陳槚俊,何登發,孫方源,田方磊
[1.中國地質大學(北京) 能源學院 ,北京 100083;2.中國地質大學(北京) 海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室,北京 100083]
古隆起是盆地內部的大型正向構造單元,通常以不整合面、斷裂和褶皺在時空上的有序組合為特征。克拉通內古隆起所反映的地形起伏、地理單元分布等通常受巖石圈板塊水平運動與深部地幔動力學的聯合控制[1],是構造應力場的直接響應,因而古隆起格局演變能夠為構造應力場演變提供有效信息[2]。在油氣地質理論中,古隆起也是影響油氣生成、運移(分隔槽和匯聚梁)和聚集(構造圈閉)的關鍵因素,例如地形起伏影響著烴源巖的埋深、油氣高、低勢區以及圈閉的分布[3]。
古隆起的演化,即古隆起格局的演變伴隨著局部地區地層的抬升、剝蝕以及大氣水淋濾,而一旦有可溶性巖石(灰巖和白云巖等)存在,就可能形成理想的巖溶型儲層。塔北隆起晚奧陶世—中泥盆世構造格局的演變則反映了奧陶系巖溶儲層頂面的構造起伏,直接影響著表生巖溶作用的分布(圖1a)。目前的勘探已經證實,塔北隆起內多個大型油氣田(塔河油田、哈拉哈塘油田和英買力油田等)的主要勘探目標正是奧陶系巖溶儲層[4-9]。因此,研究塔北隆起晚奧陶世—中泥盆世古隆起格局演變對認識巖溶儲層的分布規律具有指導意義。
不整合面、斷裂和褶皺的傳統構造地質學分析是認識古隆起構造格局演變的有效手段,前人已經建立了塔北隆起的基本構造格架[10-11],認為塔北隆起在中奧陶世末因南北向的擠壓應力場形成近東西向展布的古隆起[上奧陶統與中奧陶統不整合(O3/O1-2),志留系與上奧陶統不整合(S/O3)],晚古生代由北西-南東向的擠壓應力場疊加改造(上泥盆統-下石炭統與下伏地層不整合,三疊系與二疊系不整合)。然而志留系頂、底界在塔里木盆地主要以微角度不整合-平行不整合為特征,尤其是志留系底部不整合面。這導致志留系底不整合面的分布與結構難以精確厘定,對塔北隆起晚奧陶世末—中泥盆世古隆起分布范圍的厘定缺乏精度以及詳細的論證。
本次研究基于大量的鉆井和地震資料,對晚奧陶世—中泥盆世期間的地層進行精細的地層對比(尤其是志留系底部),重新厘定塔北隆起地區志留系不整合面的結構和分布。通過對地層和不整合面的分析,建立精細的年代地層格架,從而厘定塔北隆起晚奧陶世—中泥盆世構造格局演變,即塔北古隆起的分布范圍、古地形等關鍵要素,最終結合古構造格局演變的分析結果,探討塔北古隆起早古生代構造應力場演變。
塔里木盆地是一個發育在前震旦系陸殼基底之上的大型復合疊合盆地[12]。塔北隆起位于塔里木盆地北緣,北鄰庫車坳陷(以溫宿北-野云溝斷裂為界),南鄰北部坳陷(以沙井子斷裂、中奧陶統灰巖頂面6 500 m等深線[13]和巴里英斷裂為界),西與柯坪褶皺沖斷帶相接(以印干斷裂為界),東緣則延伸到盆地邊界,與庫魯克塔格山相接(以盆地邊界斷裂為界)(圖1b)。
塔北隆起地區震旦系下統發育一套海陸-濱海相沉積的碎屑巖,上統為一套濱海-淺海相碎屑巖、云灰巖。寒武系-中奧陶統發育巨厚的白云巖、膏鹽巖和灰巖沉積序列(圖1c),為塔北地區重要的生儲蓋組合,該層系已發現大量油氣資源(如塔河油田)。志留系-中泥盆統為一套海相碎屑巖,石炭系-中二疊統為砂巖、泥巖與碳酸鹽巖互層。上二疊統以發育流紋巖、褐色角礫狀凝灰巖為特征。中生界為砂泥巖互層,向下粒度變粗。新生界沉積了巨厚的陸相碎屑巖,厚度自北向南減薄。

