天津市重力數據反演解釋

鄭國磊，徐新學，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.中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

重力反演是獲取地下地質信息的重要手段，在其應用和研究方面，許多學者做了大量工作[1-10]。為使反演成果形象、全面地展示在人們面前，許多學者運用各種建模軟件進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和中、南部平原區，區內斷裂構造發育、地層凹凸起伏、地熱資源豐富，研究區內地層結構、斷裂位置對地熱資源開發、基巖穩定性評價等有重要意義。李繼軍等[18]應用天津市重、磁、電資料查明了區內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育情況；姜夫爵等[19]應用天津市重力資料對天津市南部地區斷裂構造劃分及成因進行了解譯；李世斌等[20]應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內基底構造特征進行了詳細研究；鄭國磊等[13]對天津市重力資料進行了反演建模研究。這些研究成果使人們對天津市的地質構造有了基本的認識，但缺乏對全區資料的系統認識和統一研究，且區內鉆孔分布不均勻，部分地層界面的埋深、斷裂的空間位置、構造單元的劃分有待進一步探討及研究。

本文在前人研究工作的基礎上，利用天津市布格重力異常數據對區內構造單元格架、地層及斷裂進行了重新解譯，并借助GOCAD軟件平臺對反演模型進行三維可視化展示，以及運用大地電磁剖面數據制作虛擬鉆孔彌補鉆孔數量的不足，對重力解譯資料進行了可靠性驗證，以期為區內地熱資源開發及地殼穩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 天津市地質概況

天津地區的區域地質構造為渤海灣裂谷盆地，是典型的多旋回多期次盆地，構造演化主要經歷了結晶基底的形成和沉積蓋層的發育[19, 21]。按照中國巖石地層區劃圖的統一劃分，天津市屬于華北地層大區晉冀魯豫地層區的燕遼地層分區和華北平原地層分區，缺失新元古界震旦系以及古生界志留系與泥盆系。由老至新發育太古宇結晶基底、中--新元古界、古生界寒武系—中奧陶統、上石炭統—早三疊統、中生界中侏羅統—下白堊統和新生界。北部山區出露中--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，一般不發育第四系、新近系和古近系；北部山前平原區及南部平原區地表均為第四系覆蓋，且廣泛發育新近系和古近系，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背斜的大廠凹陷，其余地區則是新生界覆蓋在古生界、元古宇之上(圖1)。北部地區構造以近東西向分布為主，主控斷裂為近東西向；南部地區主要構造以北東向為主，且次級構造發育[19]。

2 物性統計

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

通過天津市及鄰區的密度、電性參數統計成果(圖2)可以看出：隨地質年代由新到老，地層的密度逐漸增大，電阻率呈現相對低阻、低阻、中阻、高阻的分布規律；二者都呈現層狀分布特點。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，認為該界面起伏是造成區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)在宏觀形態上表現為北部、西北部、東南部低值區和中北部、中南部高值區，即“三低、兩高”。以寶坻、薊運河斷裂(F1、F2)為界：北部地區高值布格重力異常為基底隆起的結果，北部重力低值區呈近EW向展布，由中酸性巖漿巖體入侵和山區重力均衡效應引起；南部地區呈NE向高低相間排列，為各構造單元總體密度差異的結果，即由NE向高密度基底隆起和兩側坳陷及由此造成的上覆低密度沉積層的厚度差異引起，高值區與低值區之間的重力梯級帶為各構造單元間主控斷裂的反映，其梯度與斷裂規模有關。

4 重力數據反演

4.1 斷裂構造推斷

位場數據歸一化總水平導數垂向導數(NVDR- THDR)運用梯度線性信號的極大值及其錯斷位置對斷裂構造位置進行識別[22]。該方法對有效信息進行了強化，對干擾信息進行了壓制，可以有效地對斷裂構造進行識別。本文運用上述方法并利用布格重力異常數據對天津市NWW向、NNE向和近EW向的斷裂構造體系進行了判別(圖3)，結合研究區地質資料，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、發展及演化起著主要的控制作用， 是一級構造單元的分界線；二級斷裂構造以NNE向和近EW向為主，對局部構造單元的形成、發展及演化起著主要的控制作用；三級斷裂構造則以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]；斷裂走向與產生斷裂時期的地質活動有關。

圖2 天津及鄰區地球物理參數統計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、構造單元與布格重力異常(左)及其NVDR-THDR對應關系(右)Fig.3 Comparison between inferred faults, structural units, the Bouguer gravity anomaly (lift) and the NVDR-THDR (right)

4.2 構造單元劃分

研究區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[13]。根據布格重力異常“三低、兩高”的特征及主控斷裂的分布格局，將天津市劃分為4個一級構造單元：北部低值區和中北部高值區為馬蘭峪復背斜，南緣邊界為寶坻斷裂(F1)和薊運河斷裂(F2)；西北部低值區為武清坳陷，東南邊界為F3和楊柳青斷裂(F4)；東南部低值區為黃驊坳陷，西北部邊界為延至薊運河斷裂的滄東斷裂(F6)；中南部高值區為滄縣隆起，兩側分別與武清坳陷和黃驊坳陷相鄰。根據研究區內局部布格重力異常特征、次級斷裂構造分布特征及研究區內的地質構造認識，在4個一級構造單元內劃分29個二級構造單元(詳見表2、圖3)，二級構造單元的邊界主要為二、三級斷裂構造。

