根据重力资料定性与定量解释银川平原断裂体系

doi:10.11720/wtyht.2019.1149

根据重力资料定性与定量解释银川平原断裂体系

刘城¹, 杨宇山^,¹, 刘天佑¹, 朱丹¹, 安百州²

1. 中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院,湖北武汉 430074

2. 宁夏回族自治区地球物理地球化学勘查院,宁夏银川 750004

Qualitative and quantitative interpretation of fracture system in Yinchuan plain based on gravity data

LIU Cheng¹, YANG Yu-Shan^,¹, LIU Tian-You¹, ZHU Dan¹, AN Bai-Zhou²

1. Institute of Geophysics and Geomatic,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China

2. Ningxia Geophysical and Geochemical Exploration Institute,Yinchuan 750004,China

通讯作者: 杨宇山(1977-),男,副教授,主要从事重磁资料处理与解释方面的教学与科研工作。Email:samyys@126.com

责任编辑: 王萌

收稿日期: 2018-04-8 修回日期: 2018-11-20 网络出版日期: 2019-02-20

基金资助:

宁夏回族自治区地勘局“银川平原深部地质构造研究——基于地球物理资料”项目. 宁夏物勘院[2017]自筹资金001号

Received: 2018-04-8 Revised: 2018-11-20 Online: 2019-02-20

作者简介 About authors

刘城(1993-),男,硕士研究生,主要从事位场数据处理与综合解释工作。Email:LiuC@cug.edu.cn 。

摘要

银川平原是活动断层发育的地区,活动断层与地震灾害联系密切,研究银川平原的断裂体系对城市发展具有重要意义。笔者对银川平原1∶20万布格重力资料进行二次处理,分析了该地区的布格重力异常特征,并利用重力异常边界识别方法划分了断裂体系;运用断裂参量图法、欧拉反褶积法、最优化反演以及2.5D人机交互反演等方法对研究区83503线剖面做定量反演,并利用地震资料进行约束。笔者利用现有的重力资料,探讨了根据重力资料解释平面断裂体系以及剖面断裂定量反演的方法,得出了银川断裂有北延趋势、黄河断裂部分段相对前人断裂划分结果向西偏移等新认识,为活动断层的研究提供了新的参考资料。

关键词： 银川平原 ; 重力 ; 边界识别 ; 断裂定量反演 ; 活动断层

Abstract

The Yinchuan plain is a region of active faults which are closely related to earthquake disasters. The study of active faults in the Yinchuan plain is of great significance for the development of the city. In this paper, the gravity anomaly characteristics of the area are analyzed and the fracture system is divided by the method of gravity boundary recognition based on the re-processing of 1∶200 000 Bouguergravity anomaly data of the Yinchuan plain. The quantitative inversion of the 83503 line section of the study area is carried out by using the method of fracture parametric graph, the Euler homogeneous equation, the optimal inversion and the 2.5D inversion. The inversion results and the seismic interpretation are coincident. Using the existing gravity data, the authors probed into the method of interpreting the plane fracture system and the quantitative inversion of the section fracture and, as a result, some new understanding was obtained such as the north extension of the Yinchuan fault and westward migration of a part of Yellow River fault. The result provides a new reference for the research on active faults.

Keywords： Yinchuan plain ; gravity data ; boundary recognition ; quantitative inversion of fracture ; active fault

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本文引用格式

刘城, 杨宇山, 刘天佑, 朱丹, 安百州. 根据重力资料定性与定量解释银川平原断裂体系. 物探与化探[J], 2019, 43(1): 28-35 doi:10.11720/wtyht.2019.1149

LIU Cheng, YANG Yu-Shan, LIU Tian-You, ZHU Dan, AN Bai-Zhou. Qualitative and quantitative interpretation of fracture system in Yinchuan plain based on gravity data. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2019, 43(1): 28-35 doi:10.11720/wtyht.2019.1149

0 引言

银川平原位于宁夏中部黄河两岸,北起石嘴山,南至青铜峡,东到鄂尔多斯高原,西接贺兰山脉,南北长150 km,东西最宽40余km。该地区的活动断层发育,1739年发生的银川—平罗8级地震给该地区人民的生命财产造成了巨大损失,为有效避让活动断层而又能尽可能少的占用城市用地,研究该地区的断裂构造体系及活动断层的展布特征具有重要意义。前人对区内活动断层的研究主要根据地质观测与部分石油地震剖面、大地电磁测深剖面,难以覆盖全区,得不到全区断裂体系特征及活动性^[1]。笔者利用银川平原1∶20万布格重力异常资料,定性解释断裂体系的位置及空间特征;定量计算断层的埋深与产状。当资料精度较高时,重力解释的断层上顶面深度若在新生界地层深度范围内,还可以作为可疑的活动断层提供地质上进一步查证,是辅助浅层地震等方法研究活动断层的有效、快速的方法。

对宁夏全区1∶20万布格重力异常资料进行二次处理,采用重力异常边界识别、断裂参量图反演法、欧拉反褶积法、最优化反演以及2.5D人机交互反演等多种方法,从平面到剖面对银川平原主要断裂进行划分与解释。

1 地质地球物理背景

1.1 研究区地质背景

在地质历史时期,该地区曾经历过多次拉张与闭合,并伴随着一系列岩浆活动,新生代时期,受青藏高原抬升影响,构造应力发生变化,加之盆地深部上地幔物质上涌和地壳减薄过程,加剧了该地区盆地的拉张断陷作用,使得新生界沉积物厚度达到了7 000多m。区内出露地层自老而新有太古宇,元古宇,古生界寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系,中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界的古近系、新近系、第四系(图1)。研究区基底构造较为复杂,主要由奥陶系构成,新生界沉积厚度大,整体概貌上,中部的断落最深,向两侧以断阶状或斜坡抬升,并伴有断裂发育,自西向东的几条主要断裂为贺兰山断裂、芦花台断裂、银川断裂和黄河断裂^[2]。

图1

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图1 银川平原区域地质概况(改自《宁夏回族自治区区域地质志》)

