德令哈莲湖地区泥火山特征及托素湖、可鲁克湖成因调查研究
2016-08-25姚生海张加庆李文巧李宏冲
姚生海,张加庆,李文巧,李宏冲
(1.青海省地震局,青海 西宁 810010;2.中国地震局地质研究所,地球动力学国家重点实验室,北京 100029;3.西安交通大学人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049)
德令哈莲湖地区泥火山特征及托素湖、可鲁克湖成因调查研究
姚生海1,张加庆1,李文巧2,李宏冲3
(1.青海省地震局,青海 西宁810010;2.中国地震局地质研究所,地球动力学国家重点实验室,北京100029;3.西安交通大学人居环境与建筑工程学院,陕西 西安710049)
为调查和研究德令哈莲湖地区地质背景、地质演化及可鲁克湖-托素湖成因,通过对莲湖地区野外地形地貌、地质构造调查,结合石油地震勘探、钻井等资料,发现大柴旦-托素湖断裂带沿线分布有多处“泥火山”,其分布明显受到断裂带的控制;该地区石炭纪以来经历了伸展、褶皱抬升、伸展断陷、挤压坳陷、弱挤压反转、弱断陷、坳陷、强挤压反转等多个构造演化阶段,而托素湖、可鲁克湖的形成与区域的构造演化紧密相关,特别是新近系以来受喜马拉雅运动的影响,随着岩浆的侵入,在逆冲推覆构造的作用下,第三纪地层发生明显隆起,欧龙布鲁克山、埃姆尼克山等山脉大幅度抬升,莲湖被分为两部分,这是托素湖、可鲁克湖形成的最主要原因。
莲湖;泥火山;构造演化;地震剖面;解释;成因
莲湖位于青海德令哈以西约50km的怀头他拉镇,由可鲁克湖和托素湖2个湖泊及其周边湿地等组成,是德令哈盆地的汇水中心,主要受巴音河、巴勒更河以及四周山区的雨洪补给(段水强等,2005)。德令哈盆地位于柴达木盆地的东北缘,是柴达木盆地的次一级盆地。根据最新石油地震勘探判断,德令哈盆地是柴达木盆地北缘块断带的一个亚一级构造单元(甘贵元等,2006,2007;张西营等,2007;高正海等,2013;李皎等,2015),属于东昆仑槽褶皱系的一部分。为中生代坳陷盆地,北界为宗务隆山断裂带、南界为柴北缘断裂带,向西与阿尔金断裂带相交,东界为鄂拉山断裂(杨明慧,1999;高正海等,2013),区域性断裂围限形成了德令哈坳陷。德令哈坳陷以二级断裂及局部构造圈闭发育特征为依据,划分出北部山前斜坡带、德令哈凹陷带、欧龙布鲁克构造带、欧南凹陷带和埃姆尼克凸起5个二级构造单元。总的看来,德令哈地区为“三隆二凹”的构造格局,凸起、凹陷相间发育,呈北西向展布。德令哈坳陷自晚古生代以来,经历了3期强烈的区域构造运动,分别是海西—印支运动、晚燕山运动、晚喜山运动。自第三纪以来,在宗务隆山山前,德令哈盆地西部和东北部一直在缓慢上升,形成丘陵带,其岩性主要由古近系和中下更新统砂岩组成的,盆地南部剧烈下沉(甘贵元等,2006,2007;张西营等,2007;李皎等,2015),是第四系上更新统洪积、冲积及湖积层的主要堆积场所,厚达上千米,形成山前倾斜平原。目前,对于德令哈盆地地质背景、构造运动和盆地演化等方面的研究很少,尤其是德令哈盆地莲湖地区,由于勘探程度低,受地貌和地质条件以及技术水平等因素的制约,对该地区石炭纪以来的地质特征和构造演化缺乏相应的认识,对可鲁克湖和托素湖的成因缺乏深入、系统的研究。笔者通过对莲湖地区地质调查和最新石油地震物探及钻井资料的总结,对该地区构造演化阶段进行了较为详细的划分;对该地区的野外调查中,在托素湖与可鲁克湖之间沿大柴旦-托素湖断裂带,发现了呈北西西向展布泥火山,其分布和断裂延伸方向基本一致;分析了可鲁克湖和托素湖的形成演化过程,为进一步研究提供了可靠的依据。
1 莲湖地形地貌特征
