造山带隆升与非均衡沉降盆地的响应关系——以鄂尔多斯盆地陇东地区长7—长6油层组为例

陈朝兵，陈新晶，黄锦袖，石 义，朱玉双，曹江骏，解宇航，阮 昱

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，西安 710065；2.中国石油 长庆油田分公司 第六采油厂，西安 710200；3.中国石油 长庆油田分公司 气田开发处，西安 710200；4.中国石油 西部钻探工程有限公司 井下作业公司，新疆 克拉玛依 834000；5.西北大学 地质学系 大陆动力学国家重点实验室，西安 710069；6.中国石油 华北油田公司 勘探开发研究院，河北 任丘 062550)

近年来，随着油气勘探理论的不断发展，非常规油气资源的勘探开发成为新热点[1]。鄂尔多斯盆地蕴含着丰富的非常规致密砂岩油气资源，勘探开发潜力巨大。盆地西南部陇东地区延长组长7—长6油层组是致密砂岩油藏的主要聚集层位，但由于该地区处于延长期湖盆坳陷中心，沉积环境及砂体成因复杂，不同成因砂体相互叠置，纵向非均质性强，造成研究区的勘探开发效果不理想。盆地南部秦岭造山带的隆升进一步加剧了研究区构造和沉积物的复杂性，长7—长6地层广泛发育了凝灰岩夹层、重力流、震积岩等事件沉积体，这些事件沉积体的成因及触发机制成为学者们研究的热点[2-4]。

事件沉积物是指受到快速、异常地质作用而形成的地质记录，具有等时性、瞬时性和延展性的特点[2]。目前，前人对深水事件沉积物的研究取得了长足进步[5-10]，但研究成果相对独立，较少考虑周边造山带隆升对盆地的影响，尤其是对于鄂尔多斯盆地延长组长7—长6湖盆转型期物源转化、深水沉积体分布、各类事件沉积与周缘造山带的时空响应关系还有待深入研究。

本文在前人认识的基础上，从时间和空间上分析了秦岭造山带的隆升对鄂尔多斯盆地沉积中心、物源、沉积类型及事件沉积体分布的影响，厘清鄂尔多斯盆地拗陷期事件沉积与秦岭造山带隆升的耦合关系，为进一步揭示非均衡沉降湖盆演化和深水坳陷区油气成藏提供有力证据。

1 湖盆拗陷期沉积特征

鄂尔多斯盆地地处中国中部，为稳定的大型多旋回克拉通盆地，现今构造形态为一平缓的西倾单斜，盆地定型于新生代早期(燕山末幕)，坡度通常小于1°。盆地内可划分为6个二级构造单元，分别为北部的伊盟隆起、西部的天环坳陷和西缘逆冲推覆带、东部的晋西挠褶带、南部的渭北隆起带及中部的伊陕斜坡。鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期为大型内陆湖盆演化期，湖盆经历了初始拗陷、湖盆扩张、强烈拗陷、回返抬升、萎缩消亡5个阶段，沉积中心及细粒沉积物也由盆地东北—西南—东北迁移变化，表现为非均衡沉降特征[11]。

延长组地层总厚度约1 300 m，是一套以河流—三角洲—湖泊沉积为主的陆源碎屑岩系，自下向上划分为长10—长1等10个油层组[4]。其中，长10期盆地进入初始拗陷期，湖盆雏形出现，湖岸线周围发育湖侵和高位体系域的小型三角洲沉积；长9—长8期是湖盆快速扩张期，基底活动性增强，沉积中心位于志丹—甘泉—富县一带，并在长9段中上部发育了延长组第一套区域烃源岩，即“李家畔页岩”，围绕坳陷中心发育浅水型的河流—三角洲—浅湖沉积体系；长7期湖盆进入强烈拗陷期，湖泊范围扩大，沉积格局发生转化，沉积中心向西南方向迁移至定边—环县—华池—正宁一带[12](图1)，以持续的湖侵体系域为主，长7段沉积了盆地第二套区域烃源岩，即“张家滩页岩”，该套烃源岩厚度大、有机质丰度高，是延长组的主力烃源岩。湖盆周边发育河流—三角洲沉积，坳陷中心内广泛发育凝灰质夹层、重力流、震积岩等沉积。长6期，基底沉降幅度减弱，沉积中心范围较长7期有所缩小，但在深湖区仍发育大量重力流等沉积物，湖盆周边广泛发育三角洲沉积体。长4+5期基底短暂沉降后继续保持抬升；长3—长1期，西南部构造抬升导致“湖退砂进”进一步加剧，湖盆大幅萎缩，沉积中心已迁移至盆地东北部横山—子长一带，盆地进入全面沼泽化。至此，鄂尔多斯湖盆结束了延长期的构造、沉积演化历程，并形成了具有完整生、储、盖成藏条件的生油组合。

