蒙古国塔木察格盆地南贝尔凹陷早白垩世断裂发育和盆地演化

刘绍军,高 庚,朱德丰,吴根耀,王金奎,张 革,孙效东,刘 赫,李春柏,李 强

(1.大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院,黑龙江 大庆 163712;2.中国科学院 地质与地球物理研究所,北京 100029)

1 区域地质概述

海拉尔盆地位于我国北部内蒙古呼伦贝尔盟境内,南延入蒙古国东端称塔木察格盆地。中国北部及相邻的蒙古国地区位于两大古老地块之间,北为西伯利亚次大陆(包括安加拉克拉通和阿尔丹克拉通),南为中朝次大陆(包括华北克拉通和胶辽克拉通)。两者之间曾是宽阔的古亚洲洋,它被俄蒙和中俄边境附近的一组中间地块分为南、北两支。古亚洲洋南支自新元古代起即发生向北的后退式消减,在中国北部形成 2条重要的缝合线,即加里东期的德尔布干断裂和海西期的海拉尔-呼玛断裂;此外,它还向南消减于华北克拉通之下,形成加里东期的温都尔庙-柯丹山断裂和海西期的二连-贺根山断裂(Wu,1998,2014;吴根耀,2006,2014)。故该地广泛发育古生界变质岩构成盆地的基底岩石。

对中国北部地区早中生代演化影响最大的是蒙古-鄂霍次克洋的消减闭合。该缝合线可分为 3段:西段在蒙古中部杭爱山区,称阿达察格(Adaatsag)段(Tomurtogoo et al.,2005),为北西向;中段在蒙古东部并延入俄罗斯石勒喀河谷地,称宗莫德(Zuunmod,Dzüünmod)段,为北东向,进一步东延至莫戈恰以东的俄罗斯境内部分为北东东-近东西向(可参阅吴根耀等,2014的图1);中-东段于早侏罗世末-中侏罗世初最终闭合(Zorin,1999)。这一俯冲造山运动激活了中国北部的古生代缝合线,并控制了陆内造山的磨拉石盆地发育,如德尔布干断裂的活化控制了漠河盆地发育(吴根耀等,2006)。要指出的是:上述的其他 3条古缝合线活化控制发育的早-中侏罗世盆地均为北东东-近东西走向,故西延入蒙古国境内(Wu,2013),东延可达松辽地区(朱德丰等,2007)。

晚侏罗世在中俄蒙交界的广大区域内出现了北东向构造,但动力学背景因地而异。在蒙古国东部,因蒙古-鄂霍次克造山带宗莫德段的坍塌出现北东向的裂谷盆地群(Graham et al.,2001;Johnson,2004;Wu,2013),但塔木察格地区没有裂谷盆地和沉积地层发育。中国北部则处于造山阶段,最主要的是沿以郯庐断裂带为代表的巨型左行走滑断裂带发生在东亚大陆边缘地区的斜向汇聚-剪切造山作用(吴根耀等,2007);它还引发了陆内的造山作用,如大兴安岭及邻近地区强烈的火成活动指示的热隆升造山(吴根耀,2006;吴根耀等,2009)。

海拉尔-塔木察格地区晚侏罗世是火成活动区。两者的区别在于:海拉尔地区在火山喷发的平息期有沉积地层发育。陈均亮等(2007)曾提出该盆地属磨拉石盆地,吴根耀等(2014)进一步认为是蒙古-鄂霍次克洋的分支洋盆(称鄂嫩洋盆)向南(东)的消减和嗣后的碰撞制约了这一盆地发育。

早白垩世北东向构造进一步发育。此时中俄蒙交界区的北东向盆地有统一的成盆动力学机制:因各类燕山期造山带的坍塌而发育的裂谷或张扭盆地。海拉尔地区由原挤压应力场变为伸展,且拉张盆地向南扩大至塔木察格地区。中国北部-蒙古东部的早白垩世北东向盆地演化表现出明显的空间规律(吴根耀等,2014);就沉积矿产而言,中国北部的盆地(如松辽)富含石油,蒙古东部则是含煤盆地,位于中蒙交界处的海拉尔-塔木察格盆地既富油又含煤(图1)。

图1 中国北部早白垩世区域构造纲要图Fig.1 Regional tectonic framework of the North China during the Early Cretaceous

塔木察格盆地是海拉尔盆地的南延,后者“三坳夹两隆”的构造格局在塔木察格盆地也有清楚的反映(吴根耀等,2014)。其中部坳陷(贝尔湖坳陷)在中国境内的 III级负向构造单元为(自北向南):东明凹陷、赫尔洪德凹陷、红旗凹陷、新宝力格凹陷、乌尔逊凹陷和贝尔凹陷,南延入蒙古有南贝尔凹陷和塔南凹陷。这些凹陷间几乎都被自然的地质界线(隆起或断裂等)分隔,唯贝尔凹陷与南贝尔凹陷为国界分开(图2a)。换言之,贝尔凹陷与南贝尔凹陷实为一个 III级构造单元,是海拉尔-塔木察格盆地中面积最大、内部结构相对复杂的一个凹陷,也是该盆地中最具油气勘探前景的一个凹陷。盆地中充填的下白垩统厚 3000～5000 m,自下而上称铜钵庙组(K1t,分别以地震反射的 T5和 T3界面为底面和顶面)、南屯组(K1n,以地震反射的 T22界面为顶面)、大磨拐河组(K1d,以地震反射的T2界面为顶面)和伊敏组(K1y,以地震反射的T04界面为顶面),上覆青元岗组(K2q)。

南贝尔凹陷总体呈北东走向,中部有一个北东向的凸起将之分为西部次凹和东部次凹;该凸起北延入中国境内称苏德尔特(Sudert)断隆或德 6井凸起。这两个次凹南延经南部潜山披覆带相连,故整个凹陷呈向北东开口的马蹄形。东部次凹面积约1600 km2,西部次凹面积近 1300 km2,南部潜山披覆带面积550 km2,基底最大埋深3700 m。

