青藏高原东北缘弧形构造带与鄂尔多斯西缘沉积层结构

Imaging sedimentary structure in the northeastern margin of the Tibetan Plateau and western margin of the Ordos

摘要

弧形构造带位于青藏高原东北部与阿拉善地块和鄂尔多斯地块的交界处,由数条大型断裂带及断裂带间盆地组成,地震活动频繁。近年来,构造带内的盆地受到广泛关注,一方面因其具有潜在油气资源,另一方面是盆地会对深部成像带来干扰,制约了青藏高原与周缘块体深部接触关系的认识。然而,现有沉积层厚度主要基于宽频台站的研究结果,台站间距较大,使得沉积层结构的空间分辨率不足。因此,本研究布设了一条跨越青藏高原东北缘弧形构造带和鄂尔多斯西缘的短周期密集台阵测线,采用远震接收函数成像和H-κ格网搜索方法,获取了研究区高分辨率的沉积层结构。结果表明,弧形构造带沉积层厚度变化剧烈,海原断裂与香山—天景山断裂间的兴仁堡凹陷和罗山断裂以东的鄂尔多斯西缘沉积厚度最大,前者沉积厚度约5 km,后者约为4 km。接收函数正演模拟表明,兴仁堡凹陷与鄂尔多斯西缘沉积层厚度虽均大于4 km,但兴仁堡凹陷沉积层速度更低,因此两地区的接收函数存在显著差异。根据钻探结果,本研究揭示沉积层最为发育的兴仁堡凹陷及鄂尔多斯西缘逆冲带以东,均发现有烃源岩,是油气勘探的有利地区。上述结果与反射地震剖面和钻孔数据有较高的一致性,表明短周期密集台阵高频接收函数H-κ方法在沉积盆地结构探测中具有较好的应用效果,能够为油气远景评价和后续接收函数深部结构成像奠定基础。

Abstract

The Arcuate Tectonic Belt (ATB) is located at the junction of the northeastern Tibetan Plateau, the Alxa Block, and the Ordos Block. It comprises several major fault zones and intervening basins. These basins have attracted increasing attention for their hydrocarbon potential. However, these basins significantly hamper deep structural imaging, limiting our understanding of the deep interactions between the Tibetan Plateau and surrounding blocks. Previous estimates of sediment thickness, based primarily on widely spaced broadband seismic stations, have been limited by poor spatial resolution. To overcome this, we applied receiver function and H-κ methods to data from a dense seismic array of short-period stations crossing the ATB. Sediment thickness varies dramatically across the belt, with the greatest sediments (~5 km) in the Xingrenbu Depression (XRBD) between the Haiyuan and Xiangshan-Tianjingshan faults, and similarly thick sediments (~4 km) on the western margin of the Ordos Block east of the Luoshan Fault. Forward modeling further reveals that although both regions have >4 km of sediments, the XRBD exhibits lower seismic velocities, resulting in distinct receiver function characteristics in the two regions. Drilling results have also identified hydrocarbon source rocks in the XRBD and the western margin of the Ordos Block, coinciding with the areas of thickest sediments identified in this study and highlighting their considerable hydrocarbon exploration potential. The strong agreement of our results with seismic profiles and borehole data demonstrates the reliability of high-frequency receiver function H-κ analysis using dense arrays for imaging sedimentary structures, with implications for hydrocarbon assessment and deep tectonic studies.

Graphical abstract

关键词

短周期密集台阵 / 接收函数 / H-κ / 沉积层结构 / 青藏高原东北缘 / 鄂尔多斯西缘

Key words

short-period dense array / receiver function / H-κ / sedimentary structure / northeastern corner of Tibetan Plateau / western margin of Ordos

