三門(mén)峽盆地重力異常特征與構(gòu)造格局

曲志成,賈會(huì)沖,田剛,馬超,陳杰,尚亞樂(lè),張?jiān)拼?楊明慧,3*

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.中石化華北油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，鄭州 450006；3.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249)

三門(mén)峽盆地與汾渭地塹系共生，發(fā)育于秦嶺構(gòu)造帶北緣，蘊(yùn)含著豐富的金屬礦產(chǎn)和地?zé)豳Y源。盆地東西長(zhǎng)約120 km，南北寬約40 km，面積3 000 km2，是一個(gè)以新生界為主的斷陷盆地[1]。近年來(lái)，在盆地靈寶凹陷、五畝凹陷發(fā)現(xiàn)了良好的烴源巖，尤其是HW1井已見(jiàn)油氣，使得該區(qū)備受關(guān)注。原地礦部第三石油普查大隊(duì)(1964)和河南地震局地質(zhì)四隊(duì)(1972)、河南石油指揮部(1977)、中原油田(1990)在該區(qū)進(jìn)行了電測(cè)探等地質(zhì)工作，對(duì)盆地新生代地層厚度分布及地層劃分進(jìn)行了初步研究。王丹丹等[1]提出了“五凹兩隆”的盆地構(gòu)造格局，但構(gòu)造單元?jiǎng)澐忠罁?jù)模糊，缺乏斷裂對(duì)構(gòu)造單元?jiǎng)澐值目刂频纫蛩亍＜又叭藢?duì)三門(mén)峽盆地構(gòu)造特征研究較少，因此在前人研究基礎(chǔ)之上，利用重力異常特征和野外實(shí)地調(diào)查的優(yōu)勢(shì)，厘定了三門(mén)峽盆地?cái)嗔烟卣鳎M(jìn)一步劃分了盆地構(gòu)造單元，對(duì)盆地構(gòu)造格局有了新的認(rèn)識(shí)，以期對(duì)下一步盆地勘探有所幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

汾渭地塹系(圖1[2])作為華北板塊內(nèi)一條重要的張性斷陷帶，北起北京延慶區(qū)，南至陜西關(guān)中地區(qū)，整體呈NE-SW向“S”形展布，由一系列新生代斷陷盆地組成[3-4]。該區(qū)地質(zhì)演化主要經(jīng)歷了4個(gè)重要的時(shí)期[5-9]：①前寒武紀(jì)結(jié)晶基底-大陸裂谷形成時(shí)期，主要為太古宇-古元古界的變質(zhì)巖相和中元古界的濱海臺(tái)地相為主；②古生代-中生代海相到陸相的過(guò)渡時(shí)期，主要為濱海-淺海臺(tái)地相和濱海平原相的沉積；③中生代華北克拉通的破壞時(shí)期，多為內(nèi)陸湖泊相沉積；④新生代局部陸內(nèi)斷陷形成時(shí)期，多以內(nèi)陸湖泊相和風(fēng)成黃土相為主。多期的構(gòu)造活動(dòng)使得本區(qū)構(gòu)造特征復(fù)雜多樣，主要表現(xiàn)為斷陷盆地邊緣的前裂谷期(燕山期)構(gòu)造，多為復(fù)雜的線型、似線型褶皺斷裂帶；盆內(nèi)裂陷期(喜馬拉雅期)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，多為沿前裂谷期壓性、壓扭性褶皺發(fā)育起來(lái)的張性、張扭性升降斷塊，其兩側(cè)或者一側(cè)常為同沉積斷裂[10]。

圖1 汾渭地塹地理位置圖及三門(mén)峽盆地區(qū)域地質(zhì)圖[2]Fig.1 Geographical map of the Fenwei graben and regional geological map of the Sanmenxia Basin[2]

2 重力場(chǎng)特征

從加州大學(xué)圣地亞哥分校(University of California,San Diego)網(wǎng)站(https://topex.ucsd.edu)獲取重力原始數(shù)據(jù)，研究區(qū)范圍為三門(mén)峽盆地及其周邊區(qū)域(110°E～111°40′E，34°05′N～35°05′N)。利用Surfer軟件中克里金法計(jì)算形成2 km×2 km的布格重力異常網(wǎng)格數(shù)據(jù)，并通過(guò)RGIS軟件中的滑動(dòng)平均法對(duì)區(qū)域異常和局部異常進(jìn)行分離。

