渭河盆地天然气类型、成因特征及找矿远景分析

刘林，芮会超，陈宝赟

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083;

2.陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710054; 3.长安大学地球科学与资源学院，西安 710064; 4.陕西矿业开发工贸公司，西安 710054)

渭河盆地天然气类型、成因特征及找矿远景分析

刘林1，2，芮会超3，陈宝赟4

(1.中国地质大学地球科学与资源学院，北京 100083;

2.陕西省矿产资源勘查与综合利用重点实验室，西安 710054; 3.长安大学地球科学与资源学院，西安 710064; 4.陕西矿业开发工贸公司，西安 710054)

根据渭河盆地地热井、油气调查井、氦气调查井气样分析成果，结合近年来地质、物探新成果分析，发现渭河盆地各类钻井中普遍存在含氦天然气，且这些天然气，按甲烷和氦气含量可分为富氦天然气和贫氦天然气两类。位于渭河盆地边部的地热井、区域地质和物化探成果均佐证了渭河盆地基底存在上古生界，未见隐伏的花岗岩体。区域构造演化佐证了渭河盆地周边断裂的形成与区域断裂同期，盆地的形成与演化是区域演化的一部分，其主沉降期是新生代。因此，前人对渭河盆地形成的最早时间为始新世以及不存在上古生界煤系地层基底以及氦气的主要气源岩是分布于基底的富铀花岗岩体和秦岭造山带富铀花岗岩体的认识有待进一步探究。对比邻区鄂尔多斯盆地，发现渭河盆地上古生界煤系地层可作为烃源岩，伽马异常层可作为氦源层，这为重新评价渭河盆地的氦气资源地质前景提供了依据。

渭河盆地;天然气;氦气;上古生界;煤系地层

渭河盆地位于鄂尔多斯地块南缘与秦岭造山带的交接部位，是鄂尔多斯地块周缘裂陷体系的重要组成部分，其构造位置独特，地质构造及盆地演化极其复杂，一直以来被国内外地质学家所瞩目并引起长期争论。目前已有的鄂尔多斯盆地形成演化研究表明，在地质历史时期渭河盆地曾为大型鄂尔多斯盆地的一部分，二者具有类似的沉积特点和油气地质特征［1～2］。但因渭河盆地以巨厚的新生界为主，未发现隐伏的花岗岩体，有机质丰度差、成熟度低，缺乏有效烃源岩和氦源岩，油气和氦气勘探前景并不乐观。本文结合近年来科研新成果，尤其是新的钻井地质、地球物理、地球化学等资料，开展了渭河盆地天然气类型、成因以及渭河盆地构造特征的综合研究，阐明了渭河盆地天然气资源的类型和成因特征，探讨了渭河盆地天然气成藏(矿)远景条件，提出了一些新认识，以期对重新认识渭河盆地形成演化及重新评价渭河盆地天然气资源地质前景提供依据。

1 渭河盆地天然气成因

渭河盆地天然气显示十分普遍，盆地不同地区天然气样品气体组分表［3］(见表1)显示，天然气含可燃烃类气体甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及非烃类气体氢，不可燃气包括稀有气体氦及非烃类气体二氧化碳和氮。本文依据渭河盆地天然气样品组分含量及碳同位素测试结果［4］(见表2)，按照甲烷含量将渭河盆地天然气分为高甲烷天然气和低甲烷天然气两类。

表1 渭河盆地不同构造单元天然气样品气体组分［3］Table 1 The composition of nature gas from different tectonic units in the Weihe Basin

高甲烷天然气:甲烷含量大于60%，有8个样品(见表2)，占样品总数的7.4%。甲烷含量最低64.287%，最高99.473%，平均82.8%，具有一定的工业开发价值。同时这8个样品的氦气含量均较低，仅渭热4井达到0.334%，略高于0.3%［5］的工业品位。

