大连周边海域航空重力调查方法及重要成果

张玄杰， 陈　斌， 朱卫平， 张　婉， 刘英会， 林晓星， 李　冰

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京　100083)



大连周边海域航空重力调查方法及重要成果

张玄杰， 陈斌， 朱卫平， 张婉， 刘英会， 林晓星， 李冰

(中国国土资源航空物探遥感中心，北京100083)

摘要：为加强海洋地质调查工作，中国地质调查局组织实施了海洋航空地球物理探测及应用项目，在大连海域及其周边，应用GT-1A航空重力测量系统，开展了1∶20万航空重力调查工作，获取了高质量的航空重力数据9.4万测线km，原始测量总精度达到1.27×10-5m/s2； 形成了一套覆盖渤海东部、北黄海、辽东半岛和山东半岛的航空重力系列图件，填补了研究区内航空重力资料的空白。通过综合解释与研究，在基底构造形态分析、主要构造单元边界厘定、断裂构造分布特征研究以及局部构造异常圈定等方面取得了重要成果，为研究区海洋区域地质调查、渤海和北黄海的油气资源调查、海陆过渡区关键地质问题的解决提供了重要依据。

关键词：航空重力; 北黄海坳陷; 基底断裂; 苏鲁造山带

0引言

海洋区域地质调查是了解海底基本情况的有效途径，已受到了越来越多国家的重视。然而，由于种种因素的制约，我国海域区域地质调查同陆域区域地质调查相比，工作程度严重滞后。我国1∶100万海洋区域地质调查始于1999年，先后启动并完成了1∶100万南通幅和永暑礁幅的试点工作； 2006年以后，1∶100万海洋区域地质调查工作全面展开，至2014年底共完成了16个图幅的综合调查任务，实现了我国管辖海域1∶100万区域地质调查全覆盖。1∶25万海洋区域地质调查工作始于2009年，目前仅完成个别图幅的工作[1-3]。因此，目前海洋区域地质调查工作已远远落后于国家需要和形势发展，急需借助于各种地质、地球物理的手段和方法，快速获取海底及深部的地质信息，从而为维护海洋主权权益、军事海防、涉海工程建设和社会经济可持续发展服务。

航空重力作为一种重要的地球物理勘探技术手段，在基础地质研究及石油、天然气、固体矿产资源勘探等方面已得到了广泛应用。20世纪70年代，美国就开始将航空重力测量应用于地球物理勘探领域， Carson公司在1971年进行了直升机重、磁测量的商业试验。20世纪90年代以来， Carson、EASI(EDCON Aero Surveys,Inc.)、LCT等公司开展了大量的商业性航空重力测量工作，服务领域涉及基础地质研究、石油、天然气及大地测量等方面[4-6]。2006年我国引进具有国际先进水平的GT-1A型航空重力测量系统，并进行了试生产，该系统的各项性能指标能够满足地质调查的需要[7-10]。

为做好海洋区域地质调查工作，中国地质调查局国土资源航空物探遥感中心(以下简称航遥中心)组织开展了大连周边海域航空重力调查工作，旨在满足海洋区域地质调查、海域油气资源调查及海岸带综合地质调查对基础地球物理资料的需求； 同时，充分发挥航空地球物理方法具有海陆连续测量的优势，为解决海陆过渡区关键基础地质问题提供技术支撑。

1技术方法

1.1测网部署及测量比例尺

研究区内构造以NE及NNE向为主，该方向构造切割了近EW向的古构造，控制了各沉积盆地内坳陷和隆起的发育与分布，形成了NE与EW向交织的基本构造格架。为了达到最佳测量效果，参考研究区已有重力资料显示的异常走向，结合以往航磁测量的测网部署，兼顾不同走向的构造和重力异常，选择了南北测线方向(即0°～180°)。切割线与测线飞行方向垂直，为90°～270°。

