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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (1): 132-143  
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许伟, 魏建设, 韩伟, 党犇, 牛亚卓, 韩小锋, 宋博, 薛宁. 银额盆地及周缘石炭系和二叠系沉积之后构造改造初探[J]. 地质通报, 2018, 37(1): 132-143.
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Xu W, Wei J S, Han W, Dang B, Niu Y Z, Han X F, Song B, Xue N. A preliminary study of the structure and reformation of the Permian and Carboniferous strata in Yingen-Ejin basin and its periphery[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(1): 132-143.
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基金项目

国家自然科学基金项目《北山地区石炭纪和二叠纪古地磁研究及其构造意义》(批准号:41402195)、《甘蒙北山黑鹰山地区晚石炭世沉积盆地性质分析》(批准号:41402097)和中国地质调查局项目《银额盆地周缘油气基础地质调查》(编号:12120115002301)、《银额盆地油气基础地质调查》(编号:12120115002201)、《银额盆地周缘晚古生代构造及盆地演化研究》(编号:12120115002301-01)、《银额盆地及周缘油气基础地质调查》(编号:DD20160172)

作者简介

许伟(1985-), 男, 在读博士生, 工程师, 从事区域构造研究。E-mail:xuwei850403@163.com

通讯作者

魏建设(1981-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事油气地质学研究。E-mail:upcwjs@126.com

文章历史

收稿日期: 2017-06-20
修订日期: 2017-09-22
银额盆地及周缘石炭系和二叠系沉积之后构造改造初探
许伟1,2 , 魏建设2 , 韩伟2 , 党犇1 , 牛亚卓2 , 韩小锋2 , 宋博2 , 薛宁3     
1. 长安大学地球科学与资源学院, 陕西 西安 710054;
2. 国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室/中国地质调查局西安地质调查中心, 陕西 西安 710054;
3. 延长油田股份有限公司吴起采油厂, 陕西 吴起 717600
摘要: 通过银额盆地周缘野外地质调查,结合岩石薄片显微构造、磷灰石裂变径迹研究,以及盆地内部综合物化探与地震剖面、钻井等资料,对银额盆地及周缘晚古生代与中新生代地层构造变形及改造进行了分析,并对石炭系与二叠系后期构造改造期次及动力学机制进行了初步探讨。就石炭系和二叠系构造变形而言,露头区构造变形强于盆地内部,北山地区变形程度强于洪格尔山地区。石炭系与二叠系主要遭受了华力西末期、早中燕山期、燕山晚期、喜马拉雅期构造改造作用。第一期变形强烈,以差异隆升为主;第二期区域上变形最强烈,主要表现为区域抬升及大规模的逆冲推覆构造;第三、四期主要为轻微的差异升降作用,分别受控于太平洋板块向华北地块俯冲和印度板块向欧亚大陆俯冲的远程效应。石炭系与二叠系多套烃源岩于早白垩世末期达到最大埋深,进入主要生烃期,早白垩世以来受后期构造改造较弱,形成的大面积河湖相沉积可作为有效的储层与盖层,为银额盆地油气成藏提供了良好的生储盖条件。
关键词: 银额盆地    石炭系    二叠系    构造改造    
A preliminary study of the structure and reformation of the Permian and Carboniferous strata in Yingen-Ejin basin and its periphery
XU Wei1,2, WEI Jianshe2, HAN Wei2, DANG Ben1, NIU Yazhuo2, HAN Xiaofeng2, SONG Bo2, XUE Ning3     
1. School of Earthscience & Resources; Chang'an University, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
2. China Key Laboratory for the Study of Focused Magmatism and Giant Ore Deposits, MLR/Xi'an Geological Survey Center, China Geo logical Survey, Xi'an 710054, Shaanxi, China;
3. Wuqi Oil Production Plant, Yanchang Oli Field Co., Ltd., Wuqi 717600, Shaanxi, China
Abstract: In this study, structure deformation features of the Carboniferous, Permian and Meso-Cenozoic strata were analyzed in Yingen-Ejin basin and its periphery, and geological survey was conducted mainly based on geophysical prospecting and drilling in the interior of the basin. The deformation of the Carboniferous and Permian outcrops is stronger than that in the interior of the basin, and stronger in Beishan than in Honggeershan. The tectonic deformation stages and dynamic mechanism after Permian were preliminarily discussed. Four tectonic stages, i.e., Late Variscan, Early Yanshanian, Late Yanshanian and Himalayan tectonic movement, were distinguished. The deformation was strong in the first period. The second phase deformation is the strongest in the region in that large-scale nappe structure and regional uplift were formed during this period; the overall tectonic pattern was formed in the Late Jurassic. The third and fourth stages were mainly characterized by differential uplifting and subsidence, with the dynamic mechanism being separately controlled by the remote effects of the subductions of the Pacific plate under the North China block and the subduction of the India plate under the Eurasia. The source rock of Carboniferous-Permian was buried most deeply with the formation of oil until the end of Early Cretaceous. Furthermore, the structural activities were insignificant after the Early Cretaceous, which was favorable for the formation of hydrocarbon reservoir.
Key words: Yingen-Ejin basin    Carboniferous    Permian    structure and reformation    

