天津市重力數(shù)據(jù)反演解釋

鄭國磊，徐新學(xué)，李世斌，袁 航，馬 為，葉 青

1.天津市地球物理勘探中心，天津 300170 2.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

重力反演是獲取地下地質(zhì)信息的重要手段，在其應(yīng)用和研究方面，許多學(xué)者做了大量工作[1-10]。為使反演成果形象、全面地展示在人們面前，許多學(xué)者運用各種建模軟件進(jìn)行了三維可視化建模研究[11-17]。

天津市地貌類型分為北部山區(qū)和中、南部平原區(qū)，區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育、地層凹凸起伏、地?zé)豳Y源豐富，研究區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、斷裂位置對地?zé)豳Y源開發(fā)、基巖穩(wěn)定性評價等有重要意義。李繼軍等[18]應(yīng)用天津市重、磁、電資料查明了區(qū)內(nèi)地層主要界面的埋深、分布和厚度及斷裂的平面展布狀況和深部發(fā)育情況；姜夫爵等[19]應(yīng)用天津市重力資料對天津市南部地區(qū)斷裂構(gòu)造劃分及成因進(jìn)行了解譯；李世斌等[20]應(yīng)用天津市布格重力異常、航磁化極ΔT異常及電阻率深度切片等資料對區(qū)內(nèi)基底構(gòu)造特征進(jìn)行了詳細(xì)研究；鄭國磊等[13]對天津市重力資料進(jìn)行了反演建模研究。這些研究成果使人們對天津市的地質(zhì)構(gòu)造有了基本的認(rèn)識，但缺乏對全區(qū)資料的系統(tǒng)認(rèn)識和統(tǒng)一研究，且區(qū)內(nèi)鉆孔分布不均勻，部分地層界面的埋深、斷裂的空間位置、構(gòu)造單元的劃分有待進(jìn)一步探討及研究。

本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，利用天津市布格重力異常數(shù)據(jù)對區(qū)內(nèi)構(gòu)造單元格架、地層及斷裂進(jìn)行了重新解譯，并借助GOCAD軟件平臺對反演模型進(jìn)行三維可視化展示，以及運用大地電磁剖面數(shù)據(jù)制作虛擬鉆孔彌補(bǔ)鉆孔數(shù)量的不足，對重力解譯資料進(jìn)行了可靠性驗證，以期為區(qū)內(nèi)地?zé)豳Y源開發(fā)及地殼穩(wěn)定性評價提供有價值的參考資料，同時為制作虛擬鉆孔提供可借鑒的方法。

1 天津市地質(zhì)概況

天津地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為渤海灣裂谷盆地，是典型的多旋回多期次盆地，構(gòu)造演化主要經(jīng)歷了結(jié)晶基底的形成和沉積蓋層的發(fā)育[19, 21]。按照中國巖石地層區(qū)劃圖的統(tǒng)一劃分，天津市屬于華北地層大區(qū)晉冀魯豫地層區(qū)的燕遼地層分區(qū)和華北平原地層分區(qū)，缺失新元古界震旦系以及古生界志留系與泥盆系。由老至新發(fā)育太古宇結(jié)晶基底、中--新元古界、古生界寒武系—中奧陶統(tǒng)、上石炭統(tǒng)—早三疊統(tǒng)、中生界中侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)和新生界。北部山區(qū)出露中--新元古界及古生界，以中--新元古界的長城系、薊縣系和青白口系為主，一般不發(fā)育第四系、新近系和古近系；北部山前平原區(qū)及南部平原區(qū)地表均為第四系覆蓋，且廣泛發(fā)育新近系和古近系，中生界主要分布在武清坳陷、黃驊坳陷、滄縣隆起的馬家店洼槽、大白莊洼槽、白塘口凹陷和馬蘭峪復(fù)背斜的大廠凹陷，其余地區(qū)則是新生界覆蓋在古生界、元古宇之上(圖1)。北部地區(qū)構(gòu)造以近東西向分布為主，主控斷裂為近東西向；南部地區(qū)主要構(gòu)造以北東向為主，且次級構(gòu)造發(fā)育[19]。

