柴达木盆地东部中生代以来构造应力场及构造演化

王冰+刘成林+李宗星+郑策

摘要：柴达木盆地具有复杂的构造演化史，周围三大板块对盆地的构造改造、演化有重要的控制作用。基于野外基础地质资料，利用德令哈及周缘地区构造要素测量分析、ASR法地应力测量、构造演化史剖面分析，阐述古、今地应力状态及可能的转变，从动力学机制方面分析柴达木盆地东部构造变形的主导因素，并对中生代以来构造演化过程进行探讨。该构造演化过程分为5个阶段：①晚二叠世—三叠纪抬升剥蚀阶段，受NE—SW向挤压；②早—中侏罗世伸展断陷阶段，受SN向弱拉张形成了一些差异断陷沉降带（如德令哈凹陷等），阿尔金断裂、柴达木盆地东部均发生左旋走滑；③晚侏罗世—白堊纪挤压反转阶段，白垩纪应力场转变为NE—SW向挤压，阿尔金断裂左旋走滑，柴达木盆地东部受挤压应力作用单纯地向祁连山产生推覆；④古近纪挤压断陷坳陷阶段，受近SN向挤压应力作用，阿尔金断裂强烈右滑，沿NW—SE向的分量可使柴达木盆地东部发生右旋走滑运动；⑤新近纪—第四纪阶段，柴达木盆地遭受强烈挤压，近SN向挤压应力作用在喜山晚期达到最强，奠定了柴达木盆地现今构造格局。

关键词：构造要素；层面恢复法；ASR法；应力场；动力学背景；构造演化；柴达木盆地

中图分类号：P542+.2文献标志码：A

Abstract： Qaidam Basin has a complex tectonic evolution history. The surrounding three plates play important roles on controlling tectonic reconstruction and evolution of the basin. Based on the field geological data， the state of ancient and modern insitu stresses and the possible transition were explained according to the measurement analysis of tectonic elements， the insitu stress measured by ASR method and the crosssection analysis of tectonic evolution history in Delingha area and its adjacent areas； according to the dynamic mechanics， the primary factors of tectonic deformations in the eastern Qaidam Basin were analyzed， and the tectonic evolution process since Mesozoic was discussed. The tectonic evolution process includes five stages： ①from Late Permian to Triassic， the basin is uplifted and eroded by NESW compression； ②there are some differential rift subsidence belts （such as Delingha depression） formed by the SN weak extension at EarlyMiddle Jurassic extensional rift stage， and both Altyn Tagh fault and the eastern Qaidam Basin show left lateral slip； ③at Late JurassicCretaceous compression inversion stage， the stress field turns to NESW compression in Cretaceous， and Altyn Tagh fault shows left lateral slip， while the eastern Qaidam Basin simply thrusts onto Qilian Mountains by compression； ④at Paleogene compressive riftdepression stage， Altyn Tagh fault shows strongly left lateral slip because of SN compression， and the eastern Qaidam Basin experiences right lateral slip along the NWSE component of SN compression； ⑤from Neogene to Quaternary， the basin experiences intensive SN compression which reaches to the maximum at Late Himalayan， and lays the modern tectonic framework of Qaidam Basin.

Key words： structural element； strata recovery method； ASR method； stress field； dynamic background； tectonic evolution； Qaidam Basin

0引言

随着柴达木盆地古生界海相地层油气资源调查的进行，石炭系烃源岩及油气藏受到了更多的关注。柴达木盆地东部地区（以下简称“柴东地区”）石炭系野外露头、裂缝中发现有良好的油气显示，大量的地球化学指标也表明该套层系烃源岩厚度大且品质好[1]，石炭系生物礁、溶洞的发现也增加了其储油潜力。总体来看，柴东地区石炭系是油气勘探的新重点。相比于柴达木盆地西部地区（以下简称“柴西地区”）青海油田区块，柴东地区地质相关资料比较匮乏，环境极端恶劣，使得其勘探程度较低。石炭系在盆地内部埋藏深度较大，钻遇晚古生代地层的钻井在整个盆地不足10口。多年来，众多学者在构造演化方面做过许多研究并取得了一定成果[214]。高先志等对柴达木原型盆地进行了探讨[3，5，8]；金之钧等利用平衡剖面、地震解释、沉积恢复等技术，讨论了柴达木盆地构造演化过程[2，4，67，9]。然而，柴达木盆地本身构造背景复杂，勘探程度低，这对讨论柴达木盆地中新生代以来构造演化造成了很大的困难，无论是在阶段时间划分或各阶段盆地性质等方面都存在争议。

