造山帶隆升與非均衡沉降盆地的響應關系
——以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7—長6油層組為例

陳朝兵，陳新晶，黃錦袖，石 義，朱玉雙，曹江駿，解宇航，阮 昱

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，西安 710065；2.中國石油 長慶油田分公司 第六采油廠，西安 710200；3.中國石油 長慶油田分公司 氣田開發(fā)處，西安 710200；4.中國石油 西部鉆探工程有限公司 井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000；5.西北大學 地質學系 大陸動力學國家重點實驗室，西安 710069；6.中國石油 華北油田公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062550)

近年來，隨著油氣勘探理論的不斷發(fā)展，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)成為新熱點[1]。鄂爾多斯盆地蘊含著豐富的非常規(guī)致密砂巖油氣資源，勘探開發(fā)潛力巨大。盆地西南部隴東地區(qū)延長組長7—長6油層組是致密砂巖油藏的主要聚集層位，但由于該地區(qū)處于延長期湖盆坳陷中心，沉積環(huán)境及砂體成因復雜，不同成因砂體相互疊置，縱向非均質性強，造成研究區(qū)的勘探開發(fā)效果不理想。盆地南部秦嶺造山帶的隆升進一步加劇了研究區(qū)構造和沉積物的復雜性，長7—長6地層廣泛發(fā)育了凝灰?guī)r夾層、重力流、震積巖等事件沉積體，這些事件沉積體的成因及觸發(fā)機制成為學者們研究的熱點[2-4]。

事件沉積物是指受到快速、異常地質作用而形成的地質記錄，具有等時性、瞬時性和延展性的特點[2]。目前，前人對深水事件沉積物的研究取得了長足進步[5-10]，但研究成果相對獨立，較少考慮周邊造山帶隆升對盆地的影響，尤其是對于鄂爾多斯盆地延長組長7—長6湖盆轉型期物源轉化、深水沉積體分布、各類事件沉積與周緣造山帶的時空響應關系還有待深入研究。

本文在前人認識的基礎上，從時間和空間上分析了秦嶺造山帶的隆升對鄂爾多斯盆地沉積中心、物源、沉積類型及事件沉積體分布的影響，厘清鄂爾多斯盆地拗陷期事件沉積與秦嶺造山帶隆升的耦合關系，為進一步揭示非均衡沉降湖盆演化和深水坳陷區(qū)油氣成藏提供有力證據(jù)。

1 湖盆拗陷期沉積特征

鄂爾多斯盆地地處中國中部，為穩(wěn)定的大型多旋回克拉通盆地，現(xiàn)今構造形態(tài)為一平緩的西傾單斜，盆地定型于新生代早期(燕山末幕)，坡度通常小于1°。盆地內(nèi)可劃分為6個二級構造單元，分別為北部的伊盟隆起、西部的天環(huán)坳陷和西緣逆沖推覆帶、東部的晉西撓褶帶、南部的渭北隆起帶及中部的伊陜斜坡。鄂爾多斯盆地晚三疊世延長期為大型內(nèi)陸湖盆演化期，湖盆經(jīng)歷了初始拗陷、湖盆擴張、強烈拗陷、回返抬升、萎縮消亡5個階段，沉積中心及細粒沉積物也由盆地東北—西南—東北遷移變化，表現(xiàn)為非均衡沉降特征[11]。

延長組地層總厚度約1 300 m，是一套以河流—三角洲—湖泊沉積為主的陸源碎屑巖系，自下向上劃分為長10—長1等10個油層組[4]。其中，長10期盆地進入初始拗陷期，湖盆雛形出現(xiàn)，湖岸線周圍發(fā)育湖侵和高位體系域的小型三角洲沉積；長9—長8期是湖盆快速擴張期，基底活動性增強，沉積中心位于志丹—甘泉—富縣一帶，并在長9段中上部發(fā)育了延長組第一套區(qū)域烴源巖，即“李家畔頁巖”，圍繞坳陷中心發(fā)育淺水型的河流—三角洲—淺湖沉積體系；長7期湖盆進入強烈拗陷期，湖泊范圍擴大，沉積格局發(fā)生轉化，沉積中心向西南方向遷移至定邊—環(huán)縣—華池—正寧一帶[12](圖1)，以持續(xù)的湖侵體系域為主，長7段沉積了盆地第二套區(qū)域烴源巖，即“張家灘頁巖”，該套烴源巖厚度大、有機質豐度高，是延長組的主力烴源巖。湖盆周邊發(fā)育河流—三角洲沉積，坳陷中心內(nèi)廣泛發(fā)育凝灰質夾層、重力流、震積巖等沉積。長6期，基底沉降幅度減弱，沉積中心范圍較長7期有所縮小，但在深湖區(qū)仍發(fā)育大量重力流等沉積物，湖盆周邊廣泛發(fā)育三角洲沉積體。長4+5期基底短暫沉降后繼續(xù)保持抬升；長3—長1期，西南部構造抬升導致“湖退砂進”進一步加劇，湖盆大幅萎縮，沉積中心已遷移至盆地東北部橫山—子長一帶，盆地進入全面沼澤化。至此，鄂爾多斯湖盆結束了延長期的構造、沉積演化歷程，并形成了具有完整生、儲、蓋成藏條件的生油組合。

