多種重磁位場邊緣識別方法及在南黃海北部斷裂構(gòu)造識別中的應(yīng)用研究

許文強，袁炳強，劉必良，姚長利

(1.中國地質(zhì)大學(北京) 地球物理與信息技術(shù)學院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(北京) 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室，北京 100083； 3.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065；4.青海省核工業(yè)地質(zhì)局，青海 西寧 810003)

0 引言

斷裂構(gòu)造使斷裂兩側(cè)地質(zhì)體的連續(xù)性遭到或大或小的破壞，不同地質(zhì)體之間相互接觸，形成了密度、磁性的縱橫向差異，從而引起重磁場的異常形態(tài)發(fā)生變化，并且重磁場具有較強的橫向分辨能力[1-3]，因此可利用重磁異常來確定地質(zhì)體平面上的起伏變化和接觸關(guān)系、劃分斷裂構(gòu)造體系。重磁異常斷裂識別的標志是不同構(gòu)造演化史、不同性質(zhì)、不同差異的斷裂構(gòu)造[3]及其他因素在重磁場上的綜合反映。原始異常圖上的斷裂構(gòu)造識別的標志僅能粗略確定主要斷裂構(gòu)造，這為地質(zhì)解釋工作帶來一定困難。因此，為了利用重磁數(shù)據(jù)快速、有效、準確地圈定地質(zhì)體邊界、劃分斷裂構(gòu)造在平面的分布位置和走向等問題，那就需要基于重磁位場研究地質(zhì)體空間展布特征的位場邊界識別方法技術(shù)。針對此問題，國內(nèi)外大量學者進行了長期的研究和嘗試，提出了多種行之有效的方法，并取得了一定成果。主要有總水平梯度、水平導數(shù)各方向?qū)?shù)、最大水平導數(shù)、垂向一階導數(shù)、垂向二階導數(shù)、總梯度模量法和解析信號等方法，這些方法主要是根據(jù)極大值或極值連線、零值線粗略確定地質(zhì)體邊界。但是，隨著近年來重磁位場處理技術(shù)快速發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)，由于重磁場數(shù)據(jù)的導數(shù)隨地質(zhì)體埋深加大的衰減速度較快，無法清楚地識別出埋藏較深地質(zhì)體的邊界，上述傳統(tǒng)方法對于深部地質(zhì)體的邊界探測能力有限，存在一定缺陷。為了解決這一不足，國內(nèi)外地球物理學家提出了多種邊界識別新技術(shù)，可降低噪聲影響，能有效、快速地提取或增強異常上的構(gòu)造特征或地質(zhì)體邊界的微弱信息，可以較清晰反映出地層之間的界限、構(gòu)造位置以及場源體的分布范圍，達到了確定地下深部地質(zhì)體和斷裂構(gòu)造的目的，如斜導數(shù)及斜導數(shù)總水平導數(shù)、Theta圖及歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)、歸一化標準差和小子域濾波等方法。目前，根據(jù)前人研究成果的基本理論、原理和應(yīng)用分析，重磁位場邊界識別方法技術(shù)可歸納總結(jié)分成3類：數(shù)值計算(導數(shù))分析類、數(shù)理統(tǒng)計類以及其他一些特定技術(shù)識別方法[1]。許多方法技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)—地球物理勘探工作中，如在有效識別隱伏斷裂和隱伏巖體邊界、確定斷裂構(gòu)造平面展布、劃分地質(zhì)構(gòu)造單元、揭露深部地質(zhì)構(gòu)造、圈定油氣遠景區(qū)、預(yù)測深部找礦靶區(qū)[4-6]以及進行地質(zhì)填圖等方面都有著重要的理論意義、指導作用和實際應(yīng)用價值。

南黃海盆地具有豐富的油氣等礦產(chǎn)資源，自前震旦紀以來，在盆地形成和發(fā)育時期受多期構(gòu)造運動、多種動力學活動作用的影響，研究區(qū)拉張裂陷、擠壓隆升活動頻繁，被一系列多期次、多層次的斷裂切過，伴隨著不同時代地層抬升下降、沉積剝蝕及火山巖侵入，形成了復雜的構(gòu)造演化特征、斷裂構(gòu)造體系和沉積層體系。前人對于南黃海北部盆地及鄰區(qū)區(qū)域大地構(gòu)造、重磁場和斷裂構(gòu)造進行了深入研究，確定了南黃海及周邊地區(qū)的斷裂展布和構(gòu)造單元，厘定了區(qū)域構(gòu)造體系，研究了地質(zhì)體之間的接觸關(guān)系[7-19]。但是，目前對盆地及鄰區(qū)的斷裂構(gòu)造、演化、地層展布特征等問題仍然存在較大爭議，制約了該區(qū)油氣勘探進展，南黃海盆地是我國唯一尚未獲得工業(yè)油氣突破的大型含油氣盆地?？碧綄嵺`證明，南黃海盆地構(gòu)造復雜且目標地質(zhì)體埋藏深度大、信號弱，該區(qū)地震資料品質(zhì)差，實際重磁數(shù)據(jù)又不可避免的存在噪聲或假異常，單一或常規(guī)方法對于深部地質(zhì)體的邊界探測能力有限，無法清楚地識別埋藏較深的地質(zhì)體邊界，這為解決相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造等問題帶來很大的困難。為了進一步系統(tǒng)認識南黃海北部盆地及鄰區(qū)的構(gòu)造接觸關(guān)系，本文旨在系統(tǒng)分析南黃海北部盆地及鄰區(qū)重力資料、地震資料、鉆井資料、區(qū)域地質(zhì)資料以及前人研究成果基礎(chǔ)上，主要應(yīng)用Theta圖法及歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)和歸一化標準差等技術(shù)對布格重力數(shù)據(jù)進行處理與解釋，并與傳統(tǒng)斷裂識別方法對比分析，并結(jié)合已有地質(zhì)認識，對研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造進行邊界識別，分析斷裂特征和地質(zhì)意義，明確研究區(qū)構(gòu)造區(qū)劃。研究結(jié)果為應(yīng)用重磁資料劃分斷裂構(gòu)造提供新思路，為認識研究區(qū)構(gòu)造特征和構(gòu)造演化提供理論方法和重要依據(jù)，對研究區(qū)進一步相關(guān)構(gòu)造研究工作有一定的指導和參考意義。