受周围三大山系的影响，各演化阶段柴达木盆地边界的动力学性质不尽相同。由于板块间的相互作用，柴东地区构造格局形成的动力学机制不同。从整个盆地来看，柴达木盆地西南缘受阿尔金走滑作用的影响最大，在阿尔金断裂东南盘形成了向西收敛、向东撒开的“帚”状及反“S”构造。柴东地区与柴西地区相同，整体上发育NW向构造带，但是由于构造位置不同，其动力学背景不同。

本文采用多种地质方法，从大量野外及室内数据采集分析入手，对柴东地区构造应力场进行研究，讨论了构造运动动力学机制，综合分析构造演化史，为该地区石炭系油氣勘探提供参考。

1区域地质背景

柴东地区包括柴达木盆地敦格公路以东的广大地区，西起锡铁山—大柴旦，东至牦牛山、沙利克山，北接宗务隆山，南至昆仑山前，包括德令哈坳陷、锡铁山—牦牛山隆起及霍布逊坳陷3个一级构造单元，有利勘探面积约为3×104 km2[1517]。本文研究区主要为柴东地区德令哈坳陷（图1），西起锡铁山，东至牦牛山、沙利克山，北接宗务隆山，南至埃姆尼克山东南部，面积约为123×104 km2。刘成林等依据电磁、地震资料将德令哈坳陷划分为德令哈凹陷、欧龙布鲁克凸起、埃北凹陷、埃姆尼克凸起4个二级构造单元[1822]。野外石炭系出露于德令哈东部尕海南山、旺尕秀、死狼沟，及西部的石灰沟、城墙沟等地区，区内主要发育石炭系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系地层。其中，石炭系发育完整，下石炭统包括穿山沟组、城墙沟组（C1c）、怀头他拉组（C1h），上石炭统包括克鲁克组（C2k）、扎布萨尕秀组。

2构造应力场分析

2.1古构造应力场

地层在水平、倾斜状况下受力变形产生共轭节理的机制不一样，导致在多期应力叠加的情况下利用共轭节理进行应力分析比较困难[23]。因此，本文综合运用野外构造节理、褶皱、断层，对角度不整合进行识别，并利用层面恢复法对大量数据进行处理，获得各个时期的古构造应力方向，探讨中生代以来应力场可能的转换。

从野外构造来看，石炭系发育3、4组节理，侏罗系—白垩系发育1、2组节理，上新统狮子沟组（N2s）发育4组节理，第四系主要发育1组节理，说明研究区构造活动有一定的阶段性，至少可以识别4期最大主应力方向，并且各个观测点存在节理相互切割、限制终止的关系。石灰沟地区下石炭统怀头他拉组可以识别出3组规模节理：NW向、SW向共轭节理，近SN向共轭节理，近EW向节理。

第1组共轭节理相互切割，第2组共轭节理终止于第1组节理，而第3组节理终止于第2组节理，表明SN向挤压应力晚于近EW向[图2（a）]，其他剖面（如尕海南山、城墙沟等）石炭系也发现同样的关系。角度不整合则多发育于尕海南山及城墙沟、旺尕秀煤矿等（图2、3），表明柴东地区经历了几次大的构造运动，并可根据角度不整合将研究区中生代以来大致划分为3个构造层：侏罗系—白垩系、古近系—新近系、第四系。

