实测岩石密度统计结果(表1)表明, 随地质年代由新到老, 岩石的密度逐渐增大。主要密度界面分为5个, 第一密度层为第四系, 密度为2.05 g/cm³; 第二密度层为新近系及东营组, 密度为2.20 g/cm³; 第三密度层为沙河街组、孔店组及白垩系, 层位密度为2.41 g/cm³; 第四密度层为侏罗系、三叠系及上古生界, 密度为2.59 g/cm³; 第五密度层为奥陶系及以前地层, 密度约为2.67 g/cm³, 该层是造成区域重力异常的主要因素。岩浆岩密度遵循碱性、酸性、中性、基性到超基性增强的一般规律, 其中侵入岩密度值较喷出岩大。

表1

表1

表1 天津及邻区地球物理参数统计 地层 主要岩性 平均密度值g/cm3 密度层g/cm3 磁化率10-5SI 电阻率Ω·m 新生界 第四系 黄土冲积层、砂、黏土 2.05 2.05 5~12 新近系 明化镇组 砂岩、泥质粉砂、细砂岩 2.11 2.20 38 4~15 馆陶组 砾砂岩、砂质泥岩 2.23 27 3~6 古近系 东营组 砂岩 2.25 20 < 5 沙河街组 砂页岩 2.45 2.41 24 1~10 孔店组 泥岩、砾岩 2.45 47 中生界 白垩系 泥岩、泥砾岩、火山岩 2.45 25 6~8 侏罗系 炭质泥岩、砾砂岩、煤层 2.58 2.59 55 4~14 三叠系 砂岩、粉砂岩、泥岩 2.56 古生界 上古生界 二叠系 粉砂细砂、泥岩、火山岩 2.61 12 10~35 石炭系 煤层、砂岩、铝土质泥岩 2.61 下古生界 奥陶系 灰岩、泥灰岩、白云岩 2.70 2.67 12 40~60 寒武系 灰岩、泥岩、白云岩、角砾岩 2.77 12.9 新元古界 青白口系 景儿峪组 白云质灰岩、灰质白云岩 2.66 7.3 > 50 龙山组 角砾、页岩、硅质石英砂岩 2.68 中元古界 蓟县系 下马岭组 粉砂质页岩 2.62 铁岭组 白云岩、灰岩、砂岩 2.67 7.4 洪水庄组 白云岩、页岩 2.63 10.3 雾迷山组 白云岩、石英砂岩 2.74 12.1 杨庄组 燧石条带、白云岩 2.68 8.2 长城系 高于庄组 白云岩、灰岩、砂岩 2.69 10.6 大红峪组 砾岩、白云岩、砂岩 2.59 17.5 团山子组 白云岩、灰岩、砂岩 2.53 串岭沟组 页岩、砂岩 2.56 17.8 常州沟组 砾岩、砂岩、粉砂岩 2.63 5.4 太古宇 迁西群 跑马场组 角闪斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、 2.69 1155 磁铁石英岩 酸性岩 流纹岩、花岗斑岩、中深成花岗岩 2.60 496.5 中性岩 安山岩、闪长玢岩、闪长岩、粗面岩 2.67 992.5 基性岩 辉绿岩、辉长岩、玄武岩、斜长岩 2.86 2422.5 超基性岩 橄榄岩、蚀变蛇纹岩 3.06 4282.5

表1 天津及邻区地球物理参数统计

研究区及邻区中、新元古界及上覆沉积地层为弱磁性或无磁性, 古元古界或更老地层组成的结晶基底以片麻岩类为主, 磁性较强, 与上覆地层磁性差异大, 磁化率一般为1 155× 10^-5SI, 因而利用航磁资料能较好地反应结晶基底的起伏变化。岩浆岩、火山岩具有较强的磁性, 但磁性变化较大, 一般在(0~4 500)× 10^-5SI之间。在华北断陷区上覆沉积盖层中存在火山岩及火山碎屑岩, 因而除去结晶基底引起的区域背景异常外, 局部异常主要是由磁性较高的火山岩和火山碎屑岩引起。

随地层由浅至深, 电阻率整体表现为低阻— 高阻— 相对低阻— 相对高阻— 高阻, 并呈层状分布。其中, 松散的新生界为相对低阻; 新近系明化镇组上下两段地层电阻率差异明显, 沉积相对稳定, 上段为高阻, 下段为低阻; 中生界为低阻; 古生界和中— 新元古界为相对高阻, 因而中— 新生界沉积盖层与下伏中生代之前形成的基底电性差异明显。由于沉积环境及地质环境的不同, 在电性上可能略有一定的差异, 在凹陷区由于低阻层屏蔽, 古生界电阻率会明显降低。中酸性岩体主要表现为明显的高阻。