银额盆地位于内蒙古西部,北临蒙古,南接龙首山地区,西起北山,东至阿拉善古隆起(图 1-a)。近年的油气地质调查表明,银额盆地具备良好的油气地质前景[3-6]。盆地后期构造作用是油气成藏至关重要的因素,不仅影响盆地内部烃源岩的保存与演化,而且对油气藏的形成与破坏具有决定性作用。

图 1 银额盆地及周缘地质简图(据参考文献[1]修改) Fig.1 Simplified geological map of Yingen-Ejin basin and its periphery 1—新生界;2—中生界;3—上古生界;4—下古生界;5—古生界;6—中元古界;7—中元古界;8—古元古界;9—元古宇;10—新太古界-元古宇;11—新太古界;12—推覆体;13—钻井;14—磷灰石裂变径迹采样[1-2];15—研究区构造位置

涉及该区构造变形与改造研究的资料多集中于燕山期,中蒙边境的推覆体曾引起部分学者的关注,对此做过较详细的描述,并对其形成的动力学机制做了初步探讨,认为逆冲推覆方向为由北向南,初步推断形成时代为晚三叠世—早侏罗世[7-10],但缺乏可靠的年代学约束。近年来的磷灰石裂变径迹研究表明,在180~160Ma和90~113Ma期间,研究区东部存在2次较大规模的隆升[1-2],但哪一期与推覆构造相关,还有待深入探讨。第四纪以来,研究区构造活动微弱。王峰等[11]对西邻北山旧井地区晚第四纪活动断裂做过详细的研究,认为北山地区的新生代构造变形无论从强度上还是时间上,都晚于并弱于青藏高原北部断裂;EW向的构造是在老构造基础上演化而来的,NE向断裂为新生构造。前人资料为该区中新生代构造改造研究提供了有力支撑,但研究重点主要聚焦于盆地周边的造山带,关于盆地内部的变形信息知之甚少。况且,近年来的野外调查及钻井资料表明,研究区经历的构造变形明显具多期性和复杂性,且盆地内部石炭系和二叠系变形明显有别于露头区。随着勘探工作的进一步深入,前期关于研究区构造改造的研究成果已很难满足现今油气勘探的需求,因此针对该区石炭系与二叠系沉积之后的构造改造作用进行系统研究显得尤为必要。

本次研究通过盆地周缘野外地质调查,断裂、褶皱及地层产状统计分析,结合岩石薄片显微构造及磷灰石裂变径迹研究,盆地内部主要依据地震剖面、钻井岩心产状统计、单井地层剥蚀、沉降史分析等资料,对银额盆地及周缘石炭系与二叠系后期构造变形及改造进行初步探讨。

1 区域地质背景

研究区处于古亚洲洋构造域,华北、塔里木、西伯利亚三大板块的交切、复合部位(图 1-b),经历了南华纪—泥盆纪洋陆演化阶段、石炭纪—二叠纪陆内(裂谷、裂陷作用)演化阶段和晚二叠世—早三叠世之后的陆内盆山演化阶段,形成古生代与中生代的叠合盆地[3, 12-14]。该区发育了太古宙以来不同时代的地层,但出露和发育程度差异都很大,其中主要出露大面积中新生界,其次是古生界,其中上古生界及中新生界构造变形及改造是本次研究的重点。北山地区不同程度地发育下石炭统—上二叠统,出露广泛且时代连续;额济纳旗以东洪格尔山地区仅出露上石炭统及其以上地层。从目前的地震及钻井资料看,盆地内部普遍发育厚度大且连续沉积的石炭系和二叠系。区内的中生界发育齐全,三叠系、侏罗系和白垩系皆有分布,但不同地区、不同层系发育程度差异很大。其中,三叠系、侏罗系出露面积非常有限,在洪格尔山地区未见侏罗系沉积;白垩系在研究区内广泛分布,出露及展布面积很大;古近系与新近系发育不全,主要出露于北山地区,洪格尔山地区零星出露;第四系分布较广,但厚度较薄。

