0 引言
针对银川平原深部地质构造的研究,成果丰硕。前人通过部分石油地震、大地电磁测深等地球物理方法推测盆地内新生界最厚沉积层约7 000 m[1,2,3];汤锡元等根据地震勘探成果,将银川盆地划分为5个次级构造单元[4];孟广魁等认为银川盆地除贺兰山东麓断裂与黄河断裂两条边界断裂外,还存在规模较大的芦花台断裂与银川断裂两条隐伏断裂[5];王美芳等少数学者对银川盆地的构造特征进行了初步分析,认为银川盆地整体构造概貌为中部断落较深,向两侧以断阶状或斜坡状抬升,呈西陡东缓的巨大的宽缓向斜形态[6,7];侯旭波总结了银川盆地新生界及基底地层的不同构造样式,认为新生界主要发育伸展和伸展—走滑构造样式,基底发育挤压和反转构造样式[8];汪琪等通过横跨银川平原的大地电磁测深剖面分析了盆地内4条断裂的深部交切关系,并分析了除主要断裂之外的其他次级小规模断裂的剖面展布特征[9,10];刘金保等对横过地堑4条主要断层进行了深地震反射探测,推进了对银川地堑深、浅构造关系的认识[11,12,13]。银川断陷盆地内部四口银参井及NSR-2、Y4两口深部地热井钻孔资料揭示,盆地北部与中南部深部地层结构存在较大差异。可以说,上述众多科研成果逐步将银川盆地地质构造特征研究引向深入。
但是,银川盆地深部地层结构特征及断裂关系复杂,仅从地层界面特征不足以完整反映盆地内局部构造单元展布形态、地层纵向叠置特征、断裂深部交切关系、主次断裂组合模式、基底构造发育细节等深部地质构造的南北变化。笔者在前人认识的基础上,以钻孔资料为约束,重力2.5D人机交互反演成果为基础,搭建了银川平原深部三维地质模型,系统地研究了盆地深部构造格架和基底起伏形态。
1 地质构造概况
图1
图1
银川平原地质构造
1—全新统上部风积层;2—全新统湖沼积层;3—全新统下部风积层;4—全新统灵武组;5—上更新统马兰组;6—上更新统水洞沟组;7—上更新统洪积层;8—新近系干河沟组;9—新近系彰恩堡组;10—古近系清水营组;11—下白垩统宜君组;12—下白垩统庙山湖组;13—中侏罗统直罗组;14—中侏罗统延安组;15—上三叠统上田组;16—上三叠统大风沟组;17—中三叠统二马营组;18—下三叠统刘家沟与和尚沟并层;19—下三叠统刘家沟组;20—上二叠统孙家沟组;21—中上二叠统上石盒子组;22—中二叠统下石盒子组;23—下二叠统山西组;24—上石炭统羊虎沟组;25—上石炭统靖远组;26—上泥盆统中宁组;27—中上奥陶统米钵山组;28—下中奥陶统天景山组;29—中寒武统胡鲁斯台组;30—中寒武统陶思沟组;31—中元古代王全口组;32—中元古代黄旗口组;33—古元古代赵池沟岩群;34—古元古代宗别立岩组;35—古元古代宾布勒岩组;36—古元古代英云闪长岩;37—古元古代黑云母花岗岩;38—地质界线;39—推测地质界线;40—不整合界线;41—岩相界线;42—重要断层;43—隐伏断层;44—活动断层
Fig.1
Geological structure map of Yinchuan Plain
1—Upper Aeolian deposits of Holocene;2—Lacustrine deposits of Holocene;3—Lower Aeolian deposits of Holocene;4—Lingwu formation of Holocene;5—Malan formation of Upper Pleistocene;6—The tunnel ditch formation of Upper Pleistocene;7—Diluvium layer of Upper Pleistocene;8—Ganhegou formation of Neogene;9—Zhangenbao formation of Neogene;10—Qingshuiying formation of Paleogene;11—Yijun formation of Lower Cretaceous;12—Miaoshanhu formation of Lower