2.5D人机交互约束反演在区域地质调查中的应用<br/>——以宁夏灵武地区为例

2.5D人机交互约束反演在区域地质调查中的应用
——以宁夏灵武地区为例

2020-12-30李宁生虎新军陈晓晶陈涛涛赵福元

物探化探计算技术 2020年6期

仵阳, 李宁生, 虎新军, 杨斌, 陈晓晶, 陈涛涛, 赵福元

(宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院，银川 750001)

0 引言

2.5D人机交互反演是目前在重磁资料解释中较为常用的方法，它利用计算机可视化技术，在资料反演解释过程中将实测重磁异常曲线在计算机上始终以图形或图像形式显示，解释人员可以直接设定地质模型，实时地计算修改地质模型并将产生的重磁异常值与实际观测值进行比较，通过对地质模型不断调整，使重磁异常正演计算值与实际观测值的差值逐渐缩小以达到反演的目的[1-3]，最终利用重、磁场解释结果来研究深部地层结构、矿产等。

灵武地区位于宁夏北部，区域大地构造位置属鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带构造单元，以黄河断裂为界，以西为银川断陷盆地，以东为陶乐-彭阳冲断带[4]。前人的研究多集中于银川盆地内部及边缘构造体系划分、深浅部构造关系分析、地质构造演化等方面[5-8]，这些研究成果基本厘清了银川盆地深部地层的结构特征及基底起伏形态，但涉及到陶乐—彭阳冲断带的浅部地层结构研究较少，且已有成果资料多为小比例尺的区域地质调查资料和煤矿区地质调查报告，存在着水平方向上分布不均，垂直方向上控制过浅的问题。笔者利用2.5D人机交互约束反演技术大致查明了工作区深度2 km内地层结构，并查明主要断裂的位置及赋存特征。

1 地质概况

区内出露地层自老而新有三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系(图1)，从区域石油钻孔揭露地层看，本区泥盆、志留系地层缺失。黄河断裂展布于灵武东山西麓一带的山地与第四纪洪积扇之间，为北北东向或近南北向的断面西倾的正断层。断层东盘为白垩系，西盘为古近纪—新近纪地层。深反射地震结果显示,黄河断裂为银川断陷盆地和鄂尔多斯台地的分界断裂，也是一条切穿Moho界面的深大断裂，其活动时代为晚更新世末期到全新世初期[9]。除黄河断裂外，区内前第四纪构造形迹大多隐于地下，地表所能直接观察到的露头极少，故很大程度上只能利用钻探、物探等手段所获得深部资料。

本次工作共布设了2条可控源音频大地电磁测深(简称CSAMT)剖面，全长为95 km，点距为500 m(图1)。

2 地球物理背景

2.1 物性特征

据区域岩石密度测定结果(表1)，整体上地层密度值随年代由老至新相应地由大变小，密度最大为古生界奥陶系，均值为2.67 g/cm3，密度最小为新近系，均值为1.73 g/cm3；从地层分布上看，银川盆地内新生界不整合于奥陶系于之上，具有0.6 g/cm3～0.9 g/cm3密度差，陶乐—彭阳冲断带内新生界不整合于中生界或更老地层之上，具有0.4 g/cm3以上的密度差。另外，第四系密度变化较大，主要受物源沉积层影响较大，表现为近物源沉积层密度大于远物源沉积层，即洪积层>冲积层≥风积层>湖积层。

图1 工作区地质概况Fig.1 Geological overview of the work area

表1 区域地层密度统计

图2 工作区剩余布格重力异常Fig.2 Residual bouguer gravity anomaly in the working area

表2 鄂尔多斯西缘地层电性特征

表3 工作区出露地层电性测定

图3 LW1线二维地震时间剖面Fig.3 2D seismic time section of LW1 line

区域上寒武纪-第四纪时期地层电阻率值存在一定的电性差异(表2)，新生界、侏罗系-三叠系为两套低阻层，中间夹有白垩系高阻层，石炭-二叠系及以下盖层的电阻率逐渐增高[10]，尤其是奥陶系电阻率最高，它是这一时期地层电阻率标志层。除收集到的电性资料，本次工作针对工作区出露的地层岩性采集到了部分露头的电性资料，从测定结果来看(表3)，新生界电阻率值相对较低，白垩系和三叠系电阻率值相对较高，侏罗系电阻率值居中。

2.2 重力场特征

本区剩余重力异常(图2)大致呈南北向或北东向展布。灵武东侧有一条南北走向的重力梯级带，该梯级带对应着黄河断裂，带两侧等值线分布较匀称，由西向东表现为重力负异常到正异常的变化，重力负异常明显为银川断陷盆地南部新生界盖层引起的，重力极值点处附近为银川盆地内局部的沉积中心，重力正异常为下古生界上隆引起的。陶乐-彭阳冲断带内剩余重力异常表现为明显的叠加异常特征，异常幅值大小主要受新生界的沉积厚度及中生界、古生界隆起等因素综合影响。

