扬子地区盆地基底精细结构研究及成果揭示

11.3.1 研究概况

中扬子地区盆地基底的结构与展布特征研究对我国南方古生代海相残留盆地的多期构造背景下的构造 岩相古地理演化与深层原型盆地重建有重要的指导意义。在岩石物性研究的基础上，对黄陵背斜、江汉盆地、江南古陆等地区开展综合地球物理研究，进行多种地球物理场数据反演处理与综合解释，揭示古生代盆地基底的结构与展布特征，明确我国南方古生代海相残留盆地的构造特征。

通过研究区典型剖面的大地电磁（MT）、重、磁联合观测与处理、反演，结合地震层析成像研究和已有的地震、地质资料，进行多种地球物理场数据综合反演与解释，揭示中扬子地区古生代盆地基底的结构与展布特征，明确研究区残留盆地的构造特征，为从盆山耦合的角度考察原型盆地的发育特征和探讨深层主力烃源层的发育相带与构造演化背景之间的关系提供地球物理依据。

11.3.2 典型剖面重、磁、电实测数据综合反演

典型剖面西段为鄂西褶皱带（包括秭归向斜、黄陵隆起），中段为江汉盆地（包括枝江凹陷、当阳复向斜带、江陵凹陷、陈沱口凹陷），东段为江南隆起（包括修水坳陷、丰城隆起、萍乐坳陷），如图11．18所示。通过重、磁、MT实测数据的联合反演，构建剖面的密度、磁性和电性结构，参考其他地球物理资料（如地震资料等），从浅至深给出盆地深浅构造特征，从盆山耦合的角度考察原型盆地的发育特征。

图11.18 研究区与综合地球物理剖面的位置

①—鄂西褶皱带；②—江汉盆地；③—江南隆起

1）电性结构

MT资料反演是将地表实测的视电阻率及相位随频率、深度变化的资料通过一定的数值模拟计算方法，获取地下各测点不同深度介质的电阻率值，给出勘探剖面地下的电性分布断面。

非线性共轭梯度法（NLCG）二维反演是一种通过确定模型搜索方向、快速稳定收敛的二维反演方法。研究中使用该方法进行二维反演，迭代次数为30。模型响应与原始数据之间的rms均达到5％以下，取得了较满意的结果，获得了研究区MT剖面深部地质体的电性结构（图11．19）。

图11.19 MT剖面深部地质体的电性结构二维反演结果

电性梯度带明显，为深大断裂的反映，是各构造单元的分界。纵向分为三层，分别与上、中、下地壳对应：①深度0～10km表现低、高阻横向相间，为上地壳，低阻对应盆地或坳陷，高阻对应隆起，依次为秭归盆地、黄陵隆起、枝江凹陷、江陵凹陷、陈沱口凹陷、雪峰山—武夷山隆起、修水坳陷、幕阜山—九岭山隆起、萍乐坳陷；②深度10～20km表现低阻层特征，为中地壳塑性层，尤其山区下部普遍存在电性极小值；③深度20km以上表现中高阻层特征，为下地壳。

2）密度和磁性结构

沿综合剖面上开展了重力、磁力测量，点距为5km。经过各种校正后，得到剖面的布格重力异常（图11．20）和磁力异常（图11．21），在剖面反演中，以岩石物性为基础，收集了研究区已有的岩石密度和磁性资料，遵循“区域约束局部、深层制约浅层”的思想，以地震层析成像和大地电磁结果为约束建立初始地质地球物理模型。

图11.20 布格重力异常拟合反演剖面图

①齐岳山大断裂；②通城河大断裂；③潜北—天门大断裂；④沙湖—湘阴—梧州大断裂；⑤江南大断裂；⑥衡阳—渣津大断裂；⑦景德镇—宜丰—衡阳大断裂；⑧绍兴—萍乡—怀集深大断裂。重力剖面拟合反演参数：剖面方位角122．5°、拟合均方差1．58mGal

图11.21 磁力异常拟合反演剖面图（磁力异常剖面反演差数：地磁场强度49188nT、地磁场磁偏角D＝－3.53°、地磁场磁倾角I＝45.38°、测线方位角125.5°、拟合均方差7.15nT）

11.3.3 研究概况地震层析成像研究

联合采用研究区大量的近震和远震到时数据，使用非线性地震层析成像方法，通过多次迭代反演计算地壳和上地幔的深部波速结构信息，为分析盆地深部构造特征研究提供地球物理依据。

