重磁資料在鄂爾多斯盆地西南緣基底研究中的應用

寧媛麗，周子陽，孫棟華

(1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002； 2.中核集團 鈾資源地球物理勘查技術中心(重點實驗室)，河北 石家莊 050002)

0 引言

鄂爾多斯盆地（References）油氣盆地之一[1-6]。該區(qū)自顯生宙以來經(jīng)歷了多期構造運動，特殊的構造位置、特殊的構造動力學環(huán)境及多種不同的構造體系的疊加聯(lián)合，使得該區(qū)現(xiàn)今地質(zhì)構造特征較為復雜，明顯不同于鄂爾多斯盆地內(nèi)部及鄰區(qū)[1,7]。鄂爾多斯盆地西南緣廣泛分布著不同時期的沉積地層，具有良好的油氣生、儲、蓋組合環(huán)境，油氣勘探前景廣闊[7]。盆地基底是盆地形成發(fā)展的基礎，基底的起伏變化對上覆沉積地層及區(qū)域構造形態(tài)有著重要的控制作用，影響盆地后期蓋層的沉積發(fā)育與改造，間接影響到油氣的生成、運移與聚集[1-2]。因此，界定盆地的沉積建造和結晶基底，無論是對研究盆地的形成與演化，還是對研究資源與能源的形成、運移、儲存和分布等都具有極為重要的理論意義和實際價值。關于鄂爾多斯盆地及周邊基底起伏及構造前人已做了一定的研究，所反映的基底總體特征基本一致[8-11]。但上述研究多是針對全盆或是盆地中北部展開，且由于資料質(zhì)量的限制，缺乏鄂爾多斯盆地西南緣基底詳細系統(tǒng)的研究。

重磁研究是認識盆地深部構造不可缺少的方法，重磁資料能夠提供整個研究區(qū)的地球物理場信息，其成本低、勘測范圍和深度大，具有其他物探方法無可比擬的橫向分辨能力[12-13]。用航磁異?？梢杂嬎愦判曰咨疃?，并以此為基礎研究基底深度特征、沉積蓋層厚度等，對尋找油氣資源等具有重要意義[14]。重磁聯(lián)合反演的研究開始于20 世紀后期，前人通過不同算法、不同約束條件實現(xiàn)重磁聯(lián)合反演為地質(zhì)解釋提供地球物理依據(jù)[15-19]。

本文通過對研究區(qū)2016年獲取的1∶5 萬高精度航磁數(shù)據(jù)和搜集的1∶20萬重力數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和反演，分析了區(qū)內(nèi)基底性質(zhì)，結合重磁聯(lián)合反演和最小埋深計算，研究了基底起伏及構造特征。

1 地質(zhì)概況及巖石物性特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南緣，大部分為黃土高原區(qū)，東南部跨及關中平原，西接六盤山，南鄰秦嶺山脈，地形地貌較為復雜，見圖1。鄂爾多斯盆地位于華北陸塊，北與吉蘭泰—包頭斷陷盆地為鄰，東接晉冀陸塊呂梁碳酸巖臺地，南為汾渭裂谷，西接秦祁昆造山系秦嶺弧盆系走廊弧后盆地。研究區(qū)中北部位于鄂爾多斯盆地西南緣，跨及西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北隆起多個盆地一級構造單元；南部跨及汾渭裂谷。

圖1 研究區(qū)地貌影像

鄂爾多斯盆地結晶基底由太古宙及中—古元古代變質(zhì)結晶巖系組成；盆地蓋層則主要由寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系和下白堊統(tǒng)組成。

研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全，第四系廣泛分布，區(qū)內(nèi)除了志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)缺失以外，從震旦系到第四系大部分地層均有出露。該區(qū)的寒武系到奧陶系主要由邊緣淺海相的碳酸鹽巖及碎屑巖組成。石炭系到二疊系主要為海陸交互相一陸相，發(fā)育含煤碎屑巖和碎屑巖系。中、新生界為陸相沉積，主要發(fā)育碎屑巖地層。汾渭裂谷是新生代形成的地塹構造，地層主要以碎屑巖和第四系的黃土為主要特征。

1.2 巖石物性特征

1.2.1 巖石密度特征

地層密度從老到新呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢。第四系黃土等密度最小，一般為1.63～2.12 g/cm3；侏羅系—新近系砂巖、泥巖等密度一般為2.00～2.45 g/cm3；石炭系—三疊系砂巖等密度一般為2.40～2.60 g/cm3；奧陶系及其下覆地層密度一般大于2.60 g/cm3?；◢彴邘r、黑云母花崗巖、角閃花崗巖和石英閃長巖等巖體密度一般為2.64～2.72 g/cm3，與奧陶系及其下伏地層巖石密度相當。

