李玉宏，張 文，袁炳強(qiáng)，韓 偉，陳高潮，張 林

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；4.陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710054)

0 引 言

渭河盆地位于陜西省中部，地處秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地之間(圖1)。盆地周緣出露地層從老到新依次有太古宇、元古宇、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系及新生界[1]。渭河盆地新生界厚度數(shù)千米，最厚超過6 000 m，主要為古近系戶縣群(紅河組、白鹿原組、甘河組)，新近系高陵群(冷水溝組、龔家溝組)、藍(lán)田—灞橋組、張家坡組，第四系三門組。前人根據(jù)渭北地區(qū)出露下古生界及盆地東南緣驪山斷隆處出露太古宇片麻巖及震旦系淺變質(zhì)巖系，認(rèn)為渭河盆地寶雞-渭南斷裂以北，前新生界基底為下古生界碳酸鹽巖，以南是太古宇及元古宇(圖2)，其中臨潼-長(zhǎng)安斷裂以西為元古宇，以東為太古宇深變質(zhì)巖系，基底形態(tài)總體為一北傾的陡斜坡[2-3]。

圖1 渭河盆地大地構(gòu)造位置Fig.1 Tectonic location of Weihe Basin

圖2 渭河盆地基底結(jié)構(gòu)概圖(據(jù)文獻(xiàn)3修改)Fig.2 Base structure of Weihe Basin(after reference 3)

渭河盆地是否具有天然氣前景是人們長(zhǎng)期探討的問題之一，是否具有烴源巖是其核心問題。20世紀(jì)70年代，渭深13井曾發(fā)現(xiàn)富氦天然氣顯示，但石油普查工作因新生界缺乏有效烴源巖、認(rèn)為盆地深部不存在晚古生代煤系地層而停頓。2004年以來，渭河盆地地?zé)峋袕V泛的天然氣顯示及國(guó)內(nèi)外罕見的高氦含量，重新引起了人們對(duì)渭河盆地前新生代基底組成及天然氣前景的關(guān)注[3-10]。盧進(jìn)才等根據(jù)地?zé)峋盒图淄樾畔⑻岢鑫己优璧鼗讘?yīng)該存在石炭—二疊紀(jì)煤系地層[5]；李玉宏等利用地質(zhì)、地球化學(xué)、地球物理成果，進(jìn)一步論述了渭河盆地基底存在石炭—二疊紀(jì)煤系地層的可能性[6]；王建強(qiáng)等在總結(jié)前人地球化學(xué)成果基礎(chǔ)上，以渭河盆地地質(zhì)演化為重點(diǎn)，論述了渭河盆地基底可能存在石炭—二疊紀(jì)煤系地層及三疊系[9]。由于渭河盆地鉆穿新生界的鉆孔極少，又缺乏能識(shí)別基底組成的高精度的物探資料，上述研究總體缺乏可靠的實(shí)證材料。2013年以來在渭河盆地開展了二維地震剖面測(cè)量等工作，取得了較多的新資料。文中根據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景、地?zé)峋樯鷼夥治龀晒?、油氣化探、地球物理測(cè)量，特別地震測(cè)量成果，進(jìn)一步論證了渭河盆地前新生界基底局部殘留晚古生代煤系地層，并利用物探成果劃分了構(gòu)造單元，按照新生代沉降早、沉積有低層位(古近系)的凹陷區(qū)，前新生代地層殘留層位高(有上古生界殘留)；在新生代沉降晚、無古近系的地區(qū)，前新生代地層殘留層位低(無上古生界殘留)的地質(zhì)認(rèn)識(shí)，對(duì)上古生界分布進(jìn)行了大致預(yù)測(cè)。渭河盆地晚古生代煤系地層烴源巖的存在，為渭河盆地天然氣勘探帶來了希望；由于氦氣不能單獨(dú)成藏，必需在甲烷等載體氣藏中聚集、積累，才能形成富氦天然氣藏[10-12]，研究結(jié)果也為氦載體氣成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；同時(shí)也可為鄂爾多斯周緣盆地群新層系油氣調(diào)查提供借鑒。

