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南岭地区是我国乃至世界上最重要的稀有、有色金属矿业基地之一,长期以来为国民经济的发展做出了重大贡献,但是经过连续多年的大力开采后,包括西华山在内的很多老矿山基地都面临着资源枯竭、行将闭坑的危机;以往丰富的地质研究成果认为该区成矿条件优越,矿产资源丰富,深部找矿潜力巨大。众所周知,开展深部地球物理探测研究是该地区取得深部找矿突破的重要技术手段,位场勘探作为地球物理的重要分支,理论成熟,应用广泛,在深部构造认识、断裂划分以及地质体空间侵位特征反演等方面具有良好的应用效果,是当前研究区数据资料最为丰富且行之有效的主要物探方法之一;以往前人做了大量的基础性研究工作,但缺乏利用视密度成像、人机交互反演等新方法建立花岗岩侵入体的地质地球物理模型,且未见利用物探资料对南岭地区花岗岩的诱发热源以及成因模型等基本问题进行探讨和分析。
本文首先介绍了南岭地区区域地质成矿背景,整理归纳了研究区岩石与地层的物理性质资料;其次,利用1∶20万重磁数据,通过向上延拓、滑动平均以及小波多尺度分解等方法,提取和识别研究区浅部和深源重磁场,定性地分析解释不同深度层源花岗岩侵入体与深部构造的重磁异常特征;在此基础上,利用小波断裂分析方法划分了区内不同规模断裂体系,创新性地提出了小波多尺度分解与边界识别方法相结合-“多尺度位场边界分析”的新思路,应用于研究区半隐伏-隐伏-深源花岗岩体的多尺度边界识别,并通过视密度成像和人机交互反演,来揭示花岗岩侵入体的深部延深、赋存等空间侵位特征,建立了千里山、九嶷山岩体的3D地质-地球物理模型,同时对区内其他代表性岩体进行了2D反演,最后结合部分大地电磁和地震资料,综合地质地球物理认识成果,对南岭花岗岩诱发热源、成因模型等基本问进行了探讨。
论文的主要认识及成果:
1.花岗岩局部重力异常的时-空分布特征
通过滑动平均、小波多尺度分解提取的花岗岩剩余重力异常信息,以茶陵-郴县断裂为界,呈现明显分区特征,研究区北西部位岩体局部重力异常较大,变化范围-14~-27mGal不等,南东地区较小,变化范围-8~-20mGal不等;而且不同时期花岗岩剩余重力异常信息也存在一定差异,早期花岗岩比晚期花岗岩的重力负异常值要大;说明北西区花岗岩形成时间较早,岩体较厚或者密度较小。
2.断裂体系划分
根据重磁场特征,利用不同方向水平导数以及小波断裂分析,划分了南岭地区的断裂体系,指出了隐伏断裂、深大断裂的分布特征,并结合以往大地电磁和地震测深结果,指出了研究区的岩石圈断裂2条:城步-桃江断裂、常德-安仁断裂,莫霍面断裂5条:茶陵-郴州断裂、赣州-韶关断裂、大义山-郴州-大宝山断裂等。并指出古俯冲带地幔楔与莫霍面断裂部位是花岗岩的重要控制因素,岩浆主要沿深大断裂上涌至上地壳,线性断裂交汇处是岩浆侵入的有利通道,花岗岩体靠近断裂分布,并对应于重力异常的梯度带。
3.南岭花岗岩侵入体的地质地球物理模式
利用导数类边界分析和视密度填图确定了研究区花岗岩体的隐伏边界范围,并结合小波多尺度分解2~5阶细节和视密度填图方法,对研究区三维视密度分布进行反演计算,得到了半隐伏-隐伏-深源花岗岩侵入体的分布模式,揭示了大岩体深部皆存在岩基,东南区岩体沿着小通道上涌形成岩盖,产状岩盖-小岩体-大岩基;北西区岩体侵位较深,剥蚀较浅,产状为小岩体-大岩基。反演结果显示南岭花岗岩厚度一般为6~15km,少数接近20km;薄岩体一般比厚岩体宽度大,如越城岭岩体宽度为45km,厚度仅6km,而大义山岩体宽度26km,厚度可达22km。
4.南岭花岗岩的诱发热源及成因模式
根据重力和大地电磁反演结果,南岭地区大多数岩体深部侵位不超过25km,属于无根花岗岩,成因以陆壳重熔为主。在燕山运动早期太平洋板块向华夏板块的俯冲过程中,岩石圈减薄,软流圈上涌及玄武岩浆底侵提供的热源导致壳内原岩的部分熔融,从而形成燕山早期的南岭花岗岩带。根据重电震资料提供的论据,郴州地区上地幔顶部存在软流圈上涌形成的低密度、低速以及低阻残留岩浆房,推测该岩浆房岩浆底侵烘烤中下地壳原岩,导致部分熔融形成以诸广山-万洋山为中心的陆壳重熔区,成为周围中生代岩浆大爆发的发源地;此外,推测猫儿山-越城岭地区中下地壳位置也存在大规模低密度、低速陆壳重熔区。