1—第四系全新统、更新统;2—新近系中新统;3—古近系渐新统;4—白垩系;5—侏罗系;6—上三叠统;7—中三叠统;8—下三叠统;9—二叠系;10—上石炭统和下二叠统;11—石炭系;12—奥陶系;13—寒武系;14—古元古代英云闪长岩;15—主要断裂;16—黄河

Fig.1 Regional geology of Yinchuan plain (from Regional geology of the Ningxia Hui Autonomous Region)

1—Holocene and Pleistocene;2—Miocene;3—Oligocene;4—Cretaceous;5—Jurassic;6—upper Triassic;7—middle Triassic;8—lower Triassic;9—Permian;10—lower Permian and upper Carboniferous;11—Carboniferous;12—Ordovician;13—Cambrian;14—Proterozoic quartz diorite;15—main fracture;16—the Yellow River

1.2 物性及重力异常特征

根据物性资料,本区新生界地层的密度变化范围为(1.30~2.57)×10³ kg/m³,中生界地层为(2.44~2.69)×10³ kg/m³,上古生界地层为(2.57~2.64)×10³ kg/m³,下古生界、新元古界、中元古界以及古元古界的地层密度在2.70×10³ kg/m³左右。新生界地层与基底地层的密度差异明显,区域重力异常较好地反映了基底地层的起伏。局部重力异常与新生界覆盖层的厚度有关,在新生界覆盖层较薄的地区,呈现明显的局部重力高异常,如贺兰山地区;在新生界覆盖层较厚的地区,一般存在较深的凹陷,呈现明显的局部重力低异常,南部低异常对应“灵武凹陷”,北部对应“银北凹陷”等^[2](图2)。

图2

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图2 银川平原局部重力异常与主要地质构造信息

F₁—贺兰山断裂;F₂—芦花台断裂;F₃—银川断裂;F₄—黄河断裂

Fig.2 Local gravity anomalies and major geological structural information in Yinchuan plain

F₁—Helanshan fault;F₂—Luhuatai fault;F₃—Yinchuan fault;F₄—the Yellow River fault

本区局部重力异常沿NE向分布,由NW到SE分别为高—低—高,在贺兰山东麓和黄河地区有两处明显的重力梯度带,中间有两处次级梯度带,该重力梯度带对应着银川平原的4条主要断裂。

2 断裂的重力异常解释方法

笔者对银川平原断裂构造的研究分为两步。首先,利用边界识别方法对平面重力异常进行处理与定性解释,得到研究区主要断裂构造的大致空间位置。然后,根据定性解释结果截取剖面,进一步计算断裂的倾向、倾角、埋深、水平位置等重要参数,给出断裂的定量解释结果,再结合地质资料研究断裂的性质、年代以及活动性。

2.1 平面定性解释

划分断裂构造体系常用的边界识别方法有:水平一阶方向导数、总水平导数、解析信号振幅、斜导数法(倾斜角法)、倾斜角总水平导数、归一化总水平导数、θ图等各种方法。这里运用台阶模型对常用的总水平导数、倾斜角以及θ图等边界识别方法进行比较。

1)总水平导数。若把某一点重力异常V_z沿x方向导数V_zx和沿y方向导数V_zy表示成水平总梯度异常矢量,该矢量的模,即总水平导数THDR为:

(1) $THDR = \sqrt[]{V_{zx}^{2} + V_{zy}^{2}} 。$

2)倾斜角法。计算公式如下:

(2) $TA = ta n^{- 1} (\frac{VDR}{THDR}),$

其中:VDR是垂向一次导数,THDR是总水平导数。

3)θ图法。计算公式如下:

(3) $\cos θ = \frac{THDR}{ASM} = \sqrt[]{V_{zx}^{2} + V_{zy}^{2}} / \sqrt[]{V_{zx}^{2} + V_{zy}^{2} + V_{zz}^{2}},$

其中:V_zz是重力异常沿z方向的导数,ASM为解析信号振幅。

台阶模型参数为上顶面埋深1 500 m,下底面埋深4 000 m,剩余密度0.3×10³ kg/m³,倾角分别为30°、60°、90°、120°,正演的试验数据范围为[-15 000,15 000]m,点距200 m,台阶模型倾斜面延长线与水平面的交点为原点,识别目标为台阶模型上顶点(与原点无关)。朱西敏对一阶水平导数、一阶垂向导数、倾斜角以及倾斜角总水平导数等方法的识别效果进行了探讨,认为倾斜角总水平导数对理论台阶模型的识别效果较好^[3];而该方法在银川平原平面断裂体系划分中的应用效果并不理想,原因在于其识别结果的峰值带过宽(贺兰山断裂与芦花台断裂处于一个峰值带),无法合理划分平面断裂体系。对此笔者采用了在倾斜角识别结果的基础上再做一次θ图(即倾斜角θ图法)的方式作为本文平面断裂划分的方法,其目的在于凸显倾斜角识别结果的拐点特征以达到类似倾斜角总水平导数法的效果。各边界识别方法的识别结果如图3所示。

图3

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图3 各边界识别方法的理论台阶模型识别结果

Fig.3 Theoretical step model recognition results of boundary recognition methods

a—gravity anomaly of theoretical step model;b—THDR;c—TA;d—TA-THDR;e—TA-(θ map)

将各方法的识别结果整理在表1中计算绝对误差并比较分析。从表中可以看出,在台阶模型倾角为90°时,上述识别方法都可以准确识别台阶模型边界位置,但当台阶倾角变化时,一阶导数类方法的总水平导数识别结果并不理想。两个利用倾斜角梯度带处拐点特征识别断裂的二阶导数类方法误差都较小,但由于倾斜角总水平导数的实际应用效果并不理想,所以最终采用倾斜角θ图法对银川平原断裂体系进行平面定性解释。

