近年来，随着深层油气勘探的迅猛发展，我国东部环渤海地区前新生代残留盆地油气资源受到越来越多的关注^[1].但前新生代残留盆地由于经历复杂的构造演化，中、古生代构造活动频繁，后期改造强烈，通常以复杂地质体形式（如残丘山、断块、古潜山等）深埋于地下，具有深度大、年代老、构造复杂、遭破坏多等特点，研究程度较低且研究难度很大，地球物理勘探技术成为前新生代残留盆地研究的重要手段^[2~5].

黄骅坳陷是我国东部渤海湾地区勘探和开发程度较高的重要含油气盆地，由于具有新生代盆地与前新生代盆地相叠置的复杂盆地结构与演化历程，目前对前新生残留盆地的研究程度还相对较低，尤其是在深部地震资料分辨率较差的情况下，残留盆地的宏观展布、残留厚度及结构特征需要通过重、磁、震等综合地球物理研究来揭示^[6~12].但相对零散、较低精度的老旧重磁资料限制了盆地的整体评价与前新生残留盆地的结构研究，因此基于整合后覆盖黄骅坳陷及邻区的高精度重磁数据与高分辨率浅层地震资料相结合，可能较好地揭示黄骅盆地的宏观格架及前新代残留盆地的结构特征，同时对认识深断裂对盆地基底三分性及沉积作用的控制与影响也具有重要的意义.

本文采用浅部地震资料与高精度重磁资料相结合的研究思路，以地震构造解释为约束，在位场异常正演剥离与多尺度异常分离的基础上，计算盆地内主要地层界面的埋深及残留地层厚度，在此基础上构建盆地的宏观立体格架，结合前新生界残留厚度及展布特征分析，探讨盆地基底的三分性问题.

黄骅坳陷位于燕山褶皱带以南，沧县隆起以东，埕宁隆起以西，大体呈NE向展布，北宽南窄，总面积约18，629km².从区域大地构造位置来看（图 1），黄骅坳陷属于华北克拉通上发育的呈斜“N”字型展布的渤海湾盆地的一部分，具有新生代盆地与前新生代残留盆地垂向叠置的叠合盆地特征，跟随“华北地台”经历了典型的多旋回叠合盆地演化过程，可大致划分为三个构造演化阶段：太古代至早元古代地台结晶基底的形成与演化阶段，中、晚元古代至古生代稳定地台盖层发育阶段，中、新生代地台解体、陆相盆地盖层形成阶段^[13~15].

图 1

Fig. 1

图 1 渤海湾盆地区构造轮廓略图[16](修改) Fig. 1 Tectonic sketch map in the Bohai bay basin

地壳测深资料表明黄骅坳陷处于地幔隆起与岩石圈减薄区^[17]，岩石圈厚度约60km，与周围山区相比厚度差可高达50km以上.坳陷沿NE向展布的莫霍面隆起带延伸，计算的莫霍面埋深为30~32km，与周围隆起区相比地壳厚度较薄，而且地壳的物质组成在纵横向均存在不均匀性，中地壳内天然地震震源的集中与低速、高导层的存在反映出中地壳内存在软弱层或韧性层.

黄骅坳陷的基岩为太古界及下元古界变质岩，其上覆盖了华北地台型的沉积盖层，总厚达14, 000m，包括上元古界、古生界、中生界、新生界.

黄骅坳陷及周缘地区发育多个不同方向的断裂构造带，其中E-W向和NE-NNE向两组断裂控制了盆地的宏观结构，表现出“南北分区，东西分带”的构造格局.

研究岩石、地层的密度与磁性特征是重磁数据处理与综合解释的基础，黄骅凹陷主要地层的物性特征取决于岩石物性、岩石组合类型及其分布特征.根据前人在黄骅坳陷及邻区的物性研究成果^{[10, 18]}及大港探区内地震资料显示的厚度信息，汇总出本区主要地层与基底的密度和磁性特征，见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 黄骅坳陷及邻区地层密度、磁性统计表 Table 1 Density and susceotibility statistics of stratum in Huanghua and adjacent region

表 1 黄骅坳陷及邻区地层密度、磁性统计表 Table 1 Density and susceotibility statistics of stratum in Huanghua and adjacent region

从表 1可看出，黄骅坳陷沉积盖层包括未变质的中上元古界、古生界、中生界和新生界地层，随着地层年代由新到老、密度值由小变大，覆盖地表的第四系松散层密度最低为2.0g/cm³，古生界和中上元古界密度值大，约为2.72g/cm³.沉积盖层内各地层，除部分含火成岩成分的中生界地层表现出一定的磁性外，其他绝大部分的沉积地层表现为无磁性或微弱磁性，可视为无磁性层.

