渭河盆地深部基底結(jié)構(gòu)特征研究

張瑾愛，谷開拓，張 林，周少偉，王雙雙

(陜西省礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068)

1 引 言

渭河盆地也稱關(guān)中盆地，位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北抵渭北北山，是一個(gè)地塹構(gòu)造。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°00′～110°20′，北緯34°00′～35°10′，東西長約360 km，南北寬30～80 km，面積約3.9×104km2， 它是一個(gè)三面環(huán)山向東敞開的盆地[1]。由于盆地所處的經(jīng)濟(jì)地理位置非常的重要，尤其是盆地所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境有利，渭河盆地?zé)崴Y源、油氣資源較為豐富[3-6]。渭河盆地是新生代沉積盆地，目前采用地震[7]、重磁[8，9]以及鉆探手段對新生界范圍內(nèi)的地?zé)豳Y源、地層組成以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等研究較多，但由于沉積地層較厚，盆地內(nèi)達(dá)基底的鉆孔很少，深部研究程度低，渭河盆地的基底結(jié)構(gòu)特征缺乏系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)。除個(gè)別地區(qū)基底有露頭外，大部分區(qū)域基底埋深較大，基底組成和結(jié)構(gòu)不明，不能清楚地評價(jià)盆地內(nèi)是否存在有利生氣條件，從而不能為渭河盆地油氣調(diào)查與氦氣戰(zhàn)略資源遠(yuǎn)景評價(jià)提供深部地球物理信息的支持，故了解渭河盆地基底結(jié)構(gòu)與組成至關(guān)重要。本次研究是通過深部大地電磁探測[10,11]對盆地基底進(jìn)行綜合解釋評價(jià)，進(jìn)而探測盆地基底結(jié)構(gòu)，從而為氦等天然氣[12-16]選區(qū)評價(jià)提供依據(jù)。

2 地質(zhì)背景

渭河盆地屬于鄂爾多斯盆地南緣新生代斷陷沉積盆地，大地構(gòu)造位置在華北板塊西南緣對沖構(gòu)造系內(nèi)，處于鄂爾多斯地塊、華北板塊、北秦嶺逆沖推覆構(gòu)造系的相互俯沖、碰撞的交接復(fù)合過渡地帶[1]。該盆地經(jīng)歷了長期復(fù)雜的構(gòu)造與演化[2]，盆地南側(cè)的基巖仍在繼續(xù)上升(秦嶺山地隆升)，而地塹仍在繼續(xù)下降(渭河盆地沉降)，在復(fù)雜構(gòu)造體系作用下產(chǎn)生了一系列斷裂，盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造以近東西向的深大斷裂帶為主，這些斷裂控制了渭河盆地的構(gòu)造格局，形成了南深北淺的箕狀斷陷[2]構(gòu)造，同時(shí)具有次一級的北西向及北東向斷層，而北西向的斷層部分為活動(dòng)斷層[17，18]。

渭河盆地出露地層從太古界至新生界均有分布，前新生界及花崗巖構(gòu)成了盆地基底并出露于盆地邊緣，巨厚的新生界形成了遼闊的渭河盆地[15]。前人認(rèn)為渭河盆地南緣出露太古界中深變質(zhì)巖系及下古生界變質(zhì)巖系，其中侵入大片的燕山期花崗巖及各類巖脈，北緣主要被古生界所圍，西端局部見有元古界地層露頭[1]。

在渭河盆地內(nèi)部依據(jù)斷裂和新生界發(fā)育特征劃分為北部斜坡、南部坳陷和西部隆起三個(gè)一級構(gòu)造單元[19](圖1)，內(nèi)部又細(xì)分為十個(gè)凹凸相間的次一級構(gòu)造單元。

圖1 渭河盆地構(gòu)造單元圖(據(jù)梁楓、劉方，2009)[19]Fig.1 Structural unit map of Weihe basin(according to Liang Feng,Liu Fang,2009)[19]