表1 常用边界识别方法识别效果对比分析

Table1 Comparison and analysis of common boundary recognition methods

台阶倾角	台阶上顶点理论水平位置 /m	总水平导数		倾斜角总水平导数		倾斜角θ图法
台阶倾角	台阶上顶点理论水平位置 /m	计算结果 /m	绝对误差 /m	计算结果 /m	绝对误差 /m	计算结果 /m	绝对误差 /m
30°	-2598	-3800	1202	-3000	402	-3400	802
60°	-866	-1400	534	-1000	134	-1200	334
90°	0	0	0	0	0	0	0
120°	866	1400	534	1000	134	1200	334

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2.2 剖面定量解释

倾斜台阶可近似表示地层的超覆、倾斜的接触带以及断裂构造等,故可将隐伏的断裂构造抽象为二维台阶模型。目前利用重力资料定量反演断裂的主要方法包括参量图法、最优化反演以及人机交互反演等。

断裂参量图法可以比较准确地反演出台阶模型的倾角,该方法最早由Stanley和Green提出^[5],其思路是利用重力水平导数和垂向导数构成梯度空间图,在理想情况下会得到一个椭圆。如图4a所示,坐标原点选在倾斜面与水平面的交点处,倾角为θ,上顶面和下底面埋深分别为h、H,台阶剩余密度为σ,计算出水平一阶导数V_zx和垂向一阶导数V_zz作图V_zx-V_zz,即可得到椭圆参量图,该椭圆的长轴的沿线与x坐标轴的交线的夹角就是倾斜台阶的倾角,见图4b。魏伟、刘天佑完善了该方法^[7],其做法是以一个二次曲线方程:

$a x^{2} + bxy + c y^{2} + dx + ey = 1,$

在最小方差意义下去拟合椭圆参量图,并通过计算机反演出a,b,c,d,e,自动计算出台阶倾角θ,该方法在较大程度上减少了人工判断的主观性并大大的提高了运算效率。

图4

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图4 梯度反演法坐标选取与椭圆参量

a—gradient inversion method coordinates;b—map of Elliptical parameter

Fig.4 The gradient inversion method coordinates and the map of Elliptical parameter.

最优化反演实际是求解下面数学模型的最优解:

$\begin{array}{l} \min_{x_{0}, θ, σ, h, H} ‖ d_{0} - d ‖_{2}^{2}, \\ s.t. d = f (x_{0}, θ, σ, h, H) 。 \end{array}$

其中:f(x₀,θ,σ,h,H)是关于变量x₀、θ、σ、h、H的台阶正演公式。笔者采用阻尼最小二乘法求解该数学模型。

人机交互反演方法是利用可视化技术,实现重磁资料解释人员与计算机的交互反演解释,其通过在各个剖面上修改地质体的角点来实现实时拟合和解释反演,能充分发挥解释人员的经验,快捷、简便。当然,由于多解性的存在,在做人机交互反演之前,应当了解地质情况,并结合其他反演方法,如欧拉齐次方程、物性反演等,对待反演地质体有一个初步判断,以求减少人机交互反演结果的多解性。

3 利用重力资料解释宁夏平原断裂体系

3.1 区域断裂识别与断裂划分

对图1中的1∶20万布格重力异常资料作边界识别,由前面的分析,笔者拟采用倾斜角θ图法对银川平原断裂体系进行平面定性解释。显然,图5中计算的高值处即为识别的断裂位置,连接高值部分并借鉴前人工作经验,划分断裂并与前人解释结果作对比(图5)。

图5

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图5 银川平原区域断裂划分与对比(根据倾斜角θ图法划分,红色虚线处断裂据长庆石油勘探局修改,蓝线为笔者划分的结果)

F₁—贺兰山断裂;F₂—芦花台断裂;F₃—银川断裂;F₄—黄河断裂;F₅—Ⅳ级断裂

Fig.5 Division and correlation of faults in Yinchuan plain (according to the TA-θ map. The red lines represent the faults changed from Changqing Petroleum Exploration Bureau,the blue lines are the result of this paper)

F₁—Helanshan fault;F₂—Luhuatai fault;F₃—Yinchuan fault;F₄—the Yellow River fault;F₅—the IV class faults

对于笔者解释的结果(蓝线),在贺兰山断裂(F₁)的惠农—崇岗一段与前人解释的结果(红线)对应的很好;中间一段,解释结果(蓝线)与前人解释的结果(红线)也有部分对应,但由于该处地质构造相对复杂且数据本身精度不高,高值部分没有很好的连续性,无法给出合理的定性解释;南部末端两者也有较好的对应,该地区处于新老地层的分界位置,应为贺兰山断裂(见图1)。芦花台断裂(F₂)两者对应情况也很好,但洪广至平罗西一段没有高值显示,可能是该处断裂的断距较小的缘故,从地质上来看,该处位于常信凹陷西缘,断裂在此处更倾向于是连续的,以蓝色虚线表示该段。对于银川断裂(F₃),与前人解释结果(红线)相比,本次解释的结果(蓝线)在北端有北延的趋势,以往文献大多是从地质上推断银川断裂北延的,笔者解释的结果从重力上给出了银川断裂北延的证据;此外,银川断裂的贺兰—永宁一段笔者解释结果(蓝线)向西偏移,永宁以南没有高值显示,说明断裂并未向南延伸,而前人解释结果(红线)认为其向南延伸,也就切割了异常变化较平缓的灵武凹陷(见图2),依据不足。对于黄河断裂(F₄),两者在大体上是一致的,图5中该断裂的高值部分没有很好的连续性,笔者解释的结果(蓝线)存在两处断口,文献^[1]中认为两处各存在一条Ⅳ级断裂(F₅,以蓝色虚线表示),两条断裂在图5中也有部分高值显示。另外,南部的一条NW走向的Ⅳ级断裂与高值对应较好,详见文献^[1];在F₄中端及南端,笔者解释的结果(蓝线)相较前人解释结果(红线)向西偏移,从以下定量反演的结果上来看,笔者解释的结果更为准确。

当然,由于数据观测及方法计算带来的各种误差与干扰,本次划分的平面区域断裂体系存在误差在所难免,这里给出的是定性分析。要更准确的划分平面断裂并研究断层的活动性,则需要更高精度的重力资料和更合理的重力定量解释。