根据目前航空重力测量系统的测量精度、空间分辨率和国外同类系统作业常用的测量比例尺，本次测量选用的比例尺为1∶20万，即测线线距2 km，切割线线距10 km。测线和切割线组成了2 km×10 km测网。

1.2航空重力测量系统

航空重力测量系统主要包括空中测量硬件系统、地面差分GPS观测系统和重力数据处理软件。其中，空中测量硬件系统包括GT-1A型航空重力仪系统、Asthech Z-Xtreme差分GPS系统、数据收录控制系统(CDU)、UPS电源系统、GPS领航系统等； 地面差分GPS观测系统为Z-MAX大地测量级GPS接收基站； 重力数据处理软件为航遥中心开发的GeoProbe 2.0软件、莫斯科国立大学研制的航空重力处理软件(MSU)和加拿大Geosoft公司的Oasis montaj软件。MSU是一个标准的Windows多文档/多界面软件，用来计算和显示每架次的航空重力异常。

1.3导航定位

测量飞行导航使用HD01双星座全球卫星导航系统。该系统可以实时提供飞机的三维空间位置、飞行高度及速度等导航信息。由于采用同时接收美国和俄罗斯2组卫星信号的先进技术，定位精度可达1.6 m。

为提高测量中的飞机定位精度，测量使用差分GPS后处理系统进行精确定位。以差分GPS地面站为基准站、机载差分GPS为移动站进行后处理定位。定位系统采用Ashtech双频接收机进行观测，系统采样频率2 Hz，地、空接收机均使用双频天线，与国家基准网点同步观测，得到基准站精确位置。

2主要成果

2.1获取了高质量的航空重力数据

大连周边海域是首次正式将航空重力测量系统应用于我国海洋区域地质调查工作的研究区。以CESSNA208型水陆两用飞机为作业平台，使用俄罗斯GT系列航空重力测量系统，获取了研究区高质量航空重力数据9.4万测线km，原始测量总精度达到1.27×10-5m/s2，填补了研究区内高精度航空重力资料的空白。与地面重力测量和船重测量相比，航空重力测量具有不受海陆交互的影响，能够到达常规陆地工作和船测等不能企及的地方，通过海陆统一测量可以得到完整连续的重力场图。这为探讨海陆构造衔接关系、重大工程选址、海洋环境监测与保护等方面提供重要的地球物理依据。

2.2在构造单元划分方面取得了新认识

2.2.1对北黄海坳陷的新认识

依据航空重力资料，结合以往的高精度航磁资料，在研究区内对北黄海坳陷进行了圈定，并在其内部划分了西部凹陷、中部凸起、中部凹陷、东部凸起及南部凹陷群5个次级构造单元(图1)。由于调查范围所限，本次研究未涉及东部凹陷。

综合研究认为，北黄海坳陷，即以往所划分的“北黄海盆地”[11-12]，是由几个相互分隔的中、新生代沉积凹陷所组成，各沉积凹陷主体构造具有明显不同的特点，其相互之间的可比性值得探讨。

西部凹陷位于北黄海坳陷西部，航空重磁资料推断该凹陷的基底为一套相当于古元古界辽河群或粉子山群弱磁性变质岩。凹陷内中、新生界沉积厚度在2～3 km之间，中、新生界之下可能还残留有一定厚度古生界。仅就重磁资料所反映的异常特征来看，西部凹陷除东侧边界断裂对其控制作用明显外，凹陷内基底断裂构造不多，仅在中部发育NWW向断裂。凹陷内局部磁异常较为丰富，推测中生代火山岩较为发育。从西部凹陷所处大地构造环境及凹陷的结构特征认为，该凹陷与胶东半岛上的胶莱坳陷具有可比性，二者均是在受郯庐断裂影响的NE、NEE向断裂体系作用下形成的，中生代是其重要的发生、发展时期。

图1　北黄海坳陷构造单元划分图Fig.1　Division of the geotectonic units of North Yellow Sea Depression

