利用物探资料对西安凹陷和固市凹陷基底结构特征的研究

张瑾爱， 张 林， 江 桂， 周少伟， 凌丹丹

(陕西省地质调查中心， 西安 710068 )

0 引言

渭河盆地位于陕西省中部，西起宝鸡，东至潼关，南依秦岭，北抵渭北北山，是一个地堑构造。地理坐标为东经107°00′～110°20′，北纬34°00′～35°10′，东西长约360 km，南北宽70 km，面积约2.2×104km2， 是一个三面环山向东敞开的盆地[1-2]。由于所处在重要的经济地理位置，尤其是所处的有利的区域地质环境，使得渭河盆地热水资源、油气资源较为丰富[3]，同时一些地质现象(地裂缝)[4-5]也较为明显。因以前使用的光点记录地震仪和地震数据采集方法的缺憾，对于盆地诸凹陷内广泛分布的复杂的盖层构造，尤其是古近系地层构造不明，即使存在储油圈闭，也完全可能提取不到有关信息，故对渭河盆地古近系底的结构缺乏系统全面的认识。根据盆地周边河南三门峡及陕西垣曲等地区地层及盆地内井下地层研究，在古近系下部有一套含煤系或煤线的泥岩和砂泥岩(如盆地中部户县渭深10井钻遇的甘河组等)，从沉积特征研究结果说明，渭河盆地早第三纪处于温暖潮湿的热带-亚热带湖湘-河湖相沉积环境，动植物极为繁盛，但是由于内陆湖沉积地理条件多变，因而这一套含煤系或煤线的泥岩和砂泥岩地层极不稳定，相变剧烈，在盆地中分区沉积，但它们是盆地内古近系唯一可能的生油气层系[3]，从目前资料来看，生气的可能性更大，因此了解渭河盆地基底结构至关重要。

图1 渭河盆地大地构造位置图Fig.1 Geomorphic location map of Weihe basin

图2 渭河盆地南北向地震剖面位置图Fig.2 Location map of north-south seismic section of Weihe basin

1 地质背景

渭河盆地大地构造位置位于华北板块西南缘，地处秦岭板块、华北板块、扬子板块相互俯冲、碰撞的交接复合过渡地带[6]，居于中国东、西构造分区和南、北构造分区的交汇部，经历了长期的构造作用与演化[7]，其形成和发展与不同大构造单元的构造作用及演化历程密切相关。在这些构造体系作用下产生了一系列断裂、褶皱，控制了渭河盆地的构造格局，形成了南深北浅的箕状断陷[6](图1)。

渭河盆地出露地层从太古界-新生界均有分布，前新生界及花岗岩构成了盆地基底并出露于盆地边缘，巨厚的新生界形成了辽阔的渭河盆地[6]。

在渭河盆地内部依据断裂和新生界发育特征划分为北部斜坡、南部坳陷和西部隆起三个一级构造单元，又进一步细分为十个凹凸相间的次一级构造单元，渭河盆地内断裂较为发育，控制着构造单元边界[8-10]。本次重点研究的西安凹陷和固市凹陷包含在南部坳陷区内。

渭河盆地新生代时期接受巨厚沉积，地表被第四系覆盖。盆地南缘出露太古界中深变质岩系及下古生界变质岩系，其中侵入大片的燕山期花岗岩及各类岩脉。北缘主要被古生界所围；西端局部见有元古界地层露头[6]。渭河盆地经历了复杂的构造演化过程，控制了不同时期沉积体系的发育[7]。拉张裂陷幕期间，断裂活动极为发育，形成裂陷式盆地，以较快速的沉降为特征。走滑—伸展幕期间，盆地沉积速率较慢，主要以盆地边缘的边界断裂运动为特征，该期盆地沉陷相对稳定，但凹陷区的沉降速度明显比凸起区的沉降速率要快的多。挤压构造幕期间，裂陷盆地在其演化过程中由于大地构造背景条件或区域构造应力场的改变，从引张向挤压条件转变，盆地发生构造反转，导致盆地中心的差异性沉降，盆地整体沉降速率相对变缓。

2 物性特征

本次研究工作采用的物性资料是通过渭河盆地两条南北向地震剖面(DD2013-1与DD2013-2)(图2)所获取，分别横穿西安凹陷和固市凹陷。采用这两条地震剖面基底速度分析结果，转换两凹陷各地层的密度值，转换公式为式(1)[11]。各地层速度和密度值如表1所示。

表1 两凹陷各地层波速和密度统计表

Cardner给出的密度与速度经验公式为：

D=0.31Vp0.25

(1)

式中：D是密度，g/cm3；Vp是速度， m/s。

由密度统计结果可以看出，西安凹陷各地层密度值均比固市凹陷小，相差0 g/cm3～0.16 g/cm3，而且西安凹陷各地层之间的密度差也均比固市凹陷小。

上述密度特征，为利用重力资料解释研究提供物性基础。

3 基底结构认识

3.1 地层特征

在DD2013-1剖面上地震解释推断(图3)，西安凹陷沉积层整体在南北向上具有中间厚、两端薄的特点，形成明显的凹陷特征，西安凹陷主体位置在渭河附近。新近系地层最深为5 000 m、古近系地层最深为6 600 m，且古近系只在凹陷主体内发育，厚度可达1 440 m，向北底部超覆顶部剥蚀减薄，在咸阳断阶带上消失。

在DD2013-2剖面上，地层整体反映为南厚北薄的特征，固市凹陷沉积主体位于固市附近。新近系地层最深为4 200 m、古近系地层最深为8 100 m，反映古近系只在凹陷主体内发育，最大厚度为3 700 m，向北底部超覆顶部剥蚀减薄，最大厚度为3 700 m，在蒲城断阶带上没有接受沉积。

