柴達木盆地西北地區古近紀沉積充填過程與主控因素分析

陳國俊 杜貴超,2 呂成福 薛蓮花 陳 吉,2 張曉寶

(1.中國科學院油氣資源研究重點實驗室 蘭州 730000;2.中國科學院研究生院 北京 100049)

經過數十年的研究,對中新生代柴達木盆地周緣斷裂帶地質事件的發生、發展的認識取得了大量成果,在柴達木盆地內部,也因數十年石油勘探,在沉積物類型、分布及環境演變方面積累了豐富的資料。但由于區調和石油部門各自研究方向和目的不同,對柴達木盆地周緣控盆斷裂活動與盆內沉積充填響應過程的研究不夠深入細致,國內外學者在新生代古近紀阿爾金斷裂走滑起止時間上仍沒有形成共識[1～9],對新生代柴達木盆地的類型及構造屬性亦眾說紛紜[10～18]。作為柴達木盆地西北緣的控盆邊界——阿爾金山體的隆升,對柴達木西部的成盆過程、沉積充填方式等都有不可忽視的影響。本文試圖從柴達木盆地西北部古近紀古地形變化、古物源及沉積物類型、分布演變幾方面,結合近年來對阿爾金山隆升過程的研究成果,剖析柴西北區古近紀沉積充填過程與主控因素,以期對阿爾金山隆升在柴西古近紀沉積充填過程中所起的作用有一個較為全面的認識,并為正確認識柴達木盆地類型和構造屬性積累一些沉積學方面的資料。

1 區域地質背景

柴達木盆地是我國西部一個重要的中新生代含油氣盆地,位于青藏高原北部(圖1),在大地構造位置上屬于特提斯構造域的東部[19,20]。區域構造研究表明,白堊紀以來由于印度板塊向北俯沖并與歐亞板塊碰撞,其效應波及整個青藏高原,使柴達木盆地區域應力場表現為近南北向水平擠壓的特征;阿爾金斷裂走滑作用中伴隨有強烈的隆升作用;并控制和影響著青藏高原北部隆升和擴展[16],在阿爾金走滑過程中青藏高原北部(祁連山)首先開始隆升[6～9]。柴達木盆地新生代沉積正是在這種背景下發生的,阿爾金斷裂的走滑促使周緣山體的隆升和盆地的坳陷,而盆地的坳陷又直接控制了沉積作用的范圍和性質,在柴西沉積了古近系古新統路樂河組,始新統下干柴溝組(下段、上段)和漸新統上干柴溝組(圖1)。

路樂河組出露于盆地北緣及東北緣一帶,主要為一套棕紅色粗碎屑巖,在局部地區如干柴溝、紅柳泉獅子溝等,巖性變細、變灰,呈灰色砂、礫巖與灰色、深灰色鈣質泥巖互層。沉積厚度300～1 000 m;與下伏白堊系犬牙溝組為不整合接觸。

下干柴溝組西部廣大地區都有沉積,是盆地西部的主要含油層系;沉積厚度一般為400～2 200 m,與下伏路樂河組為假整合接觸或不整合接觸。

下干柴溝組下段多為棕紅色礫巖及砂質泥巖,獅子溝構造為灰色、深灰色泥灰巖、鈣質泥巖夾粉砂巖條帶,沉積厚度100～800 m,略具由西向東增厚趨勢。

圖1 柴西地區構造綱要及研究區位置示意圖Fig.1 Tectonic sketchmap and the study area in western Qaidam Basin

下干柴溝組上段巖性變化較大,盆地邊緣巖性較粗,巖性為灰色礫巖、砂巖及棕紅色砂質泥巖夾泥灰巖;西部南區尕斯斷陷一帶以深灰色、灰色鈣質泥巖為主,一般厚300～500 m,盆地西部北區則主要為棕紅色泥巖、砂質泥巖夾少量灰綠色細砂巖,沉積厚度一般大于1 000 m,最厚可達2 200 m。

上干柴溝組廣泛分布全區,沉積厚度400～1 100 m,盆內與下干柴溝組為連續沉積。在西部南區下部為灰色、深灰色鈣質泥巖及泥巖為主,夾砂巖、粉砂巖及泥灰巖;上部為棕褐色、棕紅色砂質泥巖夾少量灰綠色礫狀砂巖、含礫砂巖和灰色含鈣泥巖、雜色泥巖。西部北區下部巖性為灰色、深灰色、棕紅色、泥巖夾鈣質泥巖、泥灰巖及粉砂巖條帶,上部巖性為灰色、深灰色、棕灰色泥巖夾粉砂巖條帶及鈣質泥巖、泥灰巖。

