天津周邊海-陸過渡地區(qū)航空重力調(diào)查及主要成果

林曉星， 陳 斌， 張玄杰， 吳 云， 范 江

(中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083)

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天津周邊海-陸過渡地區(qū)航空重力調(diào)查及主要成果

林曉星， 陳 斌， 張玄杰， 吳 云， 范 江

(中國國土資源航空物探遙感中心,北京 100083)

隨著人類對海洋礦產(chǎn)資源需求的日益增加，海洋基礎地質(zhì)調(diào)查對海洋礦產(chǎn)資源勘探具有重要意義。我國海洋地質(zhì)地球物理調(diào)查起步較晚，整體工作程度較低，而航空重力測量作為一種快速高效的地球物理測量方法，對加強海洋基礎地質(zhì)調(diào)查研究具有重要作用。2006年我國引進了國際先進的GT-1A航空重力測量系統(tǒng)，并于2011年首次在天津周邊海-陸過渡地區(qū)開展了1∶20萬比例尺航空重力測量工作，完成了高質(zhì)量的航空重力測量數(shù)據(jù)3萬測線公里，在海-陸過渡地區(qū)實現(xiàn)了海-陸連續(xù)測量，填補了研究區(qū)內(nèi)高精度航空重力測量的空白。闡述了本次航空重力調(diào)查工作取得的主要成果，并從航空重力的角度對研究區(qū)內(nèi)石臼坨凸起進行了研究，認為石臼坨凸起基底具有分段性，并圈定出新的基巖凸起構(gòu)造，為石臼坨凸起油氣資源的進一步勘探提供方向； 同時對渤中凹陷正高磁異常體可能的地質(zhì)成因進行了探討。對海-陸過渡地區(qū)主要構(gòu)造單元的重力場特征進行研究，在基底和斷裂研究方面取得的新認識對海-陸過渡地區(qū)基礎地質(zhì)和環(huán)境研究具有重要意義。

海-陸過渡地區(qū)； 航空重力測量系統(tǒng)(GT-1A)； 石臼坨凸起； 渤中凹陷

0 引言

航空重力測量是地球科學研究、資源勘查、國民經(jīng)濟建設和國防技術(shù)建設的重要基礎資料之一[1]。我國航空重力測量始于20世紀50年代，但受當時重力儀、導航定位設備以及垂直加速度測量精度的影響, 測量精度僅為10 mGal，不能滿足實際應用要求[2]。在隨后近30 a的時間里,航空重力測量并未取得實質(zhì)性成果。我國對航空重力測量的實質(zhì)性研究始于1996年，研制成功的首套航空重力測量系統(tǒng)CHAGS[3]先后于2001年、2002年和2003年分別在漢中、大同和哈爾濱地區(qū)進行了飛行測量試驗，試驗精度對于5′×5′格網(wǎng)的平均重力異常為±2～5 mGal[4]。2000年以后，航空重力測量技術(shù)發(fā)展突飛猛進，逐漸趨于成熟并進入應用階段，特別是隨著差分GPS技術(shù)的發(fā)展，航空重力測量精度也有了很大提高。俄羅斯莫斯科重力測量技術(shù)公司研制的GT-1A航空重力測量系統(tǒng)的測量精度(RMS)可達0.4～0.7 mGal，空間分辨率1.5～2.75 km(固定翼)或0.75～1.5 km(直升機)[5]。隨著我國基礎地質(zhì)研究和礦產(chǎn)資源調(diào)查日益增長的需要，2006年我國引進了GT-1A航空重力儀，并自主集成了具有國際先進水平的航空重力測量系統(tǒng)，首次對天津周邊海-陸過渡地區(qū)進行航空重力測量，取得了高質(zhì)量的航空重力數(shù)據(jù)資料，滿足了區(qū)域性地球物理勘查精度要求，填補了該地區(qū)航空重力資料的空白。

海-陸過渡地區(qū)是我國海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的重要組成部分，但因資料不足，對海-陸過渡帶的研究一直是我國海洋地質(zhì)研究中的薄弱環(huán)節(jié)，而航空重力測量的海-陸一體化優(yōu)勢恰好可以彌補這個薄弱環(huán)節(jié)。航空重力測量可以充分發(fā)揮海-陸連續(xù)測量的優(yōu)勢，解決地面重力測量和船載重力測量難以解決的一些問題[6-8]，對海-陸過渡地區(qū)的基礎地質(zhì)研究和海洋資源勘探具有重要意義。