中部凹陷位于中部凸起东侧，凹陷总体呈SN走向，北宽南窄。在布格重力异常图上，凹陷整体位于正背景场中。重磁资料综合解释认为，凹陷基底为古元古界弱磁性变质岩，其上发育了2～4 km的中、新生界。与以往认识不同，本次研究在该凹陷最南部又圈定了一个新的次级凹陷。以往地震资料解释成果将该次级凹陷划分为南部凹陷群的南四凹陷，并认为其仅发育渐新统和新近系，新生界最大厚度约2 400 m[13]。本次研究认为其重、磁场特征及区域地质背景与北侧的中部凹陷的特征更为相似，因此将其归入中部凹陷，推断该次级凹陷基岩埋深在3 km以上，最大深度可能达5 km，主要发育了中、新生代沉积。

2.2.2圈定了渤辽低凸起

在以往关于渤海海域构造单元划分的资料中，辽东湾坳陷被划分为“三凹两凸”5个NE向的次级构造单元，其南与渤中坳陷直接相接，中间没有过渡构造带。本次研究在渤海海域内划分了一个NW—SE向的凸起构造，称之为渤辽低凸起，作为辽东湾坳陷与渤中坳陷之间的过渡构造带。该低凸起南、北两端分别与辽东隆起和燕山隆起相接。低凸起长约88 km，宽约25 km。航空重力资料深度计算结果表明，该带基底埋深浅于3 km。

渤辽低凸起的基底主要为寒武系—奥陶系碳酸盐岩和前寒武系变质岩，其上覆地层为新生界。推断该低凸起构造在早期与区域构造展布是一致的，形成的都是NE向构造带，后期由于受NW向断裂的影响，在两条NW向断裂之间，基底整体抬升，形成了NW向低凸起。该凸起分别与南北两侧的秦南凹陷、渤中凹陷、渤东凹陷、辽西凹陷、辽中凹陷及辽东凹陷相邻，因此具备良好的油气构造条件。

2.3对基底断裂构造进行了识别与圈定

2.3.1郯庐断裂带

郯庐断裂带(郯城—庐江断裂带)是1957年通过航磁测量发现的。之后，郯庐断裂带一直是中国区域地质研究的热点之一。多年来，对郯庐断裂带的研究取得了许多重要进展，普遍认为郯庐断裂带的形成和发展对我国东部地区中、新生代沉积盆地演化具有重要的控制作用。但是，绝大多数研究工作主要局限于陆地和中、新生代构造活动，对其形成时间、走滑位移和构造性质、在海域内的分布等方面仍未达成共识。以往人们在进行郯庐断裂带圈定时，在潍坊以南陆地部分划分了4条平行断裂，认为这4条断裂延伸入海。但也有学者提出，郯庐断裂在渤海海域存在着特殊性，其陆上部分并未全部延入海中，在海域内是由东西2条主断裂控制断裂带的主体范围[14]。

本次研究依据航空重力资料，提出渤海海域内郯庐断裂带由3条深大断裂组成，分别是郯庐西缘断裂、郯庐中央断裂和郯庐东缘断裂。

据航空重力资料，郯庐东缘断裂应是郯庐断裂的主断裂，该断裂在布格重力图上反映为东高、西低的宽缓梯度带； 断裂西侧主要为降低的区域重力场，为渤海湾断陷盆地的反映； 而断裂东侧，主要为升高的区域重力场，为隆起区的反映。因此，重力资料所反映的郯庐主断裂是渤海湾盆地后期扩张的重要依据。

然而，研究区以往高精度航磁资料所反映的郯庐主断裂的位置与重力梯度带相比明显偏西，处于郯庐中央断裂的位置，郯庐中央断裂为十分明显的磁场分区界限，显示两侧磁性基底截然不同，表明其为控制结晶基底岩性变化的断裂。整体来看，断裂西侧表现为区域升高磁异常特征，反映了强磁性结晶基底的存在； 断裂东侧显示为区域负磁背景场特征，为无或弱磁性的新太古代至古元古代增生陆壳基底的反映。

