利用物探資料對西安凹陷和固市凹陷基底結(jié)構(gòu)特征的研究

張瑾愛， 張 林， 江 桂， 周少偉， 凌丹丹

(陜西省地質(zhì)調(diào)查中心， 西安 710068 )

0 引言

渭河盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至潼關(guān)，南依秦嶺，北抵渭北北山，是一個地塹構(gòu)造。地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°00′～110°20′，北緯34°00′～35°10′，東西長約360 km，南北寬70 km，面積約2.2×104km2， 是一個三面環(huán)山向東敞開的盆地[1-2]。由于所處在重要的經(jīng)濟地理位置，尤其是所處的有利的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境，使得渭河盆地?zé)崴Y源、油氣資源較為豐富[3]，同時一些地質(zhì)現(xiàn)象(地裂縫)[4-5]也較為明顯。因以前使用的光點記錄地震儀和地震數(shù)據(jù)采集方法的缺憾，對于盆地諸凹陷內(nèi)廣泛分布的復(fù)雜的蓋層構(gòu)造，尤其是古近系地層構(gòu)造不明，即使存在儲油圈閉，也完全可能提取不到有關(guān)信息，故對渭河盆地古近系底的結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)全面的認(rèn)識。根據(jù)盆地周邊河南三門峽及陜西垣曲等地區(qū)地層及盆地內(nèi)井下地層研究，在古近系下部有一套含煤系或煤線的泥巖和砂泥巖(如盆地中部戶縣渭深10井鉆遇的甘河組等)，從沉積特征研究結(jié)果說明，渭河盆地早第三紀(jì)處于溫暖潮濕的熱帶-亞熱帶湖湘-河湖相沉積環(huán)境，動植物極為繁盛，但是由于內(nèi)陸湖沉積地理條件多變，因而這一套含煤系或煤線的泥巖和砂泥巖地層極不穩(wěn)定，相變劇烈，在盆地中分區(qū)沉積，但它們是盆地內(nèi)古近系唯一可能的生油氣層系[3]，從目前資料來看，生氣的可能性更大，因此了解渭河盆地基底結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

圖1 渭河盆地大地構(gòu)造位置圖Fig.1 Geomorphic location map of Weihe basin

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

1 地質(zhì)背景

渭河盆地大地構(gòu)造位置位于華北板塊西南緣，地處秦嶺板塊、華北板塊、揚子板塊相互俯沖、碰撞的交接復(fù)合過渡地帶[6]，居于中國東、西構(gòu)造分區(qū)和南、北構(gòu)造分區(qū)的交匯部，經(jīng)歷了長期的構(gòu)造作用與演化[7]，其形成和發(fā)展與不同大構(gòu)造單元的構(gòu)造作用及演化歷程密切相關(guān)。在這些構(gòu)造體系作用下產(chǎn)生了一系列斷裂、褶皺，控制了渭河盆地的構(gòu)造格局，形成了南深北淺的箕狀斷陷[6](圖1)。

渭河盆地出露地層從太古界-新生界均有分布，前新生界及花崗巖構(gòu)成了盆地基底并出露于盆地邊緣，巨厚的新生界形成了遼闊的渭河盆地[6]。

在渭河盆地內(nèi)部依據(jù)斷裂和新生界發(fā)育特征劃分為北部斜坡、南部坳陷和西部隆起三個一級構(gòu)造單元，又進一步細(xì)分為十個凹凸相間的次一級構(gòu)造單元，渭河盆地內(nèi)斷裂較為發(fā)育，控制著構(gòu)造單元邊界[8-10]。本次重點研究的西安凹陷和固市凹陷包含在南部坳陷區(qū)內(nèi)。

渭河盆地新生代時期接受巨厚沉積，地表被第四系覆蓋。盆地南緣出露太古界中深變質(zhì)巖系及下古生界變質(zhì)巖系，其中侵入大片的燕山期花崗巖及各類巖脈。北緣主要被古生界所圍；西端局部見有元古界地層露頭[6]。渭河盆地經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，控制了不同時期沉積體系的發(fā)育[7]。拉張裂陷幕期間，斷裂活動極為發(fā)育，形成裂陷式盆地，以較快速的沉降為特征。走滑—伸展幕期間，盆地沉積速率較慢，主要以盆地邊緣的邊界斷裂運動為特征，該期盆地沉陷相對穩(wěn)定，但凹陷區(qū)的沉降速度明顯比凸起區(qū)的沉降速率要快的多。擠壓構(gòu)造幕期間，裂陷盆地在其演化過程中由于大地構(gòu)造背景條件或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的改變，從引張向擠壓條件轉(zhuǎn)變，盆地發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致盆地中心的差異性沉降，盆地整體沉降速率相對變緩。