航空重力測量在研究區(qū)取得了很多成果，本文概述了其中的主要成果,并從航空重力的角度對研究區(qū)內(nèi)的部分地質(zhì)問題進行探討，以期為航空重力數(shù)據(jù)的地質(zhì)解釋打下基礎，同時也為進一步開展海洋及海-陸過渡帶研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本次航空重力調(diào)查研究區(qū)主要為渤海中西部海域和冀東部分地區(qū)。研究區(qū)北部為燕山隆起區(qū)，太古宇結(jié)晶基底及中、上元古界和下古生界碳酸鹽巖地層廣泛出露，上覆新生界厚度不足1 km； 南部為渤海海域坳陷區(qū)，古近系斷陷和新近系坳陷廣泛發(fā)育。

研究區(qū)內(nèi)重力勘探最早始于20世紀60年代，目前已完成1∶20萬比例尺區(qū)域重力測量，局部地區(qū)完成了1∶5萬比例尺船載重力測量。1959年，在渤海及周邊地區(qū)開展了1∶100萬比例尺航磁調(diào)查工作； 至2002年，中國國土資源航空物探遙感中心(簡稱“航遙中心”)已完成1∶5萬比例尺航磁測量，基本實現(xiàn)了大比例尺航空磁測覆蓋，為開展天津周邊海-陸過渡地區(qū)航空重力調(diào)查和重磁聯(lián)合解釋奠定了技術(shù)基礎。

2 航空重力測量

2.1 測網(wǎng)布置

研究區(qū)內(nèi)地形復雜，北部為山區(qū)，地形高差較大，向北地形出現(xiàn)急劇升高； 南部為平原和海洋交互地形，主要構(gòu)造走向為NE向，少量為NW向，二者近于垂直分布。綜合地形條件、地質(zhì)構(gòu)造線方向等因素，確定研究區(qū)北部測線方向為EW向(即測線方向為90°、270°)，切割線方向為SN向(即測線方向為0°、180°)，飛行高度為1 200 m； 南部測線方向為SN向(即測線方向為0°、180°)，切割線方向為EW向(即測線方向為90°、270°)，飛行高度為600 m。

根據(jù)目前航空重力測量系統(tǒng)的測量精度和空間分辨率，參照國外同類系統(tǒng)作業(yè)測量比例尺，確定本次測量比例尺為1∶20萬(即測線線距2.0 km，切割線線距10.0 km，組成2 km×10 km測網(wǎng))。

2.2 航空重力測量系統(tǒng)

2006年，航遙中心引進了先進的航空重力測量系統(tǒng)，主要包括空中測量系統(tǒng)、導航定位系統(tǒng)、地面差分GPS觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)等[9]。

空中測量系統(tǒng)為俄羅斯莫斯科GT公司研制的GT-1A型航空重力測量系統(tǒng)，由GT-1A型航空重力儀、Asthech Z-Xtreme差分GPS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)(CDU)和UPS電源系統(tǒng)組成。該重力測量系統(tǒng)具有測量精度高(精度可達0.6 mGal)、在強烈湍流條件下性能可靠、作業(yè)效率高等特點[5]，能夠滿足本次航空重力調(diào)查的需求。

導航定位系統(tǒng)采用HD-01型雙星座全球衛(wèi)星導航系統(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航信息，定位精度可達1.6 m。

地面差分GPS觀測系統(tǒng)為AsthechZ-MAX大地測量級接收基站。該觀測系統(tǒng)具有高精度三維定點、定速、定時且不受任何天氣影響等特點。

航空重力數(shù)據(jù)預處理系統(tǒng)由航遙中心自主研發(fā)的航空地球物理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(GeoProbe)、GT-1A 航空重力處理軟件和Geosoft數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等專用軟件組成。

3 地面巖石密度測量

地層起伏及其間存在的密度差是研究區(qū)內(nèi)引起重力異常的主要因素，了解研究區(qū)主要地層巖石密度分布情況是進行重力異常解釋的基礎。鑒于研究區(qū)內(nèi)海域巖石密度資料較少，本著“由陸及?！钡脑瓌t，本文在研究區(qū)及周邊的陸域地區(qū)進行巖石密度測量，在綜合整理實測數(shù)據(jù)和收集數(shù)據(jù)基礎上，確定研究區(qū)主要存在3個密度界面。

