Construction of bedrock geological model in shallow overburden area: Application of a joint inversion of gravity anomaly and borehole data in the Tanlu Fault Zone, Sihong area
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摘要:
利用重力异常数据建立覆盖区的基岩地质模型往往需要大量的地质与岩石物性资料，同时受地质先验信息、人为因素等干扰严重。运用重力异常钻孔约束反演的方法尝试构建浅覆盖区基岩地质模型，探讨在人为介入较少的情况下快速高效构建包含基岩面起伏特征、断裂展布、密度分布等要素的地质模型的可行性。在郯庐断裂泗洪地区的地质调查实际应用中，对区内布格重力异常采用小波多尺度分解的方法进行基岩面异常场提取，随后联合运用小波断裂分析、线性回归反演、视密度填图等方法构建了该区域的隐伏基岩地质模型。结果显示，在不需要大量地质先验信息的情况下，该系列方法能够快速高效地构建覆盖区地质模型。结果模型能够较好地反映基岩面构造及物性特征，并且细化郯庐断裂带泗洪地区的区域构造特征，对于郯庐断裂地区的构造演化研究具有一定的参考意义，同时为探索较少人为干预的地球物理数据反演覆盖区隐伏基岩的方法研究提供一定的实践价值。
Abstract:The establishment of the bedrock geological model with gravity anomaly data in the covered area usually requires a lot of geological and rock-physical data.The results are often disturbed by geological prior information and human factors.A joint inversion method of gravity anomaly and borehole data for constructing the geological bedrock model in shallow overburden area was introduced to explore the feasibility of rapidly and efficiently constructing the geological model of bedrock surface undulation, fault distribution and density distribution in the case of less human intervention.In the practical application of the Tanlu Fault Zone, Sihong area, the wavelet multi-scale decomposition method was used to extract the gravity anomaly field of bedrock surface; furthermore, the geological model of bedrock in this region was constructed by means of wavelet fault analysis, linear regression inversion and apparent density mapping.The results show that this method can construct the geological model of overburden area quickly and efficiently without requiring a lot of geological prior information.This model can truthfully reflect the structural and physical characteristics of the bedrock surface, and refine the regional tectonic characteristics of the Tanlu Fault, which is meaningful for the better understanding of the regional tectonic evolution and geophysical data inversion of buried bedrock.
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致谢: 感谢两位审稿专家提出的宝贵意见及中国地质调查局地质力学研究所胡健民研究员在本文写作过程中的帮助。
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图 1 郯庐断裂带构造分区(a)和泗洪地区地质概况(b)
NCB—华北板块；SLO—苏鲁造山带；YZB—扬子板块；HXB—华夏板块；DBO—大别造山带；TLFZ—郯庐断裂带；JXF—嘉山-响水断裂；ZTF—镇江-铜陵断裂；JSF—江绍断裂
Figure 1. Tectonic division of the Tanlu Fault Zone (a)and geological map of the Sihong area (b)
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图 2 郯庐断裂带泗洪地区及邻区布格重力异常特征
Figure 2. Bouguer gravity anomaly in the Sihong area of the Tanlu Fault Zone
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图 3 郯庐断裂带泗洪地区及其邻区布格重力异常二阶小波分解结果(a~c)及一、二阶小波细节异常功率谱测深结果(d, e)
