2.5D人機交互約束反演在區域地質調查中的應用
——以寧夏靈武地區為例

仵 陽, 李寧生, 虎新軍, 楊 斌, 陳曉晶, 陳濤濤, 趙福元

(寧夏回族自治區地球物理地球化學勘查院，銀川 750001)

0 引言

2.5D人機交互反演是目前在重磁資料解釋中較為常用的方法，它利用計算機可視化技術，在資料反演解釋過程中將實測重磁異常曲線在計算機上始終以圖形或圖像形式顯示，解釋人員可以直接設定地質模型，實時地計算修改地質模型并將產生的重磁異常值與實際觀測值進行比較，通過對地質模型不斷調整，使重磁異常正演計算值與實際觀測值的差值逐漸縮小以達到反演的目的[1-3]，最終利用重、磁場解釋結果來研究深部地層結構、礦產等。

靈武地區位于寧夏北部，區域大地構造位置屬鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶構造單元，以黃河斷裂為界，以西為銀川斷陷盆地，以東為陶樂-彭陽沖斷帶[4]。前人的研究多集中于銀川盆地內部及邊緣構造體系劃分、深淺部構造關系分析、地質構造演化等方面[5-8]，這些研究成果基本厘清了銀川盆地深部地層的結構特征及基底起伏形態，但涉及到陶樂—彭陽沖斷帶的淺部地層結構研究較少，且已有成果資料多為小比例尺的區域地質調查資料和煤礦區地質調查報告，存在著水平方向上分布不均，垂直方向上控制過淺的問題。筆者利用2.5D人機交互約束反演技術大致查明了工作區深度2 km內地層結構，并查明主要斷裂的位置及賦存特征。

1 地質概況

區內出露地層自老而新有三疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系(圖1)，從區域石油鉆孔揭露地層看，本區泥盆、志留系地層缺失。黃河斷裂展布于靈武東山西麓一帶的山地與第四紀洪積扇之間，為北北東向或近南北向的斷面西傾的正斷層。斷層東盤為白堊系，西盤為古近紀—新近紀地層。深反射地震結果顯示,黃河斷裂為銀川斷陷盆地和鄂爾多斯臺地的分界斷裂，也是一條切穿Moho界面的深大斷裂，其活動時代為晚更新世末期到全新世初期[9]。除黃河斷裂外，區內前第四紀構造形跡大多隱于地下，地表所能直接觀察到的露頭極少，故很大程度上只能利用鉆探、物探等手段所獲得深部資料。

本次工作共布設了2條可控源音頻大地電磁測深(簡稱CSAMT)剖面，全長為95 km，點距為500 m(圖1)。

2 地球物理背景

2.1 物性特征

據區域巖石密度測定結果(表1)，整體上地層密度值隨年代由老至新相應地由大變小，密度最大為古生界奧陶系，均值為2.67 g/cm3，密度最小為新近系，均值為1.73 g/cm3；從地層分布上看，銀川盆地內新生界不整合于奧陶系于之上，具有0.6 g/cm3～0.9 g/cm3密度差，陶樂—彭陽沖斷帶內新生界不整合于中生界或更老地層之上，具有0.4 g/cm3以上的密度差。另外，第四系密度變化較大，主要受物源沉積層影響較大，表現為近物源沉積層密度大于遠物源沉積層，即洪積層>沖積層≥風積層>湖積層。

圖1 工作區地質概況Fig.1 Geological overview of the work area

表1 區域地層密度統計

圖2 工作區剩余布格重力異常Fig.2 Residual bouguer gravity anomaly in the working area

表2 鄂爾多斯西緣地層電性特征

表3 工作區出露地層電性測定

圖3 LW1線二維地震時間剖面Fig.3 2D seismic time section of LW1 line

區域上寒武紀-第四紀時期地層電阻率值存在一定的電性差異(表2)，新生界、侏羅系-三疊系為兩套低阻層，中間夾有白堊系高阻層，石炭-二疊系及以下蓋層的電阻率逐漸增高[10]，尤其是奧陶系電阻率最高，它是這一時期地層電阻率標志層。除收集到的電性資料，本次工作針對工作區出露的地層巖性采集到了部分露頭的電性資料，從測定結果來看(表3)，新生界電阻率值相對較低，白堊系和三疊系電阻率值相對較高，侏羅系電阻率值居中。

2.2 重力場特征

本區剩余重力異常(圖2)大致呈南北向或北東向展布。靈武東側有一條南北走向的重力梯級帶，該梯級帶對應著黃河斷裂，帶兩側等值線分布較勻稱，由西向東表現為重力負異常到正異常的變化，重力負異常明顯為銀川斷陷盆地南部新生界蓋層引起的，重力極值點處附近為銀川盆地內局部的沉積中心，重力正異常為下古生界上隆引起的。陶樂-彭陽沖斷帶內剩余重力異常表現為明顯的疊加異常特征，異常幅值大小主要受新生界的沉積厚度及中生界、古生界隆起等因素綜合影響。

圖4 Ⅰ線綜合解釋斷面Fig.4 Comprehensive interpretation section of line I(a)I線地質簡圖;(b)I線二維NLCG反演斷面;(c)I線剩余布格重力異常剖面;(d)I線綜合地質解釋斷面

