重力剖面反演萊陽南凹陷深度

董健

(山東省地質調查院，山東省土地質量地球化學與污染防治工程技術研究中心，山東 濟南 250013)

萊陽南凹陷屬于萊陽盆地的一部分，很多學者在此區域開展過不同程度的地質勘查工作，取得了豐富的地質成果，對凹陷的沉積演化過程有了相對一致的認識，但是對該區中生界沉積厚度有著不同的介紹[1-6]。重力測量作為受外界干擾最小的一種地球物理勘探方法，數據采集質量可靠，在地殼深部構造研究、覆蓋區的地質填圖、基底起伏形態分析等方面發揮了其優勢，取得了不少科技成果[7-20]。該文以“山東1∶5萬夏甸、河頭店、日莊、萊陽市幅區域地質綜合調查”項目為依托，以區內地層巖性密度資料為基礎對重力剖面進行正反演擬合計算，推斷萊陽南凹陷深度，然后用可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)剖面進行驗證，從重、電角度解釋萊陽南凹陷的中生界沉積厚度。

1 地質概況

萊陽南凹陷位于山東省萊陽地區，南側以金崗口斷裂為界與荊山凸起相接，北側以角度不整合面與膠北斷隆相接，西側邊界為周格莊西斷裂，向東出調查區，區內地層簡單(圖1)。凹陷內部被白堊紀地層所覆蓋，為一套陸相沉積地層，從下到上依次為萊陽群、青山群、王氏群(1)山東省地質調查院，山東1∶5萬萊陽市、萬第、姜山、行村幅區域地質調查報告，2010年。。

1—沂河組；2—臨沂組；3—黑土湖組；4—山前組；5—王氏群；6—石前莊組；7—八畝地組；8—后夼組；9—萊陽群；10—荊山群；11—唐家莊巖群；12—王氏期潛玄武巖；13—石前莊期潛流紋斑巖；14—石前莊期潛英安斑巖；15—棲霞片麻巖套圖1 測區地質簡圖(2)山東省地質調查院，山東1∶5萬萊陽市、萬第、姜山、行村幅區域地質調查報告，2010年。

萊陽群為一套河湖相沉積的陸緣碎屑巖建造，下部為止鳳莊組巖性為灰紫色、灰綠色砂礫巖、礫巖夾紫色泥質粉砂巖的洪積扇相的粗碎屑巖建造；中下部為水南組灰綠色泥質粉砂巖、頁巖夾微晶灰巖的湖相沉積的細碎屑巖沉積建造；上部為龍旺莊組巖性為湖前三角洲相的泥質粉砂巖、長石砂巖；頂部為曲格莊組，具有典型的河流相沉積的二元結構，巖性為砂礫巖、砂巖、泥質粉砂巖。青山群是火山噴發形成的一套火山巖系，主要巖性為中酸性及中—基性火山巖夾火山-沉積相的砂巖、砂礫巖等。王氏群為陸源碎屑沉積建造，由早期山麓沖積的砂礫巖、礫巖(林家莊組)—中期淺湖相沉積的雜色泥質粉砂巖、細砂巖、泥巖(辛格莊組)—晚期泛濫盆地沉積的砂礫石巖、泥質粉砂巖(紅土崖組)—末期的的河流相沉積的含礫中粗粒長石砂巖、含礫泥質粉砂巖及

