基于重力測(cè)量的火山地質(zhì)遺跡調(diào)查
——以河北海興小山火山為例

祁程，楊明，謝明宏，張偉，劉波，魏濱，趙叢，艾虎，焦智偉

（核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

由于太平洋板塊向亞洲板塊不斷俯沖擠壓，新生代以來(lái)，在亞洲板塊東部產(chǎn)生一系列NNE 向剪壓性（右旋扭動(dòng)）構(gòu)造和與之共軛的NW 向剪張性（左旋扭動(dòng)）構(gòu)造（包漢勇等，2013），導(dǎo)致大規(guī)模火山噴發(fā)，在中國(guó)東北、華北陸緣形成大規(guī)模的NW 向火山噴發(fā)帶（楊海斌等，2016；唐杰等，2018；朱日祥和徐義剛，2019；李三忠等，2019；田有等，2019）。

河北省海興小山火山即位于該噴發(fā)帶內(nèi)，是中國(guó)東部濱海平原僅有的兩個(gè)晚第四紀(jì)火山遺跡之一（邵時(shí)雄等，1983；河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989），與位于山東省濱州市的大山火山是姐妹山，記錄了距今248 萬(wàn)年第四紀(jì)以來(lái)一直活動(dòng)的火山地質(zhì)遺跡。

小山火山地質(zhì)記錄完整，期間穿插有海相、河流相沉積，該火山在全新世以來(lái)依然有活動(dòng)，是華北平原最后一個(gè)活動(dòng)的火山（尹功明等，2013），對(duì)研究區(qū)域古氣候演化、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與火山活動(dòng)的關(guān)系、地層劃分對(duì)比、生態(tài)環(huán)境地質(zhì)等課題，尤其是對(duì)研究渤海西岸地質(zhì)演化及海進(jìn)海退規(guī)律有重要意義（馮金良，1997；鄧起東等，2001；姚政權(quán)等，2006；胥勤勉等，2011）。小山雖不及五岳之險(xiǎn)峻，但其典型性、多樣性和自然性，實(shí)屬平原地區(qū)獨(dú)有，國(guó)內(nèi)罕見，是具有獨(dú)特科學(xué)價(jià)值和重要社會(huì)生態(tài)價(jià)值的地質(zhì)遺跡區(qū)，受到省內(nèi)外地學(xué)界的關(guān)注，2003 年被河北省政府批準(zhǔn)為省級(jí)火山地質(zhì)遺址自然保護(hù)區(qū)。

前人主要利用古地磁學(xué)（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1989；姚政權(quán)等，2006；肖國(guó)橋等，2008；施林峰等，2009）、常規(guī)14C（田文法等，1991；王強(qiáng)等，2008）、加速器質(zhì)譜（AMS）14C（閻玉忠等，2006）、電子自旋共振（ESR）（尹功明等，2013）、40Ar/39Ar（裴軍令等，2015）等技術(shù)方法對(duì)小山一帶的火山噴發(fā)年代及地層劃分做了研究。最近幾年，省、市、縣國(guó)土部門和地質(zhì)勘查、水文勘查單位也圍繞城市建設(shè)、地?zé)峥辈椤h(huán)境地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)等做了一些區(qū)域性工作①②③④⑤⑥⑦⑧⑨，但地質(zhì)遺跡調(diào)查方面的工作仍不夠充分，保護(hù)管理尚處于起步階段，缺乏系統(tǒng)、完整的基礎(chǔ)性研究資料，在一定程度上制約了地質(zhì)遺跡開發(fā)利用及保護(hù)。筆者本次利用重力剖面測(cè)量的方法對(duì)小山火山地質(zhì)遺跡深部特征進(jìn)行調(diào)查，深化了對(duì)該保護(hù)區(qū)的科學(xué)認(rèn)識(shí)，為促進(jìn)和保障當(dāng)?shù)刭Y源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)資料。

1 小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)概況

1.1 生態(tài)地理概況

小山又名馬騮山，地處渤海之濱，北望京津，趾觸滄州大港，距海興縣城約9 km。小山火山地質(zhì)遺跡自然保護(hù)區(qū)面積13.81 km2，小山、山后山、饃饃山依次排列于東、北、西三側(cè)。受風(fēng)化、剝蝕作用，三座山丘山頂形成剝蝕殘丘，山麓形成殘坡積臺(tái)地地貌景觀，山間合圍形成一塊直徑2 km 左右的碟形洼地，中心較低處海拔2.8 m，夏季積水形成月角湖，冬春干涸形成灘涂，其地下為一掩埋的古火山口，已由2004 年前的鉆探剖面證實(shí)（尹功明等，2013）。