(1)新近系與古近系界面。該界面存在0.20 g/cm3左右的密度差，是區(qū)域性密度界面； 且界面近于水平，只影響布格重力異常區(qū)域場大小，不會產(chǎn)生局部布格重力異常，故由該密度界面產(chǎn)生的重力異常對局部重力異常的產(chǎn)生基本沒有影響。

(2)新生界與中生界界面。該界面的密度差值在0.15 g/cm3左右，是影響重力異常局部變化的因素之一。該界面在研究區(qū)是一個非區(qū)域性和不連續(xù)的局部性密度界面。

(3)下古生界頂面。下古生界主要發(fā)育灰?guī)r地層，具有較高的密度值，因而與上覆地層形成了0.15 g/cm3左右的密度差。這是研究區(qū)存在的一個最主要的區(qū)域性密度界面，其起伏變化是影響區(qū)域性重力異常的主要因素。

4 取得的主要成果

4.1 測量成果

本次航空重力調(diào)查使用國際先進的GT-1A型航空重力測量系統(tǒng)，對天津周邊地區(qū)開展了1∶20萬比例尺航空重力測量。這是我國首次將航空重力測量系統(tǒng)正式應用于天津周邊區(qū)域的海洋及海-陸過渡地區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，獲取了高質(zhì)量的航空重力測量數(shù)據(jù)近30 000測線公里，原始測量總精度達1.58×10-5m/s2，充分滿足了區(qū)域性地球物理勘查的需求。研究區(qū)內(nèi)高差較大，涉及的海-陸過渡區(qū)域范圍廣，航空重力海-陸一體化測量不僅彌補了地面重力和船載重力的不足、填補了研究區(qū)高質(zhì)量航空重力測量的空白，而且也為海洋資源勘探、海-陸過渡地區(qū)環(huán)境、工程等研究提供了技術(shù)保障，更為今后開展海洋航空重力調(diào)查工作奠定了基礎。

4.2 對石臼坨凸起的認識

石臼坨凸起是介于渤中凹陷和秦南凹陷之間的構(gòu)造單元，走向EW，是渤海海域油氣勘探的重要地區(qū)之一。目前，在石臼坨凸起上已發(fā)現(xiàn)秦皇島 32-6，南堡 35-2、428W、427和秦皇島 33-1 等多個油氣田[10]。

4.2.1 基底構(gòu)造的分段性

本次航空重力測量數(shù)據(jù)對石臼坨凸起有良好的反映，在布格重力場上表現(xiàn)為異常強度由西向東逐漸衰減； 計算出的基底深度由西向東加深，由淺于2 km變至4 km左右，具有明顯分段的臺階狀變化。據(jù)重磁綜合特征，認為石臼坨凸起西段的基巖構(gòu)造特征不同于中、東段，西段基底與北部結(jié)晶基底是分離的，導致其斷裂也具有明顯的分段性，這對油氣儲藏和運移的深部機制具有重要影響。

4.2.2 石南構(gòu)造的圈定

以往關(guān)于石臼坨凸起的資料顯示，石臼坨凸起的南部僅存在一個狹窄的SE向延伸帶傾沒于渤中凹陷[11](圖1)，該延伸帶是已知的重磁同高、同源異常，是由太古宇變質(zhì)巖局部凸起所引起，新生界直接覆蓋于太古宇結(jié)晶基底之上，在該延伸帶上已發(fā)現(xiàn)油田。

圖1 石臼坨凸起簡圖[11]Fig.1 Sketch map of Shijiutuo Salient[11]

圖2 石臼坨凸起及石南構(gòu)造布格重力垂向一階導數(shù)異常特征Fig.2 Anomalous character of first vertical derivative of Bouguer gravity of Shijiutuo Salient and Shinan structure

本次航空重力調(diào)查研究認為，在該延伸帶東側(cè)存在另一個近SN向的隱伏構(gòu)造，本文稱之為“石南構(gòu)造”，在航空布格重力垂向一階導數(shù)圖中表現(xiàn)為局部由重力高向重力低區(qū)域延伸(圖2)，規(guī)模約為19.1 km×8.8 km，異常的東、西兩側(cè)為沉積區(qū)域，在航磁化極圖中表現(xiàn)為升高的異常條帶。該構(gòu)造與其左側(cè)的已知延伸帶具有相同的重磁場特征，推斷該構(gòu)造可能是由太古宇具磁性的變質(zhì)基底凸起形成，具有向南傾伏的構(gòu)造形態(tài)。