西部次凹构造相对简单,其主体由 3个北东向的洼槽组成,自北至南称北洼槽、中洼槽和南洼槽。北洼槽和中洼槽在早白垩世一直是一个统一的沉积盆地,只是被近东西向断裂拦腰截为两个,下文中以“中-北洼槽”称之。南洼槽与中-北洼槽间为右行斜列关系(图2b),不仅曾与中-北洼槽相隔,而且盆地发育也有不同特征。

图2 南贝尔凹陷位置(a)、次级构造单元(b)和西部次凹T22、T3和T5反射层断裂系统叠合图(c)Fig.2 Location (a),tectonic units (b)of the South Buir Sag,and superimposed map of the T22、T3 and T5 fracture systemsin the West Sub-sag (c)

东部次凹的构造较西部次凹复杂,可总结为东西分带,南北分区。两个生油中心即北洼槽和南洼槽位于东部次凹的西带,总体上呈北东向延伸,右行斜列。西带上的另一个四级构造单元是西部断鼻带,尽管其(西)北边界和(东)南边界为北东向断裂,但因其东界和西界均为近南北向断裂,故该单元明显呈透镜状(图2b)。

东部次凹的东带是一个相对的构造高带。三个四级构造单元(自北至南)分别称中央隆起带、东部断裂构造带和东部断阶带;后者在铜钵庙组-南屯组沉积期间是南洼槽的主要物源区,现构造走向仍为北东向(图2b)。中央隆起带的北部基底抬升较高,缺失铜钵庙组和南屯组一段沉积,与北洼槽之间由北东向断裂分界。东部断裂构造带由一组北东东走向的剪切断层组成,宽6～10 km,其南、北边界均为逆冲断层。可能它在早白垩世盆地发育时就是东部次凹内一条由剪切断层组成的构造变换带,据南、北洼槽间的斜列关系可判别它发生了左行走滑;在盆地反转期(或后期的构造挤压期)其边界断裂再度活动并表现为逆冲。

塔木察格盆地因地处偏僻,仅开展石油地质勘探之后才有文章报道。南贝尔凹陷断裂构造的研究大致经历了 2个阶段:早期阶段探讨同生断层对沉积的控制,尤其是对可能属震积岩的泥质软沉积物变形的控制(王化爱等,2008,2010;单敬福等,2010),近阶段则讨论断裂构造对油气成藏和分布的控制作用(郝慧等,2011;李艳杰,2012;张君龙等,2012)。中国境内的贝尔凹陷的研究相对较多,对断裂系统的研究(刘志宏等,2007;侯艳平等,2008;赵利华等,2008;李文科等,2010;李占东等,2010;孙永河等,2011)集中于对油气运聚和成藏的意义,其他成果可总结为下列三方面:一是将断裂分为 4类,即早期伸展断裂,中晚期张扭断裂,早期伸展中晚期张扭长期继承性发育的断裂,早期伸展中期张扭晚期反转长期活动的断裂;二是识别了断裂的 3个活动时期:T22界面(南屯组顶面)以下的称下部断裂系统,T22界面至T1界面(伊敏组一段顶面)之间的称上部断裂系统,伊敏组沉积期末至晚白垩世是断裂的反转期;三是指出断裂延伸有4种方向:北东向断裂、北东东向断裂和南北向断裂为控陷正断层,形成较早且长期活动,北西向断裂形成较晚且改造前三者。至于盆地演化,则几乎无例外地接受断陷→断-坳转换→坳陷的三阶段发育模式(陈均亮等,2007)。

本文基于大量的地震剖面资料,在分别剖析西部次凹和东部次凹断裂发育的几何学和运动学概貌的基础上,结合盆地演化,探讨断裂的活动期次,并通过与其南邻的塔南凹陷的对比研究,论述南贝尔凹陷断裂构造的主要特征。

2 西部次凹

2.1 断裂发育的几何学

图2c显示西部次凹发育3组方向的断裂:北东向、北东东-近东西向和近南北向。在T22界面、T3界面或 T5界面上,这 3组方向的断裂均有发育,只是相对而言T22界面上的断裂发育比较稀疏。

北东向断裂是该区最为发育的构造,也是控制中-北洼槽和南洼槽发育的控盆(陷)断裂。仔细的观察可以发现:(1)除洼槽边界为北东向断裂外,洼槽内部的次级北东向断裂也十分发育;(2)次级北东向断裂延伸长度不大,平面上呈左行雁列,这在中-北洼槽表现得特别清楚;(3)相对而言,南洼槽的次级北东向断裂规模更小,但断裂密度更大。

北东东-近东西向断裂主要见于西部次凹的中部,其西段是西低凸起的北界,中段构成中洼槽与南洼槽之间的分界,进一步东延成为南洼槽与东部断阶带之间的界线。在中-北洼槽和南洼槽内部也见北东东-近东西向断裂发育。值得注意的现象是:北东向断裂向北延伸时常不穿越北东东-近东西向断裂而“归并”入后者(这在南洼槽尤为多见),意味着后者是先存构造,对北东向断裂的发育起制约作用。

近南北向断裂是这 3组方向的断裂中规模最小的,常见于北东向断裂的上盘,构成后者的次级“入”字形构造。在中-北洼槽,因北东向断裂规模相对较大,近南北向断裂规模相对也较大且走向偏北北东。南洼槽的北东向断裂相对小而密,近南北向断裂规模也较小;在盆内常见近南北向断裂偏北北东向,沿东南界断裂则常见它们偏北北西向。

2.2 断裂发育的运动学

尽管控盆(陷)断裂都为北东走向,因断裂的倾向和活动强度不同,控制了西部次凹的中-北洼槽与南洼槽有不同的盆地发育特征。

中-北洼槽铜钵庙组沉积期受向西(北)倾的同生正断层控制。如图3所示,其控盆断裂是洼槽的东界断裂(F1),洼槽内还有2条控陷断裂(F2和F3)发育,使盆内构造复杂化。因控盆(陷)断裂向西(北)倾,中-北洼槽呈一个东断西超的箕状盆地,且是由 2个次级洼槽和1个断隆组成的复式箕状盆地。经铜钵庙组沉积期末的隆起剥蚀后,中-北洼槽在南屯组沉积时原盆地的东、西边缘地区均发生隆起,盆地面积变小(向中央收缩)。南屯组沉积期以东界断裂 F2为控盆断裂,故中-北洼槽仍为东断西超的箕状盆地,F2与F1之间夹持的地区称东部断阶带。大磨拐河组的沉积格局和盆地范围基本与铜钵庙组相同,至伊敏组沉积期盆地面积才向西扩大(大于铜钵庙组的沉积范围)(图3)。