图1 鄂尔多斯盆地长7—长6期沉积中心分布据武富礼等[12](2004)修改。

2 秦岭造山带主体隆升时间及特征

秦岭造山带是横亘在中国内陆中央的东西向山岭，其演化历史久远。震旦纪至早古生代早期，为古秦岭—大别洋的板块扩张期；中奥陶世至早泥盆世，扬子板块开始向华北板块下方俯冲，导致华北板块的抬升；自泥盆纪开始，扬子板块与华北板块的陆壳前段开始碰撞接触，进入板块碰撞造山阶段。秦岭造山带的造山过程一直持续到新生代，先后经历了点接触碰撞阶段(中晚泥盆世—石炭纪)、面接触碰撞阶段(晚石炭世—早二叠世)和全面碰撞造山阶段(晚三叠世—新生代)[13]。

张国伟、陈世悦等[13-14]认为晚三叠世印支期是秦岭全面碰撞造山的主要时期。三叠纪印支期的全面碰撞造山阶段，伴随着古特提斯洋的关闭，最后发生强烈的变质变形和花岗岩浆活动，秦岭造山带全面隆升，其隆升过程具有差异隆升的特点。一方面，古特提斯洋的闭合并非均匀推进，而是自东向西呈“剪刀式”分段分期闭合，最终碰撞造山。王非、徐杰等[15-16]对秦岭地区花岗岩Ar40—Ar39进行年代测定及磷灰石裂变径迹分析表明，东、西秦岭经历了完全不同的冷却历史，反映了东、西秦岭差异隆升的特点。其中，东秦岭的隆升始于晚三叠世早期，是秦岭造山带隆起的先锋，主要发育超高压变质岩，年龄主体在231～225 Ma；西秦岭的隆升时间最晚，约在218～210 Ma。由于西秦岭处于秦岭—祁连造山带的接合部位，是整个秦岭碰撞带的收尾段，应力最为集中，碰撞强度最大，发育一套大陆边缘型的岩浆岩建造[16]。因此，从构造强度来讲，西秦岭向北碰撞、俯冲作用要强于东秦岭。另一方面，秦岭造山带南北方向上也存在明显差异隆升现象，徐杰、柳小明等[16]通过对南、北秦岭地区不同花岗岩体进行黑云母40Ar—39Ar年龄及锆石损伤年龄测试表明，北秦岭隆升速度慢于南秦岭，南秦岭东部隆升时间在200～150Ma期间，而北秦岭的隆升时间在189～90 Ma期间。

3 造山带隆升与盆地沉积响应特征

3.1 造山带岩浆活动对沉积物源的影响

秦岭造山带的隆升是鄂尔多斯盆地西南部晚三叠世期间主要的构造事件，发育了大量的中酸性侵入岩体。根据前人[17]关于西秦岭和太白地区花岗岩体的分布及同位素测年数据，秦岭造山带隆升伴生的主要花岗岩体有关山岩体(222 Ma，Rb-Sr；187 Ma，U-Pb)、宁陕岩体(202/214 Ma，U-Pb)、宝鸡—太白岩体(231 Ma，U-Pb)等，其中西秦岭北侧以二长花岗岩为主，为碰撞、俯冲挤压成因的“S型花岗岩”。上述花岗岩体年龄范围为231～187 Ma，主体处于晚三叠世(227～205 Ma)，时间上接近印支运动Ⅱ期(224～210 Ma)[18]。