室内数据处理利用德国 Johannnes Duyster 博士1999年编写的构造节理恢复软件StereoNett2.4。首先，把地层产状和构造节理投影到吴氏网上（等面积下半球投影）；然后，根据野外实际情况，绕地层走向顺时针或者逆时针旋转地层一定角度（地层倾角），得到层面校正后数据[2427]。当岩层近水平时，可以利用WinTensor软件直接进行赤平投影应力分析；而在岩层倾斜时，赤平投影应力分析之前应用SrereoNett2.4软件进行水平校正。以怀头他拉组为例，构造节理数据采自尕海南山等剖面，岩性主要为泥晶灰岩、生屑灰岩，生物化石极其丰富。实测数据只能识别出NW—SE向挤压应力，层面校正后可获得NE—SW向、近EW向挤压应力，说明下石炭统怀头他拉组水平时主要受到NE—SW向挤压，地层倾斜之后主要受到NW—SE向挤压（图4）。

同样地处理大量节理、褶皱、断层等数据分析得知：下奥陶统石灰沟组（O1s）水平时，受到NE—SW向、NW—SE向挤压；下石炭统—上石炭统（C1—C2）水平时，主要受到EW向挤压，之后叠加了近SN向挤压；中侏罗统（J2）水平时，主要受到EW向挤压，地层倾斜后受NE—SW向挤压，末期主要受到SN向拉张；白垩系（K）沉积后，受到NE—SW向挤压；上新统油砂山组（N2y）水平时及倾斜之后，均受到NE—SW向挤压；上新统狮子沟组水平时，主要受NE—SW向挤压，之后叠加了SN向挤压；第四系（Q）主要受SN向挤压（表1）。应力场分析中，侏罗系SN向拉张支持早—中侏罗世盆地处于伸展断陷阶段，晚侏罗世—早白垩世发生挤压反转，先期形成的正断层受NE向挤压作用逐渐转变成逆断层。

研究区主要经历的4期挤压应力分别为燕山中期、燕山晚期、喜山早期、喜山晚期（图5～7）。中侏罗世，研究区受燕山中期运动影响，应力场引起的构造行迹保存较少，多被后期应力场改造变形，应力场强度较弱；白垩纪末期，研究区在燕山晚期应力场作用下向南产生逆冲推覆；古近纪，喜山早期主应力轨迹方向跟燕山晚期大致相同，先期形成的构造在该期应力下得到改造；喜山晚期，柴东地区受应力场强烈改造作用，形成柴达木盆地的现今构造格局。

2.2现今地应力

首次将ASR原地应力测量技术应用到柴达木盆地。利用钻孔岩芯卸荷后的非弹性应变恢复变形（Anelastic Strain Recovery， 简称ASR法）对石灰沟的两口煤炭井ZK51和ZK52进行现今地应力测量，测量钻孔取芯位置的三维地应力大小及方向信息。本次地应力测量层位主要为石炭系克鲁克组，是一套碎屑岩、碳酸盐，获取了406～801 m内4个深度（406、648、775、801 m）的三维地应力状态（表2）。在测量岩芯样品古地磁方法定向结果的基础上，确定ASR法所获取的主应力方位，获得了ZK51、ZK52井内4个深度的三维主应力方位（图8）。

两个钻孔的地应力测量结果表明在406～801 m深度范围内主应力变化范围为：最大主应力（σ1）为164～29.5 MPa，中间主应力（σ2）为103～21.4 MPa，最小主应力（σ3）为76～166 MPa；水平最大主应力（σH）为159～295 MPa，水平最小主应力（σh）为78～165 MPa；垂直主应力（σv）为106～208 MPa。最大主应力近垂直，水平最大主应力方向为NW43°～〖HJ56x〗NW72°之间。地应力状态表现为σH>σv>σh，根据安德斯断层模型，研究区现今处于走滑应力状态。