圖1 鄂爾多斯盆地長7—長6期沉積中心分布據(jù)武富禮等[12](2004)修改。

2 秦嶺造山帶主體隆升時間及特征

秦嶺造山帶是橫亙在中國內(nèi)陸中央的東西向山嶺，其演化歷史久遠。震旦紀至早古生代早期，為古秦嶺—大別洋的板塊擴張期；中奧陶世至早泥盆世，揚子板塊開始向華北板塊下方俯沖，導致華北板塊的抬升；自泥盆紀開始，揚子板塊與華北板塊的陸殼前段開始碰撞接觸，進入板塊碰撞造山階段。秦嶺造山帶的造山過程一直持續(xù)到新生代，先后經(jīng)歷了點接觸碰撞階段(中晚泥盆世—石炭紀)、面接觸碰撞階段(晚石炭世—早二疊世)和全面碰撞造山階段(晚三疊世—新生代)[13]。

張國偉、陳世悅等[13-14]認為晚三疊世印支期是秦嶺全面碰撞造山的主要時期。三疊紀印支期的全面碰撞造山階段，伴隨著古特提斯洋的關閉，最后發(fā)生強烈的變質變形和花崗巖漿活動，秦嶺造山帶全面隆升，其隆升過程具有差異隆升的特點。一方面，古特提斯洋的閉合并非均勻推進，而是自東向西呈“剪刀式”分段分期閉合，最終碰撞造山。王非、徐杰等[15-16]對秦嶺地區(qū)花崗巖Ar40—Ar39進行年代測定及磷灰石裂變徑跡分析表明，東、西秦嶺經(jīng)歷了完全不同的冷卻歷史，反映了東、西秦嶺差異隆升的特點。其中，東秦嶺的隆升始于晚三疊世早期，是秦嶺造山帶隆起的先鋒，主要發(fā)育超高壓變質巖，年齡主體在231～225 Ma；西秦嶺的隆升時間最晚，約在218～210 Ma。由于西秦嶺處于秦嶺—祁連造山帶的接合部位，是整個秦嶺碰撞帶的收尾段，應力最為集中，碰撞強度最大，發(fā)育一套大陸邊緣型的巖漿巖建造[16]。因此，從構造強度來講，西秦嶺向北碰撞、俯沖作用要強于東秦嶺。另一方面，秦嶺造山帶南北方向上也存在明顯差異隆升現(xiàn)象，徐杰、柳小明等[16]通過對南、北秦嶺地區(qū)不同花崗巖體進行黑云母40Ar—39Ar年齡及鋯石損傷年齡測試表明，北秦嶺隆升速度慢于南秦嶺，南秦嶺東部隆升時間在200～150Ma期間，而北秦嶺的隆升時間在189～90 Ma期間。

3 造山帶隆升與盆地沉積響應特征

3.1 造山帶巖漿活動對沉積物源的影響

秦嶺造山帶的隆升是鄂爾多斯盆地西南部晚三疊世期間主要的構造事件，發(fā)育了大量的中酸性侵入巖體。根據(jù)前人[17]關于西秦嶺和太白地區(qū)花崗巖體的分布及同位素測年數(shù)據(jù)，秦嶺造山帶隆升伴生的主要花崗巖體有關山巖體(222 Ma，Rb-Sr；187 Ma，U-Pb)、寧陜巖體(202/214 Ma，U-Pb)、寶雞—太白巖體(231 Ma，U-Pb)等，其中西秦嶺北側以二長花崗巖為主，為碰撞、俯沖擠壓成因的“S型花崗巖”。上述花崗巖體年齡范圍為231～187 Ma，主體處于晚三疊世(227～205 Ma)，時間上接近印支運動Ⅱ期(224～210 Ma)[18]。

