鄂西地区基底构造特征新认识——基于重磁场特征的判别

梁学堂,李 义,徐元璋,陈宇峰

(湖北省地质局 地球物理勘探大队，湖北 武汉 430056)

1 引 言

鄂西地区在大地构造位置上属扬子(华南)板块中北部湘鄂西褶皱带内[1-5]，北与秦岭—大别造山带接壤，西与四川盆地毗邻，东靠中扬子褶皱带(图1)。

图1 鄂西地区大地构造位置简图

本文的研究区域包括1∶25万神农架林区幅、荆门市幅、建始县幅、宜昌市幅共四个图幅，地理位置属长江中上游地区，其独特的地理环境和举世注目的三峡大坝，使该地区成为长江经济带中新的旅游及投资开发热点。同时，该地区是湖北省地层发育齐全、地质构造奇特、地质景观多样的地区。区内沉积、内生矿产较为丰富，是湘西—鄂西成矿区带的组成部分。近年来在宜昌、恩施地区广泛开展的页岩气勘探工作，目前已取得突破性进展，通过钻探在古生界寒武系牛蹄塘组及志留系下统龙马溪组中已发现了具有工业开发价值的页岩气矿藏[5,6]。但区内地质生态环境恶劣，基础地质工作薄弱，特别是该区深部基底构造研究及盖层内页岩气形成的沉积环境分析等方面尚存在诸多难题未能解决，严重影响了在该地区开展深部找矿及地学研究工作的进展。

关于扬子地区基底构造征特及性质，前辈地质工作者多有研究，以任纪舜(1960年)为代表的地质学家认为，湖北扬子陆块区盖层下基底可分为三类：川中式、江南式和昆阳式。包括本次研究区在内的中扬子陆壳是在中太古代—古元古代微型陆核的基础上, 中新元古代经过多期褶皱、变质和岩浆活动等固结作用形成的[2,7]。具体到图幅内：①出露在宜昌黄陵背斜地区为代表的基底称之为“川中式”基底，是大别旋回形成的古陆壳，由基性—中性—酸性火山—沉积岩系组成，构成(Pt1+Ar)结晶基底，为单层式[8]。基底由具磁性的岩浆杂岩和各种中、深变质岩组成，物性具高密度、中等磁性特征。②在神农架地区出露的基底为 “昆阳式”基底，是扬子旋回形成的。“昆阳式”基底由神农架群+马槽园群+崆岭群的地层构成褶皱基底，为三层式[8]。早期以碳酸盐岩为主，神农运动使其褶皱和遭受区域动力变质作用而固结；晚期为马槽园群、花山群沉积时期，由夹有中基性火山岩的碎屑岩系组成，不整合在早期褶皱基底之上。花山运动使其轻微褶皱、变质，转化为地台。物性具高密度、无磁性特征。③在湖北省东南部幕埠山、九宫山等江南隆起地区出露的基底称之为“江南式”基底，也是扬子旋回的产物。研究区内未见出露，处于深度隐伏状态。“江南式”基底由中-晚元古代冷家溪群(+Pt3侵入岩)、板溪群的地层构成褶皱基底，为双层式[8]。物性具低密度、弱磁性特征。冷家溪群目前认为是和神农架群同时期的一套砂泥质复理式沉积，经过神农运动发生强烈褶皱和区域动力变质后初步固结，后经花山运动最终转化为地台。因没有相当于马槽园群的沉积，冷家溪群直接被南华系不整合。为无磁性基底。

以上关于扬子陆块区基底特征的认识，已得到地学界广泛的认同[7]。但大部分基底区深埋于南华系盖层之下，各种性质不同的基底相互拼接。位置、埋藏深度及其构造形态，目前尚未有统一的认识和科学的界定结果。本文尝试采用区域重力资料和航磁资料，经过必要的数据处理及位场转换方法技术，基于重磁场特征来划分不同性质基底的分界线，并应用重力小波细节来反演基底埋深、刻画基底形态。重构鄂西地区盖层之下基底的构造特征，在研究中元古代以来地层的构造变形、分析区内沉积环境对页岩气生藏的影响方面及解决其他重大基础地质问题等方面，具有重要的科研及现实意义。