南洼槽在铜钵庙组-南屯组沉积期也受北东向同生正断层控制。图4是切过南洼槽北部的横剖面,可看到其发育与中-北洼槽表现出以下不同:(1)西界断裂(F1)是控盆断裂,向东(南)倾,使南洼槽呈西断东超的箕状盆地,沉积呈西厚东薄的楔形;(2)南屯组的沉积范围与铜钵庙组相同。从图4上还可发现:铜钵庙组-南屯组沉积期南洼槽与中-北洼槽之间有凸起区相隔;至大磨拐河组沉积时,南洼槽的盆地面积既向西(北)扩大并连通中-北洼槽,也向东扩大使南部潜山披覆带的原隆起区接受沉积。

图3 南贝尔凹陷西部次凹北洼槽横剖面图(剖面位置见图2c的A-A′)Fig.3 Profile across the North Hollow in the West Sub-sag of the South Buir Sag (A-A′ profile in the Fig.2 c)

图4 南贝尔凹陷西部次凹南洼槽北部的横剖面图(剖面位置见图2c的B-B′)Fig.4 Profile across the northern segment of the South Hollow in the West Sub-sag of the South Buir Sag (B-B′ profile in the Fig.2c)

图5 南贝尔凹陷西部次凹南洼槽中部的横剖面图(剖面位置见图2c的C-C′)Fig.5 Profile across the middle part of the South Hollow in the West Sub-sag of the South Buir Sag (C-C′ profile in the Fig.2c)

图5是切过南洼槽中部的横剖面,西界断裂(F1)仍是南洼槽发育的控盆断裂。与图4明显不同的是:图5上所见南洼槽的沉积和沉降中心并不位于盆地西缘(即靠近 F1处),而是靠近盆内的 F2断裂附近。这一特征在南屯组沉积期尤为明显(南屯组厚度在南洼槽的中央部位最大)。在图5上还可看到:铜钵庙组-南屯组沉积期南洼槽以西是隆起区(西低凸起),其东侧与南部潜山披覆带连成一体;即:如果将图5中的F3视作南洼槽的东界,F3以东也接受铜钵庙组-南屯组沉积,只是厚度明显逊于南洼槽,说明南部潜山披覆带当时是一个南低北高的斜坡。大磨拐河组沉积时发生向西的湖侵,故西低凸起上有大磨拐河组和伊敏组沉积。

中-北洼槽与南洼槽发育特征的不同,表明两者之间存在变换构造带即位于西次凹中部的北东东-近东西向断裂带。前人研究已指出中蒙交界区晚侏罗世发育强大的北东东-近东西向构造(吴根耀,2007;朱德丰等,2007;吴根耀等,2008;Wu,2013),它们在早白垩世早期(铜钵庙组-南屯组沉积期)的伸展事件中发生左行剪切,不仅制约了北东向断裂的延伸,而且使其南、北两侧的正断层活动表现出不同的特点:中-北洼槽的控盆和控陷正断层向西(北)倾,盆地东断西超;南洼槽尽管有向西(北)倾的控陷断裂发育,但控盆正断层是盆地的西界断裂,向东(南)倾,盆地西断东超。

2.3 断裂发育期次

这个问题下面还要深入讨论,就上述资料,已可清楚地发现西部次凹的断裂有 2个主要的活动期。一是铜钵庙组和南屯组中下部沉积期,至南屯组沉积晚期许多断裂已停止活动,故向上延伸不切入南屯组上部地层内(图5)。断裂的再次活动发生在大磨拐河组和伊敏组下部沉积期。这一阶段既有老断层的再度活动(它们自下至上几乎切穿全部下白垩统,仅伊敏组上部地层未被切入),也有新的断层形成;这些新形成的断裂,尤其是作为北东向断裂配套构造的次级断层,向下延伸不会切穿大磨拐河组而进入南屯组(图3、5)。

3 东部次凹

3.1 断裂发育的几何学

图6a是南贝尔凹陷东部次凹三维地震的 T2反射层、T22反射层、T3反射层和 T5反射层断裂系统的叠合图。与西部次凹(图2c)明显不同的是:东部次凹最醒目的构造是北东东-近东西向断裂,它几乎横贯东部次凹中部。在北东东-近东西向断裂带的南、北两侧则以近南北向断裂为主。北东向断裂主要表现为构成东部次凹的北西边界及南东边界;此外,它还见于东部断裂构造带内,被限于北东东-近东西向断裂之间。多处可见北东向断裂拐折成北北东向或近南北向断裂,反映早期发育过的北东向断裂已遭受后期近南北向断裂的改造。

就规模而言,图6a表明 T5反射层(铜钵庙组底面)断裂和 T2反射层(大磨拐河组顶面)断裂最为发育。

3.2 断裂发育的运动学

图7中D-D′剖面是切过东部次凹北洼槽中部的横剖面,它清楚地显示了北洼槽是个西断东超的箕状断陷。北洼槽发育受一组向东(南)倾、倾角中等的正断层控制,它们向下均切入基底内,西界正断层(F1)下切入基底后倾角明显变缓。铜钵庙组和南屯组下部地层呈西厚东薄的楔形,至中央隆起带(21-5井以东)尖灭,反映了西界断裂的控盆作用。这种控盆作用一直延续到伊敏组沉积早期,该图中的T222和T221是把南屯组对应的三级层序SQ3划分为3个四级层序的界面;地层上,T222对应南屯组一段内部的不整合面,T221对应南一段与南二段之间的不整合面。

图6 南贝尔凹陷东部次凹不同反射层断裂叠合图(a)、次级构造单元划分和钻孔剖面线位置图(b)Fig.6 Superimposed graph of the fracture systems (a),tectonic units and locations of wells and profiles (b)in the East Sub-sag of the South Buir Sag