保護(hù)區(qū)劃分為核心區(qū)（地質(zhì)剖面大類為主的火山碎屑沉積地層剖面保護(hù)區(qū)）、緩沖區(qū)（地貌景觀大類為主的火山碎屑堆積地貌保護(hù)區(qū)）和實(shí)驗(yàn)區(qū)（水體景觀大類為主的沼澤濕地景觀保護(hù)區(qū)）三部分（圖1）。核心區(qū)分布于小山鄉(xiāng)西、山后村南及李良志村北，為火山剝蝕殘丘及火山殘坡積臺(tái)地，面積0.91 km2，高程4.8～22.8 m，最高處34.8 m；緩沖區(qū)分布于核心區(qū)外圍周邊，面積2.03 km2，將核心區(qū)與自然保護(hù)區(qū)外界及實(shí)驗(yàn)區(qū)相隔；實(shí)驗(yàn)區(qū)分布于緩沖區(qū)外圍，對(duì)核心區(qū)起到進(jìn)一步緩沖作用，區(qū)內(nèi)有掩埋活火山口、牧草地及國(guó)家級(jí)基巖標(biāo)，面積10.87 km2。

圖1 小山火山地質(zhì)遺跡自然保護(hù)區(qū)平面圖

1.2 地質(zhì)概況

河北平原古生代早期是一片汪洋，中生代環(huán)太平洋運(yùn)動(dòng)使海興南部上升隆起為埕寧隆起的一部分，北部至黃驊境內(nèi)形成黃驊坳陷的一角（圖2），隆起與拗陷之間發(fā)生斷裂，并伴有巖漿活動(dòng)。第四紀(jì)初，巖漿活動(dòng)由弱漸強(qiáng)，中更新世晚期火山噴發(fā)，基性火山巖沿構(gòu)造薄弱地段緩慢噴出地表，火山噴發(fā)的巖漿、巖屑在地表形成方圓10 km 左右的盾形火山穹丘，隨地殼下沉，穹丘周圍被河流沖洪積物、湖積、海積物碎屑覆蓋，山丘頂部遭受剝蝕，形成現(xiàn)代的小山及山前洼地。

河北平原存在5 期火山活動(dòng)（邵時(shí)雄等，1983；胡云壯等，2014；裴軍令等，2015）（表1），火山巖呈現(xiàn)多層不連續(xù)分布，除新近系為安山凝灰角礫巖外，第四系全為基性火山巖，以基性粗凝灰?guī)r、巖屑-晶屑-玻璃凝灰?guī)r和層凝灰角礫巖為主，還有少數(shù)橄欖玄武巖、杏仁狀橄欖玄武巖。在火山巖附近還可見到混入20%以下火山碎屑的凝灰質(zhì)沉積物。上更新世末噴發(fā)沉積層凝灰?guī)r和層角礫凝灰?guī)r在小山一帶露出地表，其它各層火山巖均見于鉆孔之中。

圖2 渤海灣西岸地質(zhì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D（據(jù)裴軍令等，2015）

表1 河北平原第四紀(jì)火山活動(dòng)分期表

2 區(qū)域地球物理特征

2.1 物性參數(shù)特征

小山一帶第四系及植被發(fā)育，火山碎屑巖露頭不佳，部分鉆孔資料揭露下部為玄武巖，中部見變質(zhì)巖片麻巖和淺粒巖。

從收集的物性參數(shù)（表2）可以看出，玄武巖磁性遠(yuǎn)大于變質(zhì)巖，是本區(qū)主要磁性巖石。片麻巖和淺粒巖磁化率相近，均屬中等磁性，變異系數(shù)也接近，說(shuō)明這兩類巖石磁化率不均勻性也無(wú)顯著差異；二者的剩余磁化強(qiáng)度則差異較大，片麻巖屬于強(qiáng)磁性，且剩磁大于感磁，Q值高達(dá)3.81；而淺粒巖由于暗色礦物含量較少，剩磁相應(yīng)較小，為中等磁性，且以感磁為主，Q值小于1。密度上看，片麻巖和淺粒巖基本沒有差別。

