海西构造旋回阴山幕式造山与鄂尔多斯盆地北部旋回充填的耦合关系

王 涛，侯明才，陈洪德，侯中健，陈安清，苏中堂

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.中国石油长庆油田勘探事业部，西安 710018）

海西构造旋回阴山幕式造山与鄂尔多斯盆地北部旋回充填的耦合关系

王 涛1，2，侯明才1，陈洪德1，侯中健1，陈安清1，苏中堂1

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都 610059；2.中国石油长庆油田勘探事业部，西安 710018）

探讨鄂尔多斯盆地沉积物充填规律与阴山造山带间的相互关系，为大型克拉通盆地沉积充填规律与造山带耦合关系提供实证。通过鄂尔多斯盆地北部晚古生代9条野外剖面和133口典型钻井详细的沉积充填序列分析，结果清楚地揭示晚古生代太原－山西期、石盒子期、石千峰期存在明显的3个由粗－细－粗的沉积充填旋回。构造沉降史分析准确标定出285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.为造山活动加剧、盆地强烈沉降的时间节点，而这3个时间节点正好对应于太原－山西期、石盒子期、石千峰期3个时期内退积－进积的沉积转换，这说明海西期华北板块向西伯利亚板块俯冲-碰撞造山所导致的阴山古陆的幕式造山运动与盆地的旋回充填存在密切的耦合关系。

旋回充填；幕式造山；盆山耦合；阴山造山带；鄂尔多斯盆地

造山带和沉积盆地是大陆构造中重要的组成单元，两者之间组成的盆-山系统是大陆动力学研究的热点问题之一［1，2］。造山带为持续沉降的盆地提供沉积充填物质，沉积盆地则记录了相邻的造山带活动，盆地充填与造山带活动之间构成了一种耦合关系。因此，沉积盆地成为研究造山带活动的窗口［3－5］。

阴山造山带和鄂尔多斯盆地是中国典型的盆山耦合系统之一［6］，从晚古生代开始，随着华北板块向北俯冲，位于西伯利亚板块南部的阴山造山带受消减作用逐渐与华北板块北缘拼接形成拱起隆升［7，8］，在其漫长的造山过程中，一直影响盆地北部沉积物的充填，尤其为海西期盆地碎屑沉积提供物源并决定了沉积物质展布特征［9］。本文试图通过鄂尔多斯盆地北部海西期的沉积物质充填特征和充填过程来反演这一时期阴山造山带的幕式活动特征，揭示阴山造山过程与盆地充填之间的耦合关系，为深入探讨大型稳定克拉通盆地沉积物质充填规律与周缘造山带的相互关系提供实证。

鄂尔多斯盆地处于中国东部稳定区和西部活动带的结合部位，四周被造山带所包围，北邻阴山造山带，南抵秦岭造山带，东达吕梁山，西接贺兰山－六盘山，盆地边界受周缘深大断裂控制，是一个多旋回叠合盆地（图1）。晚古生代，鄂尔多斯盆地的沉积充填演化受北缘古亚洲洋和西南缘秦祁洋的俯冲和消减作用的控制，自下而上依次发育上石炭统本溪组、二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组6套地层。这一阶段盆地演化可分为陆表海和陆内拗陷盆地2个演化阶段：①晚石炭世至早二叠世早期是以海相沉积为特征的陆表海阶段，具体又细分为本溪期裂陷盆地和太原期拗陷盆地2个次级阶段；②早二叠世晚期至晚二叠世，区域构造由拉张转化为挤压抬升，海水逐渐从西南、东南退出，盆地进入陆相沉积为主的演化阶段，包括山西组过渡性近海湖盆和下石盒子期到石千峰期的陆内拗陷盆地［11］。两个演化阶段之间，即以太原期末盆地东西两侧边缘的抬升所形成的风化剥蚀成为盆地性质转化的关键性界面。而这种盆地演化过程中区域构造格局的转变，直接形成了沉积体系丰富、旋回结构清晰、层序类型多样的盆地充填与演化特征。

图1 鄂尔多斯盆地晚古生代盆地原型Fig.1 Prototype basin of Ordos Basin during Late Paleozoic（据文献［10］修改）

