大連周邊海域航空重力調(diào)查方法及重要成果

張玄杰， 陳　斌， 朱衛(wèi)平， 張　婉， 劉英會， 林曉星， 李　冰

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京　100083)

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大連周邊海域航空重力調(diào)查方法及重要成果

張玄杰， 陳斌， 朱衛(wèi)平， 張婉， 劉英會， 林曉星， 李冰

(中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083)

摘要：為加強海洋地質(zhì)調(diào)查工作，中國地質(zhì)調(diào)查局組織實施了海洋航空地球物理探測及應(yīng)用項目，在大連海域及其周邊，應(yīng)用GT-1A航空重力測量系統(tǒng)，開展了1∶20萬航空重力調(diào)查工作，獲取了高質(zhì)量的航空重力數(shù)據(jù)9.4萬測線km，原始測量總精度達到1.27×10-5m/s2； 形成了一套覆蓋渤海東部、北黃海、遼東半島和山東半島的航空重力系列圖件，填補了研究區(qū)內(nèi)航空重力資料的空白。通過綜合解釋與研究，在基底構(gòu)造形態(tài)分析、主要構(gòu)造單元邊界厘定、斷裂構(gòu)造分布特征研究以及局部構(gòu)造異常圈定等方面取得了重要成果，為研究區(qū)海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、渤海和北黃海的油氣資源調(diào)查、海陸過渡區(qū)關(guān)鍵地質(zhì)問題的解決提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空重力; 北黃海坳陷; 基底斷裂; 蘇魯造山帶

0引言

海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查是了解海底基本情況的有效途徑，已受到了越來越多國家的重視。然而，由于種種因素的制約，我國海域區(qū)域地質(zhì)調(diào)查同陸域區(qū)域地質(zhì)調(diào)查相比，工作程度嚴重滯后。我國1∶100萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查始于1999年，先后啟動并完成了1∶100萬南通幅和永暑礁幅的試點工作； 2006年以后，1∶100萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作全面展開，至2014年底共完成了16個圖幅的綜合調(diào)查任務(wù)，實現(xiàn)了我國管轄海域1∶100萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查全覆蓋。1∶25萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作始于2009年，目前僅完成個別圖幅的工作[1-3]。因此，目前海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作已遠遠落后于國家需要和形勢發(fā)展，急需借助于各種地質(zhì)、地球物理的手段和方法，快速獲取海底及深部的地質(zhì)信息，從而為維護海洋主權(quán)權(quán)益、軍事海防、涉海工程建設(shè)和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

航空重力作為一種重要的地球物理勘探技術(shù)手段，在基礎(chǔ)地質(zhì)研究及石油、天然氣、固體礦產(chǎn)資源勘探等方面已得到了廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，美國就開始將航空重力測量應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域， Carson公司在1971年進行了直升機重、磁測量的商業(yè)試驗。20世紀(jì)90年代以來， Carson、EASI(EDCON Aero Surveys,Inc.)、LCT等公司開展了大量的商業(yè)性航空重力測量工作，服務(wù)領(lǐng)域涉及基礎(chǔ)地質(zhì)研究、石油、天然氣及大地測量等方面[4-6]。2006年我國引進具有國際先進水平的GT-1A型航空重力測量系統(tǒng)，并進行了試生產(chǎn)，該系統(tǒng)的各項性能指標(biāo)能夠滿足地質(zhì)調(diào)查的需要[7-10]。

為做好海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源航空物探遙感中心(以下簡稱航遙中心)組織開展了大連周邊海域航空重力調(diào)查工作，旨在滿足海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、海域油氣資源調(diào)查及海岸帶綜合地質(zhì)調(diào)查對基礎(chǔ)地球物理資料的需求； 同時，充分發(fā)揮航空地球物理方法具有海陸連續(xù)測量的優(yōu)勢，為解決海陸過渡區(qū)關(guān)鍵基礎(chǔ)地質(zhì)問題提供技術(shù)支撐。

