柴達木盆地柴中隱蔽斷裂帶的成因及其深部找藏

錢美平,楊 偉,真允慶,4,巫 靜

(1.南京大學地球科學與工程學院,南京,210093;2.江蘇省有色金屬華東有色地質勘查局,南京210093;3.江蘇省有色金屬華東地質勘查局814隊,江蘇鎮江212005;4.中國冶金地質勘查總局三局,太原030002)

0 引言

柴達木盆地位于青藏高原的北部,素有高原“聚寶盆”的美稱。盆地四周群山環繞,南臨昆侖山,北接祁連山,西為阿爾金,東有鄂拉山。盆地內為戈壁、沙漠,據地震測定,中、新生界地層覆蓋厚達12～17 km,構造極其復雜,引起廣大石油地質學家的興趣和重視,先后取得了大量科研成果,積累了豐富的地質資料,為找藏起到了指導作用。

柴達木盆地中部有一條近EW向的構造帶,大致沿甘森—德令哈一線展布,徐鳳銀等(2009)將其稱為“柴中斷裂帶”[1]。根據筆者等10多年來在本區進行的遙、重、磁、電、震及地質調查研究表明,這是一條隱蔽的斷裂帶,也是一個重要的控藏構造帶,但因其地質特征不是非常明顯,所以往往被人們忽視。

本文從區域構造背景、盆地構造變革和綜合地球物理勘查資料入手,運用殼幔深部過程理論,探討盆地內柴中隱蔽斷裂帶的形成機理,并對其深部找藏進行預測。

1 從區域構造背景看柴中斷裂帶的隱蔽性

劉光鼎(2007)用“東西成帶、南北分塊”來描述中國大陸多塊體、多梯級帶的特點,并以“三橫、兩豎、兩個三角形”形象地表述中國大陸宏觀的構造格架。其中“兩個三角形”即指柴達木及松潘—甘孜地 區,它們均以昆侖—秦嶺(EW向)為底線,頂角分別指向南、北[2];這“兩個三角形”是區域構造最為活躍的地區,也是地殼最為脆弱的地帶。

柴達木盆地之南為特提斯—喜馬拉雅構造域,其東則與泛華夏古陸群接合,地質構造極其復雜,演化歷史十分曲折。自元古代以來,經歷了多期構造運動,構成條塊鑲嵌的構造格局,其中近 EW向構造形成最早、規模最大、范圍最廣。區域內自北而南分布有柴達木含油氣區、巴顏喀拉含油氣區、羌塘含油氣區、岡瓦納含油氣區和喜馬拉雅含油氣區(圖1),丘東洲(2001)將我國青藏高原稱之為21世紀新的油氣資源接替區[3]。

喜山期,由于印度板塊向歐亞板塊多期、多階段俯沖,形成一系列褶皺-沖斷裂帶(Fold-Thrust belt),而且這些沖斷層的頂角多為50°±5°,代表了由早期正斷層經反轉期成為擠壓逆斷層,可視為前陸褶皺沖斷帶及復合性過渡帶,柴達木盆地就處于昆侖山與祁連山之間的復合造山帶的前緣。

圖1 青藏高原含油氣盆地分布及地質簡圖[3]Fig.1 Geological sketch showing distribution of oil and gas bearing basin in Tibetan Plateau

據張克信(2008)研究[4],在古新世—始新世期間,高原總體是東高西低,但至漸新世因岡底斯和喜馬拉雅快速崛起,昆侖山—阿爾金山—祁連山隨之隆升,鑄就了高原的周緣為山脈,而腹地為凹陷盆地的宏偉地貌格局。進入新近紀,大約在13～8 Ma和5 Ma期間,有2次快速隆升事件發生。在岡底斯和喜馬拉雅帶喀喇西昆侖地區,經歷了不均衡的隆升和沉降,產生了重大的反轉調整,形成現今西高東低的地貌景觀。正因為本區域地質背景是處于“翻天覆地”的地殼運動環境之中,柴中斷裂帶必然加劇了隱蔽性。