0 引言

青藏高原东北缘弧形构造带,位于青藏高原东北部与阿拉善地块和鄂尔多斯地块交界处,由一系列弧形断裂带及夹持在断裂带间的盆地构成,是青藏高原北东向扩展最前缘^[1-3]。弧形构造带的深部结构,记录了高原地壳北东向扩展过程中的变形行为,是探究高原北东向扩展机制及地块相互作用的基础。其中远震接收函数作为壳内界面的主流成像方法之一,广泛用于揭示高原东北缘及周缘块体的深部结构^[4-5]。然而,弧形构造带因构造变形强烈,上地壳呈现明显横向非均匀性,基底埋深向东侧鄂尔多斯盆地显著增厚^[6-8]。这种上地壳和近地表结构的复杂性,会造成接收函数波形复杂,深部成像困难,给后续获取地壳厚度、速度、各向异性等工作带来了挑战^[9-11]。在地震活动性方面,弧形构造带处于板块交界处,是我国南北地震带的重要组成部分,新构造运动活跃,中强地震频发,如1709年中卫7.5级地震、1920年海原8.5级地震、1927年古浪8级地震等^[12-13]。断裂带间发育的新生代盆地会产生地震波放大和聚焦效应,使区域地震危险性变高,如天景山断裂和烟筒山断裂之间就表现出明显的低b值特征^[14]。在地质资源方面,东北缘地区蕴含丰富的煤炭资源,如海原断裂西南侧的靖远煤矿是甘肃省的主要煤矿生产基地之一,具有煤层厚度大、分布面积广的特点^[15-16],与弧形构造带相邻的鄂尔多斯盆地西缘构造带发育典型的冲断构造,是我国重要的陆内逆冲推覆构造区,近年来该地区上古生界发现多个气田和含气构造,已成为重要的油气和煤炭资源开发地区^[17-18]。综上所述,青藏高原东北缘弧形构造带沉积层厚度大且横向变化剧烈,获取该地区精细的沉积层结构特征,对后续深部成像质量、区域地震危险性评估及进一步圈定油气勘探范围均具有重要意义。

前人在青藏高原东北缘开展了大量地震学观测,早先以固定台网和宽频带流动台阵为主^[4,7,19-20]。然而,宽频地震台站的研究因布设成本高,台间距较大,在区域沉积层厚度方面的空间采样和分辨率有限。与之相对,短周期密集台阵得益于仪器便携,能短时间以小台间距布设大量台站,且不受布设条件限制,可在城镇等人口密集区开展工作,近年来已被广泛应用于高精度壳内和浅部精细结构研究^[21-23]。

因此,本研究以青藏高原东北缘弧形构造带及邻区为研究对象(图1)^[24-25]。基于采集的短周期密集台阵数据,利用高频接收函数和H-κ方法,获取了研究区高分辨率的沉积层结构,并结合接收函数正演模拟,分析了沉积层结构对接收函数的影响。我们的研究结果证明了基于天然远震源和短周期密集台阵获取小尺度盆地沉积层厚度的可行性和可靠性,能够为后续探测工作提供支持。

1 区域构造背景

青藏高原东北缘弧形构造带由一系列向北东方向突出的弧形断裂带,如海原断裂、香山—天景山断裂、烟筒山断裂和罗山断裂(图1)^[24-25],以及夹持在断裂带之间的兴仁堡盆地、同心盆地、清水河盆地和红寺堡盆地等盆地组成^[26-28],是青藏高原向北东向扩展的最前缘^[2]。

海原断裂带自晚新生代以来经历了先逆冲后走滑的两阶段变形过程^[26],该断裂现今以左旋走滑为主,兼具逆冲分量^[29-30],深部结构复杂^[31]。香山—天景山断裂在青藏高原北东向扩展期间经历了强烈的构造挤压,表现为一系列逆冲活动,在断层西南侧发育轴向与断裂近平行的褶皱,在更新世,受高原物质向东逃逸影响,该断层活动转变为左旋走滑兼挤压^[12]。烟筒山断裂在深部表现为倾向西南的逆冲左旋走滑断层,在第三纪经历了伸展和走滑,控制着其西南侧寺口子组的发育与沉积^[32-33]。罗山断裂位于弧形构造带最外围,是青藏高原与鄂尔多斯块体的边界断裂,断面平直陡峭^[34],深部表现为典型的正花状构造,指示其为在压扭性应力状态中形成的走滑断层,是青藏高原东北缘正在形成的弧形断裂带^[13]。罗山断裂以东为鄂尔多斯西缘冲断带,基底为太古宇-古元古界,埋深在4.5~6.5 km之间,稳定性较强^[35]。该地区发育大量近南北向的逆冲断层,自西向东包括青龙山—平凉断裂、惠安堡—沙井子断裂和马家滩断裂,这些断层主要形成于燕山期,在深部基本表现为铲状,整体构成了叠瓦状逆冲断层系^[33,36]。