西秦岭地区广布的花岗岩侵入体，是否为鄂尔多斯盆地西南部提供了物质来源？这个问题是明确造山带隆升与盆地沉积响应关系的重要证据之一。长7期是鄂尔多斯湖盆范围最大的时期，盆地西南部陇东地区沉积了一套重力流沉积建造。本文通过选取陇东地区HQ3-1、HQ4-5、HQ7-8三口井长7重力流砂岩样品进行锆石U—Pb同位素测年分析，结果表明：陇东地区长7砂岩阴极发光下的锆石颗粒多数晶形完整，具清晰振荡环带结构，表明其来自岩浆成因的锆石；U—Pb同位素测年数据中(图2，3)，36%的锆石颗粒介于245～198 Ma(印支期)，15%的锆石颗粒介于470～360 Ma(加里东期)，38%的锆石颗粒介于2 100～1 700 Ma(吕梁期)，11%的锆石颗粒介于2 550～2 300 Ma(古元古代早期)，其中245～198 Ma与上述印支期西秦岭花岗岩侵入时间基本吻合，470～360 Ma源自秦岭—祁连山加里东期宽坪岩群、秦岭群以及岩浆岩体，2 100～1 700 Ma源自秦岭—祁连山吕梁期岩层，2 550～2 300 Ma源自古元古代早期的北部阴山变质岩。结合盆地周缘母岩特征，确定了延长期盆地西南部主要物源来自秦岭—祁连地区不同时代的岩浆岩母岩，以及少量北部阴山地区的变质岩母岩，其中印支期西秦岭隆升形成的花岗岩为延长期盆地西南部提供了超过三分之一的物质来源。而延长期之前，盆地西南部物源供给主要以盆地东北部阜平杂岩及盆地北部的海西期岩浆岩为主[17]，西南部物源供给次之。

图2 鄂尔多斯盆地陇东地区长7砂岩锆石206Pb/238U同位素年龄分布

图3 现今秦岭造山带与鄂尔多斯盆地位置及取样测试点分布

因此，延长期是鄂尔多斯盆地西南部物源供给体系转化的重要节点。秦岭造山带的隆升以及伴生的岩浆活动，加强和丰富了盆地西南部的物源供给体系，来自不同时代秦岭造山带的母岩，为盆地西南部深坳区的沉积提供了充足的物质保证，是该时期盆地西南部大幅沉降和西秦岭快速隆升的耦合效应之一。

3.2 事件沉积体特征

3.2.1 凝灰岩事件沉积特征

鄂尔多斯盆地延长组广泛发育凝灰岩夹层，连续沉积厚度一般小于1 m，平面分布具有一定区域性，纵向分布以长7—长6地层相对集中(图4a)，其他各层也有零星分布，常作为区域标志层存在[19-21]。凝灰岩以灰黄色、灰褐色、灰白色为主(图4b)，存在不同程度的蚀变，呈疏松破碎状或坚硬的玻璃断口状；火山凝灰质也可不同程度充填于砂岩孔隙内，造成原生孔隙丧失，对砂岩储集能力造成一定破坏(图4c)。凝灰岩夹层的测井响应特征明显，表现为低电位、高伽马、高声波时差、高电阻率的特征。延长组的凝灰岩分为空降型和水携型[21]，空降型通过风力搬运沉积且后期未遭受再沉积作用，具有正粒序和凝灰结构，主要分布在长7—长6地层中。水携型多是经历了二次搬运并沉积下来的凝灰岩，蚀变作用强，最终可转化为斑脱岩，主要分布于长7—长6以外的地层中。

图4 鄂尔多斯盆地长7—长6油层组凝灰岩事件沉积体特征

3.2.2 深水重力流事件沉积

深水重力流事件沉积通常由火山、地震、重力滑塌等阵发因素诱发，导致沉积物和水的混合物在重力作用下顺坡滑塌、滑移而成[22-23]，而造山带附近通常是火山、地震、重力滑塌等触发因素的高发区。鄂尔多斯盆地深水重力流砂体主要分布在陇东地区长7—长6地层中，且通常夹有多层凝灰岩薄层，因此上述凝灰岩年龄数据应与重力流砂体沉积时间一致或相近，也与西秦岭的隆升时间接近。重力流砂体是火山频繁爆发诱发深水斜坡区沉积物滑塌堆积的产物。