3 地球物理數(shù)據(jù)處理

為了清楚認(rèn)識(shí)渭河盆地深部基底結(jié)構(gòu)特征，在渭河盆地中開展綜合地球物理方法研究。渭河盆地平面布格重力數(shù)據(jù)為西安市地震局完成的1∶10萬比例尺重力資料和陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局完成的1∶50萬比例尺重力資料拼接所得到，由于渭河盆地莫霍面起伏較大，對重力異常影響較大，故對平面重力數(shù)據(jù)采用金維三度密度單界面重力場正演模塊對莫霍面進(jìn)行正演計(jì)算，計(jì)算域選擇參數(shù)為7，上下層密度差為0.6 g/cm3，得到莫霍面及以下的重力異常值。由布格重力異常減去莫霍面重力異常值，得到消除莫霍面影響后的重力異常值(圖2)，重力異常單位為×10-5m/s2。剩余重力平面特征表現(xiàn)南北向兩高夾一低，低值異常區(qū)為渭河盆地的主體范圍，異常中心位于盆地偏南、東西存在明顯錯(cuò)位，西部偏南，東部偏北，該低值區(qū)與渭河盆地的主體凹陷(西安凹陷、固市凹陷)的平面分布一致，向南梯度帶密集、向北梯度帶平緩，反映基底的起伏南陡北緩的特征。航磁平面資料來自于中國航空遙感中心下發(fā)的2 km×2 km網(wǎng)格數(shù)據(jù)，比例尺為1∶50萬。利用RGIS軟件間距為1°的變緯度化極方法對該數(shù)據(jù)進(jìn)行磁場化極，得到航磁ΔT化極異常(圖3)，航磁異常單位為nT。航磁異常平面特征表現(xiàn)為中間低南北高，異常中心位于寶雞-眉縣-興平-咸陽-臨潼-華縣-潼關(guān)一線，整體位于磁異常低值區(qū)域，中間夾雜有部分高值圈閉，反映渭河盆地基底磁性的分布特征和侵入磁性巖體的分布特征。

大地電磁測深(MT)數(shù)據(jù)來源于6條實(shí)測剖面，如圖4所示，觀測數(shù)據(jù)是頻率域數(shù)據(jù)，與地下的地電結(jié)構(gòu)不是簡單的對應(yīng)關(guān)系，而是一種復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此需要用反演的方法把頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電阻率-深度的關(guān)系，視電阻率單位為Ω·m。為了更直觀地了解地下電性特征及電性層的分布情況，本次研究工作選擇一維Bostick反演結(jié)果作為初始模型，再進(jìn)行帶地形連續(xù)介質(zhì)二維反演，消減地形和靜態(tài)位移影響。該方法反演出地?cái)嗝骐娦宰兓沁B續(xù)的，能夠更好的反映地下電性層起伏形態(tài)、構(gòu)造格局。將DD2013-1和DD2013-2剖面地震解釋結(jié)果[9,10]作為約束，重磁資料作為輔助，根據(jù)每條剖面其不同的電性特征，結(jié)合鉆孔資料和區(qū)域地質(zhì)資料對渭河盆地深部基底結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步推斷(圖5)。

圖2 渭河盆地消除莫霍面后的布格重力異常Fig.2 Residual Bouguer gravity map after eliminating Moho surface in Weihe basin

圖3 渭河盆地航磁ΔT化極等值線平面Fig.3 Aeromagnetization ΔT polar contour plane map of Weihe basin

圖4 渭河盆地地震和大地電磁剖面位置Fig.4 Seismic and MT profile location map of Weihe basin

圖5 大地電磁測深(MT)反演剖面解釋Fig.5 MT invertion profile interpretation

4 基底結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)

首先介紹本區(qū)電阻率物性特征。根據(jù)收集前人資料并結(jié)合地質(zhì)資料，本區(qū)內(nèi)主要地層單位巖性的電阻率特征如下：第四系地層電阻率10～150 Ω·m；新近系、古近系地層電阻率為2 500～4 000 Ω·m；中生界地層電阻率為30～1 000 Ω·m；古生界地層電阻率一般100～1 000 Ω·m；元古界、太古界電阻率范圍為300～10 000 Ω·m且一般大于1 000 Ω·m。

根據(jù)渭河盆地地震、大地電磁測深(MT)、重力、航磁等資料，結(jié)合地表出露基巖及基巖鉆孔信息，推斷出渭河盆地基底結(jié)構(gòu)(圖7)。

渭河盆地新生代(Cz)時(shí)期接受巨厚沉積，地表被第四系(Q)覆蓋。盆地南緣出露太古界(Ar)中深變質(zhì)巖系侵入大片的燕山期花崗巖及各類巖脈；北緣主要被古生界所包圍，部分出露中生界(Mz)；西端局部見有元古界地層露頭。整體將渭河盆地基底劃分為4個(gè)巖相組合區(qū)，分別為北部下古生界(Pz1)碳酸鹽巖分布區(qū)、中部上古生界(Pz2)泥巖分布區(qū)、南部太古界(Ar)變質(zhì)巖分布區(qū)、西部元古界(Pt)變質(zhì)巖及中生界(Mz)碎屑巖、侵入巖分布區(qū)。

