重力剖面反演莱阳南凹陷深度

董健

(山东省地质调查院，山东省土地质量地球化学与污染防治工程技术研究中心，山东 济南 250013)

莱阳南凹陷属于莱阳盆地的一部分，很多学者在此区域开展过不同程度的地质勘查工作，取得了丰富的地质成果，对凹陷的沉积演化过程有了相对一致的认识，但是对该区中生界沉积厚度有着不同的介绍[1-6]。重力测量作为受外界干扰最小的一种地球物理勘探方法，数据采集质量可靠，在地壳深部构造研究、覆盖区的地质填图、基底起伏形态分析等方面发挥了其优势，取得了不少科技成果[7-20]。该文以“山东1∶5万夏甸、河头店、日庄、莱阳市幅区域地质综合调查”项目为依托，以区内地层岩性密度资料为基础对重力剖面进行正反演拟合计算，推断莱阳南凹陷深度，然后用可控源音频大地电磁测深(CSAMT)剖面进行验证，从重、电角度解释莱阳南凹陷的中生界沉积厚度。

1 地质概况

莱阳南凹陷位于山东省莱阳地区，南侧以金岗口断裂为界与荆山凸起相接，北侧以角度不整合面与胶北断隆相接，西侧边界为周格庄西断裂，向东出调查区，区内地层简单(图1)。凹陷内部被白垩纪地层所覆盖，为一套陆相沉积地层，从下到上依次为莱阳群、青山群、王氏群(1)山东省地质调查院，山东1∶5万莱阳市、万第、姜山、行村幅区域地质调查报告，2010年。。

1—沂河组；2—临沂组；3—黑土湖组；4—山前组；5—王氏群；6—石前庄组；7—八亩地组；8—后夼组；9—莱阳群；10—荆山群；11—唐家庄岩群；12—王氏期潜玄武岩；13—石前庄期潜流纹斑岩；14—石前庄期潜英安斑岩；15—栖霞片麻岩套图1 测区地质简图(2)山东省地质调查院，山东1∶5万莱阳市、万第、姜山、行村幅区域地质调查报告，2010年。

莱阳群为一套河湖相沉积的陆缘碎屑岩建造，下部为止凤庄组岩性为灰紫色、灰绿色砂砾岩、砾岩夹紫色泥质粉砂岩的洪积扇相的粗碎屑岩建造；中下部为水南组灰绿色泥质粉砂岩、页岩夹微晶灰岩的湖相沉积的细碎屑岩沉积建造；上部为龙旺庄组岩性为湖前三角洲相的泥质粉砂岩、长石砂岩；顶部为曲格庄组，具有典型的河流相沉积的二元结构，岩性为砂砾岩、砂岩、泥质粉砂岩。青山群是火山喷发形成的一套火山岩系，主要岩性为中酸性及中—基性火山岩夹火山-沉积相的砂岩、砂砾岩等。王氏群为陆源碎屑沉积建造，由早期山麓冲积的砂砾岩、砾岩(林家庄组)—中期浅湖相沉积的杂色泥质粉砂岩、细砂岩、泥岩(辛格庄组)—晚期泛滥盆地沉积的砂砾石岩、泥质粉砂岩(红土崖组)—末期的的河流相沉积的含砾中粗粒长石砂岩、含砾泥质粉砂岩及