3.2 83503线剖面的重力定量解释

平面重力资料对断裂的平面分布进行定性分析,无法判断断层是否具有活动性。为研究断裂的活动性,需要对断裂作定量解释,准确获取断层的平面位置、倾斜方向、倾角和埋深等参数,判断断裂是否切割到第四系地层内,从而为活动断层的活动性判定提供依据。以研究区的83503线为例,运用重力资料对该剖面的断裂作定量解释。原83503剖面(图5)下的黄河断裂重力异常不完整,将其沿ES方向延长一定距离,得到83503线的重力剖面图(图6),寻找类似台阶状的重力异常,并厘定好范围(以银川断裂为例,台阶异常选取范围为25 000~37 000 m),结果如图6所示。

图6

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图6 83503线重力延长剖面

Fig.6 Gravity extended section of line 83503

以银川断裂为例,利用断裂参量图反演方法计算出倾角约为59°,见图7a。求得倾斜台阶倾角后,需要确定台阶的上顶面埋深,这里运用了欧拉反褶积法。经过对理论模型的实验,发现该方法选取的窗口一定时,构造指数趋于0会使反演结果更接近于台阶上顶面埋深,见图7b。因此,反演中取构造指数为0,反演结果约为1 500 m,即用欧拉齐次方程反演银川断裂上顶面埋深为1 500 m。

图7

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图7 银川断裂25 000~37 000 m重力定量反演

Fig.7 Gravity quantitative inversion of Yinchuan fault 25 000~37 000 m

a—inversion result of Yinchuan fault parameter diagram;b—analysis of relationship between structural index and top depth of step model;c—inversion results of each method in Yinchuan fault

将反演所得的倾角与上顶面埋深作为约束条件,并运用自动反演方法反演出其他参数,根据前文提到的物性特征,选取剩余密度为0.3×10³ kg/m³。最后将最优化反演的结果作为初始模型,利用2.5D人机交互反演得出结果,如图7c所示。用同样的方法反演出芦花台断裂与黄河断裂,并把结果整合,完成对83503剖面的重力反演,见图8。

图8

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图8 83503重力延长线2.5D反演结果与地震剖面

Fig.8 2.5D inversion result of gravity extension line and seismic profile of line 83503

a—2.5D inversion result of line 83503 gravity extension line(the black solid line is the measured anomaly) and the red dashed line is the fitting anomaly;b—seismic reflection profile of line 83503

为检验反演结果的可靠性,我们以83503地震剖面的结果进行对比,如图8a所示,蓝线为地震解释的断裂大致位置^[4],而运用重力资料解释的结果,除黄河断裂倾角有较大差距外,其他两条断裂的重力反演结果与地震解释的结果有着很好的映证,因此具有一定的可靠性。这里值得一提的是,地震上解释的黄河断裂位于重力剖面的46 000~47 000 m处,与图5中计算结果的高值部分对应较好,说明根据重力解释与地震解释两种结果都证实黄河断裂比前人解释结果向西偏(见图5中红色虚线,相当于图8剖面50 000 m处)。

4 结论

1) 运用重力资料划分宁夏平原平面断裂展布,理论上选用倾斜角总水平导数法较为合适,但该方法识别结果的峰值带过宽,鉴于其是在倾斜角法识别结果的基础上再作水平导数,笔者采用θ图法凸显了倾斜角法识别结果的拐点特征(即倾斜角θ图法),并以此划分了宁夏平原平面断裂体系,取得了较好的效果。另外对于断裂定量反演,当重力数据精度足够,且地下地质模型可以用台阶模型表示时,利用断裂参量图法可以较为准确地反演台阶倾角,然后运用欧拉反褶积法、最优化反演以及2.5D人机交互反演等各类方法完成剖面的断裂定量反演。以多条重力剖面的定量反演来控制宁夏平原主要断裂,进而得到断裂在空间上的分布是下一步工作的方向。

2) 通过定性解释划分的贺兰山断裂以及芦花台断裂(除洪广至平罗西一段不连续外)与前人解释结果基本一致;对于银川断裂,笔者从重力上给出了其有北延趋势的依据,且其南端并未切割灵武凹陷;黄河断裂具有一定的不连续性,有次级断裂存在的可能,另外,从83503线的重力和地震解释结果上来看,相对前人解释结果向西偏移,笔者划分的黄河断裂空间位置更为合理。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李宁生, 冯志民, 朱秦 , 等. 宁夏区域重磁资料开发利用研究[M]. 北京: 地质出版社, 2016.

[本文引用: 3]

Li N

, Feng Z

, Zhu

, et al. Development and utilization of gravity and magnetic data in Ningxia area[M]. Beijing: Geological Publishing House, 2016.

[本文引用: 3]

[2]

王美方, 李慧勤 .

宁夏银川盆地地质构造演化特征

[J]. 科技资讯, 2008,3(5):148-149.

DOI:10.3969/j.issn.1672-3791.2008.03.120 URL [本文引用: 2]

银川盆地总体走向北北东向,为一夹持在贺兰山与鄂尔多斯盆地西缘断褶带之间的断陷盆地,是在贺兰构造带的基础上演化形成的地堑式盆地。从三叠纪开始,由于阿拉善地块向东逆冲,形成贺兰山山前拗陷盆地和内陆盆地,侏罗纪末燕山运动,使现今贺兰山和银川地堑一起抬升,形成"银川古断隆",渐新世"银川古断隆"开始解体,第三纪末银川盆地持续断陷,受青藏高原隆升朝北东方向挤压影响,银川盆地南部第四纪断裂边界开始活跃,从而加剧了银川盆地纵向断层的垂直断陷,基本形成了银川盆地同两侧地块明显分异的地貌格局。

Wang M

, Li H

Characteristics of geological structure evolution in Yinchuan basin, Ningxia

[J]. Science & Technology Information, 2008,3(5):148-149.

[本文引用: 2]

[3]

朱西敏

. 利用重力异常反演隐伏断裂构造的研究[D].北京: 中国地质大学( 北京), 2013.

