基于地球物理深部信息的三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型

楊 勇，趙銀鑫，馬玉學(xué)

（寧夏回族自治區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查院，寧夏銀川 750021）

地球物理技術(shù)是利用儀器設(shè)備獲取地球中深部信息、劃分地質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要手段之一，在綜合地質(zhì)調(diào)查中廣泛運(yùn)用，并取得了較好的效果。以往地球物理成果主要以二維斷面圖來(lái)表達(dá)，近年來(lái)隨著三維地質(zhì)建模技術(shù)的發(fā)展成熟，三維立體成果已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目中[1]。利用地球物理深部信息構(gòu)建地下一定深度的立體結(jié)構(gòu)模型[2]，能夠直觀地對(duì)深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)識(shí)和了解。

基于“永寧縣幅、梧桐樹(shù)幅、橫山堡幅（寧夏境內(nèi)）1∶5 萬(wàn)綜合地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目，本文以調(diào)查區(qū)為研究范圍，利用音頻大地電磁測(cè)深剖面，結(jié)合已有研究成果，分析解譯研究區(qū)2 km 以淺的地層結(jié)構(gòu)特征，并基于GMS 軟件平臺(tái)構(gòu)建了研究區(qū)三維地質(zhì)模型。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)大地構(gòu)造位置屬于柴達(dá)木—華北板塊中部，華北陸塊之鄂爾多斯地塊，鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶，陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶和銀川斷陷盆地，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)、邊界特征在一定程度上受裂陷帶這一獨(dú)特的構(gòu)造帶位置制約和影響[3]。以黃河斷裂為界，以西為銀川斷陷盆地，以東為陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶。

研究區(qū)地表出露地層主要為第四系、新近系和古近系，見(jiàn)圖1。銀川斷陷盆地被巨厚的新生界所覆蓋，第四系厚度在永寧縣一帶超過(guò)800 m，第四系之下主要為新近系和古近系，結(jié)合已有鉆孔資料、重力解譯成果可知，該地區(qū)新生界厚度最深可達(dá)6 km。陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶地表出露地層以新生界和中生界為主，根據(jù)該地區(qū)鉆孔揭露情況，區(qū)內(nèi)地層自老至新有奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系、古近系、新近系和第四系。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)概況圖

1.2 電性參數(shù)

研究區(qū)銀川盆地和陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶2 個(gè)構(gòu)造單元地質(zhì)結(jié)構(gòu)迥異，其垂向電性結(jié)構(gòu)也存在明顯差異，因此在充分收集銀川盆地和陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶已有水文測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和鄰區(qū)物性標(biāo)本測(cè)量結(jié)果后，對(duì)兩個(gè)構(gòu)造單元的物性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，見(jiàn)表1。

表1 研究區(qū)主要地層的電性特征

黃河斷裂以西的銀川盆地，西段對(duì)應(yīng)為賀蘭山洪積傾斜平原區(qū)，其地層巖性主要為粗粒相的塊石、漂礫、砂礫石，該段表現(xiàn)為明顯的高阻特征，電阻率一般在100～500 Ω·m 之間；東段屬河湖積平原區(qū)，第四系厚度較大，最厚處位于永寧縣一帶，厚度達(dá)800 m，其地層巖性主要為細(xì)砂、粉細(xì)砂夾砂黏土層，地層電阻率差異一般在10～50 Ω·m 之間；第四系之下為新近系和古近系泥巖地層，電阻率一般小于15 Ω·m。

黃河斷裂以東的陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶、馬鞍山地區(qū)地表主要以白堊系砂巖為主，電阻率一般大于100 Ω·m。馬鞍山以東為寧東地區(qū)，新生界、中生界和古生界均有不同程度的發(fā)育。淺表多出露第四系風(fēng)積沙層，厚度較薄，電阻率一般大于100 Ω·m；古近系厚度一般在100～200 m，巖性以泥巖為主，電阻率一般小于15 Ω·m。新生界之下為中生界和古生界，根據(jù)已有鉆孔揭露情況，探測(cè)深度內(nèi)分別為二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系，由淺入深電阻率逐步抬升。

