基于重磁異常的天津市平原區深部構造特征識別

楊學明，李世斌，韓杰，林星

（天津市地球物理勘探中心，天津300170）

研究區在大地構造位置上一級分區屬于渤海灣裂谷盆地，為典型的多旋回盆地，構造演化經歷了結晶基底形成及沉積蓋層發育的兩大旋回[1]。二級分區屬華北斷拗區，為中、新生代斷拗，區內隆起、拗陷及次級（Ⅳ級）凸起、凹陷的延伸方向呈雁行式凹、隆相間的構造格局，深大斷裂的走向均為NNE 向展布[2]。研究區內有與其配套發育的北西西（NWW）和北西（NW）向的斷裂，在不同程度上控制著凸起和凹陷的發育。受不同構造旋回期的發展演化控制，晚期發育地質構造掩蓋早期地質構造特征，地表反映不明顯[3-4]，而深部構造對于構造單元劃分、資源評價、城市規劃建設、地學研究等具有十分重要的作用，地球物理方法在識別深部地質構造特征中發揮著不可替代的作用。

自上世紀60年代，在天津市及周邊地區開展了大量的地球物理工作，包括1/50萬、1/20萬、1/10萬或1/5萬（局部）重力、航磁測量及大地電磁、地震勘探工作，取得了大量地球物理數據，在此基礎上劃分了天津市平原區主要斷裂構造空間分布，識別深部斷裂構造特征，圈定了侵入巖體及探討了基地性質，為探討天津市平原區地質構造信息提供了豐富的成果基礎[5-6]。

近年來重磁資料不斷更新，數據處理、解釋新方法快速發展，使得區域重磁資料在研究構造特征方面取得了顯著成效。筆者利用區域重力、航磁數據（重力為天津市地球物理勘探中心實測1/5萬重力數據，接邊為鄰區1/20萬重力數據、航磁數據來源于自然資源部航空物探遙感中心實測1/5萬航磁數據），開展重磁資料處理解譯，利用小波尺度分離和增強局部相位邊界識別技術提取了研究區內豐富線性構造信息，分析區內主要斷裂構造特征，進行定性分析；同時利用分離出的大尺度重磁異常采用Parker法反演研究區莫霍面、居里面起伏特征，結合區內深大斷裂總結研究區深部構造特征。

1 地質、地球物理背景

天津市構造屬渤海灣裂谷盆地，為典型的多旋回盆地，構造演化經歷了結晶基底形成及沉積蓋層發育的兩大旋回。結晶基底的形成，歷經五臺、呂梁等構造運動改造，于呂梁期形成穩定克拉通。沉積蓋層主要包含中、新元古界至中、新生界。

1.1 地層

全區被第四系覆蓋，僅在天津北部薊縣山區出露中、新元古界長城系、薊縣系和青白口系，出露面積約640 km2，其次是零星的太古宇和古生界寒武系下統府君山組出露，太古宇八道河群王廠組及下古生界零星分布[7-10]。據鉆井和物探資料揭示，研究區中生界埋藏較深，其上沉積了巨厚的新生界，而中生界局部地段殘留，厚度不大；研究區從太古宇至新生界均有發育，但上奧陶統至下石炭統缺失，古近系古新統局部缺失[11]。

1.2 構造

構造隸屬于華北斷坳區，為中、新生代斷坳，區內隆起、坳陷及次級（Ⅳ級）凸起、凹陷的延伸呈北東向雁行式凹、隆相間排列，斷裂多為北東向展布，其中滄縣隆起（天津段）由一系列北東向凹、隆相間排列的凸起、凹陷所構成，如雙窯凸起、白塘口凹陷、潘莊凸起、小韓莊凸起等；區內規模較大的斷裂，構成次級構造單元的分界線，如滄東斷裂構成滄縣隆起的東南邊界，白塘口西斷裂和白塘口東斷裂分別為雙窯凸起與白塘口凹陷、白塘口凹陷與小韓莊凸起的分界線。另外區內北西向斷裂較發育，如海河斷裂，以不同程度控制凸起和凹陷的發育。