4.1 北部下古生界(Pz1)碳酸鹽巖分布區(qū)

該區(qū)在剩余重力異常圖上表現(xiàn)為高異常區(qū)，與南部低異常區(qū)有明顯界線，異常連續(xù)，呈條帶狀NE向展布，重力極值中心位于乾縣、禮泉北、富平、蒲城；在航磁異常圖上顯示為高低異常梯度帶，西部低異常、東部高異常，高異常主要集中于富平-蒲城一帶。在大地電磁測深(MT)反演剖面上，部分區(qū)段(DD2013-1剖面興平以北區(qū)段;DD2013-2剖面黨睦以北區(qū)段;DD2016-1剖面徐木以北區(qū)段;DD2016-2剖面雙泉以北區(qū)段;圖5中大地電磁測深(MT)反演剖面標(biāo)紅位置)，所在區(qū)域共同構(gòu)成渭河盆地北部基底高阻區(qū)。根據(jù)前人鉆孔富平渭3井見奧陶系；咸陽熱2井見奧陶系，下覆中下元古界，在渭河盆地北緣320 km范圍內(nèi)均有奧陶系地層出露。并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，奧陶系巖性主要為灰?guī)r、泥灰?guī)r、含礫灰?guī)r等通常為高阻，推斷基底為奧陶系地層。前人將咸陽劃于西安凹陷，本次工作將其劃于咸-禮凸起中。故整體推斷該區(qū)域?yàn)橄鹿派?Pz1)。即咸-禮凸起、蒲城凸起新生代地層以下基底為下古生界(Pz1)碳酸鹽巖(奧陶系(O)灰?guī)r)分布區(qū)。

與前人認(rèn)識(shí)相比，推測北部下古生界碳酸鹽巖分布區(qū)在基底巖性上相同，但武功-興平-咸陽一帶、草灘-高陵-黨睦一帶的巖性邊界推測差異較大，如圖6所示。

圖6 渭河盆地基底結(jié)構(gòu)Fig.6 Besement structure of Weihe basin

4.2 中部上古生界(Pz2)石炭—二疊系泥巖分布區(qū)

該區(qū)在剩余重力異常圖上表現(xiàn)為明顯的低異常區(qū)，呈連續(xù)帶狀，自西向東走向?yàn)闁|西-北東-東西向，寬度約30 km且較為穩(wěn)定；在航磁異常圖上主要表現(xiàn)為低磁異常，以及小范圍的高低異常接觸帶；在大地電磁測深(MT)反演剖面上，部分區(qū)段(DD2013-1剖面戶縣-興平區(qū)段，DD2013-2剖面辛莊-黨睦區(qū)段， DD2014-1剖面啞柏東-三星區(qū)段，DD2014-2剖面全區(qū)段，DD2016-1剖面高陵南-徐木區(qū)段， DD2016-2剖面羅敷-雙泉區(qū)段，圖5中大地電磁測深(MT)反演剖面標(biāo)藍(lán)位置)共同構(gòu)成渭河盆地中部基底低阻區(qū)，而泥巖分布區(qū)屬于低阻地區(qū)，阻值一般為<100 Ω·m；在前人鉆孔三原渭參1井見二疊系。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，二疊系下部為沼澤相、湖相的含煤沉積，上部為海相的雜色砂巖、泥巖、頁巖，該類地層通常為低阻，推斷基底為二疊系地層。即西安凹陷、固市凹陷新生代地層以下基底為上古生界二疊系泥巖。但前人認(rèn)識(shí)，西安凹陷基底為元古界淺變質(zhì)巖，固市凹陷基底為下古生界奧陶系灰?guī)r、東部為太古界變質(zhì)火山巖，元古界巖性下部主要為一套以石英巖、云母石英片巖和含礫石英片巖為主的變質(zhì)碎屑巖；上部主要為云母石英片巖、含磁鐵礦片巖、硅化白云質(zhì)大理巖、千枚巖，該類巖性電阻率為高阻，下古生界奧陶系灰?guī)r表現(xiàn)為高阻。根據(jù)大地電磁測深(MT)反演剖面電性特征，推測結(jié)果與該區(qū)域基底低阻特征不一致。西安凹陷未有直接依據(jù)表明基底性質(zhì)，根據(jù)與固市凹陷相一致的低阻特征推斷基底為泥巖。故整體推斷該區(qū)域?yàn)橹胁可瞎派缡俊B系泥巖分布區(qū)，如圖6所示。

