利用重磁电综合应用技术对静海—黄骅地区基岩构造调查研究
2023-12-14李建超雷清
李建超 雷清
研究区位于天津市南部平原区和河北省交界处。行政区划属天津市静海区、滨海新区的大港区、西青区，部分隶属河北省沧区、青县和黄骅市。研究区主要为洪积冲积平原和海积冲积堆积平原2类二级地貌单元。区内地势平缓，自西向东稍有倾斜，地面坡降0.2‰~0.3‰。为研究静海地区的地层、断裂构造、隐伏岩体特征，完成了重力测量和大地电磁（MT）测试等。研究区已具有丰富的地层和岩石电性、密度、磁性参数等研究成果，从而为大地电磁反演提供了较精准的约束条件。通过重、电、磁综合应用技术，优化地质－地球物理模型，有效分析、查明静海—黄骅地区基岩构造断裂、地层分层、基底起伏等地质问题，提高基底和构造特征解译精度[1-7]，取得较好的地质效果。
1 区域地质背景
1.1 工作布置
研究区布置P01~P03 共3 条剖面，剖面方向与主要构造单元走向垂直，剖面西起天津市静海区大邱庄镇上码头村，东至南大港湿地，北起天津市团泊洼四分场，南至黄骅市齐家务乡王御史庄村。
1.2 区域地质概况
研究区属于华北地层大区晋冀鲁豫地层区的燕辽地层分区和华北平原地层分区，缺失上元古界震旦系，以及古生界志留系与泥盆系。由老至新发育有太古界结晶基底、中新元古界、古生界寒武系-中奥陶统、上石炭统-早三叠统、中生界中侏罗统-下白垩统和新生界。南部平原区地表均为第四系，基岩地层被不同的新生代地层覆盖（本区将新生界以下的地层统称为基岩，基岩之上的新生界为盖层），平原区广泛发育第四系和巨厚的新近系和古近系。研究区地层结构较为复杂。在测区内的不同区段，地层结构差异较大。沉积地层分布不连续，不同地区厚度变化较大，古近系、中生界只分布于研究区的凹陷区及围斜区段。
1.3 研究区内构造发育情况
研究区大地构造位于华北断坳内，横跨沧县隆起和黄骅坳陷2个Ⅲ级构造单元，其中：沧县隆起构造单元中涉及到双窑凸起（Ⅳ5）、白塘口凹陷（Ⅳ6）和小韩庄凸起（Ⅳ7）等3个Ⅳ级构造单元；黄骅凹陷之板桥凹陷（Ⅳ14），港西凸起（Ⅳ15），歧口凹陷（Ⅳ16）。基底地层掀斜隆起较为剧烈，厚度变化大，断裂构造较发育，以北东向、东西向、北西向正断层为主，在断裂较为发育地段，断距较大的一些断层造成地层大幅抬升或陷落[8－13]。研究区构造背景较复杂、稳定性较差。如图1所示。
图1 工作布置及区域地质概况
2 区域地球物理特征
2.1 深部地球物理场特征
研究区包括沉积岩壳、花岗岩壳和玄武岩壳：沉积岩壳自西—西北部山区向平原区厚度略有增加，一般厚度为8~10 ㎞，岩石密度ρ=2.10~2.60 g/cm3。花岗岩壳介于沉积岩壳-康氏界面之间，厚度自西北部山区向平原区变薄（如图2所示），底界面(康氏界面)山区为21~23 km，平原区为16~19 km，岩石密度ρ=2.70 g/cm3。玄武岩壳自康氏面至莫霍面为玄武岩壳，厚度自山区到平原区渐薄，底界(莫氏面)深度山区为41~44 km，平原区为31~37 km，岩石密度ρ=3.10 g/cm3。
图2 地壳结构模型示意图
本次研究深度全部在康氏界面以上，地壳结构模型示意图如图2所示。
2.2 磁力场特征
分析图3航磁ΔT异常平面图可知，研究区航磁ΔT异常总体呈北西高、南东低的特征，磁力场值ΔT=-110~150 nT。北西部高磁异常表明磁性基底的埋深较浅，符合隆起区的磁场特征，系沧县隆起的反映；南东基底地层的磁性较弱，即盖层厚度较大，系黄骅坳陷空间的展布特征。此外，收集了本区及邻区的磁性标本测量成果，结果表明，磁性基底下元古界片麻岩类，具有较强磁性，磁化率（SI）一般为1 000×10-5~3 000×10-5，而中、新元古界及上覆沉积地层为弱磁性或无磁性。
图3 研究区航磁ΔT异常平面图
2.3 重力场特征
分析图4布格异常平面图可知，布格重力场值由北西向至南东向呈逐渐变低趋势，与沧县隆起、黄骅坳陷两大构造单元及其内部次级单元的构造特征基本吻合。北西大面积布格高重力场值区布格值为（0~12）×10-5m/s2，对应了沧县隆起；南东进入布格重力低值区，布格值为（-25~0）×10-5m/s2，对应黄骅凹陷内部的板桥凹陷区，该区布格重力高、低起伏则是港西凸起和岐口凹陷的反映。
图4 研究区布格异常平面图
此外，表1按密度差异划分为4个密度层，即新生界第四系和新近系、新生界古近系、中生界、古生界。
表1 研究区地层电性资料统计成果表
2.4 电性特征
分析表1地层电性统计成果可知，研究区松散的新生界、凹陷区的中生界呈低电阻率特征、电阻率多小于15 Ω·m，古生界和元古界呈中高电阻率—高电阻率的特征、电阻率多大于40 Ω·m。
3 反演成果解译
以P02剖面为例。该剖面方位角为129°，剖面长54 km，布设在沧县隆起、黄骅坳陷两大构造单元之上。综合应用技术成果如图5所示。