区内结晶基底总体表现为高密度、强磁性特征，其中因基底组成岩系不同导致磁性差异较大，其中强磁性基底以片麻岩为主，岩石的平均磁化率大于3500×10^-5SI，中等磁性基底以角闪花岗片麻岩和混合花岗岩为主，平均磁化率为450×10^-5SI，弱磁性基底以花岗片麻岩为主，平均磁化率为50×10^-5SI^[18].

为精细地计算盆地内各地层的重力效应，基于黄骅坳陷及邻区主要地层的密度特征（见表 1），并结合地震资料对研究区进行密度界面划分，由深及浅划分出8个密度界面（如表 2），其中莫霍面、太古界顶面、古生界顶面、中生界顶面为4个盆地深部密度界面；孔店组顶界面、沙河街组顶界面、东营组顶界面、馆陶组组顶界面为新生代盆地内的4个主要密度界面.

表 2(Table 2)

表 2 研究区主要密度界面划分 Table 2 Demarcation of main density interfaces of the area-under-study

表 2 研究区主要密度界面划分 Table 2 Demarcation of main density interfaces of the area-under-study

另外，由太古界变质岩系构成的结晶基底是本区主要的磁性层，磁性层的起伏及其内部的磁性不均匀是产生本区区域性磁异常的主要地质因素，基底面（即太古界顶面）是本区主要的磁性界面，同时也是重要的密度界面，此界面表现出的地球物理重磁响应应为高磁、高重力异常特征.

总之，从研究区地层密度和磁性特征分析，可以理想地将盆地模型简化成“两盆两底”结构，“两盆”是指上为新生代盆地，下为前新生代残留盆地；“两底”是指新生代盆地底界处的重力基底和太古界顶面处的磁性基底.

本次研究采用了最新整合的高精度重磁数据，其中重力数据的主体部分（陆地部分）来源于中国地质调查局1:20万布格重力异常数据，黄骅凹陷北区及渤海湾部分地区的重力数据来源于东方地球物理公司大港物探研究院编制的大港探区1:10万布格重力异常图.航磁数据来源于国土资源部航空物探遥感中心提供的1:5万高精度ΔT异常数据.重磁数据拼接统一采用高斯坐标系统，大地水准面采用WGS84，6分带，中央经线设为117°，重磁数据范围：116°15′E~118°30′E；37°11′N~39°39′N，数据网格间距500m.

图 2是研究区布格重力异常图，图中重力异常总体呈NE-NNE向高低相间的带状分布特征，与区内隆坳相间的地质构造格局有很好的对应关系，异常变化范围为-120~20mGal，异常的面貌特征显示以黄骅坳陷为中心，由西北至东南分别为冀中低值宽缓异常区、沧县高值异常区、黄骅低值宽缓异常区、埕宁-沙垒田高值异常区，黄骅坳陷北部为燕山隆起高值异常区，南部为临清凹陷低值异常区.黄骅坳陷宽缓的低值异常圈闭与周边异常特征差异非常明显，低重力圈闭大致勾画出整个坳陷北宽南窄NE向展布的轮廓.其次，宽缓低值背景上还分布多个局部异常圈闭且高低相间展布，其中局部低值圈闭与凹陷相对应，如板桥凹陷、沧东凹陷、南皮凹陷、歧口凹陷等，局部高值异常圈闭与构造凸起相关，如孔店与北大港构造带处的高值圈闭异常.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区布格重力异常图（单位：mGal） Fig. 2 Bouguer gravity anomaly map of the area-under-study (unit: mGal)

研究区航磁异常优势走向为NE向，异常变化范围为-1100~1200nT.为了消除斜磁化影响，对本区航磁数据进行了化极处理，图 3为化极磁异常图，化极后异常特征更为突出，从西北至东南分别为冀中低值异常区、沧县高值正异常区、黄骅低值负异常区、埕宁-沙垒田高值正异常区，盆地北部及燕山的正负异常交替区.黄骅坳陷位于中部，NE向长轴状的宽缓低值负异常大致勾画出整个坳陷的宏观轮廓，最值得注意的是，黄骅凹陷低值异常区显示出明显的差异分区特征，其中孔店-羊三木一线的NW向鞍状宽缓正磁异常带更为明显，以其为界分为南北两个独立的低负异常圈闭区.北部的异常圈闭范围与歧口凹陷位置相当，但化极前后异常形态有明显差异，化极前异常表现为近NE走向的三角形态，而化极后表现出E-W走向的异常中心与NE走向的总体异常的叠加与复合现象，歧口低负异常与北塘高正异常相接的北部边界发生了明显的向北迁移和东南向扭转.南部的异常圈闭范围与沧东凹陷、南皮凹陷位置相当，化极后的异常形态变得更开阔和明显，低负异常中心南北走向特征更为明显.另外，北塘及北部燕山地区的高磁异常特征更为明显，沙垒田隆起处的高磁异常范围增大.