1.3 地球物理特征

天津市平原區布格重力異常平面圖（圖1a）可以看出，布格重力場值宏觀表現為東北、西南高，西北、東南低，布格重力場值在-55～14×10-5m/s2之間變化，重力場最高值位于團泊西北附近，布格重力場值約為14×10-5m/s2，布格重力場最小值位于武清縣北蔡村附近，布格重力場值約為-55×10-5m/s2。形態表現為“兩低、兩高”，布格重力異常呈北東向高、低相間排列，它充分揭示了寶坻凸起、冀中坳陷（武清凹陷）、滄縣隆起、黃驊坳陷的地質構造特征。

從天津市平原區航磁化極后ΔT異常平面圖（圖1b）可以看出，航磁△T異常宏觀形態表現為北西西帶狀分布，南北向高、低相間排列，其間疊加團塊狀的磁力高異常，磁力場值在-180～350 nT之間變化。磁力場最小值位于研究區東南部馬棚口，最高值位于研究區東南部澗南潛山。

1.4 物性特征

地層（巖石）密度、磁化率是重磁勘探資料解釋的重要參數。20世紀60年代以來，伴隨著研究區及周邊油氣資源、地熱資源和生產用水等勘探工作的深入開展，對研究區及周邊做了大量的巖石（巖心）標本、第四系標本及密度測井等密度、磁化率測定與研究工作，取得了豐富的物性資料。

圖1 天津市平原區地球物理異常圖Fig.1 Geophysical anomaly in Tianjin plain area

結合大區域范圍的宏觀巖石密度資料，從研究區巖石密度統計結果來看（表1），各地層密度值隨地質年代由新到老逐漸增大；同一地層、巖性成分，采用不同方法得到的密度值十分接近，表明不同構造單元的地層密度較為穩定；東營組與館陶組之間、孔店組與白堊系之間、侏羅系-上古生界、下古生界-太古宇各地層密度值接近，密度差異不明顯；區內火山巖多為中、新生界，其巖性多為玄武巖、安山巖、火山角礫巖、凝灰巖，密度值較大；巖漿巖密度具有從堿性→酸性→中性→基性→超基性增大的一般規律，密度值一般在2.60～3.0 g/cm3之間變化，侵入巖的密度值較噴出巖大。

密度分布特征由上而下可劃分為以下五個密度層，存在四個密度界面，第一密度層為第四系，平均密度值為2.05 g/cm3；第二密度層為新近系-東營組，平均密度值為2.20 g/cm3；第三密度層為古近系沙河街組-白堊系，平均密度值為2.41 g/cm3；第四密度層為侏羅系、三疊系上古生界，平均密度值2.59 g/cm3；第五密度層為下古生界-太古宇，平均密度值2.68 g/cm3，該層是造成區域重力異常的主要因素。

表1 研究區巖石地層密度磁參數統計表Table 1 Statistical table of density of rock strata in the research area

該區地層磁性特征表現為中、新元古界及上覆沉積地層為弱磁性或無磁性，下元古界或更老地層組成的結晶基底以片麻巖類為主，磁性較強，磁化率一般在1 000×10-5SI～3 000×10-5SI 之間變化，巖漿巖、火山巖具有較強的磁性，但其磁性變化較大，一般在0～4 500×10-5SI之間變化，具有從酸性→中性→基性→超基性增強的一般規律，從巖性上分析，蛇紋巖、橄欖巖、角閃石巖、輝石巖磁性較強，在4 000～5 000×10-5SI之間；輝綠巖、安山巖、閃長巖類、玄武巖類、輝綠巖、輝長巖、蘇長巖次之，一般在2 000～2 500×10-5SI之間；石英巖類、花崗巖類磁性較弱，一般在250～800×10-5SI之間。

2 處理方法及結果

重力異常揭示地表至上地幔之間的固體介質密度差異，磁異常揭示地表至磁性基底等溫面，是研究區域、深部構造特征的數據資源[12-16]。而在利用重力、磁異常數據開展研究的過程中，有效分離不同深源層地質體引起的異常及提取其所反映的線性構造特征是至關重要的環節。

