利用PARKER變密度多層界面快速反演技術(shù)反演渤海地區(qū)密度界面①

韓 波 張菲菲 田振興

(*青島海洋地質(zhì)研究所 青島 266071)(** 國土資源部海洋油氣與地質(zhì)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

0 引 言

本次研究區(qū)范圍為渤海大部分海域地區(qū)，包括渤海灣、萊州灣和渤海中部海域，還包括河北省和山東省的沿海陸地區(qū)域。

前人對渤海地區(qū)做了大量地質(zhì)地球物理調(diào)查工作。在渤海灣構(gòu)造研究中，滕吉文等人[1]利用渤海地球物理場對渤海灣及其周邊地區(qū)的深部構(gòu)造進(jìn)行了綜合研究。李延興等人[2]根據(jù)渤海盆地周圍地區(qū)GPS的觀測資料，分析了渤海地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動、內(nèi)部形變及應(yīng)變場。欒錫武等人[3]利用資料討論了渤海構(gòu)造收縮和充填問題。周心懷等人[4]利用地震剖面剖析了渤海海域新生代盆地結(jié)構(gòu)特征，并對渤海灣構(gòu)造單元進(jìn)行了劃分。徐杰等人[5]根據(jù)新近系-第四系蓋層斷裂發(fā)育的資料，研究了渤海地區(qū)的新構(gòu)造格局。李達(dá)等人[6]從渤海灣盆地的區(qū)域重力場、火山活動、斷裂活動等方面指出了渤海灣盆地新構(gòu)造運(yùn)動對渤海地區(qū)的環(huán)境地質(zhì)意義。在對渤海灣盆地的研究中，宋景明等人[7]利用渤海灣重力資料，研究了渤海灣盆地斷裂展布。徐亞等人[8]利用綜合地球物理方法對渤海殘留盆地進(jìn)行了分析。在渤海灣地區(qū)的斷裂和居里面研究中，李西雙等人[9]利用渤海地區(qū)淺層地震剖面資料，分析了渤海地區(qū)的斷裂和褶皺，繪制了渤海海域斷裂分布圖。李文勇等人[10]利用航空重力資料研究渤海郯廬斷裂及圍區(qū)的構(gòu)造幾何特征。漆家福等人[11,12]利用磁異常和地震剖面判斷斷裂結(jié)構(gòu)，探討渤海郯廬斷裂帶的結(jié)構(gòu)模型及新生代運(yùn)動學(xué)。湯良杰等人[13]利用地震剖面研究渤海郯廬斷裂構(gòu)造。宋國奇[14]研究了郯廬斷裂帶渤海段的深部構(gòu)造，探討了郯廬斷裂帶的動力學(xué)意義。萬桂海等人[15]根據(jù)渤海海域新構(gòu)造運(yùn)動斷層特征，探討了渤海海域的斷裂構(gòu)造樣式和形成機(jī)制。解秋紅[16]對渤海及鄰區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行了詳盡分析，并對渤海及鄰區(qū)構(gòu)造的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價。劉光夏[17]對渤海第三紀(jì)裂谷擴(kuò)張的地球物理特征進(jìn)行分析，還計算了渤海地區(qū)的地殼厚度和居里等溫面，探討了郯廬斷裂帶渤海段的深部構(gòu)造特征[18,19]。郝書儉等人[20]利用航磁資料計算了渤海的居里等溫面。在利用重磁資料對渤海灣油氣的研究中，鄧運(yùn)華[21]利用重力、磁力、地震資料討論了渤海大中型潛山油氣田形成機(jī)理及勘探實(shí)踐。周心懷等人[22]根據(jù)渤海地區(qū)底辟構(gòu)造探討了渤海油氣地質(zhì)意義。龔再升等人[23]研究了郯廬斷裂對渤海海域東部油氣成藏的控制作用。這些地球物理場研究成果及其深部界面和構(gòu)造的綜合研究成果，為研究渤海地區(qū)提供了豐富資料。