2 鄂西地区重磁场特征

2.1 重力场特征

2.1.1 区域重力场特征

以30 km×30 km为窗口滑动滤波分离出的区域重力场(图2)，总体上看为东高西低特征。依此图区内可分为三部分：西部为重力异常低值区，中部为南北向保康—五峰巨型重力梯度带，东部为重力异常高值区。

图2 区域布格重力异常略图(单位：ms-2×105)

在西部重力异常低值区，布格重力异常从北往南呈三凹夹两隆的特点。对应区内西北角位置，为神农架北缘区的前陆褶冲带，因基底下凹形成了重力低异常区，从大范围来看，该区已进入重庆城口地幔凹陷的范畴。对应神农架基底区，重力异常呈舌状西突，为神农架前震旦系高密度地层引起的重力高异常区。对应巴东—秭归前陆盆地区，因盆地基底下凹及中生界低密度地层的存在，存在幅值和范围较大的重力低异常区。对应恩施—五峰方向，为台坪褶皱带区域，因基底隆起及古生界高密度碳酸盐岩地层，形成了重力高异常区。西南角为咸丰幔陷区的一部分，重力异常呈低缓特征，异常主体在研究区外(湘西)，异常等值线未封闭。该区布格重力异常表现为大面积具北东东延伸的重力低，与地表高密度古生界地层的分布特征相悖，预示着该区深部地层可能存在着倒置现象，即因来自北西或南东方向的挤压、推覆，老地层覆盖在新地层之上。

保康—五峰巨型重力梯度带，为大兴安岭—太行—武陵深部构造变异带经过区内的部分[1]。总体走向近南北向，等值线密集排列，呈窄束线状。前辈物探工作者采用更大的窗口(60 km×60 km)进行滑动滤波，该梯度带仍然非常醒目，说明梯度带是深部构造变异形成，公认为由莫霍面的陡变带引起[8,9]。该梯度带经过黄陵基底区，因三斗坪花岗岩基及其它扬子期石英闪长岩等侵入岩的叠加、干扰，梯度带被扭曲变形。

东部重力异常高值区，从大范围来看属于湖北中东部区域重力高区的西部区域。该区在北西向、北东向断裂构造控制下，盆地内古生代—中生代地层被抬升或凹陷。在抬升区形成重力高异常，在凹陷区则形成重力低异常。

综上所述，鄂西地区的区域重力场空间分布特征，基本反映了区内基底构造及深部莫霍面起伏的构造特征，是多层构造界面形成的重力异常相互叠加的地球物理响应。

2.1.2 重力场小波细节特征

区内重力场经过小波细节变化后，可以了解区内多个构造层界面的重力场效应。类似于采用重力异常剥离技术，从叠加的重力场中分离出各个密度界面的构造信息，最终得到能反映区内基底信息的重力异常信息。

从图3、图4、图5、图6可以看出：布格重力异常一阶小波细节中，异常幅值小而零乱，无方向性，与地层分布、构造线走向等无关，反映的是地表局部密度不均匀地质体及重力异常求取过程中各项误差形成的高频成份[10]；二阶细节异常反映的是侵入浅表地层内的岩体、基底裸露区高密度地层及中-新生代盆地产生的局部重力异常，异常反映的尺度空间大约在2 km以浅范围；三阶细节是去除了浅部构造层内的岩体、盆地及地层产生的局部重力异常后，相对长波重力异常，反映更深层次密度界面的构造信息，深度范围一般在3 km以浅范围，但大型盆地、大型岩体产生的局部异常仍然没有消除；四阶细节已基本消除了上地壳盖层内不均匀地质体产生的局部重力异常，与盖层下基底埋深有较好的对应关系，另外还包涵了中下地壳及莫霍面密度界面起伏产生的重力异常信息，但后者产生的是长波异常，不影响对基底构造特征的分析。

