3D geological modeling of Jiaojia-Sanshandao fault zone in Jiaodong based on comprehensive geophysical constraints: metallogenic characteristics and implications for ore prospecting
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摘要:
焦家和三山岛断裂金矿带是胶东深部找矿取得重大突破的典型地区，但该区的深部地质结构和找矿前景尚不清晰。基于高精度重力、磁法及CSAMT数据综合约束的地球物理三维正反演技术，建立了该金矿带三维地质-物性综合模型。模型展现了与金成矿有关的新太古代变质岩系、中生代花岗岩类和断裂构造的深部三维空间特征，揭示了赋矿的焦家和三山岛断裂产状空间变化特征、深部交会趋势，为进一步开展深部找矿和相关理论研究提供了重要依据。研究认为，基于地球物理正反演的三维地质建模方法适用于地球物理工作程度高、深部地质结构信息相对匮乏的地区，在一定程度上可以提高模型深部结构可靠性，具有一定的推广意义。
Abstract:Jiaojia and Sanshandao fault gold belt is a typical area where great breakthrough has been made in the deep prospecting of Jiaodong area, but the deep geological structure and the prospects for further prospecting are not clear.In this paper, a 3D comprehensive geological and geophysical model of the gold deposit belt is established, which is based on the geophysical 3D forward and inversion technique constrainted by high precision gravity and magnetic data and the CSAMT data.The model shows the deep 3D features of Neoarchean metamorphic rock series and Mesozoic granitoids and fault structures related to gold mineralization, in particular, it reveals the spatial variation characteristics of the attitude of the Jiaojia faults and Sanshandao faults, as well as the trend of their meeting.It provides important evidences for further deep prospecting and related theoretical research.The study shows that the 3D geological modeling method based on geophysical forward and inversion is suitable for the areas where the geophysical work is done more and the deep geological structure information is lacked.It can improve the reliability of the model to a certain extent and has a certain significance of popularization.
