渭河盆地深部基底结构特征研究

张瑾爱，谷开拓，张 林，周少伟，王双双

(陕西省矿产地质调查中心，陕西 西安 710068)

1 引 言

渭河盆地也称关中盆地，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30～80 km，面积约3.9×104km2， 它是一个三面环山向东敞开的盆地[1]。由于盆地所处的经济地理位置非常的重要，尤其是盆地所处区域地质环境有利，渭河盆地热水资源、油气资源较为丰富[3-6]。渭河盆地是新生代沉积盆地，目前采用地震[7]、重磁[8，9]以及钻探手段对新生界范围内的地热资源、地层组成以及结构构造等研究较多，但由于沉积地层较厚，盆地内达基底的钻孔很少，深部研究程度低，渭河盆地的基底结构特征缺乏系统全面的认识。除个别地区基底有露头外，大部分区域基底埋深较大，基底组成和结构不明，不能清楚地评价盆地内是否存在有利生气条件，从而不能为渭河盆地油气调查与氦气战略资源远景评价提供深部地球物理信息的支持，故了解渭河盆地基底结构与组成至关重要。本次研究是通过深部大地电磁探测[10,11]对盆地基底进行综合解释评价，进而探测盆地基底结构，从而为氦等天然气[12-16]选区评价提供依据。

2 地质背景

渭河盆地属于鄂尔多斯盆地南缘新生代断陷沉积盆地，大地构造位置在华北板块西南缘对冲构造系内，处于鄂尔多斯地块、华北板块、北秦岭逆冲推覆构造系的相互俯冲、碰撞的交接复合过渡地带[1]。该盆地经历了长期复杂的构造与演化[2]，盆地南侧的基岩仍在继续上升(秦岭山地隆升)，而地堑仍在继续下降(渭河盆地沉降)，在复杂构造体系作用下产生了一系列断裂，盆地内断裂构造以近东西向的深大断裂带为主，这些断裂控制了渭河盆地的构造格局，形成了南深北浅的箕状断陷[2]构造，同时具有次一级的北西向及北东向断层，而北西向的断层部分为活动断层[17，18]。

渭河盆地出露地层从太古界至新生界均有分布，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[15]。前人认为渭河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[1]。

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[19](图1)，内部又细分为十个凹凸相间的次一级构造单元。

图1 渭河盆地构造单元图(据梁枫、刘方，2009)[19]Fig.1 Structural unit map of Weihe basin(according to Liang Feng,Liu Fang,2009)[19]

3 地球物理数据处理

为了清楚认识渭河盆地深部基底结构特征，在渭河盆地中开展综合地球物理方法研究。渭河盆地平面布格重力数据为西安市地震局完成的1∶10万比例尺重力资料和陕西省地质矿产开发局完成的1∶50万比例尺重力资料拼接所得到，由于渭河盆地莫霍面起伏较大，对重力异常影响较大，故对平面重力数据采用金维三度密度单界面重力场正演模块对莫霍面进行正演计算，计算域选择参数为7，上下层密度差为0.6 g/cm3，得到莫霍面及以下的重力异常值。由布格重力异常减去莫霍面重力异常值，得到消除莫霍面影响后的重力异常值(图2)，重力异常单位为×10-5m/s2。剩余重力平面特征表现南北向两高夹一低，低值异常区为渭河盆地的主体范围，异常中心位于盆地偏南、东西存在明显错位，西部偏南，东部偏北，该低值区与渭河盆地的主体凹陷(西安凹陷、固市凹陷)的平面分布一致，向南梯度带密集、向北梯度带平缓，反映基底的起伏南陡北缓的特征。航磁平面资料来自于中国航空遥感中心下发的2 km×2 km网格数据，比例尺为1∶50万。利用RGIS软件间距为1°的变纬度化极方法对该数据进行磁场化极，得到航磁ΔT化极异常(图3)，航磁异常单位为nT。航磁异常平面特征表现为中间低南北高，异常中心位于宝鸡-眉县-兴平-咸阳-临潼-华县-潼关一线，整体位于磁异常低值区域，中间夹杂有部分高值圈闭，反映渭河盆地基底磁性的分布特征和侵入磁性岩体的分布特征。