2 物性特征

本次研究工作采用的物性資料是通過渭河盆地兩條南北向地震剖面(DD2013-1與DD2013-2)(圖2)所獲取，分別橫穿西安凹陷和固市凹陷。采用這兩條地震剖面基底速度分析結(jié)果，轉(zhuǎn)換兩凹陷各地層的密度值，轉(zhuǎn)換公式為式(1)[11]。各地層速度和密度值如表1所示。

表1 兩凹陷各地層波速和密度統(tǒng)計表

Cardner給出的密度與速度經(jīng)驗公式為：

D=0.31Vp0.25

(1)

式中：D是密度，g/cm3；Vp是速度， m/s。

由密度統(tǒng)計結(jié)果可以看出，西安凹陷各地層密度值均比固市凹陷小，相差0 g/cm3～0.16 g/cm3，而且西安凹陷各地層之間的密度差也均比固市凹陷小。

上述密度特征，為利用重力資料解釋研究提供物性基礎(chǔ)。

3 基底結(jié)構(gòu)認(rèn)識

3.1 地層特征

在DD2013-1剖面上地震解釋推斷(圖3)，西安凹陷沉積層整體在南北向上具有中間厚、兩端薄的特點，形成明顯的凹陷特征，西安凹陷主體位置在渭河附近。新近系地層最深為5 000 m、古近系地層最深為6 600 m，且古近系只在凹陷主體內(nèi)發(fā)育，厚度可達(dá)1 440 m，向北底部超覆頂部剝蝕減薄，在咸陽斷階帶上消失。

在DD2013-2剖面上，地層整體反映為南厚北薄的特征，固市凹陷沉積主體位于固市附近。新近系地層最深為4 200 m、古近系地層最深為8 100 m，反映古近系只在凹陷主體內(nèi)發(fā)育，最大厚度為3 700 m，向北底部超覆頂部剝蝕減薄，最大厚度為3 700 m，在蒲城斷階帶上沒有接受沉積。

通過對DD2013-1和DD2013-2兩條地震剖面解釋結(jié)果揭示：西安凹陷和固市凹陷古生界以上的新生界沉積地層均有分布，無地層缺失，但其各地層厚度和深度不同(表2)，本次解釋推斷的固市凹陷古近系沉積最大厚度(8 100 m)大于前人資料厚度(6 800 m)，也大于西安凹陷古近系沉積最大厚度(6 600 m)。

圖3 西安凹陷和固市凹陷地震剖面解釋圖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

地層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新近系張家坡組藍(lán)天-灞河組高陵群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 重力場特征

在渭河盆地中西安凹陷整體位于重力異常低值區(qū)(周至-草堂鎮(zhèn)一帶)(圖4)，異常走向呈北西西向，異常中心在周至縣附近，異常最小值可達(dá)-210 mGal左右；固市凹陷整體位于相對重力異常低值區(qū)(三原-大荔鎮(zhèn)一帶)，異常走向呈北東東向，異常中心靠近大荔縣附近。西安凹陷和固市凹陷重力異常值相差50 mGal左右。在存在密度差異和沉積層和基底厚度不同的情況下，兩凹陷的重力值通過正演相差達(dá)不到50 mGal左右，故需分析其原因所在。