以上研究中沒有提供渤海地區(qū)密度界面反演的平面成果，因此本文利用地質(zhì)調(diào)查獲得的重力異常資料，進(jìn)行了渤海地區(qū)重力異常特征分析，收集了前人研究的物性參數(shù)，利用PARKER變密度多層界面快速反演技術(shù)，計算了渤海地區(qū)重力密度界面。本文共計算了4個密度界面，第1個界面為第四系+新近系和古近系之間的界面，第2個界面為中生界與古近系之間的界面，第3個密度界面為奧陶系與上覆地層之間的界面，第4個密度界面是上地幔與前古生界之間的界面，是區(qū)域性重力異常產(chǎn)生的原因，下面將詳細(xì)論述。

1 重力異常特征及分區(qū)

本次數(shù)據(jù)來源于國土資源大調(diào)查項目，網(wǎng)格間距10 km。整個渤海及鄰域研究區(qū)布格重力異常幅值在-50～25 mGal之間變化，根據(jù)重力異常走向和重力異常特征可以劃分為3個重力異常區(qū)，分別為北部重力高異常區(qū)、中部高低相間重力異常區(qū)、南部高低相間重力異常區(qū)，如圖1所示。下面分別介紹重力場特征。

1.1 北部重力高異常區(qū)

該區(qū)處于研究區(qū)的北部，對應(yīng)燕山褶皺隆起異常區(qū)。異常值范圍在-30～0 mGal之間，出現(xiàn)了較完整的相對重力高異常圈閉，異常走向?yàn)闁|西(EW)向，在東部地區(qū)，異常走向?yàn)闁|北(NE)向。

1.2 中部高低相間重力異常區(qū)

該區(qū)位于研究區(qū)的中部，異常值變化范圍為-50～0 mGal。根據(jù)該區(qū)的異常特征，可分為5個明顯不同的亞區(qū)。

1.2.1 滄縣重力低異常區(qū)

該區(qū)對應(yīng)滄縣隆起區(qū)，重力異常值范圍為-50～-20 mGal，整體走向?yàn)镹E向，具有一個低值異常圈閉，反映了該區(qū)基底埋深較淺。

1.2.2 黃驊重力異常區(qū)

該區(qū)對應(yīng)黃驊坳陷，重力異常值在-20～-10 mGal之間變化，重力異常走向?yàn)镹E向，與滄縣隆起異常區(qū)異常走向平行。

1.2.3 埕寧重力異常區(qū)

該區(qū)位于研究區(qū)的南部，對應(yīng)埕寧隆起區(qū)，重力異常值在-20～-10 mGal之間變化，重力異常走向?yàn)镹E向。

1.2.4 渤中北部重力低異常區(qū)

該區(qū)位于渤中坳陷的北部，異常值以低值異常圈閉為主，并與凹陷單元對應(yīng)良好，異常走向大致為近東東北(NEE)向，中部地區(qū)有部分異常呈現(xiàn)近EW向。該區(qū)域凹陷單元沉積層較厚，基底埋深相應(yīng)較深，而凸起部分基底埋深較淺。

1.2.5 渤中南部重力高異常區(qū)

該區(qū)位于渤中坳陷的南部，異常值較北部高。西部異常走向?yàn)榻麰W向，東部異常走向近南北(SN)向，存在與凸起相對應(yīng)的高值異常圈閉。而該區(qū)的一個高值異常圈閉則對應(yīng)渤中凹陷，這是因?yàn)榛兹笔е猩凸派貙樱糯茁∑鹚隆?/p>

1.3 南部重力高低相間異常區(qū)

1.3.1 濟(jì)陽重力低異常區(qū)

該區(qū)主體對應(yīng)濟(jì)陽坳陷，重力異常值在-30～0 mGal之間變化，東部重力異常走向近NE向，西部具有較完整的低異常圈閉走向近西北(NW)向。

1.3.2 萊州灣重力高異常區(qū)

