基于地球物理深部信息的三维地质结构模型

杨 勇，赵银鑫，马玉学

（宁夏回族自治区基础地质调查院，宁夏银川 750021）

地球物理技术是利用仪器设备获取地球中深部信息、划分地质结构的主要手段之一，在综合地质调查中广泛运用，并取得了较好的效果。以往地球物理成果主要以二维断面图来表达，近年来随着三维地质建模技术的发展成熟，三维立体成果已广泛应用于地质调查项目中[1]。利用地球物理深部信息构建地下一定深度的立体结构模型[2]，能够直观地对深部结构进行认识和了解。

基于“永宁县幅、梧桐树幅、横山堡幅（宁夏境内）1∶5 万综合地质调查”项目，本文以调查区为研究范围，利用音频大地电磁测深剖面，结合已有研究成果，分析解译研究区2 km 以浅的地层结构特征，并基于GMS 软件平台构建了研究区三维地质模型。

1 研究区概况

1.1 地质概况

研究区大地构造位置属于柴达木—华北板块中部，华北陆块之鄂尔多斯地块，鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带，陶乐—彭阳冲断带和银川断陷盆地，其地质结构、边界特征在一定程度上受裂陷带这一独特的构造带位置制约和影响[3]。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。

研究区地表出露地层主要为第四系、新近系和古近系，见图1。银川断陷盆地被巨厚的新生界所覆盖，第四系厚度在永宁县一带超过800 m，第四系之下主要为新近系和古近系，结合已有钻孔资料、重力解译成果可知，该地区新生界厚度最深可达6 km。陶乐—彭阳冲断带地表出露地层以新生界和中生界为主，根据该地区钻孔揭露情况，区内地层自老至新有奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系、古近系、新近系和第四系。

图1 研究区地质概况图

1.2 电性参数

研究区银川盆地和陶乐—彭阳冲断带2 个构造单元地质结构迥异，其垂向电性结构也存在明显差异，因此在充分收集银川盆地和陶乐—彭阳冲断带已有水文测井数据和邻区物性标本测量结果后，对两个构造单元的物性进行统计和分析，见表1。

表1 研究区主要地层的电性特征

黄河断裂以西的银川盆地，西段对应为贺兰山洪积倾斜平原区，其地层岩性主要为粗粒相的块石、漂砾、砂砾石，该段表现为明显的高阻特征，电阻率一般在100～500 Ω·m 之间；东段属河湖积平原区，第四系厚度较大，最厚处位于永宁县一带，厚度达800 m，其地层岩性主要为细砂、粉细砂夹砂黏土层，地层电阻率差异一般在10～50 Ω·m 之间；第四系之下为新近系和古近系泥岩地层，电阻率一般小于15 Ω·m。

黄河断裂以东的陶乐—彭阳冲断带、马鞍山地区地表主要以白垩系砂岩为主，电阻率一般大于100 Ω·m。马鞍山以东为宁东地区，新生界、中生界和古生界均有不同程度的发育。浅表多出露第四系风积沙层，厚度较薄，电阻率一般大于100 Ω·m；古近系厚度一般在100～200 m，岩性以泥岩为主，电阻率一般小于15 Ω·m。新生界之下为中生界和古生界，根据已有钻孔揭露情况，探测深度内分别为二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系，由浅入深电阻率逐步抬升。

2 探测方法及技术参数

2.1 方法原理

深部信息的数据获取采用了音频大地电磁测深法，该方法基于频率域大地电磁测深原理，以天然交变电磁场为场源，利用电磁波在地下介质中传播时产生的电磁感应效应，通过研究地下介质对天然电磁场的频率响应，获取地下不同深度介质电阻率分布信息[4]。

2.2 方法技术

仪器采用EH-4 电导率成像仪，测深点点距为500 m。采用GPS 差分定位方式测定点位，平面坐标精度在±10 m 以内，点距为500 m。在人文干扰较大的地段对测点进行了适当偏移，横向偏差不大于400 m。

2.3 主要参数

根据大地电阻率及探测深度初步估算，结合参数试验，确定工作采样频段为0.1～10 kHz，测量方式为标量测量，电偶极距为60 m，有效探测深度约2 000 m。

3 电性结构及剖面成果解译

3.1 Ⅰ-Ⅰ′剖面成果

由Ⅰ-Ⅰ′剖面视电阻率等值线及推断解译成果图（图2）可以看出，剖面由西向东电性差异明显，分别反映了银川断陷盆地和陶乐—彭阳冲断带的电性结构。

图2 Ⅰ-Ⅰ′剖面视电阻率等值线及推断解译成果图

银川断陷盆地除局部地段存在“透镜状”高阻异常区外，自上而下总体表现为相对低阻特征，电性曲线多呈D 型、KH 型曲线。浅部“透镜状”高阻异常埋深在200～380 m 之间，视电阻率在40～100 Ω·m之间，主要为山前洪积砂砾石层的反映。砂砾石层之下地层视电阻率小于15 Ω·m，对应新近系泥岩、粉砂质泥岩。从银川盆地整体电性结构特征分析，该段第四系由西向东厚度逐渐变大，在永宁县一带厚度可达800 m。第四系之下为新近系，厚度大于1 500 m。