由上可知，區(qū)內(nèi)存在3個密度界面，即第四系與侏羅系及其上覆地層之間、侏羅系與三疊系之間、奧陶系及其下伏地層與其上覆地層之間。其中奧陶系及以下地層和上覆沉積蓋層間的密度差異較大，布格重力異常的區(qū)域變化主要反映了奧陶系頂界面的起伏。

1.2.2 巖石磁性特征

第四系的砂土、黃土磁化率一般為(46～83)×10-5SI，最大可達110×10-5SI，總體屬于弱磁性層；震旦系、古生界、中生界和古近系地層(巖石)的磁化率基本小于20×10-5SI，僅局部層位的礫巖磁化率超過100×10-5SI，屬于無—微磁性層；古元古界變質(zhì)巖中，斜長角閃巖、角閃巖、片麻巖和混合質(zhì)片麻巖磁性最強，一般為(1 200～6 500)×10-5SI，剩余磁化強度為(700～1 200)×10-3A/m；混合巖磁化率為1 400×10-5SI、剩余磁化強度為600×10-3A/m，屬于中強磁性體，但其中的大理巖和片巖為無—微磁性層；太古宇變粒巖磁化率值可達5 600×10-5SI，麻粒巖和片麻巖磁化率分別為200×10-5SI和500×10-5SI。

侵入巖磁性與巖性密切相關，中性巖如石英閃長巖磁性較強，磁化率值為1 858×10-5SI、剩余磁化強度為640×10-3A/m，屬強磁性體；酸性巖如黑云母花崗巖、花崗斑巖、角閃花崗巖磁性較高，其磁化率值為1 300×10-5SI、剩余磁化強度值為570×10-3A/m，屬較強磁性體；黑云母鉀長花崗巖、花崗巖脈，磁化率值為(53～75)×10-5SI，屬弱磁性體。

綜上所述，研究區(qū)內(nèi)主要的磁性層(體)有古元古界片麻巖、混合片麻巖、斜長角閃巖、角閃巖，太古宇麻粒巖、片麻巖，中性巖，部分酸性巖體等。因此，鄂爾多斯盆地結晶基底為強磁性層，磁異常主要反映了結晶基底的構造形態(tài)。

2 重磁場特征

2.1 重力場特征

由1∶20萬重力資料(圖2)可知，區(qū)域布格重力異常與已知大地構造單元對應較好，總體具有ES高NW低、從ES-WN逐漸降低的特點，具有明顯的分區(qū)性。鎮(zhèn)原西北處于天環(huán)坳陷的南部，布格重力異常最低，反映了天環(huán)坳陷內(nèi)基底埋深較大、且具有從ES-WN逐漸變深的特點，最深處大致位于彭陽以東約30 km處。平?jīng)觥]縣—鳳翔一帶與西緣沖斷帶對應，區(qū)域布格重力異常總體呈NNW向展布的重力異常偏高值帶。長武—正寧一帶為呈NE向展布的偏高值帶，且由SW-NE逐漸增強，是伊陜斜坡內(nèi)單斜地層總體向西傾的具體反映。麟游—永壽縣布格重力異常高值帶，呈NNE向展布，異常帶梯度南東陡、北西緩。在麟游以南—永壽—淳化一帶，可見新元古界、寒武系和奧陶系等地層出露，是引起該布格重力高值帶的主要原因。從其北西、南東兩側的梯度變化情況來看，渭北隆起的北西界推測位于彬縣—旬邑一線，南東界即鄂爾多斯盆地與汾渭裂谷的界線推測沿扶風—乾縣一線展布。

圖2 研究區(qū)布格重力異常和剩余布格重力異常

2.2 航磁特征

航磁ΔT一般為-160～300 nT、局部可見420 nT磁異常，總體呈WN正、SE負的特征，展布方向以NE、NEE向為主。由圖3可知，從N-S磁場強度逐漸降低，NW以正磁場為特征，正磁異常梯度緩、方向以NE向、近EW向和NW向為主，崇信—涇川一帶磁力最高，向上延拓后異常變化不明顯，表明引起異常的地質(zhì)體埋深較大，推測為古老基底斷裂中侵入巖漿巖充填所引起的結果；SE以負磁場為特征，負磁異常方向以近EW向和NW向為主，ΔT值一般為-160～-100 nT。經(jīng)不同高度上延后(圖3)，正磁異常值逐漸降低、負磁異常值逐漸升高，但總體形態(tài)基本保持不變。由巖石磁性特征可知，鄂爾多斯盆地沉積蓋層的磁性均很弱，只有結晶基底屬強磁性層，因此上述磁場變化主要是結晶基底的反映。