地层的变形特征及相互间的区域性不整合面,是构造改造期次划分的重要依据。利用区内1: 20万地质填图资料及最新野外地质调查成果,通过分析晚古生代(C—P)及中新生代地层的构造变形特征及它们之间的接触关系,认为石炭系—二叠系属于统一的构造层,两者之间多为整合或超覆不整合接触关系,且变形特征相似。三叠系与侏罗系多呈角度不整合于石炭系—二叠系之上,虽然出露局限,但依据变形特征可知,上三叠统与中下侏罗统可能构成同一构造层,地层呈近EW向。下白垩统角度不整合于中、下侏罗统之上,形成较大规模开阔而和缓的褶皱构造,下白垩统整体呈NE—NW向,变形较弱,与中下侏罗统的近EW走向及强烈变形形成鲜明对比。上白垩统产状平缓,不整合于下白垩统之上,又构成另一构造层。新生代以来,研究区构造变形主要受控于印度板块对欧亚大陆碰撞的远程效应,地层则为微弱变形或未变形。综上所述,晚二叠世以来,划分这些构造层的改造期次主要为:华里西末期(P3—T1)、早中燕山期(J2-3)、燕山晚期(K1-2)、喜山期(E—N)4期。

2 地层构造变形特征 2.1 石炭系与二叠系构造变形特征

在银额盆地周缘的露头区,石炭系—二叠系露头残缺不全,分布不均,但二叠系出露范围更广,石炭系与二叠系多表现为无顶无底,露头常被断层改造或被岩浆岩(主要是中酸性侵入岩)侵入,断裂主要为压性或压扭性断层或逆冲推覆断层(图 2A-B剖面、C-D剖面),在石炭系与二叠系分布范围广的红柳大泉及拐子湖地区表现尤其显著。

褶皱构造能够较好地区分和反映不同期次构造的变形程度和极性,是构造运动学分析重要且可靠的地质依据。研究区褶皱样式多样,发育平缓褶皱、开阔褶皱(图版Ⅰ-a)、闭合褶皱等轴面直立的褶皱,某些地区发育斜歪、倒转褶皱(图版Ⅰ-b)。其轴面走向为近EW向,反映SN向的挤压应力。

图版Ⅰ   PlateⅠ   a.雅干东南哈尔苏海组(P3h)平缓-开阔褶皱;b.泥除北哈尔苏海组(P3h)中的斜歪倒转褶皱(轴向近EW向);c.公婆泉北部中下侏罗统龙凤山组(J1-2ln)中的褶皱构造;d.南泉北部地区产状近水平的下白垩统赤金堡组(K1ch);e.路井西北新近纪苦泉组(N2k)近水平地层;f.北山地区马鬃山盆地古近系(E)逆冲断裂照片

为了更加直观地观察各个时代不同地区地层的变形特征、变形差异,分析每期挤压变形所受的压力方向及其强度,对石炭系与二叠系及其之后各时代地层的产状(倾向、倾角)进行了统计,并对地层层面法线进行赤平投影。地层层面产状数据主要来源于研究区前期实测剖面和路线调查剖面,部分来自1:20万地质图~,以及钻井岩心量取的地层倾角。为使数据更具代表性,能反映同一时代地层的整体变形特征,依据各时代地层产状在平面图上的整体密度进行了筛选,使抽取的产状数据在各时代地层分布平面图上的密度基本均匀。如果局部地区某时期地层产状密度较大,则挑选能够代表该区整体变形的产状数据(或对这些产状数据加权平均),若某区产状密度小,则要在该区中最近的2组产状之间利用内插法添加产状(该情况较少)。然后依据所得的地层层面产状,按时代和地区得出层面法线赤平投影图(图 2-abd)和地层倾角直方统计图(图 2-ce)。本次研究统计石炭系与二叠系产状总计338组,其中北山地区217组,洪格尔山地区121组。从地层层面法线赤平投影图看,区域构造几何学特征为:地层倾向大体为近SN向,即构造线总体方位近EW向(图 2-ab),反映了近SN向的挤压应力,地层多呈中高角度倾斜(图 2-c)。