Cretaceous;13—Zhiluo Formation of Middle Jurassic;14—Yan'an formation of Middle Jurassic;15—Shangtian formation of Upper Triassic;16—Dafengou formation of Upper Triassic;17—Ermaying formation Middle Triassic;18—Liujiagou and shanghegou coalbed of Lower Triassic;19—Liujiagou formation of Lower Triassic;20—Liujiagou formation of Lower Triassic;21—Upper Shihezi formation of Middle Upper Permian;22—Lower Shihezi formation of Middle Permian;23—Shanxi formation of Lower Permian;24—Yanghugou formation of Upper Carboniferous;25—Jingyuan formation of Upper Carboniferous;26—Zhongning formation of Upper Devonian;27—Miboshan formation of Middle Upper Ordovician;28—Tianjingshan formation of Lower Middle Ordovician;29—Hulustai formation of Middle Cambrian;30—Taosigou formation of Middle Cambrian;31—Wangquankou formation of Middle Proterozoic;32—Huangqikou formation of Middle Proterozoic;33—Zhaochigou group of Ancient Proterozoic;34—Zongbieli Rock group of Paleoproterozoic;35—Binbulite formation of Paleoproterozoic;36—Tonalite of Paleoproterozoic;37—Biotite granite of Paleoproterozoic;38—Geological boundary;39—Inferred geological boundary;40—Unconformity boundary;41—Lithofacies boundary;42—Important fault;43—Concealed fault;44—Active fault
银川断陷盆地大地构造位置属柴达木—华北板块Ⅰ级构造单元、华北陆块Ⅱ级构造单元、鄂尔多斯地块Ⅲ级构造单元、鄂尔多斯西缘中元古代—早古生代裂陷带Ⅳ级构造单元。盆地内一系列倾向相同的NNE向正断层,使地层逐级由两侧向中心错落,形成阶梯状地层结构[16]。
2 岩石(地层)密度特征
表1 银川平原地区地层密度特征统计
Table 1
| 地层 | 构造单元 | 密度特征/(g·cm-3) | ||
|---|---|---|---|---|
| 界 | 系 | 区间 | 均值 | |
| 新生界 | 新近系 | 南部斜坡区 | 2.11~2.29 | 2.19 |
| 古近系 | 陶乐—横山堡冲断带 | 2.00~2.04 | 2.02 | |
| 南部斜坡区 | 1.92~2.19 | 2.08 | ||
| 中生界 | 白垩系 | 陶乐—横山堡冲断带 | 1.95~2.00 | 1.97 |
| 贺兰山褶断带 | 2.36~2.64 | 2.48 | ||
| 侏罗系 | 陶乐—横山堡冲断带 | 1.99~2.14 | 2.07 | |
