文百紅，胡慶輝，張連群

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.山東省地質(zhì)勘查開發(fā)局 第四地質(zhì)大隊(duì)，山東 濰坊 261000；3.山東省地礦局 海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261000)

0 引言

重磁位場(chǎng)中包含地質(zhì)體的形態(tài)和物性分布信息，通過物性反演可以獲得地質(zhì)體的分布特征，但存在明顯的多解性[1]。重磁位場(chǎng)向下延拓可以增強(qiáng)地下深部構(gòu)造和巖體的弱異常特征,減少重磁異常解釋的多解性[2]。由于重磁位場(chǎng)向下延拓不滿足拉普拉斯方程，即使下半空間無源，向下延拓的解也發(fā)散。因此，穩(wěn)定的向下延拓方法技術(shù)一直是地球物理學(xué)家研究和關(guān)注的重點(diǎn)[3-13]。P.Naidu等學(xué)者對(duì)不同深度隨機(jī)分布物性的位場(chǎng)波譜特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得出重磁異常的波譜特征與格林等效層的深度具有一種指數(shù)衰減特征[14-16]。

根據(jù)格林等效層原理，在研究重磁位場(chǎng)逐層分離的基礎(chǔ)上，我們提出了一種逐層截頻優(yōu)化正則化下延成像[17-18]。該方法技術(shù)在四川盆地深層構(gòu)造識(shí)別和地質(zhì)解釋得到了初步的應(yīng)用，與地震解釋剖面和鉆井結(jié)果有良好的一致性[18]。

由于不同形態(tài)地質(zhì)體可能有相似的重磁異常，重磁位場(chǎng)下延成像也存在多解性。本文通過不同形體重磁位場(chǎng)波譜特征研究及模型試驗(yàn)分析，建立了地質(zhì)體的綜合形態(tài)參數(shù)與其波譜形態(tài)校正系數(shù)的回歸方程，提出了由綜合形態(tài)參數(shù)和波譜形態(tài)校正系數(shù)確定的形態(tài)濾波因子。對(duì)35組不同形態(tài)地質(zhì)體的重磁位場(chǎng)的形態(tài)濾波后逐層優(yōu)化正則化下延成像，明顯提高地質(zhì)體中心深度的歸位精度。在川西楓順場(chǎng)的重磁位場(chǎng)下延成像結(jié)果證實(shí)了形態(tài)校正方法技術(shù)的可行性和有效性。

1 基本形狀地質(zhì)體重磁位場(chǎng)波譜特征

ΔGsp(u,v)=2πGmσe-rh，

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(2)

(3)

(4)

其中：ΔGsp(u,v),ΔGvc(u,v),ΔGhr(u,v),ΔGvr(u,v)分別為球體、垂直圓柱體、水平方塊體和垂直棱柱體相應(yīng)的重力異常振幅譜，mσ，ml為地質(zhì)體的剩余質(zhì)量和垂向單位長(zhǎng)度的剩余質(zhì)量。mσ=ml(h2-h1)。

圖1展示了這4種形態(tài)地質(zhì)體的中心剖面的振幅譜及包絡(luò)面的基本特征。不同形態(tài)地質(zhì)體對(duì)重力異常振幅譜的影響主要表現(xiàn)在指數(shù)衰減的形式和快慢特征上。水平方塊體和垂直棱柱體的振幅譜包絡(luò)特征與球體的振幅譜特征具有一定的相似性。球體振幅譜具有最嚴(yán)格的指數(shù)衰減形式；由于厚度小于球體半徑，垂直圓柱體振幅譜略小于球體振幅譜；由于x和y方向水平尺度的影響，水平方塊體和垂直棱柱體的振幅譜具有類似的周期變化特征，但波譜包絡(luò)面強(qiáng)度隨波數(shù)增加而指數(shù)衰減。

圖1 典型形體重力異常中心剖面振幅譜特征

EVΔG(u,v)=2πGmσe-rh(1-P0e-rFP)，

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研究表明，當(dāng)P0→0時(shí)，EVΔG(u,v)趨于球體(點(diǎn)源)重力異常振幅譜特征；當(dāng)00.25時(shí)，EVΔG(u,v)趨于棱柱狀體重力異常波譜特征。

圖2a為頂部深度h1=5.0 km、厚度h2-h1=1 km，寬度2a=2b=11 km，密度差為0.1×103kg/m3的水平方塊體的重力異常，虛線白框?yàn)殚L(zhǎng)方體薄板的邊界位置。通過直接逐層優(yōu)化下延成像(圖2b)和形態(tài)濾波后逐層優(yōu)化下延成像(圖2c)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直接逐層下延異常中心位置與長(zhǎng)方體薄板模型中心位置存在明顯偏差(偏深)；經(jīng)過形態(tài)參數(shù)(FP=4.84 km,P0=0.288)校正后的逐層下延異常中心位置與模型中心位置一致性很好；15 km以下弱異常為有效長(zhǎng)度剖面的截頻效應(yīng)，通過插值切割法[20]消除低頻背景影響后可以改善下延成像效果。

a—重力異常；b—直接下延成像剖面；c—形態(tài)濾波后下延成像剖面

對(duì)于地磁場(chǎng)也有類似的情況，若考慮化到磁極的垂直磁場(chǎng)ΔZ，MZ為地質(zhì)體的總磁矩，則不同形態(tài)的垂直磁場(chǎng)頻譜包絡(luò)函數(shù)可統(tǒng)一表示為