宁夏南部盆地与弧形构造带密切相关(图1),其东侧、北侧和西南侧分别以青龙山—平凉断裂、香山—天景山断裂和西华山与南华山为边界,主要经历了早白垩世成盆和晚新生代强烈改造两个阶段^[37]。新生代之前,该地区先后经历了早古生代克拉通碳酸盐岩台地、晚古生代海陆交互沉积和中生代内陆湖盆沉积^{[24,35,38-39]},主要受古太平洋俯冲的远程效应及其对中国东部岩石圈减薄作用影响^[37]。晚白垩世,宁夏南部的断陷盆地沉积结束,发生整体隆升并处于剥蚀状态^[37]。在晚新生代改造阶段,受印度亚洲陆陆碰撞与高原北东向扩展影响,该地区先经历了早期北东向挤压,后经历了近东西向挤压,弧形断裂带由正断层转变为北东向推覆和后期的左旋走滑,盆地内部发生了差异隆升,并受到改造,形成现今褶皱变形与压陷盆地间隔分布的盆山构造系统^[25,27,37]。从盆地结构来看,宁夏南部盆地可划分为中央凹陷和东部斜坡两个一级构造单元,我们的测线主要经过了中央凹陷北部的兴仁堡盆地(图1)。

2 研究方法

沉积盆地浅层结构的传统研究方法通常包括钻孔法和人工源地震成像法。钻孔可以获取精确的浅层结构及岩性信息,结果最为可靠,但成本高,难以应用于区域范围。人工震源产生的折射波和反射震相可有效约束浅层速度和界面特征,分辨率较高^[40],但受限于环保、成本和施工条件,导致其很难在人口聚集的城镇地区开展。近年来,短周期密集台站以其便携、环保、布设成本低的优势^[41],为基于背景噪声相关的单台谱比法、面波频散法等被动源浅层成像技术获取浅层高分辨率结构带来了契机^{[22-23,42-44]}。不同于弥散特征或分布不均匀的背景噪声源,确定性远距离震源激发的远震波场对波阻抗界面有着较高的敏感性。基于短周期节点地震仪的远震接收函数研究常以揭示地壳深部界面精细结构为目标^[45]。后来学者们发现短周期密集台阵所得高频接收函数同样可以通过沉积层转换震相约束盆地形态^[46-47],意识到宽频台接收函数首到波峰延迟与沉积层厚度间的线性关系可成功应用于短周期密集台站数据^[11,48-49],并依此获得了东北缘共和盆地沉积物厚度分布^[21]。但该方法往往需要钻井结果或区域速度结构进行标定,才能获取沉积厚度与转换波延迟的函数关系。

更为直观的接收函数H-κ叠加方法利用地震波穿过主要地震学界面,会产生Ps转换波以及PpPs、PpSs和PsPs等多次波,上述震相的到时分别记作t_Ps、t_PpPs和t_PpSs+PsPs,其与目标界面厚度(H)、地层平均P波速度(v_P)和S波速度(v_S)间的关系如公式(1)~(3)所示,其中p为射线参数。

(1)$\mathit{H}=\frac{{\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{s}}}{\sqrt[\mathit{　}]{{\mathit{v}}_{\mathit{S}}^{-2}-{\mathit{p}}^{2}}-\sqrt[\mathit{　}]{{\mathit{v}}_{\mathit{P}}^{-2}-{\mathit{p}}^{2}}}$