1 幾種場源邊界識別技術(shù)的基本原理

1.1 Theta圖法及歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)

(THDR)進行歸一化，其計算公式為：

(1)

(2)

其中，ASMmax是ASM的極大值。何濤等[21]認為R-cosθ的識別結(jié)果位于VDR法識別結(jié)果與THDR法識別結(jié)果之間，R-cosθ提高了cosθ的識別精度，但需選擇合適的正則化因子α。

為了提高Theta圖法的分辨能力，王萬銀[22]改進了Theta圖法，即對Theta圖法再次求取垂向?qū)?shù)。同樣用何濤等的方法對式中的分母加一個大于零的正則化因子，公式為：

(3)

歸一正則化Theta圖垂向?qū)?shù)法同樣是利用極大值位置確定地質(zhì)體的邊界位置，有效地增強了橫向分辨能力，比Theta圖法更加突出邊界信息，更好地適用于重磁異常處理中。不但解決了當總水平導數(shù)THDR=0或解析信號振幅ASM=0時，cosθ垂向?qū)?shù)出現(xiàn)“解析奇點”穩(wěn)定性差的問題，而且提高了該邊緣識別方法識別結(jié)果的準確性。

1.2 歸一化標準差法(NSTD)

歸一化標準差方法是Cooper&Cowan[23]從數(shù)理統(tǒng)計學角度提出的新方法，當數(shù)據(jù)比較平滑時，標準差的值較小；而當數(shù)據(jù)變化較大時(例如邊界的存在)，它的值就會較大。因此，該方法也是一種重要的重磁異常邊緣增強方法，受到廣泛關(guān)注，其表達式為：

(4)

其中：f為重力場或磁場，σ表示為1個大小為m×n的移動窗口內(nèi)相關(guān)量的標準差，通過采取滑動窗口中垂直坐標方向一階導數(shù)的標準差與3個方向的一階導數(shù)標準差的和之比，進而確定當前濾波器窗口的中心點的計算結(jié)果值，其本質(zhì)是利用長遠邊界位置重磁異常變化劇烈，標準偏差較大的特征來定位并增強場源邊界。將滑動窗口在整個網(wǎng)格數(shù)據(jù)上進行遍歷，獲取到所有的網(wǎng)格點的計算結(jié)果。最后，獲取結(jié)果的極大值位置，這些位置為識別所得到的地質(zhì)體的邊界位置。

1.3 歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)法(NVDR-THDR)

王萬銀等[24]提出了歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)邊緣識別方法，其綜合了總水平導數(shù)、n階垂向?qū)?shù)和總水平導數(shù)峰值方法的特點。首先，通過計算總水平導數(shù)來得到其n階垂向?qū)?shù)，并將閥值大于0應(yīng)用于總水平導數(shù)峰值的計算。其次，使用歸一化的總水平導數(shù)峰值和總水平導數(shù)的比值求出總水平導數(shù)。詳細的計算過程如下：

1) 計算重磁數(shù)據(jù)的總水平導數(shù)(THDR)：

(5)

其中，f(x,y)表示重磁位場。

2) 計算總水平導數(shù)(THDR)的n階垂向?qū)?shù)(VDRn)：

(6)

其中，n為垂向?qū)?shù)階數(shù)，n=1，2，3……。階數(shù)n越大，橫向分辨力越高，通常對于重磁異常，階數(shù)n取2時較為合適。

3) 使用閥值大于0來計算總水平導數(shù)峰值(PTHDR)：

(7)

4) 計算總水平導數(shù)峰值及總水平導數(shù)的比值：

VDR-THDR(x,y)=

(8)

5) 計算總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)的最大值(VDR-THDRmax)，并使用最大值進行總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)歸一化，最終得到歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)(NVDR-THDR)，

(9)

總水平導數(shù)的計算可以在空間域或者波數(shù)域中進行。在空間域內(nèi)，具有計算量小、計算公式簡便且計算結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點。但是，計算結(jié)果受到采樣點密度的影響，且只能沿著x軸和y軸計算。在波數(shù)域，水平導數(shù)的計算可以通過傅里葉變換或希爾伯特變換完成，并且可以沿著任意方向進行，計算結(jié)果受采樣點密度的影響較小，但是計算量會增大且計算公式復雜，同時，由于原始數(shù)據(jù)及數(shù)值計算誤差產(chǎn)生的高頻干擾因素會使得計算結(jié)果變得不穩(wěn)定。