| 贺兰山褶断带 | 2.45~2.65 | 2.56 | ||
| 三叠系 | 陶乐—横山堡冲断带 | 2.39~2.53 | 2.46 | |
| 贺兰山褶断带 | 2.60~2.77 | 2.67 | ||
| 古生界 | 二叠系 | 贺兰山褶断带 | 2.60~2.81 | 2.70 |
| 石炭系 | 贺兰山褶断带 | 2.49~2.65 | 2.57 | |
| 奥陶系 | 贺兰山褶断带 | 2.63~2.73 | 2.69 | |
| 元古宇 | 贺兰山群 | 贺兰山褶断带 | 2.72~2.83 | 2.78 |
表2 银川平原地区第四系覆盖层密度特征统计
Table 2
| 地层 | 岩性 | 采集地区 | 密度均值/(g·cm-3) |
|---|---|---|---|
| 全新统湖积层(Qh2l) | 砂质粘土、粘土质砂及淤泥 | 永宁 | 1.80 |
| 全新统上部风积层(Qh2e) | 中—细砂、粉砂 | 羊肠湾 | 1.88 |
| 全新统下部风积层(Qh1e) | 细砂、粉砂、砂质粘土、粘土质砂及淤泥 | 陶乐 | 1.91 |
| 全新统冲积层(Qh2f) | 粘土质砂、砂质粘土夹卵砾石、砂砾石 | 北滩 | 1.90 |
| 全新统洪积层(Qh1p) | 砾石、砂砾石夹砂土 | 芦花 | 2.00 |
| 上更新统洪积层(Qp3p) | 粘土质砂 | 闽宁 | 2.16 |
3 剖面地质结构特征
为了从纵向上剖析银川盆地在不同地区各套沉积地层的深部地质特征变化,精细地分析盆地内各次级构造单元之间的过渡关系及各局部构造(凹陷/凸起)的剖面特征,从而为银川盆地三维地质模型的搭建提供依据,以银川盆地中部Ⅴ-Ⅴ'骨干剖面为例,综合参考该剖面周缘的大地电磁测量G-G'剖面与深地震反射YC-1剖面解释结果,运用银川平原1∶20万剩余重力异常数据(地形相关补偿后),以银参三井分层数据为约束,对剖面进行2.5D人机交互反演。以此剖面反演结果为依据,在岩石(地层)密度特征的指导下,以通过骨干剖面的钻孔资料为主要约束条件,对银川断陷盆地重点构造区域及构造转折部位的其他剖面进行重力2.5D反演(图2、图3)。
图2
图2
银川盆地2.5D人机交互反演剖面位置
Fig.2
2.5D human-computer interaction inversion profile location map of Yinchuan Basin
图3
图3
Ⅴ-Ⅴ'剖面2.5D反演过程
a—G-G’大地电磁测深剖面;b—YC-1深地震反射剖面;c—V-V’剖面2.5D反演结果;ρ—地层密度;Q—第四系;N—新近系;E—古近系;K—白垩系;T—三叠系;P—二叠系;C—石炭系;O—奥陶系;Pt—元古宇
Fig.3
2.5 D inversion process diagram of V-V' profile
a—G-G’ magnetotelluric sounding profile;b—YC-1 deep seismic refkection profile;c—2.5D inversion process diagram of V-V' profile;ρ—formation density;Q—Quaternary;N—Neogene;E—Paleogene;K—Cretaceous;T—Triassic;P—Permian;C—Carboniferous;O—Ordovician;Pt—Paleoproterozoic
3.1 银川断陷盆地北部
以石嘴山地区为代表的银川盆地北部地层呈“两侧抬升、中部下沉,西深东浅、层系缺失”的特征。盆地内部银川断裂、芦花台断裂两条分带断裂浅部为隐伏状,深部交于贺兰山东麓断裂;贺兰山东麓断裂上陡下缓,并于深部归并于黄河断裂之上;黄河断裂规模最大,呈高角度状切入基底岩层。新生界覆盖层巨厚(大于6 000 m),直接覆盖于元古宇贺兰山岩群之上(图4)。
图4
图4
银川盆地北部剖面2.5D反演结果