1技術(shù)方法

1.1測網(wǎng)部署及測量比例尺

研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造以NE及NNE向為主，該方向構(gòu)造切割了近EW向的古構(gòu)造，控制了各沉積盆地內(nèi)坳陷和隆起的發(fā)育與分布，形成了NE與EW向交織的基本構(gòu)造格架。為了達到最佳測量效果，參考研究區(qū)已有重力資料顯示的異常走向，結(jié)合以往航磁測量的測網(wǎng)部署，兼顧不同走向的構(gòu)造和重力異常，選擇了南北測線方向(即0°～180°)。切割線與測線飛行方向垂直，為90°～270°。

根據(jù)目前航空重力測量系統(tǒng)的測量精度、空間分辨率和國外同類系統(tǒng)作業(yè)常用的測量比例尺，本次測量選用的比例尺為1∶20萬，即測線線距2 km，切割線線距10 km。測線和切割線組成了2 km×10 km測網(wǎng)。

1.2航空重力測量系統(tǒng)

航空重力測量系統(tǒng)主要包括空中測量硬件系統(tǒng)、地面差分GPS觀測系統(tǒng)和重力數(shù)據(jù)處理軟件。其中，空中測量硬件系統(tǒng)包括GT-1A型航空重力儀系統(tǒng)、Asthech Z-Xtreme差分GPS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收錄控制系統(tǒng)(CDU)、UPS電源系統(tǒng)、GPS領(lǐng)航系統(tǒng)等； 地面差分GPS觀測系統(tǒng)為Z-MAX大地測量級GPS接收基站； 重力數(shù)據(jù)處理軟件為航遙中心開發(fā)的GeoProbe 2.0軟件、莫斯科國立大學(xué)研制的航空重力處理軟件(MSU)和加拿大Geosoft公司的Oasis montaj軟件。MSU是一個標(biāo)準(zhǔn)的Windows多文檔/多界面軟件，用來計算和顯示每架次的航空重力異常。

1.3導(dǎo)航定位

測量飛行導(dǎo)航使用HD01雙星座全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時提供飛機的三維空間位置、飛行高度及速度等導(dǎo)航信息。由于采用同時接收美國和俄羅斯2組衛(wèi)星信號的先進技術(shù)，定位精度可達1.6 m。

為提高測量中的飛機定位精度，測量使用差分GPS后處理系統(tǒng)進行精確定位。以差分GPS地面站為基準(zhǔn)站、機載差分GPS為移動站進行后處理定位。定位系統(tǒng)采用Ashtech雙頻接收機進行觀測，系統(tǒng)采樣頻率2 Hz，地、空接收機均使用雙頻天線，與國家基準(zhǔn)網(wǎng)點同步觀測，得到基準(zhǔn)站精確位置。

2主要成果

2.1獲取了高質(zhì)量的航空重力數(shù)據(jù)

大連周邊海域是首次正式將航空重力測量系統(tǒng)應(yīng)用于我國海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作的研究區(qū)。以CESSNA208型水陸兩用飛機為作業(yè)平臺，使用俄羅斯GT系列航空重力測量系統(tǒng)，獲取了研究區(qū)高質(zhì)量航空重力數(shù)據(jù)9.4萬測線km，原始測量總精度達到1.27×10-5m/s2，填補了研究區(qū)內(nèi)高精度航空重力資料的空白。與地面重力測量和船重測量相比，航空重力測量具有不受海陸交互的影響，能夠到達常規(guī)陸地工作和船測等不能企及的地方，通過海陸統(tǒng)一測量可以得到完整連續(xù)的重力場圖。這為探討海陸構(gòu)造銜接關(guān)系、重大工程選址、海洋環(huán)境監(jiān)測與保護等方面提供重要的地球物理依據(jù)。