2 柴達木盆地的構造演化史揭示了柴中隱蔽斷裂帶的復雜性

2.1 頻繁的地質事件改變了柴中隱蔽斷裂帶的地質特征

柴達木盆地同位素年齡樣品采集點和金屬礦床分布圖見圖2,同位素年齡列于表1。

研究柴達木盆地的地質發展史要從結晶基底談起。在阿爾金山阿克塔什塔格的太古宙花崗片麻巖中,首次測得鋯石TIMS法U-Pb同位素上交點年齡(3 605±43)Ma,下交點年齡(1 958±180)Ma(前者代表了巖石生成年齡,后者表征了先成鋯石遭受疊加地質事件改造的時代);但是大規模分布的英云閃長片麻巖U-Pb法年齡為(2 604±102)Ma,奧長花崗片麻巖的U-Pb法年齡為(2 670±12)Ma。由于均為片麻巖,其釹模式年齡早期侵入年齡為3 528 Ma和2 978 Ma,足以說明在3.5～3.6 Ga和3.0～3.1 Ga期間分別有一次造殼事件[5-6]。

陸松年等(2002)將以往文獻中所稱達肯大坂群分解成德令哈雜巖和達肯大坂群。德令哈雜巖的斜長角閃巖和二長花崗片麻巖U-Pb法上、下交點年齡分別為(2 412±14)Ma,(2 366±10)Ma和(785±46)Ma,(350±67)Ma;達肯大坂群Sm-Nd法等時年齡為(1 791±37)Ma。昆侖山北部(柴中斷裂以南)的金 水口巖群的花崗片麻巖上、下交點年齡分別為(1 624±22)Ma和(462±22)Ma。在阿爾金山北部的奧長花崗巖片麻巖、石榴斜長角閃巖和石英二長巖分別獲得上交點為(2374±10)Ma,(2 351±21)Ma和(1 855±23)Ma,下交點為(315±92)Ma,(202±144)Ma和(354±64)Ma,繼承鋯石年齡為1.9～2.0 Ga,說明柴中斷裂帶之北阿爾金山基底為中太古—新元古界變質巖組成;德令哈雜巖及肯達大坂群為太古—古元古界變質巖系,后有晉寧和海西期疊加變質;而柴中斷裂帶以南的金水口巖群為中元古界變質巖系,后有加里東和海西期改造。由此可以看出柴中斷裂帶兩側變質巖系的年齡有所不同,表明該區在元古宙時就已裂解,這與全球元古宙羅迪尼亞(Rodinia)和岡瓦納超大陸的形成演化有著某些必然聯系[5-6]。

新元古代,柴北緣歐龍布魯克的全吉群不整合在德令哈雜巖之上,其上為冰蹟巖層及砂巖,含疊層石碳酸鹽巖中發育火山熔巖和雜色砂巖。其下為玄武安山巖,U-Pb法表面年齡為(738±28)Ma。在銅錄山,勝利口花崗閃長巖 U-Pb法上交點年齡為(803±7)Ma,下交點年齡為(212±18)Ma;錫鐵山鉀質花崗片麻巖的上交點年齡為(744±37)Ma,下交點年齡為(351±22)Ma;眼球狀花崗片麻巖的上交點年齡為(2360±507)Ma,下交點年齡為(744±37)Ma。很明顯,沙柳河—魚卡河榴輝巖帶是一條早古生代的縫合帶,記錄了2期重大地質事件。

表1 柴達木盆地周緣地區巖石(地層)同位素年齡Table 1 Rock(strata)isotope ages(Ma)of surrounding mountains in Qaidam Basin

圖2 柴達木盆地同位素年齡樣品采樣點和金屬礦床地質圖Fig.2 Geological sketch showing isotope age sampling points and metal deposits in Qaidam Basin