(2)$\mathit{H}=\frac{{\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{p}\mathit{P}\mathit{s}}}{\sqrt[\mathit{　}]{{\mathit{v}}_{\mathit{S}}^{-2}-{\mathit{p}}^{2}}+\sqrt[\mathit{　}]{{\mathit{v}}_{\mathit{P}}^{-2}-{\mathit{p}}^{2}}}$

(3)$\mathit{H}=\frac{{\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{s}\mathit{P}\mathit{s}+\mathit{P}\mathit{p}\mathit{S}\mathit{s}}}{2\sqrt[\mathit{　}]{{\mathit{v}}_{\mathit{S}}^{-2}-{\mathit{p}}^{2}}}$

(4)$\mathit{S}(\mathit{H},\mathit{\kappa })={\mathit{w}}_{1}\mathit{r}\left({\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{s}}\right)+{\mathit{w}}_{2}\mathit{r}\left({\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{p}\mathit{P}\mathit{s}}\right)-{\mathit{w}}_{3}\mathit{r}\left({\mathit{t}}_{\mathit{P}\mathit{s}\mathit{P}\mathit{s}+\mathit{P}\mathit{p}\mathit{S}\mathit{s}}\right)$

当给定纵波速度时,可以根据网格化的地层厚度(H)和波速比(κ)计算转换波及多次波的对应到时,按权重w₁、w₂、w₃叠加相应振幅(公式(4)),当叠加值S(H, κ)最大时获取目标层最优厚度和波速比结果^[50]。该方法可有效获取地壳厚度、波速比、Moho面及主要壳内界面的起伏信息,已被广泛应用于多种构造区域。然而,在有明显沉积层的地区,H-κ方法得到的地壳厚度会大于实际情况^[51]。学者们发现,通过设定浅部深度和波速比范围以及沉积层平均P波速度,利用高频接收函数H-κ扫描可有效获取较为稳定的沉积层厚度,并为序列H-κ^[52]、三层及多层H-κ^[53]和深部接收函数波形拟合^[54]等涉及沉积盆地的接收函数深部成像研究提供基础。

因此本研究将高频接收函数H-κ扫描方法应用于短周期密集台阵数据,获取沉积层厚度分布,最后开展接收函数正演,结合前人研究结果分析区域沉积分布特征,讨论沉积结构对接收函数波形的影响。

3 数据采集与处理

3.1 数据采集

2024年10月至11月,长安大学地球物理团队自青藏高原东北缘白银地区,垂直于弧形构造带,穿过海原断裂、香山—天景山断裂、烟筒山断裂带和罗山断裂带,至鄂尔多斯地块西缘,共布设440台短周期三分量密集节点地震仪。所使用的地震仪型号为三分量Fairfield Zland GEN2,拐角频率为5 Hz,采样率2 ms,台间距不超过1 km,平均观测时长约35天,本研究将基于高分辨率接收函数方法对226个呈线性分布的台站开展沉积层厚度研究(图1)。

3.2 接收函数提取

本文收集了上述台阵记录到的连续波形数据,根据IRIS提供的地震目录,挑选了矩震级M_W≥5.2、以台阵中心为参考且震中距为30°~90°的远震事件,共计38个(图2)。随后,根据IASP91地球模型计算理论P波到时,截取P波前20 s和后80 s记录,开展了去仪器响应、去均值、去线性、波形尖灭等预处理。对预处理波形的分析发现,分布在环太平洋俯冲带和欧亚地震带的远震事件质量较高,布设在基岩和古老沉积地层上的台站均可获得理想的接收函数结果。图3展示了来自太平洋俯冲带高质量地震事件预处理前后的波形记录(地震事件和台站位置见图2)。开展坐标系旋转,将NEZ三分量波形旋转到RTZ方向,采用0.05~5.0 Hz的4阶巴特沃斯带通滤波,运用时间域迭代反褶积方法^[54]计算接收函数。尽管高频接收函数的噪音更大,但考虑到高频信号脉冲更窄,可更好地分辨到时相近的直达P波和沉积底界面的转换波;同时沉积层转换波在高频接收函数中振幅更大,特征更显著^[51],因此本研究分别使用5.0、7.5和10.0的高斯系数,以计算高频接收函数,用于沉积层结构分析。这些接收函数在50 km参考Moho深度的穿透位置如图2所示。为提高成像质量,我们根据接收函数波形特征、直达P波震相和极性等开展了接收函数质量控制,同时,考虑到沉积区域内接收函数波形复杂,而高信噪比的远震波形数据是获取可靠结果的基础,因此我们在高质量远震事件范围内手动挑选了沉积层转换波较为明显的接收函数波形,用于后续H-κ分析。