图5 P02剖面重磁电综合应用技术综合地质解释成果
3.1 断裂及构造
图5（a）重力布格曲线，揭示重力布格值存在显著的高、低变化，这是深部构造分区特征的反映；图5（b）重磁一阶方向导数曲线，揭示航磁ΔT异常呈北西向高东南向低的磁异常特征，反映了磁性基底起伏的变化。
图5（c）大地电磁二维反演电阻率等值线图，揭示可按二元电性结构分析，即中新生界盖层与前古生界之上下构成二元电性结构；4 000 m以上的横向电性分区明显，由北西向南东为高阻区—低阻区—相对高阻区—低阻区—相对高阻区共5个电性特征区，反映了区内坳隆相间分布的整体构造格架；以里程18 km 为界，可将电阻率等值剖面划分为高、低阻2个单元，与重磁曲线的拐点一致，断裂倾向南东，切割深度较大，系断层F2的反应，即北东走向的区域主控断裂—沧东断裂的反映，是Ⅱ级构造单元沧县隆起、黄骅坳陷发育的证据。
图5（a）重力布格曲线、图5（c）大地电磁二维反演电阻率等值线图大致在4 km相应参数有小幅梯度变化，推断为沧县隆起内部次级构造控制断裂，系F1 断裂带的反映，该断裂倾向北西，视倾角约55°，断裂规模较小，控制了Ⅲ级单元天津东凸起的西边界。沿剖面类比，依次可推测F3、F4、F5、F6 四条断裂带，均为次级断裂。向南东依次控制“低阻区—相对高阻区—低阻区—相对高阻区”4个电性特征区，对照区域地质资料，位置上对应板桥凹陷、港西凸起和岐口凹陷3个Ⅲ级单元及岐口凹陷受埕宁隆起影响而产生的Ⅳ级单元中央隆起带。分析推断成果如图6所示。
图6 推断构造发育成果
3.2 地层分布
结合重磁电成果对剖面穿越地区的地层进行推断。第四系密度界面完整，表明第四系普遍发育，地层表现出明显的分区特点。
3.2.1 沧县隆起单元（天津东凸起）
单元内剖面表现为浅部低阻，深部高阻的二元结构特征，浅部低阻是中新生界盖层的反映，深部高阻是前古生界基底的反映。从磁性特征上分析，下元古界片麻岩类具有较强磁性，中、新元古界及上覆沉积地层为弱磁性或无磁性，因此高磁异常表明磁性基底的埋深较浅。结合重力剖面推断成果单元内的重力梯度变化较快，表明了深浅地层密度差异较大，从密度特征上分析，中生界与上古生界密度差异不明显，而古近系与二者存在明显的密度差，故重力梯度变化表明该单元内中生界应缺失，古近系直接覆盖在上古生界上，上古生界顶面埋深约1 000 m。
3.2.2 黄骅坳陷单元
单元内剖面整体仍表现为浅部低阻，深部相对高阻的二元结构特征，浅部巨厚的低阻层和深部相对高阻层形态完整、层状特征明显。结合重力剖面推断重力较低较平缓，可推断坳陷内的中新生界盖层厚度较大，局部超过3 500 m。
（1）板桥凹陷内部由浅至深电阻率呈均匀变化趋势，均匀变化的电阻率反映了凹陷内地层保存较完整，从第四系至下古生界地层厚度不一；重力布格值低且平缓，推断坳陷内的中新生界盖层厚度较大。综合推测新近系厚度1 500~2 000 m，古近系埋深约2 500 m，厚度超过1 000 m，中生界及上古生界厚度较小，分别约为500 m和700 m，下古生界埋深约4 200 m。
（2）港西凸起内部大部缺失中生界，仅在单元东段局部保存少量中生界。同时结合港西凸起由北东向南西宽度逐步变小、深度加大的规律，新近系底界埋深约1 500 m，古近系厚度约1 000 m，缺失中生界及上古生界，上古生界基底埋深约4 000 m。
（3）岐口凹陷内新近系厚度1 500~2 000 m，古近系埋深约2 500 m，厚度超过1 000 m，中生界及上古生界厚度较小，分别约为500、700 m，下古生界埋深约4 200 m。岐口凹陷内部受埕宁隆起作用形成的中央隆起带隆起上缺失中生界，古近系直接覆盖于下古生界上，此外下古生界的顶界埋深由4 000 m减小至约3 500 m。
综合成果显示，天津东凸起上缺失中生界及上古生界，港西凸起缺失中生界，岐口凹陷局部缺失中生界，其他构造单元内地层保存基本完整。
4 结 语
综合区内物性、钻孔资料，利用重、磁、电联合解译的方法进行了地质解译。按介质物性差异划分了第四系(Q)、新近系(N)、古近系(E)、中生界(Mz)、上古生界(Pz2)及下古生界(Pz1)共6套地层的埋深、厚度及缺失情况，划分了F2（沧东断裂）、F3、F4(港西凸起的两侧边界控制断裂)等8条隐伏断裂，断裂构造格架以北东向为主，南北向为辅，它控制了研究区域构造单元的基本格架。其中F2沧东断裂具有断裂带特征，切割深度超过10 km。
本次综合应用技术取得的地质成果提高了研究区内各构造单元、地层及断裂研究程度，推断的地层厚度、断裂走向及规模为国土资源功能区划、地质环境保护及城乡规划等提供基础资料。通过本次勘测的实施，表明深部勘测利用重磁电综合应用技术来研究深部物性结构，结合其他地质情况、物性参数及钻探资料进行地层、断裂构造的划分及基底特征的研究，是一种经济、快捷、有效的工作方法。