紫红色粉砂岩(金岗口组)组合而成。

凹陷南北侧出露古元古代荆山群变质岩地层，西北侧出露栖霞超单元片麻岩套，基底为元古代的变质岩系。

2 地球物理特征

2.1 岩石物性

表1统计了该区地层的密度、电阻率参数，岩石的物性资料是进行正反演计算的基础，也是利用重、电数据资料划分地层并进行解释的前提。

从该表可以看出：白垩系与荆山群之间存在约0.18～0.23(单位：×103kg/m3，下同)的密度差，当其相互接触时，可形成明显的密度界面，在重力场上会有明显的反映，形成重力低和重力高异常；区内自上而下大致可划分为三大电性层，上部为第四系的黏土和白垩纪王氏群粉砂岩、泥岩等相对低阻电性层，平均电阻率100Ω·m左右，中部为白垩纪青山群火山角砾岩、凝灰岩和莱阳群砂砾岩等组合而成的相对中阻电性层，平均电阻率在几千Ω·m，下部古元古代荆山群黑云变粒岩、斜长角闪岩等变质岩一般呈相对高阻电性特征，电阻率达数万Ω·m。这种客观存在的密度、电阻率差异，为开展重力勘探、电法勘探提供了地球物理前提。

2.2 重力场特征

图2为测区布格重力异常图，可以看出：莱阳南凹陷反映为西宽东窄的重力低值闭合异常区，整体呈近EW向展布；该低值区形态开阔，区内有3个低值异常中心，东边两个强度相当，封闭成长轴为近EW向的椭圆状，西边重力低异常强度较大，受周格庄西断裂围限影响，呈NNW向分布，异常中心封闭成近平行四边形；布格重力低值中心对应沉积中心，从等值线圈闭的低值范围看，周格庄东北中生界凹陷范围最大。

3 重力剖面反演

3.1 重力剖面推断解释

为了查明莱阳南凹陷的空间分布形态，穿过布格重力异常中心及周围布设了五条重磁剖面加以控制，编号从西到东依次为HL1～HL5(图2)，剖面长度均为25km。利用RGIS2014软件依据表1统计的物性参数，采用二度半体模型模拟地下地质结构，用模型引起的重力理论异常与实测异常相比较，通过逐步修改地质-数学模型，使理论异常与实测异常相拟合来实现，以求得地下地质体的几何形态。结合地质资料不断修改地质模型，达到正演异常与实测重力异常的最佳拟合，这样就完成了对重力剖面数据的2.5D正反演计算，推测地下地质体的产状、形态，以对莱阳南凹陷的基底形态做详细分析。

将荆山群平均密度取2.75，中生界平均密度取2.55，栖霞超单元平均密度取2.68，对五条剖面分别进行了正演拟合计算，拟合后重力理论计算曲线与实测曲线基本重合(图3)。图3a～3e上部为布格重力异常曲线拟合结果，下部为推断地质剖面。

图3中a～e分别对应HL1～HL5剖面。从△g曲线特征看，剖面均反映为中间低两头高的曲线形态，重力低反映了中生界凹陷，南部重力高反映了荆山群凸起。HL1剖面曲线底部延伸较宽，几乎为直线段，反映了中生界凹陷最深处南北延伸较大；北部重力高反映了栖霞超单元，与中生界地层以断裂(F30)形式接触，倾角82°左右；南部与荆山群地层以断裂(F18)形式相交，倾角69°左右。HL2剖面曲线底部有所变窄，拐点渐渐出现，反映了中生界凹陷最深处南北延伸缩小；曲线在20～22km段走平，推测两端有断裂(F53，F54)存在，倾角82°左右，该段为矩形凹陷；北部重力高为荆山群和栖霞超单元共同的反映；南部边界为F32(金岗口)断裂，倾角50°左右。HL3～HL5剖面底部出现拐点，几乎呈“√”形展布，反映了中生界凹陷最深处南北延伸已变得很小；北侧曲线平缓上升，推测为向S倾的平缓的不整合界面，倾角为20°～10°，由西向东逐渐减小；北部的重力高均反映了荆山群凸起；南部边界为F32(金岗口)断裂，总体走向85°，断面N倾，倾角50°～60°左右，由西向东角度增加。

