銀川平原基于地球物理資料三維建模的深部地質構造研究

陳曉晶，虎新軍，李寧生，安百州，白亞東

(寧夏回族自治區地球物理地球化學勘查院，寧夏 銀川 750001)

0 引言

針對銀川平原深部地質構造的研究，成果豐碩。前人通過部分石油地震、大地電磁測深等地球物理方法推測盆地內新生界最厚沉積層約7 000 m[1-3]；湯錫元等根據地震勘探成果，將銀川盆地劃分為5個次級構造單元[4]；孟廣魁等認為銀川盆地除賀蘭山東麓斷裂與黃河斷裂兩條邊界斷裂外，還存在規模較大的蘆花臺斷裂與銀川斷裂兩條隱伏斷裂[5]；王美芳等少數學者對銀川盆地的構造特征進行了初步分析，認為銀川盆地整體構造概貌為中部斷落較深，向兩側以斷階狀或斜坡狀抬升，呈西陡東緩的巨大的寬緩向斜形態[6-7]；侯旭波總結了銀川盆地新生界及基底地層的不同構造樣式，認為新生界主要發育伸展和伸展—走滑構造樣式，基底發育擠壓和反轉構造樣式[8]；汪琪等通過橫跨銀川平原的大地電磁測深剖面分析了盆地內4條斷裂的深部交切關系，并分析了除主要斷裂之外的其他次級小規模斷裂的剖面展布特征[9-10]；劉金保等對橫過地塹4條主要斷層進行了深地震反射探測，推進了對銀川地塹深、淺構造關系的認識[11-13]。銀川斷陷盆地內部四口銀參井及NSR-2、Y4兩口深部地熱井鉆孔資料揭示，盆地北部與中南部深部地層結構存在較大差異?？梢哉f，上述眾多科研成果逐步將銀川盆地地質構造特征研究引向深入。

但是，銀川盆地深部地層結構特征及斷裂關系復雜，僅從地層界面特征不足以完整反映盆地內局部構造單元展布形態、地層縱向疊置特征、斷裂深部交切關系、主次斷裂組合模式、基底構造發育細節等深部地質構造的南北變化。筆者在前人認識的基礎上，以鉆孔資料為約束，重力2.5D人機交互反演成果為基礎，搭建了銀川平原深部三維地質模型，系統地研究了盆地深部構造格架和基底起伏形態。

1 地質構造概況

銀川新生代斷陷盆地亦稱銀川地塹，與賀蘭山山體基本平行。東界為黃河斷裂，西界為賀蘭山東麓斷裂。石嘴山至銀川、永寧段盆地走向為NE30°，臨河堡—青銅峽以南和石嘴山以北為SN走向，總體呈反“S”形。北東段長達110 km，南北段長達130 km，寬度20～50 km不等，為南北兩端窄中間寬的新生代地塹[14-15](圖1)。

銀川斷陷盆地大地構造位置屬柴達木—華北板塊Ⅰ級構造單元、華北陸塊Ⅱ級構造單元、鄂爾多斯地塊Ⅲ級構造單元、鄂爾多斯西緣中元古代—早古生代裂陷帶Ⅳ級構造單元。盆地內一系列傾向相同的NNE向正斷層，使地層逐級由兩側向中心錯落，形成階梯狀地層結構[16]。

1—全新統上部風積層；2—全新統湖沼積層；3—全新統下部風積層；4—全新統靈武組；5—上更新統馬蘭組；6—上更新統水洞溝組；7—上更新統洪積層；8—新近系干河溝組；9—新近系彰恩堡組；10—古近系清水營組；11—下白堊統宜君組；12—下白堊統廟山湖組；13—中侏羅統直羅組；14—中侏羅統延安組；15—上三疊統上田組；16—上三疊統大風溝組；17—中三疊統二馬營組；18—下三疊統劉家溝與和尚溝并層；19—下三疊統劉家溝組；20—上二疊統孫家溝組；21—中上二疊統上石盒子組；22—中二疊統下石盒子組；23—下二疊統山西組；24—上石炭統羊虎溝組；25—上石炭統靖遠組；26—上泥盆統中寧組；27—中上奧陶統米缽山組；28—下中奧陶統天景山組；29—中寒武統胡魯斯臺組；30—中寒武統陶思溝組；31—中元古代王全口組；32—中元古代黃旗口組；33—古元古代趙池溝巖群；34—古元古代宗別立巖組；35—古元古代賓布勒巖組；36—古元古代英云閃長巖；37—古元古代黑云母花崗巖；38—地質界線；39—推測地質界線；40—不整合界線；41—巖相界線；42—重要斷層；43—隱伏斷層；44—活動斷層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圖1 銀川平原地質構造Fig.1 Geological structure map of Yinchuan Plain