圖5 Ⅱ線綜合解釋斷面Fig.5 Comprehensive interpretation section of line Ⅱ(a)Ⅱ線地質簡圖;(b)Ⅱ線二維NLCG反演斷面;(c)Ⅱ線剩余布格重力異常剖面;(d)Ⅱ線綜合地質解釋斷面

3 2.5D人機交互反演處理過程

本次重力2.5D人機交互約束反演，采用Geo-IPAS V3.2軟件的二度半重磁剖面聯合正反演程序模塊，數據準備及反演處理過程如下：

1)采用成都理工大學研發的MTSoft2D V2.3版本軟件，對CSAMT原始數據依次進行剔除壞點、圓滑、近場校正、靜態校正處理后，進行帶地形非線性共軛梯度二維反演(NLCG)，以此得到的反演結果作為約束條件之一。

2)依據寧夏區域地質志劃分的陶樂-橫山堡區域單元構造格架，并結合已有二維地震LW1線解釋結果(圖3)、CSAMT電性剖面(圖4(b)、圖5(b))作為約束條件建立較為合理的初始地層結構模型。

3)利用多邊形截面棱柱體重磁正演公式，預先假設背景場的密度設為地殼平均密度為2.67 g/cm3，通過給初始模型賦密度參數，正演計算出剩余重力異常理論曲線，然后與實測異常曲線進行對比，不斷修改模型、密度值，使理論曲線與實測曲線擬合，從而達到解釋重力異常的目的[11-12]。

4 綜合解釋推斷

銀川斷陷盆地是在喜馬拉雅期盆地東、西兩側北北東向斷裂右行走滑拉分作用下形成的，至今仍有構造活動[4]。區內地表第四系廣布，巨厚新生界不整合于奧陶系之上，第四系、新近系、古近系連續沉積。二維地震時間剖面(圖3)縱向上分層特征明顯，清晰地顯示了盆地內新生界內有兩組反射波，上部為第四系底部反射波，第四系與下伏新近系呈平行整合接觸，下部為古近系頂部反射波，新近系與下伏古近系呈角度不整合接觸，這兩組反射波能量相對較強，大部可連續追蹤。綜合剖面上(圖4、圖5)新生界明顯呈相對低阻、低剩余重力特征，上覆第四系電阻率值高于下伏新近-古近系，通過重力剖面正演計算，新生界厚度可達2 000 m以上。盆地基底為奧陶系，具高阻特征，電阻率值大于100 Ω·m。

黃河斷裂(F4)為銀川盆地與陶樂-彭陽沖斷帶的分界斷裂，區內(圖1)為一條近南北向展布斷面西傾的正斷層。二維地震時間剖面(圖3)上黃河斷裂由3條同向發育的正斷層(F4-1、F4-2、F4-3)組成，斷層兩側反射波同相軸出現了明顯的錯斷。綜合剖面上(圖4、圖5)，F4斷層表現為由低阻向中高阻、重力低向重力高變化的過渡帶特征。XF1、XF2、XF3、XF11斷層為銀川斷陷盆地內發育的一系列隱伏正斷層，在電性剖面上表現為電阻率等值線收縮，以XF11、XF1、F4斷層為界，盆地內部形成了局部的小的地塹構造。

陶樂-彭陽沖斷帶是在 “白堊紀前陸盆地”受到東西向強烈的構造擠壓而整體抬升下，在盆地西緣形成的褶皺帶[4]。對比銀川斷陷盆地，陶樂-彭陽沖斷帶內剩余重力異常明顯增大，反映出該區下古生界上隆，褶皺構造發育的地質背景。綜合剖面上XF7斷層具有明顯的電性、重力梯度帶特征。區域鉆孔資料揭示XF7斷層以西地下缺失侏羅系、三疊系，新生界直接不整合于二疊系之上。綜合分析認為，以XF7斷層為界可以劃分兩種地層結構。

XF7斷層以西，地層結構表現為兩層特征：上覆白堊系或更新地層直接不整合于下伏古生界地層之上。白堊系呈中阻電性特征，新生界為中低阻電性特征，下古生界具中高阻電性特征。該區域主要分布著任家莊等石炭-二疊紀煤礦。

XF7斷層以東，地層結構表現為三層特征：上覆第四系不整合于下伏中生界，中生界不整合于下伏古生界。上部第四系呈中高阻電性特征，中生界呈中低阻電性特征，下部古生界呈中高阻電性特征。該區域內發育諸多小型斷層(XF8～XF17)，在電性剖面上或表現為電阻率過渡帶特征，或表現為電阻率等值線收縮，斷層性質為正斷層、逆斷層兼有，下切深度相對較淺。區內主要分布著靈新-羊場灣等侏羅紀煤礦。

5 結論

1)銀川斷陷盆地內地層結構相對單一。新生界直接不整合于古生界地層之上，明顯呈相對低阻、低剩余重力特征，局部沉積厚度可達2 000 m以上，盆地基底具高阻特征。

2)黃河斷裂(F4)南段為銀川斷陷盆地與陶樂-彭陽沖斷帶的分界斷裂，在剖面上具有典型的重、電梯度帶特征，受黃河斷裂活動影響，盆地內形成了小的地塹構造。

3)陶樂-彭陽沖斷帶地層引起的重力異常具有明顯的疊加異常特征，利用CSAMT資料作為約束條件能夠在一定程度上降低2.5D人機交互反演的多解性。

4)構造活動影響著區內中生代-早古生代地層的分布，研究這些小型斷層對今后工作區沉積礦產勘查有一定指導意義。