西秦嶺地區(qū)廣布的花崗巖侵入體，是否為鄂爾多斯盆地西南部提供了物質來源？這個問題是明確造山帶隆升與盆地沉積響應關系的重要證據(jù)之一。長7期是鄂爾多斯湖盆范圍最大的時期，盆地西南部隴東地區(qū)沉積了一套重力流沉積建造。本文通過選取隴東地區(qū)HQ3-1、HQ4-5、HQ7-8三口井長7重力流砂巖樣品進行鋯石U—Pb同位素測年分析，結果表明：隴東地區(qū)長7砂巖陰極發(fā)光下的鋯石顆粒多數(shù)晶形完整，具清晰振蕩環(huán)帶結構，表明其來自巖漿成因的鋯石；U—Pb同位素測年數(shù)據(jù)中(圖2，3)，36%的鋯石顆粒介于245～198 Ma(印支期)，15%的鋯石顆粒介于470～360 Ma(加里東期)，38%的鋯石顆粒介于2 100～1 700 Ma(呂梁期)，11%的鋯石顆粒介于2 550～2 300 Ma(古元古代早期)，其中245～198 Ma與上述印支期西秦嶺花崗巖侵入時間基本吻合，470～360 Ma源自秦嶺—祁連山加里東期寬坪巖群、秦嶺群以及巖漿巖體，2 100～1 700 Ma源自秦嶺—祁連山呂梁期巖層，2 550～2 300 Ma源自古元古代早期的北部陰山變質巖。結合盆地周緣母巖特征，確定了延長期盆地西南部主要物源來自秦嶺—祁連地區(qū)不同時代的巖漿巖母巖，以及少量北部陰山地區(qū)的變質巖母巖，其中印支期西秦嶺隆升形成的花崗巖為延長期盆地西南部提供了超過三分之一的物質來源。而延長期之前，盆地西南部物源供給主要以盆地東北部阜平雜巖及盆地北部的海西期巖漿巖為主[17]，西南部物源供給次之。

圖2 鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長7砂巖鋯石206Pb/238U同位素年齡分布

圖3 現(xiàn)今秦嶺造山帶與鄂爾多斯盆地位置及取樣測試點分布

因此，延長期是鄂爾多斯盆地西南部物源供給體系轉化的重要節(jié)點。秦嶺造山帶的隆升以及伴生的巖漿活動，加強和豐富了盆地西南部的物源供給體系，來自不同時代秦嶺造山帶的母巖，為盆地西南部深坳區(qū)的沉積提供了充足的物質保證，是該時期盆地西南部大幅沉降和西秦嶺快速隆升的耦合效應之一。

3.2 事件沉積體特征

3.2.1 凝灰?guī)r事件沉積特征

鄂爾多斯盆地延長組廣泛發(fā)育凝灰?guī)r夾層，連續(xù)沉積厚度一般小于1 m，平面分布具有一定區(qū)域性，縱向分布以長7—長6地層相對集中(圖4a)，其他各層也有零星分布，常作為區(qū)域標志層存在[19-21]。凝灰?guī)r以灰黃色、灰褐色、灰白色為主(圖4b)，存在不同程度的蝕變，呈疏松破碎狀或堅硬的玻璃斷口狀；火山凝灰質也可不同程度充填于砂巖孔隙內(nèi)，造成原生孔隙喪失，對砂巖儲集能力造成一定破壞(圖4c)。凝灰?guī)r夾層的測井響應特征明顯，表現(xiàn)為低電位、高伽馬、高聲波時差、高電阻率的特征。延長組的凝灰?guī)r分為空降型和水攜型[21]，空降型通過風力搬運沉積且后期未遭受再沉積作用，具有正粒序和凝灰結構，主要分布在長7—長6地層中。水攜型多是經(jīng)歷了二次搬運并沉積下來的凝灰?guī)r，蝕變作用強，最終可轉化為斑脫巖，主要分布于長7—長6以外的地層中。