低甲烷天然气:甲烷含量小于60%，有100个样品(见表2)，占样品总数的92.6%。其中甲烷含量1%～20%的样品有66个，占总样品的61.11%。而在这100个样品中，氦气含量0.3%以上的样品达到96个，占总样品数的88.89%;氦气平均含量1.46%，最高可达9.226%。由此可见，渭河盆地中多数低甲烷天然气甲烷含量小于20%，不具有工业价值，但是绝大部分氦气含量大于0.3%［5］的工业品位，显示其具有巨大的工业开发价值。

1.1 天然气成因

天然气成因类型可划分为有机成因气、无机成因气、混合成因气3大类。有机成因气根据演化程度又可划分为生物气、生物-热催化过渡带气、热解气和裂解气，根据母质类型可划分为煤成气和油型气;无机成因气以二氧化碳为主，分为岩石化学成因和幔源成因两种主要类型;混合成因气是两种或两种以上成因类型气混合而成［6］。

根据天然气组分、烷烃气碳同位素、二氧化碳碳同位素可知，渭河盆地天然气的成因类型主要有煤成气、生物气，个别样品为油型气和煤成气混无机气。与鄂尔多斯盆地不同层系大量天然气碳同位素特征［2］进行对比(见表3)发现，鄂尔多斯盆地古生界甲烷碳同位素值与西安凹陷、固市凹陷煤型热解气碳同位素值非常吻合。

1.2 氦气成因

氦气也是一种多成因气体，可分为大气氦、壳源氦和幔源氦3类。3He主要为元素合成时形成的原始核素，由氚的B蜕变生成，主要来源于地幔;4He则主要为放射性元素铀、钍A衰变的产物，多来源于地壳。3He在地球大气中含量极少，通常所测到的氦都是4He。3He与4He成因的差异成为不同来源氦的判识标志［7］。

表2 渭河盆地天然气样品组分含量及碳同位素测试结果统计［4］Table 2 The statistic results of composition and carbon isotope of nature gas in the Weihe Basin

表3 渭河盆地与鄂尔多斯盆地天然气碳同位素特征对比Table 3 Comparison between carbon isotopes of natural gas from the Weihe basin and Ordos basin

刘建朝等［8］对采集于盆地内不同构造单元的样品进行测试(见表4)，结果表明渭河盆地天然气样品中的氦气以壳源成因为主，部分样品混有很少量的幔源氦。

表4 渭河盆地地热水水溶天然气中氦气地球化学分析结果［8］Table 4 Geochemical analysis of soluble helium gas from geothermal water in the Weihe Basin

2 渭河盆地钻井气测异常特征

渭河盆地地热井众多，但多未做气测异常检查。近年来随着氦气的发现和调查工作的开展，基本形成了覆盖全区的钻井气测异常资料。研究发现渭河盆地钻井天然气气测异常具有以下特征:①气测异常众多，张家坡组、蓝田—灞河组、高陵组均有分布;②多在含水层以下，且气水同层者为少数;③具有明显的密集分段现象，通常分为上下两个密集段，西安凹陷主要为张家坡和高陵密集段，固市凹陷主要为张家坡和蓝高密集段;④地层层位未穿透新近系张家坡组的地热水井，均未见氦气显示。