结合区内地质构造特征^[10], 存在以下几种主要的地质— 物性— 重磁电异常组合类型:①新生界黏土、砂页岩及砾岩在区内普遍存在, 在沧县隆起区缺失古近系, 具有低密度、低磁和低阻的组合特征。②分布在坳陷及断陷区的中生界主要为砂岩、泥岩, 因火山岩、火山碎屑岩局部存在而表现出低密度、相对高磁、中阻特征。③中生代之前形成的褶皱基底的密度、磁性、电阻率与中— 新生界沉积盖层相比都是最高的, 在隆起区往往形成重、磁高异常和电阻率高异常, 在凹陷区则形成低缓的重、磁低异常和电阻率低异常。④太古宇结晶基底的起伏变化影响到综合地球物理场的整体变化, 酸性、中酸性岩体侵入于太古宇地层中, 与围岩相比为低密度、低磁和高阻特性, 具有一定规模时往往表现为重、磁低异常和电阻率高异常; 当元古界、古生界等地层为围岩时, 该类岩体为低密度和高磁性, 往往表现为重力低异常和磁、电阻率高异常。⑤基性、超基性和部分中性侵入岩体密度和磁性均大于所有地层, 具有明显的较高密度、磁性和低电阻率特征。⑥深大断裂带一般在深部表现为莫氏面的陡变, 因火山岩沿断裂侵入, 往往形成叠加在重力或电阻率梯级带上的条带状或串珠状磁异常带。

本次研究工作在补充采集1∶ 5万重力数据和大地电磁测量数据的基础上, 对天津市1981~2008年的重力资料进行了系统的搜集和整理, 对接边后的67 065个重力测点进行了连片二次开发, 并对1∶ 20万航磁资料进行了化极处理。大地电磁测深资料包括含1999~2011年地热地质调查、地震活动性评价方面在内的2 174个大地电磁测深点, 网度基本达到4 km× 2 km。图1为天津市重、磁、电综合地球物理场平面。

图1

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	图1 天津市重磁电综合地球物理场平面

2.1.1布格重力异常(图1a)

以宝坻南部黄屯— 新开口— 王卜庄为界, 北部异常走向近东西, 南部呈北东向展布, 宏观形态表现为“ 三低、两高” , 其幅值的高低对应着基底的隆起与坳陷, 揭示了蓟县台隆、宝坻凹褶、冀中坳陷(武清凹陷)、沧县隆起、黄骅坳陷的地质构造特征, 重力异常的梯级变化反映了控制构造单元的主要深大断裂。依据布格重力场特征及所处的构造位置, 可分为北部重力低值区、北部重力高值区、西部重力低值区、中部重力高值区以及东部重力低值区。

北部重力低值区异常形态呈近东西向, 场值南高北低。近东西向条带状低异常对应蓟县北部山区, 该区中— 新元古界埋藏浅或出露, 布格重力低异常由山体重力均衡效应所引起, 其背景场上的圆环状重力低异常为中酸性低密度花岗岩体引起。重力高值区位于宝坻、蓟县一带, 异常等值线基本呈东西向, 古生界基底的抬升与断陷是造成重力场形态复杂的原因。

西部重力低值区位于武清— 河西务一带, 分布范围较大, 为沉积巨厚的低密度中— 新生界地层引起的轴向北东椭圆形闭合, 北侧较陡, 等值线密集, 梯度变化较大, 南部舒缓, 等值线稀疏。杨村斜坡表现为平缓的重力梯度带, 大致沿王庆坨— 双口— 聂庄子— 梅厂一线呈北东向展布, 梯度带上等值线的疏密反应了地层倾斜程度的变化。

中部重力高值区布格重力场呈近北东向, 由南向北逐渐增大, 其间叠加着多个独立圈闭的重力高、低异常, 其南东、北西侧以重力梯度带的形式向黄骅坳陷及武清凹陷过渡。该区布格重力高主要由下古生界基底受断裂作用隆升所致, 其间的局部重力低与下古生界基底局部断陷及上覆沉积地层的厚度有关。

东部重力低值区异常近北东向高、低相间排列, 在重力高, 低异常过渡部位的重力等值线密集、梯度变化较大, 而在局部异常中心部位重力等值线相对稀疏、梯度变化较小。伴随着上延高度的加大, 上述异常合并成为一个重力低值异常, 基本反映了北塘凹陷的整体格架。

