重磁对应分析在火山岩覆盖盆地识别沉积凹陷的应用——以大杨树盆地为例

陈 亮, 杨亚斌, 徐梦龙, 孙诚业

(1.中国地质调查局 地球物理中心，廊坊 065000； 2.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

通常沉积盆地的盖层密度明显低于盆地基底的密度，重力数据能有效地反应盆地基底起伏特征[1]。但在火山岩覆盖的油气盆地中，由于高密度的火山岩分布于沉积地层之中，使沉积盖层的密度分布变得相对复杂，直接利用区域重力数据进行基底界面起伏特征的识别变得十分困难。前人在火山岩盆地中尝试利用不同的技术手段对重磁资料开展处理：①提取局部磁异常来圈定火山岩分布范围，用功率谱估算法求取火山岩上顶埋深，并推广皮德逊(Pederson)理论求出磁性层的厚度[2-3]；②基于先验信息约束处理(如在地震资料确定火山岩形态的基础上开展正演计算)，剥离火山岩的重力异常来研究盆地的基底及结构[4-5]。但由于火山岩层对地震波具有强屏蔽效应，虽然近年来火山岩区地震勘探取得了一定的成效[6]，但地震资料对火山岩的识别仍存在较大的不确定性。磁源重力异常提出时间虽然较早，但大都用于定性分析中[7-12]。由于位于大兴安岭东北缘的大杨树盆地盖层中发育的火山岩具有埋藏浅、重磁同源的特征，笔者尝试利用重磁资料开展盆地基底的研究,主要步骤包括：①分离出浅层火山岩的磁异常;②采用磁源重力异常计算;③获取火山岩的重力异常;④消除火山岩影响后以及深部背景重力异常后获得剩余重力异常能够较好地反应了盆地基底的起伏特征。

图1 大杨树盆地中北部及周缘地质图Fig.1 Geological map of central and northern Dayangshu basin and its periphery

1 大杨树盆地地质概况

大杨树盆地是大兴安岭褶皱带内的一个北北东向位于松辽盆地西部外围，在前侏罗纪基底上发展起来的晚中生代残留盆地。大兴安岭断裂带对大杨树盆地的岩浆活动具有明显地控制作用。大杨树盆地被火山岩覆盖，在火山岩之下发育有沉积岩和火山岩间互地层。大杨树盆地基底以上主要发育白垩系甘河组(K3g)、白垩系九峰山组(K1j)和龙江组(J1l)三套含火山岩地层(图1)，火山岩类型多样 ,主要为安山岩、玄武岩、粗面安山岩和英安岩,其次为流纹岩、玄武质粗面安山岩和玄武安山岩[21]。甘河组火山岩极为发育,以玄武岩、安山玄武岩为主，甘河组上覆地层零星出露且不含火山岩。甘河组下伏地层九峰山组上部为一套含煤地层基泥岩层，下部为中基性熔岩、火山碎屑岩夹沉积岩。龙江组上部为中酸性火山熔岩夹火山碎屑岩和沉积岩，下部为中性熔岩夹碎屑岩，基底主要为花岗岩和二叠系及前二叠系变质岩组成。

图2 大杨树盆地中北部重磁相关分析R系数图Fig.2 R-coefficient of gravity and magnetic correlation analysis in the central and northern Dayangshu basin

2 物性特征分析

2.1 盆地火山岩物性基本特征

盆地内火山岩的重力、磁力异常受其岩性和分布的控制，有各自鲜明的特点。火山岩形成以后，其密度一般不随深度的增加而发生显著地变化，具有相对的稳定性，而沉积岩的密度不仅和岩性有关，同时随着深度的增加、压实作用加强，密度也逐渐增大[13]。火山岩在地表或近地表能形成局部重力高，当其分布范围较小时，重力异常能有效识别和提取，如果火山岩大范围发育或埋藏较深时，其异常叠加于背景重力场之中则难以识别和提取。