2.2在構(gòu)造單元劃分方面取得了新認識

2.2.1對北黃海坳陷的新認識

依據(jù)航空重力資料，結(jié)合以往的高精度航磁資料，在研究區(qū)內(nèi)對北黃海坳陷進行了圈定，并在其內(nèi)部劃分了西部凹陷、中部凸起、中部凹陷、東部凸起及南部凹陷群5個次級構(gòu)造單元(圖1)。由于調(diào)查范圍所限，本次研究未涉及東部凹陷。

綜合研究認為，北黃海坳陷，即以往所劃分的“北黃海盆地”[11-12]，是由幾個相互分隔的中、新生代沉積凹陷所組成，各沉積凹陷主體構(gòu)造具有明顯不同的特點，其相互之間的可比性值得探討。

西部凹陷位于北黃海坳陷西部，航空重磁資料推斷該凹陷的基底為一套相當(dāng)于古元古界遼河群或粉子山群弱磁性變質(zhì)巖。凹陷內(nèi)中、新生界沉積厚度在2～3 km之間，中、新生界之下可能還殘留有一定厚度古生界。僅就重磁資料所反映的異常特征來看，西部凹陷除東側(cè)邊界斷裂對其控制作用明顯外，凹陷內(nèi)基底斷裂構(gòu)造不多，僅在中部發(fā)育NWW向斷裂。凹陷內(nèi)局部磁異常較為豐富，推測中生代火山巖較為發(fā)育。從西部凹陷所處大地構(gòu)造環(huán)境及凹陷的結(jié)構(gòu)特征認為，該凹陷與膠東半島上的膠萊坳陷具有可比性，二者均是在受郯廬斷裂影響的NE、NEE向斷裂體系作用下形成的，中生代是其重要的發(fā)生、發(fā)展時期。

圖1　北黃海坳陷構(gòu)造單元劃分圖Fig.1　Division of the geotectonic units of North Yellow Sea Depression

中部凹陷位于中部凸起東側(cè)，凹陷總體呈SN走向，北寬南窄。在布格重力異常圖上，凹陷整體位于正背景場中。重磁資料綜合解釋認為，凹陷基底為古元古界弱磁性變質(zhì)巖，其上發(fā)育了2～4 km的中、新生界。與以往認識不同，本次研究在該凹陷最南部又圈定了一個新的次級凹陷。以往地震資料解釋成果將該次級凹陷劃分為南部凹陷群的南四凹陷，并認為其僅發(fā)育漸新統(tǒng)和新近系，新生界最大厚度約2 400 m[13]。本次研究認為其重、磁場特征及區(qū)域地質(zhì)背景與北側(cè)的中部凹陷的特征更為相似，因此將其歸入中部凹陷，推斷該次級凹陷基巖埋深在3 km以上，最大深度可能達5 km，主要發(fā)育了中、新生代沉積。

2.2.2圈定了渤遼低凸起

在以往關(guān)于渤海海域構(gòu)造單元劃分的資料中，遼東灣坳陷被劃分為“三凹兩凸”5個NE向的次級構(gòu)造單元，其南與渤中坳陷直接相接，中間沒有過渡構(gòu)造帶。本次研究在渤海海域內(nèi)劃分了一個NW—SE向的凸起構(gòu)造，稱之為渤遼低凸起，作為遼東灣坳陷與渤中坳陷之間的過渡構(gòu)造帶。該低凸起南、北兩端分別與遼東隆起和燕山隆起相接。低凸起長約88 km，寬約25 km。航空重力資料深度計算結(jié)果表明，該帶基底埋深淺于3 km。

渤遼低凸起的基底主要為寒武系—奧陶系碳酸鹽巖和前寒武系變質(zhì)巖，其上覆地層為新生界。推斷該低凸起構(gòu)造在早期與區(qū)域構(gòu)造展布是一致的，形成的都是NE向構(gòu)造帶，后期由于受NW向斷裂的影響，在兩條NW向斷裂之間，基底整體抬升，形成了NW向低凸起。該凸起分別與南北兩側(cè)的秦南凹陷、渤中凹陷、渤東凹陷、遼西凹陷、遼中凹陷及遼東凹陷相鄰，因此具備良好的油氣構(gòu)造條件。