石南構(gòu)造北端與石臼坨凸起相連，向南延伸至渤中凹陷，三側(cè)均為巨厚的沉積巖系?；茁∑鹋c周圍沉積的巨厚生油巖系的接觸部位，可能會成為良好的儲油場所。因此，石南構(gòu)造具備良好的油氣構(gòu)造條件。

圖3 渤中凹陷正高磁異常體重力異常特征Fig.3 Gravity anomaly character of high magnetic in Bozhong Depression

4.3 對渤中凹陷正高磁異常體的探討

渤中凹陷是渤海盆地的沉降中心，沉積厚度大，新生界厚度達萬米。一般盆地的沉積中心都表現(xiàn)為負磁異常，而在渤中凹陷中，盆地的沉積中心表現(xiàn)為正高磁異常[12]。前人對該異常體的研究存在多種觀點，此處曾被解釋為地幔柱成因[13-14]，由此成為渤海盆地主動裂谷成因的論據(jù)之一； 還有學者認為是巖漿囊狀穿刺構(gòu)造引起的異常[15-16]。

最新的航空重力資料顯示，該異常體在布格重力圖中表現(xiàn)為寬緩升高異常(圖3(a))，等值線閉合，異常范圍約25 km×30 km。對該異常進行 5 km上延處理，發(fā)現(xiàn)該異常體在上延圖中仍有較強的反映(圖3(b))，除壓制了較高頻的異常外，形態(tài)和規(guī)模與布格重力異常特征相比沒有發(fā)生太明顯的變化，表明該異常體埋藏較深(通過布格重力計算，該異常體頂面埋深約為7 km)。

在航磁圖中，該異常體表現(xiàn)為閉合的升高正磁異常，推斷的異常體埋藏深度范圍為7～9 km。經(jīng)分析，該異常體產(chǎn)生的磁異常高值與重力異常高值位置基本吻合，異常體規(guī)?；疽恢拢浪愕漠惓ｓw埋藏深度相近，故基本可以推斷該異常為重磁同源異常。

異常體在布格重力圖中呈現(xiàn)的規(guī)模不大，若將其地質(zhì)成因解釋為地幔柱，一般認為地幔柱不太可能引起如此小規(guī)模的異常。因此，根據(jù)其重力特征，本文認為該異常體是地幔柱的可能性較小。

通過對研究區(qū)航空重力異常特征的研究，認為本區(qū)能引起寬緩閉合升高異常的地質(zhì)因素主要有2類，一類是基巖的凸起，另一類是巖體的侵入。在該異常周圍存在的已知基巖凸起異常通常表現(xiàn)為NE向或近EW向的長條狀升高異常，推斷基巖埋藏深度多集中在3～4 km； 但該異常在布格重力圖中呈現(xiàn)為一近圓形的寬緩升高異常，埋藏較深，與該異常周圍已知的基巖凸起異常表現(xiàn)出的重力特征差別較大。結(jié)合地震剖面揭示的古近系底面深度約6 km，顯示平直，幾乎沒有明顯的凸起變化。本文認為該異常由基巖凸起引起的可能性不大。

該異常位于渤中凹陷中部，而渤中凹陷中部地幔物質(zhì)上隆，莫霍面較淺[17]； 并且在該異常北側(cè)布格重力異常等值線密集，表明在該異常體北側(cè)存在斷裂，且斷裂切割深度較大，密度較大的地幔物質(zhì)有可能沿著該斷裂上涌，從而在斷裂周圍產(chǎn)生重力高異常。本文認為，該異常極有可能是由地幔物質(zhì)引起，并推斷異常體可能是埋藏深度較大的基性侵入巖。

4.4 對海-陸過渡地區(qū)構(gòu)造單元的認識

對海-陸過渡地區(qū)構(gòu)造單元的研究是海洋區(qū)域調(diào)查研究的重要組成部分，也是進行海-陸過渡帶構(gòu)造格局及地形和環(huán)境研究的基礎。

