中國中部盆山耦合的構(gòu)造背景與形成機(jī)制

中國中部盆山耦合的構(gòu)造背景與形成機(jī)制

“盆地”和“山脈”的耦合效應(yīng)是中國地質(zhì)學(xué)者在理論和實踐中首次提出的含油氣盆地研究的新理論。它是對地球形成和發(fā)展的一個窗口，也是油氣勘探的一個前沿?zé)狳c。賈承造等已對中西部前陸盆地的特征進(jìn)行了總結(jié)。中國內(nèi)地中西部地區(qū)在空間上受控于北部古亞洲構(gòu)造域、西部特提斯洋構(gòu)造域和東部太平洋構(gòu)造域的共同作用,與典型前陸盆地相比,中西部的陸內(nèi)前陸盆地基底結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,具有多階段演化、多成因類型的特點。中西部前陸盆地的發(fā)育常與下伏大陸邊緣巖石圈的時代和厚度有關(guān),形成典型的沖斷造山帶與前陸盆地耦合的實例,如塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地與南、北天山造山帶的耦合,四川盆地與龍門山造山帶的耦合等。與西部前陸盆地不同的是,中部前陸盆地受到的構(gòu)造變形時間較持久,喜馬拉雅期擠壓強(qiáng)度較弱,屬于改造型前陸盆地,造成逆沖構(gòu)造分帶性較差和構(gòu)造變形復(fù)雜等特點。本文從盆山耦合的角度深入分析中部重點前陸盆地的形成演化機(jī)制,為我國中部地區(qū)的油氣勘探提供理論依據(jù)。1盆地基底及構(gòu)造背景中部地區(qū)前陸盆地主要指川西前陸盆地和鄂爾多斯盆地西緣前陸盆地。川西前陸盆地是指侏羅紀(jì)以來的四川盆地的西部地區(qū),相當(dāng)于四川盆地構(gòu)造分區(qū)中的西部斷褶帶,處于揚(yáng)子地塊西北緣、龍門山造山帶以東(圖1)。四川盆地的基底由前震旦系深變質(zhì)巖系及侵入巖體組成。巖性為綠泥石片巖、石英綠片巖及變質(zhì)砂巖,其原巖為一套火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖及碳酸鹽巖。該區(qū)經(jīng)歷了晚三疊世龍門山前陸盆地與侏羅紀(jì)至今的陸內(nèi)沉積盆地兩大構(gòu)造演化發(fā)展階段,沉積地層厚度巨大,現(xiàn)今最厚處達(dá)6000m以上。鄂爾多斯盆地西緣地區(qū),系指賀蘭山、六盤山以東,天環(huán)拗陷以西,北起桌子山,南達(dá)平?jīng)龅莫M長地區(qū),主體呈南北向展布。鄂爾多斯盆地具有雙層結(jié)構(gòu),基底由太古界及早元古界的變質(zhì)巖構(gòu)成,在盆地西部地區(qū)為淺變質(zhì)巖,時代為早元古代,南部為深—中度變質(zhì)巖,時代為太古代至中元古代。盆地西緣鄰區(qū)的構(gòu)造結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為一系列小型盆地和不同類型的山系所環(huán)繞(圖2)。2呂內(nèi)前陸盆地分析中國中部前陸盆地具有多期疊加演化的特征,一般由3個階段的盆地疊置而成。2.1晚三疊紀(jì)—早期前陸拗陷盆地中部前陸盆地發(fā)育的早期階段,主要在晚三疊世,揚(yáng)子陸塊和華北陸塊碰撞、拼合,華北和揚(yáng)子被動陸緣多被破壞,前陸盆地最下層發(fā)育斷陷或早期前陸拗陷盆地。早震旦世四川盆地為一套巨厚的以陸相噴發(fā)為特征的火山巖、火山碎屑巖和陸相沖積扇巖石組合,主要產(chǎn)出于裂陷槽中,為斷裂所控制。