3.3 接收函数分析

地表沉积层与下方结晶基底之间存在显著的速度差异,远震信号从深部经过该界面时会产生转换波信号,将在波形和时间延迟两方面干扰深层成像^[53,55]。在波形方面,沉积层的多次反射波将与Moho产生的波形相互叠加,导致Moho的转换震相被掩盖削弱甚至反向;在时间延迟方面,因沉积层速度较低,深部信号到达时间将被整体延迟,如没有精确速度模型将造成Moho面加深的假象。而沉积层的厚度、与下方界面的速度差以及沉积层内部的复杂性都将产生不同的接收函数序列^[53]。在手动挑选接收函数开展质量控制时,我们发现研究区主要存在3类特征典型的接收函数,如图3所示。第一类接收函数P波清晰且起跳干脆(如位于东北缘地区的台站1001),能够在6 s左右观测到明显的Moho转换波信号;第二类接收函数受沉积层干扰,径向接收函数在0 s处难以观察到显著直达波起跳,且后续波形复杂(如位于海原断裂和天景山断裂间的台站1077);第三类接收函数可同时在0 s和1 s处分别观察到显著的P波信号和明显的沉积层转换信号(位于鄂尔多斯盆地的1234号台站),但无法清晰分辨Moho面的转换波。上述特征指示第一类接收函数地表无明显沉积,第二、三类接收函数指示地表沉积或由于复杂断裂带的存在而导致的显著结构差异。

3.4 H-κ扫描叠加

我们首先分析了三个高斯参数的单台接收函数H-κ扫描结果。前人正演模拟结果显示,对于较薄的沉积层(<2 km),经验公式计算的转换波和多次波的到时基本一致,这种情况下波速比对到时的影响很小,因此很难得到稳定的波速比,但沉积层厚度仍能得到较好的约束^[51,53],因此本文主要讨论沉积层厚度分布。通常情况下,壳内界面的Ps震相最为清晰,而多次波震相相对较弱,因此我们对三个震相采用的叠加权重分别为0.6、0.3和0.1。根据宽角反射与折射以及区域深地震反射剖面结果^[8,13,32],我们针对沉积层给定平均P波速度为3.5 km/s。根据稀疏宽频带沉积层研究得到的先验信息,设定波速比κ扫描区间为1.5~2.5,网格搜索步长为0.1。值得注意的是,台站下方的接收函数序列不仅包含了沉积层信息还包含Moho面的转换波^[51],为避免Moho转换震相对搜索结果的影响,我们将沉积层厚度的扫描区间设定为0~6 km,搜索步长设置为0.1,并对理论计算的沉积层转换波和多次波到时进行了检查,以确保结果的有效性。图4分别展示了来自剖面西南段(青藏高原东北缘)、海原断裂与天景山断裂中部(弧形构造带)以及剖面东北段(鄂尔多斯西缘)3个台站单台扫描结果、按后方位角和索引号排序的接收函数(台站位置见图2)。从图中可以看出各台站下方沉积层变化显著,白银地区地表无明显沉积,H-κ扫描出来的峰值主要受直达P波振幅控制(图4a)^[51];弧形构造带内,台站1077沉积层厚度约为3.33 km,预测的转换波和多次波在单个接收函数以及单台叠加结果上也较为对应(图4e和图4f);台站1231位于鄂尔多斯地块,该地区台站直达波能量明显(图3i和图4i),扫描结果在0 s附近存在较宽的能量条带,掩盖了深部的沉积信息,因此我们对深部展开了二次搜索,识别出3.87 km处存在一个显著的叠加峰值,波速比为1.98,用于该区域沉积层参数确定。