本次航空重力調(diào)查結(jié)果對研究區(qū)內(nèi)位于海陸過渡地區(qū)的構(gòu)造單元均有明顯和完整的反映，充分反映了新港低凸起、寧河―老王莊構(gòu)造帶、樂亭凹陷、馬頭營凸起、昌黎凹陷等一系列構(gòu)造單元的特征。其中，新港低凸起的重磁異常具有獨特的不對應特征，不同于沙壘田凸起、石臼坨凸起等，這說明結(jié)晶基底和碳酸鹽巖地層的繼承性不好，新港低凸起的構(gòu)成有可能是北部凸起區(qū)向南側(cè)分離或斷落的結(jié)果； 寧河―老王莊凸起具盆地邊緣隆起向坳陷過渡、構(gòu)造走向轉(zhuǎn)向交匯的構(gòu)造格局，基底受到EW向和NE向這2組構(gòu)造的強烈改造； 樂亭凹陷在布格重力場中反映的降低異常與凹陷范圍吻合，而垂向一階導數(shù)則反映凹陷是由若干局部降低異常組成，推斷這些異常反映了新生界局部洼點，推算基底深度為4 km； 馬頭營凸起整體呈EW向展布，與南部的石臼坨凸起處于同一太古宇具磁性結(jié)晶塊體的隆起之上，其中央被秦南凹陷向西延伸的局部次洼分隔，推算基底深度約1.5 km； 前人對昌黎凹陷的研究較少，本次航空布格重力反映其為閉合的降低異常帶，結(jié)合磁場特征推斷凹陷內(nèi)可能有中生代火山巖發(fā)育。

5 結(jié)論

(1)使用先進的GT-1A型航空重力測量系統(tǒng)，對天津海-陸過渡地區(qū)開展了1∶20萬比例尺航空重力測量，取得了良好效果，填補了我國對該地區(qū)高質(zhì)量航空重力測量的空白。通過地面工作，對研究區(qū)內(nèi)的巖石密度特征進行分析和總結(jié)，確定研究區(qū)存在3個主要的密度界面，為航空重力資料地質(zhì)解釋提供了前提和基礎。

(2)利用最新的航空重力資料，結(jié)合已有的航磁資料，對研究區(qū)內(nèi)含油氣構(gòu)造單元石臼坨凸起進行研究，認為該凸起基底構(gòu)造具有分段性，對油氣儲藏和運移具有重要影響，并在石臼坨凸起南部圈定了與油田有關(guān)的石南構(gòu)造。

(3)從航空重力角度對渤中凹陷正高磁異常體進行了探討，認為該異常體可能由地幔物質(zhì)引起，推斷異常體可能為埋藏深度較大的基性侵入巖。

(4)闡述了對研究區(qū)內(nèi)海-陸過渡地區(qū)主要構(gòu)造單元的認識，為進行海-陸過渡地區(qū)地質(zhì)研究和資源勘探打下基礎。

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(責任編輯： 常艷)

Achievements of airborne gravity survey in sea-land transition area around Tianjin

LIN Xiaoxing， CHEN Bin， ZHANG Xuanjie， WU Yun， FAN Jiang

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China)

Marine geological survey is significant important for the exploration of marine minerals, along with the increasing of human demands for marine mineral resources. The marine geological and geophysics survey in our country started late and is in a lower level now. However, as a quick and effective geophysics measurement, the airborne gravity survey plays an important role in the marine geological survey. The advanced GT-1A airborne gravity measurement system was introduced in 2006 and the airborne gravity survey at 1∶200 000 scale was carried out in sea-land transition region around Tianjin for the first time in 2011.This survey collected 30 thousands kilometers measure data with high quality, implemented the sea-land continuous measurement in the sea- land transition area and filled the blank in the high-precision airborne gravity measure in this area. This paper has given a detailed description of the achievements in airborne gravity survey, and studied the Shijiutuo Salient in the study area from the view of airborne gravity. The basement of Shijiutuo Salient was concluded to be possessed segmentation and the new basement salient was outlined to give a conclusion for further oil and gas exploration. The high magnetic anomaly in Bozhong Depression was also discussed. In addition, some important recognitions were achieved by studying gravity character of the main structural units, basement and fractures in the sea-land transition region, which are important for basic geology and environment research.

sea-land transition region； airborne gravity measurement system(GT-1A)； Shijiutuo Salient； Bozhong Depression

林曉星,陳斌,張玄杰，等.天津周邊海-陸過渡地區(qū)航空重力調(diào)查及主要成果[J].中國地質(zhì)調(diào)查,2016,3(6): 57-62.

2016-07-27；

2016-09-18。

國家專項“海洋航空地球物理探測及應用(編號： GZH200900502)”和“河北磁縣—河南安陽地區(qū)航磁調(diào)查(編號： 12120115039701)”項目聯(lián)合資助。

林曉星(1981—),女,工程師,主要從事航空地球物理調(diào)查綜合研究。Email： linxiaoxing2012@163.com。

P631.1

A

2095-8706(2016)06-0057-06