2.3對基底斷裂構(gòu)造進行了識別與圈定

2.3.1郯廬斷裂帶

郯廬斷裂帶(郯城—廬江斷裂帶)是1957年通過航磁測量發(fā)現(xiàn)的。之后，郯廬斷裂帶一直是中國區(qū)域地質(zhì)研究的熱點之一。多年來，對郯廬斷裂帶的研究取得了許多重要進展，普遍認為郯廬斷裂帶的形成和發(fā)展對我國東部地區(qū)中、新生代沉積盆地演化具有重要的控制作用。但是，絕大多數(shù)研究工作主要局限于陸地和中、新生代構(gòu)造活動，對其形成時間、走滑位移和構(gòu)造性質(zhì)、在海域內(nèi)的分布等方面仍未達成共識。以往人們在進行郯廬斷裂帶圈定時，在濰坊以南陸地部分劃分了4條平行斷裂，認為這4條斷裂延伸入海。但也有學(xué)者提出，郯廬斷裂在渤海海域存在著特殊性，其陸上部分并未全部延入海中，在海域內(nèi)是由東西2條主斷裂控制斷裂帶的主體范圍[14]。

本次研究依據(jù)航空重力資料，提出渤海海域內(nèi)郯廬斷裂帶由3條深大斷裂組成，分別是郯廬西緣斷裂、郯廬中央斷裂和郯廬東緣斷裂。

據(jù)航空重力資料，郯廬東緣斷裂應(yīng)是郯廬斷裂的主斷裂，該斷裂在布格重力圖上反映為東高、西低的寬緩梯度帶； 斷裂西側(cè)主要為降低的區(qū)域重力場，為渤海灣斷陷盆地的反映； 而斷裂東側(cè)，主要為升高的區(qū)域重力場，為隆起區(qū)的反映。因此，重力資料所反映的郯廬主斷裂是渤海灣盆地后期擴張的重要依據(jù)。

然而，研究區(qū)以往高精度航磁資料所反映的郯廬主斷裂的位置與重力梯度帶相比明顯偏西，處于郯廬中央斷裂的位置，郯廬中央斷裂為十分明顯的磁場分區(qū)界限，顯示兩側(cè)磁性基底截然不同，表明其為控制結(jié)晶基底巖性變化的斷裂。整體來看，斷裂西側(cè)表現(xiàn)為區(qū)域升高磁異常特征，反映了強磁性結(jié)晶基底的存在； 斷裂東側(cè)顯示為區(qū)域負磁背景場特征，為無或弱磁性的新太古代至古元古代增生陸殼基底的反映。

因此，本文從重磁場特征角度，對郯廬斷裂帶的多期活動性和構(gòu)造意義提出了新的認識。航磁資料所反映的主斷裂位置應(yīng)是古郯廬斷裂所處位置，其控制了結(jié)晶基底的分布； 而重力資料反映的主斷裂位置，表明中生代以來，受NW向主應(yīng)力的強烈作用，斷裂復(fù)活，形成郯廬伸展構(gòu)造帶，在郯廬東緣斷裂位置形成現(xiàn)今隆坳之間的構(gòu)造界線。

2.3.2北黃海北緣斷裂

北黃海北緣斷裂是2004年應(yīng)用高精度航磁資料發(fā)現(xiàn)的一條基底深大斷裂，處于北黃海北部與遼東半島海陸過渡區(qū)。本次研究綜合利用航空重磁資料，對北黃海北緣斷裂位置進行了厘定。認為北黃海北緣斷裂帶西起研究區(qū)南部膠東半島龍口鎮(zhèn)東側(cè)，向北東延伸穿過渤海海峽，進入遼東半島，沿遼東半島南岸呈NE向延伸，研究區(qū)內(nèi)長度384 km。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖可知，該斷裂向東可能與鴨綠江巖石圈斷裂相接，是一條壓—壓扭性巖石圈斷裂。

