渭河新生代盆地基底组成及其油气地质意义

李玉宏，张 文，袁炳强，韩 伟，陈高潮，张 林

(1.中国地质调查局 西安地质调查中心，陕西 西安 710054；2.中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；4.陕西省地质调查院，陕西 西安 710054)

0 引 言

渭河盆地位于陕西省中部，地处秦岭造山带与鄂尔多斯盆地之间(图1)。盆地周缘出露地层从老到新依次有太古宇、元古宇、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系及新生界[1]。渭河盆地新生界厚度数千米，最厚超过6 000 m，主要为古近系户县群(红河组、白鹿原组、甘河组)，新近系高陵群(冷水沟组、龚家沟组)、蓝田—灞桥组、张家坡组，第四系三门组。前人根据渭北地区出露下古生界及盆地东南缘骊山断隆处出露太古宇片麻岩及震旦系浅变质岩系，认为渭河盆地宝鸡-渭南断裂以北，前新生界基底为下古生界碳酸盐岩，以南是太古宇及元古宇(图2)，其中临潼-长安断裂以西为元古宇，以东为太古宇深变质岩系，基底形态总体为一北倾的陡斜坡[2-3]。

图1 渭河盆地大地构造位置Fig.1 Tectonic location of Weihe Basin

图2 渭河盆地基底结构概图(据文献3修改)Fig.2 Base structure of Weihe Basin(after reference 3)

渭河盆地是否具有天然气前景是人们长期探讨的问题之一，是否具有烃源岩是其核心问题。20世纪70年代，渭深13井曾发现富氦天然气显示，但石油普查工作因新生界缺乏有效烃源岩、认为盆地深部不存在晚古生代煤系地层而停顿。2004年以来，渭河盆地地热井中广泛的天然气显示及国内外罕见的高氦含量，重新引起了人们对渭河盆地前新生代基底组成及天然气前景的关注[3-10]。卢进才等根据地热井煤型甲烷信息提出渭河盆地基底应该存在石炭—二叠纪煤系地层[5]；李玉宏等利用地质、地球化学、地球物理成果，进一步论述了渭河盆地基底存在石炭—二叠纪煤系地层的可能性[6]；王建强等在总结前人地球化学成果基础上，以渭河盆地地质演化为重点，论述了渭河盆地基底可能存在石炭—二叠纪煤系地层及三叠系[9]。由于渭河盆地钻穿新生界的钻孔极少，又缺乏能识别基底组成的高精度的物探资料，上述研究总体缺乏可靠的实证材料。2013年以来在渭河盆地开展了二维地震剖面测量等工作，取得了较多的新资料。文中根据区域地质背景、地热井伴生气分析成果、油气化探、地球物理测量，特别地震测量成果，进一步论证了渭河盆地前新生界基底局部残留晚古生代煤系地层，并利用物探成果划分了构造单元，按照新生代沉降早、沉积有低层位(古近系)的凹陷区，前新生代地层残留层位高(有上古生界残留)；在新生代沉降晚、无古近系的地区，前新生代地层残留层位低(无上古生界残留)的地质认识，对上古生界分布进行了大致预测。渭河盆地晚古生代煤系地层烃源岩的存在，为渭河盆地天然气勘探带来了希望；由于氦气不能单独成藏，必需在甲烷等载体气藏中聚集、积累，才能形成富氦天然气藏[10-12]，研究结果也为氦载体气成藏提供了物质基础；同时也可为鄂尔多斯周缘盆地群新层系油气调查提供借鉴。

1 渭河新生代盆地基底组成

1.1 渭河地区曾广泛沉积了石炭系-三叠系

渭河盆地新生代以来，其断陷沉降与鄂尔多斯盆地经历了明显不同的演化途径，古生代期间二者均是大华北盆地和中生代大鄂尔多斯盆地的重要组成部分，因而其前新生代沉积必然和鄂尔多斯盆地(华北地块)密切相关，前新生界的残留程度也将受秦岭和鄂尔多斯盆地演化的影响。

从渭河盆地周缘石炭系-三叠系分布看，北秦岭地区的凤县—周至—洛南一线与渭北地区一样分布有石炭-二叠纪煤系地层[13]，特别是二叠系中上统与鄂尔多斯盆地内部具有良好的对比关系，可以认为上古生代鄂尔多斯地台与秦岭海槽的海陆交互相沉积边界应抵达北秦岭地区，现渭河盆地范围沉积过石炭—二叠纪煤系地层。张国伟等研究认为北秦岭北带盖层以区域构造不整合于下伏早前寒武纪结晶基地之上，发育中上元古界，寒武系，少量奥陶系，与华北地块一样缺失中奥陶统—下石炭统，而上石炭统—三叠系主要出露于该区北缘[14]。其石炭—二叠—三叠系岩石组合与古生物群落等和华北地块内部完全一致，它们原与华北地块内部是连通一致的，表明今渭河盆地区域内曾有过石炭纪—二叠纪的沉积。北秦岭洛南(位置如图1)兑山二叠系石盒子组砂岩矿物成熟度高，石英含量达85%，指示非为山间小盆地沉积产物，而应是华北地块南缘的(大盆地)沉积所致。

