针对灵武凹陷基底构造的研究均是贯穿于银川盆地构造研究中,苏世民、雷启云等认为盆地南部与北部具有的不对称性正好相反,北部西深东浅,南部东深西浅,南段沉降中心靠近地堑的东缘,沉降厚度偏向黄河断裂^[12];李清河^[3]认为银川盆地整体呈NNE走向,但在干沟—横城一线以南转为NNW走向,大致以该界限为界分为南北两部分,北部为“银北凹陷”,南部称“灵武凹陷”,并将灵武凹陷划分为3个亚一级构造单元:永宁隆起带、灵武浅陷带和南翼斜坡带,将灵武凹陷与北部银北凹陷对比,区域构造方向变为NW走向,沉降幅度小,基底为奥陶系;邓起东等^[4]以银川盆地为研究,认为盆地下地壳上部发生强烈速度逆转,低速层厚达10~15 km,莫霍面隆起幅度可达6 km;侯旭波等^[5]认为银川盆地基底构造层以挤压构造样式为主,表现为逆冲断层及相关褶皱,而南部灵武凹陷剖面上表现为对冲的构造样式,与逆断层相关的褶皱多数顶部被剥蚀,仅残留底部;陈晓晶、李宁生等^[68]基于地球物理资料以搭建三维构造模型的方式对银川盆地深部地质构造进行了整合,认为灵武凹陷新生界上覆于奥陶系褶皱基底之上,沉积的最大厚处约3 700 m,下部基底埋深约5 600 m。前人的研究成果基本厘清了灵武凹陷地层结构及基底形态,但以往研究成果以小比例尺的地球物理资料为主,资料精度有限。笔者在前人的认识基础上,以钻孔及物探剖面为约束,以重力2.5D人机交互反演成果为基础,系统地刻画了灵武凹陷构造格架和基底起伏形态。

研究区位于银川断陷盆地南端吴忠、灵武地区,东界为黄河断裂,西界为永宁县—梧桐树乡一线以东,总体呈NNE走向的不规则“菱形”展布。南北长约37 km,东西宽约10 km,凹陷面积约350 km²。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、银川断陷盆地南段Ⅴ级构造单元^[9]。

研究区发育NW及近SN向断裂,黄河断裂为最主要的控边断裂^[10-15]。前人研究结果表明,灵武凹陷存在两套基底,上部为奥陶系褶皱基底,下部为古元古界结晶基底,新生界地层直接覆盖于奥陶系褶皱基底之上,为第四系覆盖区(图1)。

根据前人研究成果^[68],研究区及周缘地区出露地层密度由新到老呈增大趋势,第四系土壤层密度均值变化范围在1.80~2.16 g/cm³之间,其中洪积层密度均值为2.0~2.16 g/cm³,冲积层密度次之,均值为1.9 g/cm³,风积层密度为1.88~1.91 g/cm³,湖积层密度最小,平均值为1.80 g/cm³;新近系—古近系砂岩层密度变化为2.02~2.5 g/cm³;古生界奥陶系密度值多在2.63~2.73 g/cm³之间变化,平均密度值为2.69 g/cm³;下伏古元古界结晶基底密度范围为2.7~2.83 g/cm³,均值为2.78 g/cm³。

各地层密度特征如表1。研究区地层间存在3个密度界面,其中古近系—新近系与上覆第四系存在约0.65 g/cm³的密度差,与下伏奥陶系褶皱基底形成密度差为0.24 g/cm³的密度界面;奥陶系与下伏古元古界密度差较小,仅为0.09 g/cm³,上述两个明显的密度界面直接影响了研究区及周缘的局部重力异常,下伏基底间的密度界面对其虽有影响,但影响力有限。

表2为根据前期大地电磁勘探成果总结的银川地堑的地壳上地幔电性分层结构^[16-17]。不同的地质构造单元,深部电性结构差别明显,位于构造活动剧烈的银川断陷盆地电性结构复杂,电性界面起伏大,银川地堑区壳幔电性结构大致可分为5层,其下方存在壳内低阻层和上地幔隆起,隆起区呈南北狭长形展布,基本与地堑相吻合,反映了剧烈的构造作用和深部物质运动的结果。

以银川盆地南部1∶5万布格重力数据为基础,采用小波变换方法对此数据进行多尺度分解,将分解的各阶次重力场与钻孔分层数据对比,三阶细节场功率谱分析场源似深度约3 000 m,可作为褶皱基底顶面起伏产生的场,结果如图2所示。灵武凹陷并非为银川断陷盆地中央坳陷区南端单一沉陷区,而是由梧桐树次凹、崇兴西次凸及崇兴次凹共同构成,整体呈不规则走向的菱形片状,面积约350 km²。西侧的梧桐树次凹表现为NNE向片状展布,自梧桐树乡延伸至吴忠北,面积约100 km²,异常相对平缓,无极小值点,反映了该次级凹陷面积小、深度浅的展布特征,南端梯度较大;东侧崇兴次凹受黄河断裂控制,呈近SN向长条展布,面积约200 km²,3个极值区分别位于永宁东、灵武北及灵武市,东西两侧形态基本对称;中部崇兴西次凸呈NNE向似菱形展布,将灵武凹陷一分为二,是夹持于黄河断裂与吴忠断裂之间的次级凸起,推测为灵武凹陷内残存的古地形,由古元古界基底隆升较高所致。

