基于地球物理資料的銀川盆地南部構(gòu)造特征分析

虎新軍，安 娜，陳曉晶

（1.寧夏回族自治區(qū)地球物理地球化學調(diào)查院，寧夏 銀川 750001；2.寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)局規(guī)劃處，寧夏 銀川 750021）

1 引言

銀川盆地是眾多環(huán)鄂爾多斯新生代斷陷盆地之一。已有研究成果表明，盆地深部構(gòu)造較為復(fù)雜，尤其是盆地南部的永寧、吳忠、靈武地區(qū)，處于阿拉善微陸塊北東向擠壓鄂爾多斯地塊的前鋒地帶，第四系活動斷裂發(fā)育［1］，是地震活動的主要場所（據(jù)統(tǒng)計，1965年以來發(fā)生地震844次），具有頻度高、間隔短、叢集性分布的特點［2］。為了深入探討地震活動的地質(zhì)成因，多數(shù)學者基于該區(qū)厚黃土層覆蓋的地貌條件、區(qū)域性高精度重力與三維地震等地球物理資料缺失的實際，以小比例尺地球物理資料為依據(jù)，對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力［3，4］、銀川盆地形成演化［5－10］及盆地主要斷裂的活動機理［11，12］進行了深入的研究，取得的成果［13－16］基本構(gòu)建起了銀川盆地南部的深部地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)，厘定了主要邊界斷裂（黃河斷裂、牛首山斷裂、三關(guān)口斷裂）的活動性，支撐了孕震模型的構(gòu)建。因此，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，部署高精度面積性地球物理工作，細化盆地內(nèi)部次級構(gòu)造的展布特征，重點理清斷裂與局部構(gòu)造單元的空間性狀，進而為地震活動與地質(zhì)構(gòu)造空間配置關(guān)系研究提供依據(jù)，是研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造研究亟需解決的關(guān)鍵性問題。

受寧夏回族自治區(qū)重點研發(fā)項目“吳忠—靈武地區(qū)活動斷裂及地熱資源調(diào)查研究”（編號：2018BFG02012）及寧夏回族自治區(qū)自然科學基金項目“靈武凹陷地震活動的地質(zhì)構(gòu)造成因分析”（編號：2022AAC03652）的共同資助，筆者所在團隊于2019年完成了銀川盆地南部吳忠、靈武、永寧地區(qū)1∶5萬區(qū)域重力調(diào)查及重點區(qū)段可控源大地電磁測量［17］。本次筆者以上述資料為基礎(chǔ)，在確定區(qū)域構(gòu)造格架的基礎(chǔ)上，運用重力場小波多尺度分解、邊界識別、鉆孔約束下的Paker界面反演等技術(shù)，精細分析了重力細節(jié)場展布特征，劃定了斷裂構(gòu)造與局部構(gòu)造單元的空間賦存性狀，為研究區(qū)地震活動的地質(zhì)成因分析與地震災(zāi)害的防治提供了依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于銀川平原南部的吳忠、靈武、永寧地區(qū)，南北長40km，東西寬12km，面積約為350km2。根據(jù)寧夏北部構(gòu)造單元劃分方案［18］，該區(qū)處于華北陸塊鄂爾多斯地塊（Ⅲ51），歸屬于鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶（Ⅲ51－1），是構(gòu)成銀川斷陷盆地（Ⅲ51－1－2）南部主要的局部構(gòu)造單元。

研究區(qū)周緣斷裂構(gòu)造發(fā)育，北部的賀蘭山東麓斷裂控制了銀川盆地西側(cè)邊界，蘆花臺斷裂與銀川斷裂呈隱伏狀近NNE向延伸，南段終止于永寧縣一帶。西南側(cè)的三關(guān)口斷裂、柳木高斷裂NWW向展布于牛首山東北麓，具有右行“雁行式”展布特征［19］。東側(cè)的黃河斷裂呈SN向裸露狀展布于靈武東山西側(cè)山前地帶，為銀川斷陷盆地東部邊界斷裂，控制了銀川盆地南部構(gòu)造的發(fā)育展布，該斷裂為研究區(qū)內(nèi)最重要的斷裂［20］。區(qū)域地層發(fā)育較齊全，古生界、中生界、新生界地層沉積特征與銀川盆地中北部一致。據(jù)鉆探資料揭示［21］，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育4套地層，下部為奧陶系基底，其上依次沉積厚度約2000m的古近系、新近系地層，以及第四系河湖相沉積層覆蓋研究區(qū)（圖1）。