2.1 處理方法

（1）重力異常分離的小波分析

小波變換可以將信號f（x）分解成多種不同的頻率成分或各種不同的尺度成分，通過伸縮、平移聚集到f（x）的任意細節加以分析[17]。小波變換具有變焦性，當頻率變化時，窗口面積不變，但其形狀發生改變，即當頻率低時，窗口較寬，空間分辨率較低，當頻率升高時，窗口變窄、變高，空間分辨率增加，具良好的局部化特征。

若令J2=4，f(x，y)=△g(x，y)，則有：

Ajf(x，y)為f(x，y)在尺度4j分辨率下的連續逼近，Djf(x，y)為f(x，y)在尺度4j分辨率下的連續細節。上式說明一個二維重磁異?？梢员磉_為一個四階逼近及一階、二階、三階和四階四個細節所構成，也就是對重力異常進行多重分解。

本次數據處理過程中，我們根據地質目標來組合小波細節，選擇了合適的高階逼近，來實現有地質意義的分解。將結果與地質資料對比，認為5階次的小波變換異常能反映區內的局部構造。

（2）增強局部相位邊界識別技術

局部相位（Local pahse，LP）邊界識別技術是根據重磁異常一階水平導數極值點和垂直導數的零值點與地質體邊界相對應的特征，利用水平與垂直導數比值來獲得地質體的邊界信息[18-20]。該方法相對總水平導數能同時獲得不同深度地質體的邊界，提高了深部地質體的分辨能力。但以往結果表明該方法所得到結果較發散。為了提高結果的水平分辨率，提出增強型局部相位邊界識別技術（Improved local pahse，ILP），其采用一階水平導數與二階垂直導數的比值函數來實現邊界識別，且為了滿足數學意義，乘以因子其具體表達式為：

其中ILP為增強型局部相位邊界識別結果，f為位場異常為位場異常在三個方向的導數，mean為取算數平均值。高階垂向導數在計算過程中會明顯地增強噪聲的干擾，因此采用水平導數的組合計算垂直導數，表達式為：

（3）Parker法重磁界面反演

七十年代以來，R.L.Parker（帕克）提出了一種界面重磁場的正、反演公式。它能計算物性橫向變化的連續界面，場的反演是假定異常源來自于兩種不同密度介質分界面，并要求界面起伏變化較小。計算在頻率域內進行，通過多次迭代擬合界面重磁場完成密度、磁性界面的反演計算。以密度界面反演為例，其反演公式如下：

其中σ(ζ，η)為已知地層與下部介質之間的密度、磁性差，Z0為參考面深度，G為萬有引力常數，F為位場傅里葉變換，△h為相對于參考面深度Z0的界面起伏深度。

2.2 處理結果

基于以上方法，對天津市平原區布格重力異常、航磁△T化極異常進行位場轉換計算[10]，利用小波變換分析提取不同尺度的重力、航磁局部及區域異常，并對重力、航磁異常進行增強局部相位邊界識別，提取地球物理場的線性構造特征。

圖2為小波變換5階分離出的布格重力異常局部與區域場，圖3為小波變換5階分離出的航磁△T異常局部與區域場。

圖4 為天津市平原區重磁增強局部相位邊界識別平面圖，利用一階和二階水平導數的比值來進行邊界的識別，其能有效地均衡不同深度地質構造的效應，提高了深部構造的分辨率，能更加清晰和準確地獲得地質構造的位置信息，結果與已知地質構造相吻合，對于分析區域構造背景提供了基礎資料。

本次研究選取界面密度差0.3 g/cm3，莫霍面平均深度33 km；選取磁性基底平均深度10 km，平均磁化強度為0.3 A/M，利用Parker法反演莫霍面、磁性基底的起伏形態（圖5）。

3 成果認識

3.1 主要斷裂特征分析

圖2 研究區布格重力異常小波變換5階局部與區域場平面圖Fig.2 Bouguer gravity anomaly local and regional fields plane of 5-order wavelet transform in the research area