2 巖石(地層)密度特征

綜合銀川平原地層密度特征及前人研究成果[15],本區古生界—元古界地層密度值多在2.50～2.78 g/cm3之間變化，而中生界地層密度值則多在1.97～2.67 g/cm3之間變化，新生界新近系—古近系密度值較低，在2.02～2.48 g/cm3之間；第四系不同類型沉積層密度均值處于1.80～2.16 g/cm3區間內，其中洪積層密度均值最大，范圍2.0～2.16 g/cm3，湖積層密度最小，平均密度值為1.80 g/cm3；由于銀川平原各構造單元及地層的埋深不同，導致同一地層、不同地區巖石(地層)密度具有明顯的差異性，由西向東密度值逐漸降低，且不同地區密度差異較大(表1、表2)。

表1 銀川平原地區地層密度特征統計Table 1 Statistical table of stratigraphic density characteristics in Yinchuan Plain

表2 銀川平原地區第四系覆蓋層密度特征統計Table 2 Statistical table of quaternary cover layer density characteristics in Yinchuan Plain

3 剖面地質結構特征

為了從縱向上剖析銀川盆地在不同地區各套沉積地層的深部地質特征變化，精細地分析盆地內各次級構造單元之間的過渡關系及各局部構造(凹陷/凸起)的剖面特征，從而為銀川盆地三維地質模型的搭建提供依據，以銀川盆地中部Ⅴ-Ⅴ′骨干剖面為例，綜合參考該剖面周緣的大地電磁測量G-G′剖面與深地震反射YC-1剖面解釋結果，運用銀川平原1∶20萬剩余重力異常數據(地形相關補償后)，以銀參三井分層數據為約束，對剖面進行2.5D人機交互反演。以此剖面反演結果為依據，在巖石(地層)密度特征的指導下，以通過骨干剖面的鉆孔資料為主要約束條件，對銀川斷陷盆地重點構造區域及構造轉折部位的其他剖面進行重力2.5D反演(圖2、圖3)。

3.1 銀川斷陷盆地北部

以石嘴山地區為代表的銀川盆地北部地層呈“兩側抬升、中部下沉，西深東淺、層系缺失”的特征。盆地內部銀川斷裂、蘆花臺斷裂兩條分帶斷裂淺部為隱伏狀，深部交于賀蘭山東麓斷裂；賀蘭山東麓斷裂上陡下緩，并于深部歸并于黃河斷裂之上；黃河斷裂規模最大，呈高角度狀切入基底巖層。新生界覆蓋層巨厚(大于6 000 m)，直接覆蓋于元古宇賀蘭山巖群之上(圖4)。

圖2 銀川盆地2.5D人機交互反演剖面位置Fig.2 2.5D human-computer interaction inversion profile location map of Yinchuan Basin

3.2 銀川斷陷盆地中部

以銀川地區為代表的銀川斷陷盆地中部地層繼承了北部“兩側抬升、中部下沉”的基本特征，并具備“層位平緩、基底下降”的差異性。且沉積—沉降中心整體由靠近賀蘭山東麓斷裂向靠近蘆花臺斷裂偏移，東部斜坡區的范圍較北部石嘴山地區逐漸增大。盆地內銀川斷裂與蘆花臺斷裂展布形態與北部相同。新生界覆蓋層較厚(大于5 200 m)，其覆蓋于奧陶系之上，底部為元古宇賀蘭山巖群(圖5)。