图 2 北山银额地区典型构造剖面及地层产状统计 Fig.2 Statistics of stratigraphic attitudes and sections in Yingen-Ejin basin and Beishan A-B剖面:1: 20万红柳大泉幅南北向大剖面;C-D剖面:1: 20万拐子湖幅泥除滚哲勒德南北向大剖面;E-F剖面:银额盆地居延海凹陷综合地震剖面解释。a—北山石炭系-二叠系层面法线赤平投影图;b—洪格尔山区石炭系-二叠系层面法线赤平投影图;c—研究区石炭系-二叠系地层倾角直方统计图;d—北山-银额露头区上三叠统-上白垩统层面法线赤平投影图;e—钻井与地表石炭系-二叠系地层倾角对比图;f—剖面及钻井位置。Pt—元古界;C1b—下石炭统白山组;P2j—中二叠统菊石滩组;J1-2ln—中下侏罗统龙凤山组;K1—下白垩统;N2—上新统

地层倾向与褶皱枢纽走向可大体反映挤压应力的方向,地层倾角及褶皱的样式基本可以反映构造的变形强度。对比北山地区与洪格尔山露头区,北山地区石炭系与二叠系构造线为NWW向(图 2-a),反映了NNE向的挤压应力;洪格尔山露头区地层则呈EW向(图 2-b),整体呈向南微凸的弧形,在埋汗哈达-泥除滚哲勒德以北地段发育轴面走向近EW向、轴面北倾的歪斜褶皱,反映了近SN向的挤压应力。从北山地区与洪格尔山露头区倾角直方统计图对比可以看出,北山地区石炭系与二叠系地层多以高角度倾斜(倾角集中在60°~69°之间),而洪格尔山地层倾角相对较缓(倾角集中在40°~49°之间)(图 2-c);北山地区多发育紧闭褶皱,而洪格尔山地区多发育平缓褶皱、开阔褶皱;说明北山地区较洪格尔山露头区变形强烈。

银额盆地周缘的露头区总体构造变形比较强烈,但2011—2015综合物探剖面及地震剖面解释资料显示,中、新生代覆盖区下的石炭系与二叠系产状较平缓,构造变形微弱(图 2中E-F剖面)。钻井资料同样验证了这一点,近年来新打钻井祥探9井、额探1井、额探2井、额探3井、路1井岩心地层倾角平缓(图 2-e),盆地内部石炭系与二叠系倾角低缓,变形较弱,与周缘露头区的强烈变形形成鲜明对比。石炭系与二叠系油气地质条件研究成果及居延海坳陷祥探9井、额1井、额探1井、额探2井、额探3井、路1井等良好油气显示均表明,银额盆地内部石炭系与二叠系具较有利的油气地质条件和含油气远景。

综上所述,石炭系与二叠系构造变形作用在不同地区强弱有别,总体显示盆地周缘露头区构造变形强于盆地内的覆盖区,在露头区,北山地区变形又强于洪格尔山地区;其中石炭系与二叠系产状及褶皱构造在洪格尔山地区表现为近S-N向构造挤压作用,北山地区则为NNE—SSW向。

2.2 中新生代地层构造变形特征

研究区三叠系露头展布非常局限,个别钻穿中生界的钻井也未见钻遇;所见三叠系主要是上三叠统,表现为缓倾单斜构造(图 2中C-D剖面);在卡路山地区见中、下三叠统角度不整合于下二叠统之上(图 3-a)。褶皱和断裂构造不发育,在北山地区白帽子山东上三叠统发育向斜构造,银额地区仅见上三叠统,构成宽缓的褶皱构造。其层面法线赤平投影图(图 2-d)显示,地层走向近EW,表现为SN向挤压应力,地层呈中等倾角倾斜,变形相对上侏罗统及其之上地层强烈得多。

图 3 银额盆地周缘地层接触关系 Fig.3 The contact for the formations around Yingen-Ejin basin P1z—下二叠统哲斯组;T1-2a—中下三叠统下部;J1-2ln—中下侏罗统龙凤山组;J3ch—上侏罗统赤金堡组;K1s—下白垩统苏红图组;K1b—下白垩统巴音戈壁组;K2w—上白垩统乌兰苏海组。a—甘肃省额济纳旗卡路山三叠系与下二叠统接触关系(据参考文献修改);b—北山野马泉下白垩统与侏罗系接触关系(据参考文献修改);c—巴隆布拉格上下白垩统地层间的接触关系图(据参考文献修改);d—额勒斯台上、下白垩统地层间的接触关系(据参考文献修改)

侏罗系在研究区内总体分布较少,主要为中—下侏罗统龙凤山组,以北山地区分布较广泛,银额盆地东部零星出露。在北山地区,龙凤山组变形强烈,组成一串“S”形弧形及屉形褶皱;有短轴背斜、向斜、倒转背斜、尖棱褶皱;褶皱枢纽走向近EW或NEE— SWW向,断层及复活断裂较发育。中—下侏罗统发育紧闭叠加褶皱(图版Ⅰ-c),第一期褶皱枢纽近EW向,应该反映了该期近SN向的构造挤压作用,第二期褶皱枢纽NW—SW向,反映了NW—SE向的挤压作用,为该期构造运动之后的叠加构造作用。

