楊文采，王家林，鐘慧智，陳 冰

1大地構造與動力學國家重點實驗室中國地質科學院地質研究所，北京 100037 2同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092

塔里木盆地航磁場分析與磁源體結構

楊文采1，王家林2，鐘慧智2，陳 冰2

1大地構造與動力學國家重點實驗室中國地質科學院地質研究所，北京 100037 2同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092

本文研究塔里木盆地區(qū)域磁異常圖的反演及磁源體結構．由于眾多異常的疊加和反演固有的多解性，區(qū)域磁異常圖的準確解釋是非常困難的．三維歐拉反褶積是一種確定地質體位置和埋藏深度的自動定量反演方法，比較適用于計算區(qū)域磁異常源的埋藏深度．由于大型克拉通沉積盆地地層具有上新下老的規(guī)律性，將磁異常源分解為三個深度層次，圈定它們各自的分布區(qū)域，便可將它們與形成的地質作用及時代聯(lián)系起來，為準確解釋區(qū)域磁異常圖提供可靠的依據(jù)．本文應用三維歐拉反褶積反演方法，計算出的塔里木盆地深度為2～5km、5～10km、10～20km三個等級的磁異常源，它們與形成的地質作用及時代分別為：中生代構造運動，海西期玄武巖侵位和太古代結晶基底的變質作用；圈定了它們各自的分布區(qū)域．

塔里木盆地，區(qū)域磁場，反演，歐拉反褶積，磁異常源，形成地質作用

1 引 言

區(qū)域磁場通常包含有成千上萬個異常，它們互相重疊，不能采用孤立異常的定量分析方法對源體定位．多年來，用二維離散小波變換多尺度分析方法，研究區(qū)域重力場和地殼的密度結構［1－2］．與重力觀測資料相比，由于磁異常的尺度不僅與埋藏深度有關，還和極性有關；因此二維離散小波變換多尺度分析方法用以描述區(qū)域磁場的磁源體并不大理想．本文以塔里木盆地為例，介紹區(qū)域航磁場反演及磁源體結構研究的成果．

塔里木盆地位于新疆南部，四周被天山、昆侖山及阿爾金山所環(huán)繞，面積56萬km2．塔里木盆地在太古界及元古界基底之上沉積了巨厚的古生界、中生界及新生界沉積蓋層．盆地內部的二級構造單元如圖1所示，包含巴楚隆起、塔中和塔北隆起、塔東隆起和滿加爾凹陷、阿瓦提凹陷、塔西南凹陷及麥蓋提斜坡、孔雀河斜坡等．盆地的主力生油期在古生代，油氣勘探要求對全盆進行地球物理調查與定位．由中國地質調查局資助，筆者用重力、磁力、地震和大地電磁四類地球物理方法技術系列，進行了比例尺100萬的塔里木地殼結構研究．通過3年的工作，已取得的成果包括塔里木盆地多尺度重力場反演與密度結構，塔里木盆地結晶基底的反射地震調查，塔里木盆地地震波速擾動及泊松比成像等［1－4］．本文主要介紹塔里木盆地航磁場分析與磁源體結構．

多位作者對塔里木盆地的巖石磁性和航空測量磁場進行的研究［5－10］指出，塔里木盆地中部有一條東西向的強航磁異常帶，從現(xiàn)有鉆孔及露頭二疊紀玄武巖資料看，盆地中部及北部的正異常與二疊紀裂谷事件密切相關．盆地南部、尤其是西南部的北東向正異常與二疊紀裂谷事件不一定相關，可能主要反映結晶基底．太古界和元古界基底的磁性較強，太古界為一套深變質巖系，具有較強的磁性，磁化率一般為（377～754）×10－5SI，最大可達（3768～23512．3）×10－5SI．元古界由一套淺變質巖系所組成，其巖性為一套片巖、千枚巖、大理巖、黑云母角閃片麻巖等，平均磁化率為（88～100）×10－5SI，最大可達（1000～1256）×10－5SI．阿克蘇附近出露的元古界阿克蘇群綠色片巖系，磁化率一般小于25．1×10－5SI．庫爾勒地區(qū)中元古界揚吉布拉克組，其中測定該地層中灰綠色黑云母、斜長片麻巖、深綠色角閃片巖及角閃正長片麻巖，磁化率一般為（75．4～100）×10－5SI，局部最大磁化率可達（1256～3768）×10－5SI．庫魯克塔格地區(qū)的花崗巖、片麻巖及各類片巖夾結晶大理巖，其磁化率最大為7704．3×10－5SI，平均為194．7×10－5SI．阿爾金山且末地區(qū)的花崗片麻巖、云母石英片巖、橄欖巖夾大理巖，磁化率最大為6280×10－5SI，平均磁化率為452．2×10－5SI．據(jù)上述地區(qū)資料所示，元古界的磁性多屬中弱磁性地層，而其中片麻巖及基性巖類可以引起局部強磁異常．