表1 测区地层岩石密度、电阻率参数统计

1—居民地；2—布格重力异常等值线及标注(10-5m/s2)；3—重力剖面；4—推断断裂图2 测区布格重力异常图

1—实测重力异常曲线；2—拟合重力异常曲线；3—地形线；4—推断断裂；5—推断地层界线；6—中生代地层；7—荆山群；8—栖霞超单元图3 重力剖面推断解释成果图

3.2 莱阳南凹陷三维空间分布形态推断解释

根据HL1～HL5剖面的正演计算模型，结合布格重力异常图，对莱阳盆地三维空间分布形态做了大致推断，见图4(前视图定义为由南往北方向)。综合分析得出：莱阳盆地为一南厚北薄，西厚东薄的中生界凹陷，覆盖于元古代老地层之上，盆地内中生界最大厚度在4km左右，西部周格庄地区南北凹陷范围最大，并且整体凹陷最深，盆底南北延伸达8km以上；凹陷南部中生界厚度基本一致，往北逐渐变薄，而且越往东变薄的速率越快，从冯格庄往东盆底南北延伸距离减少至3km左右，到东部泉水地区凹陷深度变得很浅，其北部出露的中生界只是覆盖于元古代地层之上的薄层(图5)。

图4 莱阳南凹陷三维空间分布形态图(a—前视图；b—后视图；c—左视图；d—右视图)

图5 莱阳南凹陷三维切片图

4 CSAMT剖面验证

根据当地地形、地质条件，选取HL4剖面南部10km长度做了可控源音频大地电磁测深(CSAMT)测量工作，其起始点位置对应HL4重磁剖面上的3.675km处，该剖面的CSAMT视电阻率反演断面图见图6。

1—视电阻率等值线及标注；2—推断断裂及编号；3—推断地层界线；4—白垩纪王氏群；5—白垩纪青山群；6—白垩纪莱阳群；7—荆山群图6 HL4综合剖面图(a.布格重力异常曲线；b.CSAMT视电阻率断面图；c.推断地质剖面)

由图6可以看出：剖面横向上呈现南高北低的电性特征，符合实际地质情况，即83675～85600号点之间为“块状体”高阻电性特征，视电阻率值一般大于1000Ω·m，对应着区内荆山群变质岩地层，岩性以黑云变粒岩、斜长角闪岩为主；85600～93675号点之间标高-2600m以浅区域呈相对低阻电性特征，视电阻率值一般小于500Ω·m，视电阻率等值线稀疏宽缓，对应着区内白垩系王氏群地层，岩性以砂岩、砂砾岩、泥岩为主；85600～93675号点之间标高-2600m至标高-4200m深部范围内呈相对中高阻电性特征，视电阻率值一般大于500Ω·m，且与上部低阻电性层之间存在明显的等值线梯级带，结合区内地质资料及其电性特征，推断该中高阻电性层为白垩纪青山群、莱阳群地层，青山群地层为高阻电性层，与上覆地层之间存在明显的电性差异，可作为电性标志层，而下部的莱阳群地层为相对低阻电性层，因此，垂向上电性层存在间断现象；85600～93675号点之间标高-4200m至标高-6000m深部范围内呈相对高阻电性特征，且该电性层视电阻率值普遍大于1000Ω·m，结合区内地质资料及其电性特征，推断该电性层为荆山群变质岩地层，与上覆地层之间呈角度不整合接触。

综上所述，CSAMT剖面视电阻率反演断面显现出很好的分层性，中生界最大沉积厚度在4300m左右，与重力剖面推断解释结果基本一致。从而也以电性的角度验证了重力剖面解释推断的有效性。

5 结论

随着社会的发展，工业化程度不断提高，外部干扰因素越来越多，对地球物理勘探工作提出了更高的要求，尤其在东部发达地区，多种传统的物探方法数据采集比较困难，有时候甚至无法完成既定的目的任务。重力测量作为一种受外界干扰较小的地球物理勘探方法，有其独特的优越性，在覆盖区的地质填图中应受到足够的重视。

该文运用重力剖面反演莱阳南凹陷沉积厚度，数据质量可靠，可为该区地质填图工作提供一定的依据。