图3 布格重力异常一阶小波细节(单位：ms-2×105)

图5 布格重力异常三阶小波细节(单位：ms-2×105)

图6 布格重力异常四阶小波细节(单位：ms-2×105)

2.2 航磁场特征及分区

图7为航磁ΔT异常化磁极并上延后的等值线平面图。经化磁极后，ΔT异常与磁性地质体有更好的对应关系。向上延拓，压制了浅表磁性体产生的高频成份，突出了磁性基底产生的低频磁异常[10]。从图7看出，图幅内的磁场可分为3个区域，Ⅰ区为沿陕西省镇平县—神农架大九湖—松柏镇—保康—王集镇一线以北区域，磁场变化平缓，无明显磁异常，为正常磁场的变化区。Ⅲ区为沿建始县茅田—巴东县绿葱坡—长阳县—公安县一线以南区域，磁场变化平缓，无明显磁 异常，亦为正常磁场的范畴。Ⅱ区为挟持于南北两个无磁异常区域的中间部分，总体磁场表现为有一定幅值的、呈片状分布的正磁异常区；但在宜昌市黄陵背斜区，在片状正磁异常区内，叠加有扬子期侵入的闪长岩[8]产生的局部高磁异常；沿南漳—店垭—远安—当阳一线，磁场特征为由南西向转为南东向延伸的磁场低值带，这是磁性基底凹陷引起磁异常变弱的表现。总的来看，航磁ΔT异常经化磁极及向上延拓处理后，分区特征明显，能清晰地反映出不同类型基底的分布范围及界线，是本论文划分图幅内三种基底的重要依据。

图7 航磁ΔT异常化极上延5 000 m等值线平面

3 基底埋深反演

本文采用“小波细节多尺度分析技术”来研究区内的基底构造，具体是利用小波四阶细节的反演结果，来定量计算基底埋深。

小波一阶 + 二阶 + 三阶细节，反映的是包括神农架群、冷家溪群之上地层的构造层信息[1]，相当于30 km窗口滑动平均所得剩余异常[10]；小波四阶细节，反映的是去除掉神农架群、冷家溪群之上地层后基底与中下地壳构造层的综合信息。小波四阶逼近场，包含的信息是莫霍面构造层信息。因此，采用小波多尺度分析技术，类似“剥皮”，不同尺度可以反映不同的构造层信息。

为了印证小波四阶细节所反映的构造层信息深度，本文用30 km×30 km滑动滤波场值减去60 km×60 km滑动滤波场值，其偏差和小波四阶细节惊人的一致。因为30 km×30 km窗口滑动滤波场值反映的是包括基底及其以下的构造层信息，60 km×60 km窗口滑动滤波场值反映的是莫霍面的构造信息[1,10]，两者相减所得差值即是基底构造及中下地壳的信息，但其异常形态主要反映的是盖层下基底的特征，因中、下地壳引起的重力异常为长波异常，变化平缓，对基底形态的分析影响有限。

利用小波四阶细节进行基底埋深反演，采用常密度单界面的Parker方法[10-12]。根据湖北省物性资料[3]，基底盖层与基底密度差取0.12 g/cm3。经过反演，得出研究区内基底埋深图(图8)。

图8 基底埋深及构造分区略图

不同性质的基底拼贴在一起，因各个块体的物质组成不同，构造变形特征不同，故所产生的重力异常特征亦不同。另外，盖层与基底间亦有较大的密度差，因此可以采用位场数据处理的方法，一方面可以实现平面上不同地质块体的划分，另一方面也可以实现垂向上不同构造层的分离。