2 物性統(tǒng)計

圖1 天津市新生界下伏基巖地質(zhì)圖Fig.1 Geologic map of sub-outcrop of uncovered tertiary in Tianjin

通過天津市及鄰區(qū)的密度、電性參數(shù)統(tǒng)計成果(圖2)可以看出：隨地質(zhì)年代由新到老，地層的密度逐漸增大，電阻率呈現(xiàn)相對低阻、低阻、中阻、高阻的分布規(guī)律；二者都呈現(xiàn)層狀分布特點。密度劃分為5層，由低到高分別為第四系、新近系明化鎮(zhèn)組—古近系東營組、古近系沙河街組—中生界白堊系、中生界侏羅系—上古生界石炭系、奧陶系及以前地層[13, 20]，各層密度值如圖2所示。電阻率劃分為4層，分別為第四系—明化鎮(zhèn)組、館陶組—三疊系、二疊系—石炭系、奧陶系及以前地層。密度層分界面與電阻率層分界面除奧陶系及以前地層頂界面相同外，其余分界面均存在差異，認(rèn)為該界面起伏是造成區(qū)域重力異常升降和影響電阻率縱向分布的主要原因[15]。巖漿巖中：中、酸性巖密度值較低，是造成部分區(qū)域重力低異常的主要原因；基性、超基性巖密度值高于地層平均值，在天津市分布較少。

3 重力場特征

天津市布格重力異常(圖3左)在宏觀形態(tài)上表現(xiàn)為北部、西北部、東南部低值區(qū)和中北部、中南部高值區(qū)，即“三低、兩高”。以寶坻、薊運河斷裂(F1、F2)為界：北部地區(qū)高值布格重力異常為基底隆起的結(jié)果，北部重力低值區(qū)呈近EW向展布，由中酸性巖漿巖體入侵和山區(qū)重力均衡效應(yīng)引起；南部地區(qū)呈NE向高低相間排列，為各構(gòu)造單元總體密度差異的結(jié)果，即由NE向高密度基底隆起和兩側(cè)坳陷及由此造成的上覆低密度沉積層的厚度差異引起，高值區(qū)與低值區(qū)之間的重力梯級帶為各構(gòu)造單元間主控斷裂的反映，其梯度與斷裂規(guī)模有關(guān)。

4 重力數(shù)據(jù)反演

4.1 斷裂構(gòu)造推斷

位場數(shù)據(jù)歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR- THDR)運用梯度線性信號的極大值及其錯斷位置對斷裂構(gòu)造位置進(jìn)行識別[22]。該方法對有效信息進(jìn)行了強(qiáng)化，對干擾信息進(jìn)行了壓制，可以有效地對斷裂構(gòu)造進(jìn)行識別。本文運用上述方法并利用布格重力異常數(shù)據(jù)對天津市NWW向、NNE向和近EW向的斷裂構(gòu)造體系進(jìn)行了判別(圖3)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)資料，共推斷53條斷裂，包含7條一級斷裂(F1—F7)、36條二級斷裂(F8—F43)和10條三級斷裂(F44—F53)(異常特征見表1)。7條一級斷裂在布格重力異常中主要分布在“三低、兩高”[20]交界處，對隆起、坳陷的形成、發(fā)展及演化起著主要的控制作用， 是一級構(gòu)造單元的分界線；二級斷裂構(gòu)造以NNE向和近EW向為主，對局部構(gòu)造單元的形成、發(fā)展及演化起著主要的控制作用；三級斷裂構(gòu)造則以NWW向和近NS向為主，為一、二級斷裂錯斷形成。NNE向斷裂主要為古生代、古近紀(jì)時期形成的斷裂，NWW向斷裂為中生代時期形成的斷裂，近EW向斷裂為新生代時期形成的斷裂[19]；斷裂走向與產(chǎn)生斷裂時期的地質(zhì)活動有關(guān)。

圖2 天津及鄰區(qū)地球物理參數(shù)統(tǒng)計Fig.2 Geophysical parameters statistical result of Tianjin and its adjacent areas

Δg. 布格重力異常。圖3 天津市推斷斷裂、構(gòu)造單元與布格重力異常(左)及其NVDR-THDR對應(yīng)關(guān)系(右)Fig.3 Comparison between inferred faults, structural units, the Bouguer gravity anomaly (lift) and the NVDR-THDR (right)

