地球物理通论：物理地质模型设计与应用

地球物理勘察是通过调査地下介质的地球物理特征来解决地质问题的，为此，在开展地球物理调査前，要依据所欲解决的地质任务设计出适用的地球物理方法并安排任务；欲解决的地质任务包括目的地质体性质、形态以及目标体所处的地质环境。因此，即使调査的目的地质体相同，但由于其形态或者所处的地质环境不同，所采用的地球物理方法亦不同。为了有效地设计地球物理工作和选择适用的方法，须针对所欲解决的地质任务，以调査目标体的先验信息或试验资料为依据，设计出该地质任务的地球物理-地质模型。地球物理-地质模型是用不同物理性质的地下介质分布在一定程度上逼近某种地质目的体性质、形态及其所处的地质环境。通过对模型的测试、分析或计算，了解某个地质任务的地球物理特征。从而导出解决地质任务的地球物理测量工作的实施方案。地球物理-地质模型模拟地质任务有两种途径。一是物理模拟，用物理性质与岩石近似的人造材料制作模型。由于地质体尺度很大，模型难以按实体尺寸制作，因此往往遵循相似性原则，把实体缩小几百分之一到几千分之一制成模型。二是数值模拟，是在给定物理性质条件下，利用相应的位场方程或波动方程和其他的数学分析方法进行物理场的计算。物理模拟由于变更模型参数的困难和现今技术条件限制，使得其应用受到限制，但对于难以用物性数据描述介质性质的场合，物理模拟仍是地球物理-地质模型选用的对象；计算机硬件与软件的长足进展以及参数设置的简便、易行，数值模拟已成为地球物理-地质模型的首选对象。但数值模拟建立在数学模型对物理现象准确描述的基础之上，由于地质介质是多种物质组成的复合体，许多地质体的物理现象还很难用数学模型准确、完整地模拟，这也限制了数值模拟的广泛应用。因此物理模拟与数值模拟相辅相成，缺一不可，特别是一些重大地质问题，须同时使用物理模拟与数值模拟对模型的地球物理场特征进行描述。根据地球物理-地质模型构筑物理模型或数学模型，通过实验测试或数值计算，可以确定各种地球物理方法的有效性，探明目的地质体所需的地球物理工作以及不同方法测量结果的综合解释。在第8章已讨论过，物理-地质模型不仅仅是物探工作的实际需要，也是最终结果的体现。它要通过正演与反演、定性与定量的综合解释去修改和完善，通过观测资料和实际资料的反复比较，最后确定比较符合于地下实际的物理-地质模型。

9.2.1 物理-地质模型的概念

地球物理研究目标的物理-地质模型是抽象化的场源体及由场源体引起的异常效应的系统，这些效应逼近地质目标并以建模所需要的详细程度概括反映地质目标的构造、规模、形状、岩石物理性质及其相应的物理场的立体分布。

上述定义是通用定义，对逼近几何地质目标，无论是地壳的块体，还是油气远景构造或其他任何地质构造、矿田、矿床、各个矿体、对地质填图有意义的岩石组合或各类岩石，都同样适合。

地下地质体产生于一定环境中，它所包含各种地质内容及其固有的物理性质构成了地下物理地质模型，因此，这里讲的物理-地质模型，它是一种既有地质意义又有物理含义的模型。它可理解为对场源体的抽象描述，其总体大小、形状和物理性质的差异应近似于所要发现的实际目标。对于各种不同的地质目标可以建立不同的物理-地质模型，即使同一地质目标，因地质、地球物理条件的不同，也会有不同的物理-地质模型。

一个完善的物理-地质模型应包括：

（1）将地质问题转化为物理数学问题的有限地质块段的三维抽象的综合物理 几何模型，具体来讲应包括抽象化了的地质体的几何参数（空间位置、形状、大小、产状等）和物性参数（密度、速度、磁性、电性、放射性、热导率等）。

（2）为解决地质任务，应根据模型，对方法合理选择与组合。

对于一个特定的物理-地质模型，其基本内容应包括：基本的地质特征、“目标”的地球物理特征和干扰因素。

9.2.2 物理-地质模型的特点

物理-地质模型具有典型性、简化性和不唯一性的特点。

1）典型性（即代表性）

物理-地质模型是将大量相似地质、地球物理条件的目标体及其围岩的实际体概括成一个或少数几个典型的模型，模型数不能太多，太多就失去其代表性了。当然这种典型性与代表性要根据研究的详细程度和地质任务要求来定，比例尺大、研究程度细、地质任务要求高，则物理-地质模型一般也会随之增加。