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 天津市構造單元劃分表

4.3 界面反演

結合研究區的地層密度分布狀況、斷裂構造分布特征和構造單元劃分情況，參考研究區的地質特征，采用Geosoft軟件的重力構造反演模塊對研究區密度界面進行反演，包括以下步驟： ① 根據研究區收集的108個鉆孔數據及研究區的地質認識，確定各構造單元內每個密度界面的初始深度，并將深度數據導入Geosoft軟件的構建3D模型模塊中，建立每個構造單元的初始三維密度模型，同時設置各密度層的密度值。② 在重力構造反演模塊中設置反演參數(迭代次數和收斂極限等)。③ 當反演第一密度界面(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域場和剩余場，并將剩余場數據加載到三維密度模型中，然后應用重力構造反演模塊對該密度界面進行反演；當反演第二密度界面(東營組底界面)時，根據二級構造單元的位置和大小，應用斷裂邊界，將反演第一界面時求得的區域場劃分為29個部分，并將每一部分再一次進行向上延拓，求出每一部分的區域場和剩余場，應用各構造單元的剩余場對各密度界面進行反演；按照相同方法依次對各構造單元內的白堊系底界面、上古生界底界面分別進行反演計算。④ 運用鉆孔資料對反演后界面進行驗證與對比，對深度差異較大的界面重新進行反演。⑤ 將反演后同層密度界面按照位置對應關系合并到一起(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)以南地區均有分布，在坳陷區分布較深，隆起區分布較淺；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

根據上述反演成果，應用GOCAD(geological object computer aided design)軟件中的構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律可以看出：① 模型中地質體分層與密度層相同，且隨著地層由新到老，密度值表現出逐漸增大的趨勢，與物性統計規律相同；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 各構造單元交界處(斷裂及附近)存在低于同密度層密度的地質體，認為各構造單元交界處存在大量裂隙，地質體壓實程度較低，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行傅里葉變換，然后將電場數據與磁場數據做相關處理轉換為頻率域功率譜文件，再根據頻率與深度的對應關系將頻率轉換成深度值，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據，利用RGIS軟件2.5D重磁剖面人機交互正反演技術推斷剖面處的地層結構，并用虛擬鉆孔佐證結果的正確性，結果如圖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剖面與模型截取地質剖面中的密度層分布、斷裂位置和構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計結果一致，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，F22、F4斷裂附近虛擬鉆孔(Ma—Mb、Mf—Mg)，因受斷裂及附近松散地質體(含裂隙水，電阻率較周圍地質體低)影響，產生明顯的靜態效應現象，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構兩方面均能夠真實地反映地下地質結構。

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(縱坐標方向放大3倍)Fig.5 3-Dimensional visualization property model of Tianjin(×3 at longitudinal coordinate)

6 地質認識

根據上述反演成果，結合研究區內地質資料，認為中生代以前研究區內構造單元間相對活動較弱，區內奧陶系基底形成并接受上古生界沉積。中生代后，武清坳陷構造單元開始下降，形成以大孟莊洼槽為中心的梯級坳陷區，接收巨厚的中、新生界沉積，馬蘭峪復式背斜、滄縣隆起、黃驊坳陷普遍上升，其中：馬蘭峪復式背斜北部較南部上升較快，經剝蝕后，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，形成東北端較窄西南端較寬的現象，古近紀后，天津斷裂(F30)以西區域上升較緩甚至停止，以東地區不斷隆升并遭受剝蝕，造成了天津斷裂以東地區缺失上古生界，同時形成了以NE向主體斷裂為邊界的斷凹、斷凸相間發育構造類型；黃驊坳陷自古近紀開始下降，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)則在古近紀后活動性較強。這與姜夫爵等[19]NW向斷裂中生代活動強烈的觀點吻合，與NE向斷裂古生代、古近紀活動較強、中生代活動較弱的觀點存在一定差異。

圖6 天津市重力數據擬合剖面(a)、模型截取地質剖面(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 結論

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

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

3)運用GOCAD軟件，將重力反演成果構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造以立體形式展示出來，直觀反映了研究區地下地質結構。

4)通過布格重力異常數據擬合地質剖面、大地電磁虛擬鉆孔反映地質結構與反演結果模型截取地質剖面對比，從密度層結構、斷裂空間位置、構造單元劃分等方面佐證三維可視化反演結果模型是可信的。

5)根據重力反演成果結合區內地質資料，認為研究內基底為晚古生代以前地層沉積的結果，區內構造格架及地層坳隆主要為中生代以后地質活動的結果，控制構造單元升降的斷裂也在相應時期發生強烈活動。