天津市重力数据三维可视化反演建模研究

郑国磊， 徐新学， 李世斌， 马 为， 王 茜， 袁 航， 曹朋军

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)



天津市重力数据三维可视化反演建模研究

郑国磊， 徐新学， 李世斌， 马 为， 王 茜， 袁 航， 曹朋军

(天津市地球物理勘探中心，天津 300170)

基于对天津市全区布格重力数据采用NVDR-THDR技术处理的基础上，对断裂体系、构造单元进行了判别和划分，并以Geosoft为平台，通过Visual C++软件接口的开发，实现了对天津市重力数据三维反演计算及可视化建模动态展示。通过模型截取剖面与实测数据拟合剖面对比，表明三维可视化模型是可靠的，能直观和真实地揭示地下地质体的空间展布。

NVDR-THDR； 断裂体系； 构造单元； Geosoft； 重力数据3D反演； 三维可视化模型

0 引言

三维地质建模(3DGeoseieneeModeling)最早是由加拿大SimonW.Houlding于1993年提出的。它是运用计算机技术,在三维环境下,将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来,用于地质分析的技术[1]。其主要目的是预测一个或多个地质变量的空间变化，在地质工程中,往往是指地层、断裂、构造单元等的空间展布特征及其物理力学参数[2]。目前随着计算机软硬件技术的发展和日益成熟，许多学者运用三维可视化建模在空间数据表达、成矿地质条件分析、预测靶区的圈定与评价、矿区储量估算等方面做了大量研究[3-8]。天津地区的构造演化经历了结晶基底形成及沉积盖层发育两大旋回[9]，不同区段地层结构差异较大，沉积地层分布不连续，基底地层掀斜隆起较为剧烈，断裂构造较发育[10]。作者利用天津市1∶50 000 重力数据，以Geosoft为平台，通过Visual C++软件接口开发，初步实现了天津市基岩地质结构三维地质模型的可视化，较直观地揭示了地下地质体的空间展布规律，为天津市基础地质研究提供了较有价值的参考资料依据。

1 重力数据反演

1.1 密度层划分

天津市地质体分为5个密度层(图1)，第一密度层为第四系，密度为2.05 g/cm3；第二密度层为新近系明化镇组—古近系东营组，密度为2.20 g/cm3；第三密度层为古近系沙河街组—中生界白垩系，密度为2.41 g/cm3；第四密度层为中生界侏罗系—上古生界石炭系，密度为2.59 g/cm3；第五密度层为前奥陶系地层，密度为2.68 g/cm3。

1.2 断裂构造划分

重、磁位场边缘识别方法通常分为数理统计、数值计算和其他三大类[11]。位场数据归一化总水平导数垂向导数(NVDR-THDR)[12]属于数值计算类边缘识别方法。由于该方法对断裂构造信息进行了强化，压制了非构造信息，因此更有利于断裂构造的判别和划分。这里采用布格重力异常NVDR-THDR极大值及错断位置特征对天津市 NNE向、NWW向和近EW向的断裂构造体系进行了判别(图2(b))，在综合地质资料认识的基础上，共推断40条断裂, 其中6条Ⅰ级断裂主要分布“两高、两低”[13]交界处图2(a)，对隆起、坳陷的形成、发展及演化起着主要的控制作用，是一级构造单元的分界线。

图1 天津及邻区岩石密度统计

图2 推断断裂、构造单元与布格重力异及其NVDR-THDR对应关系

1.3 构造单元划分

研究区布格重力异常特征在北部呈近EW向展布，南部呈NE向展布，宏观形态及其幅值的高低反映了区内基底及上覆主要沉积层的起伏变化，同时亦反映了各层位之间的纵向联系。根据布格重力场特征、断裂构造、局部异常及地质构造的认识，在整个研究区划分出马兰峪复式背斜、冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷4个Ⅰ级构造单元，在Ⅰ级构造单元内进一步划分出29个Ⅱ级构造单元(图2、表1)，其分界线大多与断裂位置吻合，说明断裂体系控制了构造单元的边界；布格重力异常的“两高、两低”形态分别对应着蓟宝隆褶带、沧县隆起、冀中坳陷、黄骅坳陷4个一级构造单元，表明基底的起伏和沉积层的厚度是造成区域布格重力异常大小的主要原因。