图7 南贝尔凹陷东部次凹剖面图(剖面位置见图6b)Fig.7 Profiles across the East Sub-sag of the South Buir Sag (locations of the profiles are shown in Fig.6b)

图7中E-E′剖面是切过东部次凹南洼槽北部的横剖面,其东界断裂(F1)是控盆断裂,表明南洼槽是个东断西超的半地堑。其中部的控陷断裂(F2和 F3)使南洼槽出现 2个沉积中心,称西次洼和东次洼;西次洼的沉降幅度和沉积厚度逊于东次洼。控盆断裂 F1在南屯组沉积时活动强烈,在伊敏组沉积早期仍有活动。F2的控陷活动可持续到大磨拐河组沉积早期;F3则在南二段沉积时已停止活动,未能穿过T221反射层。南洼槽以西的西部断鼻带上也有铜钵庙组-南屯组沉积,只是厚度明显变薄。

图7中 F-F′剖面是切过东部次凹南洼槽中部的横剖面,尽管该剖面上未显示出东界的控盆断裂,仍能表明南洼槽是由一组向西(北)倾、倾角中等的正断层控制发育的东断西超的半地堑。与图7中E-E′剖面相似的是:南洼槽的中段也可分为 2个次洼:西次洼的中心位于 21-9井以东,东次洼位于 21-41井。与图7中 E-E′剖面不同的是:这里西次洼发育更好,不仅宽度较东次洼大,沉积厚度(尤其是铜钵庙组)也较东次洼大。另一不同之处是南屯组下部地层(Sq31层序)的分布范围小于铜钵庙组,主要表现在有两处缺失该套地层,一是西部断鼻带(21-39井以西地区),二是西次洼与东次洼之间的断凸(21-33井)。因缺失南一段下部地层,这两地见南一段上部地层(Sq32层序)直接覆盖在铜钵庙组之上。

综上所述,早白垩世东部次凹的南洼槽和北洼槽有不同的发育特征,指示两者间曾被北东东-近东西向的剪切变换带分隔。这一剪切变换带在后期的构造事件中进一步壮大,断裂活动方式也发生了变化,成为今日的东部断裂构造带。

3.3 断裂活动期次

前已提到南贝尔凹陷的断裂经历了两大活动期,分别为铜钵庙组-南屯组沉积期(早白垩世早期)和大磨拐河组-伊敏组沉积期(早白垩世晚期),现可据上述地震剖面和图7中G-G′剖面作进一步说明。

图7中G-G′剖面是穿过东部次凹北洼槽北部和中央隆起带至东部断裂构造带的剖面。该图清楚地表明:以T22反射层(南屯组顶面)为界可把断裂系统分为两套。T22反射层以下的断裂倾角中等,常向下切入基底内且倾角变缓,走向北东,以向东(南)倾为主,活动方式为正断(或上盘斜落的正断),构成同沉积的控盆(陷)断层。T22反射层以上的断裂倾角陡立,走向北北东-近南北向(不包括21-26井钻穿的断裂,该断裂近东西向)。它们常由相向而倾的两组断层构成(正)花状构造,表明是走滑断层或具上盘斜落分量的走滑断层。如果这些走滑断层迁就利用了早期的正断层或张扭断层而发育,则可深切入基底中并使早期断层的产状变陡。图7中G-G′剖面中的 F3是东部断裂带的西界断裂,现产状陡倾。从该断裂下盘地层发育的牵引褶曲可判别它在后期已发生过冲断,但冲断的位移量还没有抵消掉曾经发生的正断位移量。作为东部次凹西界控盆断裂的 F1,在大磨拐河-伊敏组沉积期仍是西界的控盆断裂,说明早期断裂在后期也得到了继承性发育,只是活动方式有所变化。

早白垩世早期同沉积正断层(或张扭断层)还可细分为 4个活动幕。第 I幕是铜钵庙组沉积期活动的断层,它们几乎都是基底断裂的复活,故普遍下切入基底中,常构成控盆断裂或控陷断裂;在北洼槽中它们普遍向东(南)倾而在南洼槽中它们普遍向西(北)倾。这些断裂中仅有少量的在南屯组沉积期不活动,故上延止于T3界面,如图7中E-E′剖面(南洼槽)21-18井西侧的西倾 F4断层;图7中F-F′剖面的21-9井以东的一条西倾正断层(F1)仅发育于铜钵庙组下部地层中,说明它在该组沉积晚期已停止活动了。第 I幕正断层常伴有倾向相反的次级正断层发育,规模明显要小得多,这些次级断层在南屯组沉积期常不活动,如图7中E-E′剖面中F1以西的东倾正断层和F4以西的东倾正断层,图7中G-G′剖面中北洼槽西界控盆断裂(F1)以东的西倾正断层。

南屯组沉积期也有同沉积正断层活动且较铜钵庙组沉积期复杂。对中国境内贝尔凹陷南屯组的研究表明该组内发育两个不整合面,一个位于南一段与南二段之间,另一个位于南一段内部(王雅宁等,2012)。南贝尔凹陷南屯组沉积期间的同生正(或张扭)断层活动可分为 3幕:南一段下部沉积时活动的称第II幕;南一段上部沉积时活动的称第III幕;南二段沉积时活动的称第IV幕。每幕拉张(或张扭)活动后均继之以反转挤压事件,造成不同程度的隆起和地层剥蚀。

第II幕活动的正断层可以图7中G-G′剖面为例说明。该图中21-24井以东的3条东倾正断层和更东的1条西倾正断层都切穿了T3界面,但上延止于T222界面,反映它们只在南一段早期沉积时活动。图7中D-D′剖面中(北洼槽)21-49井以东和21-7井钻及的2条西倾正断层上延未进入T222界面以上的地层,说明它们在南一段上部和南二段沉积时已不再活动。

