張 雪，劉建朝，李榮西，王行運，翁 凱

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054；2.中國石化集團華北石油局三普石油工程公司，陜西 咸陽 712000）

0 引言

渭河盆地是位于鄂爾多斯盆地與秦嶺造山帶之間的一個EW向展布的新生代斷陷盆地［1］。通過歷年來的調(diào)查研究已經(jīng)證實渭河盆地具有豐富的地?zé)豳Y源及水資源［2－4］，此外通過地震、鉆探以及取樣分析研究發(fā)現(xiàn)，渭河盆地地?zé)崴羞€富含多種成分、多種成因的天然氣資源。

渭河盆地地?zé)崴軞獬煞质謴?fù)雜，主要包括烴類氣體、非烴類氣體以及惰性氣體；成因類型具有“異巖多源”的特點，即地殼深部幔源氣與殼源氣的混合，深部無機氣與沉積層中有機氣的混合，不同地區(qū)不同源巖、不同母質(zhì)類型氣體的混合（煤型氣、油型氣），不同成熟度氣體的混合（未成熟、高成熟、過成熟），不同運移機制的混合［5］。渭河盆地蘊含著巨大的資源潛力，研究該地區(qū)的地?zé)崴卣鳎瑢ε璧氐臉?gòu)造及多源氣體的成因進行分析，討論相關(guān)氣體的分布規(guī)律，預(yù)測氣體資源富集的有利區(qū)域，可以為下一步的研究及勘探工作提供重要的地質(zhì)資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渭河盆地位于陜西省中部，西起寶雞隴縣，東至韓城—潼關(guān)，北部以淳化—耀縣—白水一線為界，南以秦嶺北緣斷裂為界。東西長約360km，東部寬70 km，西部寬20km，總面積為22 000km2。

1.1 構(gòu)造體系對盆地的影響

渭河盆地是疊加在燕山期隆起之上的喜馬拉雅期斷陷盆地。影響渭河盆地形成的構(gòu)造體系有秦嶺緯向構(gòu)造體系、祁呂賀蘭山字形構(gòu)造體系（祁呂系）［6］、新華夏構(gòu)造體系（新華夏系）以及隴西旋卷體系（隴西系）［7］，該盆地處于這4個巨型構(gòu)造體系的復(fù)合交匯地區(qū)。

祁呂系東翼與新華夏系的復(fù)合使祁呂弧過早地偏向NNE方向，使這一地區(qū)重接部位的構(gòu)造活動得到加強。祁呂系和秦嶺緯向構(gòu)造體系的復(fù)合，基本控制了區(qū)內(nèi)近EW向和NE向斷裂的分布。在隴西系與祁呂系的復(fù)合處，由于隴西系形成稍晚，所以盆地西部地區(qū)基本納入隴西系的控制之下，祁呂弧的形跡并不明顯。秦嶺緯向構(gòu)造體系與新華夏系的復(fù)合，使它們各自在對方薄弱地段出現(xiàn)，互相穿插，表現(xiàn)出不甚明顯的截接關(guān)系。這些構(gòu)造體系在渭河盆地周邊交匯在一起，互相穿插、干擾和利用，發(fā)生復(fù)合和聯(lián)合，使得渭河盆地在它們的影響下形成一個非常復(fù)雜的構(gòu)造圖象［8］（圖1）。由于受到多種構(gòu)造體系的聯(lián)合控制，盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，并影響著盆地中構(gòu)造單元、沉積相的劃分以及水溶氣的運移和保存。