4.2 構(gòu)造單元劃分

研究區(qū)布格重力異常在北部呈近EW向展布，南部呈NE向展布；宏觀形態(tài)及其幅值的高低反映了區(qū)內(nèi)基底及上覆主要沉積層的起伏變化，同時亦反映了各層位之間的縱向聯(lián)系[13]。根據(jù)布格重力異?！叭?、兩高”的特征及主控斷裂的分布格局，將天津市劃分為4個一級構(gòu)造單元：北部低值區(qū)和中北部高值區(qū)為馬蘭峪復(fù)背斜，南緣邊界為寶坻斷裂(F1)和薊運河斷裂(F2)；西北部低值區(qū)為武清坳陷，東南邊界為F3和楊柳青斷裂(F4)；東南部低值區(qū)為黃驊坳陷，西北部邊界為延至薊運河斷裂的滄東斷裂(F6)；中南部高值區(qū)為滄縣隆起，兩側(cè)分別與武清坳陷和黃驊坳陷相鄰。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)局部布格重力異常特征、次級斷裂構(gòu)造分布特征及研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識，在4個一級構(gòu)造單元內(nèi)劃分29個二級構(gòu)造單元(詳見表2、圖3)，二級構(gòu)造單元的邊界主要為二、三級斷裂構(gòu)造。

表1 天津市布格重力異常及NVDR-THDR在斷裂識別中的異常信息

表2 天津市構(gòu)造單元劃分表

4.3 界面反演

結(jié)合研究區(qū)的地層密度分布狀況、斷裂構(gòu)造分布特征和構(gòu)造單元劃分情況，參考研究區(qū)的地質(zhì)特征，采用Geosoft軟件的重力構(gòu)造反演模塊對研究區(qū)密度界面進(jìn)行反演，包括以下步驟： ① 根據(jù)研究區(qū)收集的108個鉆孔數(shù)據(jù)及研究區(qū)的地質(zhì)認(rèn)識，確定各構(gòu)造單元內(nèi)每個密度界面的初始深度，并將深度數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geosoft軟件的構(gòu)建3D模型模塊中，建立每個構(gòu)造單元的初始三維密度模型，同時設(shè)置各密度層的密度值。② 在重力構(gòu)造反演模塊中設(shè)置反演參數(shù)(迭代次數(shù)和收斂極限等)。③ 當(dāng)反演第一密度界面(第四系底界面)時，將布格重力異常通過向上延拓方法分別求出區(qū)域場和剩余場，并將剩余場數(shù)據(jù)加載到三維密度模型中，然后應(yīng)用重力構(gòu)造反演模塊對該密度界面進(jìn)行反演；當(dāng)反演第二密度界面(東營組底界面)時，根據(jù)二級構(gòu)造單元的位置和大小，應(yīng)用斷裂邊界，將反演第一界面時求得的區(qū)域場劃分為29個部分，并將每一部分再一次進(jìn)行向上延拓，求出每一部分的區(qū)域場和剩余場，應(yīng)用各構(gòu)造單元的剩余場對各密度界面進(jìn)行反演；按照相同方法依次對各構(gòu)造單元內(nèi)的白堊系底界面、上古生界底界面分別進(jìn)行反演計算。④ 運用鉆孔資料對反演后界面進(jìn)行驗證與對比，對深度差異較大的界面重新進(jìn)行反演。⑤ 將反演后同層密度界面按照位置對應(yīng)關(guān)系合并到一起(圖4)。

通過上述反演界面可以看出：第四系在薊縣山前斷裂(F12)以南地區(qū)均有分布，在坳陷區(qū)分布較深，隆起區(qū)分布較淺；新近系、古近系主要分布在寶坻斷裂(F1)、薊運河斷裂(F2)以南區(qū)域，且在武清坳陷和黃驊坳陷縱向分布較深；白堊系主要分布在武清坳陷、黃驊坳陷、馬蘭峪復(fù)背斜的大廠凹陷、滄縣隆起的馬家店洼槽、大白莊洼槽和白塘口凹陷；上古生界分布除在白堊系分布區(qū)域外，在滄縣隆起的南王平凸起、良王莊凸起和里坦凹陷也有分布；奧陶系及以前地層在整個研究區(qū)均有分布，該層的起伏變換對布格重力異常的特征起到了決定性作用。

