2011, Vol. 54
2. 中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029;
3. 中国科学院大地测量与地球物理研究所,武汉 430077;
4. 国土资源部航空物探遥感中心,北京 100083
, HAO Tian-Yao1,2, HUNG Song1,2, LI Zhi-Wei1,3, LV Chuan-Chuan1,2, ZHAO Bai-Min1,4, HU Wei-Jian1,2
2. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
3. Institute of Geodesy and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430077, China;
4. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
渤海湾地区位于华北东部，是华北克拉通破坏的中心区域.渤海是华北陆地地区的自然延伸，海域构造特征研究也是探讨华北克拉通东向延伸及中朝-扬子块体边界结合带等问题的关键.近年来，有关华北克拉通破坏问题的研究表明，华北克拉通东部相比其西部具有薄的地壳和岩石圈，是华北克拉通破坏发生的主要区域[1].近年来，围绕该问题建立了以流动地震台站观测为主的陆地地震探测网，并据此得到了多项研究成果[2～7]，对华北地区岩石圈结构等问题取得了新的认识[5， 8].相较而言，由于海域地球物理调查难度较大，目前对渤海海域的地球物理探测及研究主要以针对油气储层为目标的浅层目标地震勘探(拖缆式地震勘探)和基于渤海及周边陆地地震台站观测数据进行的地震层析成像研究[9， 10]为主，存在地震勘探层位浅和层析成像无法刻画精细壳内结构等不足.在海域有针对性的深部结构地球物理探测则相对缺乏，这也制约了对华北克拉通破坏空间分布及动力学机制等问题的研究.同时，在渤海海域，利用非震数据(重力、磁力等)进行的壳内结构研究主要以区域性研究为主[11， 12]，研究层位也主要集中于上地壳，特别是与油气勘探有关的壳内结构研究，对渤海壳内结构的总体认识还有待于进一步深入.
为了解渤海及周边地区深部结构特征，2010年在基金委“华北克拉通破坏”重大研究计划及863计划支持下，在渤海湾地区进行了海陆联测地震探测工作，陆地部分自河北省定兴县向东南方向至天津大港上古林，随后以北西-南东向穿过渤海海域.此次海陆联测采用海底地震仪和陆地地震台站分别在海底和陆地接收海上气枪震源和陆地炸药震源信号，据此获得了较为详细的壳内分层特征1).为了进一步探讨该测线区域深、浅部构造特征及其相互作用，本文以重力及磁力异常为基础数据，在海陆联测结果的基础上，进一步反演了壳内精细结构特征，以多种地球物理数据及地质资料的应用，减少反演的多解性，为获取可信的地质认识提供进一步支持.
1)郝天珧等.《渤海及邻域深部结构及其对华北克拉通破坏的响应》中期研究报告.中国科学院地质与地球物理研究所，2010
2 地质背景及地球物理数据 2.1 剖面位置及地质背景渤海湾盆地属于中新生代盆地，从太古代到晚元古代形成统一的结晶基底[13]，其上发育有不同时代的各套地层，但由于构造背景及沉积环境不同，地层发育及特征在盆地内部具有不同特征[14].张善文等[14]对渤海湾盆地残留地层的研究为了解区域各套地层分布提供了有益的参考.
本文截取剖面位于渤海湾盆地内部(图 1)，与海陆联测测线重合，横跨了盆地内部主要构造单元，剖面自西向东依次经过徐水凹陷、廊固凹陷、牛坨镇凸起、霸县凹陷、沧县隆起、板桥凹陷、北大港潜山、歧口凹陷、沙垒田凸起、渤中凹陷和渤南凸起等地质单元，总长约422km.
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图 1 研究区区域地质概况及剖面位置图 Fig. 1 Tectonic frame of the study area and the location of the investigation profile |
本文采用重磁数据来自中国科学院地质与地球物理研究所《环渤海湾地区前新生代残留盆地油气资源研究》数据库(1∶20万)[11]，采用高斯投影对原始数据进行了投影转换.
重力异常在-36～32mGal变化，沧县隆起区域重力异常为正值(相对振幅变化最大可达36mGal)，其他地区为负异常.剖面最西段廊固凹陷及海域沙垒田隆起一带为相对高值异常.重力异常总体变化较为平缓，总体特征与区域构造特征相吻合：凹陷区以低值异常为主，隆起区为高值异常.