重力场的变化特征表明, 深部构造(下古生界基底受断裂作用抬升或断陷)是引起布格重力场变化的主导因素, 而叠加在布格重力场上的局部重力高与下古生界基底局部凸起、埋藏深度较浅有关, 局部重力低则与下古生界基底局部断陷、上覆沉积盖层厚度密切相关。北部山区的重力低值异常区为中酸性岩体和山区重力均衡效应引起。

2.1.2航磁异常(图1b)

林亭口镇以北地区以北西向展布的区域负磁异常为主要特征, 由北往南, 异常强度由强变弱, 北部局部异常强度变化大, 南部异常强度缓。西部的负磁场与蓟县系、长城系等磁性层走向一致, 东部正磁场为太古宇磁性结晶基底的反应, 其间分布环状异常对应中酸性岩体。林亭口一带东西向分布的串珠状磁力高异常推测为沿断裂分布的中生界磁性火山岩引起。

南部磁场反映了武清凹陷、黄骅坳陷和沧县隆起“ 两坳一隆” 的构造格局。航磁Δ T异常东西向高低相间排列, 反应了太古宇磁性基底的起伏变化。在对应沧县隆起单元的东西两侧均表现为相对的高磁异常, 中部则表现为低磁异常。对应高磁异常的沧东断裂呈近北北东向展布, 南北端延伸出区外, 东西两侧均被负磁异常衬托, 升高磁异常带十分醒目, 其间局部高磁异常可能为火山岩、火山碎屑岩夹层及沿断裂带分布的燕山期中酸性花岗岩岩墙或岩株引起。

西北侧武清凹陷区, 存在两个局部负磁异常中心, 一个近东西向一个近北北东向, 反映太古宇结晶基底埋深大, 东南侧集中了全区最高和最低的磁异常幅值, 其中负磁异常值达-250 nT, 在塘驹河西南, 平稳宽大, 表明盖层沉积厚, 为黄骅坳陷中心; 在涧南附近的高磁异常值达400 nT, 延拓处理后形态基本相似, 规模大, 等值线宽缓, 重力异常也表现为相对高值, 两者均表现出重磁同源的性质, 为变质磁性结晶基底局部穹窿与下陷区。

2.1.3电性异常(图1c)

大地电磁测深资料5 km深度切片图显示四大电性分区:北部马兰峪复式背斜为高阻背景, 东南部黄骅坳陷、西部冀中坳陷为低阻背景, 中部沧县隆起为相对高阻背景。

该深度主要反映了对中— 新生界的沉积厚度控制作用较大的断裂, 如宝坻断裂、蓟运河断裂、杨柳青断裂、沧东断裂等, 主要构造体系均表现为电阻率变化密集的梯度带。北部断裂和蓟运河断裂则表现为串珠状的低阻异常带, 与局部的重磁性高有一定对应关系, 推测为沿断裂侵入的基性岩体, 其北侧古生界至元古宇埋深较浅, 电阻率偏高, 南侧埋深较深, 电阻率偏低。

沧县隆起因中生代以前形成的褶皱基底隆起而表现为相对高阻特性, 局部表现为在高阻背景上的高低变化, 北西侧梯级带与布格重力异常有较好的吻合关系; 而东南侧梯级变化不明显, 表现为高低相间的锯齿状, 推测与局部地段破碎富水有关。两个坳陷区因覆盖巨厚的中、新生界沉积盖层而表现出明显的低阻背景, 其间局部的高值异常推测与古生界地层的局部隆起或隐伏侵入岩体相关。

E03为自西向东跨越武清凹陷— 沧县隆起— 北塘凹陷的区域性综合地球物理剖面, 剖面长度90 km, 重力测点点距250 m, 电磁测深点距500 m, 并抽取了沿剖面的航磁测量数据, 结果(图2)显示重、磁、电有很好的吻合关系。图2中布格重力、原始磁异常曲线和电磁测深联合反演^[11]成果可以对横向上“ 两凹一隆” 的构造格架有较直观的揭示, 中部沧县隆起区总体表现为高密度、低磁、高阻异常组合, 在高密度和高阻的背景上存在三个局部因中生代以前形成的隆起造成的高密度、高阻异常体, 分别对应大成凸起以及断裂分割的潘庄凸起的两部分; 杨村斜坡在剖面位置呈现掀斜构造特征, 断裂控制武清凹陷沉积明显; 在对应沧县隆起两侧的布格重力梯级带, 高磁异常与沿断裂上侵的火山岩有关。

