基于地球物理资料的银川盆地南部构造特征分析

虎新军，安 娜，陈晓晶

（1.宁夏回族自治区地球物理地球化学调查院，宁夏 银川 750001；2.宁夏回族自治区地质局规划处，宁夏 银川 750021）

1 引言

银川盆地是众多环鄂尔多斯新生代断陷盆地之一。已有研究成果表明，盆地深部构造较为复杂，尤其是盆地南部的永宁、吴忠、灵武地区，处于阿拉善微陆块北东向挤压鄂尔多斯地块的前锋地带，第四系活动断裂发育［1］，是地震活动的主要场所（据统计，1965年以来发生地震844次），具有频度高、间隔短、丛集性分布的特点［2］。为了深入探讨地震活动的地质成因，多数学者基于该区厚黄土层覆盖的地貌条件、区域性高精度重力与三维地震等地球物理资料缺失的实际，以小比例尺地球物理资料为依据，对区域构造应力［3，4］、银川盆地形成演化［5－10］及盆地主要断裂的活动机理［11，12］进行了深入的研究，取得的成果［13－16］基本构建起了银川盆地南部的深部地质构造结构，厘定了主要边界断裂（黄河断裂、牛首山断裂、三关口断裂）的活动性，支撑了孕震模型的构建。因此，在现有研究成果的基础上，部署高精度面积性地球物理工作，细化盆地内部次级构造的展布特征，重点理清断裂与局部构造单元的空间性状，进而为地震活动与地质构造空间配置关系研究提供依据，是研究区地质构造研究亟需解决的关键性问题。

受宁夏回族自治区重点研发项目“吴忠—灵武地区活动断裂及地热资源调查研究”（编号：2018BFG02012）及宁夏回族自治区自然科学基金项目“灵武凹陷地震活动的地质构造成因分析”（编号：2022AAC03652）的共同资助，笔者所在团队于2019年完成了银川盆地南部吴忠、灵武、永宁地区1∶5万区域重力调查及重点区段可控源大地电磁测量［17］。本次笔者以上述资料为基础，在确定区域构造格架的基础上，运用重力场小波多尺度分解、边界识别、钻孔约束下的Paker界面反演等技术，精细分析了重力细节场展布特征，划定了断裂构造与局部构造单元的空间赋存性状，为研究区地震活动的地质成因分析与地震灾害的防治提供了依据。

2 区域地质构造背景

研究区位于银川平原南部的吴忠、灵武、永宁地区，南北长40km，东西宽12km，面积约为350km2。根据宁夏北部构造单元划分方案［18］，该区处于华北陆块鄂尔多斯地块（Ⅲ51），归属于鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带（Ⅲ51－1），是构成银川断陷盆地（Ⅲ51－1－2）南部主要的局部构造单元。

研究区周缘断裂构造发育，北部的贺兰山东麓断裂控制了银川盆地西侧边界，芦花台断裂与银川断裂呈隐伏状近NNE向延伸，南段终止于永宁县一带。西南侧的三关口断裂、柳木高断裂NWW向展布于牛首山东北麓，具有右行“雁行式”展布特征［19］。东侧的黄河断裂呈SN向裸露状展布于灵武东山西侧山前地带，为银川断陷盆地东部边界断裂，控制了银川盆地南部构造的发育展布，该断裂为研究区内最重要的断裂［20］。区域地层发育较齐全，古生界、中生界、新生界地层沉积特征与银川盆地中北部一致。据钻探资料揭示［21］，研究区内主要发育4套地层，下部为奥陶系基底，其上依次沉积厚度约2000m的古近系、新近系地层，以及第四系河湖相沉积层覆盖研究区（图1）。

图1 银川盆地南部构造地质图Fig.1 Structural geological map of the southern Yinchuan Basin

图2 银川盆地南部构造格架Fig.2 Tectonic framework map of the southern Yinchuan Basin

3 地层密度特征

地层岩石密度的差异是引起重力异常的原因。位于银川断陷盆地中部银川地区的银参三井及南部吴忠地区的银参二井揭示，盆地内部地层叠置情况较简单，由深及浅地层依次为古生界奥陶系（O）、新生界古近系（E）、新近系（N）及第四系（Q），见表1。由此可分析，从浅至深存在3个明显的密度界面，依次为：第四系与新近系之间密度界面（第1密度界面（Δσ1.2））、新近系与古近系之间密度界面（第2密度界面（Δσ2.3））、古近系与奥陶系之间密度界面（第3密度界面（Δσ3.4）），见表2。