EVΔZ(u,v)=2πMZre-rh(1-P0e-rFP),

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垂直磁場(chǎng)頻譜包絡(luò)函數(shù)具有自己相應(yīng)的變化規(guī)律。

2 重磁波譜形狀校正方法

通過對(duì)不同頂?shù)咨疃燃安煌匠叨鹊?5個(gè)長(zhǎng)方體重力異常的逐層優(yōu)化正則化下延成像結(jié)果的反復(fù)試算對(duì)比，優(yōu)選出成像中心深度和形態(tài)特征與模型參數(shù)相近的35組形態(tài)校正參數(shù)。圖3為綜合形態(tài)參數(shù)FP與形態(tài)校正系數(shù)P0的交會(huì)圖。通過回歸分析得到相應(yīng)的回歸方程

圖3 形態(tài)參數(shù)回歸分析

P0=0.052ln(FP)+0.206。

(7)

圖4 不同形態(tài)水平長(zhǎng)方體重力場(chǎng)下延成像

3 應(yīng)用實(shí)例

為測(cè)試形態(tài)校正方法的適用性，選擇了川西北山前構(gòu)造帶覆蓋16FSC02號(hào)束線地震的重磁實(shí)測(cè)資料(圖5)開展重磁下延成像試驗(yàn)應(yīng)用。

圖5 楓順場(chǎng)地區(qū)重磁電勘探部署示意

工區(qū)位于川西北劍閣與江油之間，區(qū)內(nèi)交通便利。地形西北高、東南低，山地約占90%，地表高程在500～3 000 m之間。植被覆蓋率達(dá)90%以上，有白龍江、清水河等河流穿過。野外重磁測(cè)量質(zhì)檢均方誤差分別為±0.04 mGal和±1.2 nT，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

由于研究區(qū)內(nèi)地形起伏嚴(yán)重，首先對(duì)原始重力數(shù)據(jù)進(jìn)行“曲化平”處理，并通過波譜結(jié)構(gòu)分析去除區(qū)域背景。對(duì)實(shí)測(cè)地磁異常也進(jìn)行了進(jìn)行“曲化平”處理和化到磁極，并計(jì)算磁源重力異常。

a—重力成像剖面;b—地震解釋剖面;c—磁場(chǎng)成像剖面;d—密度測(cè)井曲線;e—剖面位置

對(duì)比圖6b可見，在0～11 km下延成像重磁異常與地震構(gòu)造形態(tài)及地層斷裂分布特征具有良好的一致性。盡管下延重磁異常特征存在一定的差異，但在11 km左右的前寒武紀(jì)基底頂部構(gòu)造形態(tài)上基本對(duì)應(yīng)，在17 km左右均有明顯的異常特征變化，對(duì)應(yīng)前寒武系內(nèi)構(gòu)造層，值得關(guān)注和進(jìn)一步研究。對(duì)比圖6d可見，下延重力異常與密度測(cè)井曲線高低基本一致，說明下延重力異常值大小在一定程度上反映了地質(zhì)體的密度變化特征。因此，形態(tài)校正后的重磁下延成像結(jié)果可作為大套地層層位和區(qū)域構(gòu)造界限劃分的參考依據(jù)，這為深層構(gòu)造地質(zhì)研究提供了新的地球物理技術(shù)支持。

4 結(jié)論

通過4種基本形體重力場(chǎng)波譜特征對(duì)比和35個(gè)模型試算分析，建立了綜合形態(tài)參數(shù)FP與波譜形態(tài)校正系數(shù)P0的回歸方程，定義了形態(tài)濾波因子BH(u,v)，提出了針對(duì)不同形狀地質(zhì)體的形態(tài)校正方法技術(shù)：利用地震構(gòu)造確定綜合形態(tài)參數(shù)FP，由回歸方程確定形態(tài)校正系數(shù)P0，構(gòu)建形態(tài)濾波因子BH(u,v)，開展帶形態(tài)濾波因子的逐層截頻優(yōu)化正則化下延成像。通過對(duì)川西北16FSC02號(hào)束線地震剖面的重磁實(shí)測(cè)資料下延成像試驗(yàn)應(yīng)用，初步證實(shí)了上述形狀校正方法技術(shù)的可行性和有效性，為復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的重磁下延成像提供了新的技術(shù)手段。

致謝本文得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“超深層重磁電弱信號(hào)高精度采集處理技術(shù)”(2016YFC0601102)和“重磁電震約束與聯(lián)合反演技術(shù)”(2016YFC0601104)的聯(lián)合資助。