1 渭河新生代盆地基底組成

1.1 渭河地區(qū)曾廣泛沉積了石炭系-三疊系

渭河盆地新生代以來，其斷陷沉降與鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了明顯不同的演化途徑，古生代期間二者均是大華北盆地和中生代大鄂爾多斯盆地的重要組成部分，因而其前新生代沉積必然和鄂爾多斯盆地(華北地塊)密切相關(guān)，前新生界的殘留程度也將受秦嶺和鄂爾多斯盆地演化的影響。

從渭河盆地周緣石炭系-三疊系分布看，北秦嶺地區(qū)的鳳縣—周至—洛南一線與渭北地區(qū)一樣分布有石炭-二疊紀(jì)煤系地層[13]，特別是二疊系中上統(tǒng)與鄂爾多斯盆地內(nèi)部具有良好的對(duì)比關(guān)系，可以認(rèn)為上古生代鄂爾多斯地臺(tái)與秦嶺海槽的海陸交互相沉積邊界應(yīng)抵達(dá)北秦嶺地區(qū)，現(xiàn)渭河盆地范圍沉積過石炭—二疊紀(jì)煤系地層。張國(guó)偉等研究認(rèn)為北秦嶺北帶蓋層以區(qū)域構(gòu)造不整合于下伏早前寒武紀(jì)結(jié)晶基地之上，發(fā)育中上元古界，寒武系，少量奧陶系，與華北地塊一樣缺失中奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)，而上石炭統(tǒng)—三疊系主要出露于該區(qū)北緣[14]。其石炭—二疊—三疊系巖石組合與古生物群落等和華北地塊內(nèi)部完全一致，它們?cè)c華北地塊內(nèi)部是連通一致的，表明今渭河盆地區(qū)域內(nèi)曾有過石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的沉積。北秦嶺洛南(位置如圖1)兌山二疊系石盒子組砂巖礦物成熟度高，石英含量達(dá)85%，指示非為山間小盆地沉積產(chǎn)物，而應(yīng)是華北地塊南緣的(大盆地)沉積所致。

前人研究認(rèn)為渭河盆地范圍晚三疊紀(jì)時(shí)依然為河湖相沉積區(qū)[15-18]。渭河北山出露的三疊系尚無邊緣相堆積[16-17]，秦嶺造山帶的丹鳳—南召一帶斷續(xù)保存有三疊系延長(zhǎng)組深湖相沉積[18]，即晚三疊紀(jì)大鄂爾多斯盆地的湖相沉積范圍很可能跨過渭河地區(qū)可達(dá)北秦嶺地區(qū)，無疑現(xiàn)渭河新生代盆地范圍也曾沉積過三疊紀(jì)地層。

可見現(xiàn)渭河地區(qū)曾與鄂爾多斯盆地一起經(jīng)歷了古生代大范圍穩(wěn)定沉降(大華北)，中生代發(fā)育大型坳陷盆地(大鄂爾多斯)，此后于新生代成為鄂爾多斯盆地周邊斷陷盆地的多旋回改造型盆地，其前新生代基底組成主要決定于后三疊紀(jì)的改造剝蝕程度。

1.2 渭河盆地深部殘留晚古生代煤系地層的證據(jù)

1.2.1 地球物理證據(jù)

渭河盆地高分辨率地震折射剖面顯示，西安凹陷新生界低速度層之下的中速度層(層速度4.0～5.0 km/s左右)在北部固市凹陷也有分布，且連續(xù)性良好，并延伸至渭北地區(qū)古生界露頭區(qū)，這些地層與鄂爾多斯盆內(nèi)上古生界層速度基本一致[18-20]。