因此，本文从重磁场特征角度，对郯庐断裂带的多期活动性和构造意义提出了新的认识。航磁资料所反映的主断裂位置应是古郯庐断裂所处位置，其控制了结晶基底的分布； 而重力资料反映的主断裂位置，表明中生代以来，受NW向主应力的强烈作用，断裂复活，形成郯庐伸展构造带，在郯庐东缘断裂位置形成现今隆坳之间的构造界线。

2.3.2北黄海北缘断裂

北黄海北缘断裂是2004年应用高精度航磁资料发现的一条基底深大断裂，处于北黄海北部与辽东半岛海陆过渡区。本次研究综合利用航空重磁资料，对北黄海北缘断裂位置进行了厘定。认为北黄海北缘断裂带西起研究区南部胶东半岛龙口镇东侧，向北东延伸穿过渤海海峡，进入辽东半岛，沿辽东半岛南岸呈NE向延伸，研究区内长度384 km。结合区域地质构造图可知，该断裂向东可能与鸭绿江岩石圈断裂相接，是一条压—压扭性岩石圈断裂。

北黄海北缘断裂在布格重力异常图上主要表现为重力场分界线、梯度带及异常错动线，而在航磁△T化极等值线平面图上，主要以线性异常带为标志。在重、磁场分布上，断裂两侧明显不同，断裂北西侧辽东半岛地区重力场背景较低，航磁背景相对较高，表明该区基底主要由低密高磁的物质组成，推断主要是受燕山期岩浆活动强烈改造的太古宇基底所引起； 而断裂南东侧的北黄海海域重力场背景较高，航磁主要表现为负背景场，应是高密低磁的基底分布区，反映了元古宇基底的广泛存在(图2)。

图2　北黄海北缘断裂重磁场特征 (左：航空布格重力异常图; 右：航磁ΔT化极异常图)Fig.2　Airborne gravity and magnetic characteristics for the north margin fault of the North Yellow Sea

依据重磁资料，本次研究提出北黄海北缘断裂是一条切割深度大、延伸长的基底断裂，控制了北黄海北部构造单元的组成； 同时该断裂可能还具有多期活动的特点，对于辽东半岛南岸现今的地形地貌分布也产生了重要影响。

2.4对苏鲁造山带的新认识

通过对航空重磁资料的综合解释，本文认为苏鲁造山带的西部边界应该在牟平—王格庄—马石店一线，向南可能一直延伸到穴坊、即墨，即牟平—即墨断裂带的位置。该断裂以西以高值重力异常为主，以东则是由岩浆侵入活动形成的重力低值区，该类岩浆侵入活动应是造山作用的具体表现。造山带北部应以刘公岛大断裂为界，该断裂位于北黄海海域内，呈NEE向延伸，该断裂以南的重力异常以NW向弧形异常为主，磁异常也基本转为NW向，该类弧形异常可能是受造山作用影响形成的，同时也可能是受到了后期NW向断裂作用的改造和影响所导致。而对于造山带的南界，应以嘉山—响水断裂为界，该断裂以北表现为重力异常高值带，断裂南侧为重力异常低值区(图3)。

图3　苏鲁造山带重力场特征及其南北边界Fig.3　Gravity field of Sulu orogenic belt and its north-south border

而对于在重磁异常图上特征都十分显著的日照—荣成深大断裂，本文研究认为其并不是苏鲁造山带的边界，而是苏鲁碰撞造山带的核部位置，是碰撞造山作用最为强烈的部位。在重力场图上，该断裂以北表现为重力低值带，以南表现为重力高值带； 而在磁场图上，断裂以北表现为强磁异常带，以南则表现为区域负背景场特征。断裂南北两侧重磁场特征的差异表明，日照—荣城深大断裂可能为超高压变质带和深部幔源岩浆活动的界线，推测为华北板块与扬子板块发生碰撞构造作用的核心部位。