磁力异常总体在-206～403nT 之间变化，最大变化幅度出现在歧口凹陷至沙垒田隆起一带.受斜磁化影响，磁异常高低变化特征与构造特征有所偏差.高值异常主要在沧县隆起到北大港潜山及渤南凸起一带.磁异常总体变化特征与该区域结晶基底展布有关[11， 15].
2.3 岩石物理性质前人在华北，特别是渤海湾盆地区曾做过大量的岩石物理性质调查工作[16]，积累了丰富的物性数据，为本文进行重磁反演提供了良好的基础.同时，由于海域物性调查工作相对困难，仅依靠钻井岩心数据分析来获取相关的物性信息，对深层物性特征并不十分清楚，一般通过对比周边陆地区域资料进行推断.结合作者在渤海湾地区及渤海地区相关工作[11， 12， 15]，本文采用的平均地层密度及磁化率参数如下：
(1) 密度
海水层密度为1030kg/m3；第四系与新近系平均密度为2200kg/m3；古近系平均密度为2400kg/m3；中生界-上古生界密度取2480kg/m3；前上古生界的密度取2690kg/m3；下地壳与上地幔之间密度界面密度差300～350kg/m3.
(2) 磁化率
根据对已有岩石及地层磁化率资料的统计分析，本区磁力异常主要是由太古界-上元古界中强磁性变质基底引起，磁化率可达(450～3500)×10-5SI，上覆沉积地层基本为无磁或弱磁性物质，中、新生代局部发育的火成岩具有较高磁性，是引起局部航磁异常的主要因素.
3 初始模型 3.1 海陆联测结果及深部构造特征渤海地区海陆联测测线位置见图 1，本文重磁剖面与该测线基本重合，可根据海陆联测处理初步结果建立初始模型用于重磁反演.本文主要参考海陆联测初步结果及研究区深地震测深等资料对反演剖面进行深部结构建模.
通过初步处理得到渤海海陆联测陆地及海域莫霍面结构，陆地莫霍面平均在32km 左右，海域莫霍面稍浅，并伴有局部小幅度隆起.在海陆过渡带，滩浅海地区无法布设台站，数据缺失造成该段反演结果可信度较低.
在本区深地震测深取得的莫霍面结构对约束剖面深部结构也具有重要作用.如文安-蔚县-察右中旗深地震探测剖面解释结果显示，在文安、霸县一带莫霍面相对较浅约为30km 左右[17].天津-北京-赤城深地震测深剖面所获取的地壳结构显示沧县隆起一带莫霍面深约31～32km，至黄骅坳陷莫霍面有所抬升，局部幅度可达6km[18].在渤中凹陷进行的两条长电缆地震剖面(各长约100km)也在10s左右获得了莫霍面反射特征，对应深度约20～26km[19].根据全国地震探测资料汇编的莫霍面深度图，显示在渤海湾地区莫霍面深约33km 左右，渤海地区根据推算在28～32km 左右[20].
根据以上资料，可建立初步的莫霍面结构.同时以上结果也对壳内分层结构按速度进行了划分，结合岩石物理性质研究，综合建立壳内结构模型.根据以上参考资料建立了下地壳结构初始模型.
3.2 浅部构造特征渤海湾盆地为中新生代沉积盆地，油气地震勘探已对大部分地区的浅部构造层有了清晰认识，本文对浅部构造特征的研究汲取了部分文献及资料发表的剖面位置附近的地震及地质研究成果，进行浅部构造层几何初始模型的构建.同时，浅部构造层模型亦参考了以重磁数据为基础的前新生代残留盆地结构相关的研究成果[11].