1 海西期盆地充填过程

1.1 盆地旋回充填序列

在详细分析9条野外剖面、133口典型钻井的沉积旋回结构后，结合他人研究成果［7，8，11］，建立了沉积旋回充填序列及盆地发展演化关系图（图2）。

晚古生代鄂尔多斯盆地经历了由稳定克拉通陆表海沉积充填到内陆拗陷盆地陆相碎屑岩充填的演化过程。

在经历了130 Ma的沉积间断之后，鄂尔多斯盆地从晚石炭世本溪期开始再次接受沉积，到早二叠世太原期都为陆表海沉积阶段，发育一套含煤砂泥岩夹数套灰岩沉积，沉积环境主要为潮控三角洲。

到早二叠世山西期沉积物质明显不同，主要发育灰色、灰白色含砾中粗粒岩屑砂岩、石英砂岩，称之为“北岔沟砂岩”；向上砂岩粒度逐渐变细，为灰色－灰黑色岩屑砂岩、岩屑石英砂岩及含泥砂岩夹黑色泥岩及煤层，沉积环境也演变为海陆过渡相，物源由阴山古陆东段转变为西段供应为主，盆地性质由裂陷盆地演化为陆内拗陷盆地。

进入中二叠世石盒子期，完全转成陆相沉积，下石盒子早期发育浅灰色、灰白色含砾粗砂岩、中粗粒砂岩及灰绿色岩屑石英砂岩，俗称“骆驼脖砂岩”；向上逐渐转变为浅肉红色、褐灰色、浅灰色泥质砂岩、粉砂岩、泥岩，上石盒子期为更细粒的砂质泥岩及红色泥岩互层，夹薄层砂岩及粉砂岩。此时盆地进入陆内拗陷发展、成熟阶段，阴山古陆西段提供富石英的物源，发育辫状河三角洲沉积。

晚二叠世石千峰期，陆内拗陷作用减弱，早期充填以紫红色砂岩夹泥岩为主的沉积，晚期主要为棕红色含钙结核泥岩充填，为辫状河－辫状河三角洲沉积环境。

从晚古生代盆地充填序列及其过程来看，海西期存在明显的3次由粗向细的充填旋回，下面详细描述盆地充填的旋回特征。

1.2 旋回充填特征

晚古生代盆地充填过程中3次明显的旋回分别为太原－山西期，下石盒子期，石千峰期。

1.2.1 太原期

早二叠世太原期，东西两缘海水侵入范围继续扩大，祁连、华北海盆连通，形成统一的以含煤为特征的滨海相沉积。中央古隆起沦为水下隆起，对沉积作用的控制趋于减弱。西缘地区转化为裂后拗陷，形成开阔陆表海中的相对拗陷带。而且由于兴蒙海槽的关闭，伊盟隆起北部隆升的地带成为主要的物源，盆地呈北高南低、北陡南缓的地貌特征，自北往南发育冲积扇、扇三角洲和浅海陆棚，呈现出海陆过渡带型的沉积体系组合（图3）。

1.2.2 山西期

早二叠世山西期盆地由北向南依次发育辫状河－辫状河三角洲沉积，偶夹海相沉积夹层和煤层，海水基本退出鄂尔多斯盆地，仅在盆地东南残存。该时期的沉积格局已由东西差异转变为南北分异，盆地北部基本形成了4个南北向展布的河流－三角洲沉积体系轮廓，三角洲沉积范围明显向南扩大，形成了广阔的三角洲平原环境（图4）。此时盆地性质已发生转化，为陆内拗陷盆地，且沉积体系大面积南迁，反映有大量碎屑物质进入盆内，北部物源区隆升加快。上述特征表明盆地北部阴山造山带造山作用增强，而此时地层中出现大量凝灰质沉积物也证实了该时期具有较强的造山作用。

图2 鄂尔多斯盆地晚古生代沉积旋回充填序列及盆地发展演化阶段Fig.2 The sedimentary cycle filling sequence and the basin evolution stages of Late Paleozoic in Ordos Basin

