0 引言
鄂尔多斯盆地位于华北克拉通地块西部,是我国重要的含油气盆地之一[1,2,3,4,5,6]。该区自显生宙以来经历了多期构造运动,特殊的构造位置、特殊的构造动力学环境及多种不同的构造体系的叠加联合,使得该区现今地质构造特征较为复杂,明显不同于鄂尔多斯盆地内部及邻区[1,7]。鄂尔多斯盆地西南缘广泛分布着不同时期的沉积地层,具有良好的油气生、储、盖组合环境,油气勘探前景广阔[7]。盆地基底是盆地形成发展的基础,基底的起伏变化对上覆沉积地层及区域构造形态有着重要的控制作用,影响盆地后期盖层的沉积发育与改造,间接影响到油气的生成、运移与聚集[1,2]。因此,界定盆地的沉积建造和结晶基底,无论是对研究盆地的形成与演化,还是对研究资源与能源的形成、运移、储存和分布等都具有极为重要的理论意义和实际价值。关于鄂尔多斯盆地及周边基底起伏及构造前人已做了一定的研究,所反映的基底总体特征基本一致[8,9,10,11]。但上述研究多是针对全盆或是盆地中北部展开,且由于资料质量的限制,缺乏鄂尔多斯盆地西南缘基底详细系统的研究。
本文通过对研究区2016年获取的1∶5 万高精度航磁数据和搜集的1∶20万重力数据进行数据处理和反演,分析了区内基底性质,结合重磁联合反演和最小埋深计算,研究了基底起伏及构造特征。
1 地质概况及岩石物性特征
1.1 地质概况
研究区位于鄂尔多斯盆地西南缘,大部分为黄土高原区,东南部跨及关中平原,西接六盘山,南邻秦岭山脉,地形地貌较为复杂,见图1。鄂尔多斯盆地位于华北陆块,北与吉兰泰—包头断陷盆地为邻,东接晋冀陆块吕梁碳酸岩台地,南为汾渭裂谷,西接秦祁昆造山系秦岭弧盆系走廊弧后盆地。研究区中北部位于鄂尔多斯盆地西南缘,跨及西缘冲断带、天环坳陷、伊陕斜坡、渭北隆起多个盆地一级构造单元;南部跨及汾渭裂谷。
图1
鄂尔多斯盆地结晶基底由太古宙及中—古元古代变质结晶岩系组成;盆地盖层则主要由寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和下白垩统组成。
研究区内地层发育较全,第四系广泛分布,区内除了志留系、泥盆系及下石炭统缺失以外,从震旦系到第四系大部分地层均有出露。该区的寒武系到奥陶系主要由边缘浅海相的碳酸盐岩及碎屑岩组成。石炭系到二叠系主要为海陆交互相一陆相,发育含煤碎屑岩和碎屑岩系。中、新生界为陆相沉积,主要发育碎屑岩地层。汾渭裂谷是新生代形成的地堑构造,地层主要以碎屑岩和第四系的黄土为主要特征。
1.2 岩石物性特征
1.2.1 岩石密度特征
地层密度从老到新呈现逐渐变小的趋势。第四系黄土等密度最小,一般为1.63~2.12 g/cm3;侏罗系—新近系砂岩、泥岩等密度一般为2.00~2.45 g/cm3;石炭系—三叠系砂岩等密度一般为2.40~2.60 g/cm3;奥陶系及其下覆地层密度一般大于2.60 g/cm3。花岗斑岩、黑云母花岗岩、角闪花岗岩和石英闪长岩等岩体密度一般为2.64~2.72 g/cm3,与奥陶系及其下伏地层岩石密度相当。
由上可知,区内存在3个密度界面,即第四系与侏罗系及其上覆地层之间、侏罗系与三叠系之间、奥陶系及其下伏地层与其上覆地层之间。其中奥陶系及以下地层和上覆沉积盖层间的密度差异较大,布格重力异常的区域变化主要反映了奥陶系顶界面的起伏。
1.2.2 岩石磁性特征