圖1 塔里木盆地大地構造位置(a)、塔北隆起構造單元劃分(b)及地層柱狀圖(c)Fig.1 Tectonic location of the Tarim Basin (a),distribution of the structural units (b) and the stratigraphic column (c) of the North Tarim UpliftⅠ.溫宿凸起;Ⅱ.北部斜坡;Ⅲ.英買力低凸起;Ⅳ.輪臺凸起;Ⅴ.輪南低凸起;Ⅵ.庫爾勒鼻狀凸起;Ⅶ.孔雀河斜坡;Ⅷ.阿瓦提凹陷;Ⅸ.順托果勒低隆起;Ⅹ.滿加爾凹陷F1.溫宿北斷裂;F2.溫巴什斷裂;F3.野云溝斷裂;F4.新和斷裂;F5.亞南斷裂;F6.沙井子斷裂;F7.沙雅斷裂;F8.輪臺斷裂;F9.庫南斷裂;F10.巴里英斷裂
塔北隆起經歷了多期構造疊加改造(早古生代形成、晚古生代定型、中生代改造、新生代埋藏),其形成演化過程深受塔里木盆地周緣的古亞洲(阿爾泰)和特提斯兩大構造體系影響[14]。早震旦世至中奧陶世(Z1-O2),塔里木盆地基本屬于克拉通內穩定的坳陷、斷陷和周緣受拉張作用形成的裂陷-被動大陸邊緣盆地[12,15]。晚奧陶世—中泥盆世,塔里木盆地南緣受北昆侖洋和北阿爾金洋閉合以及后期碰撞造山的影響,擠壓構造環境在盆地內部自南向北傳遞,溫宿北-野云溝斷裂的活動使塔北古隆起初具雛形[16]。與此同時,盆地北緣大部分地區仍處于弱伸展或克拉通環境(即南壓北張的整體構造環境),也有學者認為盆地東北緣已受到南天山洋盆東段向中天山板塊下俯沖的影響[17-18],盆地內存在擠壓隆升的沉積響應[19]。晚泥盆世—二疊紀,盆地北緣受南天山洋剪刀式閉合的影響,塔北地區發生強烈的擠壓變形[20-21],古隆起隨著沙井子、沙雅和輪臺斷裂的強烈逆沖而定型。中生代,塔里木盆地先后經歷了周緣前陸盆地演化階段以及新特提斯開合交替背景下斷陷-坳陷盆地演化階段[12],此時塔北隆起的構造響應相對較弱,僅存在局部的改造。自古近紀以來,塔里木盆地受印度板塊和歐亞板塊碰撞的強烈影響,盆地南北緣都表現為強烈的造山隆升和擠壓變形[22-23],而塔北隆起則進入快速埋藏階段。
盆地內古隆起的形成主要以地層的褶皺和抬升為特征,它常常伴隨著后期的沉積間斷、剝蝕以及年輕地層的超覆現象。“下削上超”型不整合的存在是古隆起最典型的現象,各種不同類型的“下削上超”不整合在地質結構剖面與對應的年代地層格架上表現出各自的特點。對于長期發育且多期構造疊加的古隆起,地質結構主要為不整合超覆型和同沉積超覆型[24]兩種(圖2a,b)。地質結構上古隆起的不整合面都表現為較老地層削截以及年輕地層沿地勢起伏的逐層超覆,年代-地層格架上較老地層表現為“凹”字型地層缺失,年輕地層表現為上“凸”型地層缺失,且較老地層和年輕地層的缺失中心是基本一致的。
古隆起的形成必然會導致地層的局部抬升與構造起伏,隆起范圍內為角度不整合接觸,隆起范圍外為平行不整合或整合接觸。那么根據這一特點,年輕地層超覆的起始點可認為是隆起范圍的邊界(圖2c),在年代地層上對應于上凸的地層缺失轉折點(圖2a,b)。且地層產狀與不整合面的夾角(0~90°)可以判斷隆起的幅度,隆起的幅度越大,年輕地層與不整合面的夾角越大,在年代地層格架上對應于年輕地層缺失的上“凸”面的斜面越陡(圖2)。

圖2 古隆起厘定方法示意圖Fig.2 Schematic diagram showing the determination of paleo-upliftsa1,a2.同沉積褶皺型古隆起地質結構剖面示意圖及其年代地層格架;b1,b2.褶皺超覆型古隆起地質結構剖面示意圖及其年代地層格架;c.基于不整合面結構厘定的古隆起平面展布示意圖