塔里木盆地蓋層中，震旦系和二疊系的磁性較強．震旦系主要為一套海相碎屑巖，磁性總體為弱磁或無磁，但上部夾有基性火山巖，可以具有較強磁性．柯坪以北的阿克蘇—烏什一帶，上震旦統(tǒng)蘇蓋特布拉克組輝綠巖，自下而上有三層，平均磁化率分別為3893．6×10－5SI、4571．8×10－5SI、4483．9×10－5SI．二疊系玄武巖，分布范圍較廣，平均磁化率為（1738．3～4571）×10－5SI，具有較強的磁性，是塔里木盆地沉積蓋層中最強磁性地層．此外，海西期中基性侵入巖磁化率為（6280～12560）×10－5SI，含釩鈦磁鐵礦輝巖的磁化率為12560×10－5SI；基性輝綠巖磁化率為2333×10－5SI，輝長巖磁化率為2212×10－5SI，亦可以引起局部磁異常．

圖1 塔里木盆地內部的二級構造單元Fig．1 Structural units within Tarim Basin

磁異常的強弱除了與場源有關外，還與埋藏深度和極性有關．要了解磁源體結構，必需計算磁源體的埋藏深度，并與地震剖面對比，以此標定磁源體所屬的地層段．根據(jù)塔里木盆地的地質特征，本文用三維歐拉反褶積方法計算磁源體埋藏深度，將全盆所有磁異常按埋藏深度進行分類，建立了盆地的磁源體結構模型，對油氣勘查有指導意義．

2 用于區(qū)域航磁異常處理的歐拉反褶積方法

塔里木盆地的航磁資料主要來自國家地質總局航空物探大隊和各大石油公司．蘭勃特坐標系中選用數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍分別為：x＝－451000～900000；y＝3250～711550；數(shù)據(jù)網(wǎng)格距：2km×2km．不同測區(qū)的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)的標定和同化，數(shù)據(jù)量為24．1萬個．獲得的區(qū)域航磁異常圖見圖2，編拼的1∶250萬航磁異常圖補充了原有的一些空白區(qū)和細節(jié)，較完整地反映了塔里木盆地全區(qū)的磁場特征．

鑒于區(qū)域航磁異常是淺、深磁性體磁場的綜合效應，而對塔里木盆地幾千個疊加磁異常的反演，必需采用快速計算磁性塊深度的新反演方法．歐拉反褶積法的優(yōu)點正是可以較快地計算出區(qū)域內不同深度，不同規(guī)模磁性體的深度［11－12］．為了更好的利用與解釋磁異常，首先必需將航磁異?；瘶O，使異常與源的水平位置對準，然后再作歐拉反褶積處理．航磁異常采用中緯度常規(guī)化極方法，獲得的區(qū)域航磁化極異常圖見圖3．

2．1 歐拉反褶積

三維歐拉反褶積是一種利用重磁數(shù)據(jù)確定地質體位置和埋藏深度的自動定量反演方法，比較適用于計算區(qū)域磁異常源的埋藏深度．這種方法并不需要已知地質信息的控制．位場和其梯度與場源位置之間的聯(lián)系可以通過歐拉齊次方程表示，而場源的不同形狀即地質構造的差異則表現(xiàn)為方程的奇異程度，稱為“地質構造指數(shù)”，地質構造指數(shù)實質上表現(xiàn)了場隨離開場源距離的衰減率．歐拉反褶積方法的原理來自歐拉方程．

建立一個直角坐標系，取觀測面為z＝0平面，z軸向下為正，x軸指向正北，y軸指向東．考慮在此坐標系中的任一函數(shù)φ（x，y，z），如果對某個指數(shù)t有