需要說明的是：在計算過程中，上述4種邊界識別方法增強了異常信號，有效識別了斷裂的異常信息，但是同時也放大了異常數(shù)據(jù)的誤差，往往在結(jié)果圖中產(chǎn)生大量假異常和隨機干擾。為了在重力資料解釋中減少和消除這些假異常以及被放大的隨機干擾，前人引入歸一化計算方法，但是效果不是很明顯。因此，何濤等[21]引入正則化因子這一思想，通過對導數(shù)類和比值計算類邊緣識別方法計算公式中的分母加一個大于零的正則化因子，不但能有效消除被放大的隨機干擾和削弱假異常的影響，而且解決了比值類方法的數(shù)值計算穩(wěn)定性問題，提高了部分比值類邊緣識別方法識別結(jié)果的精度。另外，對于消除歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)產(chǎn)生的隨機干擾和假異常，也可以先對原始布格重力異常進行向上延拓、正則化濾波或滑動平均濾波等方法的處理，消除部分高頻異?；螂S機干擾后，再求取歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)，亦可有效消除。同時，在解釋過程中，聯(lián)合對比多種重力異常數(shù)據(jù)處理圖件，可消除部分被放大的隨機干擾，再結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料、地震資料綜合分析，從而進一步消除假異常，以達到斷裂綜合解釋結(jié)果。

2 研究區(qū)地質(zhì)地球物理概況

2.1 區(qū)域構(gòu)造背景

南黃海北部盆地及鄰區(qū)兼跨中國東部中朝、揚子和華南板塊3大構(gòu)造單元，主體為郯—廬斷裂帶以東的下?lián)P子地塊，北部靠近山東半島屬中朝地塊、南部緊接華南地塊(圖1)。該區(qū)經(jīng)歷了中元古代末四堡運動和新元古代晉寧運動的固結(jié)和再次活化，形成具中—新元古代淺變質(zhì)巖與太古代—早元古代深變質(zhì)巖雙層結(jié)晶基底[25-27]。從震旦紀至新生代，在前震旦紀變質(zhì)結(jié)晶基底之上，又經(jīng)歷了震旦紀—早奧陶世板塊擴張、晚奧陶世—志留紀板塊匯聚和擠壓隆升、晚志留世—早泥盆世隆升剝蝕、晚泥盆世—早、中三疊世板內(nèi)裂陷發(fā)展、晚三疊世—中侏羅世陸內(nèi)擠壓隆升剝蝕、晚侏羅世—早白堊世陸內(nèi)擠壓扭動、晚白堊世—漸新世陸內(nèi)拉張裂陷盆地發(fā)育、中新世—第四紀陸內(nèi)造山和坳陷盆地發(fā)育等8個階段[27-28]，是一個在下?lián)P子地塊前震旦紀變質(zhì)基底之上發(fā)育的古生代—中三疊世海相和晚三疊世—新生代陸相的海—陸多旋回疊合型含油氣盆地[25-29]。在盆地形成、發(fā)展以及后期發(fā)育時期受多期次構(gòu)造運動、多種動力學活動作用影響，研究區(qū)的斷裂構(gòu)造和隆坳(次級凹凸)構(gòu)造非常發(fā)育。主體斷裂構(gòu)造走向為NE-NEE向和近EW向，具有繼承性，同時發(fā)育NW-NWW向和近EW向、近SN向次級斷裂，斷裂絕大多數(shù)控制了斷裂兩側(cè)構(gòu)造單元的形成、發(fā)展和沉降中心的形成，并且控制了晚期斷裂的發(fā)育和分布[10-17]。

①—郯-廬斷裂; ②—五蓮-青島-榮成斷裂; ③—千里巖斷裂; ④—嘉山-響水斷裂; ⑤—江山-紹興斷裂①—Tancheng-Lujiang fault belt；②—Wulian-Qingdao-Rongcheng fault belt；③—Qianliyan fault belt；④—Jiashan-Xiangshui fault belt；⑤—Jiangshan-Shaoxing fault belt

2.2 密度特征

系統(tǒng)收集、整理、分析了南黃海盆地及鄰區(qū)的密度資料[14-15,30]。南黃海北部盆地及鄰區(qū)地層縱向上隨沉積年代由老到新、埋藏由深到淺密度逐漸減小；橫向上不同構(gòu)造單元內(nèi)巖石密度及密度分層各不相同。研究區(qū)地層分為4個密度層、3個密度界面。第一密度層為新生界，平均值約2.30×103kg/m3；第二密度層為中生界，平均值在(2.40～2.50)×103kg/m3之間，與第一密度層之間存在(0.15～0.2)×103kg/m3的密度差，為第一密度界面；第三密度層為古生界和震旦系，密度平均值在(2.65～2.75)×103kg/m3之間，與第二密度層之間存在(0.15～0.25)×103kg/m3的密度差，為第二密度界面；第四密度層為前震旦系結(jié)晶基底，密度平均值介于(2.80～2.85)×103kg/m3之間，與第三密度層之間存在(0.15～0.20)×103kg/m3的密度差，此為第三密度界面?；鸪蓭r密度值由酸性—超基性總體上呈逐漸增高趨勢，其密度值介于(2.63～2.82)×103kg/m3之間。變質(zhì)巖密度值隨變質(zhì)程度越大，密度就越大，淺變質(zhì)巖—深變質(zhì)巖的密度范圍在(2.67～2.86)×103kg/m3之間。