在柴北緣魚卡河一帶的肯達大坂群高壓-超高壓變質巖帶和阿爾金西段阿爾金群中均見有榴輝巖,其U-Pb法年齡分別為(499.6±5)Ma,(466.7±12)Ma和(500±10)Ma,(503±5.3)Ma。許志琴等(1999)認為[7]兩地可能同屬一個榴輝巖帶,均為深俯沖產物,構成本區早古生代縫合帶,地殼拉伸形成裂谷雛形,由于阿爾金山左行走滑約400 km,成為現今構造格局。

在早奧陶世,柴北緣斷裂帶分布有加里東期錫鐵山式SEDEX型 Pb-Zn礦床,成礦年齡為(486±13)Ma[8];VHMS型青龍灘式Cu-S礦床,成礦年齡(1 514.2±8.5)Ma[9];造山帶型青龍溝金礦床((409.4±2.3)Ma),賽壩溝金礦床((425.5±2.1)Ma);海西期野駱駝泉金礦床((246.0±0.5)Ma),大場金礦床((215.6±3.2)Ma)。充分表明柴達木盆地在加里東期和海西期均有造山事件和成礦作用發生[10]。

圖3 柴達木盆地中新世以來的構造變形模型[13]Fig.3 Structure deformation model of the Qaidam Basin since Middle Miocene[13]

王勝利等(2009)研究[13],認為祁連山屬于加里東期碰撞造山帶,后經喜山期形成再生造山帶,從磷灰石裂變徑跡熱年代學得知,西祁連—南山逆沖斷裂帶啟動于45～50 Ma;而Mack et al(1999)認為昆侖山是于30 Ma時垂向擠出的[14],由向北仰沖的逆沖斷層和向 S傾的正斷層組成。Meyer et al(1998)[15]和 Tapponnier et al(2000)[16]亦提出昆侖北山存在一條逆沖斷層,實際昆侖山前沖斷楔體的底板斷層是向柴達木盆地方向逆沖,其活動時間應與上油砂山組的年齡(12 Ma)相近[18]。東西部活動時間可能不一致,西段要早于東段,東昆侖山前楔體向NNE方向移動,平均速率為4.7 mm/a。祁連山向SSW運動的速率較大,故祁連山前沖斷楔體要比昆侖山前沖斷楔體的構造復雜。這種運動速率的差異導致了第三紀沉積中心亦有所不同,呈現了從西向東、從南向北遷移的跡象。

頗為有趣的是,位于祁連山前沖斷裂楔體前鋒 和昆侖山前沖斷楔體前鋒交匯處的中央斷裂帶(圖3)與柴中斷裂相似,在地表亦無明顯的斷裂特征。王贊軍等(1999)[17]從地震剖面亦同時證實確實存在2條相似的(NNW向)斷裂,在斷裂帶沿線分布著6個鹽湖。

2.2 古地理變遷演化改變了柴中隱蔽斷裂的“原貌”

眾所周知,柴達木盆地具有特殊的盆、山耦合框架和巖石圈地球動力學背景,其構造骨架的演變隨時代而變化,具有多旋回的構造演化史,盆地的古地理變遷具有復雜特點。

古地磁研究表明(表2),柴達木地塊(寒武-奧陶紀)處于赤道附近的低緯度區(4.1°S —5.4°N),與塔里木、華北和揚子板塊均有較大的緯度差,暗示柴達木是一個獨立的地塊。直至海西中、晚期柴達木古緯度穩定在12.0°N左右,反映石炭紀開始又一次裂解活動。印支期柴達木位于大約22.2°N的位置,與華北和塔里木等還有較大的緯度差,而與揚子地塊較為接近,柴達木地塊大部被印支海槽所包圍。晚三疊紀印支海槽消亡,柴達木地塊才與華北、揚子和塔里木拼接成一個相對完整的大陸,開始接受中、新生界陸相沉積(湯良杰等,2000)[18]