在火山岩磁化率方面，其大小与其所含的暗色矿物有关，总体上具有从基性岩到酸性岩逐渐减小的趋势(如玄武岩类大于安山岩类，安山岩类大于流纹岩类)。在地表或近地表的火山岩磁异常常表现为杂乱、幅值较大、正负相间、呈跳跃状磁异常，火山岩磁异常易识别和提取。火山岩埋藏较深，地表磁异常则相对宽缓，火山岩和基底岩石磁性有较大差异也能有效识别和提取，但对磁异常精度要求较高。

2.2 大杨树盆地地层物性特征

由已知地质资料可知古生界和花岗岩组成了本工作区基底，物性分析表明该区有两个主要的物性界面:①白垩系甘河组与九峰山组和侏罗系的龙江组，密度差约为0.07 g/cm3;②九峰山组和侏罗系的龙江组与下覆基底的密度界面，密度差约为0.16 g/cm3，为该区最主要的密度界面(表1)[20]。

盆地内形成了的双层密度界面，在缺乏已知条件约束的情况下，给定量反演基底埋深带来了困难。但由于盆地内甘河组盖层中的火山岩具有埋藏浅、厚度大等特征，厚度局部可达1 000 m，以玄武岩为主[14]，剩磁和感磁较强且密度大，相关分析显示盆地内多个区块剩余重磁异常正相关，具有重磁同源的特征(图2)，因此通过磁异常来圈定大杨树甘河组火山岩，并计算其重力异常效应，从消除高密度火山岩重力异常影响，把双密度界面问题简化为单密度界面问题，是一种识别火山岩盆地的凹陷区的有效途径。

表1 大杨树盆地地层密度统计表

图3 火山岩磁化率模型图Fig.3 Magnetic susceptibility model of volcanic rocks

3 处理方法

3.1 火山岩磁异常提取

大杨树盆地甘河组火山岩由于埋藏浅具有高频磁异常特征，可以通过位场异常分离技术有效地提取与火山岩有关的磁异常。提取火山岩磁异常可以采用频率域的方法，如余弦窗滤波、向上延拓法、匹配滤波法，也可以采用空间域的插值切割、窗口法、趋势面分析等方法来求取。

根据工作区火山岩分布特征建立磁化率模型(图3)：建立6个模型体，分别表示工作区各类磁性体：1号模型长宽为1 km*0.6 km,2号模型长宽为1.6 km*0.8 km，厚为一百余米，埋深为0 m，磁化率831(4π×10-6SI)，代表了甘河组玄武岩等基性火山岩分布特征；3号模型长宽为1.4 km*0.4 km,厚为0.2 km，中心埋深为0.8 km，磁化率为673(4π×10-6SI)，并下伏于2号模型之下，代表了九峰山组发育的中基性火山岩；4号、5号模型代表龙江组中酸性火山岩，磁化率为468(4π×10-6SI)，中心埋深分别为1.2 km和0.55 km,6号模型代表了埋深更深的花岗岩，长宽为1.8 km*1.4 km，厚为1 km，中心埋深为2 km，磁化率389 (4π×10-6SI)。图4(b)是采用一次切割法获取了磁异常，很好的对应了1号、2号模型，也就是甘河组火山岩，其他模型磁信息基本无显示或者仅仅为弱显示；图4(c)是利用一次切割后的区域异常二次切割得到的剩余磁异常，该异常很好的显示了3号、4号、5号、6号模型的磁异常分布，但仍然残留了1号、2号模型的部分磁异常信息，二次切割后的区域磁异常显示为宽缓磁异常，值为0 nT～2.5 nT。

图4 插值切割法提取模型磁异常图Fig.4 Magnetic anomaly map of model extracted by interpolation cutting method(a)模型正演磁异常;(b)插值切割剩余磁异常;(c)二次切割剩余磁异常;(d)二次切割区域磁异常