3构造演化剖面分析

本文对柴达木盆地构造分区及构造演化资料进行了详细调查，对地震剖面进行了解释处理，分析了构造演化史。综合考虑剖面质量、层位全面、接触关系等因素，选取研究区垂直构造带的97570地震测线构造演化剖面（NNE向）进行分析，得到各个演化阶段剖面的构造形态（图9）和长度数据；根据剖面长度、地层时代计算各构造阶段的收缩率伸展率及应变速率（图10）。由于地震资料质量差，穿过盆地内的测线剖面显示的地层接触关系不清晰，只在露头区可观测到不整合现象，遂对构造演化剖面中地层接触暂做整合处理。

构造演化剖面显示：研究区整体表现为“两坳夹一隆”的构造格局，即德令哈坳陷、埃母尼克凸起、霍布逊坳陷；靠近北部宗务隆逆冲造山带构造变形强烈，发育逆冲推覆构造，主控断层上盘构造发育，下盘一般为深凹带，如德令哈凹陷、霍布逊坳陷。剖面上埃母尼克山南、北侧断裂比较发育，在布格重力异常图、剩余重力异常图上都表现为明显的重力异常梯级带[27]，切割地层较深，延伸比较远，存在多期活动性。从构造演化剖面可以推测埃母尼克山南缘、北缘断裂带形成于晚侏罗世，与燕山运动有关，后期持续活动，断层上盘中新生代地层厚度明显减薄。

侏罗纪时期存在弱拉张作用，有正断层显示，伸展率约为08%，应力分析也发现存在SN向拉张作用，可以认为早—中侏罗世，研究区处于伸展断陷阶段，到白垩纪逐渐变为挤压环境。研究区内也发育一些压扭性“正”花状构造，这种压扭性质的构造可能与研究区NE—SW向挤压及祁连山前的NW向走滑有一定关系。但研究区侏罗纪—白垩纪时期地层受到的构造挤压变形比较弱，燕山期挤压构造作用加强，逆冲构造特征更加明显，中新生代地层变形基本一致，喜山晚期强烈挤压奠定了现今构造格局。

4讨论

4.1构造运动动力学机制

柴达木盆地是一个构造运动多期叠加的盆地。印度洋快速扩张导致印度板块、西伯利亚板块相互碰撞，柴达木盆地边缘山脉快速隆升，形成阿尔金山、东昆仑山、祁连山三大构造体系。这三大构造体系边界将柴达木盆地限于一个三角形区域内。其基本动力学背景是受到印度板块的向北挤压，同时受到北部阿拉善地块的阻挡及东侧华北板块、西侧塔里木地块的侧滑而形成力偶环境[28]。研究区处于柴达木盆地东部挤压逆冲断裂系统中，断裂主体呈NW向，表现为简单的挤压逆冲，其形成分布与基岩分布有关。马寅生等研究认为NW向大断层（柴北—油北—塔尔丁断裂和北部断块带南缘断裂）可能最早形成于古生代甚至元古宙[29]，这些断裂必然对后期应力作用有调节作用，对盆地内部沉积、构造起着控制作用。

受不同期次、不同方向的应力作用影响，盆地不同构造位置的构造运动方式不同，盆地内部多受挤压作用，而三大构造体系边界处则可产生不同性质走滑，其中与青藏高原隆升相关的阿尔金断裂走滑对研究盆地构造特征有重要意义。阿尔金断裂最早活动时间尚未明确，大多数学者认为是中新生代以来开始活动[3032]，其活动的阶段性对盆地构造改造强烈。从位置上来看，柴西地区更靠近阿尔金断裂带，构造变形特征受走滑作用影响较大，形成一系列的拉分、挤压构造，局部发生隆起、断陷，形成NW向收敛、SE向撒开的“帚”状组合。而柴东地区靠近华北板块与柴达木地块作用带，距离阿尔金断裂带较远，挤压应力占主导，但是也发育有一些规模不同的走滑断层、方解石充填雁列式张节理以及SC构造，代表着先期的几次走滑运动，ASR法测量结果也显示出柴东地区现今处于走滑应力状态。因此，可以确定古生代以来走滑运动对其构造格局的形成有一定作用，只是具体的走滑期次、范围、影响大小、动力学机制还不清楚。总体来看，柴东地区构造变形受到挤压和走滑的影响，以挤压变形为主，但每一期所占分量有所不同。