塔里木盆地及周邊地區志留系研究歷史悠久,先后有勃里塔耶夫(1933—1936)、別良耶夫斯基(1936—1938)、E.諾林(1928—1932)、瑞格諾爾(1941)、前蘇聯保礦部13航測隊(1952—1953)、地質部十三大隊(1955—1958)、新疆地質局(1959—2000)等涉及到志留系的地層劃分[25]。
志留系柯坪塔格組通常細分為3段:1) 下段(下暗色砂泥巖段)為灰綠、深灰色中-厚層狀粉砂巖、細砂巖與泥頁巖互層;2) 中段(暗色泥巖段)為灰綠色泥頁巖、粉砂質泥巖、夾粉-細砂巖和泥質粉砂巖;3) 上段(上暗色砂泥巖段)為灰綠暗紫色厚層粉砂巖、細砂巖及灰綠、深灰色頁巖。
新分層將下志留統柯坪塔格組下段暗色砂泥巖段歸入新劃分的上奧陶統鐵熱克阿瓦提組。鐵熱克阿瓦提組為中國石油采用的在上奧陶統中新劃分出的組,該組劃分的依據是原柯坪塔格組下段產出的化石除露頭頂部的筆石Normalograptusnikolayevi帶和幾丁石B.postrobusta帶的時代屬早志留世早期,其余都屬于晚奧陶世晚期[26-28]。本文采用了大量來自中國石化和中國石油的鉆井資料,所用的分層既有較新的方案也有較早的方案[25],在進行地層對比時難以統一起來。因此為了分層的統一以及便于開展地層對比工作,本文采用新的地層劃分方案。以果勒2井為例,將原柯坪塔格組下段(細砂巖夾泥質粉砂巖為主)劃分到上奧陶統鐵熱克阿瓦提組上段,其下段還包含一套以暗色泥巖為主的地層,間夾少量泥質粉砂巖,與下部以大套暗色泥巖為主的桑塔木組不同。
塔塔埃爾塔格組巖性為紫紅、淺灰色薄-中厚層狀細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖,夾泥巖,下段較細,上段較粗。依木干他烏組巖性為紫紅色泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、灰綠色薄層粉砂巖、細砂巖及極少量砂質灰巖和鮞狀灰巖透鏡體,各地巖性穩定,均以紫紅色泥巖和泥質粉砂巖為主要特征。克茲爾塔格組的歸屬問題(志留系或泥盆系)也是一個長期爭議的論題,本次研究的塔北隆起地區缺失這套地層,因此不在本文詳細論述。
志留系底部在南北向上可識別較明顯“下削上超”的不整合面特征(圖4):連井剖面AA′展示了塔北隆起中部哈拉哈塘地區的南北向地層展布特征,躍南1井鉆揭志留系柯坪塔格組上段(未穿)、塔塔埃爾塔格組以及依木干他烏組(391.0 m)。躍南2井鉆遇了依木干他烏組(273.0 m)、塔塔埃爾塔格組以及柯坪塔格組中、上段以及鐵熱克阿瓦提組上部。而躍進1X井鉆探結果缺失依木干他烏組,表明這套地層向北被剝蝕尖滅。北部哈拉哈塘地區的哈6井僅鉆揭柯坪塔格組較薄的中暗色泥巖段(24.0 m)和上暗色砂泥巖段,鐵熱克阿瓦提組的地層尖滅點位于躍進1X與哈6井之間。上部塔塔埃爾塔格組僅厚162.5 m,同樣向北超覆尖滅。東河20井僅鉆揭下志留統塔塔埃爾塔格組,厚度僅37.0 m,與南部的哈6井地層對比可判斷柯坪塔格組中段和上段依次向北超覆尖滅。哈拉哈塘地區北緣的東河3井未鉆遇志留系,與東河20井的地層對比可判斷塔塔埃爾塔格組底部向北超覆,而頂部向北削蝕尖滅。另外,上奧陶統剖面上表現為厚度向北減薄,地層向北削蝕,體現志留系底部“下削上超”的不整合特征。