苏鲁造山带向北东延伸进入北黄海，受资料限制，未能观测到造山带东延方向的重磁场特征，就现有重磁资料分析认为，该造山带可能在北黄海东部海域被NW向构造截止，未能继续向东延伸。

3结论与建议

通过大连幅海域航空重力调查，获取了高质量的航空重力数据，并在基底构造分析、断裂构造划分等方面取得了重要认识。

(1)航空重力测量首次正式应用于我国海洋区域地质调查，获取了9.4万测线km的高质量航空重力数据，原始测量总精度达到1.27×10-5m/s2。航空重力在大连幅海洋地质调查工作中的成功应用，标志着我国海洋航空地球物理探测工作进入了一个新的阶段。

(2)依据航空重、磁资料，对北黄海坳陷进行了圈定，将其划分为西部凹陷、中部凸起、中部凹陷、东部凸起及南部凹陷群5个次级构造单元，其内部几个主要沉积凹陷构造特征具有显著的差异性。

(3)在渤海海域内新划分出渤辽低凸起，其作为辽东湾坳陷与渤中坳陷之间的过渡构造带，具有良好的成油条件。

(4)郯庐断裂带具有多期活动的特点，古郯庐断裂从渤海中部穿过，切割了太古宇结晶基底； 而中生代以来，在NW向主应力的强烈作用下，断裂复活，形成郯庐伸展构造带，在郯庐东缘断裂位置形成现今隆坳之间的构造界线。

(5)北黄海北缘断裂是一条切割深度大、延伸长的基底断裂，控制了北黄海北部构造单元的组成及现今地形地貌分布。

(6)通过航空重磁资料综合解释，提出牟平—即墨断裂带和刘公岛断裂构成了苏鲁造山带的北部边界，嘉山—响水断裂为造山带南部边界，日照—荣成断裂带是苏鲁碰撞造山带的核部位置。

(7)与其他工作手段相比，航空重力调查方法能够快速采集重力场信息，具有快速、高效、覆盖面积广的特点，在海陆交互区能够实现连续测量，测量精度能够满足1∶20万比例尺地质构造研究需要。建议在今后的海洋地质调查工作中，加强海洋航空重力调查工作的部署。

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(责任编辑： 刁淑娟)

Achievements in airborne gravity survey around the Dalian sea area

ZHANG Xuanjie, CHEN Bin, ZHU Weiping, ZHANG Wan,LIU Yinghui, LIN Xiaoxing， LI Bing

(ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083,China)

Abstract:To meet the needs of marine regional geological survey, airborne gravity survey has been carried out in the Dalian sea area. With the GT-1A airborne gravity measurement system, we obtained the high quality gravity data of 94 000 km. The total raw measurement accuracy reached 1.27×10-5m/s2. The airborne gravity data covers Eastern Bohai Sea, North Yellow Sea, Liaodong Peninsula and Shandong Peninsula. Based on the new data and integrated study, many important results, including the basement structure morphology, the boundaries of the main structural units, the characteristics of fault structure, and the delineation of local structural anomalies have been gained. These achievements are favorable for marine regional geological survey, petroleum exploration and integrated investigation of the marine geo-environment in coastal zones.

Key words：airborne gravity; North Yellow Sea Depression; basement fault; Sulu orogenic belt

中图分类号：P631.125

文献标志码：A

文章编号：2095-8706(2016)02-0040-06

第一作者简介：张玄杰(1979—)，男，高级工程师，主要从事航空物探调查综合研究。Email： zhangxuanjie@163.com。

基金项目：国家专项“海洋航空地球物理探测及应用(编号： GZH200900502)”项目资助。

收稿日期：2016-03-10；

修订日期：2016-03-18。

引用格式： 张玄杰，陈斌，朱卫平，等.大连周边海域航空重力调查方法及重要成果[J].中国地质调查,2016,3(2): 40-45.