Figure 3. The second order wavelet multi-scale decomposition of the bouguer gravity anomaly in the Sihong area of Tanlu Fault Zone (a~c)and the logarithmic power spectrum of the first and second order gravity anomaly details (d, e)
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图 4 郯庐断裂带泗洪地区小波断裂分析结果
a~c—重力一阶小波细节分别在NE-SW向、SN向和EW向的特征；d~f—重力二阶小波细节分别在NE—SW向、SN向和EW向的特征; TLFZ—郯庐断裂带；F1—山左口-泗洪断裂；F2—新沂-新店断裂；F3—墨河-淩城断裂；F4—王集-朱山断裂；F5—桥北镇-宿迁断裂；F6—太平-孙园断裂；F7—界集-太平断裂；F8~F10—局部走滑断裂
Figure 4. Wavelet analysis of the fault distribution in the Sihong area of the Tanlu Fault Zone
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图 5 钻孔揭露的基岩面高程(a)、钻孔处重力小波一阶细节异常数据(b)及二者相关性分析(c)
Figure 5. Elevations of bedrocks exposed by boreholes (a), the first order detail data of the gravity anomaly in the location of boreholes (b)and the correlation analysis between them (c)
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图 6 郯庐断裂带泗洪地区隐伏基岩地质模型
a—隐伏基岩起伏特征及基底断裂分布；b—基岩面附近岩石视密度分布
Figure 6. Geological model of buried bedrocks in the Sihong area, Tanlu Fault
表 1 基岩填图单位
Table 1 The mapping units of the bedrock
中新生代盖层 华北板块 苏鲁造山带 时代 古近纪(缺失) 白垩纪 新元古代 新元古代—中元古代 中元古代—古元古代 地层及代号 三垛组(E2-3s) 戴南组(E2d) 阜宁组(E1f) 泰州组(E1t) 王氏组(K2w) 青山群(K1qs) 淮河群 八公山群 云台岩群(Pt2-3Y) 锦屏岩群 九顶山组(Pt3jd) 张渠组(Pt3zh) 魏集组(Pt3wj) 兰陵组(Pt3l) 石英岩片麻岩组(Pt1-2Jqg) 磷灰岩片麻岩组(Pt1-2Jpg) 
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表 2 泗洪地区部分岩石密度参数
Table 2 The densities of the bedrock in the Sihong area
年代 岩性 标本数/块 密度/(103 kg·m-3) 最小值 最大值 平均值 标准差 白垩纪 粉砂岩 13 2.033 2.346 2.191 0.131 白垩纪 砂岩 43 2.243 2.535 2.330 0.048 白垩纪 火山岩 23 2.254 2.368 2.330 0.028 元古宙 花岗片麻岩 19 2.426 2.669 2.585 0.065 元古宙 片麻岩 24 2.545 2.806 2.658 0.062 元古宙 灰岩 32 2.616 2.857 2.800 0.050 元古宙 石英岩 34 2.598 2.676 2.643 0.014 元古宙 斜长角闪岩 3 2.456 2.616 2.552 0.069
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表 3 用于线性回归反演的地质钻孔信息
Table 3 The geological boreholes for linear regression inversion
序号 钻孔编号及基岩出露点 钻孔高程/m 基岩面高程/m Δg值/(10-6 m·s-2) 1 SHJ01 18.88 -41.4 0.082 2 SHJ03 18.47 -234.11 -0.097 3 SHJ05 18.12 -232.78 -0.061 4 SHJ07 22.47 -146.31 -0.034 5 SHJ08 19.59 -195.38 -0.062 6 SHJ09 18.71 -206.85 0.037 7 SHJ10 18.69 -220 0.086 8 SHJ11 18.13 -223.4 -0.086 9 SHJ14 16.37 -154 -0.207 10 SHJ15 16.71 -113.6 -0.188 11 SHJ17 16.09 -83.65 0.005 12 SHJ18 18.82 -171.8 0.026 13 SHJ19 46.04 -162.36 0.013 14 SHJ20 22.77 -158.72 -0.021 15 SHJ21 16.47 -77.86 0.087 16 SHJ22 15.46 -117 0.009 17 SHJ23 13.02 -194.1 -0.065 18 SHJ24 20.42 -254.77 -0.209 19 SHJ25 20.86 -165.05 -0.087 20 SHJ26 18.39 -125.67 0.057 21 SHJ28 15.32 -184.8 0.051 22 SHJ31 16.73 -103.49 -0.096 23 SHJ34 15.03 -106.3 -0.036 24 SHJ35 19.63 -155.18 0.088 25 SHJ37 16.38 -139.25 0.017 26 SHJ38 26.07 -108 -0.072 27 朱山 / 157.2 0.458
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