a—Ⅱ-Ⅱ’剖面2.5D反演结果;b—Ⅲ-Ⅲ’剖面2.5D反演结果;ρ—地层密度;Q—第四系;N—新近系;E—古近系;K—白垩系;T—三叠系;P—二叠系;C—石炭系;O—奥陶系;Pt—元古宇
Fig.4
2.5D inversion results of the northern section in Yinchuan Basin
a—2.5D inversion process diagram of Ⅱ-Ⅱ' profile;b—2.5D inversion process diagram of Ⅲ-Ⅲ' profile;ρ—formation density;Q—Quaternary;N—Neogene;E—Paleogene;K—Cretaceous;T—Triassic;P—Permian;C—Carboniferous;O—Ordovician;Pt—Paleoproterozoic
3.2 银川断陷盆地中部
以银川地区为代表的银川断陷盆地中部地层继承了北部“两侧抬升、中部下沉”的基本特征,并具备“层位平缓、基底下降”的差异性。且沉积—沉降中心整体由靠近贺兰山东麓断裂向靠近芦花台断裂偏移,东部斜坡区的范围较北部石嘴山地区逐渐增大。盆地内银川断裂与芦花台断裂展布形态与北部相同。新生界覆盖层较厚(大于5 200 m),其覆盖于奥陶系之上,底部为元古宇贺兰山岩群(图5)。
图5
图5
银川盆地中部剖面2.5D反演结果
a—Ⅵ-Ⅵ’剖面2.5D反演结果;b—Ⅶ-Ⅶ’剖面2.5D反演结果;ρ—地层密度;Q—第四系;N—新近系;E—古近系;K—白垩系;P—二叠系;C—石炭系;O—奥陶系;Pt—元古宇;γδo—英云闪长岩
Fig.5
2.5D inversion results of the central section in Yinchuan Basin
a—2.5D inversion process diagram of Ⅵ-Ⅵ’ profile;b—2.5 D inversion process diagram of Ⅶ-Ⅶ’ profile;ρ—formation density;Q—Quaternary;N—Neogene;E—Paleogene;K—Cretaceous;P—Permian;C—Carboniferous;O—Ordovician;Pt—Paleoproterozoic;γδo—Tonalite
3.3 银川断陷盆地南部
以吴忠、灵武地区为主体的盆地南部与中北部呈显著差异,呈“盆中缩小、斜坡增大,基底抬升、逆冲出现”的变化。盆地内吴忠断裂与灵武断裂两条分带断裂规模较小,深部灵武断裂交于吴忠断裂上,而吴忠断裂归并于黄河断裂之上。盆地中部凹陷区急速缩小,南部斜坡区范围增大,新生界覆盖层变薄(小于3 000 m),其覆盖于大厚度的奥陶系之上, 古元古界贺兰山岩群抬升,受青铜峡—固原断裂的作用,阿拉善微陆块前缘地层逆冲于盆地南部斜坡区地层之上(图6)。
图6
图6
银川盆地南部剖面2.5D反演结果
a—Ⅷ-Ⅷ’剖面2.5D反演结果;b—Ⅸ-Ⅸ’剖面2.5D反演结果;ρ—地层密度;Q—第四系;N—新近系;E—古近系;K—白垩系;T—三叠系;P—二叠系;C—石炭系;O—奥陶系;Pt—元古宇
Fig.6
2.5D inversion results of the southern section in Yinchuan Basin
a—2.5D inversion process diagram of Ⅷ-Ⅷ’ profile;b—2.5 D inversion process diagram of Ⅸ-Ⅸ’ profile;ρ—formation density;Q—Quaternary;N—Neogene;E—Paleogene;K—Cretaceous;T—Triassic;P—Permian;C—Carboniferous;O—Ordovician;Pt—Paleoproterozoic