晚震旦世始,該區(qū)進(jìn)入一個相當(dāng)長的穩(wěn)定發(fā)展階段,總體上為一個持續(xù)沉降的臺地碳酸鹽巖、碎屑巖沉積組合,構(gòu)造格局以隆拗為特征。從石炭—二疊紀(jì)開始,揚(yáng)子地塊泛大陸裂解,在揚(yáng)子地塊西緣發(fā)育一系列伸展斷層,并出現(xiàn)深海-半深海放射蟲硅質(zhì)巖及復(fù)理石沉積。晚二疊世開始至三疊紀(jì),第一階段開啟的金沙江及理塘洋盆相繼閉合,形成殘留的蛇綠混雜巖,大洋巖石圈向西俯沖到羌塘-昌都陸塊之下,同時形成江達(dá)火山弧。隨著羌塘地塊同揚(yáng)子地塊的碰撞,在川西形成殘留盆地和弧前盆地,并相繼出現(xiàn)早期前陸盆地,沉積了巨厚的康西群復(fù)理石沉積楔,具有海底濁積扇性質(zhì)。中元古代,華北克拉通裂谷活動非常普遍,鄂爾多斯盆地處于秦祁賀三叉裂谷早期階段。秦祁大洋裂谷邊緣六盤山一帶,該時期為一被動大陸邊緣,地層厚度向西南增加。北部的賀蘭拗拉槽是此三叉裂谷的夭折谷。晚古生代,研究區(qū)屬于華北克拉通盆地西緣,雖屬于同一盆地但它更多受祁連海槽和秦嶺海槽影響,在石炭紀(jì)就沉積了厚度達(dá)3000余米的沉積物。此時為潮坪—障壁島沉積體系,海灣—瀉湖沉積體系和磨拉石沉積建造。它反映了該區(qū)在晚古生代也處于構(gòu)造活動帶上。直到二疊紀(jì)早期,華北克拉通盆地受秦嶺海槽的影響,二疊紀(jì)海水逐漸從該西緣地區(qū)退出。隨著海西構(gòu)造旋回的結(jié)束,整個鄂爾多斯盆地結(jié)束了南北對擠應(yīng)力場的歷史,進(jìn)入印支構(gòu)造旋回發(fā)展階段。二疊紀(jì)—三疊紀(jì)轉(zhuǎn)化為陸相沉積。中晚三疊世的印支運(yùn)動使晚古生代—中生代地層普遍發(fā)生褶皺和斷裂。2.2晚三疊世盆地沉積期e前陸盆地演化與沖斷—褶皺帶的形成呈現(xiàn)為幕式造山作用與造盆作用的連續(xù)過程。川西前陸盆地的形成和演化與西側(cè)的龍門山?jīng)_斷—褶皺帶息息相關(guān)。從晚三疊世初的印支期構(gòu)造活動開始,隨著龍門山褶皺沖斷帶的形成,結(jié)束了海相沉積的歷史,開始陸相磨拉石盆地發(fā)育階段。伴隨著構(gòu)造活動期與平靜期的周期發(fā)展,在山前形成了一套粗細(xì)交替的碎屑沉積,川西進(jìn)入前陸盆地演化階段。印支運(yùn)動使四川盆地西部出現(xiàn)了一個明顯的北東向拗陷區(qū),其剝蝕程度最小,這是川西前陸盆地的雛形。從T1331至T2332,川西地區(qū)由殘留洋盆轉(zhuǎn)化為前陸復(fù)理石盆地。從T3333至K1,晚三疊世須家河中晚期,龍門山?jīng)_斷帶隆升,前陸磨拉石盆地開始形成,充填4000~6000m濱淺湖—三角洲—河流相沉積,其中湖澤相的煤系源巖為川西前陸盆地氣藏的主力源巖。中生代的印支運(yùn)動造成鄂爾多斯盆地東抬西降,盆地東部地層隆起并遭受剝蝕,由西緣向東部剝蝕幅度增大,古地貌也由西向東傾斜,造成侏羅系與三疊系間的不整合接觸。晚侏羅世中期的燕山運(yùn)動在本區(qū)活動強(qiáng)烈,主要表現(xiàn)為西緣逆沖推覆構(gòu)造的形成,形成了晚侏羅世西北部及西部地區(qū)廣泛發(fā)育粗碎屑的河流沖積扇沉積,中東部地區(qū)缺失芬芳河組沉積及前期地層遭受剝蝕的古地理格局(圖3(a))。