研究區(qū)地層及巖石之間存在較明顯的密度差，為利用重力場研究南黃海北部盆地及鄰區(qū)的構(gòu)造特征奠定了物性基礎(chǔ)。

3 研究區(qū)重力資料的處理與斷裂劃分

3.1 重力場特征

系統(tǒng)整理了研究區(qū)海上及陸地布格重力數(shù)據(jù)，采用2 km×2 km最小曲率法統(tǒng)一網(wǎng)格化，繪制了研究區(qū)布格重力異常圖(圖2)。結(jié)合前人對該區(qū)重力場的解釋[7-19]，根據(jù)研究區(qū)布格重力異常圖平面形態(tài)可以看出，研究區(qū)布格重力異常值以大面積正異常為主，盆地區(qū)出現(xiàn)負異常，正、負異常起伏變化明顯，變化范圍在-15.7～48.3 mGal之間，具有明顯的分區(qū)性，異?？傮w宏觀特征是北部場值高、南部場值低、周邊場值高、中間場值低，重力高與重力低的過渡帶均發(fā)育有水平梯度大小不等的重力梯級帶，在區(qū)內(nèi)廣泛分布。由重力梯級帶等值線所表現(xiàn)的密集程度，可以看出研究區(qū)主要構(gòu)造的重力梯級帶的水平梯度均較大，反映了梯級帶兩側(cè)地層密度具有很大差異。研究區(qū)布格重力異常走向總體上以NE向和NNE向為主，重力等值線的扭曲方向則主要呈NW向、NNW向和EW向，這表明該區(qū)宏觀構(gòu)造走向呈NE和NNE向，次級構(gòu)造走向以NW向、NNW向和EW向為主。布格重力異常的復雜形態(tài)分布特征，反映了該區(qū)構(gòu)造活動頻繁，構(gòu)造復雜，斷裂發(fā)育。

圖2 南黃海北部盆地及鄰區(qū)布格重力異常Fig.2 The map of Bouguer gravity anomaly in the northern basin of the South Yellow Sea and its adjacent areas

3.2 利用重力數(shù)據(jù)進行斷裂識別

對研究區(qū)布格重力異常進行位場分離、多種導數(shù)計算分析、數(shù)理統(tǒng)計類分析以及特定技術(shù)識別方法，得到多個識別結(jié)果，從處理結(jié)果圖件的識別效果對比分析，傳統(tǒng)方法僅能粗略地確定研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造的基本走向，不能進行隱伏斷裂、弱異常等具體信息的識別。而Theta圖、歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)和歸一化標準差的計算結(jié)果(圖3)顯示，這些方法明顯強化了異常的線性構(gòu)造特征或地質(zhì)體邊界的弱異常信息、銳化了重力異常的峰值、增強了邊界識別效果，較清晰地反映地層之間的界限、構(gòu)造位置以及場源體的分布范圍，更有利于識別分布范圍較窄和部分傳統(tǒng)方法未識別的斷裂，確定的斷裂構(gòu)造平面特征更加系統(tǒng)和清晰，達到確定地下深部地質(zhì)體和斷裂構(gòu)造的目的。

本次應(yīng)用的Theta圖法、歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)、歸一化標準差等邊界識別方法中，Theta圖法(圖3a)利用極大值連線位置識別斷裂，與水平總梯度和最大水平方向?qū)?shù)對比，Theta圖中的極大值連續(xù)性較好，可以很好地識別出研究區(qū)主要斷裂構(gòu)造，信息較清晰、細致。但對于細小構(gòu)造邊界和弱異常信息沒能識別，如在測區(qū)東南部無Theta圖異常顯示。

歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)(圖3b)和歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)(圖3c)應(yīng)用極大值中心連線識別斷裂，識別效果相差不大；歸一化標準差(圖3d)利用極大值連線識別斷裂，與前兩種方法存在差異不大。這3種方法的處理結(jié)果與常規(guī)處理圖件中異常的線性梯級帶、等值線的規(guī)則性扭曲或異常軸的水平錯動等標志吻合很好，線性特征明顯，具有較好的識別效果。而且在傳統(tǒng)方法識別斷裂的基礎(chǔ)上，這些方法識別范圍更細化、精確，比Theta圖、水平總梯度、水平一階導數(shù)0°、45°、90°、135°異常、最大水平方向?qū)?shù)、垂向二階導數(shù)等方法的識別效果更好，能夠識別細小構(gòu)造邊界和弱異常信息，識別出的斷裂構(gòu)造走向明確，連續(xù)性較好，劃分斷裂較多，斷裂體系準確、清晰、細致、具體，與地震剖面和已知構(gòu)造認識有很好的對應(yīng)效果。

a—Theta；b—NVDR-Theta；c—NVDR-THDR;d—NSTDa—the Theta map of Bouguer gravity anomaly；b—the NVDR-Theta of of Bouguer gravity anomaly；c—the NVDR-THDR of Bouguer gravity anomaly；d—the NSTD of Bouguer gravity anomaly

綜上分析，在傳統(tǒng)處理方法基礎(chǔ)上，聯(lián)合歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)和歸一化標準差等新方法的處理結(jié)果，可以更清晰地確定斷裂在平面上的走向和位置，去偽存真，降低斷裂研究的不確定性，是一種極為準確、有效的方法。尤其在構(gòu)造復雜地區(qū)，其適用性強、應(yīng)用效果好，在對斷裂構(gòu)造研究中有一定的理論價值和指導意義。