圖1 銀川盆地南部構(gòu)造地質(zhì)圖Fig.1 Structural geological map of the southern Yinchuan Basin

圖2 銀川盆地南部構(gòu)造格架Fig.2 Tectonic framework map of the southern Yinchuan Basin

3 地層密度特征

地層巖石密度的差異是引起重力異常的原因。位于銀川斷陷盆地中部銀川地區(qū)的銀參三井及南部吳忠地區(qū)的銀參二井揭示，盆地內(nèi)部地層疊置情況較簡單，由深及淺地層依次為古生界奧陶系（O）、新生界古近系（E）、新近系（N）及第四系（Q），見表1。由此可分析，從淺至深存在3個明顯的密度界面，依次為：第四系與新近系之間密度界面（第1密度界面（Δσ1.2））、新近系與古近系之間密度界面（第2密度界面（Δσ2.3））、古近系與奧陶系之間密度界面（第3密度界面（Δσ3.4）），見表2。

表1 銀川盆地地層密度Table1 Stratigraphic density in Yinchuan Basin

表2 銀川盆地地層密度界面劃分Table2 Interfacial division table of stratigraphic density in Yinchuan Basin

可以看出，新生界古近系（E）與古生界奧陶系（O）之間的第3密度界面（Δσ3.4），密度差為0.67g／cm3，為銀川斷陷盆地內(nèi)部最明顯的密度不連續(xù)界面，是研究區(qū)局部重力異常形成的主要影響因素。此外，新近系（N）與古近系之間的第2密度界面（Δσ2.3），密度差為0.17g／cm3，對局部重力異常的形成有較大的影響。

4 構(gòu)造體系特征分析

4.1 構(gòu)造格架劃分

1∶5萬區(qū)域重力資料解譯成果表明，黃河斷裂與吳忠斷裂將銀川盆地南部分為三個特征迥異的構(gòu)造單元，表現(xiàn)出典型的“兩隆夾一坳”構(gòu)造格局（圖3）。

圖3 1～3階重力小波細節(jié)場Fig.3 Gravity wavelet detail field of order 1～3

西側(cè)為“吳忠隆起帶”，為北北西走向的片狀重力高異常分布區(qū)，深地震反射資料反映，該區(qū)域受青藏高原隆升影響，深部物質(zhì)逆沖卷入該區(qū)域，造成基底抬升。東側(cè)為“橫山堡褶斷帶”，展布南北向的帶狀重力高異常，地表出露白堊系宜君組礫巖地層，東部馬跑泉地區(qū)見有三疊系砂泥巖層系出露，推測東部鄂爾多斯西緣受太平洋板塊西向運動的遠程效應(yīng)，在與阿拉善微陸塊的結(jié)合部形成了一系列的南北走向的隆起區(qū)帶，“橫山堡褶斷帶”為其中之一。夾持于兩個隆起區(qū)帶之間的為永寧—靈武坳陷區(qū)，整體北北西走向，呈南部封閉，北段開放的倒置“鐘型”，重力低異常區(qū)由南部靈武地區(qū)向北部永寧地區(qū)逐漸變化，面積縮小，幅值升高，反映出坳陷基底逐漸抬升，且內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜化。

4.2 永寧—靈武坳陷區(qū)構(gòu)造特征分析

在銀川盆地南部構(gòu)造格架劃分的基礎(chǔ)上，重點分析永寧—靈武坳陷區(qū)內(nèi)部的構(gòu)造特征為本文研究的重點。通過對1∶5萬區(qū)域重力進行小波多尺度分解，結(jié)合邊界識別技術(shù)與界面反演技術(shù)，在縱向不同異常尺度上分析坳陷區(qū)的構(gòu)造體系特征。