1.2 盆地中的斷裂構(gòu)造

圖1 渭河盆地構(gòu)造形跡略圖［8］Fig.1 Sketch map of structural features in Weihe

圖2 渭河盆地主要斷裂構(gòu)造圖分布圖［5］Fig.2 Distribution map of major faults in Weihe

圖3 渭河盆地構(gòu)造單元劃分圖Fig.3 Map showing tectonic unit division in Weihe

渭河盆地中的斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，走向多為近EW向、NE向和NW向，斷裂性質(zhì)多為高角度正斷層。EW向者延伸長、斷距大、形成早，經(jīng)歷過多期活動，不同活動期的力學(xué)性質(zhì)有所不同，根據(jù)渭河盆地的演化過程，結(jié)合斷裂構(gòu)造的表現(xiàn)形式，一般認(rèn)為此類斷裂多具有先壓后張性質(zhì)；NE向和NW向斷層為同期的剪切斷裂，在北山地區(qū)表現(xiàn)最為明顯，在老地層中常以X型節(jié)理出現(xiàn)［9］。渭河盆地斷裂構(gòu)造皆為高角度正斷層，斷裂傾角多為50°～70°，斷距較大，通常＞1km，且近EW向斷裂的斷距一般大于NE向和NW向斷裂，渭河盆地南緣斷裂的斷距遠(yuǎn)大于盆地北緣斷裂。主要斷裂包括秦嶺北緣斷裂、余下—鐵爐子斷裂、渭河斷裂、口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂、乾縣—富平斷裂、禮泉—雙泉斷裂、長安—臨潼斷裂、固關(guān)—平陽斷裂、隴縣—岐山—啞柏斷裂、涇河斷裂（圖2），這些斷裂對構(gòu)造單元的劃分、地層的展布以及地?zé)崴軞獾倪\聚、分布都起著重要作用。

1.3 盆地構(gòu)造單元的劃分

分析盆地內(nèi)地震、測井等地球物理資料，結(jié)合盆地基底、蓋層、沉降以及構(gòu)造特征等，可以將渭河盆地劃分為3個大區(qū)和5個次級構(gòu)造單元（圖3）。

①北部斜坡區(qū)（Ⅰ）：位于盆地的北部，大致以渭河斷裂（F3）和禮泉—雙泉斷裂（F6）一線為界，基底地層以古生界碳酸鹽巖為主，埋深較淺，新生界蓋層厚度中等，包括咸禮凸起（Ⅰ1）和蒲城凸起（Ⅰ2）2個次級構(gòu)造單元，其中蒲城凸起具有由北部斜坡區(qū)向南部坳陷區(qū)過渡的性質(zhì)；②南部坳陷區(qū)（Ⅱ）：位于渭河斷裂（F3）和禮泉—雙泉斷裂（F6）一線以南，基底以太古宇和元古宇為主，新生界蓋層發(fā)育，分為西安凹陷（Ⅱ1）、固市凹陷（Ⅱ2）和臨藍(lán)凸起（Ⅱ3）3個次級構(gòu)造單元組成，其中固市凹陷具有由南部坳陷區(qū)向北部斜坡區(qū)過渡的性質(zhì)；③西部隆起區(qū)（Ⅲ）：位于渭河盆地最西端，即隴縣—岐山—啞柏斷裂以西，基底為白堊系碎屑巖，蓋層厚度不大。

2 渭河盆地地質(zhì)特征

渭河盆地具有典型的雙層結(jié)構(gòu)，前新生界統(tǒng)稱為基底，新生界則為蓋層。

2.1 基底特征

渭河盆地為“南斷北超”的箕狀凹陷，根據(jù)地球物理資料、鉆井資料和地質(zhì)調(diào)查資料綜合分析表明，渭河盆地的基底結(jié)構(gòu)大致以渭河斷裂和禮泉—雙泉斷裂為界，劃分為2個大區(qū)（圖4）：斷裂北部為斜坡帶，地層主要為古生界和中生界的沉積巖；南部為坳陷區(qū)，基底主要由太古宇、元古宇變質(zhì)巖系以及中生代花崗巖體構(gòu)成，以長安—臨潼斷裂和涇陽斷裂為界，南區(qū)又可以進一步分為東部的太古宇變質(zhì)巖區(qū)和西部的元古宇變質(zhì)巖區(qū)。

2.2 蓋層特征

渭河盆地的新生界自下而上為：古近系始新統(tǒng)紅河組、漸新統(tǒng)白鹿原組；新近系中新統(tǒng)高陵群、上新統(tǒng)藍(lán)田－灞河組、張家坡組；第四系下更新統(tǒng)三門組、中上更新統(tǒng)秦川群。盆地中的沉積相主要為河流相、湖泊相交替出現(xiàn)，不同時期、不同構(gòu)造單元的沉積相不同。新近紀(jì)以來，南部坳陷區(qū)中西安凹陷和固市凹陷的沉積相差異愈見明顯，尤其在張家坡組沉積時，西安凹陷表現(xiàn)為河湖相沉積的氧化－弱氧化環(huán)境；固市凹陷則為湖相沉積為主的弱還原－還原環(huán)境，這對盆地中富氦水溶氣的保存和可燃水溶氣的生成都有重要的影響（表1）。

圖4 渭河盆地基底巖性分布略圖［10］Fig.4 Map showing lithology distribution in basement in Weihe

表1 渭河盆地蓋層巖性及沉積相簡表Table 1 Lithology and sedimentary facies of cover layer in Weihe