剖面最西段徐水凹陷至文安斜坡一带在渤海湾盆地研究中涉及较少，本文根据对霸县凹陷地区的地层层序研究及与文安斜坡有关地质研究成果[21， 22]，建立了该段剖面浅部地层(新生界)几何结构模型.沧县隆起是黄骅坳陷的西界，有众多地质剖面穿过该构造带，选取与本剖面较近的地质剖面可建立相应地层模型，其东部以沧东断裂与歧口凹陷等为界[23].沧县隆起以东，进入歧口凹陷，该凹陷具有巨厚新生代沉积层，是渤海湾盆地主要的油气产区，其地震勘探覆盖度高，浅层构造特征已非常清楚[23， 24]，其中歧口凹陷已部分进入渤海海域.再向东延伸，则进入沙垒田隆起、渤中凹陷和渤南凸起等构造单元，相应勘探程度也较高，对渤海海域的浅层构造特征也取得了清晰的认识[14， 19， 24].
基于重磁数据对渤海湾盆地前新生代残留盆地结构等区域性研究成果[11]也作为参考资料用于前新生代地层结构初始建模.地层分布特征亦参考了张善文等[14]对渤海湾盆地各地层分布相关研究成果.
根据以上资料，结合岩石物性，将浅部地壳结构模型分为四层：第四系+ 上第三系、下第三系、中生界-上古生界、下古生界(含部分元古界地层)进行初步建模.以上四层密度或磁化率在垂向上具有一定差异，是引起本区重力及磁力异常的主要场源.
4 重、磁反演结果 4.1 反演方法及结果本文采用二度半体模拟地下结构进行建模反演，通过调整初始模型，结合结构特征和不同层位密度/磁化率取值，对原始重力异常及磁异常进行拟合.剖面方位角为北偏东105.7°，所选取平均地磁场参数为平均地磁场磁感应强度50000nT，地磁倾角55°～58°，地磁偏角-5.5°～-6.3°.根据岩石物性研究结果，剩磁磁化影响较小，因此本文在磁异常反演中未考虑剩磁磁化影响.反演中磁化强度参数由以下公式换算：
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其中M为磁化强度，κ 为磁化率(SI)，T为地磁场磁感应强度，μ0 =4π×10-7H/m 为真空磁导率.
通过对剖面地质结构及物性参数的拟合获取反演剖面，其中重力拟合均方差为0.59mGal，磁异常拟合均方差为10.02nT.图 2 为剖面反演结果，相应的地层物理性质反演结果见表 1.
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图 2 剖面重磁综合反演结果 (a)重力异常；（b)磁力异常；（c)密度结构，数字标识为密度，单位kg/m3，l第四系+新近系；2古近系；中生界+上古生界；4下古生界+元古界；上地壳；中地壳；7下地壳；8地幔；（d)磁性结构（磁化强度），红色箭头代表磁化方向. Fig. 2 Gravity and magnetic inversion results of the profile (a) Gravity anomaly； (b) Magnetic anomaly； (c) Density structure，the number in the map is the density parameter (unit： kg/m3),l Quaternary+Neogene； 2 Palaeogene； 3 Mesozoic+Upper Palaeozoic； 4 Lower Paleozoic+Proterozoic； 5 Upper crust； 6 Middle crust；7 Lower crust； 8 Mantle. (d) Magnetic structure (magnetic intensity)，red arrow is the direction of magnetization. |
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表 1 剖面地层物性反演参数 Table 1 Strata density and magnetic intensity used in the profi le inversion |
结合整条剖面反演结果来看，各地层的密度分布横向上差异不大，仅在沧县隆起及歧口凹陷等地区存在较大的横向和纵向密度差异，可能与古老地层隆起及新生代巨厚沉积受构造环境(亦包括深度、压力)影响有关.
而磁化强度分布随地层有较大变化.新生界地层基本无磁性，中生界-上古生界地层存在一定强度的磁性物质，但其磁化强度在横向上具有明显差异，局部存在较大磁化强度的场源物质.该剖面主要的磁性层为下古生界以下至上地壳底界，其磁化强度普遍较大，横向上亦存在较大差异：在歧口凹陷处显示磁性场源较为微弱，在其侧翼的陆区及海区其地层磁化强度则较大，形成明显的差异面.从反演结果亦可以看出，正值磁异常区域基本对应强磁性基底分布区.
4.3 地壳结构特征根据初始建模资料，将本地区地壳结构分为上、中、下地壳；其中上地壳又进一步细分了上第三系+第四系、下第三系、上古生界-中生界、磁性基底等.