前人研究认为渭河盆地范围晚三叠纪时依然为河湖相沉积区[15-18]。渭河北山出露的三叠系尚无边缘相堆积[16-17]，秦岭造山带的丹凤—南召一带断续保存有三叠系延长组深湖相沉积[18]，即晚三叠纪大鄂尔多斯盆地的湖相沉积范围很可能跨过渭河地区可达北秦岭地区，无疑现渭河新生代盆地范围也曾沉积过三叠纪地层。

可见现渭河地区曾与鄂尔多斯盆地一起经历了古生代大范围稳定沉降(大华北)，中生代发育大型坳陷盆地(大鄂尔多斯)，此后于新生代成为鄂尔多斯盆地周边断陷盆地的多旋回改造型盆地，其前新生代基底组成主要决定于后三叠纪的改造剥蚀程度。

1.2 渭河盆地深部残留晚古生代煤系地层的证据

1.2.1 地球物理证据

渭河盆地高分辨率地震折射剖面显示，西安凹陷新生界低速度层之下的中速度层(层速度4.0～5.0 km/s左右)在北部固市凹陷也有分布，且连续性良好，并延伸至渭北地区古生界露头区，这些地层与鄂尔多斯盆内上古生界层速度基本一致[18-20]。

鄂尔多斯盆地晚古生代煤系地层地震反射组合特征(T9)表现为：组合的下部强振幅反射(T9-2波组)为一个区域稳定、易于追踪对比的强振幅、高连续性反射同相轴，对应于石炭系9#，8#主力煤层反射；上部强振幅反射(T9-1)对应山西组主力煤层反射(4#，3#煤层)(图4)。在地震剖面上T9反射层特征显著，易于识别；其下奥陶系顶部不整合面为一个区域性上超 /削蚀界面，对应地震反射波组为一个波谷，其上 20～80 ms处为 T9-2波峰，缺失本溪组时，奥陶系顶部不整合面与T9-2合二为一。渭河盆地地震剖面显示(图3)，新生界之下地层具有明显强反射特征，特别是存在2个平行的强振幅、连续的同相轴，其波谱特征与鄂尔多斯盆地T9反射特征相似，表明渭河盆地深部残存有与鄂尔多斯盆地岩性组合相似的煤系地层，最大可能是与鄂尔多斯盆地相同的晚古生代煤系地层。

图3 DD2013 P1地震测线解释成果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，推测深度8 200 m.地震剖面上代表石炭系-二叠系底界的T9反射层特征明显，在西安凹陷内推测深度6～7 km，咸渭凸起上推测深度2～3 km.表明测区整体发育上古生界的石炭系-二叠系和下古生界的寒武系-奥陶系，凹陷南部最大厚度2 600 m，北部最薄仅750 m；北部的咸渭凸起上古生界残留较少，发育下古生界的寒武系-奥陶系(图4)。

1.2.2 地热井伴生气中甲烷和二氧化碳碳同位素示踪证据

渭河盆地现有地热井300余口，主要开采新近系蓝田-灞河组及高陵群砂岩、砂砾岩孔隙-裂隙热水。地热井普遍含较高浓度的氦和一定量的甲烷伴生气，其中甲烷含量一般10%～20%，少部分井甲烷含量可达80%以上[4-9]；甲烷气为多源成因，产于浅部张家坡组的甲烷为生物气，产于深部蓝田-灞河组及高陵群的甲烷碳同位素分布-24.5‰～-40.2‰，重烃含量低，表现为煤型气的特点，而且与鄂尔多斯盆地上古生界石炭—二叠系煤型甲烷气具有近似的同位素组成[21](表1)，指示这些甲烷气很可能来自与石炭纪—二叠纪煤系地层类似的气源岩，因而也暗示渭河盆地的西安凹陷、固市凹陷等新生代地层之下，残存有石炭纪—二叠纪含煤系地层。

图4 鄂尔多斯盆地C-P煤层(T9)反射特征Fig.4 Reflection features of coal seams in C-P periods(T9) in Ordos Basin

表1 渭河盆地伴生气甲烷碳同位素与鄂尔多斯盆地的对比Table 1 Comparison of carbon isotope of natural gas methane between Weihe Basin and Ordos Basin