表2 柴達木地塊與周鄰地(板)塊的古緯度比較(據文獻[18])Table 2 The correlation of the paleo-latitude of the Qaidam and adjacent plates

若結合地層巖性和巖相分析,柴達木盆地疊合過程非常復雜,經歷了多次裂陷沉積和隆升剝蝕過程,如震旦紀—早、中泥盆世為淺海臺地-陸棚相碳酸鹽巖-碎屑巖沉積,志留紀—泥盆紀為隆升剝蝕,石炭紀—早二疊世為弧后剝蝕;石炭紀—晚二疊世為弧后盆地濱岸-臺地-陸棚相碳酸鹽巖-碎屑巖-煤系沉積,晚二疊世—三疊紀又一次隆升剝蝕;侏羅紀接受了陸相煤系沉積,白堊紀為紅色粗碎屑沉積,直至新生代的印度板塊和喜馬拉雅山塊體碰撞事件的遠程效應,第三紀—第四紀盆地整體下沉,沉積了巨厚的河湖相砂、泥巖和膏鹽層(湯良杰等,2000)[18]。

不難看出,由于柴達木盆地古地理的“滄海桑田”劇烈變遷,促使自元古代因古陸殼裂解而成的EW向柴中斷裂帶徹底改變了“原貌”。

2.3 晚期構造掩蓋了早期構造特征并使柴中斷裂帶更加隱蔽

很顯然,現今柴達木盆地的構造格架或構造樣式是在最新的應力作用下產生的構造行跡的總和。由于新生代以來印度板塊不斷向歐亞板塊俯沖、拼貼, 區域應力場處于高度擠壓的環境之中(圖1)。柴達木盆地的斷裂主要有兩組:一組為NW-NWW向斷裂,包括控制盆地邊界的南祁連、北昆侖斷裂和前述的中央斷裂帶,并伴生有緊密褶皺帶;另一組為NE-EW向斷裂,如阿南山前斷裂、塔爾丁—魚卡斷裂及本文討論的甘森—德令哈斷裂等。全區以前者為主,斷裂構造特征明顯;后者為輔,其構造特征不甚明顯。兩者亦構成了“南北分帶、東西成塊”的構造樣式。若按斷裂性質及沉積的控制作用,可分為同沉積正斷裂、同沉積逆沖斷裂、晚期逆沖斷裂和走滑斷裂4種[19]。以后3種斷裂為主,如尕斯油田就是受同沉積逆沖斷裂制約,斷層兩盤地層的厚度差異最大,生長指數最大(為7.6)[20],是以強烈擠壓作用為特征;而晚期逆沖斷裂和走滑斷裂廣泛發育,它們生成特征互為漸變,不易截然分開。在剖面上常呈反S型出現,說明兩者均是在擠壓構造環境中生成。唯獨同沉積正斷層,由于受到后期強烈擠壓改造而“面貌皆非”。如盆地兩側的邊界斷裂,在地表淺部為逆沖斷裂,但電法電阻率剖面(圖4)很清楚看出,在深部,斷裂界面的產狀明顯向盆地中心傾斜,上盤可能有高阻的前中生界地層賦存(據電阻率推測有古生界分布)。剖面上部地層隨深部高阻巖層褶皺起伏,很明顯盆地邊界斷裂具有反轉斷裂性質。據此證明成盆斷裂具有“深層伸展、淺層壓扭”的動力學特征。

從本區變質巖同位素年代學推知,柴中斷裂的生成可能與羅迪尼亞古陸裂解有關,也就是在中元古代就已“萌生”破裂,歷經漫長的古地理變遷和多期造山運動改造,特別是喜山期劇烈擠壓,山嶺隆升,盆地沉降,巨厚蓋層堆積,使得柴中斷裂很難識別,常被疏漏。

圖4 柴達木盆地重力垂向二導異常及二維介質反演電阻率綜合地質剖面圖Fig.4 Vertical gravity conductance anomaly,two-dimensional continuum medium inversion resistivity and integrated geological profile of Qaidam Basin