3.3 斷裂構(gòu)造特征

根據(jù)前述多種斷裂識別方法技術(shù)的綜合處理結(jié)果，結(jié)合地震資料和前人研究結(jié)果確定了南黃海北部盆地及鄰區(qū)的斷裂展布(圖4a)，系統(tǒng)分析了該區(qū)斷裂構(gòu)造具有以下基本特征：① 研究區(qū)斷裂構(gòu)造極為發(fā)育、交錯復雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育規(guī)模大小不一、性質(zhì)不同、形態(tài)各異，具有明顯的層次性、區(qū)域性和不同的活動性，形成復合的斷裂構(gòu)造體系。② 從地層展布、構(gòu)造走向、地貌特征和巖漿巖分布特征看，NE(NNE)向斷裂與區(qū)域構(gòu)造走向一致，一般數(shù)量多、延伸長、斷距大、形成時間早、經(jīng)歷構(gòu)造期次多，具有繼承性，控制著研究區(qū)的地層展布特征，可形成隆起和坳陷，是研究區(qū)構(gòu)造的主體。NW、近EW和近SN向斷裂為構(gòu)造活動發(fā)育的次級斷裂，規(guī)模較小，一般切斷主要斷裂，可能為蓋層(沉積層內(nèi)部)斷裂。③ 在多期次構(gòu)造和多種動力學作用下，研究區(qū)斷塊構(gòu)造發(fā)育。區(qū)內(nèi)的幾條大斷裂構(gòu)成該區(qū)的主要構(gòu)造格架，控制了各構(gòu)造單元的主要邊界，沿NE(NEE)向斷裂，將研究區(qū)分割成帶、南北分塊。而次級斷裂夠成了規(guī)模大小不等局部構(gòu)造的控制邊界，致使次級構(gòu)造單元NE向呈凹陷、凸起相間分布。坳陷、地塹、斷陷和斷凸在盆地及周邊區(qū)域普遍發(fā)育[16]。④ 從斷裂劃分圖上看，NEE—NE向斷裂全區(qū)皆有分布，NE—NEE向斷裂主要分布于北部盆地及盆地以外的西北一帶，近EW向斷裂主要分布于中部隆起一帶，分析認為主要受郯廬斷裂帶走滑活動影響及其近南北向應(yīng)力控制所致[29]。⑤ 受區(qū)內(nèi)多期構(gòu)造活動影響，研究區(qū)內(nèi)巖漿活化劇烈，巖漿巖發(fā)育。對比地表地質(zhì)圖發(fā)現(xiàn)，區(qū)域大斷裂控制著巖漿巖的分布。

圖4 本次劃分斷裂構(gòu)造(a)與前人研究成果(b)&(c)[12,26,29,40]Fig.4 Determined fault (a) and the results of previous studies (b)&(c)[12,26,29,40]

根據(jù)斷裂的規(guī)模及其對區(qū)域構(gòu)造的控制作用，并結(jié)合前人的相關(guān)研究成果[12-18,25-29]，把研究區(qū)斷裂劃分為巖石圈大斷裂、基底斷裂和蓋層斷裂3大類。① 巖石圈斷裂規(guī)模宏大，重力異常梯級帶寬度可達十幾千米至幾十千米，延伸距離可達數(shù)百千米或千余千米，深度上往往切割巖石圈或者下地殼達到上地幔上部，發(fā)展上具有長期性和繼承性，空間上延伸很遠的大斷裂。研究區(qū)此類斷裂帶走向以NE向為主，控制研究區(qū)的基本構(gòu)造格局及深部構(gòu)造，如郯廬斷裂帶、五蓮—青島—榮成斷裂帶、連云港—千里巖斷裂和嘉山—響水斷裂帶均為巖石圈斷裂。② 基底斷裂規(guī)模中等，一般切割基底，在垂直深度上切穿整個花崗巖層，達到玄武巖質(zhì)層，多通過斷裂分割，一般表現(xiàn)為重力異常線性梯度帶、重力異常水平錯動帶，異常帶寬數(shù)千米，延伸數(shù)十千米至百余千米，是控制盆地和隆起區(qū)分界斷裂，并控制著盆地內(nèi)部沉積層的發(fā)育和變形，如南黃海北部盆地南緣斷裂。③ 研究區(qū)內(nèi)的盆地和隆起區(qū)均發(fā)育大量蓋層斷裂，蓋層斷裂的規(guī)模和切割深度都比較小，一般只切割內(nèi)部沉積層，到達盆地結(jié)晶基底頂面，一般表現(xiàn)為重力異常線性梯度帶、重力異常水平錯動帶或同行扭曲，異常帶寬數(shù)和延伸數(shù)均較小。蓋層斷裂通常作為盆地內(nèi)部次級構(gòu)造單元的分界線，控制了盆地的坳陷和隆起、凹陷和凸起的發(fā)育。

下面對研究區(qū)內(nèi)部幾條主要構(gòu)造邊界斷裂進行論述。

3.3.1 郯廬斷裂帶中段(沂沭斷裂帶)(F1)

郯廬斷裂帶經(jīng)許多專家、學者和部門進行長期、大量研究，獲得了豐富的地質(zhì)成果。該斷裂帶是我國東部一條結(jié)構(gòu)復雜、規(guī)模巨大的斷裂帶，是切割上地幔、控制巖漿活動的深大斷裂，整體走向NNE向，由2～4條相同走向的次級斷裂組成，在渤海灣受NW向張家口—蓬萊斷裂帶內(nèi)部次級斷層切割，在活動習性或幾何結(jié)構(gòu)上具有空間分段特征，在遼東半島西側(cè)部分稱金州斷裂帶，渤海部分稱營口—濰坊斷裂帶，山東部分至江蘇段稱沂沭斷裂帶[31]。