3 成藏(矿)远景

3.1 渭河盆地基底分析

前人较为普遍的认识是，渭河盆地基底以渭河断裂为界，断裂以北基底为下古生界碳酸盐岩层，以南是太古界及元古界，其中临潼—长安断裂以西为元古界，以东为太古界深变质岩系［9～10］。本文依据收集到的资料发现，渭河盆地打穿了新生界的钻井仅有6口，分别是XR85、渭3、平1、渭参3、R4、渭4。XR85井位于盆地三级构造单元骊山凸起西北缘，揭示新生界2652.5 m，太古界太华群102.2 m，古近系红河组直接覆盖在太华群之上。该孔揭示临潼—华县斜坡带基底是太古界太华群。渭3井、平1井分别位于富平—蒲城斜坡带的富平地区和富平以东留古镇南侧，井深分别为985.77 m、2453 m，揭示新生界厚度分别为973.5 m、2368 m，奥陶系厚度分别为12.27 m、85 m;但渭3井上新统灞河组直接覆盖在奥陶系之上，而平1井中新统冷水沟组与奥陶系不整合接触。这一方面说明富平—蒲城斜坡带基底为奥陶系，另一方面也说明富平—蒲城斜坡带不同区块沉降幅度不统一，向盆地中心的断块沉降幅度更大，接受沉积时间更长。渭参3井位于固市凹陷西部，井深2669.92 m，揭露新生界2595 m，中二叠统石盒子组74.92 m。新生界古近系红河组不整合于中二叠统石盒子组之上，说明固市凹陷存在二叠系。又据渭河盆地南北地区出露的二叠系地层剖面对比，发现渭河盆地南北地区出露的二叠系石盒子组厚度变化不大，且具有较好的对应性，这也暗示渭河盆地基底固市凹陷断块保存有二叠系石盒子组以下层位的古生代地层。再据渭3、平1、渭参3的南北向剖面看，井位越向南，井中揭示的地层缺失越少，且渭河北山出露的三叠系尚无边缘相堆积［11］，可以推测固市凹陷中心区可能有二叠系石盒子组以上地层，甚至是中生界三叠系以上的地层。R4井位于咸阳隆起区中部，井深2818.0 m，揭露新生界2684.0 m，上白垩统李家村组134.0 m，说明咸阳隆起区的基底是白垩系。在盆地沉降中心的西安凹陷可能有侏罗纪甚至白垩纪地层。渭4井位于宝鸡隆起区中部，揭露新生界690 m，上新统灞河组直接与前寒武纪蓟县系接触，说明宝鸡隆起区的基底是前寒武纪蓟县系。

渭河盆地钻孔揭露的新生代各时期地层的厚度等值线图［12］(见图1)显示，西安凹陷各时期的地层厚度均大于固市凹陷，说明西安凹陷在新生代各时期甚至新生代以前基底标高都比固市凹陷低，西安凹陷有存在三叠系—白垩系的可能。

图1 渭河盆地三门组、秦川群、蓝田—灞河组、张家坡组厚度等值线图［12］Fig.1 The thickness isolinemap of Sanmen，Qinchuan，Lantian-Bahe，Zhangjiapo group strata in theWeihe Basin

渭河盆地高分辨率地震折射剖面［13］(见图2)显示，新生界低速度层之下的中速度层(4.0～5.0 km/s)连续性良好，并延伸至渭北北山隆起古生界露头区，且与鄂尔多斯盆地苏里格庙地区地震储层预测方法中建立的上古生界特征层位速度基本一致。长庆油田和西安地质调查中心的渭河物探剖面(见图3、图4)揭示，固市凹陷是一个东深西浅、东宽西窄的簸箕状凹陷，西安凹陷古近系以下仍有较多可分辨地层，这即说明，渭河盆地次级凹陷发育，基底构成复杂，表现为大地堑镶嵌小地堑或梯状断阶的构造格局，也为固市凹陷中心区可能有二叠系石盒子组以上地层，甚至中生界三叠系以上地层，西安凹陷可能有侏罗纪甚至白垩纪地层提供了证据。

图2 上地壳二维速度结构和构造解译及平面地质构造图［13］Fig.2 2-D velocity structure and tectonic interpretation in upper crust and geological structuralmap

从刘池洋等［14］鄂尔多斯盆地中生代沉积边界与沉积、堆积中心变迁分布图(见图5)可以看出，鄂尔多斯盆地古生代沉积边界均抵达北秦岭地区山前断裂，因而认为渭河盆地基底存在古生界。

