馬為，李世斌，徐新學(xué)，鄭軍，趙洪鵬，李華強(qiáng)

（天津市地球物理勘探中心，天津 300170）

重磁電聯(lián)合反演方法在天津基巖構(gòu)造研究中的應(yīng)用

馬為，李世斌，徐新學(xué)，鄭軍，趙洪鵬，李華強(qiáng)

（天津市地球物理勘探中心，天津 300170）

以地層和巖石的綜合物性研究為基礎(chǔ)，采用重磁電聯(lián)合反演方法，對(duì)橫穿天津地區(qū)的重力、大地電磁(MT)長剖面進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對(duì)天津基巖構(gòu)造中主要地層、斷裂、隱伏巖體特征等進(jìn)行了綜合解釋。結(jié)果表明，重磁電聯(lián)合反演對(duì)克服多解性、提高定量解釋精度具有較好的效果。本文還通過應(yīng)用實(shí)例，介紹了重磁電綜合分析解釋方法的運(yùn)用，可供類似地區(qū)的基巖地質(zhì)構(gòu)造研究借鑒和參考。

重磁電聯(lián)合反演；構(gòu)造；地層；定量解釋

各類地球物理方法是根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造及巖石不同的物理參數(shù)進(jìn)行解釋推斷，而各單一地球物理反演結(jié)果各有側(cè)重，不可避免的存在反問題的多解性，影響了地質(zhì)解釋成果的精度。聯(lián)合反演方法以同一地質(zhì)目標(biāo)體的多種地球物理參數(shù)（電性、密度、磁性）為基礎(chǔ)，互為約束,可以提高反演結(jié)果的分辨率與置信度，適應(yīng)了地球物理綜合解釋的需要，因此在基巖構(gòu)造研究、油氣礦產(chǎn)勘查等多種領(lǐng)域內(nèi)得到了越來越多的重視，其中應(yīng)用較多的聯(lián)合反演為重磁電方法的聯(lián)合[1-7]。

為研究天津地區(qū)的基巖地質(zhì)構(gòu)造，筆者完成了北東方向的重力、大地電磁（MT）綜合長剖面。該剖面西起武清，東至北塘，與本區(qū)主要構(gòu)造單元走向垂直，為進(jìn)行重磁電聯(lián)合反演提供了基礎(chǔ)。鑒于本區(qū)具有豐富的地層和巖石物性研究成果和鉆孔資料，可以為聯(lián)合反演提供準(zhǔn)確的約束條件，同時(shí)聯(lián)合反演技術(shù)可以結(jié)合重力劃分?jǐn)嗔押痛蟮仉姶胚M(jìn)行垂向地層分層的優(yōu)勢(shì)，提高基巖構(gòu)造解釋工作的精度。故本文采用重磁電聯(lián)合反演技術(shù)，將地質(zhì)與物探有機(jī)結(jié)合，建立最優(yōu)化的地質(zhì)－地球物理模型，解決了天津基巖構(gòu)造研究中地層、斷裂、隱伏巖體等問題，劃分了“兩坳一隆”的格局，取得了較好的效果。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

天津位于渤海灣盆地中西部，渤海灣盆地為典型的多旋回盆地[8]，中、新生代期間經(jīng)歷了幾次重要的斷裂和沉降階段，從更新世晚期以來處于總體沉降背景下振蕩式升降運(yùn)動(dòng)過程中，在第四紀(jì)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中不斷伴有區(qū)域斷裂的發(fā)育，現(xiàn)今構(gòu)造環(huán)境是在繼承和改造中生代晚期構(gòu)造格局的基礎(chǔ)上在新生代逐漸發(fā)展形成的。

天津地區(qū)大地構(gòu)造地處華北地臺(tái)東北部，以寧河－寶坻斷裂為界分為北區(qū)和南區(qū)。北區(qū)屬于燕山臺(tái)褶帶的薊寶隆褶，南區(qū)屬華北斷坳，是中、新生代斷陷、坳陷盆地。本次研究主要針對(duì)華北斷坳進(jìn)行。華北斷坳松散沉積物覆蓋層厚度大，屬深覆蓋地區(qū)。廣泛發(fā)育著第四系及巨厚的新近系和古近系的漸新統(tǒng)[2]，覆蓋層厚度850～5000 m，一般為1000～4000 m，其中第四系厚度260～430 m。