圖4 鄂爾多斯盆地長7—長6油層組凝灰?guī)r事件沉積體特征

3.2.2 深水重力流事件沉積

深水重力流事件沉積通常由火山、地震、重力滑塌等陣發(fā)因素誘發(fā)，導致沉積物和水的混合物在重力作用下順坡滑塌、滑移而成[22-23]，而造山帶附近通常是火山、地震、重力滑塌等觸發(fā)因素的高發(fā)區(qū)。鄂爾多斯盆地深水重力流砂體主要分布在隴東地區(qū)長7—長6地層中，且通常夾有多層凝灰?guī)r薄層，因此上述凝灰?guī)r年齡數(shù)據(jù)應與重力流砂體沉積時間一致或相近，也與西秦嶺的隆升時間接近。重力流砂體是火山頻繁爆發(fā)誘發(fā)深水斜坡區(qū)沉積物滑塌堆積的產(chǎn)物。

重力流與常規(guī)牽引流的沉積構造特征存在明顯差異。深水環(huán)境的水動力十分復雜，不同類型重力流沉積物相互轉化、疊置。重力流可分為由非牛頓流體層流引發(fā)的碎屑流和由紊流引發(fā)的濁流沉積。碎屑流進一步分為泥質碎屑流和砂質碎屑流，濁流則細分為低密度濁流和高密度濁流[22](圖5)。泥質含量對重力流流體性質也有明顯控制作用，能夠改變流體屈服強度及流態(tài)的轉化方向，從而決定重力流的類型[24]。不同泥質含量的碎屑流具有不同的屈服強度，高泥質含量的碎屑流屈服強度較大，泥質碎屑含量較高，屬非牛頓流體，流態(tài)為層流，形成泥質碎屑流。當泥質含量降低、屈服強度降低時，泥質碎屑傾向于在上部分布，呈漂浮狀，中下部則形成砂質碎屑流；當泥質含量進一步降低，屈服強度大幅降低，由砂質碎屑流逐漸向濁流轉化；當泥質含量低于一定程度時，重力流逐漸向牽引流過渡，形成以紊流為主、泥質雜基含量低的牽引流砂體，如水下分流河道砂體。隴東地區(qū)長7—長6期廣泛發(fā)育上述不同類型重力流砂體，泥質含量的頻繁變化不僅導致不同類型的重力流砂體疊置，也反映了長7—長6期構造活動頻次增強的特點。

3.2.3 震積巖事件沉積

震積巖是沉積層中具有各種地震記錄的巖石，地震在短時間內(nèi)釋放出巨大的能量，造成未固結—半固結巖層發(fā)生各類變形構造，具有一定沉積學和構造指示意義[6]。由于地震能量巨大，對原始層序造成很大破壞，平面上的破壞程度通常與距離震源的遠近呈反比，縱向上則根據(jù)地震烈度和頻率的衰減呈現(xiàn)具有一定規(guī)律的震積序列[24]。鄂爾多斯盆地震積巖主要分布在西南部，集中出現(xiàn)在長7—長6段，按形成所需能量高低概括出鄂爾多斯盆地西南部的震積巖沉積序列，自下向上依次為：A段為震積角礫巖，B段為階梯狀震裂縫，C段為液化卷曲變形，D段為液化砂巖脈，E段為砂球枕構造，F(xiàn)段為輕微液化層，反映了地震活動具有頻發(fā)性和多旋回特征(圖6)。重力流沉積和震積巖都是由地震觸發(fā)，但二者存在較大差異，震積巖形成所需要的啟動能量要遠大于重力滑動，其變形構造的規(guī)模也大于重力滑塌產(chǎn)生的小規(guī)模層面揉皺變形，這是兩者最大的區(qū)別[25]。

圖5 鄂爾多斯盆地延長組深水重力流類型及與泥質含量的關系

3.3 造山運動與事件沉積的響應關系

事件沉積體的空間展布規(guī)律能夠反映造山運動及其伴生的巖漿、地震活動的強度、頻率變化特征。通過分析隴東地區(qū)凝灰?guī)r夾層、重力流及震積巖等事件沉積體的平面分布規(guī)律表明(圖3)，秦嶺造山帶的隆升與鄂爾多斯盆地西南部事件沉積具有很好的時空對應關系，事件沉積體主要分布于長7—長6期湖盆西南部深坳區(qū)內(nèi)。