4.2.1 小波細節(jié)場特征

永寧—靈武坳陷區(qū)1～3階重力小波細節(jié)場分布特征反映出了構(gòu)造由淺至深的發(fā)育概況（圖4）。

圖4 斷裂分布Fig.4 Fault distribution map

1階細節(jié)場中坳陷區(qū)整體呈現(xiàn)寬泛、平緩的低異常區(qū)特征，在寬緩的低異常背景中分布一處幅值明顯降低的南北向局部低異常，異常中心位于靈武市東北側(cè)，反映出坳陷區(qū)沉降中心的位置。坳陷區(qū)低異常向東幅值急劇升高，以陡增的梯級帶的形式過渡至橫山堡隆褶帶重力高異常區(qū)，梯級帶為黃河斷裂靈武段的反映；向西異常區(qū)幅值緩慢增加，向吳忠隆起帶重力高異常區(qū)漸變，其間的北西向梯級帶為吳忠斷裂的重力響應(yīng)。2階細節(jié)場展布特征變化明顯，反映坳陷區(qū)東西兩條邊界斷裂的重力梯級帶線性特征更加明顯，受邊界斷裂控制的中部平緩低異常區(qū)進一步分為三個局部異常，由東向西依次為靈武—梧桐樹低異常、永寧—望洪高異常與勝利低異常，反映出坳陷區(qū)內(nèi)部比較復(fù)雜的構(gòu)造格局。3階細節(jié)場承接了2階細節(jié)場的分布特征，在局部處具有明顯的變化，體現(xiàn)在靈武—梧桐樹低異常范圍進一步向西擴展，永寧—望洪高異常向北收縮至望洪一線，勝利低異常中心南北遷移，南端與靈武—梧桐樹低異常有連通之勢，郝家橋、葉盛等局部低幅值異常消失，反映出坳陷區(qū)深部發(fā)育的斷裂構(gòu)造規(guī)模較大（圖3）。

根據(jù)功率譜分析法估算的1～3階細節(jié)場場源與銀川平原坳陷區(qū)內(nèi)部的YC－4、YC－3、NSR－1、NHR－1等鉆孔揭示的地層平均埋深對比分析結(jié)果，認為1～3階細節(jié)場代表新近系、古近系與奧陶系頂面構(gòu)造的地球物理響應(yīng)（表3）。

表3 地層頂面深度對比Table 3 Depth comparison of the top surface of the stratum

4.2.2 斷裂構(gòu)造特征

根據(jù)歸一化標準差與垂向二階導(dǎo)數(shù)兩種邊界識別綜合確立的永寧—靈武坳陷區(qū)斷裂平面展布特征，由淺至深，斷裂發(fā)育具有明顯的差異性（圖4）。

新近系頂界面斷裂展布特征復(fù)雜。坳陷區(qū)邊界斷裂F1、F2被F9、F17等7條北東向斷裂右行錯斷為多個亞段，二者在金銀灘地區(qū)演化為3條次級斷裂，呈“W”型相交；坳陷區(qū)內(nèi)部次級斷裂主要分布于永寧以西區(qū)域，以F15為代表，走向近南北，永寧東南基本未見斷裂發(fā)育的明顯跡象，僅在靈武南北一線展布一條延伸距離較長的南北向斷裂，與東側(cè)邊界斷裂F1走向一致。古近系頂界面斷裂決定了坳陷區(qū)的構(gòu)造面貌，隨著深度的增加，F(xiàn)6、F7、F20等5條北東向次級斷裂消失，邊界斷裂F1、F2行跡更加清晰、完整，二者于金銀灘北部呈“V”型歸并一處，共同封閉了永寧—靈武坳陷區(qū)。坳陷內(nèi)部展布F15、F21、F22等5條次級斷裂，發(fā)育規(guī)模大，平面延伸長度大于20km，南部的F16、F21近南北走向，北部的F13、F15、F22北北東走向，兩組斷裂在梧桐樹鄉(xiāng)附近呈斜交樣式。奧陶系頂界面斷裂展布進一步簡化，邊界斷裂F1被F2以反“Y”型樣式截斷，坳陷區(qū)內(nèi)部僅發(fā)育F15、F22兩條次級斷裂，在望洪南部相交、消亡。

