天津市重力数据反演解释

郑国磊，徐新学，李世斌，袁 航，马 为，叶 青

1.天津市地球物理勘探中心，天津 300170 2.中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

重力反演是获取地下地质信息的重要手段，在其应用和研究方面，许多学者做了大量工作[1-10]。为使反演成果形象、全面地展示在人们面前，许多学者运用各种建模软件进行了三维可视化建模研究[11-17]。

天津市地貌类型分为北部山区和中、南部平原区，区内断裂构造发育、地层凹凸起伏、地热资源丰富，研究区内地层结构、断裂位置对地热资源开发、基岩稳定性评价等有重要意义。李继军等[18]应用天津市重、磁、电资料查明了区内地层主要界面的埋深、分布和厚度及断裂的平面展布状况和深部发育情况；姜夫爵等[19]应用天津市重力资料对天津市南部地区断裂构造划分及成因进行了解译；李世斌等[20]应用天津市布格重力异常、航磁化极ΔT异常及电阻率深度切片等资料对区内基底构造特征进行了详细研究；郑国磊等[13]对天津市重力资料进行了反演建模研究。这些研究成果使人们对天津市的地质构造有了基本的认识，但缺乏对全区资料的系统认识和统一研究，且区内钻孔分布不均匀，部分地层界面的埋深、断裂的空间位置、构造单元的划分有待进一步探讨及研究。

本文在前人研究工作的基础上，利用天津市布格重力异常数据对区内构造单元格架、地层及断裂进行了重新解译，并借助GOCAD软件平台对反演模型进行三维可视化展示，以及运用大地电磁剖面数据制作虚拟钻孔弥补钻孔数量的不足，对重力解译资料进行了可靠性验证，以期为区内地热资源开发及地壳稳定性评价提供有价值的参考资料，同时为制作虚拟钻孔提供可借鉴的方法。

1 天津市地质概况

天津地区的区域地质构造为渤海湾裂谷盆地，是典型的多旋回多期次盆地，构造演化主要经历了结晶基底的形成和沉积盖层的发育[19, 21]。按照中国岩石地层区划图的统一划分，天津市属于华北地层大区晋冀鲁豫地层区的燕辽地层分区和华北平原地层分区，缺失新元古界震旦系以及古生界志留系与泥盆系。由老至新发育太古宇结晶基底、中--新元古界、古生界寒武系—中奥陶统、上石炭统—早三叠统、中生界中侏罗统—下白垩统和新生界。北部山区出露中--新元古界及古生界，以中--新元古界的长城系、蓟县系和青白口系为主，一般不发育第四系、新近系和古近系；北部山前平原区及南部平原区地表均为第四系覆盖，且广泛发育新近系和古近系，中生界主要分布在武清坳陷、黄骅坳陷、沧县隆起的马家店洼槽、大白庄洼槽、白塘口凹陷和马兰峪复背斜的大厂凹陷，其余地区则是新生界覆盖在古生界、元古宇之上(图1)。北部地区构造以近东西向分布为主，主控断裂为近东西向；南部地区主要构造以北东向为主，且次级构造发育[19]。

2 物性统计

图1 天津市新生界下伏基岩地质图Fig.1 Geologic map of sub-outcrop of uncovered tertiary in Tianjin

通过天津市及邻区的密度、电性参数统计成果(图2)可以看出：随地质年代由新到老，地层的密度逐渐增大，电阻率呈现相对低阻、低阻、中阻、高阻的分布规律；二者都呈现层状分布特点。密度划分为5层，由低到高分别为第四系、新近系明化镇组—古近系东营组、古近系沙河街组—中生界白垩系、中生界侏罗系—上古生界石炭系、奥陶系及以前地层[13, 20]，各层密度值如图2所示。电阻率划分为4层，分别为第四系—明化镇组、馆陶组—三叠系、二叠系—石炭系、奥陶系及以前地层。密度层分界面与电阻率层分界面除奥陶系及以前地层顶界面相同外，其余分界面均存在差异，认为该界面起伏是造成区域重力异常升降和影响电阻率纵向分布的主要原因[15]。岩浆岩中：中、酸性岩密度值较低，是造成部分区域重力低异常的主要原因；基性、超基性岩密度值高于地层平均值，在天津市分布较少。