考虑到短周期密集台阵观测时间,单台仪器记录到的高质量地震事件数量有限,因此我们在单台分析的基础上,将单个台站1.5 km和3 km范围内的接收函数分别作为该台站H-κ扫描的输入数据,以获得区域范围内台站下方较为稳定的沉积层厚度。图5b展示了三种高斯参数获取的单台以及1.5 km和3 km范围台站记录平均的沉积层厚度结果。

4 结果与讨论

4.1 沉积层厚度分布

图5分别展示了三个高斯系数、单个台站、1.5 km和3.0 km范围内的H-κ结果。考虑到区域逆冲断层发育,部分地区沉积层厚度本身存在强烈的横向变化,此时一定区域内(如1.5 km范围内)接收函数共同得到的H-κ结果,可能与当地实际点位的沉积层厚度存在差异,有时还会出现区域内不同点位沉积层界面产生的t_Ps差异较大,无法在对应深度形成叠加峰值的情况,因此在解译时以单台结果为主(图5c,深灰色圆点),区域统计结果为参考(图5c,灰色圆点),并根据单个台站不同参数所得的平均结果作为该台站下方沉积层的厚度。扫描结果揭示青藏高原东北缘的沉积层厚度整体比鄂尔多斯要薄,整体趋势与区域宽频台所得结果基本一致^[7],但是弧形构造带局部地区沉积厚度很厚,如兴仁堡凹陷(图5d)。具体表现为:青藏高原东北部沉积厚度较小,在海原断裂带南侧增大至约2 km,对应白银市平川区1.3~1.5 km的煤层埋藏深度^[16];在弧形构造带内,位于海原断裂与香山—景山断裂之间、宽约30 km的兴仁堡凹陷的沉积厚度可达5 km。该结果与凹陷内部反射地震剖面揭示的最大5.5 km褶皱基底埋深和布格重力异常低阻值区^[15,38]相互应证,但大于宽频台S波速度揭示的2.8 km^[7](64028号台站位置见图2),这种差异可能与台站位置及沉积厚度横向变化剧烈有关^[56],香山—天景山断裂东侧,沉积厚度约为1 km,但可能受清水河和其他复杂断裂带影响,烟筒山断裂两侧沉积层厚度变化剧烈,直至红寺堡盆地后,沉积厚度才趋于稳定,自0.8 km向东逐渐增厚到1.8 km,与红寺堡地区的反射地震结果基本一致^[57]。穿过罗山断裂进入鄂尔多斯地块后,沉积厚度迅速增加至约4 km,得到了钻井和反射剖面的证实,相关钻井及测线位置见图1^[13,58]。整体而言,兴仁堡凹陷和鄂尔多斯西缘的沉积层厚度最大,香山—天景山断裂与烟筒山断裂间的地层厚度变化最为剧烈。本研究基于高频接收函数H-κ扫描方法,清晰刻画了从青藏高原东北缘弧形构造带至鄂尔多斯地块西缘的沉积层厚度变化特征。该成像结果与主动源反射剖面和钻孔数据较为一致,同时具备更优的经济性与效率,为将被动源接收函数技术应用于沉积盆地初期勘探提供了有效案例。

4.2 接收函数正演模拟分析

上述成像结果表明兴仁堡凹陷与鄂尔多斯的沉积厚度最为显著,前者基底埋深可达5 km,后者平均约4 km,但两者呈现的接收函数波形却存在显著差异(图4)。为分析沉积层结构对接收函数的影响,我们使用rfsed程序开展了5 km深度范围内含沉积层接收函数正演分析^[53]。用于生成理论远震波形的S波速度结构如图6a和7a所示。沉积层和基底S波速度来自喜马拉雅二期宽频流动台阵接收函数与面波频散联合反演结果^[7],用于正演的鄂尔多斯盆地(台站号64031)和兴仁堡凹陷的(台站号64028)宽频台站位置见图2。本研究采用了实际观测的沉积层以及平均基底的S波速度进行反演,以突出沉积层速度结构对理论接收函数的影响,反演所需的P波速度和密度分别由其与S波速度间的经验公式换算得到^[59]。为和实际数据对比,本研究测试了5.0、7.5和10.0共三种高斯参数。

