大地電磁測深在濰坊濱海區劃分斷裂和構造單元中的應用

高伊航， 沈軍輝， 蘇永軍， 匡海陽

(1.成都理工大學 環境與土木工程學院，成都 610059；2.中國地質調查局 天津地質調查中心，天津 300170)

0 引言

大地電磁測深法(Magnetotelluric，MT)，是以天然電磁場為場源來研究地球內部電性結構的一種重要的地球物理手段[1]。隨著國際合作和交流的不斷加深，大地電磁法在深部構造的探測中已成為一種必不可少的手段[2]。我國地球科學研究者對此方法的研究與應用付出了很大的努力[3-8]。陳龐龍等[9]將大地電磁測深方法應用于深圳市活斷層的探測中，并采用遠參考道數據觀測與處理技術消除測點附近的電磁噪音影響，運用二維反演獲得了地下電性結構；符超等[10]運用大地電磁測深對卡拉先格爾斷裂進行測量，獲得了關于沿剖面的地殼二維電性結構，確定了該斷裂的類型及其成礦意義。大地電磁是研究地球深部電性結構與構造的主要地球物理方法，被廣泛應用于油氣勘探、資源勘查以及深部地球物理調查等領域，作者通過對研究區大地電磁數據的處理和解釋，查明了研究區地層結構和隱伏斷裂構造的空間展布特征以及研究區的電場特征，并對該區構造單元進行重新厘定。

圖1 研究區大地構造位置圖Fig.1 The tectonic structure of the study area

1 區域地質概況

研究區在大地構造位置上，處于泰沂山地丘陵北麓山前傾斜平原東段的萊州灣南岸平原，地勢自南向北傾斜，區內地貌類型變化層次清晰，自南向北依次為山前沖洪積平原、沿海低平原和現代潮灘。現代潮灘由海岸線向海區方向延伸，為粉砂質、泥質海岸帶，發育有潮溝系統。在沖洪積平原、河海積平原上分布著黃土及次生黃土。研究區是華北板塊內三大II級構造單元(華北裂陷帶、膠遼地塊和魯淮地塊)的交匯地帶。整體上東臨膠遼地塊的魯東隆起，西南臨魯淮地塊的魯西隆起，跨越濟陽拗陷和沂沭斷裂帶，區域地質背景十分復雜(圖1)。該區古近紀時期裂陷作用強烈發展，差異運動的幅度大，有厚達千米以上的內陸河湖相沉積。新近紀和第四紀時期區域范圍內差異構造活動變弱，由強烈裂陷變為了總體緩慢沉降的坳陷區，新近系和第四系呈超覆關系蓋于古近系及早期的隆起之上。區內主壓應力方向為NEE-EW向。現今構造應力場的主導方位為北東東到近東西向的壓應力，地震活動不強烈，近期地震活動強度不大。

2 工作原理及測線布置

大地電磁測深法(MT)是以天然電磁場信號為場源，通過觀測同一測點不同頻率的時間域電磁場信號，計算出不同深度的視電阻率值，從而來達到探測地下不同深度地質體電性特征、研究地球深部構造的目的。探測的深度隨著頻率的變化而變化，通常高頻反映淺部信息，低頻反映深部信息。因此可以利用MT方法來研究深部構造，探測地殼和上地幔的電性結構；探測盆地高阻基底起伏和埋深，劃定盆地范圍及其次級構造單元；研究地下空間斷裂構造展布。

圖2 研究區斷裂、構造單元和L0890測線位置圖Fig.2 The fracture, tectonic unit and the location of the L0890 test line in the study area

野外探測使用了加拿大鳳凰公司出產的電磁勘探設備V8電法工作站，該設備的發射和接收始終采用GPS同步。每道采用24位A/D轉換器，并對數字信號進行處理(DSP)，保持了高的動態范圍和分辨率，布置了23條測線，測線間距為2 km，測點間距為2 km，在局部進行適當加密測點(圖2)，測線方位角為90°。