2.2 區(qū)域重力異常特征

在區(qū)域布格重力異常圖（圖3）上，26×10-5m/s2等值線圈閉呈不規(guī)則的橢圓狀，長(zhǎng)軸近東西向，長(zhǎng)35 km，寬20 km，極大值30×10-5m/s2。異常中心在海興縣城至香坊之間，絕大部分在河北省境內(nèi)。布格重力異常的西部和南部均為等值線密集的梯度帶，表明這2 個(gè)方向上均有斷裂存在，西部和南部基底巖層相對(duì)下陷。

表2 物性參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 海興縣區(qū)域布格重力異常圖

3 工作方法及部署

3.1 工作方法

使用加拿大產(chǎn)CG-5 型全自動(dòng)陸地重力儀，該儀器測(cè)量時(shí)自動(dòng)進(jìn)行漂移改正、傾斜改正、地震濾波和溫度補(bǔ)償，分辨率0.001 mGal，精度0.005 mGal。

工作前，對(duì)儀器進(jìn)行了漂移系數(shù)、偏移量、靈敏度調(diào)整。在北京靈山國(guó)家格值標(biāo)定場(chǎng)做了格值標(biāo)定，經(jīng)過(guò)標(biāo)定，本次工作所用儀器讀格差平均值為105.254×10-5m/s2，格值K為0.999556，相對(duì)均方誤差ε為±0.0000278×10-8m/s2，格值相對(duì)變化為1/2209。

在平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)、無(wú)風(fēng)的場(chǎng)地進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)，算得掉格為-41.4332×10-8m/s2，掉格率為1.71811×10-8m/s2/h。

表3 布格重力異常總精度及誤差分配表

在駐地附近穩(wěn)固無(wú)振動(dòng)干擾的地方進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)兩點(diǎn)間高差9 m，重力差值2.35×10-5m/s2。計(jì)算觀測(cè)均方誤差為0.007×10-5m/s2，遠(yuǎn)小于本次工作測(cè)點(diǎn)重力觀測(cè)均方誤差的1/2（表3）。

采用單臺(tái)儀器單程觀測(cè)法進(jìn)行測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，首先在基點(diǎn)上進(jìn)行觀測(cè)，基點(diǎn)讀數(shù)之差小于0.005 格；然后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)觀測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)讀二次數(shù)，兩次讀數(shù)之間差值小于0.010 格，最后閉合于基點(diǎn)。

閉合時(shí)間的長(zhǎng)短根據(jù)儀器性能確定，一般不超過(guò)10 h。

每個(gè)閉合段的零點(diǎn)位移值，均小于（n為閉合時(shí)間）。

3.2 工作部署

根據(jù)本區(qū)布格重力異常特征及火山遺跡展布情況，布置重力測(cè)量剖面3 條。其中，ZG1 線方向130°，長(zhǎng)度9 km；ZG2 線方向0°，長(zhǎng)度5 km；ZG3 線方向46°，長(zhǎng)度5.5 km（圖4）。

圖4 小山地區(qū)重力測(cè)量實(shí)際材料圖

4 地質(zhì)解釋

4.1 ZG1 線地質(zhì)解釋

ZG1 線方向130°，布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大（圖5），說(shuō)明基底沿著測(cè)線方向逐漸隆起，在北西部埋深較深，在南東部埋深較淺。在距離約5800 m 附近布格重力異常局部凸起，推斷基底在此隆起，可能為火山通道。

剩余布格重力異常數(shù)值自北西向南東逐漸變大，說(shuō)明在北西部蓋層厚度較小，自北西向南東（0～5000 m）蓋層厚度逐漸變厚，在5000 m（ZG1-101 號(hào)點(diǎn)）處蓋層厚度最厚，然后，自北西向南東（5000～9000 m）蓋層厚度逐漸變薄。在距離約5800 m 附近剩余布格布格重力異常局部凸起，推斷為基底隆起，蓋層厚度較薄，可能為火山通道。

ZG1 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似，可以看出在剖面5000 m 處存在1 條斷裂。在斷裂北西側(cè)，導(dǎo)數(shù)變化相對(duì)較小，說(shuō)明地層較為平緩，而在斷裂南東側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對(duì)較大，說(shuō)明地層起伏變化較大。

4.2 ZG2 線地質(zhì)解釋

ZG2 線方向0°，布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小，說(shuō)明基底向北傾斜，在南部埋深較淺，在北部埋深較深。在距離約1700 m 附近布格重力異常局部凸起，推斷為基底隆起，可能為火山通道（圖6）。

剩余布格重力異常數(shù)值自南向北逐漸變小然后又變大，反映南部蓋層厚度較小，自南向北（0～2500 m）蓋層逐漸變厚，在2700 m 處最厚，繼續(xù)向北蓋層又逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格重力異常局部凸起，蓋層厚度較薄，可能為火山通道。