在東西向上,志留系底部的“上超下削”不整合現象也可以通過地層對比識別出來(圖5,圖6):塔北隆起英買力低凸起地區(南斜坡西側)英買2井鉆遇的志留系厚度達到599.5 m,缺失中統依木干他烏組,頂部被三疊系削截。其中柯坪塔格組中段和上段厚度分別為161.5 m和201.0 m,具有向東減薄的趨勢。位于哈拉哈塘地區的新墾9井鉆遇的地層特征與英買2井一致,僅在厚度上略有減薄,頂部被上泥盆統東河塘組削截。哈6井鉆遇的柯坪塔格組中段很薄,僅24.0 m,而上部塔塔埃爾塔格組厚度為162.5 m。艾丁4井僅鉆遇柯坪塔格組上段,厚度82.0 m,與東西兩側的地層對比可判斷志留系頂部削截、底部超覆的現象。從各井鉆遇的上奧陶統的情況來看,地層厚度也有自西向東減薄、最終在塔深3井區域(輪南低凸起地區)削蝕尖滅的特點。

圖3 塔北隆起志留系地層綜合柱狀圖[25-26]Fig.3 Stratigraphic column of the Silurian in the North Tarim Uplift[25-26]



圖6 塔北隆起東南緣上奧陶統-志留系東西向CC′連井剖面(剖面位置見圖1b)Fig.6 EW-striking well-tie section of the Upper Ordovician-Silurian at the southeastern margin of North Tarim Uplift (see Fig.1b for the location of section CC′)
志留系底部“下削上超”的不整合結構在輪南低凸起東緣也有分布(圖6)。位于滿加爾凹陷北緣(巴里英斷裂下盤)的草1井鉆遇的地層較全,上奧陶統鐵熱克阿瓦提組厚度達235.5 m,向西快速減薄尖滅。志留系厚度達419.5 m,向西快速尖滅。上部塔塔埃爾塔格組厚度達180 m,頂部被東河塘組削截。波1井位于輪南古隆起東緣,鉆遇柯坪塔格組上段(厚度達141 m)和中段(未穿),缺失塔塔埃爾塔格組。西側相鄰的波1井顯示志留系的缺失情況更為嚴重,僅鉆遇69 m厚的柯坪塔格組中段,與東西兩側鉆遇的地層對比可判斷出志留系頂部向西削截,底部向西超覆尖滅的特征。庫爾勒鼻狀凸起南緣尚未發現志留系向東超覆的現象,巴里英斷層下盤志留系與奧陶系之間為較穩定的平行不整合結構。
在大量鉆井資料限定的基礎上,志留系頂、底的地震地質層位橫向對比追蹤為識別不整合面結構提供了良好的依據。在英買力低凸起地區,志留系底部整體低角度向北超覆,英買力背斜南、北翼都表現為“下削上超”不整合的結構(圖7a)。而志留系頂界(上泥盆統底界)在該區表現為由背斜翼部向核部超覆的現象,即南翼向北超覆,北翼向南超覆。哈拉哈塘地區志留系底部和頂部分別為向北超覆和削截的結構(圖7b)。輪南低凸起西側志留系底、頂界面分別為自西向東的超覆和削截的結構(圖7c)。輪南低凸起南緣志留系底界仍然為自南向北的超覆結構,且超覆現象更為明顯,即志留系內部的地層趨勢和不整合面的夾角更大(圖7d)。同樣較為明顯的志留系底部超覆現象也可在輪南低凸起西側識別出來(圖7e)。大量的地震資料顯示,志留系在塔北隆起南斜坡地區都表現為底部向北超覆,頂部向北削截的不整合結構。然而在庫爾勒鼻狀凸起西南緣,不僅在連井剖面上未發現明顯的“下削上超”不整合,地震剖面上也表現為削截-整一型不整合結構(圖7f)。志留系頂部在該區域則分別向東、西兩側削截。