2.1 物性特征

地殼內(nèi)不同地質(zhì)體之間存在密度差異，密度資料是重力異常解釋必不可少的約束條件。三門(mén)峽盆地北部地層密度值由老到新逐漸變小，前寒武系密度最大，平均為2.81×103kg/m3；奧陶系和寒武系平均密度值為2.71×103kg/m3；二疊系和石炭系平均密度值為2.55×103kg/m3；新生代地層平均密度為1.93×103kg/m3[11]。巖漿巖密度總的變化趨勢(shì)由(超)基性、中性、酸性，密度值由大變小，當(dāng)一定規(guī)模的侵入巖與圍巖接觸形成明顯的密度界面時(shí)，均能形成不同特征的局部重力異常。

2.2 重力異常特征

2.2.1 布格重力異常

三門(mén)峽盆地及周邊重力場(chǎng)自北向南分別為芮城-洪池重力梯級(jí)帶、潼關(guān)-靈寶重力梯級(jí)帶、靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶。研究區(qū)布格重力場(chǎng)被三條梯級(jí)帶分割成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)不同場(chǎng)區(qū)(圖2)，整體呈高、低、高相間的帶狀分布，初步揭示該盆地的發(fā)生和發(fā)展是受梯級(jí)帶的圍限，在邊界斷裂控制下，形成較深的地塹式斷陷盆地，并決定了盆地在平面形態(tài)上呈長(zhǎng)條狀分布，顯示出明顯的方向性。

圖2 三門(mén)峽盆地布格重力異常圖Fig.2 Bouguer gravity anomaly map of Sanmenxia Basin

研究區(qū)北部，沿芮城-洪池一線存在一條明顯的NEE向重力梯級(jí)帶，其北側(cè)(Ⅲ區(qū))重力異常高，且呈連續(xù)的NE向帶狀分布，為中條山隆起帶的反映。梯級(jí)帶南側(cè)(Ⅰ區(qū))重力異常低，近似呈三角形分布，其范圍與三門(mén)峽盆地范圍基本吻合，整體被第四系覆蓋，推測(cè)重力低是由低密度沉積地層引起的。該區(qū)域中西部的盤(pán)西地區(qū)布格負(fù)異常尤為明顯，可能與盆地沉積中心有關(guān)。研究區(qū)南部(Ⅱ區(qū))，潼關(guān)-靈寶重力梯級(jí)帶和靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶將其與盆地主體低布格異常區(qū)分割，主要表現(xiàn)為條帶狀正重力異常，Ⅱ1區(qū)和Ⅱ2區(qū)分別對(duì)應(yīng)于華山和崤山隆起。

2.2.2 剩余重力異常

盆地剩余重力異常圖(圖3)顯示，盆地淺部異常仍與盆地整體異常特征類似，呈南北帶狀相間分布的特征。在三門(mén)峽盆地內(nèi)部自北向南進(jìn)一步顯示出了低-高-低3個(gè)異常條帶，推測(cè)與盆內(nèi)隆坳的格局有關(guān)。兩個(gè)異常帶都呈串珠狀展布，其中北側(cè)的異常帶沿中條山南展布，自西向東由芮城、棗靈和平陸低值區(qū)組成；南側(cè)的異常帶則沿華山北展布，自西向東分別為潼關(guān)、陽(yáng)平和靈寶低值區(qū)組成，反映了不同凹陷沉積的差異性。高布格異常帶同樣呈串珠狀組成，可能反映了局部隆起的差異。

圖3 三門(mén)峽盆地剩余重力異常圖Fig.3 Residual gravity anomaly map of Sanmenxia Basin

3 盆地?cái)嗔褎澐?/h2>

沿一定方向延伸的重力梯度帶往往是深大斷裂的表現(xiàn)[12]。斷裂識(shí)別主要以布格重力異常歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)[13-16]為主要依據(jù)[圖4(a)]，結(jié)合布格重力異常[圖4(b)]、區(qū)域重力異常[圖4(c)]和剩余重力異常[圖4(d)]以及野外踏勘的實(shí)際情況，推斷出4條邊界斷裂(F1～F4)和13條盆地內(nèi)次級(jí)斷裂。由于盆地內(nèi)被巨厚的第四系覆蓋，在野外踏勘中未見(jiàn)盆地內(nèi)部斷層出露，因此主要對(duì)盆地邊界4條斷裂進(jìn)行詳細(xì)研究。

3.1 文底-宮前斷裂帶(F1)