综上所述，不论是在物性前提条件方面或是方法技术方面，本文应用深部重力场结合航磁异常来勾画基底构造形态，是科学的，也是可行的。

2017年度，中国地质调查局页岩气调查中心在长阳县高家堰西北开展了阳页1井的页岩气参数井钻探工程，最终在3 600 m处打穿南华系盖层[4-6]，钻探结果与反演的基底埋深相吻合(详见图8的Ⅱ-3区南端高家堰西北位置，该区基底反演深度为3～4 km)，这直接证明了反演结果有较高的可信度。

4 基底类型推断及基底构造单元划分

4.1 基底类型推断

对照前人关于结晶基底、褶皱基底的定义和认知[7,8]，结合不同基底地表出露情况、物质组份及物性特征等进行综合分析，认为：

1)磁场Ⅰ区(详见图7)，为由神农架群+马槽园群+崆岭群的地层构成的三层式褶皱基底区，即“昆阳式”无磁或弱磁性基底。图幅内在神农架地区基底裸露，其他为隐伏区域。

2)磁场Ⅱ区，占图幅内大部分面积，为由基性-中性-酸性火山-沉积岩系组成“川中式”结晶基底区，该区黄陵背斜为结晶基底裸露区，其他为隐伏区域。

3)磁场Ⅲ区，为由冷家溪群、板溪群地层构成的双层式褶皱基底，即“江南式”无磁性基底，该区在图幅内无基底裸露，处于深度隐伏状态。

4.2 基底构造单元划分及简述

依据航磁异常图，对图幅内三种基底分布区进行了圈定。在此基础上，结合基底埋深的反演结果，对图幅内基底构造单元进行了二级划分。划分结果详见图8及表1。

表1 基底构造单元分区

Ⅰ区为“昆阳式”褶皱基底，无磁异常(因化磁极的原因，Ⅱ区航磁异常的北部边界向北发生了少许位移)；重力高异常从西向东经神农架—保康—龙门集一线呈东西向条带状分布，基底呈向北突出的近东西向带状隆起(Ⅰ-1)，埋深1～5 km。在该区整体重力高背景上，在神农架基底北缘(Ⅰ-2)存在一个长条形重力低，这是由来自神农架北侧应力强烈挤压造成的基底凹陷引起，凹陷深达9 km(见图8)。因该区紧临南秦岭造山外带，基底构造基本保留了印支造山运动的痕迹，总体呈现出受南北向应力挤压、近东西向弧形展布的构造特征，且基底特征与地表构造线走向等高度协调。

Ⅱ区为“川中式”结晶基底，与总体呈片状分布的正磁异常区相对应。但该区磁异常在正磁异常背景上，仍有丰富的变化。一般在基底相对隆起区域，正磁异常幅值增大。在黄陵基底南端，除基底裸露引起的正磁异常外，还叠加有隐伏岩体引起的局部磁异常(图7)；而对应远安、当阳地区，因基底凹陷，航磁异常则为相对负值特征。区内重力异常对应基底隆起区呈重力高、对应基底凹陷区呈重力低特征，总体呈东西向高低间隔排列。相应的基底从西向东表现为隆起(Ⅱ-1)、凹陷(Ⅱ-2)、隆起(Ⅱ-3)、凹陷(Ⅱ-4、Ⅱ-5、Ⅱ-6)、隆起(Ⅱ-7)特征。基底隆起区一般呈椭圆状、凹陷区呈条带状的构造特征。在黄陵地区基底裸露区(Ⅱ-3)，重磁场呈高重高磁长轴走向为南北向的椭圆状。区内基底凹陷最深处对应秭归盆地(Ⅱ-2)，基底埋深达10 km以上。在此特别需要指出的是，秭归盆地内因中新生代沉积了巨厚的陆源碎屑物质，所引起的重力低异常仍叠加在四阶小波细节中没有完全消除，故反演的基底埋深可能会大于实际深度。总体来讲，该区在造山晚期由于太平洋板块自东向西运动，区内东部遭受强烈的挤压，形成了与此次构造应力配套的NW向基底凹陷(Ⅱ-4、Ⅱ-5、Ⅱ-6)，地表则以地垒与地堑的并置出现为特点。该期断裂常将区内北西向构造线切割成若干块体，区域上控制红层盆地的发展，常形成西断东超的断陷盆地，并造就了断堑和断隆并置的总体格局。在该区西部，即黄陵断隆的西缘，由于刚性基底(Ⅱ-3)的阻挡，较少受太平洋板块运动的影响。但该区自晚三叠世已开始坳陷，经历了从海相抬升为陆，差异下坳为陆相湖盆过程，即形成了秭归前陆盆地，而基底则产生了深度凹陷(Ⅱ-2)的构造格局。