沂沭斷裂帶位于郯廬斷裂帶的中段，是魯東隆起區(qū)和魯西隆起區(qū)的構(gòu)造結(jié)合帶，屬巖石圈大斷裂，走向呈NNE向延伸，縱貫于山東中部，長達330 km，北寬南窄，最寬達40 km，最窄為20 km[32]。它對地層、構(gòu)造、巖漿活動、內(nèi)生礦產(chǎn)和地震活動有明顯控制作用，尤以中新生代更明顯，是山東省最主要的深大斷裂[33]。其主干斷裂有4條，自東向西有昌邑—大店斷裂、安丘—營縣斷裂、沂水—湯頭斷裂和鄌郚—葛溝斷裂[31-33]。斷裂帶內(nèi)的地層與魯西隆起區(qū)基本相同，但由于中生代以來強烈活動，形成許多地塹型盆地，沉積了中生代的青山組火山巖及王氏組紅色砂巖等。在布格重力異常和剩余重力異常圖上，沂沭斷裂帶表現(xiàn)為封閉異常等值線突變帶；區(qū)域重力異常圖上表現(xiàn)為異常梯級帶；在重力水平總體度和最大水平方向?qū)?shù)異常圖上表現(xiàn)為極大值的連線、重力水平一階90°和135°異常圖上表現(xiàn)為極值的連線；在垂向二階導數(shù)圖上表現(xiàn)為零值線的連線。而在本次應(yīng)用技術(shù)處理結(jié)果(圖3)上表現(xiàn)更為明顯，各圖件上均表現(xiàn)為極大值的連線。從布格重力異常向上延拓不同高度圖上發(fā)現(xiàn)，斷裂西北側(cè)埋深較東南側(cè)深，故傾向NW向；延拓高度越大，部分較小斷裂在區(qū)域異常圖上表現(xiàn)不明顯，但異常圖上大體能反映出整條大斷裂，說明斷裂切割很深，為巖石圈大斷裂，推測為中朝地塊和揚子地塊的邊界線。

3.3.2 五蓮—青島—榮成斷裂帶(F2)

該斷裂帶位于郯廬斷裂帶東側(cè)，自山東五蓮—青島一直延伸到榮成以東一帶的海域，走向NE向、NEE向及近EW向延伸，是中朝地塊與蘇魯造山帶的拼合界線。其西段五蓮—青島斷裂走向NE向，為膠南隆起與膠萊中生代盆地的分界斷裂；東段青島—榮成斷裂走向轉(zhuǎn)為NEE向，向北進入黃海海域后逐漸轉(zhuǎn)為近EW向。該斷裂在布格重力異常圖上表現(xiàn)為重力高低值間的梯度帶，該斷裂西段表現(xiàn)為北西高南東低，其南東側(cè)的膠南隆起帶表現(xiàn)為線性低值異常帶，東段這種降低趨勢不明顯。該斷裂在重力水平總體度異常圖上表現(xiàn)為極大值的連線、重力水平一階0°、90°、135°異常圖上表現(xiàn)為極值的連線，在垂向二階導數(shù)異常圖上反映為零值線的連線，在Theta圖、歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)圖和歸一化標準差圖上均表現(xiàn)為極大值連線。對不同上延高度的重力異常圖進行對比分析，斷裂延伸較深，斷裂西南段較東北段深，西北側(cè)埋深較東南側(cè)淺，故傾向南東向。兩側(cè)區(qū)域和局部重力異常的差異反映出該區(qū)具有不同的地質(zhì)構(gòu)造背景和特征，認為五蓮—青島—榮成斷裂帶為巖石圈斷裂，具有多期活動性，在深部產(chǎn)狀不穩(wěn)定。

3.3.3 連云港—千里巖斷裂帶(F3-1、F3-2、F3-3)

連云港—千里巖斷裂帶位于蘇魯造山帶內(nèi)部，西起郯—廬斷裂帶東側(cè)，走向NEE向，經(jīng)入海州灣后一直延伸至千里巖以東的黃海中，是膠南隆起與千里巖隆起的分界斷裂。該斷裂帶兩側(cè)地層差異明顯，北西側(cè)為膠南隆起的印支期超高壓變質(zhì)巖的含柯石英榴輝巖，南東側(cè)為超高壓變質(zhì)的藍晶石片巖和藍閃石片巖，斷裂面直立[34]。陸地電測深資料表明，該斷裂切割了莫霍面[67]，深地震資料解釋西北側(cè)地殼厚度大于30 km，而東南側(cè)僅20 km[35]。在布格重力異常圖上，斷裂帶西段重力異常北西低南東高，高低之間幅度在10～20 mGal之間，為一明顯的NE向重力梯級帶；中段出現(xiàn)局部負異常，走向呈北西向，有明顯的錯動跡象；千里巖隆起由南西向北東逐漸升高，呈大面積團塊狀正異常。該斷裂在重力水平總梯度異常圖上表現(xiàn)為極大值的連線、重力水平一階0°、90°、135°異常圖上表現(xiàn)為極值的連線，在垂向二階導數(shù)圖上表現(xiàn)為零值線的連線，而在本次應(yīng)用技術(shù)處理結(jié)果(圖3)上表現(xiàn)更為明顯，均表現(xiàn)為極大值的連線。從布格重力異常向上延拓不同高度圖上發(fā)現(xiàn)，斷裂西北側(cè)埋深較東南側(cè)深，故傾向北西向；延拓高度越大，部分較小斷裂在區(qū)域異常圖上表現(xiàn)不明顯，但異常圖上大體能反映出整條大斷裂，說明斷裂切割很深，推測為巖石圈大斷裂。據(jù)深地震剖面[36]和相關(guān)研究結(jié)果[26-27]表明，該斷裂為膠南和千里巖隆起的分界斷裂。

3.3.4 嘉山—響水斷裂帶(F4)