3 研究區(qū)基底研究

3.1 斷裂構造分析

根據(jù)研究區(qū)的航磁、重力數(shù)據(jù)經(jīng)求剩余異常和上延等處理結果(圖2、圖3)，對區(qū)內(nèi)構造進行了推斷，結果見圖4，共推斷地殼斷裂1條(編號F1，汾渭裂谷北緣斷裂)、基底斷裂11條(編號F2～F12，F(xiàn)2為城陽—岐山斷裂，F(xiàn)5為平上—蘇家斷裂，F(xiàn)7為下關—正寧斷裂)、蓋層斷裂3 條(F13～F15)，主要分為NE向、NEE向、近EW向、NW向4組。研究區(qū)WN部正磁異常隨著上延高度的不斷升高(見圖3)，規(guī)模總體變化不大，根據(jù)其范圍重新圈定了鄂爾多斯盆地中央古隆起南部范圍。

圖3 研究區(qū)航磁異常

圖4 研究區(qū)推斷基底構造

3.2 基底分析

3.2.1 RGIS重磁聯(lián)合反演

在研究區(qū)選取2條重磁剖面(圖5a)，利用“RGIS2010重磁電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”進行重磁聯(lián)合反演。通過不斷修改模型參數(shù)，擬合正演曲線與實測曲線，當兩者差異最小時，認為聯(lián)合反演能夠基本反映地下地質(zhì)構造和巖層物性特征。通過對區(qū)內(nèi)地質(zhì)和巖石物性參數(shù)資料的分析，反演時，劃分了6個主要的地質(zhì)層(體)，見表1。

圖5b為 A—A′剖面反演結果。A—A′剖面位于研究區(qū)西緣，全長112.3 km。由反演結果可知，由上到下共分為6個地質(zhì)層(體)。第一、二層即中、新生界沉積蓋層，由S-N逐漸增厚，最深處位于剖面北段，深度可達3.5 km。第三層厚度變化不大，一般為500 m，總體傾向N。第四層的變化趨勢與上覆沉積蓋層正好相反，厚度由南端的5 km向北逐漸薄至1.5 km。第五層為結晶基底，頂界面埋深由南端的6 km向北逐漸變淺至4 km，局部地段最淺可達3.5 km。反演的地質(zhì)體推測為形成于加里東期的中基性侵入巖體，最小埋深約為3.5 km。

a—反演剖面位置； b—A-A′剖面重磁聯(lián)合反演結果； c—B-B′剖面重磁聯(lián)合反演結果

表1 研究區(qū)主要地質(zhì)層(體)密度、磁性特征

圖5c為 B—B′剖面反演結果。B—B′剖面由西向東穿過研究區(qū)中部，與測線方向垂直，全長164.2 km。由反演結果可知，由上到下共分為6個地質(zhì)層(體)。第一、二層即中、新生界沉積蓋層，表現(xiàn)為兩端淺、中間厚，最厚處位于剖面中部、可達3.0 km。第三層較為穩(wěn)定，變化趨勢與上覆地層類似，厚約500 m。第四層的厚度由西端的5.5 km向東逐漸變薄至1 km。第五層為結晶基底，頂界面埋深由西端6 km向東逐漸變淺至3 km，西端坡度大，向東逐漸變平緩，中部略有起伏，根據(jù)航磁特征，主要為大理巖、片巖、角閃巖、片麻巖等。反演的地質(zhì)體推測為形成于加里東期的中基性侵入巖體，最小埋深約為3.5 km。

3.2.2 基底埋深計算

筆者應用歐拉反褶積和場源深度成像兩種方法計算區(qū)內(nèi)的基底埋深情況，并根據(jù)重磁聯(lián)合反演結果進行約束。結合反演結果及研究區(qū)的地質(zhì)資料，最終勾繪基底最小埋深線，遵循由淺到深、逐步勾繪的原則。由研究區(qū)巖石磁性特征可知，區(qū)內(nèi)主要磁性地質(zhì)層(體)為太古宇—古元古界和中基性巖體，因此，根據(jù)航磁資料的計算結果可視為結晶基底頂面最小埋深。而研究區(qū)主要高密度地質(zhì)層(體)有太古宇—中元古界，下古生界和中基性巖體等，與上覆的地層之間存在明顯的密度差異，因此，重力計算結果可視為下古生界頂面最小埋深。