整體上看,志留系底部不整合面在南斜坡東部的超覆現象比西部明顯,地層趨勢與不整合面的夾角較西部大。不整合面的超覆方向在各次級構造單元略有不同,西部整體往北西向超覆而東部整體往北東向超覆。志留系頂部(上泥盆統底部)的不整合整體也表現為向北的超覆結構,但在英買力低凸起地區,上泥盆統向背斜核部、輪南低凸起核部以及庫爾勒鼻狀凸起地區的超覆現象尤為明顯。
志留系在塔北地區分布范圍較廣,除輪南低凸起與庫爾勒鼻狀凸起地區缺失外,南部斜坡的奧陶系均被志留系覆蓋。鉆井和地震資料顯示志留系底部不整合面在北部坳陷地區為平行不整合,而在塔北隆起南部斜坡上為“下削上超”不整合面(圖8a)。“下削上超”不整合面結構僅分布于英買力低凸起、哈拉哈塘凹陷以及輪南低凸起,超覆方向以輪南低凸起軸部為界,西側表現為北東向超覆結構,東側表現為北西向超覆結構且地層產狀與不整合面高角度相交。塔北隆起西緣及東緣尚未發現志留系底部明顯的超覆現象,西緣被沙井子斷裂錯斷,東緣被后期抬升改造而削蝕尖滅。南北向剖面上,奧陶系向北削蝕,削蝕程度在哈拉哈塘地區較小,向輪臺凸起地區快速增大,地層年代間隔最長可達45 Myr(圖9a)。東西向剖面上,以輪南低凸起軸部為界,西側奧陶系頂部向東逐漸削蝕,志留系底部向東逐漸超覆,而西側奧陶系向西逐漸削蝕,志留系向西逐漸超覆(圖9b)。

圖8 塔北隆起及鄰區下古生界、志留系底不整合面(a)及上泥盆統底不整合面(b)分布Fig.8 Distribution of the Lower Paleozoic and Silurian unconformities (a) and the Upper Devonian unconformities (b) at the base,North Tarim Uplift and its adjacent areasF1.溫宿北斷裂;F2.溫巴什斷裂;F3.野云溝斷裂;F4.新和斷裂;F5.亞南斷裂;F6.沙井子斷裂;F7.沙雅斷裂;F8.輪臺斷裂;F9.庫南斷裂;F10.巴里英斷裂AnD3d.晚泥盆世之前沉積的地層

圖9 塔北隆起南斜坡南北向(a)和東西向(b)年代地層格架Fig.9 NS- (a) and WE-striking (b) chronostratigraphic frameworks at the southern slope of the North Tarim Uplift
覆蓋在志留系之上的上泥盆統東河塘組除分布于塔北隆起西部地區外,在輪南低凸起東緣(原草湖凹陷)也有發育。志留系頂部(上泥盆統底部)為削蝕-整一型不整合[29],即不整合面之下地層被削蝕,之上為整一接觸,并在塔北隆起南部斜坡區向英買力低凸起和輪南低凸起微角度超覆。北部坳陷地區向東超覆尖滅,在輪南低凸起東緣則向西超覆尖滅。由于上泥盆統東河塘組與石炭系為平行-微角度不整合接觸關系[30-33],大部分超覆區已被后期削蝕,因此上泥盆統與志留系的分布情況類似,原始超覆尖滅區范圍比現今剝蝕尖滅點所限定的范圍大。南北向剖面上,志留系頂部剝蝕程度向北逐漸(隆起方向)增大,上泥盆統東河塘組底界年齡向北逐漸減小,地層年代間隔約80~90 Myr。東西剖面上,志留系與泥盆系之間的不整合表現出結構上的差異,志留系頂以英買力低凸起,輪南低凸起以及庫爾勒鼻狀凸起為剝蝕中心,且上泥盆統底界年齡也以上述3個低凸起為中心向兩側逐漸增大。