图 3

Fig. 3

图 3 研究区航磁化极异常图（单位：nT） Fig. 3 Reduction-to-pole of magnetic anomaly map of the area-under-study (unit: nT)

利用中石油大港探区的地震资料提取了浅部主要地层界面（如馆陶组顶、东营组顶、孔店组顶、沙河街组顶、中生界顶底面）的埋深数据，采用正则化滤波方法提取区域磁异常并利用Park界面反演法计算了磁性结晶基底的深度，将7个主要地层界面垂向叠置，其三维展布及构造起伏特征显示了盆地的宏观立体格架，见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 黄骅坳陷立体格架示意图 Fig. 4 Three-dimensional macro-frame of Huanghua Depression

图 4显示黄骅坳陷具有“垂向分层、东西分带、南北分区”结构特征.盆地垂向上由新生界地层、前新生界残留地层、结晶基底组成.平面展布范围受控于沧东断裂、羊二庄断裂和滦河断裂，总体呈NNE-NE走向，自浅至深主要受近E-W和NE-NNE两组断裂所控制，显示出“东西分带、南北分区”的结构特点.沈青庄-黄骅一线的横向凸起带和近E-W向的海河-新港断裂带将新生代盆地分隔成为南区、中区和北区3个区块，北大港-军马站-孔店-灯明寺一线的中央隆起带将坳陷分割成东西两带；前新生代残留盆地尽管在沉积范围、沉积中心、地层厚度等方面不同于新生代盆地，但仍表现出“东西分带，南北分区”的特点.

正演剥离方法是一种常用的地球物理联合反演方法.在位场数据处理中，通常采用重震资料相联合，由地震资料获取地下不同深度地质界面的埋深与起伏构造情况，然后根据研究需要，选取要剥离的界面进行异常正演并从异常总场中加以剥离，从而得到目标层的剩余异常场.本文利用地震资料显示的浅部新生代孔店组-馆陶组四套地层的埋深与厚度信息，正演计算了新生代地层的重力效应并从布格重力异常总场中剥离，同时消除了深部界面（如莫霍面）的重力影响后获得前新生代残留盆地的剩余重力异常，如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 前新生代残留盆地剩余重力异常图（单位：mGal） Fig. 5 Residual gravity anomaly map of Pre-Cenozoic residual basin (unit: mGal)

由于地震资料范围有限，利用地震资料约束提取的剩余重力场范围相对较小，但异常的总体面貌不影响对残留盆地结构的认识.图中重力异常优势走向仍为NE向，东西分带、南北分区的特征明显，反映出中深部地层隆凹相间、断块发育的构造特征，同时也包含残留地层厚度差异等地质因素的影响，如歧口地区局部重力高可能与残留厚度小有关，尽管此处“两底”（指新生界底面与太古界基底面）均呈下凹形态，但存在上底陡（指新生界底面）、下底缓（指太古界基底面）、前新生界沉积厚度小的特征.本文通过建立上陡下缓的起伏地层模型，其正演的重力异常显示局部重力高与地层厚度小相对应.因此认为前新生代残留盆地剩余重力场特征既反映出深部磁性基底面的构造起伏，同时也反映出残留地层的厚度差异.

前新生界残留厚度可通过新生界底面与太古界磁性基底面的埋深差值求得，前者可据地震资料获取，后者可通过区域磁异常反演求得.图 6为地震资料控制区的前新生界残留厚度图，图中显示研究区残留地层厚度变化大，具有多个沉积区域，呈现出东西两带、南北三区的特点，其中歧口及以南地区残留厚度小（＜2000m），徐扬桥以南、羊三木以北、北大港凸起以西残留厚度较大（最大厚度达9000m），北塘地区厚度居中（约5000m左右）.

图 6

Fig. 6

图 6 前新生界残留厚度分布（单位：m） Fig. 6 Residual thickness distribution of pre-Cenozoic group (unit: m)

另外，基于地震资料和全区多尺度的重磁异常分离特征对残留地层的宏观展布与厚度进行了综合分析，发现残留盆地的沉积范围、沉积中心与新生代盆地明显不同，具有较独立的隆凹构造格局，由浅及深表现出由孤立至连通、由北向南、由西向东迁移的变化特点.中生代的沉积区域主要集中在北塘凹陷、板桥-盐山一线及南皮凹陷，古生代-上元古代沉积区域主要集中在西北部的军粮城-沧洲一线、东南部徐扬桥-海兴一线及北部的北塘地区，歧口和孔店南部沉积厚度小.