3 剖面反演解釋

對野外數據進行數據編輯、曲線圓滑、極化模式識別及靜態效應等處理，并對數據進行了反演處理和圖件編制，通過對圖件分析和研究，研究區內共推斷隱伏斷裂9條(F1：鄌郚-葛溝斷裂、F2：沂水-湯頭斷裂、F3：古城-濰河口斷裂、F4：侯鎮北斷裂、F5：挑溝子-沈家營斷裂、F6：柳瞳斷裂、F7：固堤斷裂、F8：神樹坡-東興斷裂、F9：老河口斷裂)，其中北東向斷裂4條，分別為F1、F2、F3、F8和F9，北西向斷裂2條為F5和F7，近東西向斷裂2條為F4、F6(圖2)。在取得野外數據后，對每個測點不同頻率的時間域電磁場信號進行處理，計算出不同深度的視電阻率值，利用視電阻率值進行網格化獲得視電阻率斷面圖。

圖3為本次MT勘查L0890剖面綜合剖面圖，圖3(a)為MT測深視電阻率斷面圖，圖3(b)為推斷地質成果圖，其橫向為點號，縱向為深度。該剖面西起張家村西，向東經三甲王村、大官莊村、高莊村至濰北農場四分場東，呈90°方向展布，剖面長為22 km。

圖3 L0890剖面綜合剖面圖Fig.3 The comprehensive profile map of the L0890 test line(a)視電阻率斷面圖；(b)推斷地質剖面圖

該剖面主要控制區內鄌郚-葛溝斷裂和沂水-湯頭斷裂的空間展布特征，在69130號測點附近存在一鉆孔，該鉆孔揭露第四系地層厚度為322 m，新近系地層厚為360 m，古近系地層厚為911 m。剖面的68400號測點附近存在一明顯的等值線梯級帶，其西端為低阻異常，東端為高阻異常，為典型的斷裂異常反映，推斷為鄌郚-葛溝斷裂(F1)。該剖面的68850號測點附近標高-600 m至標高-2 300 m 深度范圍內中阻電性層橫向不連續，存在一相對低阻"U"字型反映，為典型的斷裂異常反映，推斷為沂水-湯頭斷裂(F2)，此次斷裂構造解釋位置與前人劃的斷裂位置一致。

從該剖面的垂向電性特征分析亦可劃分兩大電性層，①在67800～68350號測點之間低阻電性層視電阻率值小于10 Ω·m，等值線稀疏寬緩，推斷為第四系和新近系地層的綜合反映，沉積厚度在1 600 m左右，其下伏低阻電性層視電阻率值在10 Ω·m～100 Ω·m之間，結合區內地質資料，推斷該低阻電性層為古近系漸新統和始新統地層，巖性主要為泥巖、砂巖等；②在68350～70000號測點之間低阻電性層受下伏高阻電性層影響，反映不明顯，根據鉆孔資料，推斷該低阻電性層第四系和新近系地層的綜合反映，沉積厚度700 m左右，其下伏中阻電性層視電阻率值在 300 Ω·m～1 000 Ω·m之間，推斷為古近系砂巖、玄武巖地層，底界面埋深在2 200 m左右，再往下的高阻電性層視電阻率值大于1 000 Ω·m，與上覆中阻電性層之間存在明顯的等值線梯級帶，結合區內地質資料，推斷該高阻電性層為新元古界和新太古界地層的綜合反映。

4 三維反演結果分析

本次對大地電磁數據進行三維反演采用非線性共軛梯度法大地電磁三維反演程序，獲得了較好的效果(圖4和圖5)。圖4為大地電磁三維反演結果的垂直切片圖，圖4(a)沿南北方向垂直切片，剖面間距為3.8 km，圖4(b)為沿東西方向垂直切片，剖面間距為2 km，為了方便解釋，圖4(b)東西方向比例尺擴大為2倍。由圖4可以看出，各條斷裂對應電阻率梯級帶明顯，在三維電阻率切片圖上異常特征反映清晰，大致可以推斷斷裂延伸深度及水平距離，這些主要斷裂基本控制了研究區內沉積地層的分布。