嘉山—響水斷裂帶南東斜交于郯—廬斷裂帶東側(cè)，走向NE向，斷層面傾向南東，傾角20°～60°[37]，經(jīng)嘉山、響水延伸入南黃海，在中—新生代持續(xù)走滑拉張。該斷裂帶為一條上正下逆的斷裂，在古生界內(nèi)表現(xiàn)為逆斷層，印支運動后表現(xiàn)為多期活動的正斷層，最大水平斷距可達20 km，由SW向NE其規(guī)模逐漸減弱，水平斷距和垂直斷距均呈遞減趨勢[29]。斷裂帶長期劇烈活動形成了南黃海北部盆地，延千里巖隆起東南側(cè)邊緣呈NE向，基本上為千里巖隆起與南黃海北部盆地的邊界斷裂，是南黃海北部盆地形成與發(fā)展的主控斷裂帶，控制著北部盆地北側(cè)半地塹的發(fā)育。斷裂帶西北側(cè)廣泛發(fā)育中、下元古界和零星震旦系[35]，東南側(cè)則在揚子準地臺的前震旦系結(jié)晶基底之上發(fā)育古生界、中生界和新生界[29]。在布格重力異常圖上，異常等值線走向為NE向，斷裂帶重力因此表現(xiàn)為北西高南東低，為重力異常密集梯級帶和異常等值線的同形扭曲，垂直該斷裂帶的水平梯度值大多在(19～20)×10-9E，在重力水平一階不同方向?qū)?shù)異常圖上均有所反映；在各種處理結(jié)果圖上均有識別標志顯示。在重力區(qū)域異常圖上表明，斷裂帶在深部表現(xiàn)為重力梯度帶和異常等值線的扭曲帶，斷面傾向南東，對其進行不同高度的向上延拓，發(fā)現(xiàn)上延高度越大，斷裂在重力區(qū)域異常圖上的表現(xiàn)特征越不明顯，說明該斷裂切割深度大，但在地殼深部延伸較小，推測為巖石圈大斷裂。據(jù)地震測深資料(圖5)表明北西側(cè)地殼厚度達30 km以上，而東南側(cè)地殼厚度則明顯減薄[38]。電測深資料表明，該斷裂切穿了莫霍面[39]。

3.3.5 南黃海北部盆地南緣斷裂(F5)

南黃海北部盆地南緣斷裂由多段組成，自西向東由NE向轉(zhuǎn)為近EW向，再轉(zhuǎn)為NE向，傾向NE或NNW，傾角較緩，斷面向北呈鏟狀式發(fā)育，在地震剖面(圖5、6)有明顯顯示。該斷裂與F4斷裂活動一樣，該斷裂帶亦為上正下逆的斷裂，長期強烈的斷陷活動，控制了北部盆地南部凹陷的中、新生代沉積[29]。該斷裂在布格重力異常圖上有兩個明顯的標志：① 斷裂兩側(cè)重力場特征存在差異，北部為重力異常低值區(qū)，南部為重力異常寬緩高值區(qū)，走向無明顯規(guī)律；② 明顯的梯級帶特征，由北部異常低值區(qū)向南過渡為高值區(qū)，其間經(jīng)過一個異常等值線密集帶，同時，在重力水平總梯度異常圖上為極值帶。該斷裂在歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)、歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)和歸一化標準差圖上表現(xiàn)為極大值連線，而在重力水平一階不同方向?qū)?shù)異常圖上均無明顯規(guī)律。對布格重力異常進行不同高度的向上延拓，發(fā)現(xiàn)該斷裂上延高度越大，異常平面特征反映趨于消失，說明該斷裂向下延伸有限、埋深不大，推測為基底斷裂，是北部盆地和中部隆起帶的分界斷裂。

圖5 南黃海盆地OBS2013-SYS測線速度反演剖面(據(jù)吳志強等[36]修改)Fig.5 The seismic velocity inversion profile of OBS2013-SYS line in the South Yellow Sea Basin(Modified from Wu et al [36])

與前人研究成果[12,26,29,40]對比，本次研究劃分的斷裂構(gòu)造與地質(zhì)圖、陳建文等、張訓華等斷裂體系研究成果基本一致，認為五蓮—青島—榮成斷裂帶(F2)向北延伸至海域內(nèi)，連云港—千里巖斷裂帶(F3)西南段分為兩支斷裂，分別為F3-1主斷裂帶和F3-2次斷裂帶，且F3-1為膠南隆起與千里巖隆起的分界斷裂，次級斷裂的走向和切割關(guān)系與前人成果大致相同，但斷裂劃分的更為詳細。與張明華等研究結(jié)果差異較大，根據(jù)研究區(qū)的構(gòu)造演化史[27-28]和構(gòu)造形變特征[29]來看，南黃海盆地歷經(jīng)印支、燕山和喜馬拉雅構(gòu)造運動，整體走向以NE、NEE、近EW向為主，NE、NEE向斷裂表現(xiàn)為印支—燕山早期的逆沖斷裂系，比NW向斷裂形成時間早、規(guī)模大、斷距大、構(gòu)造作用強烈，且具有繼承性、期次性和區(qū)域性。早白堊世之后，燕山中期運動受濱太平洋大陸邊緣活動帶影響，區(qū)域應(yīng)力由匯聚轉(zhuǎn)換為NW—SE向拉張作用，北部盆地發(fā)育一系列“北斷南超”的箕狀斷陷[41]。白堊紀—古近紀時期，主要斷裂活動為NEE、近EW向，NW向斷裂主要為后生逆斷裂和反轉(zhuǎn)斷裂，主要形成于漸新世末期的三垛運動。張明華等[12]劃分的斷裂構(gòu)造中，NW向斷裂在研究區(qū)分布較多、規(guī)模較大，與構(gòu)造演化過程中形成的斷裂不符，存在一定誤差。而結(jié)合的研究區(qū)構(gòu)造演化特征，通過分析本次確定的斷裂構(gòu)造體系的特征，認為本次研究結(jié)果更加符合研究區(qū)斷裂體系特征。