[本文引用: 1]

Zhu X

. Inversion of buried fault structures by gravity anomalies[D].Beijing: China university of Geoscience( Beijing), 2013.

[本文引用: 1]

[4]

刘保金, 柴炽章, 酆少英 , 等.

第四系沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏断裂为例

[J]. 地球物理学报, 2008,51(5):1475-1483.

DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.05.021 URL Magsci [本文引用: 1]

地震勘探方法是隐伏断层探测的一种有效的地球物理探测手段，而地震勘探的探测参数是影响探测效果和断层定位精度的主要因素.本文以银川市活断层探测的浅层地震勘探资料为例，并结合石油地震勘探剖面结果和钻孔地质资料，阐述了在第四纪覆盖层较厚的地区，由深至浅追踪目标断层形态和确定断层上断点空间位置的方法技术.结果表明，采用高分辨率地震勘探和钻孔地质剖面相结合的探测方法是确定隐伏断层位置、判定断层活动性的有效方法.

Liu B

, Cai C

, Feng S

, et al.

Seismic exploration method for buried fault and its up-break point in Quaternary sediment area—An example of Yinchuan buried active fault

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2008,51(5):1457-1483.

Magsci [本文引用: 1]

[5]

Stanley J

, Green

Gravity gradients and interpretation of the truncated plate

[J]. Geophysics, 1976,41(6):1370-1376.

DOI:10.1086/521705 URL [本文引用: 1]

We study the orbital evolution of the 4 giant planets of our solar system in a gas disk. Our investigation extends the previous works by Masset and Snellgrove (2001) and Morbidelli and Crida (2007, MC07), which focussed on the dynamics of the Jupiter-Saturn system. The only systems that we found to reach a steady state are those in which the planets are locked in a quadruple mean motion resonance (i.e. each planet is in resonance with its neighbor). In total we found 6 such configurations. For the gas disk parameters found in MC07, these configurations are characterized by a negligible migration rate. After the disappearance of the gas, and in absence of planetesimals, only two of these six configurations (the least compact ones) are stable for a time of hundreds of millions of years or more. The others become unstable on a timescale of a few My. Our preliminary simulations show that, when a planetesimal disk is added beyond the orbit of the outermost planet, the planets can evolve from the most stable of these configurations to their current orbits in a fashion qualitatively similar to that described in Tsiganis et al. (2005).

[6]

Butler D

Interval gravity-gradient determination concepts

[J]. Geophysics, 1984,49:828-832.

DOI:10.1190/1.1441713 URL

[7]

魏伟, 刘天佑 .

台阶重力异常的梯度解释

[J]. 石油地球物理勘探, 2005,40(2):238-242 .

DOI:10.3321/j.issn:1000-7210.2005.02.028 URL Magsci [本文引用: 1]

Stanley、Green与Butler等人提出的重力异常梯度解释方法都是先利用重力异常水平梯度—垂直梯度图得到台阶的倾角与坐标原点(台阶倾斜面与地面的交线上)位置,然后直接利用重力异常水平与垂直梯度确定台阶的上、下底埋深。这些方法必须由人工操作完成,而且当台阶倾角超过10°时会产生较大的误差甚至无法求解。本文在推导二维台阶重力异常一阶及二阶导数与台阶埋深、倾角及产状之间关系的基础上,对Stanley等人的方法做了重要改进:1用最小方差方法以一个二次曲线拟合重力水平梯度与垂直梯度,由此自动计算台阶倾角;2由重力二阶导数推导出计算台阶上、下底埋深的表达式,并自动计算台阶上、下底埋深。与以前方法相比,本方法能够更准确、更快速地求出台阶(接触带)的产状。文中在最后给出六盘山盆地重力资料的计算实例,表明此法能有效地解释台阶重力异常

Wei

, Liu T

Gradient interpretation of step gravity anomaly

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2005,40(2):238-242.

Magsci [本文引用: 1]

[8]

蔡宗熹, 姜兰 .

二维倾斜断层重力异常的正反演

[J]. 物探化探计算技术, 1986,8(1):32-41.

URL

本文将侯重初同志在文献中提出的上延叠加场思想,有效地用于反演不同密度岩层的倾斜接触面,提高了确定倾斜台阶各参数的精度。并将上延叠加场思想的逆过程,使用于空间域和频率域中倾斜台阶重力异常二阶导数的正演计算。本文另一结果是提供用富里叶交换确定倾斜台阶下底面的深度。

Cai Z

, Jiang

Forward and inverse problems of gravity anomalies due to 2D inclined fault

[J]. Computing Techniques for Geophysical and Geochemical Exploration, 1986,8(1):32-41.

[9]

李丽丽, 孟令顺, 杜晓娟 , 等.

一种断层重力异常定量解释方法

[J]. 石油地球物理勘探, 2012,47(4):665-667.

DOI: URL Magsci

断层解释一直是地质构造解释中的重要内容，尤其是对断层产状的确定。本文给出了一种断层定量解释方法，该方法利用重力异常的水平导数与垂直导数估算断层各项参数，不需要更高阶导数参与计算。理论模型试验表明，该方法反演得到的参数与理论参数的误差较小，可应用于实际断层的解释，但不适用于垂直断层情况。将该方法用于四川实测重力异常的解释中获得了断层的几何及密度参数，与由地震资料确定的断层参数吻合较好。

Li L

, Meng L

, Du X

, et al.

A quantitative method for fault gravity anomaly interpretation

[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2012,47(4):665-667.

Magsci

[10]

王同庆, 陈超, 董运洪 , 等.

改进的重力异常梯度法在二维断层几何参数定量解释中的应用

[J]. 大地测量与地球动力学, 2013,33(6):81-85.

URL Magsci

采用基于椭圆标准方程的非线性拟合方法，改进了基于二次曲线方程对gz-gx梯度空间图进行最小二乘拟合以求解地下台阶或断层构造倾角的方法，并且通过对不同几何参数的2D台阶与断层模型的倾角进行试验计算，验证了方法的稳定性和准确性。

Wang T

, Chen

, Dong Y

, et al.