成立，則稱函數(shù)φ（x，y，z）是n階齊次的．可以證明，如果φ（x，y，z）是n階齊次的，則滿足下列方程

該偏微分方程通稱為歐拉齊次方程，簡稱為歐拉方程．

考慮觀測平面的點磁源（x0，y0，z0），其在觀測平面上的任一點（x，y，0）的總磁場強度具有如下形式：

其中（x0，y0，z0）為磁源位置．則方程（4）為n階歐拉齊次方程，B為區(qū)域場或背景場．

方程（4）是位場滿足的泊松方程在局部區(qū)的近似與簡化．由方程（4）可以看出，方程中的未知數(shù)有五個即為等效點源坐標（x0，y0，z0）和B，C反演要計算等效場源的位置（x0，y0，z0），已知的是局部區(qū)內觀測位場的數(shù)據(jù)．把觀測位場的方向導數(shù)數(shù)據(jù)代入歐拉方程（4），得到線性方程組后用常用廣義逆線性方程組的最小二乘法求解［13－14］．通過求解線性方程計算出場源點位置（水平位置及相應深度），然后逐步移動局部區(qū)數(shù)據(jù)窗口，計算出區(qū)域內所有不同深度，不同規(guī)模磁性體的深度．

2．2 構造指數(shù)與模型檢驗

由方程（4）可以看出，方程中的未知數(shù)有五個，其中B為區(qū)域場或背景場，而C表示對磁異常模擬最好的那種磁源類型，即構造指數(shù)．等效點場源的埋藏深度z0是反演的主要參數(shù)，而反演還取決于另一個參數(shù)：構造指數(shù)C．

對于每種簡單的地質模型，都對應著不同的C值，如球體的構造指數(shù)為3，垂直巖筒的構造指數(shù)為2，巖脈的構造指數(shù)為1等等（見表1）．可以根據(jù)場源形狀或有關異常性質的先驗知識來選擇構造指數(shù)C．在C確定后，方程中的未知數(shù)可以減少為4個．

表1 歐拉構造指數(shù)表Table 1 Euler structure index

對于塔里木盆地研究，分別選用了構造指數(shù)C＝1、2、3、4、5做試驗．經(jīng)過與磁異常常規(guī)反演結果和地震、重力資料所獲得基底埋深資料對比，認為C＝1比較適合淺部磁性體（主要是火成巖）及深部磁性基底的情況．因此，選擇以C＝1為主，C＝2為參考，計算出磁性體埋藏深度圖（圖4），它反映的主要是柱狀磁性體頂面深度．一般來說，指數(shù)太小，得出的深度值過淺，而指數(shù)太大，又會使估算值太深．在實際應用中，要通過試驗把構造指數(shù)選得準確些．

2．3 移動數(shù)據(jù)窗口選擇

歐拉反褶積構造反演計算中窗口大小的選擇問題，必需通過試驗來解決．區(qū)域磁場中場源多數(shù)重疊或相互鄰近，這時選擇移動窗口的大小應滿足下述兩個條件：（1）窗口足夠大，能夠反映航磁場和梯度的變化；（2）窗口足夠小，使之盡量不包含鄰近場源的影響．上述兩個條件相互矛盾，實踐中并不易滿足．所以，在計算時先從磁場化極圖上量出多個鄰近場源的間距，然后設定多個不同尺寸的窗口，試算后觀察比較以選擇滿意的結果．

3 沉積盆地內部航磁場分析與磁源體結構

在磁性體埋藏深度圖（圖4）中，歐拉反褶積計算出的深度分為0～2km、2～5km、5～10km、10～15km、15～20km五個等級，分別用紅、黃、綠、淺藍和深藍五種顏色表示．對照航磁化極異常圖（圖3）可以看出，0～2km深度點的異常很少，僅出現(xiàn)在盆地邊緣，盆地內幾乎沒有出現(xiàn)，因此盆地內不存在淺層（主要指中新生界）磁源體．深度為2～5km的深度點表示的異常主要分布于7處，見圖5a字母A－G的標明．5～10km的深度點表示的異常主要分布于四片處，見圖5b中I－IV的標示．10～15km和15～20km的深度點表示的異常主要反映了本區(qū)磁性基底，位置由圖5b中未圈定區(qū)表示．