紫紅色粉砂巖(金崗口組)組合而成。

凹陷南北側出露古元古代荊山群變質巖地層，西北側出露棲霞超單元片麻巖套，基底為元古代的變質巖系。

2 地球物理特征

2.1 巖石物性

表1統計了該區地層的密度、電阻率參數，巖石的物性資料是進行正反演計算的基礎，也是利用重、電數據資料劃分地層并進行解釋的前提。

從該表可以看出：白堊系與荊山群之間存在約0.18～0.23(單位：×103kg/m3，下同)的密度差，當其相互接觸時，可形成明顯的密度界面，在重力場上會有明顯的反映，形成重力低和重力高異常；區內自上而下大致可劃分為三大電性層，上部為第四系的黏土和白堊紀王氏群粉砂巖、泥巖等相對低阻電性層，平均電阻率100Ω·m左右，中部為白堊紀青山群火山角礫巖、凝灰巖和萊陽群砂礫巖等組合而成的相對中阻電性層，平均電阻率在幾千Ω·m，下部古元古代荊山群黑云變粒巖、斜長角閃巖等變質巖一般呈相對高阻電性特征，電阻率達數萬Ω·m。這種客觀存在的密度、電阻率差異，為開展重力勘探、電法勘探提供了地球物理前提。

2.2 重力場特征

圖2為測區布格重力異常圖，可以看出：萊陽南凹陷反映為西寬東窄的重力低值閉合異常區，整體呈近EW向展布；該低值區形態開闊，區內有3個低值異常中心，東邊兩個強度相當，封閉成長軸為近EW向的橢圓狀，西邊重力低異常強度較大，受周格莊西斷裂圍限影響，呈NNW向分布，異常中心封閉成近平行四邊形；布格重力低值中心對應沉積中心，從等值線圈閉的低值范圍看，周格莊東北中生界凹陷范圍最大。

3 重力剖面反演

3.1 重力剖面推斷解釋

為了查明萊陽南凹陷的空間分布形態，穿過布格重力異常中心及周圍布設了五條重磁剖面加以控制，編號從西到東依次為HL1～HL5(圖2)，剖面長度均為25km。利用RGIS2014軟件依據表1統計的物性參數，采用二度半體模型模擬地下地質結構，用模型引起的重力理論異常與實測異常相比較，通過逐步修改地質-數學模型，使理論異常與實測異常相擬合來實現，以求得地下地質體的幾何形態。結合地質資料不斷修改地質模型，達到正演異常與實測重力異常的最佳擬合，這樣就完成了對重力剖面數據的2.5D正反演計算，推測地下地質體的產狀、形態，以對萊陽南凹陷的基底形態做詳細分析。

將荊山群平均密度取2.75，中生界平均密度取2.55，棲霞超單元平均密度取2.68，對五條剖面分別進行了正演擬合計算，擬合后重力理論計算曲線與實測曲線基本重合(圖3)。圖3a～3e上部為布格重力異常曲線擬合結果，下部為推斷地質剖面。

圖3中a～e分別對應HL1～HL5剖面。從△g曲線特征看，剖面均反映為中間低兩頭高的曲線形態，重力低反映了中生界凹陷，南部重力高反映了荊山群凸起。HL1剖面曲線底部延伸較寬，幾乎為直線段，反映了中生界凹陷最深處南北延伸較大；北部重力高反映了棲霞超單元，與中生界地層以斷裂(F30)形式接觸，傾角82°左右；南部與荊山群地層以斷裂(F18)形式相交，傾角69°左右。HL2剖面曲線底部有所變窄，拐點漸漸出現，反映了中生界凹陷最深處南北延伸縮小；曲線在20～22km段走平，推測兩端有斷裂(F53，F54)存在，傾角82°左右，該段為矩形凹陷；北部重力高為荊山群和棲霞超單元共同的反映；南部邊界為F32(金崗口)斷裂，傾角50°左右。HL3～HL5剖面底部出現拐點，幾乎呈“√”形展布，反映了中生界凹陷最深處南北延伸已變得很小；北側曲線平緩上升，推測為向S傾的平緩的不整合界面，傾角為20°～10°，由西向東逐漸減小；北部的重力高均反映了荊山群凸起；南部邊界為F32(金崗口)斷裂，總體走向85°，斷面N傾，傾角50°～60°左右，由西向東角度增加。