陶乐—彭阳冲断带电性单元分为两个次一级的电性单元，即马鞍山电性单元和宁东电性单元。马鞍山电性单元曲线类型多呈H 型，由浅入深呈高—低—高三元电性结构。结合地质背景分析，对成果进行推断解译，初步认为浅部高阻层为白垩系砂岩夹砾石层的反映，厚度约1 000 m；白垩系之下对应二叠系和石炭系，厚度在850 m 左右；深部高阻层隆起主要对应奥陶系。宁东电性单元不考虑浅部电性不均，基本呈上低下高二元电性结构。该段浅部为第四系黄土、风积沙层，之下为古近系，厚度一般在200 m 左右，深部电阻率逐步抬升，主要反映了中生界和古生界的隆升。

3.2 Ⅱ-Ⅱ′剖面成果

Ⅱ-Ⅱ′剖面与Ⅰ-Ⅰ′剖面电性结构基本一致，视电阻率等值线及推断解译成果图（图3）显示，银川盆地电性单元中，贺兰山洪积倾斜平原区浅部主要以洪积砂砾石层为主，为明显的高阻特征，厚度由西向东逐渐增厚，一般在100～400 m 之间。而河湖积平原区浅部第四系岩性以粉细砂、砂黏土为主，电阻率在15 Ω·m 左右，厚度最深达700 m。第四系之下为新近系和古近系泥岩，靠近陶乐—彭阳冲断带，盆地深部存在电阻率抬升现象，推断可能为白垩系隆起。

图3 Ⅱ-Ⅱ′剖面视电阻率等值线及推断解译成果图

陶乐—彭阳冲断带电性单元可以分为马鞍山电性单元和宁东地区电性单元。马鞍山电性单元与上述Ⅰ-Ⅰ′剖面基本一致，自上而下呈高—低—高三元电性结构，浅部存在较大厚度的高阻体，厚度约为300 m，主要为白垩系砂砾岩的反映。白垩系之下的低阻层电阻率在15～30 Ω·m 之间，推测可能为二叠系和石炭系的反映，厚度由西向东逐步变薄。深部电阻率逐渐抬升，主要为前奥陶纪地层的反映。宁东地区电性单元位于剖面的东段，不考虑浅表电性不均的影响，曲线类型多呈AA 型，表现为电阻率由低到高。结合区域钻孔资料，经对比分析，浅部150 m深度内电阻率小于15 Ω·m，主要对应为古近系泥岩地层。下伏地层电阻率变化范围为10～30 Ω·m，主要对应古生界，总厚度为900 m。1 050 m 深度呈明显的高阻抬升，推测其对应前奥陶纪地层。

4 三维结构模型构建

三维地质模型构建是利用计算机技术，将空间分析、图形数字化、图形可视化等工具结合起来，进行地质研究的三维空间模拟技术[5]。本文以研究区为模型构建的限定范围，基于研究区音频大地电磁测深所获取的2 km 以浅的深部电性结构和地质解译成果，依据工作区地质构造特点，按一定距离提取单点地层结构作为虚拟钻孔数据，导入软件borehole data 模块后，连接地质剖面，并利用solids 模块完成三维地质模型的构建。

本文利用2 条剖面成果提取了181 个虚拟孔数据（图4）。其中，在银川盆地提取96 个虚拟孔数据，2 km 以浅分为第四系和新近系2 层；在陶乐—彭阳冲断带提取85 个虚拟孔数据，2 km 以浅自上而下分为第四系、新近系-古近系、白垩系、三叠系、二叠系-石炭系、奥陶系、寒武系7 层（图5）。

图4 利用音频大地电磁测深剖面提取的虚拟钻孔位置

图5 利用虚拟钻孔数据构建的立体剖面

为了直观地了解不同位置的垂向地层分布情况，对所构建的研究区三维地质结构（图6）提取了三维切面图，并沿东西向、南北向进行了提取（图7），以便其他相关人员了解任何一个位置的地层分布情况。

图6 研究区三维地质模型

图7 研究区不同位置三维切面图

5 结论

（1）通过东西向分布的两条音频大地电磁测深剖面，获取了研究区地下2 km 深度内的电性结构。结合已有研究成果及认识，较为精细地分析解译了研究区的深部地层结构。

（2）基于GMS 软件平台，利用音频大地电磁测深解译成果，构建了研究区的三维地质模型。该模型相对传统二维成果剖面，能够直观地反映出研究区地下深部信息。