根據(jù)塔里木盆地深反射地震剖面揭示，深度為2～5km和5～10km的磁異?？梢杂珊Ｎ髌冢ㄖ饕嵌B紀）玄武巖的侵位引起［2－3］．圖6為通過巴楚隆起西北部（圖5aB區(qū)）的J01線的一段．由圖可見，在剖面6s以下的基底巖石中有較強散射波，通常反映來自下地殼的玄武巖侵位［9］．玄武巖侵位引起上覆沉積巖層上隆錯斷，也反映為散射波增強，向上影響到1s處的反射剖面記錄，上方即為反映古生界頂面不整合的反射波組T50，指示玄武巖侵位的時代應為二疊紀．雖然航磁異常也對應二疊紀玄武巖侵位，但是磁異常源體的頂部埋藏深度還隨異常所處構造形態(tài)而變化．圖7為切過巴楚隆起和阿瓦提凹陷南端的J02線反射地震剖面，由此剖面可見二疊紀玄武巖侵位與構造之間的關系．A區(qū)二疊紀玄武巖侵位在反射波組T50下方，但因為此處為隆起區(qū)，T50埋藏深度在2km左右，對應磁異常源體的頂部埋藏深度為2～5km．B區(qū)二疊紀玄武巖侵位也在反射波組T50下方，但因為此處為凹陷區(qū)，T50埋藏深度卻在5km左右，對應磁異常源體的頂部埋藏深度為5～10km．因此，深度為2～5km和5～10km的磁異常都可反映二疊紀玄武巖的侵位，埋藏深度的區(qū)別與所處構造單元有關，前者應視為中生代構造運動和海西期玄武巖侵位共同作用的結果．通過鉆孔巖心測定玄武巖K－Ar同位素年齡為241～278Ma，輝長巖的Sm－Nd年齡為259Ma［5－7］．

從圖5a看，塔里木盆地深度2～5km的大部分的磁性體集中在以下7個區(qū)：柯坪隆起（A區(qū)），巴楚隆起西北部（B區(qū)），和田河氣田至古董山斷裂（C區(qū)），民豐阿爾金山前帶西南段（D區(qū)），阿爾金山前帶（E區(qū)），孔雀河斜坡西段（F區(qū)），孔雀河斜坡東北段（G區(qū)）．A—C區(qū)和孔雀河斜坡的磁異常主要來自中生代構造隆起地區(qū)的二疊紀玄武巖和輝長巖．阿爾金山前帶磁性體還可能與元古代的超基性巖體有關，阿爾金山紅柳溝附近地表出露有元古代的橄欖巖及輝長巖體，厚度達3800m，最大磁化率可達23509．8×10－5SI，平均磁化率為1032．4×10－5SI．上述基性及超基性巖體均可以引起較強異常．

圖4 塔里木盆地磁性體埋藏深度圖Fig．4 Source position of the magnetic anomalies with buried depth in Tarim Basin

圖5 不同埋藏深度磁源體分布平面圖Fig．5 Source position of the magnetic anomalies with different buried depth in Tarim Basin

圖6 通過巴楚隆起西北部（圖4上圖之B區(qū)）的J01深反射地震剖面（局部）．黃線及箭頭表明二疊紀玄武巖侵位的范圍．Fig．6 A segment of deep seismic reflection migrated profile J01across northwest Bacu uprift（Area"B"in figure 4）．Yellow curves and arrows indicate the Permian basalt underplating．

從圖5b看，塔里木盆地深度5～10km的大部分的磁性體集中在以下四個區(qū)：麥蓋提—巴楚—阿瓦提—順托果勒（I區(qū)），阿爾金山前帶（II區(qū)），滿加爾凹陷內（III區(qū)），孔雀河斜坡（IV區(qū)）．巴楚隆起西北部（B區(qū)）和阿爾金山前帶是同時具有深度2～5km和5～10km磁性體的區(qū)域，前者是二疊紀玄武巖的侵位活動激烈區(qū)；后者是沿阿爾金斷裂展布的開裂活動區(qū)，斷裂活動期主要在中新生代．阿爾金山前帶磁異常與中新生代盆地東緣的造山作用有關．III區(qū)位于滿加爾凹陷的核部，范圍較小．由于滿加爾凹陷古生代生油巖厚度大，核部有二疊紀玄武巖侵位對油氣成熟可能有利．還有少數(shù)深度5～10km的磁性體出現(xiàn)在塔中及塔北低隆起區(qū)內，主要與二疊紀玄武巖的侵位有關．

塔里木盆地深度10～20km的磁性體遍布全區(qū)，以塔中—塘古孜巴斯一帶最為稠密，而環(huán)滿加爾凹陷區(qū)和麥蓋提斜坡較為稀疏（圖4）．從地震剖面可知，深度10～20km的磁性體來自結晶基底，尤其是太古代結晶基底．結晶基底中較為稀疏的磁異常源反映了結晶基底的變質巖石相對均勻，可以為蓋層巖石提供更穩(wěn)定的沉積環(huán)境．