第III幕同生正断层活动,如图7中G-G′剖面中21-24井钻及的西倾正断层 F4,上延止于 T221界面,反映只在南一段沉积时活动。图7中 F-F′剖面中,21-41井钻及的F2和21-40井以西的F3和F4断层,还有21-39井的F5的次级断层,上延都止于T221界面。它们之间的区别是:F5的次级断层倾向东(南),而其他三者则倾向西(北)。上述第II幕和第III幕活动的这些断层向下都切入基底中,应为第 I幕正断层的继承性活动。图7中G-G′剖面中的中央隆起带南缘(靠近F3断层处)有一条向东南倾的正断层(F5),夹持于 T221反射层与 T222反射层之间,说明它在南一段上部地层沉积时才形成并活动。

第 IV幕同沉积活动的断层即南二段沉积期形成的断层实例,一是图7中E-E′剖面中21-17井以东的东倾正(或张扭)断层 F5,它错开了 T221界面但未进入南一段断层中,说明它在南二段沉积期形成;二是图7中G-G′剖面中,21-24井以东(F6)、21-51井以西(F7)和21-26井以东(F8)各有一条西倾的正(或张扭)断层,其下延均止于 T221界面。这四者的共同点是都作为控盆(陷)断裂(在北洼槽向东倾,在南洼槽向西倾)的次级反向正(张扭)断层出现。

综上所述,南屯组沉积期活动的断层,从形成时间上可分为两类:一是继承铜钵庙组沉积期的断裂而发育的,它们可能在南一段下部地层沉积期末、南一段沉积期末和南屯组沉积期末停止活动,后者的情况尤其多见,故常见断层上延止于 T22界面(图7中 D-D′剖面和 G-G′剖面);另一类则是南屯组沉积期才形成的,以南二段沉积期形成的断裂为多见,它们在大磨拐河组沉积早期常再度活动。

早白垩世晚期即大磨拐河组-伊敏组沉积期的断裂活动方式以走滑为主,对盆地发育及沉积也有明显的控制作用。该期剪切活动可分为2幕:

第 I幕是在经历了南屯组沉积期末的隆起剥蚀后发生的。无论是北洼槽还是南洼槽,其边界(控盆)断裂和部分控陷断裂都再次活动,表现为基底断裂可向上切入大磨拐河组。该幕剪切活动中也有新生断裂形成,其特点是下延不穿过T22界面,向上不进入大磨拐河组上部地层(如图7中D-D′剖面21-7井两侧的 F2和 F3断层),表征断层活动的时代是大磨拐河组沉积的早-中期。

第 II幕断裂活动发生在大磨拐河组沉积晚期-伊敏组沉积早期,分 3种情况。一是这个时期刚形成的,故只分布于 T2界面(大磨拐河组顶面)上、下两侧(即发育于大磨拐河组上部和伊敏组下部地层内)。如图7中D-D′剖面所示,北洼槽内该时期的新生断裂集中于盆地西缘且倾向与控盆断裂一致。在东部次凹内北东走向的剖面上(图7中 H-H′剖面)可见:除南洼槽和北洼槽内见大磨拐河组沉积晚期-伊敏组沉积早期形成的断层发育外,东部断裂构造带也见该时期形成的断层,且较为密集,均向北陡倾。二是第I幕走滑断层的继承性活动,它们下延不穿过T22界面,上延则进入伊敏组下部地层。这种情况较常见,在图7中D-D′剖面至图7中G-G′剖面中都可见到实例。三是铜钵庙组沉积期断裂的重新活动,造成断裂从基底向上切穿进伊敏组的现象,它们常构成控盆(陷)断裂或成为次级构造单元间的分界断裂。

综上所述,早白垩世晚期形成的断裂走向北北东-近南北向,以右行剪切为主(单敬福等,2010;田继强等,2011)。早期的北东向断裂在晚期可能重新活动,表现为走滑或具上盘斜落分量的走滑,且遭受了北北东-近南北向断裂的改造。

4 断裂发育与盆地演化

与早白垩世的断裂活动分为早期和晚期相对应,南贝尔凹陷早白垩世的演化可分为两大阶段,分别称断陷阶段(铜钵庙组-南屯组沉积期)和剪切-坳陷阶段(大磨拐河组-伊敏组沉积期),分述如下。

4.1 断陷期盆地演化

4.1.1 初始断陷期

蒙古国东端的塔木察格地区晚侏罗世是火山岩喷发区(见上述)。早白垩世初,受区域伸展作用控制及起伏不平的基底地形影响,铜钵庙组沉积时出现较为复杂的构造-沉积格局,可总结为“东西分带、南北分区”。所谓“东西分带”,是受北东向同生正断层控制形成两条北东向的沉降带,即西部次凹和东部次凹,这两者在最南端通过南部潜山披覆带连通。所谓“南北分区”,是因北东东-近东西向剪切转换断裂(带)的发育而使南贝尔凹陷南、北两部的演化有别。在西部次凹,中-北洼槽及两侧的斜坡(断阶)带属北区;在东部次凹,北洼槽和中央隆起带属北区。

南、北分区的一大表现是铜钵庙组沉积时控盆断裂在南、北两区有不同的位置。西部次凹中-北洼槽的东界断裂是控盆断裂,该洼槽是东断西超的箕状断陷;东部次凹北洼槽的西界断裂是控盆断裂,该洼槽是西断东超的箕状断陷。因此,南贝尔凹陷的北区是2条相背而倾的同生正断层各在其上盘控制了一个半地堑发育。南区则不同。西部次凹南洼槽的控盆断裂是西界断裂,向东(南)倾;东部次凹南洼槽的控盆断裂是东界断裂,向北(西)倾。这2条控盆断裂相向而倾,位于其上盘的 2个半地堑实际上没有被彻底分隔,而是通过其南端的水道相连;该水道不断向北东扩展而成为南部潜山披覆带(图8a)。

简言之,铜钵庙组沉积期可称南贝尔凹陷演化的初始断陷期,北东向同沉积断裂的伸展活动造成了2条北东向的沉降带,且因北东东-近东西向剪切断层的变换作用而使南区与北区的盆地发育出现不同的面貌。铜钵庙组沉积期末南贝尔凹陷反转闭合,全区隆起剥蚀,故它与上覆南屯组间普遍为不整合接触关系,在控盆断裂和控陷断裂附近明显为角度不整合接触关系。局部地区因隆起时间长,可能缺失南一段的下部地层(见图7中F-F′剖面)。