由淺至深縱向?qū)Ρ鹊貙咏缑鏀嗔寻l(fā)育形態(tài)，發(fā)現(xiàn)永寧—靈武坳陷區(qū)東界斷裂F1展布位置相對一致，西界斷裂F2行跡逐漸向東遷移，推測與阿拉善微陸塊前鋒區(qū)域深部基底侵入?yún)侵衣∑饚в嘘P(guān)；坳陷區(qū)內(nèi)部F15與F22斷裂繼承性下切至奧陶系基底，可能為局部構(gòu)造的分界斷裂，F(xiàn)13、F16、F21斷裂主要發(fā)育在新生界內(nèi)，為基底上覆蓋層內(nèi)部斷裂。

4.2.3 局部構(gòu)造單元特征

基于1～3階重力小波細節(jié)場的特征，以正負異常區(qū)梯級帶解譯的斷裂為邊界，綜合細分永寧—靈武坳陷區(qū)內(nèi)部局部構(gòu)造單元，確立深部構(gòu)造的空間賦存特征（圖5）。

圖5 局部構(gòu)造單元分布Fig.5 Distribution of local structural units

新近系頂界面構(gòu)造發(fā)育簡單。坳陷區(qū)中部大面積區(qū)域為梧桐樹凸起，以寬帶狀南北向展布；東側(cè)為狹長窄條狀的靈武凹陷，為新近系沉積中心，沿黃河斷裂（F1）走向弧形延伸，F(xiàn)16斷裂為梧桐樹凸起與靈武凹陷的分界。不規(guī)則三角狀的勝利凹陷分布于梧桐樹凸起西側(cè)，F(xiàn)15斷裂為其分界斷裂，與F13斷裂共同控制，形成另一處沉積中心。古近系頂界面構(gòu)造與其上覆地層構(gòu)造差異明顯，隨著F16斷裂西移，東側(cè)靈武凹陷范圍擴大，轉(zhuǎn)化為帶狀分布的沉積—沉降中心區(qū)帶。中部以F21、F22斷裂北北東向間隔分布著崇興凸起、梧桐樹次凹、永寧凸起，為上覆新近系構(gòu)造層梧桐樹凸起分化而來。西側(cè)的勝利凹陷與良田次凹繼承性發(fā)育較好。隨著奧陶系頂界面斷裂的簡化，局部構(gòu)造單元再次整合，中部永寧凹陷得以繼承，東部靈武凹陷吸納了古近系構(gòu)造層的梧桐樹次凹與崇興凸起，分布范圍明顯西擴，占據(jù)了坳陷區(qū)的主要部分，西側(cè)勝利凹陷與良田次凹合二為一，向東與永寧凸起以F15斷裂相鄰，向南則以F22斷裂與靈武凹陷相接。

分層剖析結(jié)果顯示，在奧陶系—古近系、古近系—新近系、新近系—第四系沉積演化過程中，永寧—靈武坳陷區(qū)經(jīng)歷了局部構(gòu)造“裂解—合并—覆蓋”發(fā)育過程，受黃河斷裂（F1）的控制，靈武凹陷繼承性發(fā)育特征突出，成為坳陷區(qū)主要的沉積中心。

5 斷裂與地震分布關(guān)系討論

由分層斷裂與地震分布疊合圖可知，地震分布受F1、F2兩條邊界斷裂控制，F(xiàn)1斷裂東側(cè)的橫山堡隆褶帶北部零星分布2.0級以下地震，南部地震活動較頻繁，強度基本小于3.0級；F2斷裂以西的吳忠隆起帶地震分布較稀疏、均勻，未有明顯的差異性，與東部的橫山堡隆褶帶相似的是，地震以小于3.0級的弱震為主。