文底-宮前斷裂帶東起靈寶西至華陰，呈鋸齒狀近EW向分布，長(zhǎng)約70 km的正斷層。在布格重力異常NVDR_THDR圖[圖4(a)]上該斷裂表現(xiàn)為極大值的連線；在區(qū)域布格異常與剩余布格異常圖上表現(xiàn)為密集重力梯級(jí)帶；淺部重力異常反映的重力梯度帶位于斷裂的北側(cè)，在上地殼發(fā)育，其位置向北遷移；深部重力異常則反映斷裂位于梯度帶上，因此判斷斷裂位置在下地殼也可能向南遷移，具有走滑斷裂性質(zhì)。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，文底-宮前斷裂是華山與三門(mén)峽盆地南部的分界斷裂，在清泉寺沿鐵路線附近可見(jiàn)多處斷層三角面[圖5(a)]。該斷裂在車(chē)峪口南部山區(qū)出露，顯示為北傾、傾角為70°、寬度為1～3 km的斷裂帶，北部主要為第四系的黃土，南部主要為太古宇的變質(zhì)巖系[圖5(b)]。據(jù)華山隆起構(gòu)造格架圖顯示[17]，該斷裂帶南側(cè)存在五里村等多個(gè)背斜，推斷該斷裂帶上盤(pán)曾向南逆沖。黃土光釋光法(optically stimulated luminescence,OSL)年齡證明文底-宮前斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世[18]。

圖4 三門(mén)峽盆地重力異常與斷裂疊加圖Fig.4 Overlay map of gravity anomalies and faults in the Sanmenxia Basin

圖5(a)、圖5(b)位置分別對(duì)應(yīng)圖1中A、B點(diǎn)圖5 文底-宮前斷裂野外觀察特征Fig.5 Characteristics of Wendi-Gongqian fault in field survey

3.2 三門(mén)峽-硤石斷裂帶(F2)

三門(mén)峽-硤石斷裂帶為魯山-阜陽(yáng)-淮南斷裂帶西段。該斷裂為華北克拉通南部活動(dòng)區(qū)與克拉通南部穩(wěn)定區(qū)的分界線，沿線形成一系列自南向北的逆沖推覆構(gòu)造[19]。地球物理場(chǎng)顯示斷裂兩側(cè)異常差異明顯，整體表現(xiàn)西南部為重力負(fù)異常區(qū)，東北部為重力正異常區(qū)，在張茅附近表現(xiàn)為兩個(gè)相對(duì)重力高異常的鞍部，局部表現(xiàn)為梯度帶。在白山一帶，該斷裂帶寬數(shù)百米[圖6(a)]，走向NW，中元古界馬家河組和云夢(mèng)山組向NE推覆在張夏組之上，斷層下盤(pán)為寒武系灰?guī)r，局部可見(jiàn)鮞粒。廟村北公路旁，斷裂帶風(fēng)化嚴(yán)重，寒武系白云巖巖溶發(fā)育，斷層面傾向SW，傾角83°。沿?cái)嗔褞E向至硤石鄉(xiāng)，出露斷層上盤(pán)云夢(mèng)山組石英砂巖，斷層面傾向SW，傾角80°。

3.3 靈寶-三門(mén)峽斷裂帶(F3)

該斷裂帶南起靈寶朱陽(yáng)鎮(zhèn)，向NE方向經(jīng)川口延伸至三門(mén)峽，隱伏于平陸地區(qū)第四系之下。斷裂全長(zhǎng)約82 km，傾向NW，傾角45°～70°，總體走向49°～59°。布格重力異常顯示，斷裂帶北部為盆地主體負(fù)異常區(qū)，南部為崤山正異常區(qū)，中間過(guò)渡帶表現(xiàn)為NE向重力梯級(jí)帶，對(duì)應(yīng)于靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶。斷裂南段淺部的重力異常略顯梯度變化，而深部在北側(cè)呈明顯的梯度變化，反映斷裂向下切割至地殼深處，推測(cè)靈寶-三門(mén)峽斷裂下延深度約為24 km。

圖6(a)～圖6(c)位置分別對(duì)應(yīng)圖1中C、D、E點(diǎn)圖6 三門(mén)峽-硤石斷裂野外觀察特征Fig.6 The characteristics of Sanmenxia-Xiashi fault in field survey

