲率大的地方与大型特大型成矿域吻合最好。因此，我们可用这两个特征作为预测中国特大型成矿域的准则：D₁—D₃的梯度带和弯曲区。据此取得的预测图见图8。

此种预测图提出了在中国勘查金属矿床的新视角，即根据上地壳的密度分布和重物质的供应量（它们可能反映原始地壳物质分布的不均匀）来发现成矿域。现在看来，在太古宙以后，矿化主要发生在板块边缘地带或裂谷。板块碰撞和地幔物质上涌是与造山－成矿作用伴随发生的。如果这些后期活动带穿过原始地壳高密度带，就极有可能发育特大型金属矿床。因此，上地壳高密度带应与特大型成矿域相关。这一相关性可用于勘探战略。

图6　重力小波细节之差（D₁-D₃）的负值部分

图7　（D₃-D₁）正值域与已知大型特大型矿床的比较

图8　中国特大型金属成矿域的地球物理预测图

参考文献

[1]　Krementsky,A.A..Models and cross-section of the earth’s crust based on superdeep drilling data of the USSR.Ministry of Geology of the USSR,Moscow,1991.

[2]　Yang Wencai.Partition of crustal density structure of chinese continent.Continental dynamics,1996,2:94～103.

[3]　马杏垣，刘昌铨，刘国栋主编．江苏响水至内蒙古满都拉地学断面说明书．北京：地质出版社，1991.

[4]　Daubechies,I..Orthogonal bases of compactly eupported wavelets.Comm.Pure Applied Math．,1988,41:909～996.

[5]　Daubechies,I..Ten Lectures on Wavelets.Capital City Press,Montpelier,Verment,1992.

[6]　Mallat,S.G..A theory for multiresolution signal decomposition:the wavelet representation.IEEE Tran.Pattern Analysis and machine intelligence,1989,11,（7）:674～693.

[7]　Mallat,S.G．,Hwang,W.L..Singularity detection and processing with wavelets.IEEE trans.Infor.Theory,1992,38:617～643.

[8]　侯遵泽，杨文采．中国重力场的二维小波变换与多尺度分析．地球物理学报，1997,40（1）:85～95．