5 三維可視化模型

5.1 三維可視化屬性模型

根據(jù)上述反演成果，應(yīng)用GOCAD(geological object computer aided design)軟件中的構(gòu)建模型流和屬性流模塊建立天津市三維可視化密度屬性模型(圖5)。從圖5中可以看出各密度層分布與反演界面反映的地層分布規(guī)律一致，使地層分布形象地展示在人們面前。通過各密度層的密度分布規(guī)律可以看出：① 模型中地質(zhì)體分層與密度層相同，且隨著地層由新到老，密度值表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，與物性統(tǒng)計規(guī)律相同；② 各密度層上表面(第四系除外)坳隆相間分布，且隨著密度層加深，坳隆差異逐漸明顯，認(rèn)為沉積層厚度的差異主要由基底的隆起與坳陷造成；③ 各構(gòu)造單元交界處(斷裂及附近)存在低于同密度層密度的地質(zhì)體，認(rèn)為各構(gòu)造單元交界處存在大量裂隙，地質(zhì)體壓實程度較低，較松散，密度值偏低。

5.2 剖面對比及虛擬鉆孔驗證

針對穿過大王莊古洼槽(U10)、大孟莊洼槽(U11)、楊村斜坡(U12)、南王平凸起(U15)、赤土村斷凹(U19)、北塘凹陷(U20)構(gòu)造單元的一條實測大地電磁剖面，利用SSMT2000軟件對時間序列文件進(jìn)行傅里葉變換，然后將電場數(shù)據(jù)與磁場數(shù)據(jù)做相關(guān)處理轉(zhuǎn)換為頻率域功率譜文件，再根據(jù)頻率與深度的對應(yīng)關(guān)系將頻率轉(zhuǎn)換成深度值，最后用GOCAD軟件制作成虛擬鉆孔。在同位置處截取布格重力異常數(shù)據(jù)，利用RGIS軟件2.5D重磁剖面人機(jī)交互正反演技術(shù)推斷剖面處的地層結(jié)構(gòu)，并用虛擬鉆孔佐證結(jié)果的正確性，結(jié)果如圖6所示。通過圖6可以看出：① 布格重力異常曲線的區(qū)域性上升和下降基本反映奧陶系及以前地層(基底)的隆起與坳陷及由此造成的上覆沉積層的厚度變化情況。② 布格重力異常曲線擬合地質(zhì)剖面與模型截取地質(zhì)剖面中的密度層分布、斷裂位置和構(gòu)造單元劃分基本一致。③ 大地電磁虛擬鉆孔的電阻率分層情況與物性統(tǒng)計結(jié)果一致，對密度與電阻率相同分界面(奧陶系及以前地層與上覆地層分界面)反映較清晰(Mc—Me、Mh—Mu)；同時，Mp—Mr鉆孔的電阻率分層界面變化與F6斷裂縱向位置吻合，F(xiàn)22、F4斷裂附近虛擬鉆孔(Ma—Mb、Mf—Mg)，因受斷裂及附近松散地質(zhì)體(含裂隙水，電阻率較周圍地質(zhì)體低)影響，產(chǎn)生明顯的靜態(tài)效應(yīng)現(xiàn)象，造成在斷裂附近測量的電阻率普遍降低。由此說明，反演模型是可信的，并在密度分層和電性結(jié)構(gòu)兩方面均能夠真實地反映地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

a.第四系底界面；b.東營組底界面；c.白堊系底界面；d.上古生界底界面。圖4 天津市密度界面等深圖Fig.4 Isobath-map of density interfaces of Tianjin

a.第四系；b.明化鎮(zhèn)組—東營組；c.沙河街組—白堊系；d.侏羅系—石炭系；e.奧陶系及以前地層。圖5 天津市三維可視化密度屬性模型圖(縱坐標(biāo)方向放大3倍)Fig.5 3-Dimensional visualization property model of Tianjin(×3 at longitudinal coordinate)