2 物性特征

物性差異是地球物理勘探的基礎(chǔ)，也是地球物理成果和地質(zhì)成果之間的紐帶。通過系統(tǒng)分析和總結(jié)天津地區(qū)的地層密度、磁性及電性特征，才能準(zhǔn)確解釋物探異常，并轉(zhuǎn)化為有意義的地質(zhì)成果。筆者在收集整理前人物性資料[8-9]和實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)全區(qū)密度、磁性及電性等主要物性資料進(jìn)行了分析統(tǒng)計(jì)，獲取了研究區(qū)巖石與地層的物性特征，為重磁電聯(lián)合反演模型提供了可靠的物性參數(shù)。

2.1 密度特征

密度資料通過收集、標(biāo)本測(cè)量、鉆井巖芯、密度測(cè)井等多種方法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。研究區(qū)密度隨地層年代由新到老、密度值表現(xiàn)為由小變大的遞增特征，覆蓋地表的第四系松散層密度平均為1.95 g/cm3，屬較低密度層；新近系及古近系上段密度為2.11～2.25 g/cm3，屬低密度層；古近系下段至石炭系平均密度約為2.45 g/cm3,可劃分為中密度層；奧陶系以下統(tǒng)一為高密度層,密度大于2.67 g/cm3。中、新生界火山巖密度較大，巖漿巖密度在2.60～3.00 g/cm3之間，侵入巖密度值較噴出巖大（表1）。

2.2 磁性特征

本區(qū)古元古界或更老地層組成的結(jié)晶基底以片麻巖類為主，磁性較強(qiáng)[9]；中、新元古界及上覆沉積地層為弱磁性或無磁性；其中侏羅系的火山碎屑巖表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁性，可視為磁性標(biāo)志層。

沉積巖基本上屬無磁或微弱磁性巖石；變質(zhì)巖一般都有磁性，其中古元古界片麻巖類與太古宇片麻巖類、麻粒巖類以及混合巖等變質(zhì)巖系磁性相比較，差異不大。

巖漿巖有火山巖和侵入巖兩類，具有較強(qiáng)的磁性，但其磁性變化較大。巖漿巖與圍巖一般都有一定的磁性差異。其中火山巖以基性玄武巖磁性最強(qiáng)，其次為中性安山巖，酸性、堿性巖體磁性較弱。侵入巖從超基性、基性、中性、酸性、堿性，其磁性依次由強(qiáng)到弱變化。一般基性、超基性巖磁性較強(qiáng)，以感磁為主；酸性花崗巖及堿性斑巖等，磁性一般不高，古老花崗巖基本無磁性。

2.3 電性特征

工作區(qū)地層總的電性特征表現(xiàn)為：松散的新生界為相對(duì)低阻，凹陷區(qū)的中生界低阻，基巖型的古生界和中新元古界為相對(duì)高阻。電阻率分布具有分層特征，主要存在六個(gè)電性層。各層電性存在不均勻性，如受新生界明化鎮(zhèn)上段高阻特征影響，淺部整體表現(xiàn)為相對(duì)高阻的特征。此外受局部地質(zhì)體含水（熱水）及低阻層屏蔽等影響會(huì)存在局部的電性異常。

3 重磁電聯(lián)合反演

表1 天津及其鄰區(qū)地層綜合物性統(tǒng)計(jì)表Table 1 Comprehensive physical properties of the strata in Tianjin and its neighboring areas

重磁電聯(lián)合反演是應(yīng)用重磁電資料，在地質(zhì)鉆井物性地震資料約束下，綜合應(yīng)用多種類型的數(shù)據(jù)信息，使重磁電地球物理場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)模擬和主觀解釋都達(dá)到最佳逼近，得到最終的密度磁性電性參數(shù)有機(jī)統(tǒng)一的地質(zhì)－地球物理模型，從而對(duì)地下地質(zhì)情況做出更加客觀合理的解釋。聯(lián)合反演過程中不