根據以往該區內研究成果，該區跨越東營潛斷陷、濰北潛斷陷兩個Ⅳ級構造單元。根據本次MT測深推斷解譯的研究區內地層結構、隱伏斷裂構造的空間展布特征以及電場特征的分析，對研究區內構造單元進行重新厘定，劃分出研究區內五個Ⅴ級構造單元(圖5)。其中A為濰縣凸起、B為候鎮凹陷、C為濰北凹陷、D為濰北凸起、E青東凹陷。

圖4 三維反演結果垂直切片圖Fig.4 The 3D inversion results of vertical slice map(a)沿南北方向垂直切片圖；(b)沿東西方向垂直切片圖(東西方向比例擴大2倍)

圖5 研究區構造格架及構造單元劃分Fig.5 The construction grid and tectonic unit division of the study area

圖6 MT反演水平切片三維顯示圖Fig.6 The MT inversion horizontal slice 3D display diagram(a)從南西往北東；(b)從南東往北西

候鎮凹陷(B)位于研究區西南部，其北以侯鎮北斷裂為界，東以F1斷裂為界。該凹陷為昌樂縣斷陷的次級單元。該凹陷整體電場特征表現為低阻異常特征，平面形態呈橢圓狀，向深處延伸大，對應在布格重力異常圖是低異常區。濰北凹陷(C)位于研究區的中東部，主要受F1斷裂和F6斷裂控制。根據三維反演結果水平切片(圖6)可知，濰北凹陷向深處延伸大并且向北傾斜，淺部形態不規則，深部形態近葫蘆狀。

圖7(a)為電阻率值小于20 Ω·m的低阻體三維空間分布隨深度的變化圖，從圖7(a)中可以看出，濰北凹陷呈近乎平行的北北東向條帶狀分布，新近系地層上寬下窄向下延伸，濰北凹陷低阻地層呈由南向北逐漸加深的趨勢。結合剖面解釋和鉆孔資料，推斷濰北凹陷新近系沉積層覆蓋厚度最深在-400 m至-1 700 m左右。

圖7(b)為電阻率值小于80 Ω·m的低阻體三維空間分布隨深度的變化圖，根據地質資料及該區物性，推斷三維地質體為斷陷盆地，根據以往資料推斷為中生代白堊系地層，稱之為"潛凹陷"。凹陷盆地形態與第四系沉積基本一致，向下處延伸最深處達5 km，代表了古近系基底地層底界面埋深及形態。

5 結論

1)通過該研究區大地電磁測深數據的處理和研究分析，獲得了研究區隱伏斷裂的位置、性質及空間展布。研究區內斷裂構造發育，結合該區地質、鉆探等資料，對該區隱伏斷裂構造位置進行了劃分，劃分出9條隱伏斷裂。

2)采用非線性共軛梯度法對研究區大地電磁測深數據進行三維反演，獲得較好應用效果。推斷解譯了研究區內地層結構、隱伏斷裂以及研究區地層電場特征，對區內兩個Ⅳ級構造單元進行劃分，劃分出濰縣凸起、候鎮凹陷、濰北凹陷、濰北凸起和青東凹陷五個Ⅴ級構造單元。

圖7 低阻體在不同深度上的空間分布Fig.7 The spatial distribution of low resistance in different depths(a)電阻率值小于20 Ω·m的低阻體；(b) 電阻率值小于80 Ω·m的低阻體

3)通過對三維反演不同方向，不同深度的切片圖的分析，切片圖能直觀地提供斷裂延伸方向及空間展布情況、構造單元形態、不同電性特征的地質體等信息，為研究區地質解釋提供地質信息。