在速度分布上,兴仁堡凹陷沉积层的近地表速度明显低于鄂尔多斯西缘,基于此速度模型的正演波形(图6,7)与实际观测波形(图3)特征基本一致。兴仁堡凹陷速度结构的正演接收函数直达P波振幅较小,以沉积层的Ps转换震相为主,后续波形复杂,因此很难用沉积底部界面的转换波直接约束盆地形态,同时Moho产生的转换震相因沉积层的存在产生了显著时延现象,时间延迟随着沉积层厚度增大而增加(图6)。而鄂尔多斯西缘沉积层速度相对较大,正演得到的接收函数直达P波信号稳定且振幅最大,当沉积层厚度大于2 km时,可以观察到清晰的沉积盆地底界面产生的转换波和多次波信号,沉积层厚度越小,如2 km,越需要高频接收函数以区分直达P波和沉积盆地底部的Ps转换信号。同时,上述信号相对直达P波的到达时间也随沉积层厚度增加而推后,Moho界面的Ps转换震相产生的时间延迟相应增大,但同等深度下时间延迟整体小于台站64028(图7)。

因此,我们认为虽然兴仁堡凹陷与鄂尔多斯西缘的沉积层厚度均大于4 km,但是两地区的沉积层速度结构有明显不同,兴仁堡凹陷沉积层速度整体较小,而鄂尔多斯盆地西缘沉积层速度随深度迅速增加,整体速度较大,因此两地区接收函数序列形态存在显著差异。

4.3 沉积层分布的构造意义

兴仁堡凹陷与鄂尔多斯西缘沉积层厚度显著,与区域构造演化和沉积历史密切相关。本节将结合区域地质、地球物理勘探和石油地球化学等成果,对上述两个区域开展分析。

宁夏南部盆地是在元古宙结晶基底和加里东褶皱基底上发育起来的中—新生代盆地,发育石炭系、三叠系-侏罗系和白垩系3套烃源岩,是油气勘探的有利目标地区之一^[24]。但该盆地在新生代受青藏高原隆升影响,经历了强烈的构造变形和地壳缩短,盆地内部被弧形构造带的一系列向NE方向突出的断裂和山脉分割,形成了对应的新生代断陷盆地^[13],相关断层活动影响着该区域的油气资源评价。兴仁堡凹陷是宁夏南部盆地北部的沉积中心^[38],该地区自晚三叠世进入内陆凹陷盆地,在中生代主要经历了4个沉积旋回,晚三叠世发育深湖、半深湖相,侏罗纪断陷期以河流相沼泽相为主,两者是有利的烃源岩,白垩纪为核心断陷期,湖相地层发育,但在后期受拉萨地块和新特提斯洋向北拼贴和俯冲的远场构造效应影响,弧形断裂发育形成逆冲推覆构造,东北缘地区快速隆升,白垩系地层普遍遭到剥蚀^[15,60]。进入新生代,以粗砂岩为主的寺口子组和以泥岩为主的清水营组为区域烃源岩提供了良好的储盖组合。我们的结果揭示兴仁堡凹陷宽度超过30 km,沉积层厚度达5 km,对应下古生界褶皱基底与石炭系分界^[15]。结合S波速度结构,该地区速度较低,盆地西南侧为正断层,东北侧为活动于白垩纪—始新世的逆冲断层^[15],对油气具有封闭作用,内部沉积层厚度无明显变化,盆地内部未观察到显著断层。钻井结果指出,凹陷内部发育的三叠系延长组以及侏罗系的直罗组是较好的烃源岩,具有较大的生烃量^[15],结合沉积历史和盆地形态,该地区表现出了较大的油气勘探潜力。