针对大杨树盆地火山岩磁异常提取的模型试验表明，一次插值切割能有效提取浅层火山岩磁异常，插值切割法是提取火山岩磁异常有效的方法之一。插值切割法提取火山岩局部磁异常有较好的效果[15]利用局部异常与区域场在波长、振幅或位置上存在的明显差异，采用与位场曲率变化有密切关系的切割算子，连续进行插值切割，把复杂磁异常中具有高、中频震荡特征的目标异常逐步除掉[16]，得到有一定光滑程度的区域异常，从原始磁场中减去区域异常，就得到了局部异常。

由于大杨树盆地甘河组玄武岩广泛分布于盆地内，通过航磁异常数据(图5)可以看出,一次插值切割的局部磁异常(图6)亦主要分布于甘河组地层内，但中南部磁异常更发育，说明大杨树盆地中南部具有高磁异常特征甘河组玄武岩亦更发育，那么其对沉积凹陷圈定影响就更大。

图5 大杨树盆地及外围航磁异常图Fig.5 Aeromagnetic anomaly map of Dayangshu basin and its periphery

图6 大杨树盆地及外围局部航磁异常图Fig.6 Local aeromagnetic anomaly map of Dayangshu basin and its periphery

3.2 磁源重力异常计算

3.2.1 磁源重力异常原理

Baranov[17]提出了磁源重力异常的概念，通过对磁异常进行垂向积分得到，可以突出区域性和深部的磁异常。这种由磁异常换算出来的重力异常称之为“磁源重力异常”。

对于均匀磁化且又密度均匀物体产生的重力位与磁位，可用泊松定理进行描述:

(1)

式中:U为磁位;V为重力位;J为场源磁化强度矢量;Δσ为场源密度差;G为引力常数;J/GΔσ为泊松比，对同一地质体，当由式(1)可以方便的得到式(2)。

(2)

式(2)表明,重力位V可由磁位沿磁化方向的反方向积分并除以泊松比得到。根据重力异常的定义，式(2)可表示为:

(3)

这表明磁场垂直分量Za沿磁化方向积分并除以泊松比可得到重力异常,此时得到的重力异常称为磁源重力异常。磁源重力异常，常常被人们用来简化复杂的磁异常特征，来解释深部地质结构。

3.2.2 模型试验

设计两个模型体(图7)，1号模型和2号模型，1号模型大小为8 km*10 km*5 km，埋深为“0”，2号模型大小为18 km*20 km*10 km，埋深为800 m，磁化强度均为560 A.m，剩余密度均为0.1 g/cm3，均与甘河组密度、磁性参与相近。通过正演模型重力值，和计算模型磁源重力异常值进行对比，结果显示模型正演重力值大小和形态均与磁源重力异常高度吻合(图8)。截取穿过模型体一剖面，剖面曲线更为细致地反应了两者之间这种数据吻合特征。由于磁源重力异常计算是一种积分运算，积分后使得异常范围变大，梯度变小。同时使得计算值略小于正演值，但这种差值与模型体产生的异常值相比，占比很小，约小于1/20，以至于不会对结果产生较大影响。

图7 设计模型体三维立体图Fig.7 Three dimensional view of design mode

图8 模型正演重力与磁源重力异常图Fig.8 Comparison between forward gravity value of density model and calculated value of magnetic source gravity anomaly(a)模型正演重力异常；(b)模型磁源重力异常；(c)模型正演重力与磁源重力曲线

理论模型的磁异常数据计算与实验分析，证实了通过柏松公式计算的磁源重力异常与模型正演的重力异常的具有较好的一致性，实际运用的案例中也显示出良好的效果[18-19]。利用该方法处理大杨树盆地提出的浅层磁异常(图4)，使用参数与上述模型试验参数一致，获取的磁源重力异常见图9。

图9 几种方法求取的区域重力场图Fig.9 Regional gravity field obtained by several methods(a)趋势分析求取的区域重力场;(b)小波分解求取的区域重力场;(c)插值切割求取的区域重力场

3.3 重力异常分离

重力异常分离的目的：①剥离基底以下深部物质引起的区域重力异常，获取沉积盖层的剩余重力异常;②再次剥离沉积盖层中火山岩的所引起的那部分重力异常(即前面通过磁异常换算的磁源重力异常)。