受F1、F2夾持的永寧—靈武坳陷區(qū)為地震集中分布區(qū)域。平面上，具有明顯的分區(qū)性，整體呈現(xiàn)出“南部聚集、北部分散、中部缺失”的特征，以李俊鎮(zhèn)—望洪鎮(zhèn)—梧桐樹鄉(xiāng)一帶為分界，南部地震活動頻次高，占該區(qū)域地震活動次數(shù)的68%，集中分布于葉盛鎮(zhèn)、靈武市以南，且是4.0級以上的中強度地震分布的主要區(qū)域；北部的永寧縣、勝利鄉(xiāng)，地震活動分散，除勝利鄉(xiāng)以南局部地區(qū)零星發(fā)生4.0級地震之外，其余95%為強度小于4.0級的弱震?？v向上，僅在新近系頂面構(gòu)造層發(fā)育的5條次級斷裂F10、F11、F12、F14、F18與地震分布沒有明顯的相關(guān)性；發(fā)育行跡貫穿新近系頂面與古近系頂面兩個構(gòu)造層的次級斷裂F13、F16及F15北段兩側(cè)，地震分布呈聚集性帶狀；此外，主要發(fā)育于古近系頂面構(gòu)造層的F21、F22也與地震分布具有明顯的配置關(guān)系，特別是F21斷裂南段是4.0級以上中強地震的主要分布區(qū)帶。

6 結(jié)論

銀川盆地南部處于阿拉善微陸塊北東向擠壓鄂爾多斯地塊的前鋒區(qū)帶，具有顯著的區(qū)域構(gòu)造活動性特征，地震活動頻繁，活動斷裂發(fā)育。從深部構(gòu)造發(fā)育特征分析，可得到以下結(jié)論：

1）銀川盆地南部構(gòu)造格架劃分結(jié)果顯示，該區(qū)域深部構(gòu)造呈現(xiàn)典型的“兩隆夾一坳”的構(gòu)造分布格局，以黃河斷裂與吳忠斷裂為分界，由西向東依次為吳忠隆起帶、永寧—靈武坳陷區(qū)、橫山堡隆褶帶。吳忠隆起帶淺部覆蓋較薄的新近系，受來自于西南的擠壓應(yīng)力作用，阿拉善微陸塊深部物質(zhì)卷入引起吳忠隆起帶奧陶系褶皺基底的隆升；永寧—靈武坳陷區(qū)基底下陷深度大，是銀川盆地南部的沉積—沉降中心，受兩條邊界斷裂控制，向南逐漸收斂、封閉；橫山堡隆褶帶地表出露白堊系，下覆中、古生界地層發(fā)育齊全，是為鄂爾多斯西緣沖斷帶重要的組成部分。

2）永寧—靈武坳陷區(qū)為銀川盆地南部隱伏構(gòu)造集中分布區(qū)域，其內(nèi)發(fā)育斷裂22條，分SN走向、NNE走向與NNW走向三個體系，SN走向以黃河斷裂為代表，具有平面延伸長、縱向切割深的特點，是坳陷區(qū)局部構(gòu)造的分界斷裂主要類型；NNE走向斷裂晚于SN走向發(fā)育，具有右行走滑特征，延伸距離短，主要發(fā)育在新近系構(gòu)造層內(nèi)；坳陷區(qū)NNW走向斷裂僅有吳忠斷裂。

3）以F13、F15、F22等5條斷裂為分塊／分帶斷裂，將永寧—靈武坳陷區(qū)進一步細分為7個局部構(gòu)造單元（局部凸起、局部凹陷），且具有分層發(fā)育的特征，新近系構(gòu)造層局部構(gòu)造單元分布特征不同于古近系與奧陶系，由深至淺經(jīng)歷了“裂解—合并—覆蓋”發(fā)育過程，永寧凸起繼承性發(fā)育，將坳陷區(qū)分為靈武凹陷、勝利凹陷兩個沉積中心，靈武凹陷沉降深度大于勝利凹陷，為銀川盆地南部最主要的新生界沉積區(qū)。

4）銀川盆地南部地震分布受邊界斷裂F1、F2控制，永寧—靈武坳陷區(qū)為地震活動的重點聚集區(qū)，且具有南北分異的特征。坳陷區(qū)地震分布與古近系頂面構(gòu)造層次級斷裂具有顯著的相關(guān)性，F(xiàn)16、F21斷裂展布區(qū)帶是4.0級以上中強地震的主要分布區(qū)。由葉盛鎮(zhèn)、靈武市、郝家橋鎮(zhèn)三地所圍限的三角形區(qū)域，特別是F16、F21斷裂展布區(qū)帶是銀川盆地南部地震災(zāi)害防治的重點區(qū)，需要引起重視。