基于联合二维位场建模的Cerro Machín火山（哥伦比亚）浅部结构与地热系统成因模式

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：Shallow internal structure and geothermal play model of Cerro Machín Volcano (Colombia) from joint 2D potential-field modeling

　　

Cerro Machín火山（CMV）在哥伦比亚21个初步地热区中排名第三，估算发电潜力为129.94 MWe，但其浅部结构尚未被高分辨率解析。研究人员在火山机构内部及周边开展了陆域重力和磁法测量：137个重力站和38,789条步行模式磁记录。重力归算采用由Nettleton法导出的参考密度2.65 g/cm³；磁法处理包括日变校正、国际地磁参考场（International Geomagnetic Reference Field, IGRF）扣除和化极（Reduction to the Pole, RTP）。通过向上延拓至500 m分离残差异常，并使用GMSys-2D沿NW–SE（约5.1 km）和SW–NE（约5.2 km）剖面构建了两个联合二维地质–地球物理模型。穹丘厚720–840 m，其底界直接置于Cajamarca变质杂岩之上，较先前地震估计的至多2 km更浅。密度（2.4–2.55 g/cm³）和磁化率（0.002–0.12 SI）的横向变化记录了局限于离散断裂带的风化和热液蚀变，因此未发育连续黏土盖层。穹丘之下，一破碎变质岩通道（ρ = 2.6 g/cm³，k = 0.008 SI）被解释为上涌储层（约0.6 km²，至少800 m厚，在模型底部被截断），而约2 km²的侧流区至少向Santa Marta冲沟延伸2 km。穹丘底界分辨于1920–1850 m a.s.l.，与独立地震和大地电磁模型所成像的储层顶界一致，差异小于任一数据集的垂向分辨率。因此，两种物理敏感性不相关的方法收敛于同一边界，研究人员将其解释为上涌区顶界，其上由未蚀变穹丘核部封闭。

研究背景：Cerro Machín火山（CMV）在哥伦比亚21个初步地热区中排名第三，估算发电潜力129.94 MWe，但其浅部结构尚未高分辨率解决。已有三维地震层析提出英安质穹丘深达2 km；区域重磁Werner反褶积给出250–1800 m范围；另有重力测量限于火山口缘；三维地质概念模型提出穹丘底更浅并下伏火山碎屑层；热液系统储层位置和封闭层未明确，已有地球物理研究未识别连续黏土盖层。为此，研究人员在火山口及侧翼开展高分辨率陆域重力和磁法测量，构建联合二维地质–地球物理模型，以回答穹丘深度、活动喷气孔和温泉的水流路径、地热系统上涌区和侧流区位置，服务地热勘探与火山监测。

关键技术方法：采集137个重力站（火山口100–200 m，侧翼300–400 m）和38,789条步行模式磁记录；重力用Scintrex CG-6，绝对基准来自IGAC（Instituto Geográfico Agustín Codazzi），DGPS定位；磁法用GEM GSM-19，经日变校正、国际地磁参考场（International Geomagnetic Reference Field, IGRF）扣除和化极（Reduction to the Pole, RTP）；采用Nettleton法参考密度2.65 g/cm³，向上延拓500 m分离残差；用GMSys-2D沿NW–SE（约5.1 km）和SW–NE（约5.2 km）剖面联合正演，结合地质图、火山碎屑厚度及P波速度（V_P）和电导率异常约束。