該區(qū)主體對應(yīng)萊州灣，重力異常值在-20～25 mGal之間變化，重力異常走向近北北東(NNE)向，北部具有較完整的低異常圈閉，南部有完整的重力高圈閉，對應(yīng)著萊州灣。

圖1 渤海地區(qū)布格重力異常及其分區(qū)圖

2 渤海地區(qū)密度特征

根據(jù)宋景明等人[7]的資料，本文整理了渤海地區(qū)的密度特征(見表1)。如表1所示，渤海灣的中上元古界及太古界的平均密度大于2.70 g/cm3，上古生界的平均密度為2.61 g/cm3，中生界的平均密度為2.54 g/cm3，新生界古近系的平均密度為2.43 g/cm3，第四系與古近系平均密度為2.18 g/cm3。

經(jīng)過整理文獻(xiàn)，本次得到渤海地區(qū)4個主要密度界面，第1個界面為第四系+新近系和古近系之間的界面，其密度差約為0.2～0.3 g/cm3；第2個界面為中生界與古近系之間的界面，其密度差約為0.15 g/cm3；第3個密度界面為奧陶系與上覆地層之間的界面，其密度差約為0.1 g/cm3左右；第4個密度界面是莫霍面，其密度差在0.35g/cm3左右，是區(qū)域性重力異常產(chǎn)生的原因。

表1 渤海地區(qū)巖石密度統(tǒng)計表

3 密度界面反演方法及步驟

由地質(zhì)地球物理特征可知，研究區(qū)共有4個密度界面，分別是新近系底(古近系頂)、古近系底、奧陶系頂及莫霍面。根據(jù)前人資料以及地震解釋[8]，反演以上4個密度界面。將上面3層利用重力剩余場同步反演，莫霍面利用重力區(qū)域場進(jìn)行反演。

3.1 反演場的獲得

由于地表巖體和其他因素對密度界面有不同的影響，密度反演之前先將重力數(shù)據(jù)做了1階20 km半徑趨勢化分析。

隨后對所得到區(qū)域場進(jìn)行1階200 km半徑的趨勢化分析，利用所得剩余場用于反演古近系頂、底、奧陶系頂層位，利用所得區(qū)域重力場反演了莫霍深度面。

為使反演采用的重力場(重力剩余場、重力區(qū)域場)與目標(biāo)重力場在同一個基準(zhǔn)面上，要將反演用的重力場(重力剩余場、重力區(qū)域場)通過利用初始模型正演結(jié)果與場值之間的差值進(jìn)行調(diào)整。

3.2 初始模型的建立

利用收集資料獲得的奧陶系頂和莫霍面的等深圖[17,18]數(shù)字化得到研究區(qū)內(nèi)奧陶系頂和莫霍面初始模型。

利用收集資料的地震解釋結(jié)果[8]構(gòu)制了古近系頂、底的初始模型。

3.3 密度模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料可以得到研究區(qū)地層密度的變化范圍，反演剩余密度由式(1)計算得到。

ΔσT=σT-σTg

(1)

反演莫霍面所選密度為海底面與莫霍面之間所有地層的平均密度與地幔密度之差。

3.4 界面反演

對重力場進(jìn)行趨勢化分析得到重力剩余場和區(qū)域場，使用改進(jìn)的PARKER變密度多層界面快速反演技術(shù)，利用重力剩余場對上面3個密度界面進(jìn)行多界面聯(lián)合迭代反演，并利用重力區(qū)域場反演莫霍面。

3.5 繪制地層深度圖

利用反演結(jié)果編制了4個界面的等深圖。

4 密度界面反演結(jié)果

使用改進(jìn)的PARKER變密度多層界面快速反演技術(shù)，利用重力數(shù)據(jù)反演了古近系頂、古近系底、奧陶頂以及莫霍面4個密度模型，反演模型如圖2和圖3所示。