注：T3y-J1y为上三叠统延长组—下侏罗统延安组；C-P为石炭系—二叠系。

渭河盆地22口井的CO2样品中，仅4口井的δ13CCO2>-10‰，是无机成因或无机成因为主的CO2，另外18口井的δ13CCO2<-10‰，CO2含量<15%，属有机成因CO2[22-23](表2)，说明应有良好的烃源岩存在。然而，渭河盆地新生界不但缺乏烃源岩，而且成熟度低，难以大量生成CO2.因此，极大的可能是这些地热井中的CO2来自与鄂尔多斯盆地类似的上古生界煤系地层，也从另一个方面表明渭河盆地新生代地层之下应该残存有晚古生代煤系地层。

1.2.3 土壤化探酸解烃中甲烷和二氧化碳碳同位素证据

固市凹陷和西安凹陷的97个土壤酸解烃中甲烷和二氧化碳的碳同位素分析结果中，甲烷主要为煤型热解气，个别为煤型裂解气，二氧化碳主要为有机成因(图5)，与地热井伴生气甲烷和二氧化碳的成因类似，来源相同，说明盆地深部残存有高热演化的煤系地层。

1.2.4 露头和钻探

露头区的铜川和口镇的地层剖面，均有太原组和山西组含煤地层出露，WC3井钻遇石盒子组地层(未穿)，根据露头区晚古生代地层连续推测，其下应有山西组和太原组含煤地层存在。然而，在北秦岭构造带的洛南地区缺失太原组和山西组地层，但石盒子组是含煤地层，并与下覆奥陶系陶湾群呈角度不整合接触(图6)。这说明，渭河盆地北部上古生界从太原期就已开始接受沉积，并向南逐步超覆，盆地南部于太原期—石盒子期之间开始沉积，而在秦岭的洛南地区直至石盒子期才开始接受沉积，渭河盆地南部应开始沉积于太原期—石盒子期之间，发育有穿时的煤系地层。从WC3井和P1井来看，位于固市凹陷区的WC3井，新生代沉降早、古近系始新世开始接受沉积，前新生代地层遭受剥蚀时间较短、剥蚀量小，残留地层层位高，残留有上古生界石盒子组及以下地层；位于岐山-合阳凸起区的P1井，缺失古近系，新生代沉降晚、直至中新世才接受沉积，前新生代地层在古近纪始新世-渐新世遭受进一步剥蚀，上古生界被完全剥蚀，仅残留早古生代碳酸盐岩。

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

图5 渭河盆地土壤酸解烃中CH4和CO2碳同位素分布范围Fig.5 Carbon isotopes of CH4 and CO2 in soil acid hydrocarbon in Weihe Basin

图6 鄂尔多斯盆地(铜川)-渭河盆地-北秦岭(洛南)地层剖面对比Fig.6 Stratigraphic section comparison of Ordos Basin (Tongchuan)，Weihe Basin and north Qinling(Luonan)注：阴影代表地层缺失

1.2.5 邻区中新生代地层残留

前文分析表明晚古生代含煤地层曾在渭河盆地沉积过，其前新生代基底组成主要决定于后三叠纪的改造剥蚀程度。

渭北隆起与渭河盆地在古生代和中生代之前均为大华北盆地和大鄂尔多斯盆的组成部分，具有类似的沉积与构造演化过程，自古近纪以来渭北隆起和渭河盆地进入差异演化阶段。热演化史模拟表明，渭北隆起主要有两期抬升阶段：125～100 Ma(早白垩世晚期)和40 Ma～现今(始新世中期开始)，特别是5 Ma以来发生快速抬升冷却[24-25]。

现今秦岭造山带结构主要受中新生代的陆内造山作用控制[14]。中生代中期(J2-K1)，秦岭发生大范围的陆内构造运动，中生代晚期及新生代(K2以来)，在总体挤压体制下，发生隆升[9]。古新世时，秦岭地区的哺乳动物群与南北许多地区类似，说明当时秦岭尚未剧烈隆起[26]。滕志宏和王晓红通过沉积、地貌与地球物理资料结合研究认为，秦岭的剧烈隆起始于新生代的渐新世晚期(约24 Ma)[27]。渭河盆地南缘，秦岭北部华山、文峪以及太白山岩体的磷灰石裂变经迹所揭示的山体隆升历史表明，，华山地区新生代以来分别于57～42 Ma,32～22 Ma和约8 Ma发生3次快速隆升[28]，文峪岩体自138 Ma侵位后于始新世(45 Ma至30～35 Ma)发生快速冷却抬升[29]，太白山经历了始于约48 Ma(始新世末)的小幅度快速抬升冷却阶段，和始于约9.6 Ma(中新世)的大幅度快速抬升冷却阶段[30]。前人研究一致表明，渭河盆地南缘的秦岭山脉隆升开始于57～42 Ma的始新世，而快速隆升主要发生在渐新世晚期到中新世以来。

