地熱勘查中剩余重力場的提取與應用研究

馬振波，張 平，司法禎，楊慶華，李志勛，蔡仲明

（1.河南省地質調查院；2.河南省地質科學研究所；3.河南省城市地質工程技術研究中心，鄭州 450000）

野外實測重力異常是由地下深部所有密度不均勻體引起的疊加異常，從實測布格重力異常中去掉區域異常后的剩余部分是剩余異常[1]。在地球物理意義上，剩余重力場是去除深部背景場信息后的局部場，包含中深部構造、淺部巖體的局部隆起及凹陷，這些信息恰好是淺層地熱異常場的具體地質要素[2]，因此剩余重力場與地熱異常場關系極為緊密，可通過對剩余重力場信息的提取獲得地熱場信息，其中如何準確提取剩余重力場及深度挖掘數據信息是應用關鍵。本文選擇我國地熱資源豐富的東南沿海城市廈門市，在研究區1∶5萬重力測量異常基礎上，以局部1.0∶2.5萬重力測量區域為重點，通過剩余重力提取確定地熱點異常與剩余重力場的關系，圈定地熱鉆探異常靶區。

1 研究區概況

1.1 地質概況

研究區處于亞歐大陸板塊東南緣與菲律賓海板塊的交接部位，中-新生代處于濱太平洋陸緣活動帶并以強烈的構造-巖漿活動著稱，屬環太平洋巖漿帶的組成部分，地熱資源豐富。區內地處閩東燕山斷坳帶的東部，構造主要表現為斷裂。受區域構造影響，區內東北向、西北向和近東西向斷裂奠定了本區的基本構造格局。地層發育有缺失，巖漿活動頻繁，侵入巖和火山巖分布廣泛，主要出露地層有三疊系文賓山組、下侏羅統梨山組與藩坑組、上侏羅統南園組、第四系中更新統洪積層與沖洪積層、上更新統沖洪積層、第四系全新統沖洪積層與海積層、第四系殘積層。

研究區內新構造運動是地表熱源的主要來源，新構造運動是指新生代第四紀中、晚更新世以來的構造運動，是早期構造的繼承和發展，主要是近現代地區應力場作用所致，表現為斷裂活動、地殼升降。第四紀的演變、微地震和溫泉出露都是新構造運動的表征，這些運動在剩余重力異常場中均反應明顯，且與地熱泉點關系密切。

1.2 巖石密度特征

第四紀沉積物為密度最低的地層，平均值為1.81 g/cm3。本研究中，中生代綜合密度取2.61 g/cm3，古生代綜合密度取2.63 g/cm3，其下基底密度取2.67 g/cm3。酸性花崗巖多是燕山期侵入的，但早期和晚期只存在微小的密度差異，燕山期早期密度平均值為2.54 g/cm3，燕山期晚期密度平均值為2.58 g/cm3。本研究中，燕山期侵入酸性巖密度取2.55 g/cm3，基性巖（僅指出露的輝長巖）取2.80 g/cm3，晚侏羅世酸性花崗巖密度取2.57 g/cm3。燕山期早期和晚期酸性侵入巖之間有0.04 g/cm3的密度差，其與基性侵入巖有約0.25 g/cm3的密度差。以上巖石密度物性數據是本研究剩余重力場分離的基礎。

2 剩余重力場提取

當前，重力異常分離方法很多，常用的有優選延拓法、小波分析法、滑動平滑場法、解析延拓法、高次導數法、趨勢分析法、匹配濾波法、維納濾波法、切割法等[3-5]。這些方法均有各自的特點和優勢，要根據實際地質地表出露情況、采集數據覆蓋密度、不同地質體的密度參數差異規模等，通過不停試驗，選擇較為合適的提取方法。

地熱資料通過重力資料解釋，通常把原始布格重力異常看作由局部異常和區域異常組成，局部異常是由比區域地質因素范圍小的研究對象引起的異常，其呈高頻，異常范圍小、梯度大、幅度小。區域異常主要是由分布范圍較廣、相對深的地質因素引起的重力異常，其呈低頻，異常范圍寬、幅值大、梯度小[6]。由原始重力異常減去區域異常后的剩余部分就是剩余異常。因此，實測布格重力異常Δg與區域異常g區域、剩余異常g剩余的關系寫為

剩余異常由實測布格重力異常減去區域異常得到，即

2.1 剩余重力場提取方法選擇

本研究所用的1∶5萬重力數據以地質資料作為約束，高程數據采集精度為0.07 m。通過對比，本文剩余重力場提取選擇趨勢分析法，該方法可快速與實際地質、物性、數字高程模型（DEM）數據融合，對總場中低頻、中頻及局部高頻信息均能準確把控，與地質特征貼合，可準確地提取出區域背景場，分離疊加剩余場。下面分析趨勢分析法的基本原理。