2）简化性

将实际的地质体组构成物理-地质模型，都要进行一定程度的简化，无论是地层与岩性的划分、构造的区别、地质体的形态和物性参数都要简化和近似。这样做的目的：一是使模型更具代表性；二是为了便于地球物理正反演问题的计算。因此，最常见的几何模型是球、板、水平圆柱、水平层状介质与垂直状介质，物理性质是均匀或分层均匀的，石油电法中经常采用的就是水平层状介质模型。随着计算地球物理的发展，已经开始大量使用2维、2．5维及3维的模型近似地下介质。由于压实作用，往往使岩石物性随深度而变化，因此在模型中也考虑使用变物性模型。所以，随着研究的深入与科学的发展，模型的复杂程度会逐步接近于地下实际情况，但尽管如此，作为模型还是要简化的，只是简化的程度视研究的要求而定。

3）不唯一性

鉴于地球物理反演问题的多解性，所以根据某一种物探方法的地球物理场得到的地球物理模型都不是唯一的，可能其中有些参数是唯一的，但其他参数则是不确定的，它们可以有一个变动范围。也正因为如此，更需要应用综合物探方法，紧密结合地质，选出合理而符合实际的物理-地质模型作为解答。

9.2.3 物理-地质模型的分类

按照不同要求可以有不同的分类。根据所建模型的对象和概括的程度，基本上归为两类：

1）实际模型（具体模型）

以某个具体的调査目标为对象，根据实际的地质情况、各有关参数数据的物性空间分布、各种地球物理场的时空分布特征，经过一定抽象和简化建立的模型。

2）概括模型（概念模型）

从许多同类的实际调査目标的物理 几何模型或地质模型中抽象、概括出的模型。这类模型要以正确地质理论为指导，要以大量实际资料为基础。按地质单元和地质目标的类型分别建立。这类模型反映了目标体整个类型的概念，又称概念模型，指导作用更为普遍。

9.2.4 物理-地质模型的建立

1）物理-地质模型建立的方法

（1）类比方法。在普査或区域调査时，先验信息较少，可借鉴地质、地球物理相似地区的地质、地球物理资料，建立初始模型，以便选择方法及建立方法的最佳组合。

（2）相关分析方法。利用目标体的几何，物性参数及相应的实测物理场，用回归分析等方法，求其相关关系，并根据相关关系估计模型。

（3）反馈方法。利用反演或实验资料、实验验证等结果，不断地修改、完善模型。

2）建立模型的步骤（图9．16）

图9.16 制作物理-地质模型的基本过程

（1）调査研究，收集有关目标体及其围岩的地质、地球物理各种信息，有条件的话，可布置少量的试验剖面。

（2）资料的分析研究与归纳整理，从中提炼出最具典型性、能够反映事物本质规律的信息，并将其抽象化和理论化。

（3）根据上述结果，用简明的图件表示出来，即建立起模型。

（4）根据新收集的补充资料，修改完善模型。

9.2.5 典型的物理-地质模型

物理-地质模型是地球物理工作者研究的主要问题之一。其中与固体矿产有关的一些物理-地质模型已作过总结归纳。石油地震勘探学者也在这方面做过努力，已经编制的各个典型地区的地震剖面图集就是其中一例。下面将从综合地球物理角度对油气勘探、固体矿产资源以及深部构造中几种主要研究对象的物理-地质模型作简要分析。

1）盆地的物理-地质模型(www.xing528.com)

盆地是综合物探研究的主要对象之一。物理-地质模型的基础是地质模型。要研究盆地的物理模型，首先要对它的地质特点进行分析。不同类型的盆地有着不同的特点，其地质界面也有不同特点。相应的，它的物理界面也有不同特点。例如，当以板块构造学说为基础对盆地进行分类时，可以根据地壳结构的不同，将盆地分为克拉通盆地和中间地壳盆地两大类。

（1）克拉通盆地。

（A）内克拉通简单盆地：通常位于前寒武纪地盾附件的克拉通内部，平底、碟型，具有单旋回古生代沉积。

（B）内陆复合盆地：位于克拉通边缘附近，其规模可以从次大陆冒地槽到小型山间盆地；多旋回盆地具有一个和内克拉通简单盆地相同的古生代地台型沉积的首旋回，其后因受海西运动的影响，又有一个晚古生代或中生代的造山期后旋回。