通过对DD2013-1和DD2013-2两条地震剖面解释结果揭示：西安凹陷和固市凹陷古生界以上的新生界沉积地层均有分布，无地层缺失，但其各地层厚度和深度不同(表2)，本次解释推断的固市凹陷古近系沉积最大厚度(8 100 m)大于前人资料厚度(6 800 m)，也大于西安凹陷古近系沉积最大厚度(6 600 m)。

图3 西安凹陷和固市凹陷地震剖面解释图Fig.2 Interpretation of seismic profile of Xi’an and Gushi depression(a)DD2013-1剖面 西安凹陷;(b)DD2013-2剖面 固市凹陷

地层西安凹陷固市凹陷厚度/m底界深度/m厚度/m底界深度/m第四系第四系300～11001100300～10001000新近系张家坡组蓝天-灞河组高陵群300～1340270～1580150～1350253537705000180～1170240～770120～1470180027504200古近系古近系200～144066001160～37008100古生界上古生界下古生界100～2200800～120065007500300～500600～110093009000

3.2 重力场特征

在渭河盆地中西安凹陷整体位于重力异常低值区(周至-草堂镇一带)(图4)，异常走向呈北西西向，异常中心在周至县附近，异常最小值可达-210 mGal左右；固市凹陷整体位于相对重力异常低值区(三原-大荔镇一带)，异常走向呈北东东向，异常中心靠近大荔县附近。西安凹陷和固市凹陷重力异常值相差50 mGal左右。在存在密度差异和沉积层和基底厚度不同的情况下，两凹陷的重力值通过正演相差达不到50 mGal左右，故需分析其原因所在。

在骊山凸起广泛出露的花岗岩侵入于太古界地层，但在区域重力场中没有显示重力高，而是表现为一大片重力梯级带，所以推断引起区域重力异常的源，应在太古界结晶岩以下，并且是密度较为大的物质。整个大陆地壳的速度层也即密度层显示向下渐变的趋势，太古界地层与其下面的壳层之间没有明显的密度差异，因此可以推断引起区域重力异常的主要原因是下地壳与上地幔之间的明显密度差异，即Moho面的起伏是引起区域重力异常的主要原因[12-13]。因此我们对布格重力异常进行消除莫霍面影响的处理，采用的软件为GeoIPAS中三维密度界面重力场正演功能，利用三维密度界面正演的近似公式计算均匀密度的三度起伏单界面的重力值，根据均匀密度起伏界面GRD网格数据(深度值)和上下界面密度差，正演莫霍面以下的重力值情况。 图5是布格重力异常消除莫霍面影响后的重力图。在图5中，西安凹陷和固市凹陷形态更加清晰，且重力异常值最大相差30 mGal左右，相比Moho面处理之前，减小了将近20 mGal的异常值。

3.3 基底认识

DD2013-1剖面自南向北发育北秦岭褶皱带、西安凹陷、咸礼凸起，咸礼凸起进一步划分为咸阳断阶和礼泉断阶。周至-余下-铁炉子-三要断裂(F1)和渭河北断裂(F5)剖面呈“Y”字型结构，共同控制了西安凹陷的沉积、演化。盆地古生界具有双断型的特点，受两侧正断层的控制，成典型的不对称凹陷，最大厚度位于西安凹陷的中北部，推测古近系底最大埋深为6 600 m，古生界底推测深度为8 200 m；西安凹陷底部发育有上古生界的石炭-二叠系地层，总体呈现北高南低、北厚南薄的特点，凹陷北部最大厚度为2 200 m，南部最薄为100 m，下覆地层为太古界前震旦系。北部的咸礼凸起底部发育下古生界的寒武-奥陶系，缺失上古生界，整体北高南低，地层厚度南厚北薄，具有从1 200 m到800 m的厚度变化。

图4 渭河盆地布格重力异常图Fig.4 Each stratum depth tables in two depressions

图5 渭河盆地消除莫霍面影响后的重力异常图Fig.5 The abnormal gravity of bouguer in Weihe basin

DD2013-2剖面自南向北发育有秦岭北褶皱带、固市凹陷、蒲城凸起三个构造单元，蒲城凸起进一步划分为大荔断阶和富平断阶两个次级构造单元。秦岭北缘断裂(F1)和乾县-富平断裂(F4)在剖面上共同控制了固市凹陷的沉积、演化。凹陷南北向上总体表现为两边薄、中间厚的特征；凹陷中央的厚度变化不大，受后期抬升的影响，具有北高南低的特点。凹陷古近系底最大埋深达到8 100 m，古生界底推测最大埋深为10 300 m，发育上古生界的石炭-二叠系和下古生界的寒武-奥陶系，下覆地层为元古界变质岩；北部的蒲城凸起发育下古生界的寒武-奥陶系，缺失上古生界地层，整体北高南低，厚度变化不大，残余部分厚度在500 m左右，下覆地层为元古界地层。

4 结论

本次工作通过二维地震勘探以及重力资料，得到西安凹陷和固市凹陷各沉积层和基底的深度和厚度以及基底性质。结果显示，固市凹陷基底深度大于西安凹陷，但固市凹陷与西安凹陷新近系和古近系厚度不同，这两层地层呈现“跷跷板”形式，这就使得基底深的固市凹陷的重力值能够比基底浅的西安凹陷的重力值高约30 mGal左右。这对渭河新生代盆地的基底组成和结构构造有了较为清楚细致地认识，对评价重点勘查区的成藏条件，为渭河盆地氦气资源远景调查提供了有利的借鉴。但在工作过程中，由于在渭河盆地内缺乏可用于控制层位的钻井(钻遇基底)资料，对于深部基底性质认识不够系统、全面，这也将在今后重点研究的内容。