第四系的砂土、黄土磁化率一般为(46~83)×10-5SI,最大可达110×10-5SI,总体属于弱磁性层;震旦系、古生界、中生界和古近系地层(岩石)的磁化率基本小于20×10-5SI,仅局部层位的砾岩磁化率超过100×10-5SI,属于无—微磁性层;古元古界变质岩中,斜长角闪岩、角闪岩、片麻岩和混合质片麻岩磁性最强,一般为(1 200~6 500)×10-5SI,剩余磁化强度为(700~1 200)×10-3 A/m;混合岩磁化率为1 400×10-5SI、剩余磁化强度为600×10-3 A/m,属于中强磁性体,但其中的大理岩和片岩为无—微磁性层;太古宇变粒岩磁化率值可达5 600×10-5SI,麻粒岩和片麻岩磁化率分别为200×10-5SI和500×10-5SI。
侵入岩磁性与岩性密切相关,中性岩如石英闪长岩磁性较强,磁化率值为1 858×10-5SI、剩余磁化强度为640×10-3 A/m,属强磁性体;酸性岩如黑云母花岗岩、花岗斑岩、角闪花岗岩磁性较高,其磁化率值为1 300×10-5SI、剩余磁化强度值为570×10-3 A/m,属较强磁性体;黑云母钾长花岗岩、花岗岩脉,磁化率值为(53~75)×10-5SI,属弱磁性体。
综上所述,研究区内主要的磁性层(体)有古元古界片麻岩、混合片麻岩、斜长角闪岩、角闪岩,太古宇麻粒岩、片麻岩,中性岩,部分酸性岩体等。因此,鄂尔多斯盆地结晶基底为强磁性层,磁异常主要反映了结晶基底的构造形态。
2 重磁场特征
2.1 重力场特征
由1∶20万重力资料(图2)可知,区域布格重力异常与已知大地构造单元对应较好,总体具有ES高NW低、从ES-WN逐渐降低的特点,具有明显的分区性。镇原西北处于天环坳陷的南部,布格重力异常最低,反映了天环坳陷内基底埋深较大、且具有从ES-WN逐渐变深的特点,最深处大致位于彭阳以东约30 km处。平凉—陇县—凤翔一带与西缘冲断带对应,区域布格重力异常总体呈NNW向展布的重力异常偏高值带。长武—正宁一带为呈NE向展布的偏高值带,且由SW-NE逐渐增强,是伊陕斜坡内单斜地层总体向西倾的具体反映。麟游—永寿县布格重力异常高值带,呈NNE向展布,异常带梯度南东陡、北西缓。在麟游以南—永寿—淳化一带,可见新元古界、寒武系和奥陶系等地层出露,是引起该布格重力高值带的主要原因。从其北西、南东两侧的梯度变化情况来看,渭北隆起的北西界推测位于彬县—旬邑一线,南东界即鄂尔多斯盆地与汾渭裂谷的界线推测沿扶风—乾县一线展布。
图2
2.2 航磁特征
航磁ΔT一般为-160~300 nT、局部可见420 nT磁异常,总体呈WN正、SE负的特征,展布方向以NE、NEE向为主。由图3可知,从N-S磁场强度逐渐降低,NW以正磁场为特征,正磁异常梯度缓、方向以NE向、近EW向和NW向为主,崇信—泾川一带磁力最高,向上延拓后异常变化不明显,表明引起异常的地质体埋深较大,推测为古老基底断裂中侵入岩浆岩充填所引起的结果;SE以负磁场为特征,负磁异常方向以近EW向和NW向为主,ΔT值一般为-160~-100 nT。经不同高度上延后(图3),正磁异常值逐渐降低、负磁异常值逐渐升高,但总体形态基本保持不变。由岩石磁性特征可知,鄂尔多斯盆地沉积盖层的磁性均很弱,只有结晶基底属强磁性层,因此上述磁场变化主要是结晶基底的反映。
图3
3 研究区基底研究
3.1 断裂构造分析
图4
图4
研究区推断基底构造
Fig.4
The map of basement structure inferred from aeromagnetic and gravity data in study area
3.2 基底分析
3.2.1 RGIS重磁联合反演
图5
图5
重磁联合反演结果
a—反演剖面位置; b—A-A'剖面重磁联合反演结果; c—B-B'剖面重磁联合反演结果
1—白垩系-第四系;2—三叠系-侏罗系;3—石炭系-二叠系;4—寒武系-奥陶系;5—新太古界-新元古界;6—中基性岩体;7—推测逆断层及编号; 8—推测性质不明断层及编号;9—推测地层界线;10—实测剖面;11—拟合剖面;12—反演剖面及编号;13—居民点;14—研究区范围
