天津市重力數據三維可視化反演建模研究

鄭國磊， 徐新學， 李世斌， 馬 為， 王 茜， 袁 航， 曹朋軍

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

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天津市重力數據三維可視化反演建模研究

鄭國磊， 徐新學， 李世斌， 馬 為， 王 茜， 袁 航， 曹朋軍

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

基于對天津市全區布格重力數據采用NVDR-THDR技術處理的基礎上，對斷裂體系、構造單元進行了判別和劃分，并以Geosoft為平臺，通過Visual C++軟件接口的開發，實現了對天津市重力數據三維反演計算及可視化建模動態展示。通過模型截取剖面與實測數據擬合剖面對比，表明三維可視化模型是可靠的，能直觀和真實地揭示地下地質體的空間展布。

NVDR-THDR； 斷裂體系； 構造單元； Geosoft； 重力數據3D反演； 三維可視化模型

0 引言

三維地質建模(3DGeoseieneeModeling)最早是由加拿大SimonW.Houlding于1993年提出的。它是運用計算機技術,在三維環境下,將空間信息管理、地質解譯、空間分析和預測、地學統計、實體內容分析以及圖形可視化等工具結合起來,用于地質分析的技術[1]。其主要目的是預測一個或多個地質變量的空間變化，在地質工程中,往往是指地層、斷裂、構造單元等的空間展布特征及其物理力學參數[2]。目前隨著計算機軟硬件技術的發展和日益成熟，許多學者運用三維可視化建模在空間數據表達、成礦地質條件分析、預測靶區的圈定與評價、礦區儲量估算等方面做了大量研究[3-8]。天津地區的構造演化經歷了結晶基底形成及沉積蓋層發育兩大旋回[9]，不同區段地層結構差異較大，沉積地層分布不連續，基底地層掀斜隆起較為劇烈，斷裂構造較發育[10]。作者利用天津市1∶50 000 重力數據，以Geosoft為平臺，通過Visual C++軟件接口開發，初步實現了天津市基巖地質結構三維地質模型的可視化，較直觀地揭示了地下地質體的空間展布規律，為天津市基礎地質研究提供了較有價值的參考資料依據。

1 重力數據反演

1.1 密度層劃分

天津市地質體分為5個密度層(圖1)，第一密度層為第四系，密度為2.05 g/cm3；第二密度層為新近系明化鎮組—古近系東營組，密度為2.20 g/cm3；第三密度層為古近系沙河街組—中生界白堊系，密度為2.41 g/cm3；第四密度層為中生界侏羅系—上古生界石炭系，密度為2.59 g/cm3；第五密度層為前奧陶系地層，密度為2.68 g/cm3。

1.2 斷裂構造劃分

重、磁位場邊緣識別方法通常分為數理統計、數值計算和其他三大類[11]。位場數據歸一化總水平導數垂向導數(NVDR-THDR)[12]屬于數值計算類邊緣識別方法。由于該方法對斷裂構造信息進行了強化，壓制了非構造信息，因此更有利于斷裂構造的判別和劃分。這里采用布格重力異常NVDR-THDR極大值及錯斷位置特征對天津市 NNE向、NWW向和近EW向的斷裂構造體系進行了判別(圖2(b))，在綜合地質資料認識的基礎上，共推斷40條斷裂, 其中6條Ⅰ級斷裂主要分布“兩高、兩低”[13]交界處圖2(a)，對隆起、坳陷的形成、發展及演化起著主要的控制作用，是一級構造單元的分界線。

圖1 天津及鄰區巖石密度統計

圖2 推斷斷裂、構造單元與布格重力異及其NVDR-THDR對應關系

1.3 構造單元劃分

研究區布格重力異常特征在北部呈近EW向展布，南部呈NE向展布，宏觀形態及其幅值的高低反映了區內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系。根據布格重力場特征、斷裂構造、局部異常及地質構造的認識，在整個研究區劃分出馬蘭峪復式背斜、冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷4個Ⅰ級構造單元，在Ⅰ級構造單元內進一步劃分出29個Ⅱ級構造單元(圖2、表1)，其分界線大多與斷裂位置吻合，說明斷裂體系控制了構造單元的邊界；布格重力異常的“兩高、兩低”形態分別對應著薊寶隆褶帶、滄縣隆起、冀中坳陷、黃驊坳陷4個一級構造單元，表明基底的起伏和沉積層的厚度是造成區域布格重力異常大小的主要原因。