地貌往往是一个地区地质构造运动的外在表现。莲湖地区位于现今活动构造强烈的祁连山南坡西段,南连接柴达木盆地。地貌上由北部高山地貌巴音郭勒河及支流组成的河谷地貌和莲湖湖泊地貌构成。整体地形上呈现北高南低的特点。山前地貌:北部山区主要为宗务隆山群。由于第三纪以来该地区间歇式上升和隆起,造成了本区宗务隆山地区高大山脉的存在,一般高程在3 000m以上,最高的宗务隆山达4 324m,最低高程位于河谷,海拔在3 265m,相对高差为500~1 000m。河谷地貌:主要为巴音郭勒河河谷地貌。区内巴音郭勒河主河道呈近南北方向,河谷阶地在山区内不发育,山区外较发育。山区内阶地主要为冲积物所形成的,而山区外存在Ⅰ-Ⅳ级阶地。河流在山区内切割山体较深,多形成险峻的峡谷,呈“V” 型或者“U”型河谷。在山区外河谷、河漫滩、阶地主要有松散砂、砾石及局部淤泥质土构成,河谷平而阔,一般在100~200m。由于巴音郭勒河受天气影响很大,其水量变化很大,没有严格的河谷和河漫滩区别。发育有Ⅰ-Ⅳ阶地。
2 德令哈地区区域地质概况
在区域地质背景上,莲湖地区位于南祁连早古生代裂陷槽、青海南山晚古生代—中生代复合裂陷槽和柴达木盆地拗陷这3个构造单元的交汇部位。
莲湖周边存在4条较大的区域性断裂(图1),分别为宗务隆山断裂、巴音郭勒河断裂、柴北缘断裂带、大柴旦-托素湖断裂带。莲湖所在的德令哈盆地由上述北西向断裂带分割形成了隆-坳、凹-凸相间的构造格局,主要受北缘压扭断裂体系控制(商琳等,2014)。根据基底、盖层的沉积构造特征可将德令哈盆地分为3个一级构造单元(甘贵元等,2006,2007):德南坳陷南北均由北向对冲逆断层所控制,基底自西南向东北抬升,形态呈南陡北缓的趋势,中新生界地层沉积厚度最大可达9 000m;近东西向展布的中央背斜隆起带位于断陷中部,西自欧龙布鲁克山为起始,由北北西向向东延伸,逐渐转为近东西向,东西两端出露均为古生界,在背冲的大逆断层的作用下,隆起带南北两侧的古生界基底被抬升,发育有如布鲁克类的一系列地面构造;欧南坳陷南北两侧均由对冲的大逆断层所控制,形成了近东南向展布的狭长断陷。展布于德南凹陷和欧南凹陷之间的中央隆起带在莲湖以西主要表现为高大连绵的欧龙布鲁克山,在托素湖和克鲁克湖之间,形成宽约2km、长约40km、走向北西西向的连续陡坎,控制其经过区域湖泊等水系的边界,具体表现为小型湖泊沿陡坎呈串珠状分布。
在莲湖以东,基本隐伏于第三系及其后形成的湖相沉积层之下,其仍然控制其经过区域湖泊等水系的发育,且沿倾覆褶皱的边界分布(姚生海等,2014)。
F1.宗务隆山断裂;F2.巴音郭勒河断裂;F3.大柴旦-托素湖断裂带;F4.柴达木盆地北缘断裂带图1 莲湖地区区域地震构造图Fig.1 Lian Lake area regional geological structure map
3 莲湖地区构造演化阶段划分
托素湖、可鲁克湖所在莲湖地区位于德令哈盆地的汇水和沉积中心,其形成演化与德令哈盆地的演化具有一致性。而德令哈盆地的形成演化又与柴达木盆地、尤其是柴北缘的构造演化密切相关。德令哈盆地所在的柴北缘地区自石炭纪以来的构造演化大概分以下几个阶段:①伸展作用阶段(石炭—二叠纪)。柴北缘东段在石炭纪经历了海进-海退整个完整的沉积旋回过程(汤良杰等,1999;万传治等,2006)。柴达木盆地在石炭纪—二叠纪时期,延续了前一时期的沉积作用(杨超等,2010),在二叠纪时的海域面积大体与石炭纪相当,这一时期沉积的地层在柴北缘地区平面展布很广泛。②挤压褶皱抬升阶段(三叠纪)。在印支期,由于柴达木地块和华北地块北北东—南南西方向的挤压,使得柴北缘地区发生整体隆升(商琳等,2014),发育了一系列近东西向的逆冲断裂和伴生褶皱,根据研究区内石炭—二叠系在不同区域不同的剥蚀程度和范围大小,推测三叠系有两排近东西向凸起的背斜发育。③伸展断陷阶段。