Application of improved gravity anomaly gradients method in quantitative interpretation of geometric parameters of 2D fault

[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2013,33(6):81-85.

Magsci

[11]

王万银

位场总水平导数极值位置空间变化规律研究

[J]. 地球物理学报, 2010,53(9):2257-2270.

DOI:10.3969/j.issn.0001-5733.2010.09.027 URL Magsci

通过对位场总水平导数函数性质的研究表明,位场总水平导数不是位函数,因而利用位场总水平导数构造新的边缘识别方法时会出现"奇点",使得计算结果的稳定性下降.对单一边界、双边界、多边界模型重力异常总水平导数和重力异常垂向导数总水平导数极值位置的空间变化规律研究表明,重力异常垂向导数总水平导数和化极磁力异常总水平导数的极值位置相同,与重力异常总水平导数的极值位置空间变化规律相似.利用位场总水平导数极大值位置能够准确识别单一直立边界地质体的边缘位置,但不能准确识别其它任何形体的边缘位置,其识别结果的偏移量大小随地质体的埋深、水平尺寸以及倾斜程度等变化,但能收敛于某一固定值;重力异常垂向导数总水平导数比重力异常总水平导数的峰值更加尖锐、横向识别能力更强,其极大值位置更靠近地质体上顶面边缘位置,但存在"次极大值"的影响.

Wang W

Spatial variation law of the extreme value positions total horizontal derivative for potential field data

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2010,53(9):2257-2270.

Magsci

[12]

王万银, 邱之云, 杨永 , 等.

位场边缘识别方法研究进展

[J]. 地球物理学进展, 2010,25(1):196-210.

DOI:10.3969/j.issn.1004-2903.2010.01.027 URL Magsci

研究地质体的边缘位置是重、磁位场数据解释永恒的主题，也是其优势.最近几年，国内外利用重、磁位场进行地质体边缘识别研究的文章明显增多，但没有作者系统整理和对比各方法的优点和缺点，给使用者带来诸多不便.本文首先将现有重、磁位场边缘识别方法分为数理统计、数值计算和其他三大类，并概述了各类方法的研究现状；之后较详细总结了数值计算类中垂向导数、总水平导数、解析信号振幅、倾斜角、θ图这5种基本的边缘识别方法以及在这些基本方法之上发展起来的诸如倾斜角总水平导数、增强解析信号振幅等方法的研究历史和应用效果；并用理论模型对比了几种主要边缘识别方法的识别效果.通过以上总结、对比和分析，指出了重、磁位场边缘识别方法使用中需要注意的问题以及将来的研究重点及发展方向.

Wang W

, Qiu Z

, Yang

, et al. Some advances in the edge recognition of the potential field[J].Progress of Geophysics, 25(1):196-210.

Magsci

[13]

王万银

位场解析信号振幅极值位置空间变化规律研究

[J]. 地球物理学报, 2012,55(4):1288-1299.

DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.024 URL Magsci

通过对单一边界、双边界、多边界以及点(线)质量模型重力异常解析信号振幅和重力异常垂向导数解析信号振幅的极值位置空间变化规律研究表明,重力异常垂向导数解析信号振幅和化极磁力异常解析信号振幅的极值位置相同,且与重力异常解析信号振幅的极值位置空间变化规律相似.利用位场解析信号振幅极大值位置能够准确识别单一直立边界地质体的边缘位置,但不能准确识别其它任何形体的边缘位置,其识别结果的偏移量大小随地质体的埋深、水平尺寸以及倾斜程度等变化.虽然重力异常垂向导数解析信号振幅比重力异常解析信号振幅的峰值更加尖锐、横向识别能力更强,其极大值位置更靠近地质体上顶面边缘位置,但均受地质体埋深的影响较大;随着埋深的增加,位场解析信号振幅的极大值位置会快速收敛到形体的"中心位置",其轨迹类似"叉子状";且对多边界模型会出现"极大值位置盲区"而无法识别其边缘位置.通过这些理论研究表明,位场解析信号振幅只能识别单一边界地质体的边缘位置;而不宜用来识别多边界地质体的边缘位置,但可以用来识别多边界地质体的"中心位置".

Wang W

Spatial variation law of the extreme value positions of analytical signal amplitude for potential field data

[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012,55(4):1288-1299.

Magsci

[14]

Wang W

, Pan

, Qiu Z

A new edge recognition technology based on the normalized vertical derivative of the total horizontal derivative for potential field data

[J]. Applied Geophysics, 2009,6(3):226-233.

DOI:10.1007/s11770-009-0026-x URL

Edge detection and enhancement techniques are commonly used in recognizing the edge of geologic bodies using potential field data. We present a new edge recognition technology based on the normalized vertical derivative of the total horizontal derivative which has the functions of both edge detection and enhancement techniques. First, we calculate the total horizontal derivative (THDR) of the potential-field data and then compute the n-order vertical derivative (VDRn) of the THDR. For the n-order vertical derivative, the peak value of total horizontal derivative (PTHDR) is obtained using a threshold value greater than 0. This PTHDR can be used for edge detection. Second, the PTHDR value is divided by the total horizontal derivative and normalized by the maximum value. Finally, we used different kinds of numerical models to verify the effectiveness and reliability of the new edge recognition technology.

[15]

张毅, 徐如刚, 余勇 , 等.

高精度重力测量在隐伏断层探测中的应用

[J]. 国际地震动态, 2012,401(5):6-7.

DOI:10.3969/j.issn.0235-4975.2012.05.002 URL

正在城市活断层探测与地震危险性评价过程中,由于所探测的区域大多位于第四纪松散沉积覆盖区,岩石露头较少,断层痕迹不明显,同时探测的目标断层绝大多数为隐伏断层,因此,地球物理探测成为活断层探测中必不可少的重要手段[1-3]。目前在城市活断层空间定位及活动性评价中采用的地球物理探测手段较多,不同地球物理探测手段具

Zhang

, Xu R

, Yu

, et al.