Fig.5
The results of joint inversion of gravity and magnetic data
a—the position of inversion profile; b— the results of joint inversion of gravity and magnetic data of A—A' profile; c— the results of joint inversion of gravity and magnetic data of B—B' profile
1—Cretaceous-Quaternary; 2—Triassic-Jurassic; 3—Carboniferous-Quaternary; 4—Cambrian-Ordovician; 5—Archean Erathem-Proterozoic group; 6—intermediate to basic rocks; 7—inference compressional fault and number; 8—inference fault and number; 9—inference boundary stratotype; 10—measured profile; 11—fit profile; 12—inversion section and number; 13—residential area; 14—study area
表1 研究区主要地质层(体)密度、磁性特征
Table 1
| 序号 | 地质(层)体 | 主要岩性 | 密度 ρ/(g·cm-3) | 磁化率 κ/(10-5SI) | 磁化强度 M/(10-3 A·m-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 白垩系—第四系 | 砂岩、泥岩 | 2.37 | 20 | 8.4 |
| 2 | 三叠系—侏罗系 | 砂岩、泥岩 | 2.4 | 15 | 6.3 |
| 3 | 石炭系—二叠系 | 砂岩、砾岩 | 2.5 | 13 | 5.5 |
| 4 | 寒武系—奥陶系 | 灰岩、白云岩 | 2.72 | 10 | 4.2 |
| 5 | 新太古界—新元古界 | 混合岩、角闪岩 片麻岩、麻粒岩 | 2.85 | 800 | 340 |
| 6 | 加里东期 | 中基性岩体 | 2.9 | 2000 | 420 |
图5b为 A—A'剖面反演结果。A—A'剖面位于研究区西缘,全长112.3 km。由反演结果可知,由上到下共分为6个地质层(体)。第一、二层即中、新生界沉积盖层,由S-N逐渐增厚,最深处位于剖面北段,深度可达3.5 km。第三层厚度变化不大,一般为500 m,总体倾向N。第四层的变化趋势与上覆沉积盖层正好相反,厚度由南端的5 km向北逐渐薄至1.5 km。第五层为结晶基底,顶界面埋深由南端的6 km向北逐渐变浅至4 km,局部地段最浅可达3.5 km。反演的地质体推测为形成于加里东期的中基性侵入岩体,最小埋深约为3.5 km。
图5c为 B—B'剖面反演结果。B—B'剖面由西向东穿过研究区中部,与测线方向垂直,全长164.2 km。由反演结果可知,由上到下共分为6个地质层(体)。第一、二层即中、新生界沉积盖层,表现为两端浅、中间厚,最厚处位于剖面中部、可达3.0 km。第三层较为稳定,变化趋势与上覆地层类似,厚约500 m。第四层的厚度由西端的5.5 km向东逐渐变薄至1 km。第五层为结晶基底,顶界面埋深由西端6 km向东逐渐变浅至3 km,西端坡度大,向东逐渐变平缓,中部略有起伏,根据航磁特征,主要为大理岩、片岩、角闪岩、片麻岩等。反演的地质体推测为形成于加里东期的中基性侵入岩体,最小埋深约为3.5 km。