鄂爾多斯盆地晚古生代煤系地層地震反射組合特征(T9)表現(xiàn)為：組合的下部強(qiáng)振幅反射(T9-2波組)為一個(gè)區(qū)域穩(wěn)定、易于追蹤對(duì)比的強(qiáng)振幅、高連續(xù)性反射同相軸，對(duì)應(yīng)于石炭系9#，8#主力煤層反射；上部強(qiáng)振幅反射(T9-1)對(duì)應(yīng)山西組主力煤層反射(4#，3#煤層)(圖4)。在地震剖面上T9反射層特征顯著，易于識(shí)別；其下奧陶系頂部不整合面為一個(gè)區(qū)域性上超 /削蝕界面，對(duì)應(yīng)地震反射波組為一個(gè)波谷，其上 20～80 ms處為 T9-2波峰，缺失本溪組時(shí)，奧陶系頂部不整合面與T9-2合二為一。渭河盆地地震剖面顯示(圖3)，新生界之下地層具有明顯強(qiáng)反射特征，特別是存在2個(gè)平行的強(qiáng)振幅、連續(xù)的同相軸，其波譜特征與鄂爾多斯盆地T9反射特征相似，表明渭河盆地深部殘存有與鄂爾多斯盆地巖性組合相似的煤系地層，最大可能是與鄂爾多斯盆地相同的晚古生代煤系地層。

圖3 DD2013 P1地震測(cè)線解釋成果Fig.3 Seismic interpretation of DD2013 P1 profile

P1剖面揭示西安凹陷最大厚度位于凹陷的中北部，古近系底最大埋深6 600 m；古生界底最大埋深在4.8 s左右，推測(cè)深度8 200 m.地震剖面上代表石炭系-二疊系底界的T9反射層特征明顯，在西安凹陷內(nèi)推測(cè)深度6～7 km，咸渭凸起上推測(cè)深度2～3 km.表明測(cè)區(qū)整體發(fā)育上古生界的石炭系-二疊系和下古生界的寒武系-奧陶系，凹陷南部最大厚度2 600 m，北部最薄僅750 m；北部的咸渭凸起上古生界殘留較少，發(fā)育下古生界的寒武系-奧陶系(圖4)。

1.2.2 地?zé)峋樯鷼庵屑淄楹投趸继纪凰厥聚欁C據(jù)

渭河盆地現(xiàn)有地?zé)峋?00余口，主要開采新近系藍(lán)田-灞河組及高陵群砂巖、砂礫巖孔隙-裂隙熱水。地?zé)峋毡楹^高濃度的氦和一定量的甲烷伴生氣，其中甲烷含量一般10%～20%，少部分井甲烷含量可達(dá)80%以上[4-9]；甲烷氣為多源成因，產(chǎn)于淺部張家坡組的甲烷為生物氣，產(chǎn)于深部藍(lán)田-灞河組及高陵群的甲烷碳同位素分布-24.5‰～-40.2‰，重?zé)N含量低，表現(xiàn)為煤型氣的特點(diǎn)，而且與鄂爾多斯盆地上古生界石炭—二疊系煤型甲烷氣具有近似的同位素組成[21](表1)，指示這些甲烷氣很可能來自與石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤系地層類似的氣源巖，因而也暗示渭河盆地的西安凹陷、固市凹陷等新生代地層之下，殘存有石炭紀(jì)—二疊紀(jì)含煤系地層。

圖4 鄂爾多斯盆地C-P煤層(T9)反射特征Fig.4 Reflection features of coal seams in C-P periods(T9) in Ordos Basin

表1 渭河盆地伴生氣甲烷碳同位素與鄂爾多斯盆地的對(duì)比Table 1 Comparison of carbon isotope of natural gas methane between Weihe Basin and Ordos Basin

注：T3y-J1y為上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組—下侏羅統(tǒng)延安組；C-P為石炭系—二疊系。