圖6 XQ7-9地震地質(zhì)解釋剖面(據(jù)張訓華[29]修改)Fig.6 Seismic geological interpretation profile (modified from ZhangXunhua[29])

3.4 構(gòu)造分區(qū)

關(guān)于南黃海盆地及鄰區(qū)的構(gòu)造分區(qū)一直存在爭議，代表性的觀點有兩種：① 將千里巖隆起以南的南黃海和蘇北作為個統(tǒng)一的構(gòu)造單元，稱為南黃海盆地或者蘇北—南黃海盆地，其內(nèi)部進一步劃分為北部坳陷、中部隆起、南部坳陷和勿南沙隆起4個次級單元[42]；② 南黃海北部和南部具有不同的地層發(fā)育和構(gòu)造演化特征，北部為前陸盆地，南部為張性斷陷盆地，兩者是相對獨立的二級構(gòu)造單元，因此揚子準地臺東部的南黃海部分劃分南黃海北部盆地、南黃海中部隆起區(qū)、蘇北—南黃海南部盆地和蘇南—勿南沙隆起區(qū)4個二級構(gòu)造單元[43-45]。

本次研究主要根據(jù)南黃海北部盆地及鄰區(qū)重力場特征、斷裂構(gòu)造體系和地震資料，同時結(jié)合前人的研究成果以及研究區(qū)的區(qū)域構(gòu)造演化背景，對南黃海北部盆地及鄰區(qū)進行了構(gòu)造分區(qū)。F1、F2、F3、F4和F5斷裂帶(圖4a)控制著研究區(qū)的整體構(gòu)造格架，各斷裂帶特征前已敘述，早期形成的NNE、NE走向逆沖斷裂系對中、古生界改造作用強烈，基本以中部隆起帶近EW向為中軸，沿SN區(qū)域應(yīng)力方向呈南北對沖格局，由北向南逆沖作用減弱、層位變淺，尤其在北部盆地北緣千里巖推覆帶最為顯著，至南黃海中部構(gòu)造形變減弱，形成一個穩(wěn)定的地區(qū)[29]。在這種的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，北部盆地形成了前陸盆地的構(gòu)造和地層展布特征，呈現(xiàn)向東呈開口的“喇叭狀”的構(gòu)造形態(tài)，與中部隆起構(gòu)造走向形成明顯區(qū)別，應(yīng)單獨劃分為南黃海北部盆地。因此，研究區(qū)劃分出6個構(gòu)造區(qū)(圖7)，依次為：① 魯西隆起帶；② 膠萊盆地；③ 膠南隆起帶；④ 千里巖隆起；⑤ 南黃海北部盆地；⑥ 南黃海中部隆起帶。

圖7 研究區(qū)構(gòu)造分區(qū)Fig.7 Tectonic division of the study area

4 結(jié)論及討論

1) 在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上，聯(lián)合歸一化Theta圖垂向?qū)?shù)、歸一化總水平導數(shù)垂向?qū)?shù)和歸一化標準差等新方法的處理結(jié)果是劃分斷裂的一種有效方法，更能快速、準確地反演出研究區(qū)斷裂構(gòu)造的平面特征。尤其在構(gòu)造復雜地區(qū)，其適用性強、應(yīng)用效果好，在我們今后對斷裂構(gòu)造研究中有一定的理論價值和指導意義。

2) 研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育復雜、形態(tài)各異，具有明顯的層次性、區(qū)域性和不同的活動性。NE(NNE)向斷裂與區(qū)域構(gòu)造走向一致，一般延伸長、斷距大、形成時間早、經(jīng)歷構(gòu)造期次多，構(gòu)成該區(qū)的主要構(gòu)造格架，是研究區(qū)構(gòu)造的主體,控制了各構(gòu)造單元的主要邊界，沿NE(NEE)向斷裂，將研究區(qū)分割成帶、南北分塊。近EW、NW和近SN向斷裂為構(gòu)造活動發(fā)育的次級斷裂，規(guī)模較小，一般切斷主要斷裂，夠成了規(guī)模大小不等局部構(gòu)造的控制邊界,致使次級構(gòu)造單元沿NE向呈凹陷、凸起相間分布。NE—NEE向斷裂主要分布于北部盆地及盆地以外的西北一帶，近EW向斷裂主要分布于中部隆起一帶。

3) 在特殊的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，北部盆地形成了前陸盆地的構(gòu)造和地層展布特征，呈現(xiàn)向東呈開口的“喇叭狀”的構(gòu)造形態(tài)，與中部隆起構(gòu)造走向形成明顯區(qū)別，應(yīng)單獨劃分為南黃海北部前陸盆地。研究區(qū)依次為：① 魯西隆起帶；② 膠萊盆地；③ 膠南隆起帶；④ 千里巖隆起；⑤ 南黃海北部盆地；⑥ 南黃海中部隆起帶。

4) 本次研究針對南黃海北部盆地及鄰區(qū)的重力場特征進行了初步解釋，受資料及精度限制，對于問題的深化認識，需要進一步補充其他地球物理資料、鉆孔資料、地質(zhì)資料以及較高精度的重磁資料等，因此需要對區(qū)內(nèi)補充相關(guān)工作。