2 柴西北地區古近紀古地形演變特征

根據沉積補償原理,地層厚度尤其是盆地內厚度變化,在一定程度上能有效反映湖底沉降幅度和古地形的基本輪廓,因此,可用來進行古構造分析。根據東方地球物理公司研究院敦煌分院成果經盆內有關鉆孔地層分層校正分別做柴達木西北地區古近系下干柴溝組(下段、上段)和上干柴溝組殘余厚度圖(圖2),考慮地層壓實的影響,只能間接應用殘余厚度來分析阿爾金山前古地形特征,而柴西凹陷區古近紀沉積連續,未發生大規模的剝蝕,不同組段殘余厚度的變化,可以真實反映古近紀因構造應力改變、沉降速率變化所造成的柴西北地區古地形變化狀況。

從柴西古近系下干柴溝組下段、上段及上干柴溝組殘余厚度圖(圖2、3、4)來看,地層殘余厚度均呈向阿爾金山逐漸減薄趨勢以至于尖滅,并且表現為北西-北北西向的厚與薄間互的分布規律,說明研究區古近紀古構造呈北北西-南東向的隆凹相間格局。

據中石油勘探開發研究院西北分院研究,路樂河組只是呈填平補齊式沉積。由于研究區完整揭露路樂河組的鉆孔極少,因此,無法對盆地內古-始新世的古地形進行準確的判定,只能通過盆地周緣露頭及有限的鉆孔資料加以推測。研究區路樂河組主要為河泛相棕紅色粗碎屑巖,在局部地區如獅子溝、南翼山、尖頂山地區零星發育濱淺湖相,巖性呈灰色砂、礫巖與灰色、深灰色鈣質泥巖互層,說明古近紀早期柴西地區沉降幅度不大,地形高低幅度差也較小。

至下干柴溝組沉積期,柴西地區古地形大致呈北高南低之勢,各地高差雖不大,但沿阿爾金山前,已開始出現獨立于盆地內部的沉降中心(圖2),說明此時阿爾金山已開始隆升,但幅度不大,向湖盆內坡度相對較緩。圖3反映了下干柴溝組上段沉積時柴西地區的地形特征,相比之下,此期是柴西阿爾金山前凹陷沉降最快的時期。從圖中可以看出,阿爾金山前分布數個沉降洼陷,沉降幅度巨大,盆緣呈明顯的陡坡,且呈北北西-南東向的隆凹相間格局,犬南-獅北地區、干柴溝、紅溝子、月牙山是相對低洼的地區,在犬南-獅北與干柴溝之間、咸7-咸8井一線以及南翼山-小梁山一線存在隆起區,尤其是尖頂山-大風山一線的緩坡帶一直持續到上干柴溝組沉積期。從上干柴溝組殘余厚度(圖4)可以發現,由于快速的沉積充填,此時沿阿爾金山前除干柴溝外,其它地區地形大都較下干柴溝組下段沉積期平緩許多。

圖2 下干柴溝組下段地層殘余厚度圖Fig.2 Diagram showing the residual thickness of strata of lowermember of Xiagancaigou Formation

圖3 下干柴溝組上段地層殘余厚度圖Fig.3 Diagram showing the residual thickness of strata of uppermember of Xiagancaigou Formation

圖4 上干柴溝組地層殘余厚度圖Fig.4 Diagram showing the residual thickness of strata of Shanggancaigou Formation

上述各時期阿爾金山前地形的變化表明阿爾金山前地區經歷了緩慢→快速→緩慢的沉降過程,也意味著,如果柴西的沉降是受阿爾金山隆升影響的話,阿爾金山的隆升自始新世至漸新世也經歷了緩慢→快速→緩慢的過程。