大地电磁测深(MT)数据来源于6条实测剖面，如图4所示，观测数据是频率域数据，与地下的地电结构不是简单的对应关系，而是一种复杂的非线性关系，因此需要用反演的方法把频率域数据转化成电阻率-深度的关系，视电阻率单位为Ω·m。为了更直观地了解地下电性特征及电性层的分布情况，本次研究工作选择一维Bostick反演结果作为初始模型，再进行带地形连续介质二维反演，消减地形和静态位移影响。该方法反演出地断面电性变化是连续的，能够更好的反映地下电性层起伏形态、构造格局。将DD2013-1和DD2013-2剖面地震解释结果[9,10]作为约束，重磁资料作为辅助，根据每条剖面其不同的电性特征，结合钻孔资料和区域地质资料对渭河盆地深部基底结构进行了初步推断(图5)。

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

图3 渭河盆地航磁ΔT化极等值线平面Fig.3 Aeromagnetization ΔT polar contour plane map of Weihe basin

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

图5 大地电磁测深(MT)反演剖面解释Fig.5 MT invertion profile interpretation

4 基底结构认识

首先介绍本区电阻率物性特征。根据收集前人资料并结合地质资料，本区内主要地层单位岩性的电阻率特征如下：第四系地层电阻率10～150 Ω·m；新近系、古近系地层电阻率为2 500～4 000 Ω·m；中生界地层电阻率为30～1 000 Ω·m；古生界地层电阻率一般100～1 000 Ω·m；元古界、太古界电阻率范围为300～10 000 Ω·m且一般大于1 000 Ω·m。

根据渭河盆地地震、大地电磁测深(MT)、重力、航磁等资料，结合地表出露基岩及基岩钻孔信息，推断出渭河盆地基底结构(图7)。

渭河盆地新生代(Cz)时期接受巨厚沉积，地表被第四系(Q)覆盖。盆地南缘出露太古界(Ar)中深变质岩系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包围，部分出露中生界(Mz)；西端局部见有元古界地层露头。整体将渭河盆地基底划分为4个岩相组合区，分别为北部下古生界(Pz1)碳酸盐岩分布区、中部上古生界(Pz2)泥岩分布区、南部太古界(Ar)变质岩分布区、西部元古界(Pt)变质岩及中生界(Mz)碎屑岩、侵入岩分布区。

4.1 北部下古生界(Pz1)碳酸盐岩分布区

该区在剩余重力异常图上表现为高异常区，与南部低异常区有明显界线，异常连续，呈条带状NE向展布，重力极值中心位于乾县、礼泉北、富平、蒲城；在航磁异常图上显示为高低异常梯度带，西部低异常、东部高异常，高异常主要集中于富平-蒲城一带。在大地电磁测深(MT)反演剖面上，部分区段(DD2013-1剖面兴平以北区段;DD2013-2剖面党睦以北区段;DD2016-1剖面徐木以北区段;DD2016-2剖面双泉以北区段;图5中大地电磁测深(MT)反演剖面标红位置)，所在区域共同构成渭河盆地北部基底高阻区。根据前人钻孔富平渭3井见奥陶系；咸阳热2井见奥陶系，下覆中下元古界，在渭河盆地北缘320 km范围内均有奥陶系地层出露。并结合区域地质特征，奥陶系岩性主要为灰岩、泥灰岩、含砾灰岩等通常为高阻，推断基底为奥陶系地层。前人将咸阳划于西安凹陷，本次工作将其划于咸-礼凸起中。故整体推断该区域为下古生界(Pz1)。即咸-礼凸起、蒲城凸起新生代地层以下基底为下古生界(Pz1)碳酸盐岩(奥陶系(O)灰岩)分布区。