沉降中心也向東移到桌子山至馬家灘斷裂的東側(cè),成為逆沖帶的前淵堆積,造成大部分地區(qū)的侏羅系與白堊系之間高角度不整合接觸,形成“古脊”,該古脊梁使六盤山盆地和鄂爾多斯盆地分開,白堊紀(jì)晚期,鄂爾多斯盆地西緣構(gòu)造格局基本定型,陸內(nèi)前陸盆地形成。從該時期的構(gòu)造演化過程認(rèn)為,隨著逆沖帶向前陸方向發(fā)展,前緣拗陷隨之東移,并且晚期的沖斷構(gòu)造卷入了前期的沉積地層。從前積層獲得的古流向為從西向東,沉積物粒度從西向東由粗變細(xì),厚度由大變小。2.3后陸盆地周緣斷陷盆地構(gòu)造格局的改變及演化趨勢中部前陸盆地的演化過程十分復(fù)雜,一般受到多期構(gòu)造運(yùn)動的影響,尤其是喜馬拉雅運(yùn)動晚期,對前陸盆地的形成和改造都有重要的作用。喜馬拉雅晚期運(yùn)動強(qiáng)烈,使造山帶“復(fù)活”,出現(xiàn)再生前陸盆地,山前拗陷堆積巨厚的磨拉石沉積,使前陸盆地深埋。早第三紀(jì)末是川西前陸盆地的改造期,始新世中期構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,前陸盆地全面隆升而遭受大幅剝蝕,原印支期、燕山期的構(gòu)造行跡被強(qiáng)烈改造而不明顯。整個前陸盆地周緣造山帶進(jìn)一步隆升,龍門山鏈中基底雜巖體大規(guī)模推覆上隆,構(gòu)造格局基本形成,四川盆地最終定型。燕山期由于岡瓦納地塊群與揚(yáng)子地塊群的碰撞和疊置,進(jìn)一步形成由西向東和由北向南的滑脫現(xiàn)象,前者主要形成龍門山前陸飛來峰群,后者主要形成鹽源飛來峰群,同時使磨拉石盆地產(chǎn)生輕微變形,形成平緩的斷滑褶皺,并出現(xiàn)滯后正斷層。因此,前陸盆地是后陷盆地演化序列中的一幕。新生代以來,鄂爾多斯西緣地區(qū)主要受青藏地塊向ENE方向的強(qiáng)烈擠壓作用,盆地的構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生變化,受印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓,鄂爾多斯盆地周緣斷陷盆地均為剪切拉張帶。逆沖推覆作用繼續(xù)發(fā)展,在六盤山盆地和沙井子—平?jīng)鲆粠鏇_斷層持續(xù)發(fā)育;在西緣北部,發(fā)育右旋剪切拉張性質(zhì)的銀川地塹,其內(nèi)新生界厚達(dá)2000m。由于西緣處于區(qū)域擠壓應(yīng)力場中,以造山帶持續(xù)隆升為主,但構(gòu)造作用明顯減弱。第三紀(jì),西緣普遍發(fā)生較大幅度的角度不整合。晚第三紀(jì)六盤山地區(qū)隆起,促使其東緣中生代東隆西拗背景下發(fā)育的西部拗陷帶進(jìn)一步沉降,并與中部具前陸盆地結(jié)構(gòu)的地區(qū)(馬家灘地區(qū))相連。直至此時,鄂爾多斯盆地西緣才出現(xiàn)了南北向展布,延伸較長,相對較為完整,但內(nèi)部仍為分割明顯的前陸盆地結(jié)構(gòu)。3區(qū)域構(gòu)造背景盆山耦合作用中,山脈的構(gòu)造演化對盆地的沉降與沉積充填有強(qiáng)烈的控制作用,盆地本身的發(fā)展也對山脈的隆升與侵蝕施加影響。相對西部前陸盆地分別受到特提斯洋域和古亞洲洋域的影響,中部前陸盆地屬特提斯洋域,因此造山作用明顯不同,只經(jīng)過一次明顯的前陸盆地的演化階段。從擠壓造山帶類型和前陸盆地類型組合分析,中國中部前陸盆地應(yīng)屬大陸碰撞造山帶和周緣前陸盆地類型。