3 古近紀沉積物源分布特征

青海油田數十年勘探積累了大量鉆井巖芯及巖屑的重礦物分析數據,本次工作重新對柴西近20口井的重礦物數據進行了整理。由于研究區上、下干柴溝組物源相對比較穩定,其重礦物分布也具穩定性和繼承性,在此僅以下干柴溝組上段的重礦物分布特征(表1)為例,結合鄭希民、壽建峰、陳世悅等學者對柴西北區古近系重礦物特征及砂礫巖分布狀況的研究成果,對阿爾金山前古近紀沉積物源進行簡要分析。沿阿爾金山前從犬牙溝至牛鼻子梁-鄂博梁可以劃分為3個區帶,每個區帶的重礦物組合都有明顯的區別。以下干柴溝組上段為例,Ⅰ區帶重礦物組合特征:該區帶位于牛鼻子-尖頂山地區、大風山地區,重礦物以白鈦礦、磁鐵礦、硅灰石、角閃石、榍石、鋯石、石榴石為主,代表了牛鼻子梁物源方向。其中主要以磁鐵礦-鋯石-白鈦礦-石榴石-硅灰石為組合特征,全區分布較為穩定。Ⅱ區帶重礦物組合特征:該區帶的重礦物組合總體上以石榴石-磁鐵礦-鋯石-角閃石-榍石為其主要特征,其特點是穩定重礦物石榴石、磁鐵礦含量高。它在月牙山地區和紅溝子-咸水泉地區形成兩個分支。Ⅲ區帶重礦物組合特征:該區帶位于干柴溝和獅北地區,其重礦物組合以鋯石-白鈦礦-磁鐵礦-石榴石,其最大特征是鋯石、白鈦礦含量明顯增加,而石榴石含量明顯減少。它代表了干柴溝的物源方向,在干柴溝地區與獅北地區可能形成兩個分支,兩者的重礦物組合特征有相似性,但在干柴溝地區主要以白鈦礦-鋯石為主,而獅北地區主要以鋯石-白鈦礦為主。

表1 柴達木盆地西部主要地區古近系重礦物含量統計(%)Table1 Contents of heavy m inerals in the Paleogene of the northwestern Qaidam Basin

上述特征表明柴西北地區獅子溝-油泉子-油墩子以北的廣大沉積區的物源均來自阿爾金山,且以月牙山-南翼山為界分為東、西2個分區。東區受控于尖頂山-牛鼻子梁物源,影響范圍擴至南翼山-大風山;西區有干柴溝、咸水泉、月牙山數個點物源,可細分為索爾庫里物源、干柴溝物源;油泉子、南翼山、小梁山一線則為幾個物源的交匯區。

圖5 柴達木盆地西部地區東西向聯井剖面Fig.5 Correlation of depositional facies and stratigraphic framework along the depositional dip on the northern slope

4 沉積體系構成與分布特征

從柴西錄井所揭示的砂、礫巖及暗色泥巖分布特征和地震相可以確定研究區沉積體系分為兩類,一類為沖積扇-扇三角洲-湖底扇-半深湖沉積體系;另一類為沖積扇-辮狀河-三角洲-濱、淺湖相沉積體系(圖5)。

4.1 沖積扇-扇三角洲-湖底扇-半深湖相沉積體系

該沉積體系以紅溝子地區為代表,分布于阿爾金山前斜坡帶上。鉆井所揭示巖相的顯著特點是縱向上相變快、橫向上相帶窄,雜色粗碎屑巖相與暗色泥巖巖相頻繁交互沉積,其地震相則表現為亞平行波狀-雜亂波狀相。

紅溝子地區古近系半深湖發育,沖積相序不夠發育,垂向上構成湖底扇、半深湖相序組合。扇三角洲的前端在紅溝子附近,向南翼山方向僅有濁積成因的粉砂巖。該區在上干柴溝沉積期發生了第三紀以來最大規模的扇三角洲進積作用,溝4井為扇三角洲平原、前緣亞相組合,溝5井為前扇三角洲與半深湖亞相組合。據A-A'地震測線分析(圖6),在紅溝子溝5井與南翼山之間,其地震反射特征為斷續-連續、平行-亞平行波狀特征,該特征表明半深湖的水體動蕩,時常有前扇三角洲、湖底扇或濁積扇加入其中,構成具有濁積性質的巖相與半深湖組合。

綜上所述,柴西北區的沖積扇和扇三角洲從下干柴溝組下段開始發育,至上干柴溝組發展到最強盛,進入中新世后逐漸萎縮。

4.2 沖積扇-河流-三角洲-濱、淺湖沉積體系

該體系在本研究區只有一套,從古新世開始至漸新世分布于整個北東地區。其主要物源較遠,受控于尖頂山-牛鼻子梁物源,影響范圍大至南翼山-大風山。該體系的沉積基底平緩,沉積空間開闊,沖積扇、河流和湖泊相帶發育,過渡性質的三角洲相帶不發育,尤其是三角洲前緣和前三角洲及不發育。其垂向上的特征是碎屑粒度逐漸變細,巖層顏色由紅色逐漸變為灰色、黃色、深灰色。由下向上依次為辮狀河-三角洲-濱湖-淺湖,構成河退湖進的沉積序列。在橫向上,沖積序列相帶逐漸縮小,湖泊沉積相帶逐漸擴大[21]。