3.3 銀川斷陷盆地南部

以吳忠、靈武地區為主體的盆地南部與中北部呈顯著差異，呈“盆中縮小、斜坡增大，基底抬升、逆沖出現”的變化。盆地內吳忠斷裂與靈武斷裂兩條分帶斷裂規模較小，深部靈武斷裂交于吳忠斷裂上，而吳忠斷裂歸并于黃河斷裂之上。盆地中部凹陷區急速縮小，南部斜坡區范圍增大，新生界覆蓋層變薄(小于3 000 m)，其覆蓋于大厚度的奧陶系之上，古元古界賀蘭山巖群抬升，受青銅峽—固原斷裂的作用，阿拉善微陸塊前緣地層逆沖于盆地南部斜坡區地層之上(圖6)。

a—G-G’大地電磁測深剖面；b—YC-1深地震反射剖面；c—V-V’剖面2.5D反演結果；ρ—地層密度；Q—第四系；N—新近系；E—古近系；K—白堊系；T—三疊系；P—二疊系；C—石炭系；O—奧陶系；Pt—元古宇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圖3 Ⅴ-Ⅴ′剖面2.5D反演過程Fig.3 2.5 D inversion process diagram of V-V′ profile

a—Ⅱ-Ⅱ’剖面2.5D反演結果；b—Ⅲ-Ⅲ’剖面2.5D反演結果；ρ—地層密度；Q—第四系；N—新近系；E—古近系；K—白堊系；T—三疊系；P—二疊系；C—石炭系；O—奧陶系；Pt—元古宇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圖4 銀川盆地北部剖面2.5D反演結果Fig.4 2.5D inversion results of the northern section in Yinchuan Basin

a—Ⅵ-Ⅵ’剖面2.5D反演結果；b—Ⅶ-Ⅶ’剖面2.5D反演結果；ρ—地層密度；Q—第四系；N—新近系；E—古近系；K—白堊系；P—二疊系；C—石炭系；O—奧陶系；Pt—元古宇；γδo—英云閃長巖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圖5 銀川盆地中部剖面2.5D反演結果Fig.5 2.5D inversion results of the central section in Yinchuan Basin

a—Ⅷ-Ⅷ’剖面2.5D反演結果；b—Ⅸ-Ⅸ’剖面2.5D反演結果；ρ—地層密度；Q—第四系；N—新近系；E—古近系；K—白堊系；T—三疊系；P—二疊系；C—石炭系；O—奧陶系；Pt—元古宇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圖6 銀川盆地南部剖面2.5D反演結果Fig.6 2.5D inversion results of the southern section in Yinchuan Basin

4 三維地質構造模型特征

筆者以橫跨銀川平原的9條骨干剖面2.5D人機交互反演結果為基本依據，利用petrel軟件對其進行了數字化處理，在此基礎上重構了賀蘭山東麓斷裂、蘆花臺斷裂、銀川斷裂及黃河斷裂4條主要斷裂及新生界覆蓋層、奧陶系與元古宇基底地層的三維空間模型，并以平原內9口鉆孔資料為約束，構建了三維地質構造模型，直觀地理清了銀川盆地由北到南地質構造的變化情況。

4.1 主要斷裂深部特征

銀川斷陷盆地的邊界斷裂賀蘭山東麓斷裂、黃河斷裂及白土崗—芒哈圖斷裂為NNE走向正斷層，青銅峽—固原斷裂為NW走向的逆沖斷層，盆地南部青銅峽—固原斷裂與白土崗—芒哈圖斷裂對銀川斷陷盆地的直接控制作用不明顯，反映在三維地質構造模型中，斷裂與盆地其余幾條斷裂相互關系不夠密切。

賀蘭山斷裂作為盆地西部控制斷裂，自古近系以淺表現為陡立狀，古近系以深至元古宇基底老地層斷裂產狀逐漸變緩；黃河斷裂作為盆地的東部邊界斷裂，其南段淺部為裸露狀，中北段為隱伏狀；蘆花臺斷裂產狀較陡立；銀川斷裂斷面較平直(圖7)。

圖7 銀川斷陷盆地內部分帶斷裂立體圖Fig.7 Three-dimensional map of faults in the Yinchuan fault Basin