从构造演化来看[27-31]，渭北隆起与秦岭造山带北缘新生代始新世以来的隆升具有同时性，与渭河盆地新生代以来的快速沉降具有很好的耦合关系。现今渭河盆地周边残留地层较老，主要是在这一时期的巨大剥蚀所致，渭河盆地内部在这一时期接受了巨厚的沉积，前新生代地层得以较多的保存。固市凹陷三原地区的渭参3井钻遇二叠系石盒子组，是渭河盆地内有二叠系保存的直接证据(图6)。结合地震和地球化学结果，石炭系—二叠系在渭河盆地内仍有残留，但三叠系残留与否还不确定。

2 盆地演化与基底预测讨论

以上分析表明渭河盆地曾经作为古生代大华北盆地和中生代大鄂尔多斯盆地的一部分经历了长期的共同演化历程，仅在新生代快速断陷沉降后形成了现在的格局。具体有以下阶段：①与大华北盆地一起发育有寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系和中下三叠统；②中晚三叠世，随着秦岭洋闭合，扬子与华北板块发生碰撞，秦岭全面造山，鄂尔多斯盆地进入鼎盛时期，盆地南界可达北秦岭地区，沉积有中上三叠统及侏罗系。晚侏罗世—早白垩世末，受秦岭陆内造山活动的影响，逐步停止接受沉积，局部隆起遭受剥蚀。晚白垩世鄂尔多斯盆地消亡，现渭河地区整体抬升，地层剥蚀并不强烈；③自始新世中晚期以来，渭河断陷开始发育，与南北两侧地形高差加大，盆地邻区的快速隆升(剥蚀)与渭河盆地的大幅沉降具耦合关系，即断陷区接受沉积而两侧隆升区及翘倾端强烈剥蚀提供物源。

进一步根据物探等成果划分了渭河盆地新生代构造单元，根据地震、钻探等信息，按照沉降早的凹陷区，前新生界残留层位高的思路，编制了渭河新生代盆地基底组成预测图(图7)。预测西安凹陷和固市凹陷存在较大范围的上古生界，西安凹陷向西倾覆，固市凹陷向东倾覆，2个凹陷的上翘地区上古生界残留较少；岐山-合阳凸起上古生界剥蚀殆尽，为下古生界基底；骊山地区出露太古界，其向西倾覆形成的咸渭凸起呈堑垒结构，地堑区残留少量上古生界，地垒区缺失上古生界。

图7 渭河盆地基底结构示意图Fig.7 Estimated base structure of Weihe Basin

3 油气地质意义

渭河盆地新生代发育良好的储盖组合，油气前景一直受烃源岩的制约。研究认为盆地凹陷区残存有晚古生代含煤地层，甚至中生界沉积。这2套地层在区域上均为良好的烃源岩，在渭河盆地因其埋深大，烃源岩热演化程度高，深埋过程中发生过大规模油气生成。这一认识为盆地内油气勘探和远景区规划提供了依据。

渭河盆地之外，鄂尔多斯盆地周缘还分布有其它3个新生代断陷盆地：汾河盆地、河套盆地和银川盆地，其动力学机制类似，均与太平洋板块和印度洋板块对欧亚板块的俯冲有关。本研究成果可为这些盆地的油气勘探提供借鉴。

4 结 论

1)地震测量在盆地新生界之下获得明显反射信息，特别是与鄂尔多斯盆地晚古生代煤系地层地震波谱结构相近的一组强反射组合，表明渭河盆地存在晚古生代煤系地层；

2)渭河盆地地热井伴生气及土壤化探分析成果表明，广泛分布的高热演化煤型甲烷气及有机成因CO2气，为盆内煤系地层的存在提供了依据；

3)现渭河盆地范围沉积过石炭纪—二叠纪煤系地层及三叠系，其前新生界基底组成主要决定于三叠纪以来改造剥蚀后的残留程度。WC3井揭示渭河盆地基底至少残留有二叠系石盒子组及以下地层；

4)渭河盆地与鄂尔多斯盆地一起经历了古生代稳定沉降，中生代发育大型坳陷盆地的演化历程，新生代才成为鄂尔多斯盆地周缘断陷盆地，晚古生代含煤地层的保存主要得益于晚侏罗世—晚白垩世时期剥蚀作用较弱。渭河盆地周缘地层主要剥蚀于新生代，并用于渭河新生代盆地的沉积充填，盆地内较早断陷接受沉积地区，剥蚀量较小。西安凹陷、固市凹陷和咸渭凸起局部，残留有石炭系—二叠系；

5)渭河盆地基底残存有晚古生代含煤地层，为渭河盆地油气及富氦天然气勘探提供了物质基础，同时也可为鄂尔多斯周缘其它断陷盆地(汾河盆地、河套盆地和银川盆地)油气调查提供借鉴。