4.1.2 持续断陷期

南屯组一段沉积期可称南贝尔凹陷的持续断陷期。尽管部分铜钵庙组沉积期的同生断裂此时已停止活动,但原控盆(陷)断裂普遍保持活动性,兼之有新生的同沉积正断层形成,故南贝尔凹陷的东、西 2条沉降带继续发育,南、北两区的分异也有清楚表现。

图8 南贝尔凹陷早白垩世演化示意图Fig.8 Sketch map showing the basin evolution of the South Buir Sag during the Early Cretaceous

在西部次凹,中-北洼槽南一段沉积期间盆地向中央收缩,其沉积面积明显小于铜钵庙组(见图3);南洼槽此时的沉积范围与铜钵庙组相同,两者均被限在图4中的F1与F3之间。在东部次凹,南屯组与铜钵庙组的沉积范围相同,南、北两区的差异表现在南洼槽东界控盆断裂的活动更强(图8b)。如图7中 F-F′剖面所示,南洼槽可分为西次洼和东次洼,铜钵庙组沉积时西次洼沉降快,堆积厚度大;南屯组沉积时沉降和沉积中心迁移到东部次洼东缘近控盆断裂处,反映了东界控盆断裂活动的加剧。

南一段内部和南一段与南二段之间的不整合面表明有短暂的反转挤压事件发生,导致南一段沉积区闭合隆起并局部遭受剥蚀,反映持续断陷期内经历了多次伸展与挤压的交替。之后,随挤压应力场松弛,拉张或张扭应力场导致新的同生正断层或张扭断层形成,全区重又沉降,接受南二段沉积。

4.1.3 断陷-坳陷/剪切转换期

南屯组二段沉积期是南贝尔凹陷早白垩世演化中的一个重要时期,因为西部次凹与东部次凹的发育出现了明显的不同(图8c)。前已述及,南二段沉积期有新生断裂形成,但仅见于东部次凹内。西部次凹,如图5所示,南屯组上部地层内罕见断层发育(穿过南屯组的断层都上延入大磨拐河组内,属晚期活动的断裂),反映南二段沉积期总体上处于坳陷阶段,是断层活动的平息期(断陷阶段与大磨拐河组沉积的剪切阶段之间的转换期)。

东部次凹内南二段沉积期形成的断裂(早期断裂系统的第 IV幕同沉积断裂),产状上的特点是作为控盆断裂或控陷断裂的次级反向断层出现,其走向为北北东-近南北向,与北东向的主干断裂一起构成“入”字形构造,活动方式则以张扭为主。对比图2c与图6a,可以发现两者的最大区别是北北东-近南北向断裂构造的发育:西部次凹在南二段沉积期以坳陷为主,北北东-近南北向断裂甚不发育,仅在中-北洼槽的东部见少量此方向的断裂;东部次凹内北北东-近南北向断裂十分常见,且主要分布于东部断裂构造带南、北两侧的地区,进一步佐证了北北东-近南北向断裂在南二段沉积期出现雏形。

简言之,南二段沉积期的同生断层为北北东-近南北向,以张扭活动为主,因而该时期是南贝尔凹陷东部次凹盆地发育的断陷期与剪切期(大磨拐河组-伊敏组下部沉积期)之间的一个转换期。南二段沉积期形成的北北东-近南北向断层常被大磨拐河组沉积期活动的走滑(或具上盘斜落分量的走滑)断层所利用而在后期发展壮大。

南屯组沉积期末南贝尔凹陷反转闭合,全区遭受隆起剥蚀,使南屯组与上覆大磨拐河组之间的不整合面成为一个重要的区域不整合面。夏世强和刘景彦(2012)研究指出:剥蚀沿北东向的主干断裂和古隆起最为发育,在苏德尔特断隆东缘(近国境处)剥蚀量最大,可达900 m,紧邻斜坡的低洼处剥蚀量最小,约150 m。本文进一步作如下解释:断陷期主要沿北东向断裂发生伸展,盆地的闭合由北东向断裂的反转引起。由于北西-南东向挤压应力场来自南东侧,向北西传递时受到苏德尔特断隆的阻挡,故断隆东侧的山前地区褶皱幅度高,隆升强度大,剥蚀掉的地层多;西部次凹及邻区因受苏德尔特断隆的阻挡,挤压隆升事件的反映相对和缓,因而地层的剥蚀量明显减小(图8d)。该期隆升剥蚀结束了北东向断裂的伸展史,大磨拐河组底部的不整合面(T22反射层)成为把南贝尔凹陷的演化分为两大阶段的自然界面。

4.2 剪切-坳陷期演化

前已指出:早白垩世晚期形成的断裂发生过 2次剪切活动;在晚期形成的或继承早期的第IV幕张扭性断层发育的剪切断层走向为北北东-近南北向。早期的第 I幕北东向正断层此时也重新活动,并主要作为控盆断裂发育。如图2c和图6a所示,在西部次凹,原北东向断裂的面貌基本得以保存,东部次凹原北东向断裂则大部分已被改造成北北东-近南北向。尽管同生剪切断裂的活动对盆内沉积相带分布的控制不如正断层那样明显,但对盆地发育仍有明显的制约作用,如盆地的分布范围等。

总体看,大磨拐河组沉积期是南贝尔凹陷的盆地扩大期。西部次凹的中-北洼槽大磨拐河组的沉积范围较南屯组大(与铜钵庙组的面积相同,见图3)。南洼槽大磨拐河组沉积时盆地向两侧扩大,即:它既向西扩大使西低凸起接受沉积并使南洼槽与中-北洼槽得以连通,也向东(南部潜山断裂带)扩大。在东部次凹,北洼槽向东扩大,使中央隆起带上接受大磨拐河组沉积;南洼槽则向两侧扩大,既向西扩大使现今所见的南部潜山断裂带的基本格局出现,也向东扩大使东部断阶带上接受大磨拐河组沉积(图8e)。