1.2.3 下石盒子期

下石盒子期，气候由温暖潮湿变为干旱炎热，植被大量减少，从而沉积一套灰白－黄绿色的纯的陆源碎屑建造。该时期盆地内沉积特征延续山西期的特点，依然发育4个近平行的由北向南展布的河流－三角洲沉积体系，沉积相带略向南迁移，辫状河三角洲在晚期也逐渐转变为曲流河三角洲，只是该时期盆地内完全不发育海相地层，全演变成陆相沉积（图5）。这种沉积格局反映盆地完全进入了陆内拗陷发展阶段，表明北部物源区在短暂相对平静之后又一次进入强烈的构造活跃期。阴山造山带的再次强烈造山为盆地提供了丰富的物源，使沉积格局发生变化。

图3 鄂尔多斯盆地太原期岩相古地理图Fig.3 Paleogeographic map of Taiyuan Stage in Ordos Basin

1.2.4 上石盒子期

中二叠世晚期，北部物源区抬升幅度减缓，随河流夷平作用增强，南北地形差异逐渐缩小。冲积体系萎缩，湖泊沉积体系向北扩展，气候变得较为干燥，植被减少，从而形成以紫红色、黄绿色为主的沉积，岩相古地理格局为三角洲与湖泊沉积体系共存。随着基底的不断沉降和陆源碎屑物质的减少，湖泊面积扩大。盆地南部地区构造抬升作用增强，三角洲沉积向北略有推进，三角洲平原展布范围亦有扩大之趋势（图6）。

图4 鄂尔多斯盆地山西期岩相古地理图Fig.4 Paleogeographic map of Shanxi Stage in Ordos Basin

1.2.5 石千峰期

晚二叠世石千峰期，华北地台整体抬升，海水自此退出华北大盆地，沉积环境完全转化为大陆体制的河流、三角洲和湖泊。该期气候变得更为干燥，以发育河湖相紫红色砂岩和泥岩组成的互层为特征，湖域面积较石盒子期有所缩小。随着河流－三角洲体系向南推进，湖泊逐渐萎缩，说明此时阴山造山带再度活跃，从而提供大量碎屑物质使得湖泊最终充填淤塞，直至萎缩消亡；同时也结束了鄂尔多斯盆地晚古生代的沉积演化历史（图7）。

2 阴山幕式造山与盆地充填的耦合关系

阴山造山带主体为乌拉山、大青山、色尔腾山和白云鄂博构造带，由南向北依次出露集宁群、乌拉山群、二道凹群和色尔腾山群结晶基底岩系。在晚古生代受华北板块向西伯利亚板块的俯冲-碰撞造山，此过程中的早石炭世晚期－中二叠世、二叠纪末－三叠纪伴随多期的岩浆和火山活动［12，13］，使得盆地北部晚古生代的盒7、盒8、盒9、山1、山2段均含火山碎屑［14］。说明晚古生代阴山造山带并非一成不变，而是发生了多期造山运动，或者说这一时期的阴山造山运动具有脉动式或是幕式活动的特点。通过对盆地北部的苏75井的沉积岩石学和沉积环境的分析，应用构造沉降分析方法，做出了鄂尔多斯盆地北部晚古生代的构造沉降曲线（图8），发现在285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.3个时间点附近，构造沉降曲线存在3个明显的拐点，也就是说这3个时间点是明显的造山活动加剧、盆地强烈沉降的时期。非常巧合的是，这3个时间点恰好是晚古生代鄂尔多斯盆地3个充填旋回中由退积向进积的转换时间。而且，盆地沉积物质充填与构造沉降有非常明显的契合关系：285 Ma B.P.的构造沉降事件恰好对应山西组和太原组的界线，而前述的沉积充填序列（图2）和这两个时期的岩相古地理图（图3、图4）已经清楚地揭示太原组－山西组是一个盆地充填物质由陆表海向陆缘近海湖盆转换的时期，沉积物充填样式上表现为退积向进积的转换。第二个拐点，即274 Ma B.P.，对应着下石盒子组和上石盒子组的界线。而下石盒子早期发育浅灰色、灰白色含砾粗砂岩，中粗粒砂岩及灰绿色岩屑石英砂岩，俗称“骆驼脖砂岩”，向上逐渐转变为浅肉红色、褐灰色、浅灰色泥质砂岩、粉砂岩、泥岩；上石盒子期为更细粒的砂质泥岩及红色泥岩互层，夹薄层砂岩及粉砂岩（图2、图6），这是一个陆内拗陷盆地由发展向成熟的转变，沉积体系类型也由早期的曲流河三角洲向辫状河三角洲转变。第三个拐点，即256 Ma B.P.，这是一个沉降幅度和沉降速率最大的时间点，发育在石千峰组的内部。而从前人的研究来看，上二叠统石千峰组是一套红色的富含火山碎屑岩的沉积组合，野外露头剖面和室内钻井岩心及测井均揭示极富火山物质的层段就在这一时期（图9）。