4.3 南部太古界(Ar)變質(zhì)巖分布區(qū)

該區(qū)在剩余重力異常圖上表現(xiàn)為高低異常伴生，極大值中心位于驪山附近，呈團(tuán)塊狀，南北均呈北東向條帶狀重力低異常，分別與西安凹陷、固市凹陷低異常區(qū)相接；在航磁異常圖上表現(xiàn)為伴生的高低異常；在大地電磁測深(MT)反演剖面上部分區(qū)段(DD2013-1剖面戶縣以南區(qū)段、DD2013-2剖面辛莊以南區(qū)段、DD2014-1剖面三星以東區(qū)段、DD2016-1剖面高陵南以南區(qū)段、圖5中大地電磁測深(MT)反演剖面南部標(biāo)紅位置)共同構(gòu)成渭河盆地南部高阻區(qū)，阻值一般100～1 000 Ω·m。前人認(rèn)為太古界變質(zhì)巖分布于藍(lán)田-渭南一帶，本次推斷認(rèn)為分布于草堂-引鎮(zhèn)-藍(lán)田-渭南以及耿鎮(zhèn)附近均為太古界變質(zhì)巖。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征，臨潼南自西南至東北向出露奧陶系、元古界、太古界地層，其中太古界出露范圍較大，推斷該區(qū)域基底可能為奧陶系或太古界，但在大地電磁測深(MT)反演剖面電性特征上看，二者電阻率均為高阻特征，結(jié)合地表出露認(rèn)為該區(qū)域基底為太古界。故推斷渭河盆地南部為太古界變質(zhì)巖分布區(qū)，即臨-藍(lán)凸起基底性質(zhì)；臨-藍(lán)凸起的西部基底可能為下古生界碳酸鹽巖，如圖6所示。

4.4 西部元古界變質(zhì)巖及中生界(Mz)碎屑巖、侵入巖分布區(qū)

該區(qū)在剩余重力異常圖上主要為低異常，異常中心位于寶雞，基本成條帶狀，呈一定的彎曲形態(tài)，總體異常走向北西向；在航磁異常圖上為大范圍的低磁異常區(qū)，呈團(tuán)塊狀，長軸方向北西向，在大地電磁測深(MT)反演剖面上，部分區(qū)段(DD2016-1剖面眉縣-啞柏區(qū)段，圖5中大地電磁測深(MT)反演剖面西部標(biāo)紅位置)共同構(gòu)成渭河盆地西部高阻區(qū)，對應(yīng)寶雞凸起。侵入巖主要靠近秦嶺分布，寶雞東方紅地?zé)峋?25 m見花崗侵入巖。變質(zhì)巖主要為上元古界(Pt)淺變質(zhì)巖，位于侵入巖分布區(qū)東北側(cè)，蔡家坡渭4井于667 m見震旦系(Z)，巖性為暗綠色絹云母片巖；該區(qū)電阻率最低，該碎屑巖分布區(qū)主要為中生界碎屑巖，位于侵入巖分布區(qū)西北側(cè)，鳳翔-岐山一帶，呈東北向；碳酸巖分布在千陽以南，鳳翔以西一帶，與前人認(rèn)識(shí)保持一致[18]，如圖6所示。

5 結(jié) 論

本次研究主要通過地震以及大地電磁測深(MT)資料，結(jié)合前人重、磁、地質(zhì)和鉆孔資料，推斷渭河盆地地層組成和基底結(jié)構(gòu)性質(zhì)。結(jié)果顯示，渭河盆地古生界以上的新生界沉積地層均有分布，無地層缺失，北部為斜坡帶、南部為坳陷區(qū)。渭河盆地的基底分為四個(gè)區(qū)域：北部下古生界(Pz1)碳酸鹽巖分布區(qū)；中部上古生界(Pz2)泥巖分布區(qū)；南部太古界(Ar)變質(zhì)巖分布區(qū)；西部元古界(Pt)變質(zhì)巖及中生界(Mz)碎屑巖分布區(qū)。四個(gè)區(qū)域范圍劃分上有部分與前人認(rèn)識(shí)不同。本次研究對渭河盆地的基底組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造有了較為清楚地認(rèn)識(shí)，對評價(jià)重點(diǎn)勘查區(qū)的成藏條件和調(diào)查渭河盆地氦氣資源遠(yuǎn)景提供了有利的地球物理依據(jù)。