笔者以横跨银川平原的9条骨干剖面2.5D人机交互反演结果为基本依据,利用petrel软件对其进行了数字化处理,在此基础上重构了贺兰山东麓断裂、芦花台断裂、银川断裂及黄河断裂4条主要断裂及新生界覆盖层、奥陶系与元古宇基底地层的三维空间模型,并以平原内9口钻孔资料为约束,构建了三维地质构造模型,直观地理清了银川盆地由北到南地质构造的变化情况。
4 三维地质构造模型特征
4.1 主要断裂深部特征
银川断陷盆地的边界断裂贺兰山东麓断裂、黄河断裂及白土岗—芒哈图断裂为NNE走向正断层,青铜峡—固原断裂为NW走向的逆冲断层,盆地南部青铜峡—固原断裂与白土岗—芒哈图断裂对银川断陷盆地的直接控制作用不明显,反映在三维地质构造模型中,断裂与盆地其余几条断裂相互关系不够密切。
贺兰山断裂作为盆地西部控制断裂,自古近系以浅表现为陡立状,古近系以深至元古宇基底老地层断裂产状逐渐变缓;黄河断裂作为盆地的东部边界断裂,其南段浅部为裸露状,中北段为隐伏状;芦花台断裂产状较陡立;银川断裂断面较平直(图7)。
图7
图7
银川断陷盆地内部分带断裂立体图
Fig.7
Three-dimensional map of faults in the Yinchuan fault Basin
4.2 局部构造单元特征
图8
图8
银川断陷盆地次级构造单元划分图
地层为新近系底
Fig.8
Sub-structural unit division map of Yinchuan fault Basin
The stratum is the bottom of Neogene
4.2.1 西部斜坡区
夹持于贺兰山东麓断裂与芦花台断裂之间,呈长条状展布。横向上,地层西高东低,为贺兰山隆褶带与银川盆地的过渡区域;纵向上,北部地区新生界地层直接覆盖于古元古界贺兰山岩群之上,中南部地区新生界地层覆盖于奥陶系地层之上,底部为古元古界结晶基底(图9)。
图9
图9
银川断陷盆地西部斜坡区立体图
黄色为新近系底,橘黄色为古近系底,绿色为奥陶系底
Fig.9
Three-dimensional map of the western slope area of Yinchuan fault Basin
Yellow is the bottom of Neogene, orange is the bottom of Paleogene, and green is the bottom of Ordovician
斜坡带内的两处低陷区域为中央坳陷区平罗凹陷与银川凹陷的西侧部分,北部隆升区域为平罗南凸起北端。中部为苏峪口东侧贺兰山山前隆起,较北部平罗南凸起幅度低,是由古元古界结晶基底及奥陶系褶皱基底上隆所致,且隆起幅度最大地层为奥陶系。
4.2.2 中央坳陷区
位于西部斜坡区与东部斜坡区之间,受芦花台断裂与银川断裂控制,纵向上沉积地层与西部斜坡区一致,北部新生界地层直接覆盖于古元古界贺兰山岩群之上,中部与南部新生界地层覆盖于奥陶系地层之上,底部为古元古界贺兰山岩群,且具有“三凹两凸”的构造格局(图10)。
图10
图10
银川断陷盆地中央坳陷区立体图
Fig.10
Three-dimensional map of the central depression area of Yinchuan fault Basin
1)主要局部凹陷。北部凹陷为平罗凹陷,新生界地层直接覆盖于贺兰山岩群之上,沉积最大厚度处位于古近系地层,约6 000 m,是盆地内新生界沉积厚度最大区。中部洪广次凹与兴泾次凹构成银川凹陷,主要分布地层为新生界、奥陶系与古元古界地层,凹陷沉积的最大厚度处约为5 200 m,较北端平罗凹陷沉积厚度稍浅,北部洪广次凹形成于古近系地层,后期新近系与第四系地层继承性的沉积于其上,与之不同的是南部兴泾次凹形成于奥陶系地层时期,后期新生界地层继承性的沉积于奥陶系地层之上。南部灵武凹陷新生界地层上覆于奥陶系褶皱基底之上,深度最小,沉积的最大厚度处约为3 700 m,形成于奥陶系地层,后期新近系与第四系系地层呈继承性沉积于古近系地层上。
2)主要局部凸起。北部为平罗南局部凸起,主要由古元古界变质岩基底上隆所致,上覆沉积新生界地层。南部为银川南凸起,由古元古界结晶基底与奥陶系褶皱基底共同上隆所致,且隆起主要体现在奥陶系地层中,上隆幅度较北部平罗南局部凸起幅度低。