综上可见，前人关于渭河盆地基底以渭河断裂为界、断裂以北基底为下古生界碳酸盐层、以南是太古界及元古界［9～10］的普遍认识不够准确。本文认为，渭河盆地的基底是受构造断块控制的隆凹相间、组成复杂的拼接基底;固市凹陷中心区可能有二叠系石盒子组以上的地层，甚至是中生代三叠系以上的地层;处于盆地沉降中心的西安凹陷可能有侏罗纪甚至白垩纪地层。

3.2 渭河盆地的演化

渭河盆地地处华北地台南缘，其形成和发展是一个长期的、继承性、间歇性的过程。随着秦岭北侧、渭河北山南侧深大断裂的出现与活动，渭河地堑也在逐渐发生、发展和形成［14］，并受华北陆块的构造格局及其演化的控制。

古元古代(距今2500～1800 Ma)华北陆块初步形成。中新元古代(距今1800～1000 Ma)华北陆块处于拉张环境下，在陆块两缘形成了3大裂谷系，即北缘东段的燕山—太行山裂谷系、北缘西段的狼山—渣尔泰山裂谷和白云鄂博裂谷系，南缘的熊耳山—西阳河裂谷系［14］。控制渭河盆地形成的主要断裂太要断裂(距今约1800 Ma)［16］在这一时期形成。

图3 西安凹陷基地构造地震剖面图Fig.3 Structural and seismic profiles of Xi’an depression

图4 固市凹陷基地构造地震剖面图Fig.4 Structural and seismic profiles of Gushi depression

图5 鄂尔多斯盆地中生代沉积边界与沉积、堆积中心变迁分布图［14］Fig.5 Distribution of sedimentary boundary，depocenters and accumulation centers of Mesozoic Ordos basin

渭河地堑在早古生代的早、中期属于华北陆台的一部分［14］。早古生代华北陆块整体处于陆表海的稳定环境，此时整个陆块才有了统一的稳定盖层［15］。这一点除在地堑两侧有寒武—奥陶系及零星震旦系石英砂岩出露可作证明外，物探资料更加肯定了这一点［14］。关于北山南侧大断裂的形成少有报道，王存诚［14］根据物探资料认为，铜川的结晶基底埋藏深度为6000m，致使下古生界的厚度达到5000m以上，并形成下古生界厚度由铜川的2500m剧增至耀县之北的5500 m，表明北山南侧的大断裂在加里东时期已开始剧烈活动［14］。笔者认为这一认识是合适的，同时也说明渭河盆地此时相对于北邻鄂尔多斯盆地出现差异性沉降，也预示渭河盆地形成演化的开始。

中生代印支期华北陆块南侧的秦祁古海洋和北侧的古亚洲洋均已关闭［17］，华北、扬子两大板块拼合以后，华北陆块南缘同时受到造山后演化作用和中国东部大规模壳-幔作用两大地质过程的共同影响，使得一些近东西向的断裂、逆冲断裂和韧性剪切带重新活动，岩石圈的演化异常剧烈，在整体处于挤压格局下，局部部位伸展作用强烈，并伴有大规模的成矿作用，形成了石英脉(如大湖、纸房钼矿)或碳酸岩脉型(如黄龙铺、黄水庵钼矿)的钼矿［18］的同时，也促进渭河盆地周边断裂的活化及盆地的发展。

中生代燕山期，太平洋伊泽奈崎(Izanaqi)板块向北西—北方向亚洲大陆下的斜冲［19］，华北陆块东部主要受到北东方向的压扭性剪切分力，构造体制由近东西向转至北东—北北东向，受太平洋构造域和特提斯构造域的影响，新生代开始裂解［20］，在研究区形成了隆凹相间的构造格局。