能唯擬合觀測(cè)資料論，過度追求對(duì)觀測(cè)資料的逼近，要對(duì)本地區(qū)的構(gòu)造發(fā)育情況、巖性及地層形成明確的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，使模型的建立和修改具有明確的地質(zhì)含義，使用合理的物性參數(shù)，最終獲得具有地質(zhì)意義的最佳模型。

3.1 重磁電聯(lián)合反演的思路和方法

聯(lián)合反演的總體思路為首先進(jìn)行電法帶地形的連續(xù)介質(zhì)二維反演，以其反演成果結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)建立聯(lián)合反演的初始地質(zhì)模型（包含地層分布與埋深斷裂構(gòu)造等），輸入密度磁性參數(shù)，正演計(jì)算理論重磁力異常;不斷修改地質(zhì)模型，使正演計(jì)算的理論重磁力曲線和實(shí)測(cè)的曲線擬合到最佳;將最佳擬合得到的地質(zhì)模型和電法二維反演結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，考慮模型的地質(zhì)含義，并修改電性層模型和反演參數(shù)，重新進(jìn)行更加細(xì)致的二維反演解釋;不斷重復(fù)上述處理過程，使地質(zhì)－地球物理模型與重磁電實(shí)測(cè)資料達(dá)到有機(jī)統(tǒng)一，逐漸逼近客觀唯一解，確定最終的地質(zhì)解釋結(jié)果[1]。重磁電聯(lián)合反演流程如圖1。

3.2 重磁電聯(lián)合反演過程

電法建模反演中，以物性資料研究確定的六個(gè)電阻率高低層劃分各地層界面，反演過程以電阻率物性成果和鉆井資料為約束條件，確保地質(zhì)模型的合理性。電法反演以二維方法為主，嘗試包括快速松弛及非線性共軛梯度法等多種反演方法。

獲得二維反演成果后，以電阻率等值線密集的垂向高低阻過渡帶和相位低值異常的垂向錯(cuò)位確定斷裂分布及特征，同時(shí)充分利用重磁一階、二階導(dǎo)數(shù)對(duì)斷裂構(gòu)造的指示作用，建立包含斷裂位置、地層信息的初始地質(zhì)模型。根據(jù)地層和巖石的密度磁性資料輸入地層或巖石的物性參數(shù)，建立初始地質(zhì)-地球物理模型。

以建立的初始地質(zhì)－地球物理模型為正演計(jì)算的初始模型，按物性分別賦于1.74～2.94 g/cm3的密度值及0～1000×10-6SI的磁化率，使用RGIS2010軟件正演計(jì)算理論重磁力異常曲線，比較實(shí)測(cè)重磁曲線和計(jì)算結(jié)果，計(jì)算二者之間的差異和模型修改參數(shù)，修改模型參數(shù)后重新計(jì)算，經(jīng)多次反復(fù)后使正演計(jì)算成果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到最佳擬合。以此時(shí)得到的地質(zhì)模型及其參數(shù)與電法二維反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算得到電性模型修改參數(shù)對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行修改，重啟建模反演過程。經(jīng)過多次的反饋計(jì)算，使得電法反演結(jié)果與最終的地質(zhì)地球物理模型一致，獲得最終地質(zhì)－地球物理模型。通過聯(lián)合反演計(jì)算過程最大程度的消除了解釋的多解性，又避免了重磁電單一解釋誤區(qū)，使最終的地質(zhì)解釋結(jié)果與重磁電實(shí)測(cè)資料達(dá)到統(tǒng)一，獲得最真實(shí)的地質(zhì)成果。