3 重力场特征

天津市布格重力异常(图3左)在宏观形态上表现为北部、西北部、东南部低值区和中北部、中南部高值区，即“三低、两高”。以宝坻、蓟运河断裂(F1、F2)为界：北部地区高值布格重力异常为基底隆起的结果，北部重力低值区呈近EW向展布，由中酸性岩浆岩体入侵和山区重力均衡效应引起；南部地区呈NE向高低相间排列，为各构造单元总体密度差异的结果，即由NE向高密度基底隆起和两侧坳陷及由此造成的上覆低密度沉积层的厚度差异引起，高值区与低值区之间的重力梯级带为各构造单元间主控断裂的反映，其梯度与断裂规模有关。

4 重力数据反演

4.1 断裂构造推断

位场数据归一化总水平导数垂向导数(NVDR- THDR)运用梯度线性信号的极大值及其错断位置对断裂构造位置进行识别[22]。该方法对有效信息进行了强化，对干扰信息进行了压制，可以有效地对断裂构造进行识别。本文运用上述方法并利用布格重力异常数据对天津市NWW向、NNE向和近EW向的断裂构造体系进行了判别(图3)，结合研究区地质资料，共推断53条断裂，包含7条一级断裂(F1—F7)、36条二级断裂(F8—F43)和10条三级断裂(F44—F53)(异常特征见表1)。7条一级断裂在布格重力异常中主要分布在“三低、两高”[20]交界处，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；二级断裂构造以NNE向和近EW向为主，对局部构造单元的形成、发展及演化起着主要的控制作用；三级断裂构造则以NWW向和近NS向为主，为一、二级断裂错断形成。NNE向断裂主要为古生代、古近纪时期形成的断裂，NWW向断裂为中生代时期形成的断裂，近EW向断裂为新生代时期形成的断裂[19]；断裂走向与产生断裂时期的地质活动有关。

图2 天津及邻区地球物理参数统计Fig.2 Geophysical parameters statistical result of Tianjin and its adjacent areas

Δg. 布格重力异常。图3 天津市推断断裂、构造单元与布格重力异常(左)及其NVDR-THDR对应关系(右)Fig.3 Comparison between inferred faults, structural units, the Bouguer gravity anomaly (lift) and the NVDR-THDR (right)

4.2 构造单元划分

研究区布格重力异常在北部呈近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[13]。根据布格重力异常“三低、两高”的特征及主控断裂的分布格局，将天津市划分为4个一级构造单元：北部低值区和中北部高值区为马兰峪复背斜，南缘边界为宝坻断裂(F1)和蓟运河断裂(F2)；西北部低值区为武清坳陷，东南边界为F3和杨柳青断裂(F4)；东南部低值区为黄骅坳陷，西北部边界为延至蓟运河断裂的沧东断裂(F6)；中南部高值区为沧县隆起，两侧分别与武清坳陷和黄骅坳陷相邻。根据研究区内局部布格重力异常特征、次级断裂构造分布特征及研究区内的地质构造认识，在4个一级构造单元内划分29个二级构造单元(详见表2、图3)，二级构造单元的边界主要为二、三级断裂构造。