高陽(yáng)山一帶，出露多處斷層破碎帶，分布在鐵路線南側(cè)[圖7(a)]。其斷層兩盤(pán)有較大高差，斷距在1 000 m以上，上盤(pán)新生代地層厚4 000～5 000 m，下盤(pán)為寒武系灰?guī)r、白云巖，局部見(jiàn)張夏組鮞?；?guī)r，其中灰?guī)r節(jié)理發(fā)育，白云巖淋濾風(fēng)化嚴(yán)重，巖溶發(fā)育。由出露的寒武紀(jì)地層推斷，該斷裂帶寬度在2～3 km。川口鐵路橋西南，發(fā)育巨大沖積扇，地層呈明顯的多旋回性[圖7(b)]，表明斷層活動(dòng)性強(qiáng)烈，同時(shí)在局部可見(jiàn)靈寶-三門(mén)峽斷裂誘發(fā)小斷層。熱釋光法測(cè)得的該處斷層泥距今(22.3±4.7)萬(wàn)年，表明該斷裂在中更新世曾有過(guò)強(qiáng)烈活動(dòng)[20]。此外，該斷裂在一定深度上可能與文底-宮前斷裂相交，相交部位的莫霍面深度約在41 km[21]。

3.4 中條山南斷裂帶(F4)

該斷裂帶總體走向NEE，為三門(mén)峽盆地與中條山隆起的分界斷裂，自南向北由一系列斷裂組成，寬3～5 km，長(zhǎng)約143 km。在布格重力異常圖上，該斷裂表現(xiàn)為不同重力場(chǎng)的分界，北部為中條山正異常區(qū)，南部為盆地主體負(fù)異常區(qū)。斷裂帶應(yīng)為芮城-洪池重力梯級(jí)帶的直接表現(xiàn)，在重力異常歸一化總水平導(dǎo)數(shù)垂向?qū)?shù)上，表現(xiàn)為極大值連線。

斷裂帶南側(cè)稱中條山南斷裂，東起嶺橋村西沖溝，往西經(jīng)過(guò)平坡村、王窯村礦場(chǎng)、首陽(yáng)南一帶。在嶺橋村西沖溝，斷層傾向SE，上盤(pán)為中元古界云夢(mèng)山組石灰?guī)r、石英巖，下盤(pán)出露地層厚度較小，且總體呈階梯狀向SE下降，斷裂兩側(cè)上覆厚層黃土，沒(méi)有錯(cuò)斷跡象[圖8(b)]。斷裂帶北側(cè)從柳溝村北、岱家窯村南一帶，往西延伸至前坪村北，在柳溝村北公路可見(jiàn)數(shù)百米寬斷裂帶及斷層角礫巖，并發(fā)育部分傾向相反的小斷層，斷層破碎帶風(fēng)化嚴(yán)重[圖8(a)]。岱家窯南斷裂，斷層傾向SE，可見(jiàn)明顯斷層角礫巖及階步，斷層下盤(pán)為涑水群洞溝組片麻巖，上盤(pán)為震旦系三教堂組和崔莊組石英砂巖、頁(yè)巖和灰?guī)r[圖8(c)]。同時(shí)中條山南斷裂帶內(nèi)局部可見(jiàn)負(fù)花狀構(gòu)造，反映了該斷裂帶具有張扭性質(zhì)，岱家窯南斷層面的階步亦同樣反映出同樣的性質(zhì)?？傮w中條山南斷裂帶南北兩側(cè)斷層產(chǎn)狀基本一致，斷裂帶南側(cè)被厚層黃土覆蓋無(wú)明顯錯(cuò)斷，由出露的太古片麻巖、中元古界石灰?guī)r、石英巖及古生界灰?guī)r推斷，該斷裂帶形成中元古時(shí)期，且活動(dòng)頻繁，第四紀(jì)以來(lái)趨于穩(wěn)定。

圖7(a)、圖7(b)位置分別對(duì)應(yīng)圖1中F、G點(diǎn)圖7 靈寶-三門(mén)峽斷裂野外觀察特征Fig.7 The characteristics of Lingbao-Sanmenxia fault in field survey

圖8(a)～圖8(c)位置分別對(duì)慶圖1中H、I、J點(diǎn)圖8 中條山南斷裂野外觀察特征Fig.8 Characteristics of Zhongtiaoshan south fault in field survey