印支期结束后,柴达木盆地进入了全面的陆相发育阶段(刘林等,2008)。早燕山期,柴达木盆地处于相对松弛的伸展环境(王信国等,2006),构造反转,发育有多条近东西向正断裂。柴北缘的盆地西段主要沉积下侏罗统地层,东段则只有小柴旦及红山地区有下侏罗统沉积(陈志勇等,2005;徐凤银等,2006)。中侏罗世,柴达木盆地沉积中心因阿尔金山隆升等原因,沿东南方向缓慢移动至整个祁连山山前(张守仁等,2000),此时盆地伸展加强,向南北两侧扩展,形成了北断裂南超覆的断陷盆地。④挤压坳陷阶段(晚侏罗世—白垩纪早期)。进入到晚侏罗世,断层不再拉张,盆地由拉张转变为挤压,在上部地层自重荷载压力下,柴北缘仍然下降,沉积有一套能代表挤压坳陷盆地特征的红色磨拉石堆积(金之钧等,2004);盆地内多数地区上侏罗统与白垩系地层为整合接触,表明盆地在这一时期为连续沉积阶段。⑤弱挤压山体隆升阶段(白垩纪末期)。受燕山晚期旋回运动的影响,柴北缘地区构造反转,古逆冲断裂复活(商琳等,2014)。在逆冲断裂的挤压和气候等因素的影响下,柴北缘地区埃姆尼克山、欧龙布鲁克山等开始隆升,盆地面积有所减小,中生代盆地演化终止。⑥弱断陷阶段(古近纪)。由于印度板块持续向欧亚板块下部俯冲,整个青藏高原都受到近南北向的挤压作用(刘林等,2008),但在柴达木盆地西部地区,由于受到NWW向右行走滑断裂和NEE向左行走滑断裂的控制,盆地向东迁移、拉伸,使得柴北缘构造运动以走滑拉分为主,表明其进入弱断陷阶段。⑦坳陷阶段(中新世—上新世早期)。中新世随着印度板块俯冲进一步增强,柴达木盆地向东逃逸受阻(刘林等,2008),此时以挤压作用为主,断陷作用逐渐减弱,盆地进入坳陷演化阶段。⑧强挤压反转阶段(上新世晚期—第四纪)。晚喜山期,印度板块俯冲更加剧烈,受北西—北东应力场和阿尔金强烈的左行走滑运动的影响,盆地周边山体向盆地逆冲、推覆,柴达木盆地全面进入挤压反转阶段(刘林等,2008),逆冲、推覆的强度随时间逐渐增强。柴北缘现今的大量褶皱、断裂和构造格局,就是在这一时期形成的。
经过了上面的构造演化,莲湖所在的德令哈盆地形成了如今隆-坳、凹-凸相间的构造格局。野外地质调查表明,在托素湖和克鲁克湖之间的陡坎沿线分布多处“泥火山”,这些“泥火山”的分布,表明了该地区断裂活动及其区域构造演化过程。
4 莲湖地区泥火山特征、成因机制及研究意义
泥火山是一种构造流体现象,其通常发生在特定地质构造和水文地质环境下(高小其等,2008;万园等,2011),发育在沉积速率较快和有横向挤压构造作用的盆地中,主要由松软的泥岩、泥浆、沉积角砾、近地表的水和各种气体,在地层由于构造运动或者地震等原因受到挤压时,松软的物质在地下水或者天然气的带动下,沿着裂缝或者断层等高渗透性通道喷出地面堆积而成。外形多呈锥状或盆穴状小丘,其顶部多有坳陷且有通往地下深部的管状孔洞,结构与岩浆-火山有许多相似的地方,但它们所喷发的物质不同,泥火山的喷出物为地壳浅部的沉积物,而岩浆-火山喷出物绝大部分是出自地壳深部或地幔的岩浆(李锰等,1996;MilkovAV,2000;AliyevAA,2002;DIMITROVLI,2002;黄华谷等,2011)。
图2 莲湖地区的泥火山图(镜像NW)Fig.2 Lian Lake area of mud volcanoes (mirror NW)
本次在托素湖与可鲁克湖之间区域发现的泥火山,位于托素湖东北侧低丘陵山腰(图2),其突出地表,地貌特征明显,外型呈锥状小丘,中间为漏斗状。泥火山特征见表1。泥火山主要沿大柴旦-托素湖断裂带走向,靠近托素湖的一侧分布呈串珠状分布(图3)。泥火山的固体喷出物主要为黄土状粉土、粉细砂和砂砾石,从喷出口自上而下,粒径变大,其中编号为N1、N4和N6的泥火山有明显的流水痕迹。目前还未收集到本区泥火山喷出的气体,据有关资料的内容,泥火山的喷出的气体多为天然气和甲烷类为主(周立君,2000;沙志彬等,2005;MAZZINIA,2009)。