3 地?zé)崴卣?/h2>

3.1 地?zé)崴厍蚧瘜W(xué)特征

渭河盆地地?zé)崴瘜W(xué)類型很多，其中陽離子以Na＋為主，Ca2＋和 Mg2＋含量少，陰離子以 Cl－，SO2－4為主，HCO－3型熱水較少。水化學(xué)類型以雙重離子復(fù)合的SO4·HCO3－Na型為主，SO4·Cl次之；其次為單一離子型SO4－Na型和Cl－Na型；少部分為3種離子的復(fù)合型。研究結(jié)果表明，不同構(gòu)造單元的水化學(xué)類型差異較大，南北凸起區(qū)的水化學(xué)類型多而復(fù)雜，凹陷區(qū)的類型相對簡單；作為地?zé)崴倪\移通道，不同構(gòu)造單元的斷裂帶選擇性地對流體進行吸附及運移，導(dǎo)致在較大的構(gòu)造單元內(nèi)盡管水化學(xué)類型比較復(fù)雜，但靠近斷裂帶的水化學(xué)類型卻相對單一；淺部的水化學(xué)類型比較復(fù)雜，種類較多，而深部則較為簡單。

3.2 地?zé)崴c天然氣的關(guān)系

地?zé)崴軞饧礊槿芙庥诘責(zé)崴械奶烊粴?，其中天然氣相?dāng)于溶質(zhì)，地?zé)崴疄槿軇?。地?zé)崴臏囟?、壓力、礦化度對水溶氣的成分及溶解度都有重要影響。

溫度影響甲烷在水中的溶解度［11］。當(dāng)溫度低于80℃時，溶解度隨溫度升高而逐漸變?。桓哂?0℃時，溶解度隨著溫度的升高逐漸增大。對固市凹陷未鉆透張家坡組的4口地?zé)崴乃軞膺M行成分分析，其甲烷平均含量可達(dá)95%，實測地層水溫度約為35°C；對另外4口井深達(dá)到高陵群的地?zé)崴軞獾姆治?，其甲烷平均含量?5.19%，井口水溫65°C。結(jié)果表明，除了烴源巖的影響之外，地層溫度對地?zé)崴軞庵屑淄榈暮烤哂幸欢ǖ挠绊憽?/p>

表2 渭河盆地主要地?zé)峋責(zé)崴瑲鉅顟B(tài)表Table 2 Situation of gas－bearing geothermal water in the main geothermal wells in Weihe

壓力對溶解度的影響遠(yuǎn)大于溫度，而且當(dāng)溫度超過80℃以后，溶解度與壓力的關(guān)系曲線有隨壓力增大而散開的特征，說明在高壓條件下氣體的溶解度受溫度的影響較大，在低壓下溫度的影響相對較?。?2］。在埋深較大的地層水中，特別是在高壓異常帶的地層水中，常伴生有豐富的高壓水溶氣資源。

渭河盆地富氦水溶氣主要賦存于新近系藍(lán)田－灞河組和高陵群，對應(yīng)深度大致為1 500～2 500m，根據(jù)推算，其地層溫度大致為70～90℃，在莫霍面凸起區(qū)以及深大斷裂附近溫度更高。盆地內(nèi)已鉆鑿地?zé)峋{(lán)田－灞河組及高陵群的地層壓力系數(shù)均＞1（表2），屬較高地層壓力，此時地?zé)崴軞獾暮看蟠笤黾?。這種成藏類型相當(dāng)于天然氣成藏的封存箱，當(dāng)箱體內(nèi)外壓力系數(shù)為1.2～1.3時，將導(dǎo)致封存箱封隔帶的局部破裂，箱內(nèi)流體將沿破裂涌出，形成次生運移。渭河盆地內(nèi)這種箱內(nèi)流體壓力系數(shù)均在1.06以下（表2），處于封存箱保存完整期，利于富氦水溶氣的富集和保存。

此外，烴類氣體的溶解度主要受總礦化度的影響，受無機鹽種類的影響不大。研究表明，渭河盆地地?zé)崴季哂幸欢ǖ牡V化度，地?zé)崴械牡V化度和水化學(xué)類型對本區(qū)地?zé)崴軞獾娜芙舛扔绊懖幻黠@。

4 水溶氣形成條件分析

4.1 氦氣來源

水溶氣樣品在中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)研究所天然氣地球化學(xué)國家重點實驗室檢測，利用VG 5400稀有氣體靜態(tài)質(zhì)譜計分析水溶氣的3He／4He比值（表3），分析標(biāo)準(zhǔn)為蘭州市皋蘭山頂?shù)拇髿猓銻a＝3He／4He＝（1.4±0.03）×10－6。根據(jù)實測的氦氣值R，可以通過二元混合模式計算出氦氣中幔源氦（Rm）和殼源氦（Rc）的所占比例［13］。幔源氦（3He）所占比例的計算公式為：