与前人认识相比，推测北部下古生界碳酸盐岩分布区在基底岩性上相同，但武功-兴平-咸阳一带、草滩-高陵-党睦一带的岩性边界推测差异较大，如图6所示。

图6 渭河盆地基底结构Fig.6 Besement structure of Weihe basin

4.2 中部上古生界(Pz2)石炭—二叠系泥岩分布区

该区在剩余重力异常图上表现为明显的低异常区，呈连续带状，自西向东走向为东西-北东-东西向，宽度约30 km且较为稳定；在航磁异常图上主要表现为低磁异常，以及小范围的高低异常接触带；在大地电磁测深(MT)反演剖面上，部分区段(DD2013-1剖面户县-兴平区段，DD2013-2剖面辛庄-党睦区段， DD2014-1剖面哑柏东-三星区段，DD2014-2剖面全区段，DD2016-1剖面高陵南-徐木区段， DD2016-2剖面罗敷-双泉区段，图5中大地电磁测深(MT)反演剖面标蓝位置)共同构成渭河盆地中部基底低阻区，而泥岩分布区属于低阻地区，阻值一般为<100 Ω·m；在前人钻孔三原渭参1井见二叠系。结合区域地质特征，二叠系下部为沼泽相、湖相的含煤沉积，上部为海相的杂色砂岩、泥岩、页岩，该类地层通常为低阻，推断基底为二叠系地层。即西安凹陷、固市凹陷新生代地层以下基底为上古生界二叠系泥岩。但前人认识，西安凹陷基底为元古界浅变质岩，固市凹陷基底为下古生界奥陶系灰岩、东部为太古界变质火山岩，元古界岩性下部主要为一套以石英岩、云母石英片岩和含砾石英片岩为主的变质碎屑岩；上部主要为云母石英片岩、含磁铁矿片岩、硅化白云质大理岩、千枚岩，该类岩性电阻率为高阻，下古生界奥陶系灰岩表现为高阻。根据大地电磁测深(MT)反演剖面电性特征，推测结果与该区域基底低阻特征不一致。西安凹陷未有直接依据表明基底性质，根据与固市凹陷相一致的低阻特征推断基底为泥岩。故整体推断该区域为中部上古生界石炭—二叠系泥岩分布区，如图6所示。

4.3 南部太古界(Ar)变质岩分布区

该区在剩余重力异常图上表现为高低异常伴生，极大值中心位于骊山附近，呈团块状，南北均呈北东向条带状重力低异常，分别与西安凹陷、固市凹陷低异常区相接；在航磁异常图上表现为伴生的高低异常；在大地电磁测深(MT)反演剖面上部分区段(DD2013-1剖面户县以南区段、DD2013-2剖面辛庄以南区段、DD2014-1剖面三星以东区段、DD2016-1剖面高陵南以南区段、图5中大地电磁测深(MT)反演剖面南部标红位置)共同构成渭河盆地南部高阻区，阻值一般100～1 000 Ω·m。前人认为太古界变质岩分布于蓝田-渭南一带，本次推断认为分布于草堂-引镇-蓝田-渭南以及耿镇附近均为太古界变质岩。根据区域地质特征，临潼南自西南至东北向出露奥陶系、元古界、太古界地层，其中太古界出露范围较大，推断该区域基底可能为奥陶系或太古界，但在大地电磁测深(MT)反演剖面电性特征上看，二者电阻率均为高阻特征，结合地表出露认为该区域基底为太古界。故推断渭河盆地南部为太古界变质岩分布区，即临-蓝凸起基底性质；临-蓝凸起的西部基底可能为下古生界碳酸盐岩，如图6所示。

4.4 西部元古界变质岩及中生界(Mz)碎屑岩、侵入岩分布区

该区在剩余重力异常图上主要为低异常，异常中心位于宝鸡，基本成条带状，呈一定的弯曲形态，总体异常走向北西向；在航磁异常图上为大范围的低磁异常区，呈团块状，长轴方向北西向，在大地电磁测深(MT)反演剖面上，部分区段(DD2016-1剖面眉县-哑柏区段，图5中大地电磁测深(MT)反演剖面西部标红位置)共同构成渭河盆地西部高阻区，对应宝鸡凸起。侵入岩主要靠近秦岭分布，宝鸡东方红地热井在525 m见花岗侵入岩。变质岩主要为上元古界(Pt)浅变质岩，位于侵入岩分布区东北侧，蔡家坡渭4井于667 m见震旦系(Z)，岩性为暗绿色绢云母片岩；该区电阻率最低，该碎屑岩分布区主要为中生界碎屑岩，位于侵入岩分布区西北侧，凤翔-岐山一带，呈东北向；碳酸岩分布在千阳以南，凤翔以西一带，与前人认识保持一致[18]，如图6所示。

5 结 论

本次研究主要通过地震以及大地电磁测深(MT)资料，结合前人重、磁、地质和钻孔资料，推断渭河盆地地层组成和基底结构性质。结果显示，渭河盆地古生界以上的新生界沉积地层均有分布，无地层缺失，北部为斜坡带、南部为坳陷区。渭河盆地的基底分为四个区域：北部下古生界(Pz1)碳酸盐岩分布区；中部上古生界(Pz2)泥岩分布区；南部太古界(Ar)变质岩分布区；西部元古界(Pt)变质岩及中生界(Mz)碎屑岩分布区。四个区域范围划分上有部分与前人认识不同。本次研究对渭河盆地的基底组成和结构构造有了较为清楚地认识，对评价重点勘查区的成藏条件和调查渭河盆地氦气资源远景提供了有利的地球物理依据。