渭河盆地22口井的CO2樣品中，僅4口井的δ13CCO2>-10‰，是無機(jī)成因或無機(jī)成因?yàn)橹鞯腃O2，另外18口井的δ13CCO2<-10‰，CO2含量<15%，屬有機(jī)成因CO2[22-23](表2)，說明應(yīng)有良好的烴源巖存在。然而，渭河盆地新生界不但缺乏烴源巖，而且成熟度低，難以大量生成CO2.因此，極大的可能是這些地?zé)峋械腃O2來自與鄂爾多斯盆地類似的上古生界煤系地層，也從另一個(gè)方面表明渭河盆地新生代地層之下應(yīng)該殘存有晚古生代煤系地層。

1.2.3 土壤化探酸解烴中甲烷和二氧化碳碳同位素證據(jù)

固市凹陷和西安凹陷的97個(gè)土壤酸解烴中甲烷和二氧化碳的碳同位素分析結(jié)果中，甲烷主要為煤型熱解氣，個(gè)別為煤型裂解氣，二氧化碳主要為有機(jī)成因(圖5)，與地?zé)峋樯鷼饧淄楹投趸嫉某梢蝾愃?，來源相同，說明盆地深部殘存有高熱演化的煤系地層。

1.2.4 露頭和鉆探

露頭區(qū)的銅川和口鎮(zhèn)的地層剖面，均有太原組和山西組含煤地層出露，WC3井鉆遇石盒子組地層(未穿)，根據(jù)露頭區(qū)晚古生代地層連續(xù)推測(cè)，其下應(yīng)有山西組和太原組含煤地層存在。然而，在北秦嶺構(gòu)造帶的洛南地區(qū)缺失太原組和山西組地層，但石盒子組是含煤地層，并與下覆奧陶系陶灣群呈角度不整合接觸(圖6)。這說明，渭河盆地北部上古生界從太原期就已開始接受沉積，并向南逐步超覆，盆地南部于太原期—石盒子期之間開始沉積，而在秦嶺的洛南地區(qū)直至石盒子期才開始接受沉積，渭河盆地南部應(yīng)開始沉積于太原期—石盒子期之間，發(fā)育有穿時(shí)的煤系地層。從WC3井和P1井來看，位于固市凹陷區(qū)的WC3井，新生代沉降早、古近系始新世開始接受沉積，前新生代地層遭受剝蝕時(shí)間較短、剝蝕量小，殘留地層層位高，殘留有上古生界石盒子組及以下地層；位于岐山-合陽凸起區(qū)的P1井，缺失古近系，新生代沉降晚、直至中新世才接受沉積，前新生代地層在古近紀(jì)始新世-漸新世遭受進(jìn)一步剝蝕，上古生界被完全剝蝕，僅殘留早古生代碳酸鹽巖。

表2 渭河盆地二氧化碳含量和碳同位素Table 2 Concentration and carbon isotope of carbon dioxide in Weihe Basin

圖5 渭河盆地土壤酸解烴中CH4和CO2碳同位素分布范圍Fig.5 Carbon isotopes of CH4 and CO2 in soil acid hydrocarbon in Weihe Basin

圖6 鄂爾多斯盆地(銅川)-渭河盆地-北秦嶺(洛南)地層剖面對(duì)比Fig.6 Stratigraphic section comparison of Ordos Basin (Tongchuan)，Weihe Basin and north Qinling(Luonan)注：陰影代表地層缺失

1.2.5 鄰區(qū)中新生代地層殘留

前文分析表明晚古生代含煤地層曾在渭河盆地沉積過，其前新生代基底組成主要決定于后三疊紀(jì)的改造剝蝕程度。

渭北隆起與渭河盆地在古生代和中生代之前均為大華北盆地和大鄂爾多斯盆的組成部分，具有類似的沉積與構(gòu)造演化過程，自古近紀(jì)以來渭北隆起和渭河盆地進(jìn)入差異演化階段。熱演化史模擬表明，渭北隆起主要有兩期抬升階段：125～100 Ma(早白堊世晚期)和40 Ma～現(xiàn)今(始新世中期開始)，特別是5 Ma以來發(fā)生快速抬升冷卻[24-25]。