圖5 ZG1 線布格重力異常曲線圖

ZG2 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似，可以看出在2000 m 處存在1 條斷裂。斷裂南側(cè)導(dǎo)數(shù)變化較大，說(shuō)明地層起伏變化較大，而北側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對(duì)較小，說(shuō)明地層較為平緩。

4.3 ZG3 線地質(zhì)解釋

ZG3 線方向46°，布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小（圖6），說(shuō)明基底向北東傾斜，南西部埋深較淺，北部埋深較深。在距離約2000 m 附近布格重力異常局部凹陷，可能為火山通道，巖石較為破碎。

剩余布格重力異常數(shù)值自南西向北東逐漸變小然后又變大，說(shuō)明在南部蓋層厚度較小，自南東向北西（0～3500 m）蓋層厚度逐漸變厚，在3500 m 處蓋層厚度最厚，然后，南東向北西（3500～5000 m）蓋層厚度逐漸變薄。在距離約1700 m 附近剩余布格布格重力異常局部凹陷，可能為火山通道，巖石較為破碎。

ZG3 線垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)形態(tài)較為相似，可以看出在剖面1500 m 處存在1 條斷裂。斷裂西南側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對(duì)較小，說(shuō)明地層相對(duì)傾斜，起伏變化不大，地層較為平緩。而斷裂北東側(cè)導(dǎo)數(shù)變化相對(duì)較大，說(shuō)明地層起伏變化較大。

圖6 ZG2 線、ZG3 線布格重力異常曲線圖

4.4 綜合解釋

通過(guò)人機(jī)聯(lián)合二維反演（圖7）發(fā)現(xiàn)，布格重力異常對(duì)小山地區(qū)的基底和蓋層的空間分布具有一定反映，整體來(lái)說(shuō)，北部基底埋深較深，南部埋深較淺，在北部地層較為平緩，在南部特別是推斷火山口附近地層起伏變化較大。火山口附近基底隆起，但由于巖石較為破碎，致使其密度較小。通過(guò)重力剖面垂向一階導(dǎo)數(shù)與垂向二階導(dǎo)數(shù)推斷的3 條斷裂，恰好為圍陷火山口的斷裂（圖8）。

5 結(jié)論

借助于火山巖與圍巖的物性差異，物探方法可以在火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)規(guī)劃工作中起到一定的科學(xué)指導(dǎo)作用，使保護(hù)區(qū)的設(shè)置更為合理。

通過(guò)在小山火山地質(zhì)遺跡保護(hù)區(qū)開展重力剖面測(cè)量，大致掌握了小山地區(qū)布格重力異常特征：小山地區(qū)布格重力表現(xiàn)為南、南東高，北、北西低，反映了上部蓋層南、南東淺，北、北西深的地質(zhì)特征。大致圈定的火山通道位置，可以為后續(xù)保護(hù)區(qū)規(guī)劃提供依據(jù)。

注釋

①河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì).2003.滄州市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告.

② 河北省地質(zhì)調(diào)查院.2005.滄州渤海新區(qū)地質(zhì)環(huán)境保障與調(diào)查評(píng)價(jià)專題報(bào)告.

③中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院.2006.華北平原地下水動(dòng)態(tài)調(diào)查評(píng)價(jià)（1 ∶50 萬(wàn)）.

圖7 人機(jī)聯(lián)合二維反演剖面

圖8 小山地區(qū)綜合推斷解釋圖

④ 河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站.2007.河北平原地面沉降調(diào)查與監(jiān)測(cè)報(bào)告，（1 ∶25 萬(wàn)）.

⑤ 河北省地礦局第四水文工程地質(zhì)大隊(duì).2007.河北省海興縣城區(qū)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告（1 ∶5 萬(wàn)）.

⑥ 河北省地球物理勘查院.2008.河北省海興縣航磁異常區(qū)地面磁測(cè)普查報(bào)告.

⑦ 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì).2008.河北省淺層地溫能調(diào)查評(píng)價(jià)與開發(fā)區(qū)劃報(bào)告（1 ∶50 萬(wàn)）.

⑧ 河北省地礦局第三水文工程地質(zhì)大隊(duì).2011.河北省地?zé)豳Y源特征與開發(fā)利用（1 ∶50 萬(wàn)）.

⑨ 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心.2015.華北平原地裂縫調(diào)查與防治研究成果報(bào)告.