圖6 A-A'測線地震反射特征(由陡坡至緩坡)Fig.6 Transverse section(A-A')across the north-eastern of the Qaidam basin

圖7 B-B'測線地震反射特征Fig.7 Transverse section(B-B')across the north-western of the Qaidam Basin

在古近紀,尖頂山和油泉子地區同屬于牛鼻子梁至大風山地區的河流——湖泊沉積體系(圖3)。牛鼻子梁-大風山沖積沉積相帶是主動型后退,當湖泊向東遷移擴張時,加上地形平緩等因素,向牛鼻子梁方向發育三角洲及河泛相沉積。半深湖-淺湖相主要發育于柴西的西南部,雖然自牛鼻子梁向西南方向有三角洲入湖,但總觀大風山及尖頂山一帶,應以濱湖亞相為主,三角洲僅為季節性河流控制,因此,在該區沉積了較厚的碳酸鹽巖。但是,仍然有個別沖積勢能較強的分流河道及三角洲朵體進入了淺湖區、半深湖區(油泉子),并形成較為完整的三角洲前緣或前三角洲,在相應的地震剖面上表現為連續高頻平行相中出現中振幅斜交前積反射見圖7之B-B'測線)。

5 柴西地區古近紀沉積充填過程及主控因素

5.1 沉積充填過程及主控因素分析

從上述重礦物特征所反映的物源及沉積物類型特征與分布狀況,可以嘗試恢復古近紀柴西沉積充填過程如下:經過燕山晚期運動的調整,柴達木大部地區抬升遭受剝蝕,古近紀伊始,在喜山早期運動新的成盆動力作用下,柴達木又拉開第三紀拗陷發展演化的序幕。在南北板塊的對擠下,夾持在昆侖山、阿爾金山和祁連山間的柴達木地塊向東擠出,在干柴溝-獅子溝地區首先開始伸展斷陷過程,因而古新世以干柴溝-獅子溝一帶為沉積中心,充填了以淺湖相互層狀灰色砂礫巖、深灰色泥巖、鈣質泥巖為主的路樂河組,在盆緣大部地區路樂河組則多為一套河流相紫紅色泥、砂、礫混雜的粗碎屑沉積。始新世早期阿爾金山前成為柴西的沉降中心,提供了充分的沉積空間,來自阿爾金山的碎屑物質在山前陡坡帶沉積了一系列裙邊狀的沖積扇-扇三角洲體系。從重礦物類型來看,干柴溝、咸水泉、紅溝子、月牙山及尖頂山這些沿阿爾金山前分布的區域,各自擁有獨立的物源,由此形成的扇體在平面上并未連片展布,湖盆面積擴大,南翼山-干柴溝一帶成為湖盆的沉積中心,因此,下干柴溝組在這一地區表現為深湖、半深湖相泥巖、泥灰巖,還發育了可觀的湖底扇。而夾在尖頂山、牛鼻子梁之間的緩坡帶,包括大風山地區,由于地形相對較高,距物源區較遠,因碎屑物質供給量的變化,漸新世早期多發育三角洲-濱淺湖相。漸新世晚期上干柴溝組沉積期,盆地沉降明顯變緩,由于超補償沉積,沿阿爾金山前的坳陷區被快速充填,原先的陡坡帶大為平緩,但淺湖-半深湖范圍向東明顯擴大,此時,柴西已呈現出一個統一的坳陷形態。

柴達木盆地處于祁連山、東昆侖山及阿爾金山三大山系的交匯部位,三大山系的共同作用構成了柴達木盆地總體擠壓+走滑的區域應力場背景。新生代柴達木盆地的坳陷和周緣山體的隆升存在著很好的耦合關系:板塊作用產生的區域應力場促使周緣山體的隆升和盆地的坳陷,而盆地的坳陷又直接控制了沉積作用的范圍和性質;反過來說,沉積作用范圍和性質的變化能夠有效的反映周緣山體的隆升和盆地坳陷的過程和特征。因此可以通過不同地史階段沉積中心的位置、沉積作用范圍以及沉積中心的平面展布形態分析來了解周緣山系的隆升狀況。