圖2 渤海地區(qū)密度界面反演模型

圖3 渤海地區(qū)莫霍面反演模型

本次研究使用的重力資料可以基本反映渤海地區(qū)基本構(gòu)造格架。渤海地區(qū)密度界面的反演結(jié)果與已知地質(zhì)資料[17，18]和地震結(jié)果基本吻合[8]，說明本反演結(jié)果是可信的。反演結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4顯示古近系頂?shù)姆囱萁Y(jié)果在1～4 km左右變化，低值地區(qū)有3處，1處在渤海北部秦皇島地區(qū)附近海域，1處在萊州灣南部東營地區(qū)附近海域，1處在渤海灣西部、黃驊地區(qū)附近，變化比較平緩。高值地區(qū)有2處，1處在塘沽地區(qū)附近海域，1處在渤中坳陷內(nèi)，反演結(jié)果和地震解釋的界面吻合較好。在渤中坳陷內(nèi)的厚度相對比較大，最大達(dá)4 km左右，厚度中心位于渤中坳陷內(nèi)呈NE向展布，變化較為平緩。

圖5顯示古近系底的反演結(jié)果在1.6～8 km之間變化，低值地區(qū)有3處，1處在渤海北部秦皇島地區(qū)附近海域，1處在渤海灣西部、黃驊地區(qū)附近，1處在萊州灣南部東營地區(qū)附近海域，變化比較平緩。高值地區(qū)有2處，1處在塘沽地區(qū)附近海域，1處在渤中坳陷內(nèi)，反演結(jié)果和地震解釋的界面基本吻合。

圖4 渤海地區(qū)古近系頂界面深度圖(單位：km)

圖5 渤海地區(qū)古近系底界面深度圖(單位：km)

圖6顯示奧陶頂部的反演結(jié)果在1.8～13 km之間變化，低值地區(qū)有3處，1處在渤海北部秦皇島地區(qū)附近海域，1處在渤海灣西部、黃驊地區(qū)附近，1處在萊州灣南部東營地區(qū)附近海域，變化比較平緩。高值地區(qū)有3處，1處在塘沽地區(qū)附近海域，1處在渤中坳陷內(nèi)，1處在萊州灣南部，反演結(jié)果和地震解釋的界面基本吻合。埋深在渤中坳陷內(nèi)達(dá)到最大，可達(dá)13 km左右。

圖6 渤海地區(qū)奧陶系頂界面圖(單位：km)

圖7 渤海地區(qū)莫霍面深度等深圖(單位：km)

圖7顯示莫霍面在海域變化相對較為寬緩，在32.5～34.6 km之間變化，基本走向?yàn)镹E向，極小值有2處，1處在渤海灣北部塘沽地區(qū)，莫霍面走向NE向，1處在渤中地區(qū)，莫霍面走向NE向；極大值在渤海北部秦皇島地區(qū)，莫霍面走向NE向，基本可以與前人資料吻合。

從古近系頂部反演結(jié)果和古近系底部反演結(jié)果可以看到，有2處低值區(qū)是重合的，一處位于渤海灣西部的黃驊地區(qū)附近，從古近系頂界面和古近系底界面反演結(jié)果推算，黃驊地區(qū)附近的古近系厚度大約有1.4 km，地層厚度略厚，呈現(xiàn)一個凸起的地層。另一處位于萊州灣南部東營地區(qū)附近海域，從古近系頂界面和古近系底界面反演結(jié)果推算，東營地區(qū)附近海域的古近系厚度大約有0.8 km，地層厚度略薄，也呈現(xiàn)一個凸起的地層。

從古近系頂部反演結(jié)果和古近系底部反演結(jié)果還可以看到，有2處高值區(qū)也是重合的，一處在渤海灣西部塘沽地區(qū)附近，從古近系頂界面和古近系底界面反演結(jié)果推算，塘沽地區(qū)附近的古近系厚度大約有3.6 km，地層厚度厚，呈現(xiàn)一個坳陷的地層。另一處位于渤海東部的渤中凹陷附近，從古近系頂界面和古近系底界面反演結(jié)果推算，渤中坳陷地區(qū)附近的古近系厚度大約有3.4 km，地層厚度厚，呈現(xiàn)一個凹陷的地層。