（C）地堑或裂谷盆地：产生于海底扩张早期 大陆裂谷阶段。

（2）中间地壳盆地。

（A）外陆陷为小洋盆的盆地：包括边缘海和其他小洋盆。

（B）拉裂盆地。

（C）槽向山间盆地和走向山间盆地：大都沿大陆或大洋盆地间的俯冲消减带分布，多为槽切或平行以前在大陆边缘形成的优地槽褶皱带的第二旋回第三纪盆地。

（D）三角洲：指晚第三纪三角洲。

从上述可见，不同类型的盆地除了形态结构等特点不同外，其沉积特点也不同，有着不同的填充物，因此其物性变化特点也不同。构造特点与沉积特点构成了盆地地质特点的两个主要方面，这也正好与物理模型中的物性界面与物性变化的两个主要方面相对应。

2）圈闭的物理-地质模型

油气圈闭的物理-地质模型及其地球物理响应一直是备受关注的研究课题。从地质角度看，这一模型应包括构造、沉积、生油层、储油层、盖层及圈闭含油气性等各个方面。因此这是一个十分复杂的研究课题。

图9.17 背斜类油气圈闭的综合物理-地质模型

①由背斜构造引起的重力异常Δg1；②由油气藏引起的重力异常Δg2；③以上两者引起的总异常Δg3；④油气藏顶部的反射波振幅A1曲线；⑤油气藏地震波有效吸收系数α曲线；⑥层速度v曲线；⑦油气和气水界面可能的反射波振幅A2曲线；⑧视电阻率ρs曲线；⑨极化率η曲线；⑩界面反射示意线；⑪油气藏顶面发射示意线；⑫黄铁矿化带

a—油层；b—砂岩；c—气层；d—泥岩

在图9．17上列出了在许多文献中引用过的最简单的背斜类油气藏及其地球物理响应，它主要是从油气检测角度对背斜类油气藏的物理-地质模型进行了归纳总结。对某一个具体的实例而言，由于它在各个方面有着不同的特点，因此要复杂得多。除了背斜类圈闭以外，与侵蚀面有关的圈闭在我国的油气勘探中也占十分重要的位置。

上述两类圈闭都是构造圈闭。在许多地区非构造圈闭也十分重要。盐丘和礁体就是两种比较典型的非构造圈闭。这两类圈闭有十分独特的形态特点，并且与围岩的物性差异也十分明显。因此，它们也是使用综合物探方法研究的有利对象。

3）固体矿产资源的物理-地质模型

不同矿种、不同类型的金属矿床，均有各自的物理-地质模型，下面以矽卡岩型矿床为例来说明。这是铁、钨、钼钨、铜、铅锌和含铜多金属的矿床。金矿床及其他类型的矿床与矽卡岩的关系较小，矽卡岩体的形状是极为多样的，有透镜体、似层状体、等轴状和柱状体、脉状体。

所研究的地质体（矽卡岩和花岗岩类）与围岩在磁性与放射性方面分异最稳定。所研究的地质体一般造成较强的磁场和伽马场，而且波的传播速度最低。根据电性和密度特征也能加以确定，但是金属元素的含量高会使矽卡岩的电阻率降低。

图9．18为矽卡岩型铁矿、铜矿和白钨矿矿床的物理-地质模型。可以看出，矽卡岩矿床与围岩的磁场和电场是不同的。

图9.18 矽卡岩矿床的物理-地质模型

（a）铁矿床；（b）铜矿床；（c）白钨矿矿床

1—中生—新生界覆盖沉积层；2—大理岩；3—磁铁矿；4—闪长斑岩；5—玢岩凝灰岩；6—玢岩矽卡岩；7—石灰岩；8—根据地球物理发现的新矿体；9—砂岩；10—凝灰岩；11—花岗岩；12—凝灰角砾岩；13—矽卡岩；14—含铜磁铁矿；15—矽卡岩和闪长岩中的细脉浸染状富矿体；16—矽卡岩中的层状铜矿体；17—浮土层；18—硅质石英岩；19—角岩；20—细脉浸染状和氧化白钨矿体；21—块状白钨硫化矿体；22—勘探钻孔；23—探槽和地下钻探的钻孔