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东昆仑构造带位于柴达木地块南缘，是一条经历多期次、不同性质的复杂造山活动而形成的复合造山带[1-7]，其独特的大地构造位置与特殊的构造演化史一直受到地质学者的广泛关注。泥盆纪是东昆仑构造带加里东造山与晚古生代裂陷伸展的转换时期，该期转换事件的主要地质记录是牦牛山组（也称阿姆尼克组、契盖苏群、哈尔扎组、黑山沟组）夹中酸性火山岩的砂砾岩建造。前人曾对该套磨拉石的岩石组合、构造意义等进行了详细的研究，并给出了大量的古生物、同位素年代学证据[1-7]，为本文的研究提供了详实的资料。需要指出的是，东昆仑地区前侏罗纪存在加里东期、海西期—印支期两期规模较大的板块开-合事件，两期造山运动之后均发育夹火山岩的陆相粗碎屑堆积，分别为泥盆系牦牛山组与三叠系纳赤台群。牦牛山组与纳赤台群在岩性组合、构造变形等方面相似，在部分层段地区古生物资料较为匮乏。因此，这2套火山-沉积建造的区分及部分地区地层形成年代的界定均较为困难。前人通过火山岩 U-Pb测年纠正了一些地区地层年代划分的错误[5-7]。从前人发表的锆石 U-Pb测年数据看，其工作集中在大干沟以南地区[2-5, 8]，而大干沟以北鲜有报道，测试样品均来自与砂砾岩伴生的火山岩段或砂砾岩中的火山岩夹层。本文选取大干沟以北上泥盆统上部火山岩及侵入其中的岩体进行岩石学与年代学分析，为东昆仑加里东晚期区域火山活动及构造演化研究提供更加充分的地质证据。
1. 地质概况及样品简介
本次分析、测试的2个样品均采自格尔木以南的大干沟北侧，其中样品DG01采自1∶20万图幅的上泥盆统牦牛山组上部火山岩，样品DG02采自1∶20万地质图中的海西期花岗岩侵入体[①]。GPS坐标：N36°5′54.1″、E94°50′51.7″，海拔高度3336m，点位如图 1所示。区内牦牛山组大面积出露，牦牛山组可分为下部碎屑岩段及上部火山岩段两部分,碎屑岩段主要为灰色-深灰色岩屑质长石砂岩、长石砂岩、含粉砂砂岩夹泥质粉砂岩及少量粗玄岩，底部有一层中粗砾岩；火山岩段为深灰色安山岩、灰绿色玄武岩、灰色-灰紫色流纹岩、英安岩夹火山角砾岩、凝灰岩及细碎屑岩。
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图 1 研究区地质略图及采样点位置（据参考文献[①]修改）QSS—商丹缝合带;Zd—宗务隆构造带;DMS—东昆仑-勉略缝合带Figure 1. Geological map of the study area showing sampling sites样品DG01为蚀变石英粗安质角砾凝灰岩，由晶屑、岩屑、玻屑组成，以2mm以下的凝灰质为主，2mm以上的火山角砾次之（图2-a、b）。晶屑由他形粒状钾长石构成，星散状分布，大小0.1~0.3mm。岩屑为不规则团块状，大小0.2~20mm不等，成分为蚀变粗安岩、蚀变流纹岩等。玻屑外形多消失，局部隐约可见弧面棱角状外形，已脱玻为霏细状长英质，局部绿泥石化。
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图 2 测试样品镜下特征（50倍正交偏光）a、b—大干沟凝灰岩样品 DG01；c、d—大干沟流纹岩样品DG02。Q—石英； Kfs—钾长石；Pl—斜长石Figure 2. Microphotographs of samples from volcanic rocks in Dagangou area样品DG02为蚀变流纹岩，由斑晶、基质构成。斑晶为钾长石、斜长石，星散状分布，自形程度一般，大小0.25~1mm（图 2-c、d）。基质由微粒状长石、石英构成，石英局部重结晶，内嵌星点状钾长石。绢云母、碳酸盐、硅质星散交代基质。在1∶20万图上该地质体被定为海西期花岗岩侵入体，露头上很像细粒花岗岩，但经室内薄片鉴定，其为喷出岩。
2. 测试方法
野外采集新鲜样品1~2kg，在河北省地质矿产局廊坊实验室用常规方法破碎研磨，挑选锆石颗粒。然后将锆石和标样一起粘在玻璃板上，用环氧树脂浇铸，制成薄片并抛光至锆石颗粒厚度的近1/2，拍摄正交偏光和阴极发光照片，清洁并镀上金膜。最后锆石的U、Th、Pb同位素组成分析在北京离子探针中心（SHRIMPⅡ）质谱仪上进行，所用SHRIMP标准样品是TEMORAl锆石，其206Pb/238U值为0.0668，年龄值为417Ma，标准指数为2.00，标准207Pb/206Pb为0.551。每测定2~4个未知年龄锆石颗粒，分析1次标样。在测定年轻锆石颗粒的SHRIMP年龄时，Black等[9]推荐使用TEMORAl锆石标准样品，因为它非常有利于形成高精度连续的IDTIMS 年龄。详细的分析和数据处理方法参考Claesson等[10]、Compston等[11]。由于年轻锆石（小于1000Ma）颗粒中207Pb含量少，造成低计数率和很大的分析不确定性，所以年轻锆石颗粒的定年基本上依据206Pb／238U的比值。本文表 1中所列举的SHRIMP分析数据是每一个锆石颗粒轰击点5次扫描分析结果的平均值，普通Pb校正采用204Pb直接测定法[11]。表中数据误差为1σ，加权平均年龄值误差为2σ。年龄计算中，采用Steiger等[12]推荐的衰变常数。
表 1 大干沟火山岩SHRIMP锆石U-Th-Pb同位素测定结果Table 1. SHRIMP U-Th-Pb dating results for zircons from volcanic rocks in Dagangou area样品 U/10-6 Th/10-6 Th/U 207Pb/206Pb ±% 207Pb/235U ±% 206Pb/238U ±% 206Pb/238U