表1 天津市布格重力异常及NVDR-THDR在断裂识别中的异常信息

表2 天津市构造单元划分表

4.3 界面反演

结合研究区的地层密度分布状况、断裂构造分布特征和构造单元划分情况，参考研究区的地质特征，采用Geosoft软件的重力构造反演模块对研究区密度界面进行反演，包括以下步骤： ① 根据研究区收集的108个钻孔数据及研究区的地质认识，确定各构造单元内每个密度界面的初始深度，并将深度数据导入Geosoft软件的构建3D模型模块中，建立每个构造单元的初始三维密度模型，同时设置各密度层的密度值。② 在重力构造反演模块中设置反演参数(迭代次数和收敛极限等)。③ 当反演第一密度界面(第四系底界面)时，将布格重力异常通过向上延拓方法分别求出区域场和剩余场，并将剩余场数据加载到三维密度模型中，然后应用重力构造反演模块对该密度界面进行反演；当反演第二密度界面(东营组底界面)时，根据二级构造单元的位置和大小，应用断裂边界，将反演第一界面时求得的区域场划分为29个部分，并将每一部分再一次进行向上延拓，求出每一部分的区域场和剩余场，应用各构造单元的剩余场对各密度界面进行反演；按照相同方法依次对各构造单元内的白垩系底界面、上古生界底界面分别进行反演计算。④ 运用钻孔资料对反演后界面进行验证与对比，对深度差异较大的界面重新进行反演。⑤ 将反演后同层密度界面按照位置对应关系合并到一起(图4)。

通过上述反演界面可以看出：第四系在蓟县山前断裂(F12)以南地区均有分布，在坳陷区分布较深，隆起区分布较浅；新近系、古近系主要分布在宝坻断裂(F1)、蓟运河断裂(F2)以南区域，且在武清坳陷和黄骅坳陷纵向分布较深；白垩系主要分布在武清坳陷、黄骅坳陷、马兰峪复背斜的大厂凹陷、沧县隆起的马家店洼槽、大白庄洼槽和白塘口凹陷；上古生界分布除在白垩系分布区域外，在沧县隆起的南王平凸起、良王庄凸起和里坦凹陷也有分布；奥陶系及以前地层在整个研究区均有分布，该层的起伏变换对布格重力异常的特征起到了决定性作用。

5 三维可视化模型

5.1 三维可视化属性模型

根据上述反演成果，应用GOCAD(geological object computer aided design)软件中的构建模型流和属性流模块建立天津市三维可视化密度属性模型(图5)。从图5中可以看出各密度层分布与反演界面反映的地层分布规律一致，使地层分布形象地展示在人们面前。通过各密度层的密度分布规律可以看出：① 模型中地质体分层与密度层相同，且随着地层由新到老，密度值表现出逐渐增大的趋势，与物性统计规律相同；② 各密度层上表面(第四系除外)坳隆相间分布，且随着密度层加深，坳隆差异逐渐明显，认为沉积层厚度的差异主要由基底的隆起与坳陷造成；③ 各构造单元交界处(断裂及附近)存在低于同密度层密度的地质体，认为各构造单元交界处存在大量裂隙，地质体压实程度较低，较松散，密度值偏低。

5.2 剖面对比及虚拟钻孔验证

针对穿过大王庄古洼槽(U10)、大孟庄洼槽(U11)、杨村斜坡(U12)、南王平凸起(U15)、赤土村断凹(U19)、北塘凹陷(U20)构造单元的一条实测大地电磁剖面，利用SSMT2000软件对时间序列文件进行傅里叶变换，然后将电场数据与磁场数据做相关处理转换为频率域功率谱文件，再根据频率与深度的对应关系将频率转换成深度值，最后用GOCAD软件制作成虚拟钻孔。在同位置处截取布格重力异常数据，利用RGIS软件2.5D重磁剖面人机交互正反演技术推断剖面处的地层结构，并用虚拟钻孔佐证结果的正确性，结果如图6所示。通过图6可以看出：① 布格重力异常曲线的区域性上升和下降基本反映奥陶系及以前地层(基底)的隆起与坳陷及由此造成的上覆沉积层的厚度变化情况。② 布格重力异常曲线拟合地质剖面与模型截取地质剖面中的密度层分布、断裂位置和构造单元划分基本一致。③ 大地电磁虚拟钻孔的电阻率分层情况与物性统计结果一致，对密度与电阻率相同分界面(奥陶系及以前地层与上覆地层分界面)反映较清晰(Mc—Me、Mh—Mu)；同时，Mp—Mr钻孔的电阻率分层界面变化与F6断裂纵向位置吻合，F22、F4断裂附近虚拟钻孔(Ma—Mb、Mf—Mg)，因受断裂及附近松散地质体(含裂隙水，电阻率较周围地质体低)影响，产生明显的静态效应现象，造成在断裂附近测量的电阻率普遍降低。由此说明，反演模型是可信的，并在密度分层和电性结构两方面均能够真实地反映地下地质结构。