上第三系和第四系在全区分布较为均匀，在沉积盆地区(黄骅坳陷至渤中凹陷一带)较厚，一般可达1～2km.在剖面西侧，沧县隆起及以西，其沉积厚度相对较薄，一般在1km 以内，最薄处位于沧县隆起部位.
下第三系是该区域沉积盆地主体，厚度大，也是渤海湾盆地主要的含油气层系.剖面西段徐水凹陷及廊固凹陷缺失下第三系(或存少量下第三系沉积)，主要的下第三系沉积位于霸县凹陷和文安斜坡一带，沉积厚度约2～5.5km，新生界底界埋深可达3～6.8km.沧县隆起区下第三系已剥蚀，向东进入板桥凹陷和北大港潜山区，下第三系沉积厚度逐渐增大，至歧口凹陷形成全区最大的下第三系沉积中心.歧口凹陷是区域内第三系沉积厚度最大的部位，最深可达10km.在本剖面歧口凹陷也具有巨厚的下第三系沉积，厚度最大达6km，底界埋深可达8.5km以上.渤海海域下第三系沉积比歧口凹陷薄，且沉积较均匀，下第三系厚度平均约2km，底界深度在4km 左右.
本地区普遍存在前新生界地层，但地层发育特征不同[14]，其基底特征也有差异[11].本文反演结果与区域反演的重磁基底埋深有一定差异，主要原因是重、磁反演存在较大的不确定性，同时区域反演采用平均参数也使局部地区反演结果出现偏差.
从本文反演结果可以看出，以中生界包括部分上古生界为主的残留地层在全区均有分布.在剖面西侧至歧口凹陷大部分地区中生界-上古生界厚度约1～2km，该部分地层最大厚度分布在沙垒田隆起地区，厚度可达3.5～4.5km.剖面东段中生界-上古生界残留地层厚度由约1.3km 向东增厚到3km左右.下古生界地层厚度在本剖面表现出凹陷地区较薄，凸起地区较厚的特征，总体变化范围在1.5～5.7km.下古生界地层最厚处在沧县隆起地区.
从反演结果看，莫霍面在陆区埋深较大，约30～32km，海区莫霍面有所抬升，埋深在26～28km 之间变化.渤海海域莫霍面有局部隆升，但幅度较小，一般在2km 以内，莫霍面最浅处位于沙垒田隆起，埋深约26km.
4.4 上地幔(岩石圈)结构特征根据最新的地震研究成果，华北地区东部岩石圈出现明显减薄，在渤海海域岩石圈厚度约65～80km[1].华北地区上地幔顶部Pn 波速度结构研究[10]也表明自歧口凹陷向东至沙垒田隆起、渤中凹陷，Pn波速度呈减小趋势.Pn波成像结果代表了上地幔顶部一定范围内平均速度结构，反映出在本剖面位置上地幔结构存在一定差异.利用李志伟等[9]在该地区进行的P 波层析成像研究结果，该剖面P波速度结果也显示深部结构有较大差异，在沙垒田隆起对应的深部地区存在低速异常.
5 讨论与结论 5.1 讨 论岩石圈减薄主要发生在华北克拉通东部，渤海海域由西向东逐渐减薄至65km[1].地壳厚度也呈现类似由西向东逐渐抬升的趋势.陆区莫霍面深，海区莫霍面浅，反映了莫霍面结构受到华北岩石圈减薄的作用，表明华北克拉通东部地壳结构受到中生代以来华北克拉通改造运动的影响，深部地壳发育特征总体与岩石圈结构耦合.莫霍面在海域有局部抬升，显示海域地壳可能受到来自上地幔异常物质的作用.Ai等[25]提出在北黄海海域存在小规模热隆可能对渤海海域地幔物质上涌及莫霍面抬起有一定作用.
根据本文研究结果，在渤海海域莫霍面局部地区出现微隆，岩石圈层析成像结果亦存在局部异常.剖面反演结果显示在渤海海域莫霍面局部隆起区横向上相对密度大，其引起的重力异常与浅层沉积等地层密度异常体引起的异常共同构成了本区主要的重力异常.为进一步探讨岩石圈内部密度体分布不均匀(如地幔隆起)引起的重力效应，采用较简单的模型测试深部密度异常体对重力异常的影响.