由于反演地壳深部的速度结构需要利用较长路径的地震射线，考虑到研究地区地震活动并不频繁，故收集数据时将范围扩大到东经104°～121°、北纬24°～35°（图11．22）；为了确保地震数据的可靠性，仅挑选出具有较高精度的P波初至到时，包括直达P波、Pg波和Pn波等多种震相。其中每个地震至少有4个以上的到时记录，走时残差的绝对值小于3．5s。经过挑选共有3484个地震的30811个初至P波到时参与反演（图11．23）。

图11.22 用于地壳层析成像的台站、地震和地震射线分布

图11.23 不同深度的P波速度扰动图像（黑色线段为MT测线）

根据三维数据体，考虑其与MT剖面方向一致并可以穿越不同的大地构造单元，可以突出块体边界的信息，研究了6条与MT剖面方向一致的P波速度结构剖面；同时为了分析地质体垂直MT剖面方向上的延伸信息，研究了17条垂直于MT剖面的P波速度结构剖面（图11．24～图11．26）。

图11.24 地震层析成像剖面的位置图（黑色线段为MT测量的位置）

图11.25 P波速度剖面(www.xing528.com)

图11.26 上地幔顶部的Pn波速度结构特征

11.3.4 研究概况综合地质与地球物理解释

通过地震层析成像和重、磁、电的精细处理，建立了研究区的电性、密度、磁化率和速度深部结构的架构，结合地质资料，初步建立了本区深部结构框架，总体表现为“层块”结构。

1）莫霍面特征

根据上地幔顶部的Pn波速度图，在30～40km深度处存在明显速度异常带，从6．8km/s迅速升至7．8km/s以上，参考前人成果，初步确定为莫霍面，反映了地壳与上地幔因物质成分和温压条件不同而产生的速度差异。研究区莫霍面总体上由NW向SE逐步抬起，到东经111°附近，不再出现明显变化，深度约30km，这与我国地势第二梯度带位置相吻合，表现出莫霍面起伏与现代地形之间具有密切的镜像联系。

2）上地幔特征

上地幔顶部的Pn波速度、各向异性特征、电性特征在平面上均有明显变化，显示上地幔非均质性较强，顶面有明显起伏特征，总体而言与莫霍面变化基本协调，反映了深部区域构造背景。在电性图上，上地幔顶部存在多处上涌的低阻低速异常体，分别与江汉盆地或深大断裂相对应，反映了深部作用对浅层构造的控制。

3）地壳特征

总体表现为“层块”结构（纵向分层、横向分块），反映了深部结构与浅层构造的相关性。

（1）纵向特征。根据速度和电性特征，纵向上10～20km出现极小值，其中速度低于6km/s、电性低于0．5Ω·m，参考前人成果，认为是中地壳塑性层的反映，据此可将地壳分为三层，分别与上、中、下地壳对应：①深度0～10km为上地壳，速度主要在纵向上随深度增加逐步增大，而电性则在横向上存在明显变化，多表现低、高阻横向相间，其中低阻对应向斜或坳陷、高阻对应隆起，沿NW至SE向依次为秭归向斜、黄陵隆起、枝江凹陷、江陵凹陷（江口向斜）、陈陀口凹陷、雪峰山—武夷山隆起、修水坳陷、幕阜山—九岭山隆起、萍乐坳陷。②深度10～20km为中地壳，存在明显的低速层、低阻体，尤其山区下部电性和速度普遍存在极小值。③深度20km以上表现中高阻层特征，为下地壳。

（2）横向特征。地震层析成像显示，在部分地区上、下地壳呈连续过渡，而另一部分地区地壳存在明显的低速层。根据是否存在低速层，可将测线分为4段：东经115°以东与华南褶皱区相对应，低速层在9km左右；东经113．5°～115°与江南隆起带相对应，低速层在11km左右；东经111．5°～113．5°与江汉盆地相对应，上、下地壳呈连续过渡；东经111．5°以西与川东—鄂西褶皱带相对应，低速层在18km左右。低速层变化与局部地区的现代地形呈现一定的正相关，如测线中部缺少低速层的区段与江汉盆地负地形相对应，而测线两端的低速层区段与鄂西山区、武夷山山区相对应，东经114°附近低速层区段与江南隆起相对应。