深大斷裂兩側存在物性差異，則會在重磁位場轉換圖中呈現一定的異常特征，本文依據研究區重力異常、航磁△T 化極異常特征及上述處理方法結果，并結合相關地質、地球物理研究成果，劃分并分析研究區內深大斷裂特征，具體分析如下：

（1）F1斷裂（滄東斷裂）

該斷裂位于研究區中部，呈北東向展布，受構造運動作用，多處被北西西向斷裂錯斷，區內延伸長度約121 km。

在布格重力異常上，該斷裂位于布格重力高、重力低的梯級帶部位，表現為北東向明顯的重力梯級帶，每公里梯度變化約1.0～5.0×10-5m/s2；斷裂西北側為布格重力高、東南側為布格重力低，表明斷裂西北盤上升、東南盤下降。在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂表現為局部重力高、重力低的分界線。

圖3 研究區航磁異常小波變換5階局部與區域場平面圖Fig.3 Aeromagnetic anomaly local and regional fields plane of 5-order wavelet transform in the research area

在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為不連續的正極值軸連線。在化極航磁△T異常平面圖上，該斷裂南段為磁力高異常帶的極值軸線。

研究成果表明，斷裂西北盤新生界厚千余米，基底由古生界和中、新元古界構成，認為該斷裂為本區重要的殼斷裂，為印支-燕山期構造旋回的產物，具有長期活動的特征，控制了中、新生代盆地的發育，構成滄縣隆起與黃驊坳陷的分界。

圖4 研究區重磁增強局部相位邊界識別平面圖Fig.4 Gravity and magnetism enhanced local phase boundary recognition plane in the research area

綜上所述，推斷該斷裂為規模巨大、西北盤上升、東南盤下降、斷面東南傾的正斷層，構成滄縣隆起與黃驊坳陷的分界線。該斷裂最早生成于晚石炭紀-晚三疊紀，中生代活動較弱，古近紀早期強烈活動，至新近紀，該斷裂活動逐漸減弱，但仍不斷活動。由于該斷裂強烈活動，控制了東緣裂陷帶的生成、發育及沉積地層分布。依據重力場的形態變化特征，推斷該斷裂在新生代活動，具有北段活動晚、斷距小，南段活動早、斷距大的特征。

（2）F2斷裂（天津斷裂）

該斷裂位于研究區中部，大致沿岳實莊村-豐臺鎮-大唐莊-爾王莊（東）-霍莊子-大畢莊-李七莊-蔡公莊一線呈北東向展布，受構造運動作用，多處被北西西向斷裂錯斷，區內延伸長度約142 km。

圖5 研究區莫霍面和磁性基底圖Fig.5 MOHO surface and magnetic basement in the research area

在布格重力異常平面圖上，該斷裂位于布格重力高、重力低的梯級帶部位，表現為北東向的重力梯級帶，重力場梯度每公里在1.5～5.0×10-5m/s2之間變化；斷裂東南側為布格重力高、西北側為布格重力低，表明斷裂東南盤上升、西北盤下降。在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂表現為局部重力高、重力低的分界線。在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為不連續的正極值軸連線。

綜上所述，推斷該斷裂為規模巨大、東南盤上升、西北盤下降、斷面西北傾的正斷層。該斷裂最早生成于晚石炭紀-晚三疊紀，中生代活動較弱。古近紀早期斷裂北段活動強烈，至新近紀，該斷裂整體活動性增強，由于該斷裂的活動，控制了西緣裂陷帶的生成、發育及沉積地層分布。依據布格重力場的變化特征，推斷該斷裂具有北段活動早、斷距大，南段活動晚、斷距小的發育特征。