图3 莲湖地区泥火山分布图Fig.3 Lian Lake area distribution of mud volcanoes
编号经度纬度泥 火 山 特 征N197.044856°37.151461°高2m,直径1m,锥形小包,小包自上而下有明显的流水痕迹,物质组成为黄土状粉土,小包外围为砂砾石N297.029848°37.154929°高1.2m,直径0.3m,锥形小包,物质组成为粉细砂,小包外围为砂砾石N397.000985°37.176094°高1.5m,直径0.6m,锥形小包,物质组成为粉细砂,小包外围为砂砾石N496.966981°37.192157°高1.1m,直径0.5m,锥形小包,小包自上而下有明显的流水痕迹,物质组成为粉细砂,小包外围为砂砾石N596.920751°37.214597°高0.8m,直径0.5m,锥形小包,物质组成为粉细砂,小包外围为砂砾石N696.784210°37.217796°高1.3m,直径1m,圆形小包,小包自上而下有明显的流水痕迹,小包自上而下有明显的流水痕迹,物质组成为土黄色黄土状土,小包外围为砂砾石
莲湖地区为古湖底和冲洪积平原,出露的地层为一套陆相砂泥岩为主的沉积组合。这种沉积组合及其所含充足的地下水和古近系地层中天然气为泥火山的喷发提供大量的物质及动力来源。大柴旦-托素湖断裂带为逆冲断裂带,这一区域性全新世活动断裂带控制了该地区的地震和泥火山的活动。莲湖泥火山分布的区域处于地震活动的近源震区,处于欧龙布鲁克残破背斜顶端,容易产生拉张裂隙,且受断裂带的切割,易产生喷发通道。背斜地层的弯曲性质,也易形成聚集气体盖层。由于逆冲断裂带形成的构造应力场和地震应力的共同作用,泥和砂粒等碎屑物质被地下水和天然气在巨大的压力作用下,沿拉张裂隙和断裂带切割所形成的喷发通道喷出地表,形成泥火山。泥火山的活动随着构造运动和地震的活跃程度,呈时强时弱,具有活动期和间歇期的特征。
图4 CD97570地震波勘探测线解释剖面图Fig.4 CD97570 seismic exploration survey line interpretation sectional
5 托素湖、可鲁克湖成因分析
为了较为全面的评价莲湖的构造,以横穿调查区的CD97570地震测线剖面为例,对该剖面进行解释(图4)。剖面由北西向断裂带分割形成了隆-坳、凹-凸相间的“三坳夹两隆”构造格局,从南向北依次为霍布逊坳陷、埃姆尼克隆起、埃北-欧南凹陷、欧龙布鲁克隆起、德令哈坳陷。其中,霍布逊坳陷、埃姆尼克隆起和埃北-欧南坳陷是柴达木复向斜在埃南、埃北等逆冲断裂带的切割下形成的。该剖面发育断展褶皱规模较小,在霍布逊坳陷和埃姆尼克隆起之间是以向南逆冲的逆冲断层系为主,形成了段展褶皱并构成了规模较小的一个三角底板逆冲断层;在埃姆尼克隆起和埃北-欧南坳陷之间是以向北逆冲的逆冲断层系为主,形成了段展褶皱;在埃北-欧南坳陷和欧龙布鲁克隆起之间是以向北逆冲的逆冲断层系为主,形成了小的段展褶皱,也构成了一个规模较小三角底板逆冲断层;在欧龙布鲁克隆起和德令哈坳陷之间是以向北逆冲的逆冲断层系为主,在其上又形成向南逆冲的逆冲断层系,整体构成了规模较大三角底板逆冲断层(尹安等,2007),上干柴沟组(35.5~23.3Ma)在盆地的南、北两侧厚度增大,表明柴达木盆地沉积时,盆地中间产生了向上的褶皱变形,下油山组在盆地范围内未见明显的厚度改变,而上油砂山组和狮子沟组的地层厚度向盆地北侧逐渐增厚,表明这两组地层沉积过程中,柴达木盆地发生了北倾;在柴达木复向斜核部,第四系沉积最厚,向南、北两侧逐渐变薄,说明自2.6Ma以来,其仍在继续活动和进一步发育,现在仍可能在延续。在其南、北两翼,第四纪地层厚度变化有很大的区别,南翼第四系厚度变化小,而北翼第四系厚度变化很大,这说明柴北缘在逆冲断层作用下,第四纪山系抬升较快,而柴南缘山系的抬升较慢。莲湖所在的柴北缘地区在第四纪构造运动剧烈,造成了柴北缘山系的快速隆升。