表1 構造單元劃分一覽表

1.4 密度界面反演

在參考前述密度參數、斷裂及構造單元劃分的基礎上，結合研究區地質特征，采用Geosoft軟件中反演模塊對天津市的密度界面進行反演。分為6個步驟：①將布格重力異常數據按Ⅱ級構造單元邊界劃分成與構造單元相同大小的29部分；②根據在每個構造單元的地質認識，建立每個構造單元密度界面的初始坐標—深度網格；③把每個構造單元的布格重力數據、密度界面的初始坐標—深度網格數據導入Geosoft軟件中的界面反演模塊；④在反演模塊中設置地層層數、地層密度、迭代次數、收斂極限等參數；⑤對密度界面進行反演，直至達到收斂極限位置；⑥形成天津市三維密度體數據。

2 基于Geosoft系統三維可視化建模

Geosoft系統三維可視化建模主要是通過Geosoft系統中的三維成圖模塊，把三維模型數據立體網格化，并在Geosoft軟件中進行顯示，可以分為6個步驟：①根據研究區的地層密度特征，把上文中反演的不同構造單元的不同密度界面(第四系底、古近系東營組底、中生界白堊系底、上古生界底)，分別按名稱組合在一起；②在密度界面間分別插入該地層的密度屬性值，形成一個三維坐標—密度文件；③把坐標—密度文件進行三維網格化，形成Geosoft軟件格式的三維網格文件；④把三維網格文件轉成XYZ格式的明碼文件；⑤在明碼文件中添加斷裂和地層分界面，并賦屬性值；⑥把明碼文件轉化成Geosoft軟件格式的三維網格文件，在Geosoft軟件顯示模塊中進行顯示。

3 三維可視化模型的應用及展示

圖3為天津市全區三維重力可視化模型展示圖(Z方向比例放大3倍)，模型中包含4個Ⅰ級構造單元、29個Ⅱ級構造單元、6條Ⅰ級斷裂構造、34條Ⅱ級斷裂構造(構造單元、斷裂構造編號與圖2中編號一致，編號名稱見表1)、5個地層單元、4個地層分界面。

圖3 天津市全區三維重力可視化模型圖

3.1 內容展示

1)斷裂構造劃分。展示的斷裂構造主要為Ⅰ、Ⅱ級斷裂，分別用不同顏色的邊界面表示，如寶坻斷裂(F1)、楊柳青斷裂(F4)、滄東斷裂(F6)、薊運河斷裂(F2)等為Ⅰ級斷裂，用紅色面表示，天津斷裂(F26)、海河斷裂(F30)、漢沽斷裂(F28)等為Ⅱ級斷裂，用黃色面表示(圖4)。從圖4中可以看出，斷裂的走向、傾向及大致傾角，基本能反映真實的斷裂情況。模型中包含6條Ⅰ級斷裂、34條Ⅱ級斷裂。

圖4 斷裂構造(Ⅰ、Ⅱ級)分布示意圖

2)構造單元劃分。把構造單元分為Ⅰ、Ⅱ級，用不同顏色的邊界區分，例如馬蘭峪復背斜、翼中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷為Ⅰ級構造單元，用紅色邊界線表示，寶坻凸起(U3)、楊村斜坡(U10)、寧河凸起(U17)、里坦凹陷(U21)等為Ⅱ級構造單元，用黃色邊界線表示(圖3)，模型中共包含4個Ⅰ級構造單元和29個Ⅱ級構造單元，構造單元編號及名稱見表1。

3)地層劃分。建模時把可視化模型分成五層如圖3所示，第一層為第四系(用深藍色層表示)；第二層為明化鎮組到東營組(用淺藍色層表示)；第三層為沙河街組到白堊系(用綠色層表示)；第四層為侏羅系到石炭系(用黃色地層表示)；第五層為奧陶系及以前所有地層(用橙黃色地層表示)。

4)地層界面劃分。可視化模型包含四個地層分界面(圖5，縱向比例放大5倍)，自上而下分別為第四系底界面(用淺黃色面表示)、古近系東營組底界面(用淺藍色面表示)、中生界白堊系底界面(用粉色面表示)、上古生界底界面(用紫色面表示)。從圖5中可以清楚地看出分界面深度的起伏變化，在隆起區深度變淺，部分分界面缺失(由地層缺失引起)，在凹陷區深度變深，分界面較完整。