Ⅲ区为“江南式”褶皱基底区，航磁异常呈平缓的负磁场；重力异常同航磁异常相似，变化开阔、平缓，这是地台区少受构造影响、地层产状平缓形成的典型的地台型地球物理响应特征。该区基底埋深1～5 km，在松滋西南为基底相对隆起区(Ⅲ-3)，埋深仅1 km。总之，该构造区包括长江以南大部分地区，因远离中央造山带主体，构造变形和北部相比相对较弱，故而形成了稳定的地台型基底区。

综上所述，研究区内深层构造的基本轮廓，是印支运动以来，特别是燕山运动以来，滨太平洋构造域的壳幔运动对前期深层构造继承改造，以及老的深层构造在新的构造条件下产生变格的综合反映[1,2,7]。因此，它与大地构造单元间没有必然的成因联系。但这种壳幔结构对于区内中生代以来的沉积建造、岩浆活动、构造变形和成矿作用具有重要的控制作用和影响[7,8]。

5 结 论

1)航磁ΔT异常经化磁极及向上延拓处理后，能清晰地反映出不同类型基底的分布范围及界线。图幅内基底具“一盖多底”的构造特征，因各类基底大多隐伏于巨厚的盖层之下，板块拼贴位置于地表难以观察，因而也就无法根据地表地质情况进行准确的划分。但从化磁极并上延5 000 m后的航磁异常图中可以清晰地看出“昆阳式”、“川中式”及“江南式”三类基底的分界线，这为应用航磁资料判断隐伏基底类型及划分范围提供了经验。

2)应用布格重力异常四阶小波细节来刻画基底形态及反演埋深，较好地解决了除地震方法外难以定量计算基底埋深及深部构造形态无法判定的难题。

3)本次化极后的ΔT磁异常与重力异常的分区特征吻合较好，同时也与地表地层的分布、构造线走向、构造样式等多方面的地质情况相呼应。总体来看，应用航磁异常划分基底边界依据充分，而重力异常对基底构造细节的反映则更好。采用重磁联合手段确定图幅内基底性质及埋深，避免了前辈地质工作者采用单一方法基底边界划分不准、基底埋深无法定量计算的根本性问题。

4)在依据航磁异常图对图幅内三种基底进行划分的基础上，结合基底埋深的反演结果，对图幅内基底构造单元进行了二级划分。所取得的成果，为今后在本图幅内开展基础地质问题研究、页岩气勘探及其它深部找矿等工作提供了科学依据。

5)应用地球物理资料来研究基底构造，除深层地震外，重磁联合也是最有效方法手段之一。特别是近年来二维小波变换技术日趋成熟，不同尺度空间地质体形成的叠加重磁场，可以便利地实现分离和提取。总之，应用重磁资料解决诸如盖层之下隐伏基底深部构造等疑难问题是可行的，也是有效的，这为今后解决基础地质问题提供了新的手段和工作思路。

致 谢

本文是在湖北省地球物理勘探大队承担的《湖北省宜昌地区重力成果集成与页岩气储层关系研究》(项目编号：ETZ201807A03)项目基础上完成的，感谢湖北省自然资源厅科技处对本项目的支持，感谢湖北省地质调查院刘早学、李雄伟等专家对本研究项目工作上的指导，感谢湖北省地球物理勘探大队领导对本项目的研究工作从人、财、物等各方面给予的保障。