图2

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	图2 E03剖面综合地球物理场特征

从纵向电性资料分析, 新生界因砂砾岩成分的不同而在纵向上呈现高低阻相间的趋势, 中生界表现为平缓的电性梯度带, 而中生代以前形成的基底梯度变化明显, 表现为高阻。在沧县隆起区缺失古近系及中生界, 中生代以前形成的基底最浅埋深约在1.5 km; 武清凹陷区新生界埋深达5 km, 存在局部高磁异常对应的中生界沉积; 中生代以前形成的基底埋深最大约8 km, 沉积中心位于凹陷的西部; 北塘凹陷区中新— 生界埋深相对较浅, 最大埋深约5 km。中生代以前形成的褶皱基底总体表现出被断裂分割的断块组合的特点。

华北地区刚性结晶基底的存在, 导致断裂发育, 这些断裂对分割刚性基底和控制隆(凸)、坳(凹)的形成和发展^{[12, 13]}, 以及矿产的形成均起着重要作用, 同时也构成了以断裂为边界控制的构造格局。区域和局部地球物理场资料证实断裂以北东向、北西向、近东西向为主, 南北向为辅, 主要为隐伏断裂。

主控断裂对凹陷的生成及上覆中— 新生界地层的沉积起着控制作用, 具有规模大、控制性强、长期继承性活动的特点, 属构造单元边界断裂, 如宝坻断裂、蓟运河断裂、沧东断裂、杨柳青断裂等。次级断裂主要为控制、分割构造单元内部不同类型构造的分界线, 生成较晚, 多为古近纪生成并强烈活动, 对局部构造单元的形成、发展、演化及沉积建造起着重要的控制作用。本次研究中把沧东断裂、天津断裂北延至蓟运河断裂, 进一步完善了北北东向断裂控制的构造体系。

整个研究区划分出马兰峪复式背斜、冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷4个构造单元。宝坻断裂、蓟运河断裂作为马兰峪复式背斜的南界断裂, 北延至蓟运河断裂的沧东断裂, 为沧县隆起的东界; 杨柳青断裂为武清凹陷与沧县隆起的边界断裂。

马兰峪复式背斜少量出露太古宇, 中新元古界亦普遍发育, 为中生代强烈隆起剥蚀区, 分为蓟县台隆、宝坻凹褶、大厂凹陷3个次级构造单元。

位于冀中坳陷东北部的武清凹陷, 由中新元古界、古生界及巨厚的中— 新生界组成, 为中生代以来的裂陷区。区内发育北东向的背斜及断裂构造, 分为杨村斜坡、大孟庄洼槽、大王庄洼槽及下伍旗洼槽4个次级构造单元。

沧县隆起为北东向的大型隆起带, 构造主体为北东向, 区内断陷、断凸构造发育, 基底主要由中新元古界和古生界组成。中生代具有右行走滑性质, 造成东北端相对较窄, 西南端相对较宽; 古近纪开始分化, 断裂以西隆升减缓或停止, 以东不断上升, 遭受剥蚀; 新近纪开始, 武清凹陷、黄骅坳陷整体沉降, 接受新近系、第四系地层沉积。该区划分出王草庄凸起、潘庄凸起、大成凸起、苗庄凸起、里坦凹陷、双窑凸起、白塘口凹陷、小韩庄凸起8个次级构造单元。

黄骅坳陷位于沧县隆起以东, 构造主体沿北东向分布。区内断陷、凸起发育。基底由中新元古界、古生界和中生界组成。凹陷生成于古近纪, 沉积地层主要有古近系。新近纪开始, 地层整体继续下降并接受新近系及第四系沉积。该层分为宁河凸起、北塘凹陷、板桥凹陷、港西凸起、歧口凹陷、涧南潜山共6个次级构造单元。

局部构造夹于北东向、东西向、北西向的断裂控制之中, 其与研究区内断裂的主体走向一致, 反映了断裂对局部构造的形成起着主要的控制作用。多期次、多旋回构造运动作用造成局部构造的性质、地层结构存在较大差异。

依据布格重力剩余异常圈定了主要局部重力高、低异常95个, 主要反应了基底断凸、局部凸起、凹陷、背斜、向斜等构造特征; 同时依据剩余磁力异常对变质岩系、中基性岩体(脉)、火山岩进行了圈定, 其中华北断陷区局部磁力异常目前分析主要为火山岩及火山碎屑岩引起。