3.2 功能展示

1)截取等深面功能。圖6為一組在水平方向上截取的等深圖，圖6(a)、(b)、(c)、(d)截面的深度分別為0 m、500 m、1 800 m、4 000 m。從圖6中可以看出，隨著地層的不斷剝蝕，同一深度處，不同構造單元的地層差異越來越明顯，構造單元顯現的越來越明顯，馬蘭峪復式背斜最先看到老地層，滄縣隆起次之，黃驊坳陷和冀中坳陷老地層埋藏較深，最后顯露出來。通過圖5與圖6可以發現，明化鎮組到東營組地層在馬蘭峪復背斜的于橋斜坡(U2)、寶坻凸起(U3)、鴉鴻橋洼槽(U6)、豐南凸起(U13)缺失，沙河街組到白堊系地層在馬蘭峪復背斜、滄縣隆起的大辛莊斷凸(U15)、赤土村斷凹(U18)、雙窯凸起的東部(U22)、山嶺子斷凸(U24)缺失，侏羅系到石炭系地層在馬蘭峪復背斜、滄縣隆起(除大白莊洼槽(U11)、白塘口凹陷(U23)以外構造單元)缺失，前奧陶系地層在整個研究區均有分布。

2)截取剖面功能。截取剖面功能是用Visual C++語言對Geosoft軟件進行二次開發，功能模塊通過對模型數據明碼文件進行處理，將模型中除剖面位置外其他部分的屬性值變為相反數(原屬性值都為正數)，然后通過Geosoft軟件，把顯示屬性值范圍調整為大于“0”的值，這樣就把其他部分隱藏起來，只顯示剖面部分，實現截取剖面的功能。圖7為方位角為45°和135°方向上截取的兩組剖面，每組剖面間距為25 km。由圖7可以清楚地看到剖面經過位置的地層、斷裂結構，從整個截圖上可以看出馬蘭峪復背斜和滄縣隆起構造單元內奧陶系以上地層較薄，地層缺失嚴重，冀中坳陷和黃驊坳陷構造單元奧陶系以上地層較厚，地層較完整。

4 模型截取地質剖面與地質剖面比較

圖8為模型截取的地質剖面與實測布格重力曲線擬合的地質剖面的對照圖，從圖8可以看出，布格重力曲線的升降基本反映天津市基底的起伏和沉積層的厚度變化情況，模型截取地質剖面與曲線擬合地質剖面中的地層深度、斷裂構造位置、構造單元劃分基本一致，說明三維可視化模型能夠較真實地反映地下地質結構。

圖5 密度層分界面示意圖

圖6 水平方向截面示意圖

圖7 方位角為45°和135°方向上截取的剖面示意圖

圖8 模型截取剖面與實測數據擬合成果對比圖

5 結論

1)布格重力異常數據NVDR-THDR技術可較好地反應天津市斷裂構造系統，為構造單元劃分提供依據。

2)布格重力異常的幅值高低，在宏觀上反映了天津市基底的起伏及上覆主要沉積層的厚度變化，布格重力異常“兩高、兩低” 形態總體反映了4個Ⅰ級構造單元的大致形態。

3)重力數據三維反演及可視化建模可以直觀地從地層、斷裂構造、構造單元、地層界面四個方面反映了地下的真實情況，細致地展示天津市的地下地質結構。

4)通過模型截取地質剖面與實測數據擬合地質剖面的對比，證實了三維可視化模型是可信的。

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Constructing 3D visualization model with gravity data of Tianjin

ZHENG Guo-lei， XU Xin-xue， LI Shi-bin， MA Wei， WANG Qian， YUAN Hang， CAO Peng-jun

(Tianjin Geophysical Exploration Center，Tianjin 300170,China)

Using the technique of normalized vertical derivative of the total horizontal derivative of the Bouguer gravity anomaly in Tianjin，this paper infers the faults structure and divides into tectonic units in Tianjin．Then, based on the Geosoft platform, the 3D inversion of gravity data and the dynamic display of 3D visualization model have been completed by developing interface with Visual C++. This paper suggests the 3D visualization model is reliable and this model can directly reveal the spatial distribution of underground geological body after comparing the sliced profiles and fitted section.

NVDR-THDR； faults structure; structural unit； Geosoft；3D inversion of gravity data； 3D visualization model

2014-10-29改回日期：2014-12-29

國土資源部、中國地調局、天津市國土資源和房屋管理局合作項目(1212011220232)

鄭國磊(1983-)，男，碩士，現從事重力方向的勘探及軟件編寫工作，E-mail：zhengguolei@126.com。

1001-1749(2015)05-0571-07

P 631.1

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.05