研究结果：
4.1 剩余重力异常：由完整布格异常（Complete Bouguer Anomaly, CBA）减去500 m向上延拓区域场得到剩余重力异常（Residual Gravity Anomaly, RGA），识别G1–G7；G1对应穹丘和喷气孔场，G2对应西北固结火山碎屑，G6对应Aguas Calientes断裂（ACF）附近高温Na–HCO₃泉；G3对应Cajamarca杂岩，G4、G5位于侧翼；G7因数据不足剔除。
4.2 剩余磁异常：总场经化极和向上延拓得化极剩余磁异常（Reduced-to-the-pole Residual Magnetic Anomaly, RMA-RTP），识别M1–M8；M1、M2为穹丘高磁异常，M3、M4与Cajamarca杂岩相关，M6–M8为低磁化率区，分别与低温Ca–HCO₃泉、东北熔岩和ACF附近高温Na–HCO₃泉相关。
4.3 增强滤波：倾斜导数（Tilt Derivative, TD）和解析信号（Analytical Signal, AS）确认穹丘中心、Toche河谷NW–SE向及Santa Marta冲沟局部磁源；TD显示ACF区及火山口北、东边界无磁化，未显示Cajamarca断裂和Machin断裂（MF）零等值线；AS勾勒穹丘边界并与MF迹相关。
5.2 剖面A–A″：联合正演拟合误差0.719 mGal和83.847 nT；穹丘约720 m厚，底约1920 m a.s.l.（above sea level, a.s.l.），直接接触Cajamarca杂岩；穹丘浅部和东部密度2.4 g/cm³、磁化率0.002 SI，核部2.55 g/cm³、0.12 SI；穹丘下破碎变质通道密度（ρ）=2.6 g/cm³、磁化率（k）=0.008 SI；火山碎屑厚50–300 m，熔岩约150 m；识别三个高密度高磁化率侵入体；侧流蚀变变质岩厚100–720 m。
5.3 剖面B–B″：拟合误差0.457 mGal和115.322 nT；穹丘最大约840 m厚，底约1850 m a.s.l.；通道性质同A–A″；火山碎屑厚50–100 m，熔岩约180 m；西侧识别侵入体；侧流区厚约100 m–1 km并向NE增厚。

讨论总结：
6.1 穹丘几何与盖层：两剖面一致给出穹丘厚720–840 m、底界1850–1920 m a.s.l.，浅于地震层析2 km估计，且窄于Werner范围；负重力异常排除穹丘底低密度火山碎屑夹层；核部高磁化率0.12 SI指示未蚀变FeTi氧化物组合，穹丘可作为封闭层，无连续黏土盖层；穹丘底与独立地震和大地电磁（magnetotelluric, MT）模型储层顶界接近，解释为上涌区顶界。
6.2 热液蚀变与去磁：浅部和东部低磁化率0.002 SI由风化及沿MF热液蚀变去磁造成，去磁可达穹丘下约600 m；M6、M7低磁可能为断裂控制去磁前缘；M8与ACF附近Na–HCO₃泉相关但蚀变较局部；新鲜穹丘核磁性来自FeTi氧化物。
6.3 上涌储层：破碎变质通道解释为主要上涌储层，面积约0.6 km²，至少800 m厚，模型未及底；与低V_P、低电阻率和Na–HCO₃泉化学一致，指示两相区。
6.4 侧流区：向SE和NE至Santa Marta冲沟，变质岩密度和磁化率降低，延伸至少2 km，面积约1.83 km²，厚720 m–1 km；几何受构造控制而非地形；ACF相关侧流未被剖面约束，MF可能为边界。
6.5 侵入体与岩浆管道：至少三个高磁化率侵入体位于变质基底，M2北侧可能为侵入体但未建模，其RMA-RTP特征与多期侵入认识一致。
6.6 不确定性：剖面穿过最佳约束异常，异常间为插值；插值差异在CBA为正负约1/0.6 mGal、总场约203/85.1 nT；正演拟合误差使熔岩、火山碎屑、通道宽度等不确定；解释依赖与既有地质模型的一致性。

研究结论翻译：
1. 穹丘厚720–840 m，底界位于1920–1850 m a.s.l.，直接置于Cajamarca杂岩之上，无中间火山碎屑层。穹丘作为更深储层的封闭层，与高阻层一致；无连续黏土盖层，低阻异常局限于供给喷气孔场的浅部富蒸气储层。
2. 穹丘内密度和磁化率横向变化（2.4–2.55 g/cm³；0.002–0.12 SI），反映核部新鲜岩石、风化表面和东侧热液蚀变；东部去磁带可达穹丘下约600 m，与NNE–SSW向MF及活动喷气孔重合；第二条流体路径沿ACF。
3. 穹丘下破碎变质通道（ρ=2.6 g/cm³，k=0.008 SI）为主要上涌储层，面积约0.6 km²，至少800 m厚，模型未达其底；低地震速度和Na–HCO₃泉化学支持该解释。
4. 侧流区向Santa Marta冲沟延伸≥2 km（约1.83 km²，最厚1 km），几何受构造控制而非地形，类似Azufral系统侧流。
5. 火山碎屑厚度50–300 m，谷底最厚、山脊最薄。
6. 多个高磁化率侵入体（k≈0.10–0.12 SI）位于穹丘两侧基底，记录重复岩浆侵入。
未来工作包括Cajamarca断裂（CMF）和ACF附近重磁加密、露头样品密度和磁化率实测、解决CMV地质图填图差异、对穹丘下通道开展地球化学和地震监测。