3He＝［（R－Rc）／（Rm－Rc）］×100%

式中，R為氦氣實測值；Rc為殼源氦，3He／4He標(biāo)準(zhǔn)值2.0×10－8；Rm為幔源氦，3He／4He標(biāo)準(zhǔn)值1.1×10－5；Ra為大氣氦，3He／4He標(biāo)準(zhǔn)值1.4×10－6。

幔源氦是指主要存在于地幔，地球形成時從宇宙星云中帶來的原始氦；殼源氦是指放射性成因的氦，由于巖石類型的不同3He／4He值變化范圍較大，通常從n×10－7～n×10－9，其“典型”值為n×10－8［9］。渭河盆地水溶氣樣品的氦同位素測定結(jié)果顯示（表3），除御園井、渭南中醫(yī)學(xué)院井3He／4He＝n×10－7外，其余各井均表現(xiàn)為典型的殼源氦特征。

表3 渭河盆地水溶氣氦同位素數(shù)值及不同來源氦氣含量表Table 3 Helium isotope values of gas soluble in water and contents of helium from different sources in Weihe basin

表4 渭河盆地水溶氣碳同位素分析結(jié)果及成因分類Table 4 Carbon isotope analysis and genetic classification of gas soluble in water in Weihe

4.2 甲烷氣來源

將水溶氣樣品送中國科學(xué)院油氣資源研究中心地球化學(xué)重點實驗室，用VG 5400質(zhì)譜儀分析氣體的碳同位素比值（表4）。

從表4可以看出，渭河盆地水溶氣中烴類氣體的成因多樣：有機－無機，油型氣－煤成氣，未成熟（生物）氣－成熟（凝析）氣均有出現(xiàn)。其中，有機成因的氣甲烷含量相對較高，無機成因的含量較低（0.280%，御園）；同一構(gòu)造單元中熱解型煤成氣和油型氣的甲烷含量較為平均（10.164%～15.917%），生物成因氣的甲烷含量（17.964%，靈山寺）高于煤成氣和油型氣；同為煤成氣，固市凹陷的甲烷含量（82.860%，渭南中醫(yī)學(xué)院）遠(yuǎn)大于西安凹陷（均值10.512%）。

4.3 成藏條件研究

本區(qū)氦氣的主要源巖為余下—鐵爐子斷裂兩側(cè)富鈾的藍(lán)田和護牧關(guān)花崗巖體，生物可燃?xì)獾脑磶r為固市凹陷張家坡組湖相深色泥灰?guī)r；富氦水溶氣的主要儲層為藍(lán)田－灞河組，次為高陵群，可燃水溶氣的儲層為張家坡組所夾薄層砂巖或裂縫發(fā)育的泥頁巖；張家坡組泥頁巖為區(qū)域性蓋層，其他地層中所夾厚層泥巖為局部性蓋層；圈閉類型以與斷裂相關(guān)的構(gòu)造圈閉為主；斷裂構(gòu)造是水溶氣主要的運移通道；由于生、儲、蓋縱向上配置較好，且斷裂沒有切穿蓋層，所以保存條件較好，有利于該區(qū)天然氣的聚集。

5 水溶氣有利區(qū)預(yù)測

5.1 氦氣有利區(qū)

（1）西安—長安氦氣有利區(qū)：位于西安—長安之間，處于余下—鐵爐子斷裂、長安—臨潼斷裂交匯地帶，是新生代沉積凹陷邊緣向秦嶺隆起區(qū)過渡的部位。該區(qū)發(fā)育秦嶺山前古近系和新近系沖積扇砂體，砂體厚度大、物性好，盆地基底是由氦氣的源巖富鈾花崗巖組成，與古近系和新近系砂體中的富鈾碎屑顆粒共同奠定了形成放射性氦氣的物質(zhì)基礎(chǔ)。所以該區(qū)不但具有豐富的氦氣源巖，而且古近系和新近系沖積扇砂體本身具有良好的儲集條件，與張家坡組的湖相泥質(zhì)蓋層相配合，形成氦氣富集的有利區(qū)。

圖5 渭河盆地地?zé)崴軞赓Y源有利區(qū)分布圖Fig.5 Distribution map of favorable areas of gas resources soluble in geothermal water