针对基底以下深部物质引起的区域重力异常，笔者通过趋势面分析法、小波多尺度分解法以及插值切割法分别对布格重力异常进行分离试验。其原则是选取适当的参数，对各方法分离的区域场和剩余场进行对比，选取符合已知地质情况的重力异常。结果表明趋势场的区域场更符合深部重力场的低频特征(图9)，剩余场与已知电法剖面低阻凹陷吻合度高[20](图14)，另外两种方法区域场都含有相对高频的异常信息和细节。仅由沉积岩引起的剩余重力异常通过原始异常减去区域重力异常和磁源重力异常获取，计算公式为式(4)。

图10 剥离了火山岩影响剩余重力 与其识别的凹陷分布图Fig.10 Shows the distribution of depressions with volcanic rocks and residual gravity

图11 未剥离火山岩影响剩余重力 与其识别凹陷分布图Fig.11 Distribution of residual gravity affected by undelayed volcanic rocks and its identification sag

图12 局部磁异常与沉积凹陷分布图Fig.12 Distribution of local magnetic anomaly and sedimentary depression

图13 磁源重力异常与沉积凹陷分布图Fig.13 Distribution of magnetic source gravity anomaly and sedimentary depression

图14 已知剖面[21](S2)与新圈定凹陷区分布图Fig.14 Known profile and newly delineated sag area distribution map and [21] (S2)

△g沉=△g布-△g区-△g磁

(4)

式中:△g布为布格重力异常;△g区为区域重力场;△g磁为磁源重力异常；△g沉为沉积岩引起的重力异常。

4 凹陷区识别与分析

由于甘河组主要以玄武岩为主，通过磁源重力异常换算，其重力效应基本被剥离，而九峰山组和侏罗系龙江组的密度相当，且小于基底密度，此时盆地内就形成了单密度界面。剥离了火山岩重力效应和深部重力背景常的剩余重力异常值的大小此时就能基本反应基底起伏所产生的重力异常。

通过对大杨树盆地中北部重磁异常进行上述处理，获取了基本由基底起伏产生的重力异常，通过以上分析，获取的剩余重力异常变得简单易识别，直接利用负的剩余重力异常在盆地内共圈定7处沉积凹陷区(图10)。通过对比图10和图11可以看出，卧罗河太平庄凹陷区重力低在剥离后清晰的显示出来，甘河宝山凹陷在剥离火山岩影响后，异常值更低，范围更大，表明受火山岩影响较大。其他凹陷区重力异常形态、重力值变化相对较小，说明火山岩规模相对较小，重力异常受火山岩影响也较小(图12、图13)。一条穿过新圈定的卧罗河太平庄凹陷、甘河宝山凹陷区的已知剖面[20](图14)，显示出与新圈定的凹陷区二者有很好的对应关系，从而验证利用该方法识别凹陷区的有效性。已有资料表明该区沉积岩具有较好的生烃能力[21]，新圈定的卧罗河太平庄凹陷和甘河宝山凹陷，剩余重力异常连续，显示出沉积规模和厚度都较大，具有较好的油气勘探前景。

5 结论

由于大杨树盆地发育大范围的玄武岩，高密度火山岩对分析基底界面起伏引起的剩余重力异常带来很强地干扰。通过磁源重力异常计算，能有效提取其剩余重力异常，获取更准确的基底界面起伏引起的重力异常。利用剥离了高密度火山岩的重力异常更准确地圈定了大杨树盆地中北部沉积凹陷区，新圈定的凹陷区发育成规模的沉积岩，具有良好的油气勘探前景，取得了较好的地质效果，对同类型的火山岩覆盖盆地沉积凹陷的识别有一定的参考意义。需要说明的是，影响该方法结果的因素较多，包括剩余密度、磁化强度的选取、火山岩磁异常的提取等都会对计算结果产生影响，笔者只进行了半定量分析，应进一步研究该方法进行火山岩重力异常剥离效果和精度，以进行定量解释。