结晶基底是盆地结构的一部分，对沉积盆地的形成、演化及构造格局有着重要的影响和控制，基底具有不同于盖层的建造-构造组合特征，其时空分布不仅从岩源和构造环境上控制了盖层的发育，而且自身的岩石记录反映了地壳早期演化阶段和演化特征.前人认为渤海地区并不是一个完整的地块，而是由鲁西、燕辽和太行结晶地块拼合而成^[18~21]，这种三分特征是华北地台统一形成之前的一种构造演化格局，不同的地块有着不同的地层与沉积单元.在此基础上发育起来的结晶基底继承了地块的三分差异性，同时作为第三系坳陷盆地的沉降基底对盖层的沉积与演化具有重要的控制作用.

结晶基底岩系的差异（指岩相结构差异）通常会产生区域性的磁性差异，因此基于区域性航磁异常特征可以分析结晶基底的性质.本文采用正则化滤波方法对化极磁异常进行多尺度的异常分离，图 7a为滤波尺度300km的剩余场，异常面貌显示基底磁性层呈NE向隆凹相间的构造格局，异常分区明显，黄骅坳陷夹持于三个具有不同特征的高值磁异常之间.图 7b为滤波尺度300km的区域场，异常分区更为明显，具有三分性异常特征，黄骅坳陷处于中部NE向大规模异常梯级带上.

图 7

Fig. 7

图 7 化极磁异常的正则化滤波（单位：nT） Fig. 7 Regularization iiltering of reduction-to-pole of magnetic anomaly (unit: nT)

深大断裂在重磁异常图中一般表现为不同异常区的分界线或巨大的异常梯级带，它们控制了两侧的构造活动，形成不同的构造格局，同时往往伴有岩浆活动，从而破坏了原来地质体的连续性，形成了磁性与密度上的横向差异^[17].结合区域重磁异常特征及相关分析，推测黄骅坳陷北部和中部存在一组“T”型隐伏深断裂（如图 7b），该组断裂位于东、西、北三组高值磁异常的拼合带，其中NE向断裂大致沿异常梯度带延伸，近E-W断裂处于异常转换边界，此组断裂可能为三种不同基底的拼接线.

综合分析认为黄骅坳陷结晶基底由太行基底、鲁西基底与燕辽基底拼合而成（如表 3），“T”型隐伏断裂及基底差异对浅部盆地的东西成带、南北分区的构造格局及盆地内部不同区域的沉积作用有着重要的控制或影响作用.

表 3(Table 3)

表 3 研究区磁性基底分区表 Table 3 Subarea of magnetic basement of the area-under-study

表 3 研究区磁性基底分区表 Table 3 Subarea of magnetic basement of the area-under-study

前新生代残留盆地结构研究是当前深层油气勘探的基础，利用重磁震相结合的综合地球物理方法研究盆地结构，通过构建盆地格架、圈划残留盆地范围及厚度、分析盆地基底性质等，有助于盆地的整体评价和前新生代油气有利区的预测.

（1）综合地球物理分析认为，黄骅坳陷宏观上呈垂向分层、东西分带、南北分区的盆地结构特征.垂向上由新生界沉积地层、前新生界残留地层、太古界及下元古界变质基底组成.黄骅坳陷自浅至深由于主要受近E-W和NE-NNE两组断裂所控制，重磁场特征及正反演结果均显示出“东西分带、南北分区”的结构特点.

（2）前新生代残留盆地总体为NNE-NE向展布，但沉积中心与残留地层厚度明显不同于新生代的沉积特点，盆地沉积范围由深及浅表现为从连通变孤立、从南向北、从东向西迁移的变化特点，在歧口新生界巨厚区残留地层厚度较小.

（3）残留盆地基底表现出三分性特征，区内“T”型交叉的两组隐伏深断裂可能为太行基底、鲁西基底和燕辽基底的拼接线，区域性的基底差异与深部断裂构造有着密切联系，“T”型深断裂对基底分区及盆地内部不同区域的沉积作用具有重要的影响.

（4）前新生代盆地结构、残留地层展布与厚度差异、基底三分性特征均表现出受深部断裂构造的影响和控制，这些信息将有助于认识盆地演化和深部动力学机制.

感谢中石油各理事单位对课题研究的资助和支持；感谢塔里木油田公司提供的地面地震资料.特别感谢CGGVeritas公司张宇博士对本研究提供了大量帮助和建设性意见.感谢中国石油大学（北京）地质地球物理综合研究中心提供的良好科研环境.感谢中国石油大学（北京）地质地球物理综合研究中心白英哲、马志霞和白海军等人提供的帮助.