表1 银川盆地地层密度Table1 Stratigraphic density in Yinchuan Basin

表2 银川盆地地层密度界面划分Table2 Interfacial division table of stratigraphic density in Yinchuan Basin

可以看出，新生界古近系（E）与古生界奥陶系（O）之间的第3密度界面（Δσ3.4），密度差为0.67g／cm3，为银川断陷盆地内部最明显的密度不连续界面，是研究区局部重力异常形成的主要影响因素。此外，新近系（N）与古近系之间的第2密度界面（Δσ2.3），密度差为0.17g／cm3，对局部重力异常的形成有较大的影响。

4 构造体系特征分析

4.1 构造格架划分

1∶5万区域重力资料解译成果表明，黄河断裂与吴忠断裂将银川盆地南部分为三个特征迥异的构造单元，表现出典型的“两隆夹一坳”构造格局（图3）。

图3 1～3阶重力小波细节场Fig.3 Gravity wavelet detail field of order 1～3

西侧为“吴忠隆起带”，为北北西走向的片状重力高异常分布区，深地震反射资料反映，该区域受青藏高原隆升影响，深部物质逆冲卷入该区域，造成基底抬升。东侧为“横山堡褶断带”，展布南北向的带状重力高异常，地表出露白垩系宜君组砾岩地层，东部马跑泉地区见有三叠系砂泥岩层系出露，推测东部鄂尔多斯西缘受太平洋板块西向运动的远程效应，在与阿拉善微陆块的结合部形成了一系列的南北走向的隆起区带，“横山堡褶断带”为其中之一。夹持于两个隆起区带之间的为永宁—灵武坳陷区，整体北北西走向，呈南部封闭，北段开放的倒置“钟型”，重力低异常区由南部灵武地区向北部永宁地区逐渐变化，面积缩小，幅值升高，反映出坳陷基底逐渐抬升，且内部构造复杂化。

4.2 永宁—灵武坳陷区构造特征分析

在银川盆地南部构造格架划分的基础上，重点分析永宁—灵武坳陷区内部的构造特征为本文研究的重点。通过对1∶5万区域重力进行小波多尺度分解，结合边界识别技术与界面反演技术，在纵向不同异常尺度上分析坳陷区的构造体系特征。

4.2.1 小波细节场特征

永宁—灵武坳陷区1～3阶重力小波细节场分布特征反映出了构造由浅至深的发育概况（图4）。

图4 断裂分布Fig.4 Fault distribution map

1阶细节场中坳陷区整体呈现宽泛、平缓的低异常区特征，在宽缓的低异常背景中分布一处幅值明显降低的南北向局部低异常，异常中心位于灵武市东北侧，反映出坳陷区沉降中心的位置。坳陷区低异常向东幅值急剧升高，以陡增的梯级带的形式过渡至横山堡隆褶带重力高异常区，梯级带为黄河断裂灵武段的反映；向西异常区幅值缓慢增加，向吴忠隆起带重力高异常区渐变，其间的北西向梯级带为吴忠断裂的重力响应。2阶细节场展布特征变化明显，反映坳陷区东西两条边界断裂的重力梯级带线性特征更加明显，受边界断裂控制的中部平缓低异常区进一步分为三个局部异常，由东向西依次为灵武—梧桐树低异常、永宁—望洪高异常与胜利低异常，反映出坳陷区内部比较复杂的构造格局。3阶细节场承接了2阶细节场的分布特征，在局部处具有明显的变化，体现在灵武—梧桐树低异常范围进一步向西扩展，永宁—望洪高异常向北收缩至望洪一线，胜利低异常中心南北迁移，南端与灵武—梧桐树低异常有连通之势，郝家桥、叶盛等局部低幅值异常消失，反映出坳陷区深部发育的断裂构造规模较大（图3）。