根据上述地震剖面的解释,笔者推断托素湖-可鲁克湖形成过程如下:石炭纪后侏罗纪前,整个盆地在上升被剥蚀,其东段受强烈的逆冲构造活动影响产生了一系列褶皱;早—中侏罗世,盆地处在伸展环境;白垩纪,盆地受到燕山晚期旋回的影响,炽热的岩浆从地幔上升,逆冲断裂复活,随着岩浆的上升和堆积以及青藏高原的隆升,欧龙布鲁克山等山系有了微小程度的抬升;新近系以来受喜马拉雅运动的影响,随着大柴旦-托素湖断裂带下伏岩浆岩的侵入,沿断裂带第三纪地层发生明显的隆起,形成穹窿构造,逆冲推覆构造剧烈运动、挤压盆地,欧龙布鲁克山等山系隆升幅度很大,使得莲湖一分为二,形成托素湖和可鲁克湖2个姊妹湖(图5),也造成盆地的新生界之前的地层均遭受了不同程度的剥蚀;盆地在山前的部分受挤压作用产生了大幅度的拗陷,沉积形成了新近系和第四系巨厚地层。
图5 托素湖、可鲁克湖形成示意图Fig.5 Tuosu Lake and Keluke Lake schematic form
6 结论
通过对莲湖地区野外地形地貌、地质构造调查,并结合石油地震勘探、钻井等资料,对莲湖地区的地质背景及演化和可鲁克湖、托素湖的成因进行了研究,得出如下结论。
(1)莲湖的发育形成不仅仅是因为地形、地貌的作用,其更主要的是地壳内部构造活动。莲湖地区位于南祁连早古生代裂陷槽、青海南山晚古生代-中生代复合裂陷槽和柴达木盆地拗陷这3个构造单元的交汇部位。莲湖周边存在宗务隆山断裂、巴音郭勒河断裂、柴达木盆地北缘断裂带、大柴旦-托素湖断裂带共4条较大的区域性断裂。莲湖所在的德令哈盆地由上述北西向断裂带分割形成了隆-坳、凹-凸相间的构造格局。
(2)莲湖地区所在的德令哈盆地经历了伸展、褶皱抬升、伸展断陷、挤压坳陷、弱挤压反转、弱断陷、坳陷、强挤压反转等多个构造演化阶段。
(3)莲湖地区泥火山的分布明显受大柴旦-托素湖断裂带的控制,处于地震活动的近源震区,处于欧龙布鲁克残破背斜顶端,其喷出物主要为黄土状粉土、粉细砂和砂砾石,从喷出口自上而下,粒径变大。本次的研究可作为评价本区的油气远景的重要指标之一。
(4)地震剖面由北西向断裂带分割形成了隆-坳、凹-凸相间的“三坳夹两隆”构造格局。托素湖-可鲁克湖的形成与区域的构造演化紧密相关,自白垩纪以来,盆地受到燕山晚期旋回的影响,特别是新近纪以来受喜马拉雅运动的影响,炽热的岩浆从地幔上升,逆冲断裂复活,随着岩浆的侵入,在逆冲推覆构造的作用下,第三纪地层发生明显隆起,形成穹窿构造,逆冲推覆构造剧烈运动、挤压盆地,欧龙布鲁克山等山脉隆升幅度很大,莲湖被分为两部分,是托素湖-可鲁克湖形成的最主要原因。
致谢:本文在完成过程中得到甘肃省地震局袁道阳研究员的修改意见和建议,在此表示衷心感谢。
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Preliminary Investigation and Study on the Characteristics of Mud Volcanoes and the Cause of Tuosuo and Keluke Lakes in Lian Lake Area, Delingha
YAO Shenghai1, ZHANG Jiaqing1, LI wenqiao2, LI hongchong3