6 地質(zhì)認(rèn)識

根據(jù)上述反演成果，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，認(rèn)為中生代以前研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造單元間相對活動較弱，區(qū)內(nèi)奧陶系基底形成并接受上古生界沉積。中生代后，武清坳陷構(gòu)造單元開始下降，形成以大孟莊洼槽為中心的梯級坳陷區(qū)，接收巨厚的中、新生界沉積，馬蘭峪復(fù)式背斜、滄縣隆起、黃驊坳陷普遍上升，其中：馬蘭峪復(fù)式背斜北部較南部上升較快，經(jīng)剝蝕后，造成薊縣山前斷裂(F12)以北、古生代以后地層缺失，主要出露中--新元古界、巖漿巖及少量太古宇，斷裂以南中--新元古界被第四系覆蓋；滄縣隆起在上升時具有右行走滑性質(zhì)，形成東北端較窄西南端較寬的現(xiàn)象，古近紀(jì)后，天津斷裂(F30)以西區(qū)域上升較緩甚至停止，以東地區(qū)不斷隆升并遭受剝蝕，造成了天津斷裂以東地區(qū)缺失上古生界，同時形成了以NE向主體斷裂為邊界的斷凹、斷凸相間發(fā)育構(gòu)造類型；黃驊坳陷自古近紀(jì)開始下降，同時接受古近系、新近系和第四系沉積。推斷控制武清坳陷下降運動的F3、楊柳青斷裂(F4)、F7及控制馬蘭峪復(fù)背斜上升運動的寶坻斷裂(F1)、薊運河斷裂(F2)、薊縣山前斷裂(F12)在中生代后有強(qiáng)烈的活動性，而控制黃驊坳陷下降運動的滄東斷裂(F6)和控制滄縣隆起東部上升運動的天津斷裂(F30)則在古近紀(jì)后活動性較強(qiáng)。這與姜夫爵等[19]NW向斷裂中生代活動強(qiáng)烈的觀點吻合，與NE向斷裂古生代、古近紀(jì)活動較強(qiáng)、中生代活動較弱的觀點存在一定差異。

圖6 天津市重力數(shù)據(jù)擬合剖面(a)、模型截取地質(zhì)剖面(b)及MT虛擬鉆孔分層成果對比圖(c)Fig.6 Comparison of fitting profile of gravity data (a), geological profile incised from model (b) and layered results of MT virtual drill (c) of Tianjin

7 結(jié)論

1)本文通過物性統(tǒng)計分析，了解天津市地層隨地質(zhì)年代由新到老，密度呈現(xiàn)逐漸增大、電阻率總體表現(xiàn)為由低到高的層狀分布規(guī)律，為重、電資料解譯提供基礎(chǔ)性資料。

2)運用布格重力異常數(shù)據(jù)及其反演結(jié)果，對天津市7條一級斷裂、36條二級斷裂、10條三級斷裂進(jìn)行了識別，對4個一級構(gòu)造單元和29個二級構(gòu)造單元構(gòu)造單元進(jìn)行了劃分，對4個地層分界面進(jìn)行了反演，客觀地反映了研究區(qū)構(gòu)造面貌。

3)運用GOCAD軟件，將重力反演成果構(gòu)建成三維可視化密度屬性模型，使地層、斷裂位置、密度屬性空間分布等構(gòu)造以立體形式展示出來，直觀反映了研究區(qū)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

4)通過布格重力異常數(shù)據(jù)擬合地質(zhì)剖面、大地電磁虛擬鉆孔反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)與反演結(jié)果模型截取地質(zhì)剖面對比，從密度層結(jié)構(gòu)、斷裂空間位置、構(gòu)造單元劃分等方面佐證三維可視化反演結(jié)果模型是可信的。

5)根據(jù)重力反演成果結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)資料，認(rèn)為研究內(nèi)基底為晚古生代以前地層沉積的結(jié)果，區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架及地層坳隆主要為中生代以后地質(zhì)活動的結(jié)果，控制構(gòu)造單元升降的斷裂也在相應(yīng)時期發(fā)生強(qiáng)烈活動。