a.第四系底界面；b.东营组底界面；c.白垩系底界面；d.上古生界底界面。图4 天津市密度界面等深图Fig.4 Isobath-map of density interfaces of Tianjin

a.第四系；b.明化镇组—东营组；c.沙河街组—白垩系；d.侏罗系—石炭系；e.奥陶系及以前地层。图5 天津市三维可视化密度属性模型图(纵坐标方向放大3倍)Fig.5 3-Dimensional visualization property model of Tianjin(×3 at longitudinal coordinate)

6 地质认识

根据上述反演成果，结合研究区内地质资料，认为中生代以前研究区内构造单元间相对活动较弱，区内奥陶系基底形成并接受上古生界沉积。中生代后，武清坳陷构造单元开始下降，形成以大孟庄洼槽为中心的梯级坳陷区，接收巨厚的中、新生界沉积，马兰峪复式背斜、沧县隆起、黄骅坳陷普遍上升，其中：马兰峪复式背斜北部较南部上升较快，经剥蚀后，造成蓟县山前断裂(F12)以北、古生代以后地层缺失，主要出露中--新元古界、岩浆岩及少量太古宇，断裂以南中--新元古界被第四系覆盖；沧县隆起在上升时具有右行走滑性质，形成东北端较窄西南端较宽的现象，古近纪后，天津断裂(F30)以西区域上升较缓甚至停止，以东地区不断隆升并遭受剥蚀，造成了天津断裂以东地区缺失上古生界，同时形成了以NE向主体断裂为边界的断凹、断凸相间发育构造类型；黄骅坳陷自古近纪开始下降，同时接受古近系、新近系和第四系沉积。推断控制武清坳陷下降运动的F3、杨柳青断裂(F4)、F7及控制马兰峪复背斜上升运动的宝坻断裂(F1)、蓟运河断裂(F2)、蓟县山前断裂(F12)在中生代后有强烈的活动性，而控制黄骅坳陷下降运动的沧东断裂(F6)和控制沧县隆起东部上升运动的天津断裂(F30)则在古近纪后活动性较强。这与姜夫爵等[19]NW向断裂中生代活动强烈的观点吻合，与NE向断裂古生代、古近纪活动较强、中生代活动较弱的观点存在一定差异。

图6 天津市重力数据拟合剖面(a)、模型截取地质剖面(b)及MT虚拟钻孔分层成果对比图(c)Fig.6 Comparison of fitting profile of gravity data (a), geological profile incised from model (b) and layered results of MT virtual drill (c) of Tianjin

7 结论

1)本文通过物性统计分析，了解天津市地层随地质年代由新到老，密度呈现逐渐增大、电阻率总体表现为由低到高的层状分布规律，为重、电资料解译提供基础性资料。

2)运用布格重力异常数据及其反演结果，对天津市7条一级断裂、36条二级断裂、10条三级断裂进行了识别，对4个一级构造单元和29个二级构造单元构造单元进行了划分，对4个地层分界面进行了反演，客观地反映了研究区构造面貌。

3)运用GOCAD软件，将重力反演成果构建成三维可视化密度属性模型，使地层、断裂位置、密度属性空间分布等构造以立体形式展示出来，直观反映了研究区地下地质结构。

4)通过布格重力异常数据拟合地质剖面、大地电磁虚拟钻孔反映地质结构与反演结果模型截取地质剖面对比，从密度层结构、断裂空间位置、构造单元划分等方面佐证三维可视化反演结果模型是可信的。

5)根据重力反演成果结合区内地质资料，认为研究内基底为晚古生代以前地层沉积的结果，区内构造格架及地层坳隆主要为中生代以后地质活动的结果，控制构造单元升降的断裂也在相应时期发生强烈活动。