年龄/Ma207Pb/206Pb
年龄/Ma样品DG01 DG01-1.1 358 181 0.52 0.054 2.7 0.475 3 0.064 1.2 397.3 4.8 378 62 DG01-2.1 577 323 0.58 0.056 1.8 0.486 2.2 0.063 1.2 394.1 4.4 447 40 DG01-3.1 680 421 0.64 0.055 2.5 0.465 2.8 0.061 1.1 384.0 4.2 411 56 DG01-4.1 313 143 0.47 0.054 3 0.457 3.2 0.062 1.3 387.3 4.9 353 67 DG01-5.1 553 288 0.54 0.055 3.6 0.434 3.9 0.058 1.3 361.6 4.5 392 82 DG01-6.1 401 223 0.57 0.057 2.4 0.459 2.7 0.058 1.3 365.4 4.6 496 53 DG01-7.1 518 265 0.53 0.054 2.2 0.426 2.5 0.059 1.2 362.3 4.3 348 51 DG01-8.1 524 270 0.53 0.051 3.2 0.396 3.4 0.059 1.3 356.3 4.4 219 73 DG01-9.1 717 471 0.68 0.055 1.7 0.496 2 0.066 1.1 410.2 4.4 403 37 DG01-10.1 630 445 0.73 0.055 1.8 0.501 2.1 0.066 1.1 410.5 4.4 422 41 DG01-11.1 433 225 0.54 0.054 2.2 0.468 2.5 0.065 1.2 391.2 4.5 382 49 DG01-12.1 697 472 0.7 0.056 2.3 0.529 2.6 0.068 1.1 424.8 4.6 463 51 DG01-13.1 1158 897 0.8 0.059 2.1 0.571 2.4 0.07 1.1 434.7 4.5 582 47 DG01-14.1 406 221 0.56 0.057 2.1 0.503 2.4 0.065 1.2 403.4 4.7 472 46 DG01-15.1 600 324 0.56 0.056 3.3 0.506 3.5 0.065 1.3 408.0 5.1 461 73 DG01-16.1 467 267 0.59 0.057 2 0.502 2.3 0.064 1.2 400.0 4.6 489 43 DG01-17.1 620 352 0.59 0.054 1.6 0.487 1.9 0.065 1.1 405.6 4.4 387 36 DG01-18.1 594 319 0.55 0.055 1.7 0.556 2.1 0.073 1.2 455.4 5.2 414 39 样品DG02 DG02-1.1 553 280 0.52 0.054 3.7 0.493 3.9 0.066 1.2 411.6 4.8 380 83 DG02-2.1 466 243 0.54 0.056 4.3 0.509 4.4 0.066 1.2 411.4 5 452 95 DG02-3.1 489 239 0.5 0.054 3.8 0.491 4.2 0.066 1.7 412.9 6.7 366 86 DG02-3.2 386 230 0.61 0.059 2.7 0.531 3 0.066 1.3 410.5 5 552 59 DG02-4.1 650 395 0.63 0.053 2 0.487 2.3 0.067 1.2 417.4 4.7 322 45 DG02-5.1 528 256 0.5 0.056 2.3 0.497 2.6 0.064 1.2 400.9 4.6 460 52 DG02-6.1 626 339 0.56 0.056 2.8 0.514 3 0.066 1.1 413.8 4.6 462 62 DG02-7.1 665 389 0.61 0.058 3.8 0.557 4 0.069 1.1 431.5 4.7 543 83 DG02-8.1 530 271 0.53 0.056 1.9 0.502 2.2 0.065 1.2 403.4 4.6 468 42 DG02-9.1 488 267 0.56 0.056 2.2 0.491 2.5 0.064 1.2 397.1 4.5 456 49 DG02-10.1 567 