Application of high precision gravity survey in concealed fault detection

[J]. Recent Developments in World Seismology, 2012,401(5):6-7.

[16]

许闯

多尺度重力反演方法及其在城市活动断层探测中的应用研究

[D]. 武汉:武汉大学, 2014.

Study on multi-scale gravity inverse method and its application to detect urban active faults

[D]. Wuhan:Wuhan University, 2014.

[17]

陈石

利用重力异常进行三维断层参数反演方法研究

[D]. 西安:长安大学, 2005.

Chen

Research on 3D fault parameter inversion method based on gravity anomaly

[D]. Xi’an:Chang’an University, 2005.

[18]

顾心如

倾斜断层V_zz,V_zzz的联合反问题

[J]. 物探与化探, 1994,18(5):353-362.

Magsci

本文利用两个上延高度的Vzz极值距和其中之一高度的Vzzz的零值点获得了倾斜断层的位置、埋深、断距、倾向、倾角以及断层正逆性质等的反问题解。

Gu X

The solutions of reverse problems of combined V_zz and V_zzz for the inclined fault

[J]. Geophysical & Geochemical Exploration, 1994,18(5):353-362.

Magsci

[19]

王万银, 张瑾爱, 刘莹 , 等.

利用重磁资料研究莺—琼盆地构造分界及其两侧断裂特征

[J]. 地球物理学进展, 2013,28(3):1575-1583.

DOI:10.6038/pg20130355 URL Magsci

莺-琼盆地(即莺歌海盆地和琼东南盆地)位于印支地块与华南大陆交汇处,该区域地质构造复杂,为南海西北走滑型和伸展型陆缘的交汇区,也是印澳-欧亚板块碰撞"挤出-逃逸构造区"和"古南海俯冲-拖曳构造区".莺-琼盆地的北部以红河断裂带中1号断裂为界,前人对其认识比较统一,但莺-琼盆地南部由于地质和地球物理资料较少、研究程度低,以致其构造格局及分界位置不明确.通过对重、磁资料的处理,认为在莺-琼盆地分界的北段存在明显的重力异常和磁力异常梯级带,该梯级带与1号断裂位置相对应;在其南段存在明显的重力异常和磁力异常高值带,推断该高值带为一"中建凸起",结合重、磁对应分析技术确定了该"中建凸起"的分布范围.采用重、磁异常归一化总水平导数垂向导数技术识别出控制莺-琼盆地分界两侧的断裂构造,在分界以西断裂走向主要为北北西向,分界以东主要为北东向.通过地质和地球物理综合研究认为莺-琼盆地的北段以1号断裂为界,南段以"中建凸起"为界.

Wang W

, Zhang J

, Liu

, et al.

Research on the tectonic boundary of Ying-Qiong basin and adjacent fault’ features based on gravity and magnetic data

[J]. Progress in Geophysics, 2013,28(3):1575-1583.

Magsci

2016

... 银川平原位于宁夏中部黄河两岸,北起石嘴山,南至青铜峡,东到鄂尔多斯高原,西接贺兰山脉,南北长150 km,东西最宽40余km.该地区的活动断层发育,1739年发生的银川—平罗8级地震给该地区人民的生命财产造成了巨大损失,为有效避让活动断层而又能尽可能少的占用城市用地,研究该地区的断裂构造体系及活动断层的展布特征具有重要意义.前人对区内活动断层的研究主要根据地质观测与部分石油地震剖面、大地电磁测深剖面,难以覆盖全区,得不到全区断裂体系特征及活动性^[1].笔者利用银川平原1∶20万布格重力异常资料,定性解释断裂体系的位置及空间特征;定量计算断层的埋深与产状.当资料精度较高时,重力解释的断层上顶面深度若在新生界地层深度范围内,还可以作为可疑的活动断层提供地质上进一步查证,是辅助浅层地震等方法研究活动断层的有效、快速的方法. ...

... 对于笔者解释的结果(蓝线),在贺兰山断裂(F₁)的惠农—崇岗一段与前人解释的结果(红线)对应的很好;中间一段,解释结果(蓝线)与前人解释的结果(红线)也有部分对应,但由于该处地质构造相对复杂且数据本身精度不高,高值部分没有很好的连续性,无法给出合理的定性解释;南部末端两者也有较好的对应,该地区处于新老地层的分界位置,应为贺兰山断裂(见图1).芦花台断裂(F₂)两者对应情况也很好,但洪广至平罗西一段没有高值显示,可能是该处断裂的断距较小的缘故,从地质上来看,该处位于常信凹陷西缘,断裂在此处更倾向于是连续的,以蓝色虚线表示该段.对于银川断裂(F₃),与前人解释结果(红线)相比,本次解释的结果(蓝线)在北端有北延的趋势,以往文献大多是从地质上推断银川断裂北延的,笔者解释的结果从重力上给出了银川断裂北延的证据;此外,银川断裂的贺兰—永宁一段笔者解释结果(蓝线)向西偏移,永宁以南没有高值显示,说明断裂并未向南延伸,而前人解释结果(红线)认为其向南延伸,也就切割了异常变化较平缓的灵武凹陷(见图2),依据不足.对于黄河断裂(F₄),两者在大体上是一致的,图5中该断裂的高值部分没有很好的连续性,笔者解释的结果(蓝线)存在两处断口,文献^[1]中认为两处各存在一条Ⅳ级断裂(F₅,以蓝色虚线表示),两条断裂在图5中也有部分高值显示.另外,南部的一条NW走向的Ⅳ级断裂与高值对应较好,详见文献^[1];在F₄中端及南端,笔者解释的结果(蓝线)相较前人解释结果(红线)向西偏移,从以下定量反演的结果上来看,笔者解释的结果更为准确. ...

... [1];在F₄中端及南端,笔者解释的结果(蓝线)相较前人解释结果(红线)向西偏移,从以下定量反演的结果上来看,笔者解释的结果更为准确. ...