渭河盆地作为汾渭地堑的一部分，其沉降在区域构造环境控制下，与其南北两侧的秦岭北缘和渭北隆起更具有密切的耦合关系。构造-热年代学是精确恢复构造热演化史的一种有效方法，任战利等［21］对渭北隆起的研究显示，奥陶系经历的最大古地温是在早白垩世达到的，早白垩世发生过一期构造热事件，渭北隆起自早白垩世晚期(距今102～107 Ma)以来开始隆升，40 Ma以来具有整体快速隆升的特点。这进一步印证了渭河断陷形成的最早时间为始新世［22］的论断不够准确。同时也说明，渭河盆地发展演化是一个极其复杂的、继承性的过程，在白垩世以前，作为鄂尔多斯盆地的一部分接受有古生代沉积。

综上所述，渭河盆地曾是中生代大型鄂尔多斯盆地和古生代大华北盆地的组成部分，与油气资源极其丰富的鄂尔多斯盆地的地质特征、烃源岩条件应具有相同、相似或相关之处［2］。

3.3 源岩分析

结合前人对渭河盆地沉积相研究成果并从有机质的丰度、类型和成熟度等方面对渭河盆地烃源岩定性评价可知，张家坡组主要以稳定的湖相沉积为主，经历了浅—深—浅湖的完整发展旋回。就生油条件而言，张家坡组显示的深湖—较深湖还原环境，可能成为良好的生油气环境［23］。张家坡组灰黑色泥岩可溶烃和裂解烃在2.89～0.017之间，有机质丰度呈中—差级，中级烃源岩样品可溶烃和裂解烃＞2仅占样品总数的22.22%。张家坡组泥岩TOC= 0.034～1.185之间，达到差-中级烃源岩的标准，其中中级烃源岩样品TOC＞0.6仅占到样品总数的0.09%(见表3)。有机质类型主要为含腐殖腐泥型和腐泥型为主，因而认为渭河盆地有机质类型较好，赋存I型，Ⅱ型和III型干酪根，盆地有机质有着良好的母质来源［24］。因而，认为张家坡组渭河盆地或者上古生界煤系地层可作为渭河盆地的烃源岩。

李玉宏等根据剩余航磁异常，大致按异常强度在25 nT以上的磁力高圈定了11个磁性体(见图3)。其中1—5号磁性体与太古宙片麻岩关系密切，6号磁性体与华山花岗岩体关系密切，7号磁性体与骊山地区的燕山期及太古宙花岗岩等有关，8号磁性体(武功—咸阳磁性体)与隐伏花岗岩有关，9、10号磁性体与秦岭北缘发育的花岗岩及元古宙变质岩有关，11号磁性体由元古宇基底隆起引起［25］(见图6)。未见明确隐伏岩体的结论，结合前人对鄂尔多斯盆地500多口探井放射性测井资料的分析和异常数据整理，发现在白垩系、侏罗系、三叠系以及二叠系和石炭系均存在高自然伽马异常层，自然伽马异常主要是由于铀活化和聚集引起，自然伽马异常增大是由于铀增加而引起。造成盆地高自然伽马异常特征的主控因素主要与盆地沉积环境的变迁和历经的构造运动有关系［26］。鄂尔多斯盆地砂岩型铀矿含矿层主要是中侏罗统直罗组(J2z)和下白垩统志丹群(K1z)［27］，铀成矿具有多期复合的特点。

以及渭河盆地氦气的高异常区不与磁性体对应，渭河盆地北邻渭北隆起的黄陵地区是层控型砂岩铀矿的重点勘查区，区内分布店头等众多铀矿床(点)，且渭河盆地浅层地下水的流向是从盆地的周缘向盆地中心，盆地西部的主要流向是自西向东，盆地南部主要流向是自南向北，盆地北部主要流向是自北向南，最后在渭河排泄，渭河一线大致是来自南北水流的汇水线［28］(见图7)。以及北秦岭地区广泛分布有多期富铀、钍的花岗岩［29］的事实，因此认为渭河盆地氦气的源岩主要为沉积的高自然伽马异常层或为铀矿体，次源岩为盆地周边的富铀花岗岩。