依上述结果利用平面帕克法反演研究区奥陶系基底深度,如图3所示,反演结果显示的NHR-1井的界面深度为2 950 m,因此,以界面深度反演结果作为奥陶系上界面深度是相对可靠的。结果表明灵武凹陷基底整体表现为“中间高、两侧低”,且紧邻黄河断裂崇兴次凹为凹陷沉降中心。具体地,西侧梧桐树次凹基底埋深约3 400~3 500 m,中部小范围的崇兴西次凸基底顶面埋深最浅,约3 100~3 250 m,东侧崇兴次凹基底埋深在3 500~4 200 m之间,落差较大,最深区位于中部灵武市北。

为了从纵向上剖析灵武凹陷由北至南深部地质特征变化,精细地分析灵武凹陷基底起伏形态,笔者以横跨灵武凹陷的3条实测1∶1万重力数据为基础,综合参考与剖面重合的可控源音频大地电磁测深(CSAMT)及周缘D-L、WZ-1深地震反射剖面解释结果,以NHR-1、LS01及银参二井3口钻孔的分层数据为约束,在岩石(地层)密度特征的指导下,利用Oasis montaj软件GMSYS剖面模拟模块对3条骨干剖面进行2.5D人机交互反演,结果如图4~图6所示。

以发射极距不小于1.8 km、收发距不小于9 km、接收极距100 m、发射频率9600~0.25 Hz为数据采集参数,应用成都理工大学研发的MTSoft2D V2.3软件,采用空间滤波法进行静态校正,选取带地形非线性共轭梯度二维反演(NLCG)方法得到的3条CSAMT反演电阻率剖面,如图4a~图6a所示。灵武凹陷北部电阻值以范围宽泛而简单的低阻为主,不具备层状结构,体现出湖泊相沉积地层的电性特征,是深度较大的局部凹陷的体现;中部表现为分布范围宽缓、阻值纵向成层、电性结构单一的低阻异常区。可以看出,局部凹陷内地层以新生界砂泥岩沉积为主,厚度大于3 000 m,纵向上分为明显的3个电阻层,依次为浅部中低阻层(0~200 m)、中部低阻层(200~1 500m)、深部中低阻层(1 500~3 000 m),依据区域地层电阻率值特征分析,这3层对应第四系—古近系;南部电法剖面呈现典型的“二元”结构,以800 m埋深为界,以浅层段的电性特征表现为局部薄层、不连续中阻层与宽缓、稳定的高阻层的组合特征,反映了浅表第四系砂砾夹粉土沉积层的厚度较小,而新近系的河流相碎屑岩沉积层厚度较大,且横向连续展布。以深区域低阻区为主要背景,局部呈现斜向刺穿式分布的中阻条带,为古近系湖相砂泥岩沉积的局部凹陷的电性特征,说明中央坳陷区南部新生界沉积厚度比较大,奥陶系基底受断层作用,下错深度较大,为南部一处具有代表性的盆地沉积中心。

由图4b拟合结果可知:灵武凹陷北部基底表现为范围较小的“凹槽”型,受黄河断裂控制,沉降中心紧邻黄河断裂,埋深约3 900 m;图5b拟合结果表明凹陷中部基底形态整体为“西浅东深”的斜坡样式,西侧梧桐树次凹基底为宽缓平台区,宽约8 km,东侧崇兴次凹范围较小,为基底埋藏最深区;由图6b拟合结果看出:凹陷南部与中部展布范围一致,受黄河断裂及吴忠断裂共同控制,基底整体抬升并呈“垒块”式展布,具体地,梧桐树次凹南端基底埋深约为3 400 m,中部小范围的崇兴西次凸最高处埋深约3 100 m,崇兴次凹南段基底埋深与北端相当。

综上,灵武凹陷上部的奥陶系褶皱基底呈北部窄、中南部范围广的特征展布,厚度为1 500 m,下部的变质岩基底为整个凹陷的结晶基底。纵向上,西侧梧桐树次凹为宽缓平台区,埋深较浅;东侧受黄河断裂控制崇兴次凹基底呈南北高、中部低的“鞍部”特征,且南北端新生界覆盖层厚度相当;中部的崇兴次凸为凹陷内基底埋藏最浅区。

1)灵武凹陷并非为盆地南部单一沉陷区,而是由梧桐树次凹、崇兴西次凸及崇兴次凹这3个次级构造单元共同构成。平面上凹陷整体呈不规则菱形片状展布,西侧梧桐树次凹相对平缓,深度较浅,约3 400~3 500 m;东侧崇兴次凹受黄河断裂控制为灵武凹陷沉积中心,呈近SN向长条展布,自北至南分布3个极值区,基底埋深约3 500~4 200 m之间;中部崇兴西次凸将灵武凹陷一分为二,是灵武凹陷内残存的古地形,基底埋深约3 100~3 250 m。

2)纵向上,灵武凹陷上部的奥陶系褶皱基底北部呈小范围“凹槽”型展布,中南部展布范围较广,奥陶系厚度约1 500 m。西侧梧桐树次凹为宽缓平台区,埋深较浅;中部小面积崇兴西次凸为埋深最高点,东侧崇兴次凹呈南北高、中部低的“鞍部”特征,鞍部中心位于灵武市北,且南北端新生界覆盖层厚度相当。

综上所述,灵武凹陷具有范围广、基底深、覆盖层厚度大的特征,且沉积—沉降中心带状展布于灵武东山山前,这与前人的观点是一致的。基底埋深最深处约4 200 m,与前人解释的基底最大埋深差约1 000 m。本次以地球物理资料为主,在前人认识的基础上对灵武凹陷基底由北至南、由西至东的展布形态及埋深范围等特征进行了细致刻画,并认为此凹陷并非为单一凹陷区,而是具有“一凸两凹”的构造格局,且凹陷中西侧古地形稍有隆起。