银额盆地东部侏罗系出露稀少,在哈拉木格山北4~6km处,仅见未分的中、下侏罗统,由于断裂构造的破坏,仅残留零星的孤立露头。近年来,一些煤田和石油勘探钻井揭示,在银额盆地内部覆盖区,同样有侏罗系沉积,表现为未变形或弱变形,一些侏罗系黑色泥岩可作为中生界油气勘探的有利烃源岩。

白垩系分布范围广,普遍超覆不整合在前白垩系不同层位或岩体之上。下白垩统表现为较大规模的开阔而和缓的向斜构造,角度不整合于中、下侏罗统之上(图 3-b)。从其层面法线赤平投影图(图 2-d)看,下侏罗统变形与下三叠统较相近,表现为SN挤压应力,地层呈中高角度倾斜,变形相对下白垩统及其之上地层强烈得多。下白垩统变形较小,多呈NE—SW走向,表现为NW—SE向的挤压。上白垩统产状平缓,多角度不整合于下白垩统之上(图 3-cd),反映晚白垩世—喜山期构造改造作用比较微弱,主体表现为相对稳定的差异升降运动。

新近系区域上产状近水平(图版Ⅰ-e),说明后期改造作用较小,更新世以来的差异升降形成了现今的盆山地貌格局,被山体割裂的中新生代中小盆地群正是在这一时期最终形成的。

综上所述,三叠系与下侏罗统变形强烈,且整体走向近EW向,呈中高角度倾斜,表现为强烈的SN向挤压应力;下白垩统及其之上地层变形较弱,呈中低角度倾斜。充分说明,中晚侏罗世存在一期强烈的挤压变形作用,早白垩世之后该区现今的盆山地貌格局已基本形成,所受的挤压应力较弱,该区构造形式以差异性隆升为主,造成盆地内部的进一步沉降及盆地周缘的隆升。

3 构造改造及动力学机制 3.1 华里西末期(P3—T1

银额盆地在华里西晚期大的伸展环境下接受了石炭系—二叠系沉积,大约于晚二叠世末,中亚地区大的构造背景由伸展向挤压转换。银额盆地周缘露头区的石炭系—二叠系区域构造线总体方位为近EW向,北山地区为NWW—SSE向,东部地区呈近EW向。褶皱样式多样,发育平缓褶皱、开阔褶皱、闭合褶皱等轴面直立的褶皱,局部地区发育斜歪、倒转褶皱。从地层整体构造线来看,该期构造运动主要受近SN向的挤压应力。变形强度在不同地区有所差异,盆地西部变形强于东部,具体表现为:北山地区石炭系—二叠系构成紧闭褶皱,且被后期构造改造为断块状,而洪格尔山地区石炭系—二叠系构成相对宽缓的褶皱;盆地周缘变形强于内部,盆地边缘露头区石炭系—二叠系变形强烈,而在盆地内部石炭系—二叠系厚度大且表现为弱变形,甚至未变形。

石炭系—二叠系地层走向在北山与洪格尔山2个地区不一致的原因,可能与阿尔金断裂后期活动伴随的地块旋转有关[15-17],阿尔金断裂中生代以来的左行走滑,必然引起其北部块体(北山地区)的顺时针旋转,导致该区石炭系和二叠系原本与洪格尔山区一致的EW走向转变为NNW—NNE向。推测引起变形强烈差异的原因主要与二者基底结构差异有关,但有待于深入研究。

由于受后期构造叠加作用的影响较大,对该期构造变形强度依然知之甚少。通过有限的石炭系—二叠系与三叠系的接触关系看,下二叠统与三叠系并未呈大角度不整合(图 3-a),盆地周边变形强烈,但地震及钻井资料揭示,盆地内部石炭系和二叠系保存较好(图 2中E-F剖面)。初步推断,该期在SN向挤压应力作用下,研究区构造运动以差异隆升为主,周缘挤压隆升,盆地内部则以沉降为主。研究区该期挤压动力学环境可能与研究区北侧蒙古国境内古亚洲洋的消亡演化有关[18]

3.2 早中燕山期(J2-3)及中蒙边境的推覆体

从研究区中、新生代地层层面法线赤平投影图(图 2-d)及剖面图(图 2中A-B剖面)看,早侏罗世及其之前地层多呈中高角度倾斜且变形较强烈,而晚侏罗世及其之后地层均呈低角度或水平倾斜且变形较弱,所以该期构造变形为区内影响较大的一次构造变形。