由于大型克拉通沉積盆地地層具有上新下老的規(guī)律性，將磁異常源分解為三個深度層次，圈定它們各自的分布區(qū)域，便可將它們與形成的地質作用及時代聯(lián)系起來，為準確解釋區(qū)域磁異常圖提供可靠的依據(jù)．

圖7 切過巴楚隆起和阿瓦提凹陷南端的J02線反射地震剖面．A和B指示二疊紀玄武巖侵位的位置．Fig．7 A deep seismic reflection migrated profile J02across Bacu uprift and southern Arwati suppression．Letters"A"and"B"indicate positions of the Permian underplating．

4 結 論

（1）由于眾多異常的疊加和反演固有的多解性，區(qū)域磁異常圖的準確解釋是非常困難的，計算磁異常源的埋藏深度可以對解釋提供更準確的依據(jù)．

（2）三維歐拉反褶積是一種利用重磁數(shù)據(jù)自動確定地質體位置和埋藏深度的定量反演方法，比較適用于計算區(qū)域磁異常源的埋藏深度．

（3）由于克拉通沉積盆地地層具有上新下老的規(guī)律性，將磁異常源分解為三個深度層次，圈定它們各自的分布區(qū)域，便可將它們與形成的地質作用及時代聯(lián)系起來，為準確解釋區(qū)域磁異常圖提供可靠的依據(jù)．

（4）計算出的塔里木盆地深度為2～5km、5～10km、10～20km三個等級磁異常源，它們與形成的地質作用及時代分別為：中生代構造運動和海西期玄武巖侵位共同作用，海西期玄武巖侵位和太古代基底變質作用，圈定了它們各自的分布區(qū)域．

地磁場資料是了解地殼組構特征之一，進一步深入研究區(qū)域的分析和信息提取技術［15－25］，將促進區(qū)域地球物理學的發(fā)展．

致 謝鑒于中國地質調查局和中國石油化工股份公司對研究項目的資助和中石化專家提供重要意見和資料，特此致謝．

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Analysis of regional magnetic field and source structure in Tarim Basin

YANG Wen－Cai1，WANG Jia－Lin2，ZHONG Hui－Zhi2，CHEN Bing2

1 State Lab of Continental Tectonics and Dynamics，Institute of Geology，CAGS，Beijing100037，China 2 Key Laboratory of Marine Geology，School of Ocean and Earth Science，Tongji University，Shanghai 200092，China

This paper deals with interpretation of regional aeromagnetic field of Tarim Basin．Interpretation of regional magnetic field becomes difficult due to stacking of many anomalies coming from different sources and the non－uniqueness in geophysical inversion．The Euler deconvolution method is applied to automatic calculation of depths of the magnetic sources．Based on the order that the newer strata are located shallower in a sedimentary basin，we calculate first the depths of the anomalies，then locate their source distribution according to the source depth，resulting in correlation between the sources and its geological formation processes．In this way，the obtained results may provide more correct evidences for interpretation of the regional magnetic field．In the studied area，we divide the source－depth into 3groups as 2～5km、5～10km and 10～20km．According to seismic investigation and other geological measurements，the magnetic sources located in depth 2～5km were developed by both Permian basalt emplacement and later crustal movement．The magnetic sources located in depth 5～10km were developed by Permian basalt emplacement only．The magnetic sources located in depth 10～20km were caused by metamorphism of the crystallized basement rocks．

Tarim Basin，Aeromagnetic field，Inversion，Euler deconvolution，Magnetic anomaly source，F(xiàn)ormation processes

P631收修定稿2011－06－23，2012－02－21收修定稿

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．023

中國地質調查局地質礦產(chǎn)調查評價專項（1212011220895，1212011220896）資助．

楊文采，1984年加拿大McGill大學地球物理學博士．現(xiàn)為中國地質科學院地質研究所研究員，大地構造與動力學國家重點實驗室學術委員會主任，中國科學院院士．E－mail：yangwencai＠ccsd．cn

楊文采，王家林，鐘慧智等．塔里木盆地航磁場分析與磁源體結構．地球物理學報，2012，55（4）：1278－1287，

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．023．

Yang W C，Wang J L，Zhong H Z，et al．Analysis of regional magnetic field and source structure in Tarim Basin．Chinese J．Geophys．（in Chinese），2012，55（4）：1278－1287，doi：10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．023．

（本文編輯 汪海英）