在驪山凸起廣泛出露的花崗巖侵入于太古界地層，但在區(qū)域重力場中沒有顯示重力高，而是表現(xiàn)為一大片重力梯級帶，所以推斷引起區(qū)域重力異常的源，應(yīng)在太古界結(jié)晶巖以下，并且是密度較為大的物質(zhì)。整個大陸地殼的速度層也即密度層顯示向下漸變的趨勢，太古界地層與其下面的殼層之間沒有明顯的密度差異，因此可以推斷引起區(qū)域重力異常的主要原因是下地殼與上地幔之間的明顯密度差異，即Moho面的起伏是引起區(qū)域重力異常的主要原因[12-13]。因此我們對布格重力異常進行消除莫霍面影響的處理，采用的軟件為GeoIPAS中三維密度界面重力場正演功能，利用三維密度界面正演的近似公式計算均勻密度的三度起伏單界面的重力值，根據(jù)均勻密度起伏界面GRD網(wǎng)格數(shù)據(jù)(深度值)和上下界面密度差，正演莫霍面以下的重力值情況。 圖5是布格重力異常消除莫霍面影響后的重力圖。在圖5中，西安凹陷和固市凹陷形態(tài)更加清晰，且重力異常值最大相差30 mGal左右，相比Moho面處理之前，減小了將近20 mGal的異常值。

3.3 基底認(rèn)識

DD2013-1剖面自南向北發(fā)育北秦嶺褶皺帶、西安凹陷、咸禮凸起，咸禮凸起進一步劃分為咸陽斷階和禮泉斷階。周至-余下-鐵爐子-三要斷裂(F1)和渭河北斷裂(F5)剖面呈“Y”字型結(jié)構(gòu)，共同控制了西安凹陷的沉積、演化。盆地古生界具有雙斷型的特點，受兩側(cè)正斷層的控制，成典型的不對稱凹陷，最大厚度位于西安凹陷的中北部，推測古近系底最大埋深為6 600 m，古生界底推測深度為8 200 m；西安凹陷底部發(fā)育有上古生界的石炭-二疊系地層，總體呈現(xiàn)北高南低、北厚南薄的特點，凹陷北部最大厚度為2 200 m，南部最薄為100 m，下覆地層為太古界前震旦系。北部的咸禮凸起底部發(fā)育下古生界的寒武-奧陶系，缺失上古生界，整體北高南低，地層厚度南厚北薄，具有從1 200 m到800 m的厚度變化。

圖4 渭河盆地布格重力異常圖Fig.4 Each stratum depth tables in two depressions

圖5 渭河盆地消除莫霍面影響后的重力異常圖Fig.5 The abnormal gravity of bouguer in Weihe basin

DD2013-2剖面自南向北發(fā)育有秦嶺北褶皺帶、固市凹陷、蒲城凸起三個構(gòu)造單元，蒲城凸起進一步劃分為大荔斷階和富平斷階兩個次級構(gòu)造單元。秦嶺北緣斷裂(F1)和乾縣-富平斷裂(F4)在剖面上共同控制了固市凹陷的沉積、演化。凹陷南北向上總體表現(xiàn)為兩邊薄、中間厚的特征；凹陷中央的厚度變化不大，受后期抬升的影響，具有北高南低的特點。凹陷古近系底最大埋深達(dá)到8 100 m，古生界底推測最大埋深為10 300 m，發(fā)育上古生界的石炭-二疊系和下古生界的寒武-奧陶系，下覆地層為元古界變質(zhì)巖；北部的蒲城凸起發(fā)育下古生界的寒武-奧陶系，缺失上古生界地層，整體北高南低，厚度變化不大，殘余部分厚度在500 m左右，下覆地層為元古界地層。

4 結(jié)論

本次工作通過二維地震勘探以及重力資料，得到西安凹陷和固市凹陷各沉積層和基底的深度和厚度以及基底性質(zhì)。結(jié)果顯示，固市凹陷基底深度大于西安凹陷，但固市凹陷與西安凹陷新近系和古近系厚度不同，這兩層地層呈現(xiàn)“蹺蹺板”形式，這就使得基底深的固市凹陷的重力值能夠比基底淺的西安凹陷的重力值高約30 mGal左右。這對渭河新生代盆地的基底組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造有了較為清楚細(xì)致地認(rèn)識，對評價重點勘查區(qū)的成藏條件，為渭河盆地氦氣資源遠(yuǎn)景調(diào)查提供了有利的借鑒。但在工作過程中，由于在渭河盆地內(nèi)缺乏可用于控制層位的鉆井(鉆遇基底)資料，對于深部基底性質(zhì)認(rèn)識不夠系統(tǒng)、全面，這也將在今后重點研究的內(nèi)容。