鄂尔多斯盆地西缘上古生界凭借其资源量丰富,开发程度较低近年成为油气勘探的重点地区^[17,61]。同时牛首山—罗山断裂带也是青藏高原东北缘弧形构造带最外侧的一条断裂带,是东北缘与鄂尔多斯地块间的边界断裂,因此两侧的深部结构对青藏高原东北缘现今格局形成和区域油气勘探都具有重要意义^[13,28]。罗山北侧的反射测线S2(图1)与本研究测线重合,该反射结果揭示罗山断裂在深部表现为典型的正花状构造,是一条处于压扭性应力状态的右旋走滑断层,两侧沉积地层双程走时均小于1 s ^[13]。S2测线以北属于牛首山断裂,该断裂在深部倾向西南,由浅至深倾角逐渐变缓,是一条铲式断层,具有早期伸展与晚期挤压的两阶段演化历史,牛首山断裂以东是以古生界组成的向斜结构^[13]。我们的研究结果显示,鄂尔多斯西缘沉积层厚度自西向东逐渐增厚,与北侧S3和S4测线及石油勘探采集的反射结果更为相近^[58]。与S2的差异可能指示着本测线位于罗山断裂与牛首山断裂的转换区,同时高质量远震的方位和射线路径主要穿过了北侧和东侧沉积发育区域,因此得到了与牛首山断裂区结构更为相近的结果。根据本文结果和前人开展的反射成像,罗山断裂深部延伸范围超过4 km,切穿了整个古生代地层,断裂东侧是宽缓向斜,对应沉积厚度逐渐增加至2 km,向东被鄂尔多斯西缘逆冲带的青龙山—平凉、惠安堡—沙井子、马家滩等隐伏断裂带错动并增加至4 km,整体形成了一系列叠瓦式逆冲构造^[33],逆冲构造下盘,马家滩断裂以东沉积层厚度基本稳定。区域钻井和油气地球化学结果显示,鄂尔多斯西缘有利烃源岩为上古生界石炭系-二叠系,有机质丰度较高,生烃能力较强^[58,62],但鄂尔多斯地块西缘与青藏高原东北缘接触带的沉积序列在上地壳尺度上被一系列逆冲断层改造,油气目标层埋深浅^[58],可能会影响油气的保存,逆冲构造以东构造相对稳定,勘探前景较好。

5 结论

本研究利用布设于青藏高原东北缘弧形构造带与鄂尔多斯西缘的短周期密集台阵,采用高频接收函数H-κ扫描方法,获取了研究区高分辨率沉积层结构。结合其他地球物理及地质研究成果,主要取得了以下认识:

(1)研究区位于不同构造单元的交界处,沉积层厚度变化显著,海原断裂与香山—天景山断裂间的兴仁堡凹陷和罗山断裂以东的鄂尔多斯西缘沉积厚度最大,前者沉积厚度约5 km,后者约为4 km;(2)含沉积层接收函数正演结果表明,沉积层速度结构会影响接收函数形态,相比鄂尔多斯西缘,兴仁堡凹陷沉积层速度较小,沉积层转换波震相突出,后续波形更为复杂,Moho转换震相延迟也更大,因此该地区全地壳接收函数成像需考虑沉积层影响;(3)综合前人研究成果,本研究揭示沉积层最为发育的兴仁堡凹陷及鄂尔多斯西缘逆冲带以东,均有发现烃源岩,是油气勘探的有利地区。

我们的结果与钻井和人工地震勘探有很好的对应关系,为约束盆地结构和区域沉积层厚度变化提供了一个案例,同时为后续在沉积发育地区使用接收函数研究深部精细结构奠定了基础。

感谢张路、毕昊、周启明、张魁第和Stephen Akinremi在数据分析和处理过程中提供的帮助;感谢中国地质科学院地质研究所王光文、陈司、吴国炜、吴治广、郑泽昊及桂林理工大学于文豪在野外采集工作中的辛勤付出;感谢责任编辑和匿名审稿人的宝贵建议。

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基金资助

陕西省自然科学基础研究计划项目(2025JC-YBQN-378)

中央高校基本科研业务专项基金项目(300102264907)

中央高校基本科研业务专项基金项目(300102264910)