可以发现:大磨拐河组沉积期南贝尔凹陷仍以“东西分带、南北分区”为特征,但已具有不同于铜钵庙组沉积时的新内涵。北东向的西部次凹和东部次凹继续发育;前者仍以北东向断裂为主要构造,只是活动方式由早期的伸展在此时变为走滑(或兼具上盘斜落分量的走滑)。东部次凹中,南二段沉积期出现的北北东-近南北向断裂在大磨拐河组-伊敏组下部地层沉积期发展壮大,并改造了原北东向断裂而成为东部次凹的主要构造。除了作为控陷断裂外,北北东-近南北向断裂还可成为次级构造单元的边界(如西部断鼻带的东、西边界)。东部次凹中的北北东-近南北向断裂主要见于东部断裂构造带的两侧,反映北东东-近东西向的剪切变换断裂发展成一构造变换带,较西部次凹有更大的规模。

大磨拐河组沉积期的“东西分带、南北分区”还有以下证据:东部次凹相对西部次凹而言有更大的构造活动性,大磨拐河组沉积时其北洼槽的盆地范围明显向东扩大,西部次凹的中-北洼槽大磨拐河组沉积时仅恢复到铜钵庙组沉积期的盆地范围。北东东-近东西向剪切变换带将南贝尔凹陷分为南、北两区,北区的盆地大磨拐河组沉积时发生单向的扩大(东部次凹的北洼槽向东扩大),在南区,无论是西部次凹的南洼槽还是东部次凹的南洼槽,盆地都是双向扩大,即既向东扩大也向西扩大。

伊敏组沉积的中-晚期,由于原控盆断裂和控陷断裂已停止活动,盆地发育进入坳陷期。该期沉积可能超越原控盆断裂的范围而使盆地面积进一步扩大,如西部次凹的中-北洼槽即向西扩大,盆地范围也在此时才达到最大(图8f)。伊敏组沉积期末南贝尔凹陷反转闭合,之后长期隆起剥蚀,直至晚白垩世坎潘期才接受青元岗组沉积(青元岗组时代为坎潘期-马斯特里赫特早期,吴根耀等,2014)。

4.3 与塔南凹陷的对比

本文作者等已报道了南贝尔凹陷以南的塔南凹陷的最新研究成果(李强等,2014;孙效东等,2014),与之进行对比研究将有助于更深刻地理解南贝尔凹陷早白垩世断裂发育和盆地演化的特征。

铜钵庙组沉积期对塔南凹陷和南贝尔凹陷而言都是初始断陷期,因北东向同生正断层的伸展活动而形成北东向的复式箕状断陷,各由 2个次级凹陷组成。两者的不同之处如下:(1)塔南凹陷的西部次凹和中部次凹的控盆断裂都位于次凹的东边界且都向西(北)倾,南贝尔凹陷的控盆断裂,既可能是东界断裂也可能是西界断裂,既可能向西(北)倾也可能向东(南)倾;(2)南贝尔凹陷因有北东东-近东西向剪切变换带的发育而出现南、北分区的情况,北区的两条控盆断裂相背而倾,南区的两条控盆断裂相向而倾;(3)塔南凹陷 7个次级构造单元的格局是在南屯组沉积期盆地面积达到最大后才出现的,南贝尔凹陷今日所见的次级构造单元在铜钵庙组沉积期即已出现。换言之,尽管大磨拐河组-伊敏组的沉积范围大于铜钵庙组,但铜钵庙组沉积期形成的南贝尔凹陷的内部构造格架基本未变。

南屯组一段沉积期两者的盆地演化表现出更大的不同。塔南凹陷此时是盆地发育的主断陷期,盆地面积向西扩大,在南一段沉积晚期出现最大湖泛面,且在南二段至伊敏组沉积期间几乎一直保持着这样的盆地范围。在南贝尔凹陷,南一段的盆地面积并没有大于铜钵庙组,西部次凹的中-北洼槽南一段的沉积范围还明显小于铜钵庙组。这可能因为南一段沉积期间南贝尔凹陷经历过 2次短暂的挤压反转事件,在地层记录内留下了 2个不整合面,故本文将南一段沉积期称为盆地演化的持续断陷期,不是主断陷期。

南二段沉积期对塔南凹陷和南贝尔凹陷而言都是“转换”期。前者表现在南一段沉积期北东向断裂的伸展活动达到高潮之后成为张扭断裂,至大磨拐河组沉积期发展为剪切断裂(或兼具上盘斜落分量的剪切断裂)。南贝尔凹陷的东、西两个次凹此时发生分异。西部次凹的原北东向断裂伸展断层此时停止活动,盆地发育此时总体上处于坳陷状态。东部次凹则在北东向断裂活动时在其旁侧(上盘)派生出一组北北东-近南北向的张扭断层,它们在大磨拐河组沉积期发展为剪切断裂(或兼具上盘斜落分量的剪切断裂)。这与塔南凹陷相同,即:在南贝尔凹陷的东部次凹,南二段沉积期也是断陷阶段与剪切阶段之间的转换期。

尽管塔南凹陷和南贝尔凹陷南屯组与上覆大磨拐河组之间都可见不整合接触关系,南贝尔凹陷在南屯组沉积期末经历了更强烈的挤压构造,隆起时间长,褶皱幅度高,地层的剥蚀量大,对盆地演化也有更重要的意义:实际上该不整合面把南贝尔凹陷早白垩世的演化划分为两大阶段。

大磨拐河组沉积期对塔南凹陷和南贝尔凹陷都可称“断-坳转换期”,但盆地演化有不同特点。塔南凹陷的盆地面积已在南一段沉积期达到最大,大磨拐河组沉积早期基本上继承了南屯组的构造-沉积格局。南贝尔凹陷在经历了较长时间的隆起剥蚀后才接受大磨拐河组沉积,且盆地范围明显较铜钵庙组-南屯组沉积期的大。在北东东-近东西向剪切变换带以北,盆地单向地扩大(东部次凹的北洼槽向东扩大);在该剪切变换带之南,西部次凹的南洼槽和东部次凹的南洼槽都向东、西两侧双向地扩大。