新厘定的志留系底不整合超覆起始點所限定的范圍顯示,塔北晚奧陶世末古隆起(圖10)受控于深層主干斷裂(溫宿北-野云溝斷裂,新和斷裂以及亞南斷裂)[34],古隆起長軸近東西向,短軸近南北向。由于隆起北翼志留系缺失,推測該時期的北部邊界為溫宿北-野云溝斷裂以北5 km(不受邊界斷層影響的范圍)。而南部邊界可以通過志留系底部不整合面結構的厘定清晰地展現出來,晚奧陶世古隆起南北向地質結構剖面顯示南部斜坡較緩。東西向地質結構剖面顯示,古隆起以輪南低凸起為中心,西側為較緩的斜坡,構造起伏較小,而東側為較陡的斜坡,構造起伏較大。平面上,該時期的古隆起南斜坡在西側為向南西傾的單斜構造,而東側為南東傾向、傾角較大的斜坡。

圖10 塔北古隆起晚奧陶世末與中泥盆世末分布圖與動力學分析Fig.10 Distribution and dynamic analysis of the North Tarim Paleo-uplift at the end of the Late Ordovician and the end of the Middle DevonianⅠ.溫宿背斜;Ⅱ.溫巴什背斜;Ⅲ.野云溝背斜;Ⅳ.新和背斜;Ⅴ.輪臺背斜;Ⅵ.喀拉玉爾滾背斜;Ⅶ.哈拉哈塘向斜;Ⅷ.輪南背斜;Ⅸ.庫爾勒背斜F1.溫宿北斷裂;F2.溫巴什斷裂;F3.野云溝斷裂;F4.新和斷裂;F5.亞南斷裂;F6.沙井子斷裂;F7.沙雅斷裂;F8.輪臺斷裂;F9.庫南斷裂;F10.巴里英斷裂
志留系頂(上泥盆統底)不整合面的結構顯示,塔北中泥盆世末古隆起的展布與形態發生了巨大的轉變(圖10),古隆起的北部也由于地層缺失難以確定其準確的展布范圍,而古隆起軸部受先存構造的影響,構造走向仍呈東西向。古隆起南部斜坡的范圍在輪南低凸起西部(哈拉哈塘地區)有所減小(圖10),同時庫爾勒地區也經歷構造隆升,從而形成了海西早期的3個古凸起(英買力低凸起、輪南低凸起以及庫爾勒鼻狀凸起)(圖9,圖10),表現出南斜坡隆坳相間的構造格局。平面上,南斜坡的古隆起展布呈現出北東-南西的構造走向(英買力背斜-哈拉哈塘向斜-輪南背斜-草湖向斜-庫爾勒背斜-孔雀河背斜)。
不整合面的厘定結果表明,塔北古隆起在晚奧陶世末為一組近東西向的背斜,而在中泥盆世末隆起的南部斜坡轉變為一組向南西方向傾伏的褶皺,隆起的展布范圍在各次級構造單元內發生相應的增減。
塔北隆起在晚奧陶世末期為長軸近東西向的隆起,隆起北部斜坡因受到溫宿北-野云溝斷裂的控制而表現為傾角較陡的斜坡[35]。而志留系底部低角度超覆在南部斜坡上,表明南斜坡在晚奧陶世末為傾角較低的斜坡(圖7)。古隆起的形態表明晚奧陶世塔北古隆起地區主要受到了近南北向的擠壓應力,這種古構造應力場與始特提斯洋盆的俯沖消減和阿爾金-祁連山早古生代中期造山帶形成密切相關[14]。西昆侖地體、阿爾金地體與塔里木地體的相互作用,應力由南向北傳遞,在塔北隆起地區表現為近南北向的擠壓應力。塔里木盆地北緣在該時期可能處于弱伸展的構造環境,盆地內尚未發現與塔北隆起地區志留系不整合面成因的直接證據。
塔北隆起南部斜坡在中泥盆世末期的3個古凸起整體走向為北東-南西向。這種展布特征表明中泥盆世末期塔北隆起地區疊加了一期北西-南東向的擠壓應力,與當時塔北隆起地區斷裂的右旋壓扭性質相匹配[16]。
1) 不整合面的分布與結構表明塔北隆起在晚奧陶世末為一個近東西向的隆起,中泥盆世末期在古隆起南部疊加了北東-南西向傾伏的褶皺,而隆起軸部由于先存構造的控制仍呈東西構造走向。
2) 塔北古隆起晚加里東期構造格局的改變指示古構造應力場由晚奧陶世末期的南北向擠壓應力轉變為中泥盆世末期的北西-南東向擠壓應力。本文為前人已取得的關于“塔北隆起晚加里東期古隆起格局”的認識提供了重要科學依據并給予了詳細的論證。