(1.QinghaiProvinceEarthquakeAuthority,Xining810010,Qinghai,China;2.StateLaboratoryofGeodynamics,InstituteofGeologyofChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China;3.SchoolofHunmanSettlementsandCivilEnineering,Xi’anJiaotongUniversity,Xi’an710049,Shaanxi,China)
WhatmechanismscausedtheformationoftheKeluke-TuosuoLakesisstillnotknownclearly,duetothelackofdeeplyandsystematicstudies.TounderstandthegeologicalbackgroundandevolutionoftheKeluke-TuosuoLakes,thefieldgeomorphologyandgeologicalcharacteristicsofLianLakeareahavebeenanalyzedthroughcombiningwiththeseismicdatafromoilexplorationanddrilling.SeveralmudvolcanoeshavebeenfoundintheareaalongDachaidan-TuosuLakefaultzone,whichareobviouslycontrolledbytheactivefaults.Andthen,themainreasonsfortheformationoftheTuosuandKelukeLakeshavebeendiscussed.SincetheCarboniferousepoch,theLianLakeareahasexperiencedseveraltectonicevolutionhistories,suchasextension,foldinganduplift,rifting,compressionanddepression,weakreverse,weakrift-sagging,depression,andstrongreverse.Thus,theformationsoftheTuosuoandKelukeLakesweretightlyrelatedtotheregionaltectonicevolution,especiallyfromtheimpactfromtheHimalayassinceNeogeneperiod.Astheresultsofthemagmaintrusionandoverthrust,thetertiarystratawereupliftedobviously.Andthen,theOulongbulukeMountain,AimunikeMountain,andsomeothermountainsupliftedsignificantly,andtheLianLakeareawasdividedintotwoparts.
LianLake;mudvolcano;tectonicevolution;seismicsection;interpretation;cause
2016-01-02;
2016-04-22
青海省地震局基金项目“德令哈托索湖泥火山研究”(2012A03)
姚生海(1980-),男, 2003年毕业于兰州大学资源环境学院地质工程专业, 工程师,主要从事地震构造研究、地震安全性评价等工作。E-mail:shenghaiyao@sina.com.cn.
P66
A
1009-6248(2016)03-0155-09