聯(lián)合反演過程中，進(jìn)行模型修改時(shí)要注重分析模型的地質(zhì)含義，使得模型的更新富有地質(zhì)意義而非簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理。物性資料表明，本區(qū)主要斷裂構(gòu)造的兩側(cè)重磁差異明顯，增加了建模反演的準(zhǔn)確性。通過實(shí)測(cè)剖面的處理，重磁計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線擬合結(jié)果良好，經(jīng)修正后的電法地質(zhì)模型同時(shí)達(dá)到了電法實(shí)測(cè)資料的最佳擬合，達(dá)到了重磁電聯(lián)合反演的目的。

圖1 重磁電聯(lián)合反演流程圖Fig.1 Gravity-magnetic-magnetotelluric joint inversion flowchart

4 聯(lián)合反演解釋成果

4.1 斷裂與構(gòu)造

天津地區(qū)主要構(gòu)造單元的控制斷裂以北東走向?yàn)橹鱗10]，整體上表現(xiàn)為NE向一系列隆坳相間的地質(zhì)單元組合，在布格重力異常圖中的重力高低存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。航磁△T異常也表現(xiàn)為東西向高、低相間的磁異常展布特征，為磁性基底起伏變化的反映。構(gòu)造單元間的邊界斷裂在電法剖面結(jié)果中表現(xiàn)為電阻率等值線高低值過渡帶和相位等值線低值的垂向錯(cuò)位，重力、磁力異常表現(xiàn)為明顯的梯級(jí)帶。

結(jié)合地質(zhì)及面積性重磁資料對(duì)實(shí)測(cè)的重磁電長剖面揭示的斷裂構(gòu)造及地層分布進(jìn)行了解釋，如圖2所示，剖面的40 km和72 km處存在電性梯度帶，同

時(shí)為重磁曲線的拐點(diǎn)位置，分別為發(fā)育的楊柳青斷裂、滄東斷裂的證據(jù)，其將研究區(qū)劃分為坳隆相間的三個(gè)主要構(gòu)造單元。楊柳青斷裂西北側(cè)表現(xiàn)為凹陷特征，中生界發(fā)育較厚，而其東南側(cè)未見中生界，表現(xiàn)為隆起區(qū)特征，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識(shí)西側(cè)為冀中坳陷單元中的武清凹陷，東側(cè)為滄縣隆起。滄東斷裂東側(cè)有中生界存在，綜合推測(cè)為黃驊坳陷中的北塘凹陷，驗(yàn)證了本區(qū)“兩坳一隆”的塊體結(jié)構(gòu)。楊柳青斷裂、滄東斷裂最早生成于古生代，控制了中生界的分布及沉積。在坳隆相間的次級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)部發(fā)育多個(gè)次級(jí)斷裂，均以正斷層為主，如宜興埠斷裂、天津斷裂、河西務(wù)斷裂等共同構(gòu)成了天津地區(qū)的構(gòu)造體系。

結(jié)合面積性重磁資料推斷[11]，剖面揭示的前中古生界基底起伏變化大，武清凹陷內(nèi)部的基底埋深最大，大部分超過3300 m，局部超過6000 m，向東經(jīng)楊村斜坡埋深逐漸減小，凹陷中部較深處存在一定規(guī)模的基底隆起。滄縣隆起整體埋深較淺、大成凸起和潘莊凸起上埋深部約2000 m，但天津斷裂控制的凹槽部分存在局部增大的特點(diǎn)。北塘凹陷內(nèi)基底埋深再次變大，均超過3500 m，最深部位于北塘主凹陷的中心。前中古生界基底的起伏與全區(qū)整體構(gòu)造格架對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。其埋深的突變部位也是邊界控制斷裂及次級(jí)斷裂的位置。

4.2 地層分布特征

結(jié)合密度界面成果對(duì)剖面穿越地區(qū)的地層進(jìn)行推斷。第四系密度界面完整，表明第四系普遍發(fā)育，地層表現(xiàn)出明顯的分區(qū)特點(diǎn)。滄縣隆起上的前中生界界面不連續(xù)，表明新近系直接覆蓋在古生界之上，整體缺失古近系及中生界，局部缺失上古生界，表明在古生界之后，整體處于隆升剝蝕階段。新近系地層厚度受凹陷形態(tài)控制，在主凹陷部分最厚，向東、西兩側(cè)均逐漸變薄。