現(xiàn)今秦嶺造山帶結(jié)構(gòu)主要受中新生代的陸內(nèi)造山作用控制[14]。中生代中期(J2-K1)，秦嶺發(fā)生大范圍的陸內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，中生代晚期及新生代(K2以來)，在總體擠壓體制下，發(fā)生隆升[9]。古新世時(shí)，秦嶺地區(qū)的哺乳動(dòng)物群與南北許多地區(qū)類似，說明當(dāng)時(shí)秦嶺尚未劇烈隆起[26]。滕志宏和王曉紅通過沉積、地貌與地球物理資料結(jié)合研究認(rèn)為，秦嶺的劇烈隆起始于新生代的漸新世晚期(約24 Ma)[27]。渭河盆地南緣，秦嶺北部華山、文峪以及太白山巖體的磷灰石裂變經(jīng)跡所揭示的山體隆升歷史表明，，華山地區(qū)新生代以來分別于57～42 Ma,32～22 Ma和約8 Ma發(fā)生3次快速隆升[28]，文峪巖體自138 Ma侵位后于始新世(45 Ma至30～35 Ma)發(fā)生快速冷卻抬升[29]，太白山經(jīng)歷了始于約48 Ma(始新世末)的小幅度快速抬升冷卻階段，和始于約9.6 Ma(中新世)的大幅度快速抬升冷卻階段[30]。前人研究一致表明，渭河盆地南緣的秦嶺山脈隆升開始于57～42 Ma的始新世，而快速隆升主要發(fā)生在漸新世晚期到中新世以來。

從構(gòu)造演化來看[27-31]，渭北隆起與秦嶺造山帶北緣新生代始新世以來的隆升具有同時(shí)性，與渭河盆地新生代以來的快速沉降具有很好的耦合關(guān)系。現(xiàn)今渭河盆地周邊殘留地層較老，主要是在這一時(shí)期的巨大剝蝕所致，渭河盆地內(nèi)部在這一時(shí)期接受了巨厚的沉積，前新生代地層得以較多的保存。固市凹陷三原地區(qū)的渭參3井鉆遇二疊系石盒子組，是渭河盆地內(nèi)有二疊系保存的直接證據(jù)(圖6)。結(jié)合地震和地球化學(xué)結(jié)果，石炭系—二疊系在渭河盆地內(nèi)仍有殘留，但三疊系殘留與否還不確定。

2 盆地演化與基底預(yù)測(cè)討論

以上分析表明渭河盆地曾經(jīng)作為古生代大華北盆地和中生代大鄂爾多斯盆地的一部分經(jīng)歷了長(zhǎng)期的共同演化歷程，僅在新生代快速斷陷沉降后形成了現(xiàn)在的格局。具體有以下階段：①與大華北盆地一起發(fā)育有寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和中下三疊統(tǒng)；②中晚三疊世，隨著秦嶺洋閉合，揚(yáng)子與華北板塊發(fā)生碰撞，秦嶺全面造山，鄂爾多斯盆地進(jìn)入鼎盛時(shí)期，盆地南界可達(dá)北秦嶺地區(qū)，沉積有中上三疊統(tǒng)及侏羅系。晚侏羅世—早白堊世末，受秦嶺陸內(nèi)造山活動(dòng)的影響，逐步停止接受沉積，局部隆起遭受剝蝕。晚白堊世鄂爾多斯盆地消亡，現(xiàn)渭河地區(qū)整體抬升，地層剝蝕并不強(qiáng)烈；③自始新世中晚期以來，渭河斷陷開始發(fā)育，與南北兩側(cè)地形高差加大，盆地鄰區(qū)的快速隆升(剝蝕)與渭河盆地的大幅沉降具耦合關(guān)系，即斷陷區(qū)接受沉積而兩側(cè)隆升區(qū)及翹傾端強(qiáng)烈剝蝕提供物源。

