重磁資料在鄂爾多斯盆地西南緣基底研究中的應(yīng)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(tuán) 鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gòu)造運(yùn)動，特殊的構(gòu)造位置、特殊的構(gòu)造動力學(xué)環(huán)境及多種不同的構(gòu)造體系的疊加聯(lián)合，使得該區(qū)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造特征較為復(fù)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(chǔ)，基底的起伏變化對上覆沉積地層及區(qū)域構(gòu)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(yùn)移與聚集[1-2]。因此，界定盆地的沉積建造和結(jié)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(yùn)移、儲存和分布等都具有極為重要的理論意義和實(shí)際價值。關(guān)于鄂爾多斯盆地及周邊基底起伏及構(gòu)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(xì)系統(tǒng)的研究。

重磁研究是認(rèn)識盆地深部構(gòu)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?jì)算磁性基底深度，并以此為基礎(chǔ)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(jì)后期，前人通過不同算法、不同約束條件實(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和反演，分析了區(qū)內(nèi)基底性質(zhì)，結(jié)合重磁聯(lián)合反演和最小埋深計(jì)算，研究了基底起伏及構(gòu)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(guān)中平原，西接六盤山，南鄰秦嶺山脈，地形地貌較為復(fù)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(gòu)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(jié)晶基底由太古宙及中—古元古代變質(zhì)結(jié)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(gòu)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。花崗斑巖、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(dāng)。

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(dá)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(qiáng)，一般為(1 200～6 500)×10-5SI，剩余磁化強(qiáng)度為(700～1 200)×10-3A/m；混合巖磁化率為1 400×10-5SI、剩余磁化強(qiáng)度為600×10-3A/m，屬于中強(qiáng)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(dá)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(guān)，中性巖如石英閃長巖磁性較強(qiáng)，磁化率值為1 858×10-5SI、剩余磁化強(qiáng)度為640×10-3A/m，屬強(qiáng)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(qiáng)度值為570×10-3A/m，屬較強(qiáng)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(jié)晶基底為強(qiáng)磁性層，磁異常主要反映了結(jié)晶基底的構(gòu)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(gòu)造單元對應(yīng)較好，總體具有ES高NW低、從ES-WN逐漸降低的特點(diǎn)，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(diǎn)，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(yīng)，區(qū)域布格重力異?？傮w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(qiáng)，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(cè)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(fēng)—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(fù)的特征，展布方向以NE、NEE向?yàn)橹鳌Ｓ蓤D3可知，從N-S磁場強(qiáng)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?yàn)橹鳎缧拧獩艽ㄒ粠Т帕ψ罡?，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(jié)果；SE以負(fù)磁場為特征，負(fù)磁異常方向以近EW向和NW向?yàn)橹鳎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(fù)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(jié)晶基底屬強(qiáng)磁性層，因此上述磁場變化主要是結(jié)晶基底的反映。

3 研究區(qū)基底研究

3.1 斷裂構(gòu)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(jié)果(圖2、圖3)，對區(qū)內(nèi)構(gòu)造進(jìn)行了推斷，結(jié)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(guān)—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)?？傮w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(gòu)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(jìn)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(shí)測曲線，當(dāng)兩者差異最小時，認(rèn)為聯(lián)合反演能夠基本反映地下地質(zhì)構(gòu)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(jié)果。A—A′剖面位于研究區(qū)西緣，全長112.3 km。由反演結(jié)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(dá)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(jié)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(dá)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(jié)果； c—B-B′剖面重磁聯(lián)合反演結(jié)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(jié)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(jié)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(dá)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(jié)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(jì)算

筆者應(yīng)用歐拉反褶積和場源深度成像兩種方法計(jì)算區(qū)內(nèi)的基底埋深情況，并根據(jù)重磁聯(lián)合反演結(jié)果進(jìn)行約束。結(jié)合反演結(jié)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(jì)算結(jié)果可視為結(jié)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(jì)算結(jié)果可視為下古生界頂面最小埋深。

由圖6可知，結(jié)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(jié)晶基底頂面埋深略有抬升，可達(dá)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(dá)3.5 km；乾縣以南位于汾渭裂谷，下古生界強(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)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(yùn)移及富集。

研究區(qū)內(nèi)已發(fā)現(xiàn)的鈾礦點(diǎn)、礦化點(diǎn)、異常點(diǎn)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(dāng)時的構(gòu)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(yùn)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(jié)果，結(jié)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(yùn)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(cè)及西側(cè)斜坡地帶，都是尋找古生界天然氣的最有利地區(qū)。

5 結(jié)論

1)研究區(qū)內(nèi)基底斷裂以NE向?yàn)橹鳎鞑堪l(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(yùn)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(jié)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(gòu)造復(fù)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(yīng)用磁重?cái)?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(jì)算了結(jié)晶基底和奧陶系頂面埋深。結(jié)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(yù)測提供了基礎(chǔ)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(jié)合重力資料能夠相對有效地識別基底特征，彌補(bǔ)其他地球物理資料的不足。