大磨拐河组至伊敏组沉积早期塔南凹陷和南贝尔凹陷都以剪切断层为控盆(陷)断层,它们可能是新生的北北东-近南北向断裂,也可能是早期的北东向断裂在后期重新活动并遭受北北东-近南北向断裂的改造。这种改造在塔南凹陷和南贝尔凹陷有不同的表现。在塔南凹陷,北北东-近南北向断裂只对北东向断裂进行了部分改造,即:北东向断裂尚能得以保存,但其两端常偏转为北北东-近南北向。在南贝尔凹陷的西部次凹,北北东-近南北向断裂不发育(尤其在南洼槽),北东向断裂仍是该地的主要构造。东部次凹的北北东-近南北向断裂在南二段沉积期出现,在大磨拐河组沉积的早-中期和大磨拐河组沉积晚期至伊敏组沉积早期得到发展壮大,并强烈改造了原北东向断裂的面貌。东部次凹尽管还可看到北东向断裂拐折成北北东-近南北向断裂的现象,盆内断裂总体上表现为北北东-近南北向,反映了东部次凹曾发育过的北东向断裂的原始面貌已遭强烈改造。

5 主要认识

5.1 3组断裂小结

塔木察格盆地南贝尔凹陷早白垩世发育的断裂,按走向可分为3组:北东向、北东东-近东西向和近南北向,其区域构造和盆地发育的意义可分别概括如下。

北东向断裂属郯庐断裂系(或称滨太平洋断裂系)。早白垩世是中俄蒙交界区该方向断裂发育的鼎盛期,既成为区域上的构架性断裂,也制约了长条状的盆地呈北东向延伸,盆内的次级隆起和坳陷为北东走向。对南贝尔凹陷而言,北东向断裂控制形成了两条北东向的沉降带即西部次凹和东部次凹,在铜钵庙组-南屯组沉积期发生伸展(或张扭),是控盆断裂和控陷断裂,在西部次凹保存较好。

北东东-近东西向断裂是基底构造的活化,早白垩世构成北东向伸展断裂的左行剪切变换构造(带),把南贝尔凹陷分为南、北两区且控制盆地发育有不同的特征。北区发育两条相背而倾的北东向正断层,其上盘各发育一个箕状断陷(西部次凹的中-北洼槽东断西超,东部次凹的北洼槽西断东超);南区则是两条相向而倾的北东向正断层,其上盘发育的两个盆地(西部次凹的南洼槽和东部次凹的南洼槽)在南端有水道相连,随沉积继续该水道不断向北东扩大范围,成为南部潜山披覆带。

区域上看,北东东-近东西向断裂的发育有南弱北强之势。位于南贝尔凹陷以南的塔南凹陷中未见明显的北东东-近东西向断裂。在海拉尔盆地北部则不仅可看到在凹陷内有多条该方向的断裂,而且可见它成为凹陷的边界断裂(参阅吴根耀等,2014的图4)。晚新近纪北东东-近东西向断裂再度活动且改造了早白垩世盆地的面貌,故现存的的海拉尔盆地的北界在海拉尔至牙克石一线,为北东东-近东西向。换言之,今日所见的海拉尔盆地只是早白垩世原型盆地的南段,原型盆地在海拉尔以北仍有发育(另文讨论)。

近南北向断裂早白垩世是北东东-近东西向断裂的共轭组分,也是盆地中的剪切变换构造。它在东部次凹发育较好,出现于南屯组二段沉积期并在后期得到发展壮大,对盆地演化也有控制作用,已强烈改造了北东向断裂。晚新近纪时,该方向的断裂随北东东-近东西向断裂的活化壮大而进一步发展,故更新世-全新世的线形坳陷带常呈这两种方向。

5.2 断裂活动期次

南贝尔凹陷早白垩世的断裂活动时间上可分为早、晚两期。早期北东向断裂活动以伸展为主,可细分为 4幕,分别发生在铜钵庙组沉积期、南一段下部地层沉积期、南一段上部地层沉积期和南二段沉积期。南二段沉积期(即第IV幕)的断裂活动可能以张扭为主,成为早期断裂的伸展活动与晚期断裂的剪切活动之间的过渡期。晚期北北东-近南北向断裂活动以右行剪切为主,可分为 2幕,分别发生在大磨拐河组沉积的早-中期和大磨拐河组沉积晚期-伊敏组沉积早期。

与断裂的两阶段发育相对应,南贝尔凹陷的盆地演化可以大磨拐河组底部的不整合面为界分为两大阶段:铜钵庙组-南屯组沉积期为断陷阶段,盆地面积较小;大磨拐河组-伊敏组沉积期为剪切-坳陷阶段,盆地范围明显扩大。南屯组沉积期末的反转闭合和隆起剥蚀事件有东强西弱之势(东部的剥蚀量可达 900 m),反映东部的构造活动性强于西部,故大磨拐河组-伊敏组沉积期西部次凹北北东-近南北向断裂的规模明显逊于东部次凹,西部次凹北东东-近东西向剪切变换断裂的发育也逊于东部次凹。

5.3 断裂的油气勘探意义

北东向断裂对油气形成的控制作用十分明显:强烈伸展作用下出现的深凹槽中堆积的暗色泥岩是优质烃源岩,沿断裂带呈裙边状分布的扇三角洲和近岸水下扇的砂体则成为油气的良好储集层。今后的工作重点,是在分析生储盖组合的基础上,在储集层发育较好而源岩发育相对较差的地区寻找可作为油气通道为储集层输送油气的断层。

北东东-近东西向剪切断裂的变换作用不仅使沉积盆地发育有不同面貌,也造成其两侧的成藏特征不同。如西部次凹,其两侧构造圈闭的类型和数量有较大差别:在南洼槽,无论沿向东(南)倾的控盆断裂还是沿向西(北)倾的控陷断裂,断鼻构造和断鼻油气藏十分发育;其东的南部潜山披覆带也具这一特征。在中-北洼槽,仅在两条控陷断裂(图3中的 F2和 F3)夹持的反向断块上发育个别断鼻,其他地区未发现。此外,南洼槽因断裂密度大(南部尤甚),可形成面积不大的断块进而控制断块圈闭发育;中-北洼槽未见断块圈闭。

致谢:感谢北京大学何国琦教授和另外两位匿名评审专家的修改建议抑或批评性意见,使本稿件的质量得以改善和提高！

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