（3）F3斷裂（寶坻斷裂）

該斷裂位于研究區北部，大致沿鉗屯-顧家屯-新開口-王樸莊一線呈東西向展布，區內延伸長度約40 km。

在布格重力異常平面圖上，該斷裂位于布格重力高、重力低的梯級帶部位，表現為東西-北東向明顯的重力梯級帶，重力場梯度變化較大，每公里梯度變化約9～12×10-5m/s2；斷裂北側為布格重力高、南側為布格重力低，表明斷裂北盤上升、南盤下降。在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂表現為局部重力高、重力低的分界線。在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為正極值軸的連線。在化極航磁△T異常平面圖上，該斷裂位于磁力高與磁力低的梯級帶過渡部位，斷裂北側為磁力低、南側為磁力高。

據鉆井資料，斷裂北盤第四系厚約數百米，第四系直接覆蓋于古生界和中、新元古界之上，基底埋藏較淺。

綜上所述，該斷裂為北盤上升、南盤下降、斷面南傾的正斷層。該斷裂生成較早，具有長期活動的特征，古近紀強烈活動，新近紀-第四紀更新世，該斷裂仍在活動，使寶坻凸起不斷上升，此后活動減弱。該斷裂為武清凹陷生成的主控斷裂，控制了寶坻凸起構造的發育及武清凹陷的生成，對武清凹陷的生成及沉積建造起著主要的控制作用，構成寶坻凸起與武清凹陷的分界線。

（4）F4斷裂（楊柳青斷裂）

該斷裂位于研究區中西部，大致沿良種繁殖場-林場-青光-李嘴-朱唐莊（西北約2 km）一線呈近北東向展布，區內延伸長度約53 km。

在布格重力異常平面圖上，該斷裂位于北東向的重力梯級帶，布格重力等值線同向扭曲，重力場梯度每公里在2.0～2.5×10-5m/s2之間變化；在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂位于局部重力高、重力低的過渡帶，斷裂西北側為重力低、東南側為重力高，表明該斷裂東南盤上升、西北盤下降。在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為不連續的正極值軸連線。

綜上所述，推斷該斷裂為一條西北盤下降、東南盤上升、斷面西北傾的正斷層。該斷裂最早生成于晚石炭紀-晚三疊紀，中生代活動較弱，古近紀活動較強，此后活動減弱。依據重力場的變化特征，推斷該斷裂對武清凹陷的生成起主要的控制作用，構成滄縣隆起與冀中坳陷（武清凹陷）的西南分界線。

（5）F5斷裂（漢沽斷裂）

該斷裂位于研究區中東部，大致沿東七里海水庫（東北約2 km）-橋沽-漢沽（北約2 km）一線呈北西西向展布，區內延伸長度約39 km。

在布格重力異常平面圖上，該斷裂位于布格重力高與重力低的過渡帶部位，布格重力等值線同向扭曲，梯度變化較大，重力梯度變化約每公里1～2.5×10-5m/s2之間。在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂位于局部重力高與重力低的過渡帶部位，斷裂南側為局部重力低、北側為局部重力高，表明該斷裂北盤上升、南盤下降。在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為不連續的正極值軸連線。

綜上所述，該斷裂為北盤上升、南盤下降、斷面西南傾的正斷層。該斷裂生成于石炭紀-晚三疊紀，并強烈活動，中生代活動較強，控制了北塘凹陷的生成、發育及中生代的沉積分布，古近紀再次活動，新近紀活動減弱，認為該斷裂構成黃驊坳陷與滄縣隆起的分界線。

（6）F6斷裂（白塘口西斷裂）

該斷裂位于研究區中南部，大致沿萬新莊（東約3 km）-大寺（西約2 km）-團泊農場-渡口（西約3 km）一線呈北北東向展布，區內延伸長度約47 km。

在布格重力異常上，該斷裂位于重力高與重力低的梯級帶部位，重力場梯度變化較大，每公里重力梯度變化為3.0～4.5×10-5m/s2。在布格重力小波分解局部異常上，該斷裂位于局部重力高、重力低的過渡帶部位，斷裂東側為局部重力低、西側為局部重力高，表明該斷裂西盤上升、東盤下降。在布格重力增強局部相位邊界識別上表現為連續的正極值軸連線。