野外调研发现,上三叠统—中下侏罗统呈近EW向,所以该期的主体挤压应力方向为SN向(图 2-d)。在额旗东部的红石山、雅干、珠斯楞海尔汗、切刀、好比如、杭乌拉一带,以及额旗南部的木吉山等地发育大范围的逆冲推覆构造(飞来峰)(图 4):中—新元古界(Jx—Qb)逆冲或逆掩推覆在上三叠统、下志留统、奥陶系、寒武系等不同层位之上,或上二叠统逆冲到上三叠统之上,或上泥盆统逆冲到上二叠统之上。在珠斯楞地区,可见元古宇白云岩推覆在志留系—泥盆系砂岩、粉砂质板岩及薄层灰岩之上(图 4剖面A),下盘岩石中板劈理及变形珊瑚化石,显示SN向挤压[6];在好比如,清晰可见元古宇白云岩推覆在下古生界泥岩-硅质板岩、石炭系砂岩、二叠系石英斑岩之上(图 4剖面B、照片a),致使二叠系石英斑岩变形强烈,呈碎裂状,薄片下可见碎斑定向排列、矿物斑晶错移等现象,呈SN向挤压应力(图 4薄片c、d);在切刀,可见元古宇白云岩推覆在志留系砂岩之上(图 4剖面C),断层带中岩石强烈破碎,石英矿物强烈波状消光,重晶石细脉扁豆化(图 4薄片e、f);在杭乌拉,可见元古宇白云岩-大理岩推覆在下古生界硅质板岩之上,硅质板岩变形强烈,变形多样,强烈揉皱,呈现为由北向南的逆冲推覆(图 4剖面D、照片g);在尼除滚哲勒德,可见元古宇大理岩推覆在三叠系紫红色砂岩之上,二者产状向顶部明显呈由北往南的逆冲推覆(图 4剖面E,照片h)。北山地区则为中元古界硅质条带白云岩逆冲推覆在中、下侏罗统及更老的地层之上(如金庙沟、西沙婆泉、马鬃山煤窑)。

图 4 额济纳旗东部推覆体样式(据参考文献[6]修改) Fig.4 Sections and photos for Nappes in the east of Ejina Banner Pt—中元古界;O—奥陶系;O-S—奥陶系与志留系;S—志留系;S-D—志留系与泥盆系;D—泥盆系;C-P—石炭系与二叠系;P—二叠系;T—三叠系

综合分析,北山地区与额旗东部的推覆构造应为一期构造事件,主要发生在燕山期。在泥除滚哲勒德可见震旦系盖在上三叠统之上(图 4剖面E),而在金庙沟、马鬃山煤窑南北两侧等地可见元古宇及二叠系推覆在中—下侏罗统之上。研究区东部尚丹凹陷的磷灰石裂变径迹很好地记录了这一事件(采样位置见图 1-a),磷灰石样品的中心年龄为143±12~159± 11Ma,为其冷却年龄;样品的模拟结果较一致,均显示在中—晚侏罗世之前达到最大埋深,180~160Ma之间经历了短暂而快速的抬升[1]。因此,推覆构造的形成时代为中侏罗世末期—晚侏罗世,而不是前人所认为的晚三叠世—早侏罗世[9],其上盘推覆体总体运动方向向南(图 1-a)。

研究区位于华北地台西北缘,华北地块及其北缘的大型推覆和伸展构造研究揭示,226~ 229Ma前后,华北地块已经由挤压环境转换为拉张环境[10, 19-21],致使局部地区沉积了中上三叠统—中下侏罗统,且不整合于石炭系—二叠系之上。于165Ma(中侏罗世)前后构造发生反转[18],该区乃至整个东亚转换为多向挤压汇聚型,同时大陆地壳岩石圈发生显著增厚,导致燕辽生物群灭绝和热河生物群兴盛的重大生物群更替,成为中国大陆和东亚重大构造变革事件[22-24]

东太平洋板块向华北地块的俯冲可能起始于中晚侏罗世[25-28],同时受控于来自北部的西伯利亚板块与古亚洲构造带沿蒙古-鄂霍次克洋汇聚碰撞产生的远程构造作用,还有来自拉萨地块与羌塘地块的碰撞产生的来自西南方向的挤压,构成中晚侏罗世多向挤压汇聚的板块动力学格局。由于研究区处于华北地块北缘,在北部西伯利亚板块的南向挤压应力下形成由北往南的推覆构造。