图4 Ⅰ线综合解释断面Fig.4 Comprehensive interpretation section of line I(a)I线地质简图;(b)I线二维NLCG反演断面;(c)I线剩余布格重力异常剖面;(d)I线综合地质解释断面

图5 Ⅱ线综合解释断面Fig.5 Comprehensive interpretation section of line Ⅱ(a)Ⅱ线地质简图;(b)Ⅱ线二维NLCG反演断面;(c)Ⅱ线剩余布格重力异常剖面;(d)Ⅱ线综合地质解释断面

3 2.5D人机交互反演处理过程

本次重力2.5D人机交互约束反演，采用Geo-IPAS V3.2软件的二度半重磁剖面联合正反演程序模块，数据准备及反演处理过程如下：

1)采用成都理工大学研发的MTSoft2D V2.3版本软件，对CSAMT原始数据依次进行剔除坏点、圆滑、近场校正、静态校正处理后，进行带地形非线性共轭梯度二维反演(NLCG)，以此得到的反演结果作为约束条件之一。

2)依据宁夏区域地质志划分的陶乐-横山堡区域单元构造格架，并结合已有二维地震LW1线解释结果(图3)、CSAMT电性剖面(图4(b)、图5(b))作为约束条件建立较为合理的初始地层结构模型。

3)利用多边形截面棱柱体重磁正演公式，预先假设背景场的密度设为地壳平均密度为2.67 g/cm3，通过给初始模型赋密度参数，正演计算出剩余重力异常理论曲线，然后与实测异常曲线进行对比，不断修改模型、密度值，使理论曲线与实测曲线拟合，从而达到解释重力异常的目的[11-12]。

4 综合解释推断

银川断陷盆地是在喜马拉雅期盆地东、西两侧北北东向断裂右行走滑拉分作用下形成的，至今仍有构造活动[4]。区内地表第四系广布，巨厚新生界不整合于奥陶系之上，第四系、新近系、古近系连续沉积。二维地震时间剖面(图3)纵向上分层特征明显，清晰地显示了盆地内新生界内有两组反射波，上部为第四系底部反射波，第四系与下伏新近系呈平行整合接触，下部为古近系顶部反射波，新近系与下伏古近系呈角度不整合接触，这两组反射波能量相对较强，大部可连续追踪。综合剖面上(图4、图5)新生界明显呈相对低阻、低剩余重力特征，上覆第四系电阻率值高于下伏新近-古近系，通过重力剖面正演计算，新生界厚度可达2 000 m以上。盆地基底为奥陶系，具高阻特征，电阻率值大于100 Ω·m。

黄河断裂(F4)为银川盆地与陶乐-彭阳冲断带的分界断裂，区内(图1)为一条近南北向展布断面西倾的正断层。二维地震时间剖面(图3)上黄河断裂由3条同向发育的正断层(F4-1、F4-2、F4-3)组成，断层两侧反射波同相轴出现了明显的错断。综合剖面上(图4、图5)，F4断层表现为由低阻向中高阻、重力低向重力高变化的过渡带特征。XF1、XF2、XF3、XF11断层为银川断陷盆地内发育的一系列隐伏正断层，在电性剖面上表现为电阻率等值线收缩，以XF11、XF1、F4断层为界，盆地内部形成了局部的小的地堑构造。

陶乐-彭阳冲断带是在 “白垩纪前陆盆地”受到东西向强烈的构造挤压而整体抬升下，在盆地西缘形成的褶皱带[4]。对比银川断陷盆地，陶乐-彭阳冲断带内剩余重力异常明显增大，反映出该区下古生界上隆，褶皱构造发育的地质背景。综合剖面上XF7断层具有明显的电性、重力梯度带特征。区域钻孔资料揭示XF7断层以西地下缺失侏罗系、三叠系，新生界直接不整合于二叠系之上。综合分析认为，以XF7断层为界可以划分两种地层结构。

XF7断层以西，地层结构表现为两层特征：上覆白垩系或更新地层直接不整合于下伏古生界地层之上。白垩系呈中阻电性特征，新生界为中低阻电性特征，下古生界具中高阻电性特征。该区域主要分布着任家庄等石炭-二叠纪煤矿。

XF7断层以东，地层结构表现为三层特征：上覆第四系不整合于下伏中生界，中生界不整合于下伏古生界。上部第四系呈中高阻电性特征，中生界呈中低阻电性特征，下部古生界呈中高阻电性特征。该区域内发育诸多小型断层(XF8～XF17)，在电性剖面上或表现为电阻率过渡带特征，或表现为电阻率等值线收缩，断层性质为正断层、逆断层兼有，下切深度相对较浅。区内主要分布着灵新-羊场湾等侏罗纪煤矿。