圖2 長剖面重磁電聯(lián)合反演綜合地質(zhì)解釋成果圖Fig.2 Integrated geological interpretation results of the long profile using gravity-magnetic-magnetotelluric joint inversion method

北塘凹陷及武清凹陷地層比較完整[12]，第四系至古生界均有分布，其中局部缺失上古生界。武清凹陷中沉積了巨厚的中生界，局部超過5000 m，相比之下北塘凹陷中的中生界厚度基本在2000～3000 m，

凹陷內(nèi)的古近系厚度變化較大。

5 結(jié)論

重磁電勘探因其周期短、費(fèi)用低及信息量大等優(yōu)點(diǎn)，在天津基巖構(gòu)造研究中發(fā)揮了重要的作用。通過對(duì)重磁電長剖面進(jìn)行的聯(lián)合反演處理，其成果驗(yàn)證了天津地區(qū)自西向東相間分布的冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊凹陷，即“兩坳一隆”的基本構(gòu)造格架，并對(duì)各構(gòu)造單元的邊界控制斷裂進(jìn)行了準(zhǔn)確的定位，確定了楊柳青斷裂及滄東斷裂的規(guī)模及產(chǎn)狀。聯(lián)合反演結(jié)果對(duì)各塊體單元內(nèi)部的次級(jí)構(gòu)造進(jìn)行了細(xì)致的刻畫，并劃分了包括天津斷裂、楊村斜坡帶等在內(nèi)的斷裂構(gòu)造體系，并取得了主要地層的缺失及其在各單元內(nèi)部的分布特征，指出滄縣隆起內(nèi)部整體缺失古近系及中生界。應(yīng)用結(jié)果表明，以物性為基礎(chǔ)，以重磁電的聯(lián)合反演處理和解釋為手段的工作方法，大大消除了單一方法的多解性，取得了良好的效果。在聯(lián)合反演處理中，由物性資料建立的初始地質(zhì)-地球物理模型的選取是處理的基礎(chǔ)；在解釋過程中，綜合重磁電各方法的特征，結(jié)合地質(zhì)規(guī)律可解決基巖斷裂、地層等地質(zhì)問題，提高定量解釋的精度。本研究的工作流程、方法和取得的成果可供其它地區(qū)開展重磁電綜合勘探工程提供參考。

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Application of Gravity-Magnetic-Resistivity Joint Inversion on the Research of the Bedrock Geological Structure in Tianjin Area

MAWei，LI Shi-bin，XU Xin-xue，ZHENG Jun，ZHAO Hong-peng，LI Hua-qiang
(Tianjin Center of Geophysical Prospecting，Tianjin 300170，China)

Base on the research of the comprehensive physical properties of the strata and rocks in Tianjin area，the authors treat the field gravity and magnetotelluric(MT)data along a profile cross Tianjin using the gravity-magnetic-magnetotelluric joint inversion method.A comprehensive interpretation about Tianjin bedrock geological structure features is conducted including major formation about the fault,strata and concealed rock characteristic.It is suggested that the joint inversion method has a good effect in terms of overcoming the geophysical multiple solutions and improving the accuracy of quantitative interpretation.Through application examples, the authors also describe an examp of comprehensive analysis and interpretation of gravity-magnetic-magnetotelluric methods，providing a reference for other regions doing the bedrock geological structure research.

Joint inversion of Gravity-Magnetic-Magnetotelluric;structure;stratigraphy;quantitative interpretation；Tianjin

P631.1;P631.2;P631.3

A

1672－4135（2014）03－0212-05

2014-05-24

中國地質(zhì)調(diào)查局與天津市國土房管局合作

天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查與區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（1212011220232）

馬為(1981-),男，碩士,工程師，2007年畢業(yè)于中國地震局地質(zhì)研究所固體地球物理專業(yè)，主要從事地球物理電（磁）法勘探工作，Email:mawei13@hotmail.com。