根据功率谱分析法估算的1～3阶细节场场源与银川平原坳陷区内部的YC－4、YC－3、NSR－1、NHR－1等钻孔揭示的地层平均埋深对比分析结果，认为1～3阶细节场代表新近系、古近系与奥陶系顶面构造的地球物理响应（表3）。

表3 地层顶面深度对比Table 3 Depth comparison of the top surface of the stratum

4.2.2 断裂构造特征

根据归一化标准差与垂向二阶导数两种边界识别综合确立的永宁—灵武坳陷区断裂平面展布特征，由浅至深，断裂发育具有明显的差异性（图4）。

新近系顶界面断裂展布特征复杂。坳陷区边界断裂F1、F2被F9、F17等7条北东向断裂右行错断为多个亚段，二者在金银滩地区演化为3条次级断裂，呈“W”型相交；坳陷区内部次级断裂主要分布于永宁以西区域，以F15为代表，走向近南北，永宁东南基本未见断裂发育的明显迹象，仅在灵武南北一线展布一条延伸距离较长的南北向断裂，与东侧边界断裂F1走向一致。古近系顶界面断裂决定了坳陷区的构造面貌，随着深度的增加，F6、F7、F20等5条北东向次级断裂消失，边界断裂F1、F2行迹更加清晰、完整，二者于金银滩北部呈“V”型归并一处，共同封闭了永宁—灵武坳陷区。坳陷内部展布F15、F21、F22等5条次级断裂，发育规模大，平面延伸长度大于20km，南部的F16、F21近南北走向，北部的F13、F15、F22北北东走向，两组断裂在梧桐树乡附近呈斜交样式。奥陶系顶界面断裂展布进一步简化，边界断裂F1被F2以反“Y”型样式截断，坳陷区内部仅发育F15、F22两条次级断裂，在望洪南部相交、消亡。

由浅至深纵向对比地层界面断裂发育形态，发现永宁—灵武坳陷区东界断裂F1展布位置相对一致，西界断裂F2行迹逐渐向东迁移，推测与阿拉善微陆块前锋区域深部基底侵入吴忠隆起带有关；坳陷区内部F15与F22断裂继承性下切至奥陶系基底，可能为局部构造的分界断裂，F13、F16、F21断裂主要发育在新生界内，为基底上覆盖层内部断裂。

4.2.3 局部构造单元特征

基于1～3阶重力小波细节场的特征，以正负异常区梯级带解译的断裂为边界，综合细分永宁—灵武坳陷区内部局部构造单元，确立深部构造的空间赋存特征（图5）。

图5 局部构造单元分布Fig.5 Distribution of local structural units

新近系顶界面构造发育简单。坳陷区中部大面积区域为梧桐树凸起，以宽带状南北向展布；东侧为狭长窄条状的灵武凹陷，为新近系沉积中心，沿黄河断裂（F1）走向弧形延伸，F16断裂为梧桐树凸起与灵武凹陷的分界。不规则三角状的胜利凹陷分布于梧桐树凸起西侧，F15断裂为其分界断裂，与F13断裂共同控制，形成另一处沉积中心。古近系顶界面构造与其上覆地层构造差异明显，随着F16断裂西移，东侧灵武凹陷范围扩大，转化为带状分布的沉积—沉降中心区带。中部以F21、F22断裂北北东向间隔分布着崇兴凸起、梧桐树次凹、永宁凸起，为上覆新近系构造层梧桐树凸起分化而来。西侧的胜利凹陷与良田次凹继承性发育较好。随着奥陶系顶界面断裂的简化，局部构造单元再次整合，中部永宁凹陷得以继承，东部灵武凹陷吸纳了古近系构造层的梧桐树次凹与崇兴凸起，分布范围明显西扩，占据了坳陷区的主要部分，西侧胜利凹陷与良田次凹合二为一，向东与永宁凸起以F15断裂相邻，向南则以F22断裂与灵武凹陷相接。

分层剖析结果显示，在奥陶系—古近系、古近系—新近系、新近系—第四系沉积演化过程中，永宁—灵武坳陷区经历了局部构造“裂解—合并—覆盖”发育过程，受黄河断裂（F1）的控制，灵武凹陷继承性发育特征突出，成为坳陷区主要的沉积中心。