294 0.54 0.056 2.5 0.495 2.7 0.065 1.2 404.1 4.5 434 55 DG02-11.1 567 292 0.53 0.058 1.7 0.517 2.1 0.064 1.1 402.4 4.5 536 37 DG02-12.1 634 386 0.63 0.055 2.4 0.511 2.6 0.067 1.2 419.3 4.8 418 53 DG02-13.1 382 180 0.49 0.056 3.3 0.498 3.5 0.065 1.2 403.7 4.8 450 73 DG02-14.1 651 410 0.65 0.053 2.5 0.498 2.8 0.068 1.1 421.6 4.6 347 57 DG02-15.1 647 357 0.57 0.055 1.9 0.491 2.2 0.065 1.1 407.5 4.4 395 43 DG02-16.1 529 279 0.55 0.055 2.2 0.497 2.5 0.066 1.2 411.2 4.6 401 50 3. 测试结果及解释
3.1 锆石特征
大干沟2个样品的锆石，颗粒裂缝不甚发育，自形程度较好，多为短柱状、长柱状晶体，少部分呈不规则粒状。阴极发光图像较暗，颗粒多为灰黑色，可能是U含量较高所致。锆石长100~300μm，宽80~160μm，长宽比为3∶1~1∶1。CL图像显示，大多数锆石内部结构较为清晰，发育岩浆振荡环带（图 3），表现出典型的岩浆锆石特征，属于岩浆结晶的产物[10, 13-14]。其中少数锆石核部存在早期继承锆石（如图 3中6.1），故在实验分析中尽量选择锆石边部岩浆环带发育的地区进行测试。
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图 3 大干沟火山岩锆石CL图像、测点位置及年龄Figure 3. CL images of the zircons from the Dagangou volcanic rocks对 DG01与 DG02样品的34颗锆石进行了35次分析，测试结果如表 1所示。除DG01中1个点U含量达到1158×10-6、Th含量为897×10-6外，2个样品其余34次锆石测试结果的U、Th含量分布范围较一致（图 4）。这些测试结果中，U含量介于382×10-6~717×10-6之间，Th含量介于180×10-6~471×10-6之间，U、Th平均值分别为566×10-6、324×10-6，Th／U值为0.47~0.8。Th-U图解（图 5）显示，全部35个测点拟合性极好，Th、U具有极为明显的正相关性，相关系数达0.94。测试锆石的Th、U含量较高且Th、U具有极好的正相关性，Th／U值均大于0.4，绝大多数大于0.5，显示了岩浆成因锆石的特征[16-18]。
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图 4 大干沟火山岩样品锆石U-Pb年龄谐和图Figure 4. Zircon U-Pb concordia diagram of the testing samples from the Dagangou area3.2 SHRIMP锆石U-Pb年龄
对样品 DG01的18颗锆石颗粒进行18次分析（表 1），18个岩浆成因锆石颗粒206Pb/238U的年龄分布于356.3~455.4Ma之间（图 4），其中4个分析点（5.1、6.1、7.1、8.1）给出相对集中的、经过204Pb校正后的206Pb/238U年龄加权平均值361.3土4.3Ma（MSWD=0.72）。其余分析点（除13.1、14.1和18.1）给出的206Pb/238U年龄较为集中，分布在384.0±4.2~410.5±4.4Ma范围内，经204Pb校正后的206Pb/238U年龄加权平均值为403.6土5.1Ma（MSWD=1.8）。
对样品 DG02的16颗锆石颗粒进行了17次分析（表 1），其中对3号锆石进行了2次分析。结果显示，除分析点7.1和14.1与其他年龄值差别较大外，其他分析点一致性较好，15个年龄值经过204Pb校正后206Pb/238U年龄加权平均值为409.0±3.4Ma（图 4）。
4. 讨论
4.1 牦牛山组的形成时代
东昆仑大干沟地区牦牛山组火山岩的锆石UPb年代学研究显示，35次206Pb/238U年龄分析中28个数据点集中分布，认为样品DG01和DG02锆石206Pb/238U年龄加权平均值分别为403.6土5.1Ma和409.0±3.4Ma，相当于早泥盆世Emsian期及Pragian期。这2个年龄也反映出样品DG01凝灰岩形成时间稍晚于DG02流纹岩的喷出时间，从形成时代上证实样品DG02流纹岩应位于样品DG01石英粗安质角砾凝灰岩之下。2个火山岩样品的形成年龄均表明，牦牛山组火山岩为加里东晚期岩浆活动的产物。虽然本次测试仅从单剖面获取样品，但岩石学及年代学证据暗示，研究区内原厘定为海西期的花岗岩实际上应为加里东晚期火山岩。前人对该区加里东期岩浆活动研究发现，与牦牛山组伴生的中酸性岩浆岩均不是花岗岩，而是英安斑岩[8]、流纹岩[2, 5-6]等火山岩，这与本文的认识一致。