4.2 局部構造單元特征

前人將銀川斷陷盆地細分為北部斜坡區、西部斜坡區、中央坳陷區、東部斜坡區與南部斜坡區五個次級構造單元[4]，筆者認為由于銀川斷陷盆地內北部無區域性斷裂作為北部與中部構造單元分界線，因此，北部斜坡區并不明顯存在，進而將銀川斷陷盆地劃分為4個次級構造單元(圖8)。

地層為新近系底The stratum is the bottom of Neogene圖8 銀川斷陷盆地次級構造單元劃分圖Fig.8 Sub-structural unit division map of Yinchuan fault Basin

4.2.1 西部斜坡區

夾持于賀蘭山東麓斷裂與蘆花臺斷裂之間，呈長條狀展布。橫向上，地層西高東低，為賀蘭山隆褶帶與銀川盆地的過渡區域；縱向上，北部地區新生界地層直接覆蓋于古元古界賀蘭山巖群之上，中南部地區新生界地層覆蓋于奧陶系地層之上，底部為古元古界結晶基底(圖9)。

黃色為新近系底，橘黃色為古近系底，綠色為奧陶系底Yellow is the bottom of Neogene, orange is the bottom of Paleogene, and green is the bottom of Ordovician圖9 銀川斷陷盆地西部斜坡區立體圖Fig.9 Three-dimensional map of the western slope area of Yinchuan fault Basin

斜坡帶內的兩處低陷區域為中央坳陷區平羅凹陷與銀川凹陷的西側部分，北部隆升區域為平羅南凸起北端。中部為蘇峪口東側賀蘭山山前隆起，較北部平羅南凸起幅度低，是由古元古界結晶基底及奧陶系褶皺基底上隆所致，且隆起幅度最大地層為奧陶系。

4.2.2 中央坳陷區

位于西部斜坡區與東部斜坡區之間，受蘆花臺斷裂與銀川斷裂控制，縱向上沉積地層與西部斜坡區一致，北部新生界地層直接覆蓋于古元古界賀蘭山巖群之上，中部與南部新生界地層覆蓋于奧陶系地層之上，底部為古元古界賀蘭山巖群，且具有“三凹兩凸”的構造格局(圖10)。

1)主要局部凹陷。北部凹陷為平羅凹陷，新生界地層直接覆蓋于賀蘭山巖群之上，沉積最大厚度處位于古近系地層，約6 000 m，是盆地內新生界沉積厚度最大區。中部洪廣次凹與興涇次凹構成銀川凹陷，主要分布地層為新生界、奧陶系與古元古界地層，凹陷沉積的最大厚度處約為5 200 m，較北端平羅凹陷沉積厚度稍淺，北部洪廣次凹形成于古近系地層，后期新近系與第四系地層繼承性的沉積于其上，與之不同的是南部興涇次凹形成于奧陶系地層時期，后期新生界地層繼承性的沉積于奧陶系地層之上。南部靈武凹陷新生界地層上覆于奧陶系褶皺基底之上，深度最小，沉積的最大厚度處約為3 700 m，形成于奧陶系地層，后期新近系與第四系系地層呈繼承性沉積于古近系地層上。

圖10 銀川斷陷盆地中央坳陷區立體圖Fig.10 Three-dimensional map of the central depression area of Yinchuan fault Basin

2)主要局部凸起。北部為平羅南局部凸起，主要由古元古界變質巖基底上隆所致，上覆沉積新生界地層。南部為銀川南凸起，由古元古界結晶基底與奧陶系褶皺基底共同上隆所致，且隆起主要體現在奧陶系地層中，上隆幅度較北部平羅南局部凸起幅度低。

4.2.3 東部斜坡區

東部斜坡區是盆地東部受銀川斷裂與黃河斷裂控制，銀川盆地向陶樂—橫山堡沖斷帶過渡的寬緩的平臺區，地層橫向上表現為向東抬升的特征，縱向上北部地區新生界地層直接覆蓋于古元古界基底之上，中南部新生界地層覆蓋于奧陶系地層之上，底部為古元古界賀蘭山巖群(圖11)。

斜坡帶內北部低陷區為平羅凹陷東側向臺地過渡的過渡帶，南部為金貴凹陷，沉積最大厚度處約為3 200 m，為古近系地層，凹陷形成于奧陶系地層，后期新生界地層繼承性的沉積于奧陶系地層之上。