進(jìn)一步根據(jù)物探等成果劃分了渭河盆地新生代構(gòu)造單元，根據(jù)地震、鉆探等信息，按照沉降早的凹陷區(qū)，前新生界殘留層位高的思路，編制了渭河新生代盆地基底組成預(yù)測(cè)圖(圖7)。預(yù)測(cè)西安凹陷和固市凹陷存在較大范圍的上古生界，西安凹陷向西傾覆，固市凹陷向東傾覆，2個(gè)凹陷的上翹地區(qū)上古生界殘留較少；岐山-合陽凸起上古生界剝蝕殆盡，為下古生界基底；驪山地區(qū)出露太古界，其向西傾覆形成的咸渭凸起呈塹壘結(jié)構(gòu)，地塹區(qū)殘留少量上古生界，地壘區(qū)缺失上古生界。

圖7 渭河盆地基底結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Estimated base structure of Weihe Basin

3 油氣地質(zhì)意義

渭河盆地新生代發(fā)育良好的儲(chǔ)蓋組合，油氣前景一直受烴源巖的制約。研究認(rèn)為盆地凹陷區(qū)殘存有晚古生代含煤地層，甚至中生界沉積。這2套地層在區(qū)域上均為良好的烴源巖，在渭河盆地因其埋深大，烴源巖熱演化程度高，深埋過程中發(fā)生過大規(guī)模油氣生成。這一認(rèn)識(shí)為盆地內(nèi)油氣勘探和遠(yuǎn)景區(qū)規(guī)劃提供了依據(jù)。

渭河盆地之外，鄂爾多斯盆地周緣還分布有其它3個(gè)新生代斷陷盆地：汾河盆地、河套盆地和銀川盆地，其動(dòng)力學(xué)機(jī)制類似，均與太平洋板塊和印度洋板塊對(duì)歐亞板塊的俯沖有關(guān)。本研究成果可為這些盆地的油氣勘探提供借鑒。

4 結(jié) 論

1)地震測(cè)量在盆地新生界之下獲得明顯反射信息，特別是與鄂爾多斯盆地晚古生代煤系地層地震波譜結(jié)構(gòu)相近的一組強(qiáng)反射組合，表明渭河盆地存在晚古生代煤系地層；

2)渭河盆地地?zé)峋樯鷼饧巴寥阑椒治龀晒砻?，廣泛分布的高熱演化煤型甲烷氣及有機(jī)成因CO2氣，為盆內(nèi)煤系地層的存在提供了依據(jù)；

3)現(xiàn)渭河盆地范圍沉積過石炭紀(jì)—二疊紀(jì)煤系地層及三疊系，其前新生界基底組成主要決定于三疊紀(jì)以來改造剝蝕后的殘留程度。WC3井揭示渭河盆地基底至少殘留有二疊系石盒子組及以下地層；

4)渭河盆地與鄂爾多斯盆地一起經(jīng)歷了古生代穩(wěn)定沉降，中生代發(fā)育大型坳陷盆地的演化歷程，新生代才成為鄂爾多斯盆地周緣斷陷盆地，晚古生代含煤地層的保存主要得益于晚侏羅世—晚白堊世時(shí)期剝蝕作用較弱。渭河盆地周緣地層主要?jiǎng)兾g于新生代，并用于渭河新生代盆地的沉積充填，盆地內(nèi)較早斷陷接受沉積地區(qū)，剝蝕量較小。西安凹陷、固市凹陷和咸渭凸起局部，殘留有石炭系—二疊系；

5)渭河盆地基底殘存有晚古生代含煤地層，為渭河盆地油氣及富氦天然氣勘探提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也可為鄂爾多斯周緣其它斷陷盆地(汾河盆地、河套盆地和銀川盆地)油氣調(diào)查提供借鑒。