根据重力理论，重力异常随场源深度增大而迅速衰减(与场源体距地面垂直距离平方成反比)，同时与场源体密度差成正比.考察渤海湾地区岩石圈及上地幔结构，其深度在30～80km，相应密度异常体引起的重力效应较浅部构造有很大衰减.同时深部地质体受压力、温度等多重因素影响，一般其密度横向差异并不如浅部明显.结合本文讨论，选取岩石圈局部高密度异常体模型进行重力异常模拟，以测试深部异常体对重力异常的敏感性.
模型以局部地幔隆起为基本模型，仅考虑隆起区域与横向其他地层存在密度差异.从密度场源看，仅有地幔隆起区域引起重力异常，背景地层等重力效应可用平均值予以消除.该模型为二度半模型体，模型中隆起区(斜线区域)为密度异常体，密度差为30kg/m3.模型垂向延伸为500km(以近似二维构造特征)，其隆起区位于深100km 处，如图 3所示.为考虑不同规模隆起引起的重力异常差异，测试了不同隆起高度及横向展布范围对重力异常的影响，通过对比相应重力异常在隆起处的峰值异常，了解其对重力异常的敏感性.
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图 3 深部重力异常模拟模型 Fig. 3 Model used in the gravity effect modeling of the deep structure |
从不同隆起高度(设横向延伸范围为50km)的模拟结果(图 4)来看，深部物质小幅度的隆起仅引起微弱的重力异常，隆起幅度为30km 时，相对异常幅度在6mGal左右.当隆起高度为10km 时，改变隆起区横向延伸范围，由模拟结果(图 5)可见，模型横向延伸50km 以下时引起的异常幅度均在2mGal以内.当隆起区范围超过100km，则引起重力异常幅度大幅增加.
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图 4 模型隆起高度Tm对应重力异常模拟结果 Fig. 4 Gravity effects of the model with different uplifting height |
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图 5 模型隆起区不同延伸范围W重力异常模拟结果 Fig. 5 Gravity effects of the model with ditferent extension width of the uplifting area |
因此，从模拟结果看，小规模及隆升幅度较小的深部密度异常体引起的异常较小，且变化平缓，在实际重力异常中均以大尺度、小幅度的区域性重力异常叠加于实测异常，而只有大规模延伸且具有一定隆起幅度的深部密度异常体才能产生变化较陡、幅度较大的重力异常.
本文剖面重力异常变化幅度为68 mGal，如不考虑沧县隆起区正值重力异常，则其他地区重力异常变化幅度仅在35mGal左右，渤海海域的重力异常变化更为平缓.根据本文反演结果，重力异常主要场源为上地壳隆起及坳陷构造引起的横向密度不均匀，对应变化较快的高值异常均由壳内该构造尺度因素引起.深部场源引起的异常由于密度分布横向差异较小、埋藏深，其异常效应已有很大衰减，主要以大尺度低幅度的异常特征叠加于观测异常中.从总体重力异常变化及反演结果来看，渤海莫霍面局部出现幅度约2km 的隆起，但其横向展布范围较小，相应其重力异常较小，对应的深部构造存在大规模幔源隆起的可能性较小.深部岩石圈(上地幔)横向差异较小，存在地幔柱及大规模地幔异常的可能性较小，但不排除下地壳及上地幔存在局部较小规模的密度异常体以及小规模地幔对流等因素的影响.
5.2 结论与认识(1) 获取了反演剖面地壳结构特征.表明在华北克拉通东部地壳较厚(平均约32km)，向海域方向莫霍面有所抬升.海域莫霍面平均埋深28km 左右，并且存在局部的莫霍面隆起，隆起幅度最大约2km.
(2) 莫霍面自西向东逐渐抬升变化规律与本区岩石圈减薄趋势相同，表明华北克拉通东部地壳结构受到中生代以来华北克拉通改造运动的影响，深部地壳发育特征总体与岩石圈结构耦合.
(3) 在地幔隆起模型重力模拟的基础上，综合对渤海海域深部构造的重磁反演及层析成像等研究表明：渤海地区存在地幔柱或大规模地幔隆起的可能性较低，上地幔(以及岩石圈)可能存在小规模异常(如隆起、小规模对流等).
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