2 探測(cè)方法及技術(shù)參數(shù)

2.1 方法原理

深部信息的數(shù)據(jù)獲取采用了音頻大地電磁測(cè)深法，該方法基于頻率域大地電磁測(cè)深原理，以天然交變電磁場(chǎng)為場(chǎng)源，利用電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生的電磁感應(yīng)效應(yīng)，通過(guò)研究地下介質(zhì)對(duì)天然電磁場(chǎng)的頻率響應(yīng)，獲取地下不同深度介質(zhì)電阻率分布信息[4]。

2.2 方法技術(shù)

儀器采用EH-4 電導(dǎo)率成像儀，測(cè)深點(diǎn)點(diǎn)距為500 m。采用GPS 差分定位方式測(cè)定點(diǎn)位，平面坐標(biāo)精度在±10 m 以內(nèi)，點(diǎn)距為500 m。在人文干擾較大的地段對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)偏移，橫向偏差不大于400 m。

2.3 主要參數(shù)

根據(jù)大地電阻率及探測(cè)深度初步估算，結(jié)合參數(shù)試驗(yàn)，確定工作采樣頻段為0.1～10 kHz，測(cè)量方式為標(biāo)量測(cè)量，電偶極距為60 m，有效探測(cè)深度約2 000 m。

3 電性結(jié)構(gòu)及剖面成果解譯

3.1 Ⅰ-Ⅰ′剖面成果

由Ⅰ-Ⅰ′剖面視電阻率等值線及推斷解譯成果圖（圖2）可以看出，剖面由西向東電性差異明顯，分別反映了銀川斷陷盆地和陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶的電性結(jié)構(gòu)。

圖2 Ⅰ-Ⅰ′剖面視電阻率等值線及推斷解譯成果圖

銀川斷陷盆地除局部地段存在“透鏡狀”高阻異常區(qū)外，自上而下總體表現(xiàn)為相對(duì)低阻特征，電性曲線多呈D 型、KH 型曲線。淺部“透鏡狀”高阻異常埋深在200～380 m 之間，視電阻率在40～100 Ω·m之間，主要為山前洪積砂礫石層的反映。砂礫石層之下地層視電阻率小于15 Ω·m，對(duì)應(yīng)新近系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖。從銀川盆地整體電性結(jié)構(gòu)特征分析，該段第四系由西向東厚度逐漸變大，在永寧縣一帶厚度可達(dá)800 m。第四系之下為新近系，厚度大于1 500 m。

陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶電性單元分為兩個(gè)次一級(jí)的電性單元，即馬鞍山電性單元和寧東電性單元。馬鞍山電性單元曲線類型多呈H 型，由淺入深呈高—低—高三元電性結(jié)構(gòu)。結(jié)合地質(zhì)背景分析，對(duì)成果進(jìn)行推斷解譯，初步認(rèn)為淺部高阻層為白堊系砂巖夾礫石層的反映，厚度約1 000 m；白堊系之下對(duì)應(yīng)二疊系和石炭系，厚度在850 m 左右；深部高阻層隆起主要對(duì)應(yīng)奧陶系。寧東電性單元不考慮淺部電性不均，基本呈上低下高二元電性結(jié)構(gòu)。該段淺部為第四系黃土、風(fēng)積沙層，之下為古近系，厚度一般在200 m 左右，深部電阻率逐步抬升，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′剖面與Ⅰ-Ⅰ′剖面電性結(jié)構(gòu)基本一致，視電阻率等值線及推斷解譯成果圖（圖3）顯示，銀川盆地電性單元中，賀蘭山洪積傾斜平原區(qū)淺部主要以洪積砂礫石層為主，為明顯的高阻特征，厚度由西向東逐漸增厚，一般在100～400 m 之間。而河湖積平原區(qū)淺部第四系巖性以粉細(xì)砂、砂黏土為主，電阻率在15 Ω·m 左右，厚度最深達(dá)700 m。第四系之下為新近系和古近系泥巖，靠近陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶，盆地深部存在電阻率抬升現(xiàn)象，推斷可能為白堊系隆起。