在渤海莫霍面深度圖中，黃驊地區(qū)的莫霍面深度為33.1～33.4 km，莫霍面呈現(xiàn)一個凹陷的地層，東營地區(qū)的莫霍面深度為32.8～33.1 km，莫霍面呈現(xiàn)一個凸起的地層，塘沽地區(qū)的莫霍面深度為33.1～33.4 km，莫霍面呈現(xiàn)一個凸起的地層，渤中坳陷地區(qū)莫霍面深度為32.5～32.8 km，莫霍面呈現(xiàn)一個凸起的地層。

由反演結(jié)果可以看到，渤海黃驊地區(qū)莫霍面呈現(xiàn)一個凹陷形態(tài)，渤海東營地區(qū)的莫霍面呈現(xiàn)一個凸起形態(tài)，渤海塘沽地區(qū)莫霍面呈現(xiàn)一個凸起形態(tài)，渤中坳陷地區(qū)莫霍面呈現(xiàn)一個凸起形態(tài)。由此可以看出，并不是凹陷地區(qū)的莫霍面也是凹陷形態(tài)，凸起地區(qū)的莫霍面也是凸起形態(tài)，莫霍面起伏和地質(zhì)運(yùn)動、構(gòu)造活動等有關(guān)系。

5 結(jié) 論

從反演結(jié)果可以看出，新近系-第四系在渤中坳陷內(nèi)的厚度相對比較大，最大達(dá)4 km左右，厚度中心位于渤中坳陷內(nèi)呈NE向展布，變化較為平緩。通過對比，古近系頂?shù)姆囱萁Y(jié)果和地震解釋的界面吻合較好。

古近系頂部反演結(jié)果和古近系底部反演結(jié)果中，有2處低值區(qū)是重合的，一處位于渤海灣西部的黃驊地區(qū)附近，呈現(xiàn)一個凸起的地層。另一處位于萊州灣南部東營地區(qū)附近海域，呈現(xiàn)一個凸起的地層。還有2處高值區(qū)是重合的，一處在渤海灣西部塘沽地區(qū)附近，呈現(xiàn)一個凹陷的地層。另一處位于渤海東部的渤中坳陷附近，呈現(xiàn)一個凹陷的地層。

奧陶頂部的反演結(jié)果為其厚度變化比較平緩，走向以NE-NNE向?yàn)橹鳌Ｔ谇鼗蕧u地區(qū)附近海域、黃驊地區(qū)附近、萊州灣附近海域這些凹陷的區(qū)域，沉積層厚度較大，反演結(jié)果和地震解釋的界面吻合較好。

渤海灣的莫霍面在海域變化寬緩，基本走向?yàn)镹E向，深度在32.5～34.6 km之間變化，靠近陸區(qū)的莫霍面深度值大，反演結(jié)果基本可以與已有資料吻合，但并不是所有凹陷地區(qū)的莫霍面也是凹陷形態(tài)，凸起地區(qū)的莫霍面也是凸起形態(tài)，莫霍面起伏和地質(zhì)運(yùn)動、構(gòu)造活動等有關(guān)系。

密度界面反演結(jié)果基本與地震解釋的界面吻合，有部分地區(qū)有差異，這是由于盆地邊界的斷裂控制作用，在邊界處復(fù)雜的構(gòu)造變動、斷層等地質(zhì)現(xiàn)象會使其密度與周圍地層的密度存在顯著差異，導(dǎo)致密度界面反演結(jié)果的偏差。但是這些差異可能就是發(fā)現(xiàn)地質(zhì)問題的新的依據(jù)，密度界面反演工作可以為地質(zhì)構(gòu)造研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要地質(zhì)意義。