早期1∶20万地质填图和综合研究表明[2, 19-20]，牦牛山组广泛分布于中、南祁连山及柴达木盆地周缘，其下部碎屑岩组由砾岩和砂砾岩磨拉石建造组成，上部火山岩组由火山岩及细碎屑岩组成。用于确定地层时代的化石主要采自火山岩组上部沉积岩夹层，如在埃姆尼克和牦牛山上部细碎屑岩中采到植物化石Leptophloeum rhombicum,Sublepidoden-dron mirabile,Cyclostigma kiltorkense，鱼化石Bothrio-lepinae?等 [2, 18]，由于上述化石多是晚泥盆世标准或常见分子，故认为牦牛山组的地层时代为晚泥盆世，并可能延伸至志留纪[2]。凝灰岩样品DG01中206Pb/238U年龄加权平均值为361.3±4.3Ma的4个较年轻的岩浆锆石的存在，说明牦牛山组火山岩段存在泥盆纪多期火山活动的地质记录，该阶段火山活动贯穿泥盆纪。文中2个火山岩样品锆石U-Pb年龄表明，牦牛山组起始沉积时限应不晚于早泥盆世。前人测得的牦牛山组内最老火山岩数据为423.2±1.8Ma[3]，综上认为，牦牛山组形成时代上限应为晚志留世—早泥盆世，其火山活动持续了整个泥盆纪（423.2~361.3Ma）。
4.2 东昆仑加里东期造山作用的结束
出露完整的剖面均可见牦牛山组与元古宇构造岩片角度不整合接触（图 1），该不整合是加里东期造山运动在研究区的重要地质表现。牦牛山组磨拉石建造认为是早古生代加里东期造山作用结束的标志[1, 20-21]。野外观察发现，牦牛山组砾岩层砾石颗粒较大，成分复杂，其中含大量长石、岩屑等近物源沉积特征的碎屑成分，岩屑为安山岩、流纹岩等中酸性火山岩，物源应来自邻近的东昆仑构造岩浆带，表明东昆仑加里东期造山带开始遭受剥蚀。然而磨拉石建造可以形成于多种构造环境[22]，东昆仑泥盆纪黑山沟组、哈尔扎组和牦牛山组形成于滨浅海相沉积环境，为典型的伸展型磨拉石建造[23]，故牦牛山组磨拉石的沉积时代反映了加里东期造山后伸展裂解的开始。同时刘彬等[24]在东昆仑冰沟地区发现了206Pb/238U 年龄加权平均值为391±3Ma的A型花岗岩，地球化学特征显示其为加里东期造山后伸展阶段的产物。综上所述，早古生代加里东期造山运动在晚志留世—早泥盆世已经结束。
5. 结论
（1）大干沟地区牦牛山组流纹岩和凝灰岩样品锆石U-Pb年龄分别为403.6土5.1Ma和409.0±3.4Ma，为加里东晚期岩浆活动的产物。结合前人测得的牦牛山组内最老火山岩数据(423.2±1.8Ma)，认为牦牛山组形成时代上限为晚志留世—早泥盆世。
（2）凝灰岩样品DG01中206Pb/238U年龄加权平均值为361.3±4.3Ma的4个较年轻的岩浆锆石的存在，意味着牦牛山组火山岩段存在泥盆纪多期火山活动的地质记录，该期火山活动持续了整个泥盆纪。
（3）大干沟地区牦牛山组为伸展型磨拉石建造，其形成年龄说明早古生代加里东期造山作用在晚志留世—早泥盆世已经结束。
致谢: 山东省地质矿产勘查开发局首席专家宋明春研究员对本文进行了详细修改，匿名审稿专家提出了宝贵的意见建议，特此感谢。 -
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图 1 焦家-三山岛断裂金矿带地质略图
Figure 1. Geological sketch map of the Jiaojia-Sanshandao fault gold belt
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图 2 3D地质模型构建中的基础数据
a—CSAMT测量解译3D地质组合剖面; b—CSAMT测量视电阻率断面3D组合剖面
Figure 2. Basic data in the construction of 3D geological model
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图 3 重力场3D正演误差控制示意图
Figure 3. Error control sketch map of gravity field 3D forward modeling
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图 4 焦家-三山岛断裂金矿带3D地质模型