3 多元地學信息證實柴中隱蔽斷裂的可信性

雖然柴中斷裂帶的地質特征并不十分明顯,但將地貌景觀圖像、高精度磁力異常、重力異常和深部地質等多元地學信息綜合分析提高柴中斷裂帶的可識別程度。

3.1 地貌景觀呈現出的地質信息

3.2 重力異常的地質解譯

圖5c顯示,柴中斷裂以北的布格重力異常較為零亂,但總體為NW-NWW向展布,其中異常梯度帶常為NW向,與中央斷裂帶(圖3)吻合,并和褶曲相伴,特別在盆地兩側的英雄嶺—茫崖更顯發育。而柴中斷裂的南部重力異常無明顯方向。兩者形成明顯對比。莫霍面等深線圖(圖5d)呈現了兩個突起形似駝峰,說明地幔在深部上有所起伏,在其鞍部即是柴中斷裂帶的位置。

圖5 柴達木盆地地貌景觀(a)、磁力異常(b)、重力異常(c)及莫霍面等深線(d)圖Fig.5 Plan map showing remote sensing(a),magnetic(b),gravity(c)anomalies and Moho-surface depth(d)in Qaidam basin

另外,在柴中斷裂帶的東段和宗務山前斷裂附近,從地震及CEMP電法剖面證實,斷裂具有正花狀構造特征,在平面上清晰看出呈反S形構造樣式;在柴中斷裂帶的西段與北昆侖前沖斷楔體相接觸,其頂板反沖斷層和底板斷層交匯的楔頂可能在古生界之中,其底板為向 S傾的逆沖斷層,即是Burchfiel et al(1989)所稱的中地殼滑脫面與昆侖斷層一起構成一個巨大的花狀構造[21]。

3.3 磁力異常地質解譯

在柴中斷裂帶北部的磁力異常(圖5b)亦呈NW-NWW向,其南部磁異常為 EW向,兩者明顯不同,而且在甘森—德令哈一線的負異常帶正是柴中斷裂帶的位置,徐鳳銀等(2009)認為是由無磁性的石炭系引起[1]。陳世悅等(2000)認為柴中斷裂帶以北為古生界變質巖系,斷裂以南為古元古宙花崗片麻巖,兩側巖性不同而引起斷裂[21-22]。

為了更進一步討論柴中斷裂帶(EW向)與中央斷裂帶NNW向斷裂的關系,筆者將重、磁相關系數繪制成異常圖(圖6)揭示。NWW向斷裂受 EW向斷裂遷就、歪曲,EW向斷裂明顯被NWW向斷裂所切錯,故可認為柴中斷裂帶的生成要早于中央斷裂帶。

圖6 柴達木盆地中西部地區重磁相關系數異常平面圖Fig.6 Plan map showing gravity-magnetis correlation coeficient anomalies in central-west Qaidam basin

4 地殼及巖石圈結構是形成盆地和柴中斷裂帶的關鍵因素

地殼和巖石圈上地幔的結構,常被認為是影響盆地形成和演化的因素之一。本區的地殼和巖石圈上地幔具有3個特征[23]:①普遍存在一個連續性的低速層或低阻高導層,其厚度為5～10 km,底界面埋深為25～35 km,P波速度為5.8 km/s,電阻率為1～10Ωm,盆地周邊主要為滑-逆剪切帶向深部延伸,多消失于此層內,應屬于構造滑脫帶(或稱為局部熔融帶);②盆地內中地殼低速層向兩側造山帶(祁連山、昆侖山)明顯增厚;③莫霍面存在3～10 km隆升現象(圖5d),說明在盆地深部存在地幔巖漿底辟作用及與之有關的巖石圈伸展作用,在盆地深部發育的生長同沉積正斷層可能就是這種地幔巖漿上拱及中地殼拆離聯合作用的結果,也是形成盆地的地球動力學關鍵因素。