4.2.3 东部斜坡区
东部斜坡区是盆地东部受银川断裂与黄河断裂控制,银川盆地向陶乐—横山堡冲断带过渡的宽缓的平台区,地层横向上表现为向东抬升的特征,纵向上北部地区新生界地层直接覆盖于古元古界基底之上,中南部新生界地层覆盖于奥陶系地层之上,底部为古元古界贺兰山岩群(图11)。
图11
图11
银川断陷盆地东部斜坡区立体图
Fig.11
Stereogram of the eastern slope area of Yinchuan fault Basin
斜坡带内北部低陷区为平罗凹陷东侧向台地过渡的过渡带,南部为金贵凹陷,沉积最大厚度处约为3 200 m,为古近系地层,凹陷形成于奥陶系地层,后期新生界地层继承性的沉积于奥陶系地层之上。
北部隆升区域为东部斜坡向台地过渡的构造特征,中部为掌政凸起,南部为永宁凸起,是由古元古界变质岩基底上隆所引起,上覆沉积新生界地层。
4.2.4 南部斜坡区
斜坡区夹持于吴忠断裂与青铜峡—固原断裂,为盆地南端受阿拉善微陆块向北东扩张而形成的隆升区,纵向上,新生界地层覆盖于奥陶系地层之上,下伏古元古界基底。斜坡区北部分布青铜峡凸起,是受基底及奥陶系上隆所致(图12)。
图12
图12
银川断陷盆地南部斜坡区立体图
Fig.12
Stereogram of the southern slope area of Yinchuan fault Basin
4.3 盆地基底特征
银川断陷盆地深部纵向上存在两套基底,上部的奥陶系褶皱基底展布以平罗南凸起为界,南北差异性较大,北部奥陶系缺失,南部展布范围广,且厚度由北向南逐渐增大;下部的古元古界变质岩基底为整个盆地的结晶基底,其顶界面的起伏形态影响着上覆地层的沉积形态,直接决定了盆地内部局部凸起与局部凹陷的形成。
平罗凹陷、银川凹陷、灵武凹陷及金贵凹陷中,下降幅度最大区为平罗凹陷,新生界厚度约6 000 m。中部的银川凹陷下部基底埋深约为7 800 m处。南部灵武凹陷下部基底埋深约5 600 m。贺兰山山前隆起、平罗南凸起、银川南凸起、青铜峡凸起、掌政凸起及永宁凸起中除北部平罗南凸起由古元古界结晶基底上隆所致,其余几处隆起与凸起区均由古元古界结晶基底及奥陶系褶皱基底上隆所致,且奥陶系顶界面的隆升幅度最大。
贺兰山东麓断裂与黄河断裂深部均切入基底岩层,黄河断裂规模最大,贺兰山断裂归并于黄河断裂上。盆地内部分带断裂芦花台断裂与银川断裂深部亦切入基底岩层。
5 结论
1) 银川盆地内4条主要断裂深部展布特征清楚:① 贺兰山东麓断裂浅部为裸露状,于深部归并于黄河断裂;② 黄河断裂浅部南段呈裸露状、中北段为隐伏状,深部呈高角度状切入基底岩层;③ 芦花台断裂与银川断裂产状较陡立,浅部呈隐伏状,深部归并于贺兰山东麓断裂上;④ 4条断裂及其次级附属断裂空间上形成“花状”特征的银川地堑系。
2) 银川盆地由4个局部构造单元构成:① 西部斜坡区夹持于贺兰山东麓断裂与芦花台断裂之间,呈长条状展布,为贺兰山隆褶带与银川盆地的过渡区域;② 中央坳陷区为盆内沉积厚度最大区域,具有“三凹两凸”的构造格局;③ 东部斜坡区受银川断裂与黄河断裂控制,为银川盆地向陶乐—横山堡冲断带的过渡区,具有宽缓展布的平台特征;④ 南部斜坡区被吴忠断裂与青铜峡—固原断裂所夹持,为盆地南端受阿拉善微陆块向北东方向扩张而形成的隆升区。
3) 银川断陷盆地存在两套基底,上部的奥陶系褶皱基底展布以平罗南凸起为界,北部奥陶系缺失,南部展布范围广,且厚度由北向南逐渐增大;下部的古元古界变质岩基底顶界面起伏较大,影响着上覆地层的沉积形态。
综上所述,通过对银川平原三维地质模型的构建,将前人对银川平原深部地质构造碎片化的认识进行了集成与定量深化,将各断裂深部展布及与各地层之间的关系进行了整合,对银川盆地由北至南、由深至浅的地质构造进行了系统的梳理及更直观的展示,为后期对银川盆地的研究提供了更加系统的认识。
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