在调査矽卡岩型矿床时，地球物理方法的主要任务是：①划分出有远景的地区，即发现花岗岩类岩体、岩体与围岩的接触带、矽卡岩带；②远景区的立体填图，其主要目的是研究岩性 岩浆和构造方面的普査标志。主要地球物理方法是航空磁测和地面磁测，补充以重力勘探和电法勘探。为了进行立体填图，尤其是为了研究喷出-沉积地层的构造，确定大型构造破碎带和侵入体与围岩接触带的空间位置，除了重力勘探外还要应用地震勘探。

在研究整个地区的大地构造 构造特点时，沿着踏勘剖面线完成反射法地震勘探。沿着垂直于侵入体与围岩接触带的剖面线，以及沿着十字交叉和放射状剖面线、三角形和四方形闭合路线系统，对各个侵入体进行研究。

矽卡岩型铁矿床是应用地球物理方法最为有利的目标，因为它们表现出高密度和高磁性的特征。在此类矿床上能出现强度达数千到数万纳特的局部磁异常和正重力异常，两者相符合是可靠的普査标志。由于这些矿床的导电性较高，电法勘探方法（如感应法和激发极化法）能提供很好的效果。

4）板块俯冲带的物理-地质模型

俯冲带（subduction zone）是俯冲板块的俯冲部分。发生俯冲作用的板块边缘部位，包括洋 陆俯冲或洋 洋俯冲的B型俯冲带和陆 陆俯冲的A型俯冲带两种类型。B型俯冲带出现巨大的贝尼奥夫带（Benioff zones），并以发育沟弧盆及强烈的地震、火山活动为显著特征。一般由以下部分组成：俯冲板片向下弯曲形成的海沟；因板块俯冲而刮削下来的弧前增生楔；上驮板块前缘的富集地幔楔；板片俯冲到一定深度因部分熔融而形成的火山弧，以及与火山弧伴生的成对双变质带等。因为大洋岩石圈在俯冲带进入地幔，到一定深度被地幔熔融同化而消亡，故又称消减带。B型俯冲带还可进一步划分为智利型俯冲带（Chilean type subduction zone）和马里亚纳型俯冲带（Mariana type subduction zone）。图9．19为两种类型俯冲带的地质模型。

图9.19 智利型俯冲带与马里亚纳型俯冲带地质模型图

其中，在西太平洋板块间的俯冲带主要是马里亚纳型俯冲带。马里亚纳型俯冲带是具有低应力、弧后区活跃扩张的俯冲带，其通常海沟较深，贝尼奥夫带陡倾。海沟洋侧斜坡上张性断层和地堑发育，海沟内沉积层薄；海沟陆侧斜坡上增生楔不发育，弧前区出现塌陷构造侵蚀。地震震级较低，反映俯冲板块与上覆板块之间耦合不紧，其间存在着低应力状态，加之俯冲带较陡，两板块之间接触面积较小。洋内弧常有拉张活动，地形低矮，地壳较薄。弧后扩张作用显著。有广泛的火山活动，以玄武岩为主，安山岩数量不多，常见海底火山，为宁静式喷发。

许多学者对西太平洋板块间的俯冲带进行过研究，其中有比较多研究成果的区域是太平洋板块与菲律宾板块间的俯冲带。利用先进的海底地震仪（OBS）以及海底电磁仪（OBEM），同时通过最新的全球地震层析成像技术及全球三维大地电磁反演技术，学者们得到了在这一区域的慢度（速度的倒数）和电导率的物理模型，如图9．20所示。

图9.20 夏威夷—菲律宾的物性剖面

（a）P波慢度异常剖面；（b）电导率异常剖面；（c）由P波速度得到的温度场剖面；（d）由电导率得到的温度场剖面；（e）S波慢度异常剖面；（f）S波Q－1异常剖面

从物性剖面上可以观察到，致密低温、高速度高电阻率的太平洋板块物质俯冲到相对高温的、低速度低电阻率的菲律宾板块物质下（从对应的深度位置可以判断此为地幔过渡带的有关物质），并且成板状形态停留在地幔过渡带物质下方。S波的速度和Q参数异常剖面也反映了这一形态。而此形态与图9．19中马里亚纳型俯冲带的地质模型有很好的吻合性。