凝灰?guī)r夾層的空間分布能夠有效指示盆地周邊火山活動特征。通過長7凝灰?guī)r中鋯石年齡測定獲得的長7凝灰?guī)r夾層年齡為228.2～221.8 Ma[26]，將長7凝灰?guī)r中測定的鋯石年齡與西秦嶺同期火山巖體的年齡對比，發(fā)現(xiàn)盆地強烈沉降期源區(qū)火山噴發(fā)頻繁，湖盆內(nèi)部長7期火山凝灰?guī)r主要來自西南部印支期火山噴發(fā)物。盆地凝灰?guī)r厚度由西南向東北逐漸減薄尖滅，結合晚三疊世盛行的西南—東北向的古季風[21]，可大致推斷火山噴發(fā)方向為盆地西南部西秦嶺附近，與西秦嶺同期廣泛發(fā)育的“S型花崗巖”侵入體具有同源性。因此，秦嶺造山帶隆升觸發(fā)的火山噴發(fā)及凝灰?guī)r夾層的集中出現(xiàn)，代表了鄂爾多斯盆地長7湖盆西南部進入快速拗陷階段，指示了湖盆發(fā)育的鼎盛期。

操應長等[24]將同一重力流事件形成的多種類型重力流疊置沉積體稱為混合事件層，并對其觸發(fā)機制進行了室內(nèi)模擬實驗，結果表明，大規(guī)模的混合事件層往往形成于坡度較陡的坡折帶附近，地形坡度決定了高密度流體搬運的臨界條件、高密度流體向低密度流體轉化的臨界條件以及不同條件下流體的搬運速度，湖盆基底的相對低部位是沉積物卸載的有利地區(qū)。隴東地區(qū)延長組沉積早期(長10—長8期)，構造活動較弱，湖盆坡度平緩，發(fā)育辮狀河三角洲及淺水三角洲，砂體厚度穩(wěn)定，連續(xù)性好；至延長組沉積中期(長7—長6期)，秦嶺造山帶的隆升導致了鄂爾多斯盆地西南部強烈擠壓，分別在研究區(qū)西南部孟壩—太平—董志一線、東北部華池—南梁—塔爾灣一線形成2個較陡的坡折帶，并在坡折帶下方沉積了厚層重力流沉積體。其中西南部發(fā)育濁流及部分砂質碎屑流沉積體，東北部發(fā)育砂質碎屑流及部分濁流、泥質碎屑流沉積體。因此，印支運動不僅是秦嶺造山帶形成的重要時期，也導致了盆地深坳區(qū)的形成。長7期形成了鄂爾多斯盆地西南部較陡的湖盆坡折帶，在富含泥質沉積物的斜坡區(qū)，當受到秦嶺造山帶伴生的火山、地震等外部因素的觸發(fā)，沉積了厚層的、分布面積廣的重力流致密砂巖。

圖6 鄂爾多斯盆地西南部震積巖垂向沉積序列

震積巖的形成需要地震強度達到5級以上[27]，結合現(xiàn)今地震數(shù)據(jù)，5級以上地震通常與區(qū)域構造活動相關，因此震積巖與鄂爾多斯盆地周邊構造活躍期相伴生。通過巖心觀察統(tǒng)計盆地西南部震積巖的變形特征及出現(xiàn)頻次，結果表明：盆地西南—東北方向，巖心變形頻率、幅度、規(guī)模逐漸降低，震積巖發(fā)現(xiàn)井的連線也基本近東西向，基本平行于秦嶺造山帶。這一特征也符合吳賢濤等[28]提出的震積巖連線平行于構造帶的特點，反映了地震強度和破壞力的衰減方向為西南—東北向，震源為盆地西南緣與秦嶺造山帶的碰撞部位，與西秦嶺延長組沉積中期強烈擠壓隆升伴生的火山、地震活動具有很好的對應關系，從沉積學角度證明了長7—長6期正處于秦嶺造山帶印支期幕式構造運動的強烈期。

4 結論

(1)秦嶺造山帶隆升與鄂爾多斯盆地延長期非均衡沉降盆地的形成具有良好的因果關系。西秦嶺隆升伴生的侵入型“S型花崗巖”為湖盆西南部沉積物提供了超過三分之一的物質來源，改變了盆地西南部的物源供給體系。

(2)凝灰?guī)r夾層、重力流及震積巖的空間分布與秦嶺造山帶的隆升具有較好的時空對應關系，均主要分布于長7—長6期湖盆西南部深坳區(qū)內(nèi)。秦嶺造山帶的隆升導致了沉積中心向西南部遷移，并在西南部形成了較陡的湖盆坡折帶，形成大面積的深水重力流砂體。西秦嶺收尾段的強烈碰撞伴生了劇烈的火山、地震活動，凝灰?guī)r夾層厚度及震積巖分布頻率由西南向東北依次降低。