葛肖虹等认为，由于西北边界受塔里木刚性地块的阻挡，印度板块向北挤压使盆地内部的物质只能朝NE向涌出[33]。基于这个观点，根据地应力场几期转换特征，综合考虑应力不同方向分量的大小，在印度板块向北挤压且阿尔金断裂多期活动的大背景下，分析柴东地区走滑动力学机制。结果表明：①早—中侏罗世，由于塔里木地块、华北板块向北移动，此时阿尔金断裂、柴东地区均表现为左旋走滑，但柴东地区构造变形主要是受SN向弱拉张作用产生一系列的断陷，走滑作用对其影响较小，在城墙沟地区怀头他拉组可见少数左行走滑，规模较小；②白垩纪末期，应力场转变为NE—SW向挤压，盆地内物质、阿尔金断裂东南盘朝NE向运动，盆地顺时针旋转，导致阿尔金断裂发生左旋走滑，该期应力与NW—SE向边界近垂直，柴東地区地层受挤压单纯地朝NE向的祁连山构造带产生推覆，此时连续隆升作用使得柏树山地区形成一些磨拉石建造；③古近纪，整个盆地受近SN向强烈挤压，阿尔金断裂强烈右滑，而柴东地区主要受挤压应力作用，继承燕山晚期构造格局，但是在NW—SE向分力作用下也发生一系列右旋走滑；④新近纪至第四纪，挤压应力达到最强，阿尔金断裂变为左旋走滑，发生几次大规模的走滑运动，但柴东地区主要受SN向挤压应力作用，地层强烈改造变形，形成一系列线性构造，现今地层主要受走滑作用影响，但是强度不大。

4.2中生代以来构造应力场及构造演化

根据应力场、平衡剖面、动力学机制研究结果，结合前人资料对柴东地区中生代以来的构造演化过程进行探讨。

（1）晚二叠世—三叠纪抬升剥蚀阶段，研究区受NE—SW向挤压作用，发生抬升剥蚀，造成晚二叠世—中三叠世地层缺失，使得侏罗系沉积超覆于石炭系之上，与其呈角度不整合接触（图4）。彭渊等在尕海南山、旺尕秀煤矿也发现了石炭系与侏罗系之间的角度不整合，下伏石炭系可能遭到破坏[34]。汤良杰等认为柴达木盆地晚二叠世—三叠纪由弧后断陷转为弧后挤压，宗务隆山缺失该地层[35]。郭安林等根据侵入宗务隆带南侧的海西期—印支期花岗岩（年龄为246 Ma的天峻南山花岗岩、年龄为238 Ma的青海湖南山花岗岩），认为晚二叠世—中三叠世宗务隆洋洋壳向南发生俯冲消减[36]。此时，柴达木盆地南缘受邻区巴颜喀拉洋的扩张作用，柴达木盆地北缘构造应力场由拉张转为收缩。该期产生的岩浆活动使柴达木盆地北缘隆升，早二叠世—中三叠世始终处于剥蚀状态[37]。

（2）早—中侏罗世伸展断陷阶段，柴达木盆地处于松弛伸展状态，盆地内形成了一些差异断陷沉降带（如德令哈断陷等），并且多为EW向分布的箕状断陷。侏罗纪时期存在弱拉张作用，主要体现在：印支末期伸展率约为08%，侏罗系平衡剖面恢复发育有正断层，这种张性断裂明显控制了侏罗系的沉积和沉降中心，导致柴达木盆地北缘沉积中心向东迁移至大煤沟、鱼卡等地区，坳陷盆地范围扩大至柴东地区，研究区也于此时接受大煤沟组沉积。中侏罗世构造应力恢复发现存在SN向拉张作用，该期拉张应力造成华北板块向北、羌塘地块向南移动，阿尔金断裂、柴东地区均发生左旋走滑。因此，可以认为早—中侏罗世研究区处于伸展断陷阶段，盆地性质为断陷坳陷。