5 断裂与地震分布关系讨论

由分层断裂与地震分布叠合图可知，地震分布受F1、F2两条边界断裂控制，F1断裂东侧的横山堡隆褶带北部零星分布2.0级以下地震，南部地震活动较频繁，强度基本小于3.0级；F2断裂以西的吴忠隆起带地震分布较稀疏、均匀，未有明显的差异性，与东部的横山堡隆褶带相似的是，地震以小于3.0级的弱震为主。

受F1、F2夹持的永宁—灵武坳陷区为地震集中分布区域。平面上，具有明显的分区性，整体呈现出“南部聚集、北部分散、中部缺失”的特征，以李俊镇—望洪镇—梧桐树乡一带为分界，南部地震活动频次高，占该区域地震活动次数的68%，集中分布于叶盛镇、灵武市以南，且是4.0级以上的中强度地震分布的主要区域；北部的永宁县、胜利乡，地震活动分散，除胜利乡以南局部地区零星发生4.0级地震之外，其余95%为强度小于4.0级的弱震。纵向上，仅在新近系顶面构造层发育的5条次级断裂F10、F11、F12、F14、F18与地震分布没有明显的相关性；发育行迹贯穿新近系顶面与古近系顶面两个构造层的次级断裂F13、F16及F15北段两侧，地震分布呈聚集性带状；此外，主要发育于古近系顶面构造层的F21、F22也与地震分布具有明显的配置关系，特别是F21断裂南段是4.0级以上中强地震的主要分布区带。

6 结论

银川盆地南部处于阿拉善微陆块北东向挤压鄂尔多斯地块的前锋区带，具有显著的区域构造活动性特征，地震活动频繁，活动断裂发育。从深部构造发育特征分析，可得到以下结论：

1）银川盆地南部构造格架划分结果显示，该区域深部构造呈现典型的“两隆夹一坳”的构造分布格局，以黄河断裂与吴忠断裂为分界，由西向东依次为吴忠隆起带、永宁—灵武坳陷区、横山堡隆褶带。吴忠隆起带浅部覆盖较薄的新近系，受来自于西南的挤压应力作用，阿拉善微陆块深部物质卷入引起吴忠隆起带奥陶系褶皱基底的隆升；永宁—灵武坳陷区基底下陷深度大，是银川盆地南部的沉积—沉降中心，受两条边界断裂控制，向南逐渐收敛、封闭；横山堡隆褶带地表出露白垩系，下覆中、古生界地层发育齐全，是为鄂尔多斯西缘冲断带重要的组成部分。

2）永宁—灵武坳陷区为银川盆地南部隐伏构造集中分布区域，其内发育断裂22条，分SN走向、NNE走向与NNW走向三个体系，SN走向以黄河断裂为代表，具有平面延伸长、纵向切割深的特点，是坳陷区局部构造的分界断裂主要类型；NNE走向断裂晚于SN走向发育，具有右行走滑特征，延伸距离短，主要发育在新近系构造层内；坳陷区NNW走向断裂仅有吴忠断裂。

3）以F13、F15、F22等5条断裂为分块／分带断裂，将永宁—灵武坳陷区进一步细分为7个局部构造单元（局部凸起、局部凹陷），且具有分层发育的特征，新近系构造层局部构造单元分布特征不同于古近系与奥陶系，由深至浅经历了“裂解—合并—覆盖”发育过程，永宁凸起继承性发育，将坳陷区分为灵武凹陷、胜利凹陷两个沉积中心，灵武凹陷沉降深度大于胜利凹陷，为银川盆地南部最主要的新生界沉积区。

4）银川盆地南部地震分布受边界断裂F1、F2控制，永宁—灵武坳陷区为地震活动的重点聚集区，且具有南北分异的特征。坳陷区地震分布与古近系顶面构造层次级断裂具有显著的相关性，F16、F21断裂展布区带是4.0级以上中强地震的主要分布区。由叶盛镇、灵武市、郝家桥镇三地所围限的三角形区域，特别是F16、F21断裂展布区带是银川盆地南部地震灾害防治的重点区，需要引起重视。