表1 測區地層巖石密度、電阻率參數統計

1—居民地；2—布格重力異常等值線及標注(10-5m/s2)；3—重力剖面；4—推斷斷裂圖2 測區布格重力異常圖

1—實測重力異常曲線；2—擬合重力異常曲線；3—地形線；4—推斷斷裂；5—推斷地層界線；6—中生代地層；7—荊山群；8—棲霞超單元圖3 重力剖面推斷解釋成果圖

3.2 萊陽南凹陷三維空間分布形態推斷解釋

根據HL1～HL5剖面的正演計算模型，結合布格重力異常圖，對萊陽盆地三維空間分布形態做了大致推斷，見圖4(前視圖定義為由南往北方向)。綜合分析得出：萊陽盆地為一南厚北薄，西厚東薄的中生界凹陷，覆蓋于元古代老地層之上，盆地內中生界最大厚度在4km左右，西部周格莊地區南北凹陷范圍最大，并且整體凹陷最深，盆底南北延伸達8km以上；凹陷南部中生界厚度基本一致，往北逐漸變薄，而且越往東變薄的速率越快，從馮格莊往東盆底南北延伸距離減少至3km左右，到東部泉水地區凹陷深度變得很淺，其北部出露的中生界只是覆蓋于元古代地層之上的薄層(圖5)。

圖4 萊陽南凹陷三維空間分布形態圖(a—前視圖；b—后視圖；c—左視圖；d—右視圖)

圖5 萊陽南凹陷三維切片圖

4 CSAMT剖面驗證

根據當地地形、地質條件，選取HL4剖面南部10km長度做了可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)測量工作，其起始點位置對應HL4重磁剖面上的3.675km處，該剖面的CSAMT視電阻率反演斷面圖見圖6。

1—視電阻率等值線及標注；2—推斷斷裂及編號；3—推斷地層界線；4—白堊紀王氏群；5—白堊紀青山群；6—白堊紀萊陽群；7—荊山群圖6 HL4綜合剖面圖(a.布格重力異常曲線；b.CSAMT視電阻率斷面圖；c.推斷地質剖面)

由圖6可以看出：剖面橫向上呈現南高北低的電性特征，符合實際地質情況，即83675～85600號點之間為“塊狀體”高阻電性特征，視電阻率值一般大于1000Ω·m，對應著區內荊山群變質巖地層，巖性以黑云變粒巖、斜長角閃巖為主；85600～93675號點之間標高-2600m以淺區域呈相對低阻電性特征，視電阻率值一般小于500Ω·m，視電阻率等值線稀疏寬緩，對應著區內白堊系王氏群地層，巖性以砂巖、砂礫巖、泥巖為主；85600～93675號點之間標高-2600m至標高-4200m深部范圍內呈相對中高阻電性特征，視電阻率值一般大于500Ω·m，且與上部低阻電性層之間存在明顯的等值線梯級帶，結合區內地質資料及其電性特征，推斷該中高阻電性層為白堊紀青山群、萊陽群地層，青山群地層為高阻電性層，與上覆地層之間存在明顯的電性差異，可作為電性標志層，而下部的萊陽群地層為相對低阻電性層，因此，垂向上電性層存在間斷現象；85600～93675號點之間標高-4200m至標高-6000m深部范圍內呈相對高阻電性特征，且該電性層視電阻率值普遍大于1000Ω·m，結合區內地質資料及其電性特征，推斷該電性層為荊山群變質巖地層，與上覆地層之間呈角度不整合接觸。

綜上所述，CSAMT剖面視電阻率反演斷面顯現出很好的分層性，中生界最大沉積厚度在4300m左右，與重力剖面推斷解釋結果基本一致。從而也以電性的角度驗證了重力剖面解釋推斷的有效性。

5 結論

隨著社會的發展，工業化程度不斷提高，外部干擾因素越來越多，對地球物理勘探工作提出了更高的要求，尤其在東部發達地區，多種傳統的物探方法數據采集比較困難，有時候甚至無法完成既定的目的任務。重力測量作為一種受外界干擾較小的地球物理勘探方法，有其獨特的優越性，在覆蓋區的地質填圖中應受到足夠的重視。

該文運用重力剖面反演萊陽南凹陷沉積厚度，數據質量可靠，可為該區地質填圖工作提供一定的依據。