（3）晚侏罗世—白垩纪挤压反转阶段，主要受NE—SW向挤压应力作用。晚侏罗世，研究区内伸展作用减弱，SN向拉张转变为NE—SW向挤压应力作用。研究区中、下侏罗统与上侏罗统（图4）或中、下侏罗统与白垩系之间存在不整合，柴达木盆地北缘、宗务隆山前断裂均由正断层转换为逆断层。商琳等根据柴达木盆地北缘主干断裂的断层落差计算结果也证实了这个转变，即在燕山早期表现为正断裂（断层落差小于0 m），而燕山中期各条断裂活动性都不同程度地增强（断层落差大于0 m），表现为逆断裂[38]。白垩纪时期，应力场EW向挤压转变为NE—SW向挤压，柴东地区受挤压应力作用单纯地向祁连山产生推覆，表现为早白垩世至始新世时期的沉积间断以及渐新统与下白垩统平行不整合接触（图4），而阿尔金断裂东南盘相对塔里木刚性地块朝NE向运动，导致阿尔金断裂发生左旋走滑。

（4）古近纪挤压断陷坳陷阶段，基本继承燕山期的构造演化格局。由于印度板块和欧亚板块碰撞（喜马拉雅运动早期）受近SN向挤压应力作用，柴东地区处于挤压断陷坳陷阶段。华北地块、羌塘地块以及塔里木地块联合挤压柴达木地块，使其发生顺时针旋转，阿尔金断裂强烈右滑；该挤压应力在先期形成的NW—SE向断裂沿断层走向的分量可使柴东地区发生右旋走滑运动，印度板块持续向北推挤使得先期的坳陷进一步沉降，诸山进一步隆升。

（5）新近纪—第四纪阶段，受印度板块、欧亚大陆强烈碰撞作用（喜马拉雅运动晚期），青藏高原强烈隆升，柴达木盆地遭受强烈挤压，喜山晚期近SN向挤压作用达到最强，剖面上地层收缩率较高，先存断裂普遍遭受强烈改造，先期褶皱得到进一步发展，同时也使得新地层卷入褶皱，奠定了现今构造格局。

5结语

（1）利用构造节理、地震剖面进行应力场、平衡剖面分析，研究结果均支持早—中侏罗世时期柴达木盆地处于伸展断陷阶段。早—中侏罗世柴东地区表现为弱SN向拉张，有正断层显示，伸展率约为08%，晚侏罗世—早白垩世发生挤压反转，先期形成的正断层受NE—SW向挤压作用逐渐转变成逆断层。侏罗纪—白垩纪地层受到的构造挤压变形比较弱，燕山期、喜山期挤压构造作用增强。

（2）总体上，印度板块向北俯冲，产生向北挤压应力，这是柴东地区构造变形的主要原因。在挤压应力作用下，由于周边板块限制兼有走滑作用，野外构造及ASR法地应力测量都显示了柴东地区构造变形。

（3）柴东地区中生代以来的构造演化主要可以分成5个阶段。各个演化时期内，研究区受不同方向、不同性质应力作用，边界处发生不同的走滑运动，盆地内局部地区发生抬升、剥蚀，产生一系列平行、角度不整合，形成现今剖面上受压扭断裂控制的“两坳夹一凸”构造样式及平面上“南北分带”的构造格局。

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收稿日期：20160726

基金项目：中国地质调查局地质调查项目（1212011120964）

作者简介：王冰（1991），男，天津市人，中国石油大学（北京）工学硕士研究生，Email：wbingtg@sina.com。

通讯作者：刘成林（1970），男，四川资阳人，教授，博士研究生导师，工学博士，Email：liuchenglin@cags.ac.cn。