在化極航磁△T異常、小波分解局部異常上，該斷裂位于磁力高異常帶的極值軸線。

綜上所述，該斷裂為西盤上升、東盤下降、斷面東南傾的正斷層，構成天津西凸起與白塘口凹陷的分界線。該斷裂生成于中生代并強烈活動，古近紀活動減弱，控制了白塘口中生代凹陷的生成及沉積地層分布。

3.2 莫霍面、磁性基底起伏特征

莫氏界面，在研究區連續分布，莫氏面埋深在32.5～33.6 km之間變化，起伏變化不大，莫氏面最小埋深位于研究區東北部岳實莊村、東歡坨、范家坨周邊，最大埋深位于研究區西北部豆張莊-泗村店一帶。在滄縣隆起區，以蟶頭沽-清河農場-黃莊-方家莊一線為界，西南部沿塘官屯-大丘莊-團泊-巨葛莊一線存在北東向的橢圓形莫氏面低隆起帶，隆起帶莫氏面最小埋深約33 km；東北部莫氏面由西南向東北逐漸抬升，等深線為北西向。在冀中坳陷區，沿豆張莊-泗村店一線存在北東向的橢圓形莫氏面低凹陷區，向四周莫氏面逐漸抬升，莫氏面最大埋深約33.6 km。黃驊坳陷區，莫氏面等深線呈北東向展布，形態簡單，等深線稀疏。

太古宇磁性基底頂界面，在研究區連續分布。磁性基底宏觀上為近東西向的帶狀分布，表現為南北低、中部高，呈北東東向高、低相間排列，磁性基底埋深在7.9～12.4 km之間變化，起伏變化不大。在研究區北部泗村店-大堿廠-大白莊-大鐘莊-黃家鋪村一線，磁性基底頂界面局部凹陷，構造為近東西向的長條形，磁性基底頂界面最大埋深位于泗村店-大堿廠東西一線，約為10.7 km，向四周磁性基底抬升。在大鐘莊-黃家鋪村一帶，磁性基底頂界面埋深起伏變化不大，形態簡單，等深線稀疏。在研究區西南部，雙窯村-管鋪頭-張家窩一線，磁性基底頂界面局部凸起，構造為南北向的長條形，形態簡單，等深線稀疏，磁性基底起伏變化較小，磁性基底頂界面埋深在9.3～9.8 km之間變化，磁性基底頂界面最小埋深約為9.3 km，向四周磁性基底降低。在研究區東中部，澗南-大神堂-趙莊-大辛莊-大鐘莊一線，磁性基底頂界面局部凸起，構造為北西向的長條形，磁性基底頂界面埋深在7.5～9.0 km之間變化，最小埋深約為7.5 km，向四周磁性基底降低，等深線同向彎曲。在研究區東南部，塘駒河、驢駒河東南側，為磁性基底凹陷區，形態為等軸狀，四周等深線密集，中心等深線稀疏，磁性基底頂界面埋深在10.0～12.4 km之間變化，起伏變化較大，構造最大埋深12.4 km。

總之，莫氏面及磁性基底頂界面反演成果，宏觀上反映了研究區莫氏面及磁性基底的起伏變化，客觀地揭示了現今的深部構造特征，為研究本區的深部地質結構提供了參考依據。

4 結論

（1）通過小波變換有效的分離出重磁局部及區域異常信息并利用增強局部相位邊界識別技術提取豐富線性構造信息，為后續定性分析及界面反演提供可靠異常數據;劃分研究區6條主要斷裂，利用小波變換局部及區域的重磁異常、增強局部相位邊界識別技術分析斷裂線性構造特征，并對斷裂切割深度進行定性分析。

（2）利用區域重力、航磁異常反演研究區莫霍面、磁性基底深度，莫霍面起伏介于32.5～33.6 km之間，總體上具有西深東淺的特征；磁性基底深度介于7.9～12.4 km之間，為近東西向的帶狀分布。

（3）滄東斷裂、寶坻斷裂為研究區深部構造主要控制因素，研究區莫霍面、磁性基底起伏特征受其控制，展現出深部構造東西分帶、南北分塊的特征。