图6 渭河盆地氦气体积分数与磁性体、断裂关系Fig.6 The relationship among the helium volume fraction，magnetic body and fracture in theWeihe Basin

图7 渭南盆地潜水等水位线及流向图(据王文科，2005)Fig.7 Contour waterline and flow direction of phreatic water in the Weihe Basin

总之，渭河盆地新生界具有良好的烃源岩条件、储盖条件、圈闭条件以及保存条件。考虑到盆地内已广泛发现的富氦生物气显示，可以判定渭河盆地新生界具有形成浅层生物气藏的极大潜力和可观的氦气资源前景［13］。

4 结论

渭河盆地的基底是受构造断块控制的隆凹相间、组成复杂的拼接基底。固市凹陷中心区可能有二叠系石盒子组以上地层，甚至是中生代三叠系以上的地层。在盆地沉降中心的西安凹陷可能有侏罗纪甚至白垩纪地层。

渭河盆地周边断裂的形成受控于鄂尔多斯盆地南缘区域应力场的演化，渭河盆地北缘断裂的形成是渭河盆地盆地演化的开始，时间应为加里东期，盆地的主沉降期应是新生代。

渭河盆地曾是中生代大型鄂尔多斯盆地和古生代大华北盆地的组成部分，与油气资源极其丰富的鄂尔多斯盆地地质特征、烃源岩条件应具有相同、相似或相关之处，张家坡组或者上古生界煤系地层可作为渭河盆地的烃源岩。

渭河盆地地热水水溶氦气的主要气源岩是沉积的高自然伽马异常层或为铀矿体，次源岩为盆地周边的富铀花岗岩。

转变勘探思路，渭河盆地天然气勘探应以高甲烷生物气和低甲烷富氦天然气为重点，以深凹陷区前新生界为主力烃源岩层段，以高甲烷生物气为重点，有望在固市凹陷天然气勘探中取得突破。以咸阳斜坡带为氦气主要勘查区段，有望取得下铀上气的勘探突破。

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THE CHARACTERISTICS AND TYPESOF THE NATURAL GAS IN THEWEIHE BASIN AND ITS PROSPECTING POTENTIAL

LIU Lin1，2，RUIHui-chao3，CHEN Bao-yun4

(1.China University of Geosciences，Beijing 100083，China; 2.Shaanxi Key Laboratory of exploration and comprehensive utilization ofmineral resources，Xi’an 710054，China; 3.College of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an 710064，China; 4.ShaanxiMining Industry＆Trade Company，Xi’an 710054，China)

According to the analysis results of gas samples from the geothermal well，the investigation well of oil and helium in the Weihe Basin，we find that all kinds of drills contain gas with helium prevalently，combining the results of geology and latestgeophysical prospecting in recent years．And these gas could be divided into helium-rich gases and helium-poor gases based on the content of methane and helium．The results of geology，latest geophysical prospecting and geothermalwell also support that the upper Paleozoic strata exits in the Weihe Bsain and insidious granite is not discovered．The regional tectonic evolution illustrates that the faults around theWeihe Basin and regional faults formed contemporaneously，and the formation of the Weihe Basin is the part of regional evolution，which settlesmainly in Cenozoic era．Therefore，the former conclusions such as theWeihe Basin begins to form in the Eocene，there is no upper Paleozoic stratawith coal in the basement，and the source rock of gas is bearing-uranium granite in the basementand the Qinling orogenic belt，should be further studied and explored．Compared with Ordos Basin，we find that the upper Paleozoic strata with coal in the basement could be the source rock of gas and the Gamma anomaly strata could be the source of helium，which provides evidence to reappraise the resource prospect of helium in the Weihe Basin．

the Weihe Basin;natural gas;helium;the upper Paleozoic;coalmeasure strata

TE132.2

A

1006-6616(2016)02-0256-13

2015-11-18

刘林(1967-)，男，在职博士，讲师，主要从事地质矿产勘查、数据挖掘工作。E-mail:liulin1885 @163.com