北黃海北緣斷裂在布格重力異常圖上主要表現(xiàn)為重力場分界線、梯度帶及異常錯動線，而在航磁△T化極等值線平面圖上，主要以線性異常帶為標(biāo)志。在重、磁場分布上，斷裂兩側(cè)明顯不同，斷裂北西側(cè)遼東半島地區(qū)重力場背景較低，航磁背景相對較高，表明該區(qū)基底主要由低密高磁的物質(zhì)組成，推斷主要是受燕山期巖漿活動強烈改造的太古宇基底所引起； 而斷裂南東側(cè)的北黃海海域重力場背景較高，航磁主要表現(xiàn)為負背景場，應(yīng)是高密低磁的基底分布區(qū)，反映了元古宇基底的廣泛存在(圖2)。

圖2　北黃海北緣斷裂重磁場特征 (左：航空布格重力異常圖; 右：航磁ΔT化極異常圖)Fig.2　Airborne gravity and magnetic characteristics for the north margin fault of the North Yellow Sea

依據(jù)重磁資料，本次研究提出北黃海北緣斷裂是一條切割深度大、延伸長的基底斷裂，控制了北黃海北部構(gòu)造單元的組成； 同時該斷裂可能還具有多期活動的特點，對于遼東半島南岸現(xiàn)今的地形地貌分布也產(chǎn)生了重要影響。

2.4對蘇魯造山帶的新認識

通過對航空重磁資料的綜合解釋，本文認為蘇魯造山帶的西部邊界應(yīng)該在牟平—王格莊—馬石店一線，向南可能一直延伸到穴坊、即墨，即牟平—即墨斷裂帶的位置。該斷裂以西以高值重力異常為主，以東則是由巖漿侵入活動形成的重力低值區(qū)，該類巖漿侵入活動應(yīng)是造山作用的具體表現(xiàn)。造山帶北部應(yīng)以劉公島大斷裂為界，該斷裂位于北黃海海域內(nèi)，呈NEE向延伸，該斷裂以南的重力異常以NW向弧形異常為主，磁異常也基本轉(zhuǎn)為NW向，該類弧形異?？赡苁鞘茉焐阶饔糜绊懶纬傻模瑫r也可能是受到了后期NW向斷裂作用的改造和影響所導(dǎo)致。而對于造山帶的南界，應(yīng)以嘉山—響水?dāng)嗔褳榻?，該斷裂以北表現(xiàn)為重力異常高值帶，斷裂南側(cè)為重力異常低值區(qū)(圖3)。

圖3　蘇魯造山帶重力場特征及其南北邊界Fig.3　Gravity field of Sulu orogenic belt and its north-south border

而對于在重磁異常圖上特征都十分顯著的日照—榮成深大斷裂，本文研究認為其并不是蘇魯造山帶的邊界，而是蘇魯碰撞造山帶的核部位置，是碰撞造山作用最為強烈的部位。在重力場圖上，該斷裂以北表現(xiàn)為重力低值帶，以南表現(xiàn)為重力高值帶； 而在磁場圖上，斷裂以北表現(xiàn)為強磁異常帶，以南則表現(xiàn)為區(qū)域負背景場特征。斷裂南北兩側(cè)重磁場特征的差異表明，日照—榮城深大斷裂可能為超高壓變質(zhì)帶和深部幔源巖漿活動的界線，推測為華北板塊與揚子板塊發(fā)生碰撞構(gòu)造作用的核心部位。

蘇魯造山帶向北東延伸進入北黃海，受資料限制，未能觀測到造山帶東延方向的重磁場特征，就現(xiàn)有重磁資料分析認為，該造山帶可能在北黃海東部海域被NW向構(gòu)造截止，未能繼續(xù)向東延伸。