圖3 Ⅱ-Ⅱ′剖面視電阻率等值線及推斷解譯成果圖

陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶電性單元可以分為馬鞍山電性單元和寧東地區(qū)電性單元。馬鞍山電性單元與上述Ⅰ-Ⅰ′剖面基本一致，自上而下呈高—低—高三元電性結(jié)構(gòu)，淺部存在較大厚度的高阻體，厚度約為300 m，主要為白堊系砂礫巖的反映。白堊系之下的低阻層電阻率在15～30 Ω·m 之間，推測(cè)可能為二疊系和石炭系的反映，厚度由西向東逐步變薄。深部電阻率逐漸抬升，主要為前奧陶紀(jì)地層的反映。寧東地區(qū)電性單元位于剖面的東段，不考慮淺表電性不均的影響，曲線類型多呈AA 型，表現(xiàn)為電阻率由低到高。結(jié)合區(qū)域鉆孔資料，經(jīng)對(duì)比分析，淺部150 m深度內(nèi)電阻率小于15 Ω·m，主要對(duì)應(yīng)為古近系泥巖地層。下伏地層電阻率變化范圍為10～30 Ω·m，主要對(duì)應(yīng)古生界，總厚度為900 m。1 050 m 深度呈明顯的高阻抬升，推測(cè)其對(duì)應(yīng)前奧陶紀(jì)地層。

4 三維結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建

三維地質(zhì)模型構(gòu)建是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將空間分析、圖形數(shù)字化、圖形可視化等工具結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行地質(zhì)研究的三維空間模擬技術(shù)[5]。本文以研究區(qū)為模型構(gòu)建的限定范圍，基于研究區(qū)音頻大地電磁測(cè)深所獲取的2 km 以淺的深部電性結(jié)構(gòu)和地質(zhì)解譯成果，依據(jù)工作區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，按一定距離提取單點(diǎn)地層結(jié)構(gòu)作為虛擬鉆孔數(shù)據(jù)，導(dǎo)入軟件borehole data 模塊后，連接地質(zhì)剖面，并利用solids 模塊完成三維地質(zhì)模型的構(gòu)建。

本文利用2 條剖面成果提取了181 個(gè)虛擬孔數(shù)據(jù)（圖4）。其中，在銀川盆地提取96 個(gè)虛擬孔數(shù)據(jù)，2 km 以淺分為第四系和新近系2 層；在陶樂(lè)—彭陽(yáng)沖斷帶提取85 個(gè)虛擬孔數(shù)據(jù)，2 km 以淺自上而下分為第四系、新近系-古近系、白堊系、三疊系、二疊系-石炭系、奧陶系、寒武系7 層（圖5）。

圖4 利用音頻大地電磁測(cè)深剖面提取的虛擬鉆孔位置

圖5 利用虛擬鉆孔數(shù)據(jù)構(gòu)建的立體剖面

為了直觀地了解不同位置的垂向地層分布情況，對(duì)所構(gòu)建的研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖6）提取了三維切面圖，并沿東西向、南北向進(jìn)行了提?。▓D7），以便其他相關(guān)人員了解任何一個(gè)位置的地層分布情況。

圖6 研究區(qū)三維地質(zhì)模型

圖7 研究區(qū)不同位置三維切面圖

5 結(jié)論

（1）通過(guò)東西向分布的兩條音頻大地電磁測(cè)深剖面，獲取了研究區(qū)地下2 km 深度內(nèi)的電性結(jié)構(gòu)。結(jié)合已有研究成果及認(rèn)識(shí)，較為精細(xì)地分析解譯了研究區(qū)的深部地層結(jié)構(gòu)。

（2）基于GMS 軟件平臺(tái)，利用音頻大地電磁測(cè)深解譯成果，構(gòu)建了研究區(qū)的三維地質(zhì)模型。該模型相對(duì)傳統(tǒng)二維成果剖面，能夠直觀地反映出研究區(qū)地下深部信息。