Figure 4. 3D geological model of Jiaojia-Sanshandao fault gold belt
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图 5 新太古代变质岩系多角度3D视图
Figure 5. Multi-angle 3D view of Neoarchean metamorphic rock series
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图 6 中生代花岗岩类及断裂构造3D视图
a—中生代花岗岩类230°3D视图;b—中生代花岗岩类与断层交切关系45°3D视图;F1—焦家断裂带; F2—三山岛断裂带;F3—西由断裂;F4—后邓家断裂;F5—招贤断裂;F6—苗家断裂
Figure 6. 3D view of Mesozoic granitoids and fracture structures
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图 7 控矿断裂3D视图
a—焦家断裂3D视图; b—三山岛断裂3D视图; F1—焦家断裂; F2—三山岛断裂
Figure 7. 3D view of ore-controlling fracture
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图 8 三山岛和焦家断裂深部关系3D视图
Figure 8. 3D view of the deep relationship between Sanshandao fault and Jiaojia fault
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图 9 △g反演综合剖面图(图中数字为重力反演密度取值，单位kg/m3)
a—重力异常反演曲线; b—地震-重力综合解译剖面
Figure 9. Comprehensive section of the △g inversion
表 1 重磁电3D正反演原始数据
Table 1 Original data of the gravity- magnetic - electric 3D forwoard and inversion
数据类型 数据名称 比例尺 3D模型构建基础数据 地表高程数据 1∶5万 区域地质图 1∶5万 20~300线CSAMT测量地质解译剖面 1∶1万 3D模型构建约束数据 地质矿产图 1∶1万 矿区钻孔资料 — 已知地质剖面 1∶5千/1∶2千 布格重力等值线图 1∶5万 磁法测量△T等值线图 1∶5万 CSAMT测量视电阻率等值线图 1∶5万 重磁3D正反演基础数据 布格重力数据(egs) 1∶5万 磁法测量△T数据(egs) 1∶5万 物性数据 — 
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表 2 参与建模的断层系统特征
Table 2 Characteristics of fault system involved in modeling
断裂编号 分布位置 构造地质特征 备注 F1 新城、朱桥、 走向NE35°，倾向NW 焦家断裂、控矿断裂 F1-1 大琅埠- 小矫家 走向NE35°，倾向NW 焦家断裂南延 F2 潘家屋子- 三山岛 走向NE40°，倾向SE 三山岛断裂、控矿断裂 F3 过西-后坡 走向NE40°，倾向SE 西由断裂 F4 后邓家- 新立村东 走向NE40°，倾向SE 推断位置与蚀变带对应 F5 大官庄、招贤、大原镇一线。 走向NE40°，倾向NW 推断断裂 F8 丘家、小张家、沙埠一线 走向NE35°, 倾向SE 推断断裂，中部与已知断裂重合
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Table 3 Density and magnetic susceptibility parameters of modeling geological bodies
地质单元 密度/(103 kg·m-3) 磁化率/(10-6 4πSI) 变化范围 常见值(取值范围) 变化范围 常见值(取值范围) 海水 - 1.02 - 0 第四系 1.44~1.93 1.7 - 0 古元古代变质地层 2.69~3.31 2.75~2.82 0~3055.22 0~350 中生代花岗岩类 2.49~2.74 2.55~2.65 0~3436.18 10~800 新太古代变质岩系 2.63~2.75 2.67~2.73 6.25~897.95 20~600
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