3.1龍門山前陸薄皮構(gòu)造演化造山帶構(gòu)造楔推進(jìn)作用構(gòu)成前陸盆地沉降、沉積和褶皺—沖斷帶發(fā)育的動力,造山帶的推覆構(gòu)造與滑覆構(gòu)造則構(gòu)成耦合機(jī)制的樞紐帶。造山帶的推覆構(gòu)造可以分為兩類:(1)厚皮構(gòu)造,為韌性變形產(chǎn)生的褶皺推覆體,進(jìn)一步發(fā)育沖斷作用和推覆構(gòu)造(圖4);(2)薄皮構(gòu)造,主要在造山帶前緣,由于脆性沖斷作用,在沖斷層斷坡帶或前鋒帶產(chǎn)生相關(guān)褶皺?；矘?gòu)造則由于造山帶隆升和重力擴(kuò)展所引起,常發(fā)育后展式?jīng)_斷帶和后緣的伸展斷層,因此造山帶的發(fā)育控制前陸盆地中盆地結(jié)構(gòu)、沉積層序與構(gòu)造樣式等。隨著大陸地殼的進(jìn)一步收縮,在被動大陸邊緣樞紐線附近形成龍門山疊瓦沖斷帶,上地殼大量縮短產(chǎn)生了區(qū)域性滑脫面,同時碳酸鹽巖和陸源碎屑沉積蓋層沖斷疊置,形成龍門山前陸薄皮構(gòu)造及前陸磨拉石盆地。龍門山褶皺沖斷帶主要由一系列逆沖巖片和推覆體組成。這些逆沖巖片和推覆體的主導(dǎo)運(yùn)動方向表現(xiàn)為自北西向南東逆沖推覆于揚(yáng)子克拉通之上。沖斷—褶皺帶活動所產(chǎn)生的構(gòu)造負(fù)荷,3.2晚三疊世至晚侏羅世從晚三疊世到早白堊世,在特提斯板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓下,四川盆地和鄂爾多斯盆地西部開始發(fā)生逆沖推覆,形成了三期逆沖造山作用和盆山耦合的磨拉石盆地。華北板塊與揚(yáng)子板塊經(jīng)過陸—弧碰撞以及陸—弧—陸碰撞最終拼合,同時促使龍門山裂陷槽與賀蘭山拗拉槽反轉(zhuǎn)成山,在印支晚期形成秦嶺造山帶與南北兩側(cè)川西前陸盆地與鄂爾多斯前陸盆地的耦合格局。中部前陸盆地的巖相變化為深?！獪\?！懴?沉積呈現(xiàn)為硅質(zhì)頁巖—復(fù)理石—磨拉石三段式。中生代晚三疊世時在甘孜-松潘盆地為淺海-深海復(fù)理石相,在四川盆地西部和鄂爾多斯盆地西南和西北部都為磨拉石相[23,33,34,35,36,37],平均沉積厚度為2000~3500m。侏羅紀(jì)開始,由于川西龍門山造山帶的隆升,構(gòu)造沖斷抬升和構(gòu)造楔形加積所產(chǎn)生的重荷造成基底彎曲,在山前發(fā)育了典型的磨拉石沉積,盆內(nèi)廣泛分布,厚達(dá)3500~4900m。鄂爾多斯盆地早—中侏羅世由于盆地整體抬升達(dá)到準(zhǔn)平原化,沒有明顯的沉積和沉降中心,此時,水體變淺,以河流、湖泊和沼澤相為主,是盆地的主要成煤期。晚侏羅世的燕山運(yùn)動Ⅱ幕在本區(qū)活動強(qiáng)烈,盆地西拗東翹,西緣逆沖推覆構(gòu)造發(fā)育,造山帶快速隆升,西緣廣泛發(fā)育磨拉石建造(圖3(a))。第三期盆山耦合格局出現(xiàn)在白堊紀(jì),由于燕山Ⅲ幕的影響,龍門山?jīng)_斷層的活動強(qiáng)烈,川西前陸地區(qū)沉積了一套紅色磨拉石的沖積扇—辮狀河流相的礫巖、砂礫巖、砂巖及泥巖沉積,沖積扇的發(fā)育與造山帶的遷移有著密切的關(guān)系。盆地在橫剖面上表現(xiàn)為靠近沖斷帶一側(cè)沉降幅度大、沉積厚度大,而向臺地方向均變小(圖6),橫向上由沖積扇相變?yōu)楹雍?。早白堊世鄂爾多斯盆地整體沉降,西緣發(fā)育盆地邊緣相沉積(圖3(b)),厚度最大可達(dá)1400m的,向東部、南部逐漸變薄。沉降中心呈南北向,與其沉積中心位置吻