3結(jié)論與建議

通過大連幅海域航空重力調(diào)查，獲取了高質(zhì)量的航空重力數(shù)據(jù)，并在基底構(gòu)造分析、斷裂構(gòu)造劃分等方面取得了重要認識。

(1)航空重力測量首次正式應(yīng)用于我國海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，獲取了9.4萬測線km的高質(zhì)量航空重力數(shù)據(jù)，原始測量總精度達到1.27×10-5m/s2。航空重力在大連幅海洋地質(zhì)調(diào)查工作中的成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國海洋航空地球物理探測工作進入了一個新的階段。

(2)依據(jù)航空重、磁資料，對北黃海坳陷進行了圈定，將其劃分為西部凹陷、中部凸起、中部凹陷、東部凸起及南部凹陷群5個次級構(gòu)造單元，其內(nèi)部幾個主要沉積凹陷構(gòu)造特征具有顯著的差異性。

(3)在渤海海域內(nèi)新劃分出渤遼低凸起，其作為遼東灣坳陷與渤中坳陷之間的過渡構(gòu)造帶，具有良好的成油條件。

(4)郯廬斷裂帶具有多期活動的特點，古郯廬斷裂從渤海中部穿過，切割了太古宇結(jié)晶基底； 而中生代以來，在NW向主應(yīng)力的強烈作用下，斷裂復(fù)活，形成郯廬伸展構(gòu)造帶，在郯廬東緣斷裂位置形成現(xiàn)今隆坳之間的構(gòu)造界線。

(5)北黃海北緣斷裂是一條切割深度大、延伸長的基底斷裂，控制了北黃海北部構(gòu)造單元的組成及現(xiàn)今地形地貌分布。

(6)通過航空重磁資料綜合解釋，提出牟平—即墨斷裂帶和劉公島斷裂構(gòu)成了蘇魯造山帶的北部邊界，嘉山—響水?dāng)嗔褳樵焐綆喜窟吔纾照铡獦s成斷裂帶是蘇魯碰撞造山帶的核部位置。

(7)與其他工作手段相比，航空重力調(diào)查方法能夠快速采集重力場信息，具有快速、高效、覆蓋面積廣的特點，在海陸交互區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量，測量精度能夠滿足1∶20萬比例尺地質(zhì)構(gòu)造研究需要。建議在今后的海洋地質(zhì)調(diào)查工作中，加強海洋航空重力調(diào)查工作的部署。

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

Achievements in airborne gravity survey around the Dalian sea area

ZHANG Xuanjie, CHEN Bin, ZHU Weiping, ZHANG Wan,LIU Yinghui, LIN Xiaoxing， LI Bing

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083,China)

Abstract:To meet the needs of marine regional geological survey, airborne gravity survey has been carried out in the Dalian sea area. With the GT-1A airborne gravity measurement system, we obtained the high quality gravity data of 94 000 km. The total raw measurement accuracy reached 1.27×10-5m/s2. The airborne gravity data covers Eastern Bohai Sea, North Yellow Sea, Liaodong Peninsula and Shandong Peninsula. Based on the new data and integrated study, many important results, including the basement structure morphology, the boundaries of the main structural units, the characteristics of fault structure, and the delineation of local structural anomalies have been gained. These achievements are favorable for marine regional geological survey, petroleum exploration and integrated investigation of the marine geo-environment in coastal zones.

Key words：airborne gravity; North Yellow Sea Depression; basement fault; Sulu orogenic belt

中圖分類號：P631.125

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-8706(2016)02-0040-06

第一作者簡介：張玄杰(1979—)，男，高級工程師，主要從事航空物探調(diào)查綜合研究。Email： zhangxuanjie@163.com。

基金項目：國家專項“海洋航空地球物理探測及應(yīng)用(編號： GZH200900502)”項目資助。

收稿日期：2016-03-10；

修訂日期：2016-03-18。

引用格式： 張玄杰，陳斌，朱衛(wèi)平，等.大連周邊海域航空重力調(diào)查方法及重要成果[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2016,3(2): 40-45.