综上所述,研究区在中晚侏罗世多向挤压汇聚的板块动力学格局之下,露头区地层挤压变形强烈,且整体走向近EW向,呈中高角度倾斜,然而盆地内部的地层变形较弱;盆地内部表现的相对均一刚性的块体与盆地北缘强烈的变形挤压及逆冲推覆形成鲜明对比,逆冲推覆构造之下有望成为新的油气有利目标区。

3.3 燕山晚期(K1-2

下白垩统及其之上的地层分布严格受控于现今盆山格局,仅出露于现今盆地的周缘,可见研究区整体的构造格局在早白垩世已经基本形成,之后未发生大的变动。下白垩统整体呈NE—NW向,变形较弱(图 2-d图版Ⅰ-d)。露头区下白垩统角度不整合于中下侏罗统之上(图 3-b),形成较大规模开阔而和缓的褶皱构造,这些褶皱构造大多呈NE—SW走向,并且晚侏罗世现今的盆地格局走向亦为NE—SW向,意味着从晚侏罗世开始,盆地主要受控于NW—SE向的挤压应力,动力学机制受控于太平洋板块俯冲于华北地块之下的远程效应。

多数学者依据中生代火成岩的时空分布,认为华北克拉通减薄峰期倾向于130~110Ma[29-33],但对开始减薄的时间认识并不一致,主要存在以下认识:188~185Ma[34]、177Ma[35]、160~155Ma[30, 36-37]、160~ 140Ma[38]、154~140Ma[39-40]。但依据该区地层变形情况看,其时代应该晚于中侏罗世,即在160Ma之后。该伸展期沉积了大面积分布的巨厚白垩系,为油气成藏提供了良好的条件。

课题组在银额东部哈尔苏海、雅干等地的磷灰石裂变径迹研究表明(采样位置见图 1),样品冷却年龄为90~113Ma,磷灰石裂变径迹热史模拟反映了早、晚白垩世之间缓慢的隆升历史[2]。钻井及物探资料揭示,盆地内部的白垩系为弱变形或未变形,进一步说明整个研究区于燕山晚期步入相对稳定且以差异隆升为主的构造宁静期。

3.4 喜山期(E—N)

白垩系末期,依然可见太平洋板块向北西方向俯冲挤压应力在该区的响应影响。新生代以来,受印度板块向欧亚大陆俯冲的远程效应影响,构造应力发生巨大转变,由NW—SE向挤压应力转变为NE—SW向挤压应力,形成一系列现今依然活动的逆冲断裂和走滑断裂(图 2-f图版Ⅰ-f)。同时造成研究区的差异性隆升与沉降,但该区地层的构造变形强度不大,表现为弱变形或未变形,并造成EW向老构造的活化,以及NE向断裂的新生[11]。受阿尔金断裂左旋走滑作用的影响,研究区可能发生块体旋转,但旋转量不会很大[41]

4 钻井地层剥蚀及埋藏史

为深入理解盆地内部地层的隆升剥蚀及沉降历史,本次研究选取能够分别代表盆地东西部演化历史的祥探9井和延巴参1井(井位见图 1),利用钻井分层、声波时差、Ro、磷灰石裂变径迹等数据,结合区域构造演化、古地温梯度、成岩作用阶段的划分等资料,对银额盆地内部地层的剥蚀及埋藏历史进行分析。

4.1 地层剥蚀厚度恢复

祥探9井位于居延海坳陷路井凹陷中部,完钻井深3020.9m。其中,钻遇新生界厚263.0m(地补距5.0m),中生界厚1157.5m,揭示二叠系1595.4m(未穿)。通过对祥探9井泥岩层声波时差的统计,作声波时差与深度关系散点图,分别对上古生界二叠系和中生界白垩系声波时差与深度关系进行回归分析(图 5-a),利用声波时差回归的2条直线分别得到现今地表和古地表,计算出祥探9井二叠系剥蚀厚度为2305.0m。该井位于中生代盆地路井凹陷北坡,白垩纪以来以沉降为主,剥蚀不明显。

图 5 银额盆地钻井埋藏剥蚀图(据参考文献[42]修改) Fig.5 Burial and erosion history map for wells in Yingen-Ejin basin a—祥探9井声波时差与井深关系及剥蚀厚度计算;b—祥探9井埋藏史;c—延巴参1井泥岩声波时差井深关系及剥蚀厚度计算;d—延巴参1井埋藏史

延巴参1井位于巴北凹陷西南部,完钻井深3260m,钻遇地层自上而下为新生界248.0m,中生界白垩系厚1922.0m,揭示二叠系1090.0m(未穿)。延巴参1井泥岩层声波时差进行统计,制作了声波时差-深度散点图,并据此分别对上古生界二叠系和中生界白垩系声波时差-深度进行了回归(图 5-c),确定了古地表,在此基础上计算出巴参1井二叠系剥蚀厚度为2175.0m。