图6 鄂尔多斯盆地上石盒子期岩相古地理图Fig.6 Paleogeographic map of Upper Shihezi Stage in Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地下石盒子期岩相古地理图Fig.5 Paleogeographic map of Lower Shihezi Stage in Ordos Basin

上述研究表明，鄂尔多斯盆地晚古生代的沉积充填具有明显的退积－进积旋回特征，造成这种旋回充填特征的地球动力学因素是盆地北缘阴山造山带的幕式造山隆升活动。

图7 鄂尔多斯盆地石千峰期岩相古地理图Fig.7 PaleogeographicmapofShiqianfengStage inOrdosBasin

图8 阴山幕式造山与盆地旋回性充填的耦合关系Fig.8 Thecouplingrelationshipbetween theepisodicorogenicmovementofYinshanandthefillingcycleofthebasin

图9 鄂尔多斯盆地钻井岩心、露头剖面中石千峰组的火山碎屑物Fig.9 ThefragmentsofthedrillingcoresandtheoutcropsectionsinShiqianfengFormationofOrdosBasin

3 结论

a.鄂尔多斯盆地海西期沉积物表现为3次由粗向细的充填旋回，分别为太原组－山西组海陆过渡相转换为辫状河三角洲沉积，上石盒子组、下石盒子组曲流河三角洲转向辫状河三角洲沉积和石千峰组向南推进的河流－三角洲沉积。

b.钻井构造沉降曲线揭示晚古生代阴山发生了3幕造山运动，大致为285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.，恰好与沉积充填的退积－进积旋回相对应，表明鄂尔多斯盆地晚古生代旋回性充填与阴山幕次造山具有良好的耦合关系。

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Coupling relationship between Yinshan episodic orogenic movement of Hercynian tectonic cycle and filling cycle of the North Ordos Basin in China

WANG Tao1，2，HOU Ming-cai1，CHEN Hong-de1，HOU Zhong-jian1，CHEN An-qing1，SU Zhong-tang1
1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；
2.The Exploration Division of China Petroleum Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China

This paper discusses the relationship between the filling rule of the sediments in Ordos Basin and the Yinshan Orogenic Belt to provide an example for the coupling relationship between orogenic belts and large craton basins.In analyzes the sedimentary sequences of 9 sections and 133 classical drilled wells of Late Permian in the north of Ordos Basin are researched.The results indicate that there exist three significant sedimentary filling cycles of coarse grained-fine grained-coarse grained sediments in the Taiyuan-Shanxi，Shihezi and Shiqianfeng periods.The key time nodes of violent orogenic activities and basin subsidence are calibrated accurately as 285，274 and 256 Ma B.P.by the analysis of the tectonic subsidence history.These three time nodes are corresponding to the sedimentary transformation of progradation-retrogradation in the Taiyuan-Shanxi，Shihezi and Shiqianfeng periods.This shows that the episodic orogenic movement of the Yinshan ancient land caused by the subduction-collision orogeny between the North China plate and the Siberian plate is closely coupled with the filling cycles of the basin.

filling cycle；episodic movement；basin-mountain coupling；Yinshan orogenic belt；Ordos Basin

TE121.3

A

10.3969／j.issn.1671-9727.2014.03.07

1671-9727（2014）03-0310-08

2013-09-30

国家科技重大专项（2011ZX05044）

王涛（1971－），男，高级工程师，从事油气勘探的科研与管理工作，E-mail：wt＠petrochina.com.cn。