2016

... [1];在F₄中端及南端,笔者解释的结果(蓝线)相较前人解释结果(红线)向西偏移,从以下定量反演的结果上来看,笔者解释的结果更为准确. ...

宁夏银川盆地地质构造演化特征

2008

... 在地质历史时期,该地区曾经历过多次拉张与闭合,并伴随着一系列岩浆活动,新生代时期,受青藏高原抬升影响,构造应力发生变化,加之盆地深部上地幔物质上涌和地壳减薄过程,加剧了该地区盆地的拉张断陷作用,使得新生界沉积物厚度达到了7 000多m.区内出露地层自老而新有太古宇,元古宇,古生界寒武系、奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系,中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界的古近系、新近系、第四系(图1).研究区基底构造较为复杂,主要由奥陶系构成,新生界沉积厚度大,整体概貌上,中部的断落最深,向两侧以断阶状或斜坡抬升,并伴有断裂发育,自西向东的几条主要断裂为贺兰山断裂、芦花台断裂、银川断裂和黄河断裂^[2]. ...

... 根据物性资料,本区新生界地层的密度变化范围为(1.30~2.57)×10³ kg/m³,中生界地层为(2.44~2.69)×10³ kg/m³,上古生界地层为(2.57~2.64)×10³ kg/m³,下古生界、新元古界、中元古界以及古元古界的地层密度在2.70×10³ kg/m³左右.新生界地层与基底地层的密度差异明显,区域重力异常较好地反映了基底地层的起伏.局部重力异常与新生界覆盖层的厚度有关,在新生界覆盖层较薄的地区,呈现明显的局部重力高异常,如贺兰山地区;在新生界覆盖层较厚的地区,一般存在较深的凹陷,呈现明显的局部重力低异常,南部低异常对应“灵武凹陷”,北部对应“银北凹陷”等^[2](图2). ...

宁夏银川盆地地质构造演化特征

2008

... 台阶模型参数为上顶面埋深1 500 m,下底面埋深4 000 m,剩余密度0.3×10³ kg/m³,倾角分别为30°、60°、90°、120°,正演的试验数据范围为[-15 000,15 000]m,点距200 m,台阶模型倾斜面延长线与水平面的交点为原点,识别目标为台阶模型上顶点(与原点无关).朱西敏对一阶水平导数、一阶垂向导数、倾斜角以及倾斜角总水平导数等方法的识别效果进行了探讨,认为倾斜角总水平导数对理论台阶模型的识别效果较好^[3];而该方法在银川平原平面断裂体系划分中的应用效果并不理想,原因在于其识别结果的峰值带过宽(贺兰山断裂与芦花台断裂处于一个峰值带),无法合理划分平面断裂体系.对此笔者采用了在倾斜角识别结果的基础上再做一次θ图(即倾斜角θ图法)的方式作为本文平面断裂划分的方法,其目的在于凸显倾斜角识别结果的拐点特征以达到类似倾斜角总水平导数法的效果.各边界识别方法的识别结果如图3所示. ...

第四系沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏断裂为例

2008

... 为检验反演结果的可靠性,我们以83503地震剖面的结果进行对比,如图8a所示,蓝线为地震解释的断裂大致位置^[4],而运用重力资料解释的结果,除黄河断裂倾角有较大差距外,其他两条断裂的重力反演结果与地震解释的结果有着很好的映证,因此具有一定的可靠性.这里值得一提的是,地震上解释的黄河断裂位于重力剖面的46 000~47 000 m处,与图5中计算结果的高值部分对应较好,说明根据重力解释与地震解释两种结果都证实黄河断裂比前人解释结果向西偏(见图5中红色虚线,相当于图8剖面50 000 m处). ...

第四系沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术——以银川隐伏断裂为例

2008

Gravity gradients and interpretation of the truncated plate

1976

... 断裂参量图法可以比较准确地反演出台阶模型的倾角,该方法最早由Stanley和Green提出^[5],其思路是利用重力水平导数和垂向导数构成梯度空间图,在理想情况下会得到一个椭圆.如图4a所示,坐标原点选在倾斜面与水平面的交点处,倾角为θ,上顶面和下底面埋深分别为h、H,台阶剩余密度为σ,计算出水平一阶导数V_zx和垂向一阶导数V_zz作图V_zx-V_zz,即可得到椭圆参量图,该椭圆的长轴的沿线与x坐标轴的交线的夹角就是倾斜台阶的倾角,见图4b.魏伟、刘天佑完善了该方法^[7],其做法是以一个二次曲线方程: ...

Interval gravity-gradient determination concepts

1984

台阶重力异常的梯度解释

2005

台阶重力异常的梯度解释

2005

二维倾斜断层重力异常的正反演

1986

二维倾斜断层重力异常的正反演

1986

一种断层重力异常定量解释方法

2012

一种断层重力异常定量解释方法

2012

改进的重力异常梯度法在二维断层几何参数定量解释中的应用

2013

改进的重力异常梯度法在二维断层几何参数定量解释中的应用

2013

位场总水平导数极值位置空间变化规律研究

2010

位场总水平导数极值位置空间变化规律研究

2010

位场边缘识别方法研究进展

2010

位场边缘识别方法研究进展

2010

位场解析信号振幅极值位置空间变化规律研究

2012

位场解析信号振幅极值位置空间变化规律研究

2012

A new edge recognition technology based on the normalized vertical derivative of the total horizontal derivative for potential field data

2009

高精度重力测量在隐伏断层探测中的应用

2012

高精度重力测量在隐伏断层探测中的应用

2012

多尺度重力反演方法及其在城市活动断层探测中的应用研究

2014

多尺度重力反演方法及其在城市活动断层探测中的应用研究

2014

利用重力异常进行三维断层参数反演方法研究

2005

利用重力异常进行三维断层参数反演方法研究

2005

倾斜断层V_zz,V_zzz的联合反问题

1994

倾斜断层V_zz,V_zzz的联合反问题

1994

利用重磁资料研究莺—琼盆地构造分界及其两侧断裂特征

2013

利用重磁资料研究莺—琼盆地构造分界及其两侧断裂特征

2013

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