（2）藍(lán)田氦氣有利區(qū)：位于藍(lán)田縣一帶，秦嶺山前古近系和新近系沖積扇的扇根部位，富鈾的藍(lán)田和牧護關(guān)花崗巖的西側(cè)，余下—鐵爐子斷裂和涇河斷裂的交匯處，儲蓋配合良好，水量充足，是氦氣富集的有利區(qū)。

氦氣雖然在盆地中廣泛分布，但資源潛力最大的可能還是以上2個嚴(yán)格受氣源巖和斷裂控制的區(qū)域。由于區(qū)域性蓋層張家坡組的泥巖本身厚度較大，密封性較好，加之其封閉性后期并沒有遭到斷裂活動的破壞，富氦水溶氣并不能逸散到張家坡組之上，所以除了平面上的分布還要注意其分布的深度，氣體主要賦存在張家坡組以下的藍(lán)田－灞河組、高陵群等儲層中。

5.2 生物氣有利區(qū)

5.2.1 渭南可燃?xì)庥欣麉^(qū)

對于可燃?xì)舛詺庠磶r和沉積相為主控因素。固市凹陷的張家坡組為湖相富含有機質(zhì)的深色泥灰?guī)r，具有生烴能力，是生物成因淺層可燃水溶氣的源巖。張家坡組的薄層砂巖夾層以及泥質(zhì)巖中存在的裂縫具有一定的孔隙度和滲透率，可以作為水溶氣的儲層。儲層上覆巖層和張家坡組上部的地層水對氣體可以起到封堵作用。生、儲、蓋縱向上的合理搭配使固市凹陷成為淺層可燃?xì)獾挠欣麉^(qū)（圖5）。

固市凹陷的沉積中心附近，湖相深色沉積物發(fā)育，有機質(zhì)含量相對高，是可燃?xì)馍捎欣麩N源巖，氣體生成后會向上運移。因此，在沉積中心附近的高點區(qū)，例如小型鼻狀構(gòu)造、構(gòu)造凸起處等是可燃?xì)獾臐撛诟患瘏^(qū)。此外，固市凹陷渭南地區(qū)的4口淺層地?zé)崴ň畈怀^張家坡組）顯示，該區(qū)淺層可燃?xì)饩鶠樯锍梢驓?，甲烷含量超過95%，經(jīng)氣水分離后，可以直接點燃，證明該區(qū)可燃?xì)赓Y源豐富，是淺層可燃水溶氣的有利區(qū)。

5.2.2 西安—咸陽可燃?xì)鉂撛谟欣麉^(qū)

按照本文的分類，淺層可燃水溶氣即指固市凹陷張家坡組的生物成因可燃?xì)?，但是通過分析可知，盆地中還有其他成因的可燃?xì)猓诖税讯喾N成因混合的可燃?xì)庾鳛闈撛谟欣麉^(qū)進行分析。

西安—咸陽潛在有利區(qū)位于余下—鐵爐子斷裂、長安—臨潼斷裂、長安—咸陽斷裂和渭河南岸斷裂之間，新生代沉積凹陷邊緣向秦嶺隆起區(qū)過渡的部位，同時處于固市凹陷渭南地區(qū)生物成因可燃?xì)獾倪\移路線上（圖5）。由于位置上靠近渭河南岸斷裂，北部盆地基底馬家溝組碳酸鹽巖、烴源巖形成的熱解型可燃?xì)饪梢匝財嗔堰\移過來，與固市凹陷中的生物可燃?xì)庖黄?，形成可燃?xì)饩奂挠欣麉^(qū)。同時，該區(qū)位于秦嶺山前古近系和新近系沖積扇砂體前緣部位，砂體發(fā)育，具有良好的儲集條件，蓋層厚度大，封閉性好，有利于氣體的聚集。

6 結(jié)論

影響水溶氣分布的因素包括斷裂構(gòu)造、沉積相、地?zé)崴蜌庠磶r。其中，氣源巖和斷裂是深層富氦水溶氣的主控因素，氣源巖和沉積相是淺層可燃水溶氣的主控因素，地?zé)崴鳛檩d體對兩類水溶氣的分布均有影響，但與其他因素相比影響不甚明顯。通過綜合分析影響地?zé)崴軞夥植嫉囊兀罱K圈定出2個氦氣有利區(qū)（西安—長安氦氣有利區(qū)和藍(lán)田氦氣有利區(qū)），2個可燃?xì)庥欣麉^(qū)（渭南可燃?xì)庥欣麉^(qū)和西安—咸陽可燃?xì)鉂撛谟欣麉^(qū)）。

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