北部隆升區域為東部斜坡向臺地過渡的構造特征，中部為掌政凸起，南部為永寧凸起，是由古元古界變質巖基底上隆所引起，上覆沉積新生界地層。

4.2.4 南部斜坡區

斜坡區夾持于吳忠斷裂與青銅峽—固原斷裂，為盆地南端受阿拉善微陸塊向北東擴張而形成的隆升區，縱向上，新生界地層覆蓋于奧陶系地層之上，下伏古元古界基底。斜坡區北部分布青銅峽凸起，是受基底及奧陶系上隆所致(圖12)。

圖11 銀川斷陷盆地東部斜坡區立體圖Fig.11 Stereogram of the eastern slope area of Yinchuan fault Basin

圖12 銀川斷陷盆地南部斜坡區立體圖Fig.12 Stereogram of the southern slope area of Yinchuan fault Basin

4.3 盆地基底特征

銀川斷陷盆地深部縱向上存在兩套基底，上部的奧陶系褶皺基底展布以平羅南凸起為界，南北差異性較大，北部奧陶系缺失，南部展布范圍廣，且厚度由北向南逐漸增大；下部的古元古界變質巖基底為整個盆地的結晶基底，其頂界面的起伏形態影響著上覆地層的沉積形態，直接決定了盆地內部局部凸起與局部凹陷的形成。

平羅凹陷、銀川凹陷、靈武凹陷及金貴凹陷中，下降幅度最大區為平羅凹陷，新生界厚度約6 000 m。中部的銀川凹陷下部基底埋深約為7 800 m處。南部靈武凹陷下部基底埋深約5 600 m。賀蘭山山前隆起、平羅南凸起、銀川南凸起、青銅峽凸起、掌政凸起及永寧凸起中除北部平羅南凸起由古元古界結晶基底上隆所致，其余幾處隆起與凸起區均由古元古界結晶基底及奧陶系褶皺基底上隆所致，且奧陶系頂界面的隆升幅度最大。

賀蘭山東麓斷裂與黃河斷裂深部均切入基底巖層，黃河斷裂規模最大，賀蘭山斷裂歸并于黃河斷裂上。盆地內部分帶斷裂蘆花臺斷裂與銀川斷裂深部亦切入基底巖層。

5 結論

1) 銀川盆地內4條主要斷裂深部展布特征清楚：① 賀蘭山東麓斷裂淺部為裸露狀，于深部歸并于黃河斷裂；② 黃河斷裂淺部南段呈裸露狀、中北段為隱伏狀，深部呈高角度狀切入基底巖層；③ 蘆花臺斷裂與銀川斷裂產狀較陡立，淺部呈隱伏狀，深部歸并于賀蘭山東麓斷裂上；④ 4條斷裂及其次級附屬斷裂空間上形成“花狀”特征的銀川地塹系。

2) 銀川盆地由4個局部構造單元構成：① 西部斜坡區夾持于賀蘭山東麓斷裂與蘆花臺斷裂之間，呈長條狀展布，為賀蘭山隆褶帶與銀川盆地的過渡區域；② 中央坳陷區為盆內沉積厚度最大區域，具有“三凹兩凸”的構造格局；③ 東部斜坡區受銀川斷裂與黃河斷裂控制，為銀川盆地向陶樂—橫山堡沖斷帶的過渡區，具有寬緩展布的平臺特征；④ 南部斜坡區被吳忠斷裂與青銅峽—固原斷裂所夾持，為盆地南端受阿拉善微陸塊向北東方向擴張而形成的隆升區。

3) 銀川斷陷盆地存在兩套基底，上部的奧陶系褶皺基底展布以平羅南凸起為界，北部奧陶系缺失，南部展布范圍廣，且厚度由北向南逐漸增大；下部的古元古界變質巖基底頂界面起伏較大，影響著上覆地層的沉積形態。

綜上所述，通過對銀川平原三維地質模型的構建，將前人對銀川平原深部地質構造碎片化的認識進行了集成與定量深化，將各斷裂深部展布及與各地層之間的關系進行了整合，對銀川盆地由北至南、由深至淺的地質構造進行了系統的梳理及更直觀的展示，為后期對銀川盆地的研究提供了更加系統的認識。