表1 构造单元划分一览表

1.4 密度界面反演

在参考前述密度参数、断裂及构造单元划分的基础上，结合研究区地质特征，采用Geosoft软件中反演模块对天津市的密度界面进行反演。分为6个步骤：①将布格重力异常数据按Ⅱ级构造单元边界划分成与构造单元相同大小的29部分；②根据在每个构造单元的地质认识，建立每个构造单元密度界面的初始坐标—深度网格；③把每个构造单元的布格重力数据、密度界面的初始坐标—深度网格数据导入Geosoft软件中的界面反演模块；④在反演模块中设置地层层数、地层密度、迭代次数、收敛极限等参数；⑤对密度界面进行反演，直至达到收敛极限位置；⑥形成天津市三维密度体数据。

2 基于Geosoft系统三维可视化建模

Geosoft系统三维可视化建模主要是通过Geosoft系统中的三维成图模块，把三维模型数据立体网格化，并在Geosoft软件中进行显示，可以分为6个步骤：①根据研究区的地层密度特征，把上文中反演的不同构造单元的不同密度界面(第四系底、古近系东营组底、中生界白垩系底、上古生界底)，分别按名称组合在一起；②在密度界面间分别插入该地层的密度属性值，形成一个三维坐标—密度文件；③把坐标—密度文件进行三维网格化，形成Geosoft软件格式的三维网格文件；④把三维网格文件转成XYZ格式的明码文件；⑤在明码文件中添加断裂和地层分界面，并赋属性值；⑥把明码文件转化成Geosoft软件格式的三维网格文件，在Geosoft软件显示模块中进行显示。

3 三维可视化模型的应用及展示

图3为天津市全区三维重力可视化模型展示图(Z方向比例放大3倍)，模型中包含4个Ⅰ级构造单元、29个Ⅱ级构造单元、6条Ⅰ级断裂构造、34条Ⅱ级断裂构造(构造单元、断裂构造编号与图2中编号一致，编号名称见表1)、5个地层单元、4个地层分界面。

图3 天津市全区三维重力可视化模型图

3.1 内容展示

1)断裂构造划分。展示的断裂构造主要为Ⅰ、Ⅱ级断裂，分别用不同颜色的边界面表示，如宝坻断裂(F1)、杨柳青断裂(F4)、沧东断裂(F6)、蓟运河断裂(F2)等为Ⅰ级断裂，用红色面表示，天津断裂(F26)、海河断裂(F30)、汉沽断裂(F28)等为Ⅱ级断裂，用黄色面表示(图4)。从图4中可以看出，断裂的走向、倾向及大致倾角，基本能反映真实的断裂情况。模型中包含6条Ⅰ级断裂、34条Ⅱ级断裂。

图4 断裂构造(Ⅰ、Ⅱ级)分布示意图

2)构造单元划分。把构造单元分为Ⅰ、Ⅱ级，用不同颜色的边界区分，例如马兰峪复背斜、翼中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷为Ⅰ级构造单元，用红色边界线表示，宝坻凸起(U3)、杨村斜坡(U10)、宁河凸起(U17)、里坦凹陷(U21)等为Ⅱ级构造单元，用黄色边界线表示(图3)，模型中共包含4个Ⅰ级构造单元和29个Ⅱ级构造单元，构造单元编号及名称见表1。

3)地层划分。建模时把可视化模型分成五层如图3所示，第一层为第四系(用深蓝色层表示)；第二层为明化镇组到东营组(用浅蓝色层表示)；第三层为沙河街组到白垩系(用绿色层表示)；第四层为侏罗系到石炭系(用黄色地层表示)；第五层为奥陶系及以前所有地层(用橙黄色地层表示)。