重力異常場的分布在一定范圍內可以用多次曲面擬合，通過數學方法求取趨勢背景場的分布。對于一個以二次曲面擬合的異常，平滑后的趨勢值可以用式（3）表示。

式中：,y)為趨勢值，x、y為網格點的橫坐標與縱坐標；a0、a1、a2、a3、a4、a5為趨勢面待定系數。

各系數可利用最小二乘法求得，當網格點(x,y)中x=0，y＝0時，a0值便是相應點的平滑值，即0,0)=a0。用二次以上的階次曲面擬合時，如三次、四次，其原理是一樣的。

通過以上方法，將實測布格重力異常減去區域異常求取的剩余異常場與地質和物性資料對比，獲取準確的區域重力場、背景場。因測區面積較大，所求區域場對中頻信號細節難以有效刻畫，不能有效分離剩余場。經多方法比較，采用趨勢分析法分離剩余重力場。

2.2 布格重力場預處理

重力異常是地下所有密度差異異常體的綜合反映，重力數據對斷裂構造和隱伏巖體的解釋有其獨特的優勢。例如，深大斷裂控制著兩側的構造運動，形成不同的構造格局，常常引起巖漿活動，從而破壞原來地質體的連續性，形成密度、磁性及其他物理性質在橫向上的差異，密度在橫向上的差異必然導致重力異常有所反映[7]。因而，獲取準確的布格重力場是剩余重力場提取的基礎，合適網度數據是剩余場提取的關鍵。

根據《重力調查技術規范（1∶50 000）》（DZ/T 0004—2015）[8]中重力異常的定性解釋相關規定，綜合考慮測區內地質體規模、測網的疏密程度和異常范圍等識別局部異常，異常區一般包含3～5個重力測點，異常幅值是總精度的1～3倍。為了很好地突出目標地熱地質體信息（巖體及中深層構造），首先利用網格3×3的低通濾波周轉1次，以消除隨機測量誤差，然后以總精度0.106×10-5ms-2的3倍提取布格異常場。

2.3 剩余重力場提取

剩余重力場提取選擇趨勢分析法，首先根據區域地質的復雜程度，針對不同階次求取背景場，然后根據背景場偏差均值選出最優趨勢面背景場值，最終獲得最佳剩余場。

2.3.1 區域背景場分離

隨著階次的增加，重力特征由復雜到簡單，重力值基本呈西低東高的變化趨勢。不同階次趨勢面背景場等值線存在差異。一階趨勢面背景場等值線為西北向；二階西側低值南移，東側梯級帶梯度變大；三、四階趨勢面背景場在東西兩側形成兩個中心；五階趨勢面背景場高、低值及過渡帶逐漸分化，其邊緣線與測區中東部侏羅紀出露巖體邊界線一致；在五階趨勢面表現的基礎上，六階趨勢面背景場細節刻畫更為詳細；七階趨勢面背景場值與六階趨勢面背景場值在形態上變化幅度不大。比較發現，五階趨勢面與區域地質擬合度最高，繼續增加階次，會引入部分局部場信息，所以五階為背景場信息提取的最佳階次。表1統計的趨勢值、偏差值反映了趨勢面誤差精度。下面提取不同階次趨勢面背景場，做背景場形態分析，如圖1所示。表1、圖1結果顯示，五階、六階趨勢面背景場梯度與地質界限一致，六階、七階趨勢面為最佳趨勢面，因此本次選取六階趨勢面作為最優背景場，最準確反映區域場地質信息。

表1 不同階次趨勢面極值及均值

圖1 不同階次趨勢面誤差網格分析

2.3.2 剩余重力場計算

利用同網度重采樣，將布格重力場與六階趨勢面背景場數據網格化，半徑取1 250 m，有效保留1.0∶2.5萬高精度重力數據的細節信息，展現1∶5萬區域場信息，計算出剩余場信息，其場特征如圖2所示。

3 剩余重力場應用研究

將研究區內收集的地熱泉點與剩余重力場疊加，可見地熱泉點與剩余重力場關系密切。結合圖2，分析地熱泉點與布格重力異常場及剩余重力場的關系，結果如表2所示。由地質分析可知，泉點多集中在山前與第四系交匯處附近；由布格重力值分析可知，泉點多集中在區域重力梯級帶或局部次級重力梯級帶；由剩余重力場特征分析可知，泉點與剩余重力場的關系極為密切，多處于其高邊緣帶。綜合分析區內已知的7處地熱泉點，其與剩余重力場存在明顯的正相關。

表2 地熱泉點與重力異常的關系分析

圖2 地熱異常點與剩余重力異常等值線疊加圖

4 結論

本文提取出與地熱地質異常相關的剩余重力場，分析地熱異常與剩余重力場的關系，直接確定鉆探靶區。其間需要重視布格重力異常信息的深度提取，提取過程要兼顧處理精度及解釋目標。地熱泉點出露位置與剩余重力場關系極為密切，該成果可用于地熱鉆探靶區選擇。研究表明，剩余重力異常低值區與重力梯級帶密集區是選取地熱鉆探靶區的主要重力場標志。