據徐常芳(2003)研究[24],柴達木盆地之下的上地幔高導層的頂面埋深為120～140 km。上地幔高導層反映了深部構造格架,常與我國現今的構造格局相近似,而殼內高導層的上隆區一般對應上地幔高導層的上隆區,殼內高導層下拗區對應于上地幔高導層的下拗區。柴中斷裂以南為古老基底,殼內高導層不甚發育;相反,柴中斷裂以北發育雙殼高導層和殼內高導層,二者的界線恰與柴中斷裂帶的走向相吻合(圖7),這是形成柴中斷裂帶最為關鍵的因素。

5 研究柴中斷裂帶對深部找藏的地質意義

綜合上述,柴中斷裂帶是元古宙古陸塊裂解而成,受大別山—秦嶺—昆侖山EW向殼斷裂的制約,后經歷了晉寧、加里東、海西、印支、燕山、喜山等造山運動,特別是喜山期構造事件的影響和盆地內巨厚的新生界覆蓋,原來的斷裂構造不僅“面目皆非”,而且“埋深隱蔽”。所以研究柴中斷裂的成因可為探討柴達木盆地的地質構造演化史增添了新的內涵。

高分辨地震資料表明,在柴中斷裂的三湖地區,第四系氣藏湖相地層內發育大量“氣煙囪”效應[25]。在地震剖面上表現為弱振幅、弱連續性特征,但在某些區塊淺層也會出現強振幅、連續的特點,最顯著的特征是具有柱狀異常;鉆井資料常見有4高(即高空隙流體壓力、高地層溫度、高泥巖氣顯示和高天然氣濕度)的特征[26]。該區“氣煙囪”分布常與NNW向中央斷裂帶緊密相關(圖4),內有西臺吉乃爾湖、東臺吉乃爾湖、澀聶湖、別勒湖、和布遜湖等鹽湖,多 與氣田相伴生,如以澀北1號、澀北2號氣田為例,地溫梯度多在4.1℃/km以上;壓力系數大多數為1.15～1.2;最大可達 1.48;地層壓力多數位于靜水壓線以上,深度超過1 000 m會逐漸出現低幅超壓,常沿基底斷裂構造薄弱地段分布。上述鹽湖中Li,B,Cs,Sr,Ba的濃度很高[27],其深部上地幔呈上拱狀,中、下地殼具有低速高導層,張景廉(2001)認為油氣和膏鹽層為無機成因[28]。

圖7 中國西部含油氣盆地及深部地殼高導層分布示意圖[24]Fig.7 The distribution and depth of the petroliferous basins and crustal conductive layer in western China

可能因深部的流(氣)體多沿基底斷裂帶向上運移,地殼中滲漏的含烴類物質參與其中,形成了高溫的還原環境并引起礦化,產生了磁鐵礦的磁異常分布及氧化還原電流。王志強等(2008)在盆地內三湖地區測定的鐵離子分析含量如表3所示,通過磁力平剖面測量發現氣藏大多具有高頻磁異常,其范圍比已知氣藏要大得多,并劃分出一級高頻磁異常2個,二級高頻異常13個,前者受 EW向的柴中斷裂帶制約;后者受NNW向的中央斷裂帶控制(圖8,表3)[29]。

表3 柴達木盆地東部地區鐵離子質量分數[29]Table 3 Content of Fe ion in the east Qaidam basin[29]

柴中斷裂帶的東、西部(即與盆地邊界斷裂的交匯部位)有望找到中生代陸相油氣藏和與古生代烴源巖(石炭系)有關的海相油氣藏。因這些地段可能覆蓋較淺(圖4),特別是東部,從已施工的馬北2井原油的油-油、油-巖對比、分析,充分證明在有利的圈閉構造部位[30]仍有有希望發現石炭紀海相油氣田。

圖8 柴達木盆地三湖地區磁力高頻異常分布圖[29]Fig.8 Map showing magnetic high frequency anomlies in Sanhu area

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