4)地层界面划分。可视化模型包含四个地层分界面(图5，纵向比例放大5倍)，自上而下分别为第四系底界面(用浅黄色面表示)、古近系东营组底界面(用浅蓝色面表示)、中生界白垩系底界面(用粉色面表示)、上古生界底界面(用紫色面表示)。从图5中可以清楚地看出分界面深度的起伏变化，在隆起区深度变浅，部分分界面缺失(由地层缺失引起)，在凹陷区深度变深，分界面较完整。

3.2 功能展示

1)截取等深面功能。图6为一组在水平方向上截取的等深图，图6(a)、(b)、(c)、(d)截面的深度分别为0 m、500 m、1 800 m、4 000 m。从图6中可以看出，随着地层的不断剥蚀，同一深度处，不同构造单元的地层差异越来越明显，构造单元显现的越来越明显，马兰峪复式背斜最先看到老地层，沧县隆起次之，黄骅坳陷和冀中坳陷老地层埋藏较深，最后显露出来。通过图5与图6可以发现，明化镇组到东营组地层在马兰峪复背斜的于桥斜坡(U2)、宝坻凸起(U3)、鸦鸿桥洼槽(U6)、丰南凸起(U13)缺失，沙河街组到白垩系地层在马兰峪复背斜、沧县隆起的大辛庄断凸(U15)、赤土村断凹(U18)、双窑凸起的东部(U22)、山岭子断凸(U24)缺失，侏罗系到石炭系地层在马兰峪复背斜、沧县隆起(除大白庄洼槽(U11)、白塘口凹陷(U23)以外构造单元)缺失，前奥陶系地层在整个研究区均有分布。

2)截取剖面功能。截取剖面功能是用Visual C++语言对Geosoft软件进行二次开发，功能模块通过对模型数据明码文件进行处理，将模型中除剖面位置外其他部分的属性值变为相反数(原属性值都为正数)，然后通过Geosoft软件，把显示属性值范围调整为大于“0”的值，这样就把其他部分隐藏起来，只显示剖面部分，实现截取剖面的功能。图7为方位角为45°和135°方向上截取的两组剖面，每组剖面间距为25 km。由图7可以清楚地看到剖面经过位置的地层、断裂结构，从整个截图上可以看出马兰峪复背斜和沧县隆起构造单元内奥陶系以上地层较薄，地层缺失严重，冀中坳陷和黄骅坳陷构造单元奥陶系以上地层较厚，地层较完整。

4 模型截取地质剖面与地质剖面比较

图8为模型截取的地质剖面与实测布格重力曲线拟合的地质剖面的对照图，从图8可以看出，布格重力曲线的升降基本反映天津市基底的起伏和沉积层的厚度变化情况，模型截取地质剖面与曲线拟合地质剖面中的地层深度、断裂构造位置、构造单元划分基本一致，说明三维可视化模型能够较真实地反映地下地质结构。

图5 密度层分界面示意图

图6 水平方向截面示意图

图7 方位角为45°和135°方向上截取的剖面示意图

图8 模型截取剖面与实测数据拟合成果对比图

5 结论

1)布格重力异常数据NVDR-THDR技术可较好地反应天津市断裂构造系统，为构造单元划分提供依据。

2)布格重力异常的幅值高低，在宏观上反映了天津市基底的起伏及上覆主要沉积层的厚度变化，布格重力异常“两高、两低” 形态总体反映了4个Ⅰ级构造单元的大致形态。

3)重力数据三维反演及可视化建模可以直观地从地层、断裂构造、构造单元、地层界面四个方面反映了地下的真实情况，细致地展示天津市的地下地质结构。

4)通过模型截取地质剖面与实测数据拟合地质剖面的对比，证实了三维可视化模型是可信的。

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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

国土资源部、中国地调局、天津市国土资源和房屋管理局合作项目(1212011220232)

郑国磊(1983-)，男，硕士，现从事重力方向的勘探及软件编写工作，E-mail：zhengguolei@126.com。

1001-1749(2015)05-0571-07

P 631.1

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.05.05