4 盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/h2>

重力資料除了反映斷裂對(duì)地層的破壞之外，還描述了不同深度、不同層次密度界面的起伏形態(tài)，為劃分盆地構(gòu)造單元提供依據(jù)[22-24]。前人依據(jù)電測(cè)探工作初步識(shí)別出了三門(mén)峽盆地零散分布著靈寶凹陷、潼關(guān)凹陷、平陸凹陷等多個(gè)凹陷，并沒(méi)有系統(tǒng)探討這些凹陷與斷裂的關(guān)系。因此，在前人對(duì)本區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐终J(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，利用重力異常在反映基底起伏方面的優(yōu)勢(shì)，以剩余重力異常變化(異常形態(tài)、走向、排列等)為依據(jù)，結(jié)合盆地內(nèi)次級(jí)斷裂發(fā)育特征及其分隔性，對(duì)盆地二級(jí)構(gòu)造單元重新劃分。盆地整體可以劃分3個(gè)二級(jí)單元，自北向南分別為北部坳陷帶、中部隆起帶、南部坳陷帶；3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元進(jìn)一步劃分為9個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，如表1和圖9所示。

圖9 三門(mén)峽盆地?cái)嗔逊植技皹?gòu)造單元?jiǎng)澐諪ig.9 Distribution of faults and subdivision of teconic units in Sanmenxia Basin

表1 三門(mén)峽盆地二級(jí)構(gòu)造單元特征表Table 1 Characteristics of secondary tectonic units in Sanmenxia Basin

4.1 北部坳陷帶(De1)

在重力異常上表現(xiàn)為重力低值帶，包括芮城凹陷、棗靈凹陷、平陸凹陷。東部以靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶為界，北部被芮城-洪池重力梯級(jí)帶分隔；西部在盤(pán)西附近以一較平緩的鞍部與渭河盆地重力低分開(kāi)，南部以陽(yáng)店-盤(pán)西重力高與南部重力低值帶為鄰。閉合面積1 300 km2，異常線走向?yàn)镹EE，其最大異常值位于黃河水域一線。根據(jù)周邊的地層接觸關(guān)系推測(cè)，該帶受斷塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，重力低是基巖被斷層切割后下降形成的地塹或半地塹造成的。

4.2 南部坳陷帶(De2)

其與北部坳陷帶類似，重力異常上同樣表現(xiàn)為重力低值帶，包括潼關(guān)凹陷、陽(yáng)平凹陷、靈寶凹陷及南部的五畝凹陷。東部被靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶控制，南部以潼關(guān)-靈寶梯級(jí)帶為界，西部與渭河盆地重力低以低隆分開(kāi)，北部為陽(yáng)店-盤(pán)西重力高值帶。該帶閉合面積1 100 km2左右，范圍稍??；但南側(cè)、東側(cè)受區(qū)域斷裂控制，是一個(gè)窄而深的半地塹或地塹，從而顯示重力低特征。

4.3 中部低隆起(Up1)

該隆起在重力異常上表現(xiàn)為陽(yáng)店-盤(pán)西高值帶，可分為盤(pán)西凸起和函谷凸起。東部被靈寶-三門(mén)峽重力梯級(jí)帶控制，北部與北部重力低帶接觸，南部與南部重力低帶相鄰，異常值在-95×10-5～-90×10-5m/s2變化。兩側(cè)均見(jiàn)斷層異常顯示，推測(cè)該區(qū)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，基底被切割成若干小斷塊形成次級(jí)的地壘式凸起。該重力高見(jiàn)兩個(gè)異常高值圈閉區(qū)即對(duì)應(yīng)兩個(gè)凸起。

5 結(jié)論

(1)三門(mén)峽盆地重力場(chǎng)主要表現(xiàn)為被芮城-洪池重力梯度帶、潼關(guān)-靈寶重力梯度帶、靈寶-三門(mén)峽重力梯度帶圍限形似三角形的低異常區(qū)。盆地內(nèi)部重力場(chǎng)主要呈中間低、東西高的基本特征。剩余重力場(chǎng)盆內(nèi)具有從北向南呈近東西走向低-高-低的條帶特征。

(2)從斷裂展布走向上來(lái)看，盆地發(fā)育近EW向、NE向和NW向三組方向斷裂。從斷裂切割來(lái)看，近EW向和NW向斷裂形成相對(duì)較早，NE向斷裂形成較晚，NE-NEE向斷裂對(duì)NW向斷裂有切割作用，從形成時(shí)期來(lái)看，邊界斷裂主要于前新生代時(shí)期形成，在第四紀(jì)趨于穩(wěn)定。

(3)通過(guò)對(duì)剩余重力場(chǎng)特征分析，盆地?cái)嗔褜?duì)構(gòu)造單元具有控制作用，以剩余重力變化和盆地次級(jí)斷裂為依據(jù)，將三門(mén)峽盆地劃分為北部坳陷帶、中部低隆起和南部坳陷帶，盆地形態(tài)總體呈“七凹二凸”的構(gòu)造格局。