钻井及地震资料均显示,石炭系—二叠系与上侏罗统之间存在大的不整合面,且缺失大量三叠系与中—下侏罗统沉积(图 2中E-F剖面、图 5-bd),因此推断,早—中燕山期为研究区最强烈的一次构造改造,造成研究区抬升,以及石炭系—二叠系与中生界不同程度的剥蚀。卫平生等[43]对盆地内部中生界地层剥蚀及埋藏史进行了研究,燕山构造运动使各区普遍抬升剥蚀,居东凹陷(居参1井)、乌力吉凹陷中心处的剥蚀厚度分别达到530m和380m。早白垩世盆地裂陷活动加剧,早白垩世末的抬升使盆地各凹陷遭受不同程度的剥蚀,查干、居东、梭梭头、乌力吉等主要凹陷的剥蚀厚度分别达到1050m(查参1井)、600m(居参1井)、200m(务参1井)和800m。

4.2 埋藏史

在对祥探9井、延巴参1井二叠系剥蚀厚度恢复的基础上,利用磷灰石裂变径迹确定抬升的大概时间,结合研究区区域构造演化、古地温梯度、成岩作用阶段的划分资料等对钻井地层埋藏演化史进行了分析,并作出了祥探9井与延巴参1井埋藏史图。

由埋藏史图可见,盆地内部的构造热演化历史基本一致(图 5-bd)。研究区自晚古生代古亚洲洋闭合后开始内陆盆地演化阶段,在晚泥盆世—二叠纪进入后造山伸展阶段,盆地相对稳定,与此同时,地层厚度在晚二叠世达到阶段性最大,银额盆地二叠系沉积厚度一般达到3000m以上。石炭系与二叠系烃源岩已经进入生烃阶段,开始向油气转化,但受埋深厚度影响,尚未达到最大热演化程度。二叠纪末—早三叠世,受海西期末构造运动影响,研究区以构造抬升为主。受其影响,整个研究区几乎没有下三叠统沉积,部分进入生烃阶段的烃源岩被抬升冷却,停止生烃。直到晚侏罗世,银额盆地经历了抬升与沉降转换,早白垩世盆地再次沉积了厚度巨大的砂泥岩组合。石炭系与二叠系在早白垩世末期达到最大埋深,多套烃源岩热演化程度也随之达到最高,进入主要生烃期。

5 结论

依据银额盆地及周缘晚古生代、中新生代地层的构造变形特征,对研究区的构造改造期次进行了划分,并对每期构造改造的动力学机制予以分析,在此基础上,利用盆地内部钻井及地震资料,结合磷灰石裂变径迹模拟,对钻井地层的剥蚀及埋藏历史进行了恢复。

(1)单就石炭系—二叠系构造变形而言,周缘露头区构造变形远强于盆地内部,北山地区变形程度又强于洪格尔山地区。

(2)石炭系与二叠系沉积之后,研究区主要遭受了华力西末期、早中燕山期、燕山晚期、喜马拉雅期4期构造改造作用。第一期改造强烈,在SN向挤压应力下,以差异隆升为主;早—中燕山期区域上变形最强烈,在SN向挤压应力下,露头区主要表现为区域隆升及大规模的逆冲推覆构造;白垩纪以来,盆地主要受控于NW—SE向的挤压应力;喜马拉雅的构造变形微弱,主要表现为差异升降作用。

(3)盆地内部石炭系与二叠系多套烃源岩于早白垩世末期达到最大埋深,热演化程度也随后达到最高,进入主要生烃期;早白垩世以来受后期构造改造较弱,形成的大面积白垩系河湖相沉积可成为有效的储层与盖层,为银额盆地油气成藏提供了良好的生储盖条件。

本次研究尚存在一些不足,采用的地层产状统计分析方法,忽略了地块旋转及后期构造变形对前期构造变形叠加的影响,第三、四期构造改造微弱,对早—中燕山期构造影响较小,受早—中燕山期强烈构造叠加作用的影响,华力西末期的构造变形强度、构造改造方式、构造起止时限等问题有待深入研究。

致谢: 野外工作中得到中国地质调查局西安地质调查中心王宝文、郭望工程师、史冀忠高级工程师等同事的帮助;西安地质调查中心卢进才教授级高工、计文化研究员、刘江博士对本文撰写提出了宝贵的建议,在此一并表示感谢。

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