由圖6可知，結晶基底頂面埋深在古陸核處最淺、約為3.5 km，向四周逐漸變深的趨勢，最深處位于梁村—禮泉一線，超過7 km。研究區(qū)東北部結晶基底頂面埋深略有抬升，可達4 km。

由圖7可知，下古生界頂面埋深總體具有從南往北、由東西向中間變深的趨勢。最深處位于鎮(zhèn)原—慶陽一帶，呈NNE向展布，埋深超過4 km；長武—正寧一帶次之，呈NE向展布，埋深可達3.5 km；乾縣以南位于汾渭裂谷，下古生界強烈斷陷下降，最深超5 km。另外，在平上—長武之間，可見一個紡錘形的局部凹陷，埋深超過2.5 km，位于由南向北變深的斜坡上，其在B-B′重磁聯(lián)合反演剖面上也有明顯的顯示。

圖6 研究區(qū)結晶基底等深線

圖7 研究區(qū)奧陶系頂面等深線

4 找礦分析

盆地基底結構對上覆沉積蓋層具有明顯控制作用，從而間接影響到油氣、砂巖型鈾礦等能源礦產(chǎn)的生成、運移及富集。

研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鈾礦點、礦化點、異常點和油頁巖等均位于斷裂尤其是基底斷裂周圍，受基底斷裂控制明顯。這些基底斷裂形成于不同的時期，并控制著當時的構造格局、巖漿活動、地層發(fā)育和礦產(chǎn)資源的形成[19]。同時，現(xiàn)今仍在活動的基底斷裂為深部熱流體提供了良好的運移通道，并成為參與盆地能源礦產(chǎn)成藏成礦的有利地質(zhì)條件之一[20]。

另一方面，由重磁聯(lián)合反演結果，結合收集的地質(zhì)資料可知，中央古隆起上沉積了巨厚的中、新生界沉積巖，而古隆起斜坡地帶，是有利的天然氣運移與儲集地帶，所以中央古隆起的四周斜坡地帶，是尋找古生界天然氣最有利地區(qū)。目前發(fā)現(xiàn)的靖邊油田，正好位于其東北斜坡上，古隆起南側及西側斜坡地帶，都是尋找古生界天然氣的最有利地區(qū)。

5 結論

1)研究區(qū)內(nèi)基底斷裂以NE向為主，西部發(fā)育NW向斷裂，兩組斷裂交匯控制著基底隆起及古生界、中生界的沉積體系，間接地控制著油氣藏的聚集與分布?，F(xiàn)今仍在活動的基底斷裂為深部熱流體提供了良好的運移通道，并成為參與盆地能源礦產(chǎn)成藏成礦的有利地質(zhì)條件之一。筆者重新圈定了鄂爾多斯盆地南部中央古隆起范圍，并指出氣田大都分布在盆地結晶基底隆起的四周斜坡地帶，因此，盆地基底隆起斜坡地帶和基底斷裂構造復雜度可以作為新一輪油氣田戰(zhàn)略選區(qū)的有利判據(jù)。

2)以不同巖性的磁性和密度參數(shù)為約束條件，應用磁重數(shù)據(jù)開展重磁聯(lián)合剖面反演，大致了解了鄂爾多斯盆地西南部基底和蓋層的埋深和厚度。使用歐拉反褶積和場源深度成像，分別利用航磁和重力數(shù)據(jù)，計算了結晶基底和奧陶系頂面埋深。結晶基底頂面埋深在中央古隆起處最淺，約為3.5 km，有向四周逐漸變深的趨勢，最深處位于梁村—禮泉一線，超過7 km。奧陶系頂面埋深總體具有從南往北、由東西向中間變深的趨勢，最深處位于鎮(zhèn)原—慶陽一帶、長武—正寧一帶和靈臺一帶。上述研究，為地質(zhì)研究和成礦預測提供了基礎資料。

3)在缺少直接了解基底起伏特征的有效手段情況下，利用高精度航磁資料結合重力資料能夠相對有效地識別基底特征，彌補其他地球物理資料的不足。