3.2.2 基底埋深计算
笔者应用欧拉反褶积和场源深度成像两种方法计算区内的基底埋深情况,并根据重磁联合反演结果进行约束。结合反演结果及研究区的地质资料,最终勾绘基底最小埋深线,遵循由浅到深、逐步勾绘的原则。由研究区岩石磁性特征可知,区内主要磁性地质层(体)为太古宇—古元古界和中基性岩体,因此,根据航磁资料的计算结果可视为结晶基底顶面最小埋深。而研究区主要高密度地质层(体)有太古宇—中元古界,下古生界和中基性岩体等,与上覆的地层之间存在明显的密度差异,因此,重力计算结果可视为下古生界顶面最小埋深。
由图6可知,结晶基底顶面埋深在古陆核处最浅、约为3.5 km,向四周逐渐变深的趋势,最深处位于梁村—礼泉一线,超过7 km。研究区东北部结晶基底顶面埋深略有抬升,可达4 km。
图6
图6
研究区结晶基底等深线
Fig.6
The minimum buried depth map of magnetic basement in study area
由图7可知,下古生界顶面埋深总体具有从南往北、由东西向中间变深的趋势。最深处位于镇原—庆阳一带,呈NNE向展布,埋深超过4 km;长武—正宁一带次之,呈NE向展布,埋深可达3.5 km;乾县以南位于汾渭裂谷,下古生界强烈断陷下降,最深超5 km。另外,在平上—长武之间,可见一个纺锤形的局部凹陷,埋深超过2.5 km,位于由南向北变深的斜坡上,其在B-B'重磁联合反演剖面上也有明显的显示。
图7
4 找矿分析
盆地基底结构对上覆沉积盖层具有明显控制作用,从而间接影响到油气、砂岩型铀矿等能源矿产的生成、运移及富集。
另一方面,由重磁联合反演结果,结合收集的地质资料可知,中央古隆起上沉积了巨厚的中、新生界沉积岩,而古隆起斜坡地带,是有利的天然气运移与储集地带,所以中央古隆起的四周斜坡地带,是寻找古生界天然气最有利地区。目前发现的靖边油田,正好位于其东北斜坡上,古隆起南侧及西侧斜坡地带,都是寻找古生界天然气的最有利地区。
5 结论
1)研究区内基底断裂以NE向为主,西部发育NW向断裂,两组断裂交汇控制着基底隆起及古生界、中生界的沉积体系,间接地控制着油气藏的聚集与分布。现今仍在活动的基底断裂为深部热流体提供了良好的运移通道,并成为参与盆地能源矿产成藏成矿的有利地质条件之一。笔者重新圈定了鄂尔多斯盆地南部中央古隆起范围,并指出气田大都分布在盆地结晶基底隆起的四周斜坡地带,因此,盆地基底隆起斜坡地带和基底断裂构造复杂度可以作为新一轮油气田战略选区的有利判据。
2)以不同岩性的磁性和密度参数为约束条件,应用磁重数据开展重磁联合剖面反演,大致了解了鄂尔多斯盆地西南部基底和盖层的埋深和厚度。使用欧拉反褶积和场源深度成像,分别利用航磁和重力数据,计算了结晶基底和奥陶系顶面埋深。结晶基底顶面埋深在中央古隆起处最浅,约为3.5 km,有向四周逐渐变深的趋势,最深处位于梁村—礼泉一线,超过7 km。奥陶系顶面埋深总体具有从南往北、由东西向中间变深的趋势,最深处位于镇原—庆阳一带、长武—正宁一带和灵台一带。上述研究,为地质研究和成矿预测提供了基础资料。
3)在缺少直接了解基底起伏特征的有效手段情况下,利用高精度航磁资料结合重力资料能够相对有效地识别基底特征,弥补其他地球物理资料的不足。
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