對于柴達木盆地新生代隆坳相間格局的形成機制,眾多學者達成共識,認為是印度板塊向北俯沖并與歐亞板塊碰撞,柴達木盆地受近南北向水平擠壓而成,但是,對柴達木成盆、沉積充填方式等都有重要影響的阿爾金斷裂活動起始時間的認識,眾說紛紜。據陳正樂對阿爾金山中段熱年代學研究,認為該段山脈的隆升開始于漸新世早期(約36 Ma)[10],Jolivet M (2001)認為阿爾金斷裂活動始于46 Ma,而任麥收等2004年的研究表明,早期阿爾金斷裂的活動始于55 Ma,結束于30 Ma前;據李海兵等[7]年的研究,早期阿爾金斷裂的活動從60 Ma前持續至40 Ma年前。從對柴西古近紀古地形及沉降中心的變化的研究,我們認為阿爾金山的隆升應該不遲于55 Ma。正是此期阿爾金斷裂的走滑、擠壓、隆升,在阿爾金山前,開始出現獨立于盆地內部的沉降中心,并沿阿爾金山前呈NEE向分布數個沉降洼陷。

綜上所述,柴西新生代沉積充填正是在這種背景下的發生的,沉積中心不僅表現為有規律的自西向東遷移,和區域應力場的耦合關系也很有規律,表現為:區域應力場的作用促使周緣山系隆升,山系的隆升控制沉積中心的位置、沉積作用范圍以及沉積中心的平面形態。也正是主要受這種構造作用的控制,形成了柴西古構造、古地形等條件的差異性和分割性,柴西湖盆經歷了從一個主沉積-沉降中心到多個局部沉降中心發生、發展的演化過程,水體也相應的經歷了由淺變深過程,沉積-沉降中心出現有規律的轉移,相應地柴西古近紀沉積特征在縱向和平面上呈一定的變化規律。縱向上,自下而上:隨著湖盆水域的不斷擴大,沖積扇相、(辮狀河)辮狀三角洲相沉積不斷退縮,濱淺湖相沉積不斷擴大并向盆地邊部推進;相序上由(沖積扇相)→辮狀河相→辮狀三角洲相→濱淺湖相變化,沉積物粒級總體由粗變細。平面上,受沉積物源和古地形的控制,沉積相分帶(區)性明顯:靠近山前的盆地邊緣發育沖積扇相及河流相(辮狀河亞相),往盆地內部依次發育辮狀三角洲相、濱淺湖相;控制大風山及尖頂山的阿爾金物源形成的辮狀三角洲沉積規模在研究區明顯偏小。

5.2 沉積充填模式

從上述古地形及沉積充填過程分析可以看出,古近紀的柴達木盆地具有以走滑逆沖斷層為邊界的斷陷湖盆性質,昆侖山北緣和阿爾金山山體的隆升活動以及古構造、古地形的差異控制了湖盆特殊的沉積作用。柴西地區古近紀沉積模式可概括為圖8所示。

6 結論

(1)從對柴西古近紀古地形及沉降中心的變化的研究,我們認為阿爾金山的隆升應該不遲于55 Ma。正是此期阿爾金斷裂的走滑擠壓,在阿爾金山前,開始出現獨立于盆地內部的沉降中心,并沿阿爾金山前呈NEE向分布數個沉降洼陷。阿爾金斷裂在古近紀走滑活動過程伴隨有強烈的隆升,受走滑過程中近南北向擠壓分量的作用,柴達木盆地西部地區形成了多隆多坳的地形格局,阿爾金山前凹陷區經歷了緩慢-快速-緩慢的沉降過程,也意味著,阿爾金山的隆升自古新世至漸新世也經歷了緩慢-快速-緩慢的過程。

圖8 柴達木盆地西部北區古近紀沉積模式圖(A:古新世路樂河沉積期;B:始新世下干柴溝沉積期;C:漸新世上干柴溝沉積期)Fig.8 Sedimentary evolutionmodel of the north of western Qaidam basin(A:Paleocene;B:Eocene;C:Oligocene)

(2)下干柴溝組沉積期(約60～40 Ma),隨阿爾金山的快速隆升,在阿爾金山前形成數個沉降中心,沉積中心也從獅子溝遷移至南翼山-油泉子一帶,并以尖頂山-南翼山-油泉子為界,分為東、西兩類不同性質的沉積區,因古地形的差異,沉積體系的構成與分布也呈現不同的特點。沿阿爾金山前陡坡帶形成近物源的沖積扇-扇三角洲-湖底扇-半深湖沉積體系;在尖頂山-大風山緩坡帶則形成遠源控制型沖積扇-河流-三角洲-濱、淺湖相沉積體系。

(3)上干柴溝組沉積期,因前期的超補償沉積,阿爾金山前沉降區快速充填,沉積相由半深湖相變為淺湖相,大風山地區也因牛鼻子梁物源供給的減少,湖泊向東擴展,濱淺湖廣布柴達木西北部地區。

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