大地电磁剖面显示，研究区基底电性也有明显变化，据此将电法剖面划分为三段：测线西段为川东—鄂西褶皱带，总体呈现浅部以中高阻为主、向下变为中低阻，包括秭归向斜和黄陵隆起。中段为江汉盆地，总体呈现浅部以中阻为主，向下变为中低阻，包括枝江凹陷、江陵凹陷和陈陀口凹陷。东段为江南隆起带，总体呈低、高阻横向相间，包括雪峰山—武夷山隆起、修水坳陷、幕阜山—九岭山隆起和萍乐坳陷。

11.3.5 主要认识

根据地震层析成像和重磁电等综合解释，从宏观尺度上对黄陵背斜、江汉盆地、江南隆起等地区进行了地壳深部结构与展布特征解释，明确了盆地基底地球物理属性结构、类型、分布特征和分段性，认为研究区基底总体表现为“层块”结构：在30～40km深度处为莫霍面，存在明显速度异常带；深度20～30km为下地壳，电性呈现中高阻值，速度在6．4km/s以上，非均质性较强；10～20km深度为中地壳，存在明显的低速层、低阻体；深度0～10km为上地壳，表现低、高阻横向相间，其中低阻对应向斜或坳陷、高阻对应隆起，依次为秭归向斜、黄陵背斜、江汉盆地（枝江凹陷、江陵凹陷和陈陀口凹陷）、雪峰山—武夷山隆起、修水坳陷、幕阜山—九岭山隆起、萍乐坳陷。并根据电性梯度带变化特征，划分了8条深大断裂：齐岳山大断裂、通城河大断裂、潜北—天门大断裂、沙湖—湘阴—梧州大断裂、江南大断裂、衡阳—渣津大断裂、景德镇—宜丰—衡阳大断裂、绍兴—萍乡—怀集深大断裂（图11．27）。得到以下认识：

图11.27 中扬子地区地质-地球物理综合剖面图

（a）地形图；（b）重力垂直梯度阴影图；（c）垂直P波速度剖面；（d）MT二维反演结果图（TE＆TM）；（e）综合地质解释剖面图

深大断裂：①齐岳山大断裂；②通城河大断裂；③潜北—天门大断裂；④沙湖—湘阴—梧州大断裂；⑤江南大断裂；⑥衡阳—渣津大断裂；⑦景德镇—宜丰—衡阳大断裂；⑧绍兴—萍乡—怀集深大断裂

（1）中扬子与华北块体的地壳结构明显不同，活动性强，存在明显的中地壳低阻体，而且这些低速层是与局部地形相吻合的，山区存在低阻体而江汉盆地下方并不存在，表明江汉盆地至今仍处在比较稳定的情况下。根据“深层制约浅层”可以作一个推论：中地壳的低速层控制了上地壳的构造。

（2）深大断裂长期活动可沟通上地幔，其电性多表现为具有一定宽度的低阻线性特征，是深部构造活动的地面表现。

（3）以通城河断裂为界，地壳结构存在明显的EW向变化。通城河断裂以西，即秭归向斜、黄陵背斜下方，地壳厚度约为42km，地壳P波速度稍低（6．3～6．4km/s）；而在通城河断裂以东，即江汉向斜下方，地壳厚度约为30km，地壳P波速度较大（6．6～6．7km/s），预示着通城河断裂可能为华南岩石圈减薄的西界，或位于青藏高原与太平洋板块相互作用的前沿地带，同时也是中国地势第二级阶梯向第三级阶梯的过渡地带。

（4）江南隆起区深部低、高阻相间，暗示其原先为古陆块，后被构造运动破坏、岩浆沿断裂上升所致。江南隆起中部发育较大规模的低阻体，易于形变，可能构成九江地区孕震的地质基础。

（5）萍乐坳陷基底存在较大规模的高阻体，与江汉盆地不同，说明其基底稳定、中—新生代构造活动弱，变形、变质程度弱，地热梯度低，可能存在较好油气前景。

（6）电法与地震层析成像剖面对比，地震层析成像剖面成层性好，尤其莫霍面清楚，中地壳的低速低阻体对应好，但断裂反映较差；电法剖面横向分辨好，尤其凹陷、隆起清楚，但莫霍面不明显，似乎没有电性梯度带，这主要是因为莫霍面为物性界面，地震波速度受物性影响大、变化明显，而电性受流体影响大、断裂处变化明显。