重力流与常规牵引流的沉积构造特征存在明显差异。深水环境的水动力十分复杂，不同类型重力流沉积物相互转化、叠置。重力流可分为由非牛顿流体层流引发的碎屑流和由紊流引发的浊流沉积。碎屑流进一步分为泥质碎屑流和砂质碎屑流，浊流则细分为低密度浊流和高密度浊流[22](图5)。泥质含量对重力流流体性质也有明显控制作用，能够改变流体屈服强度及流态的转化方向，从而决定重力流的类型[24]。不同泥质含量的碎屑流具有不同的屈服强度，高泥质含量的碎屑流屈服强度较大，泥质碎屑含量较高，属非牛顿流体，流态为层流，形成泥质碎屑流。当泥质含量降低、屈服强度降低时，泥质碎屑倾向于在上部分布，呈漂浮状，中下部则形成砂质碎屑流；当泥质含量进一步降低，屈服强度大幅降低，由砂质碎屑流逐渐向浊流转化；当泥质含量低于一定程度时，重力流逐渐向牵引流过渡，形成以紊流为主、泥质杂基含量低的牵引流砂体，如水下分流河道砂体。陇东地区长7—长6期广泛发育上述不同类型重力流砂体，泥质含量的频繁变化不仅导致不同类型的重力流砂体叠置，也反映了长7—长6期构造活动频次增强的特点。

3.2.3 震积岩事件沉积

震积岩是沉积层中具有各种地震记录的岩石，地震在短时间内释放出巨大的能量，造成未固结—半固结岩层发生各类变形构造，具有一定沉积学和构造指示意义[6]。由于地震能量巨大，对原始层序造成很大破坏，平面上的破坏程度通常与距离震源的远近呈反比，纵向上则根据地震烈度和频率的衰减呈现具有一定规律的震积序列[24]。鄂尔多斯盆地震积岩主要分布在西南部，集中出现在长7—长6段，按形成所需能量高低概括出鄂尔多斯盆地西南部的震积岩沉积序列，自下向上依次为：A段为震积角砾岩，B段为阶梯状震裂缝，C段为液化卷曲变形，D段为液化砂岩脉，E段为砂球枕构造，F段为轻微液化层，反映了地震活动具有频发性和多旋回特征(图6)。重力流沉积和震积岩都是由地震触发，但二者存在较大差异，震积岩形成所需要的启动能量要远大于重力滑动，其变形构造的规模也大于重力滑塌产生的小规模层面揉皱变形，这是两者最大的区别[25]。

图5 鄂尔多斯盆地延长组深水重力流类型及与泥质含量的关系

3.3 造山运动与事件沉积的响应关系

事件沉积体的空间展布规律能够反映造山运动及其伴生的岩浆、地震活动的强度、频率变化特征。通过分析陇东地区凝灰岩夹层、重力流及震积岩等事件沉积体的平面分布规律表明(图3)，秦岭造山带的隆升与鄂尔多斯盆地西南部事件沉积具有很好的时空对应关系，事件沉积体主要分布于长7—长6期湖盆西南部深坳区内。

凝灰岩夹层的空间分布能够有效指示盆地周边火山活动特征。通过长7凝灰岩中锆石年龄测定获得的长7凝灰岩夹层年龄为228.2～221.8 Ma[26]，将长7凝灰岩中测定的锆石年龄与西秦岭同期火山岩体的年龄对比，发现盆地强烈沉降期源区火山喷发频繁，湖盆内部长7期火山凝灰岩主要来自西南部印支期火山喷发物。盆地凝灰岩厚度由西南向东北逐渐减薄尖灭，结合晚三叠世盛行的西南—东北向的古季风[21]，可大致推断火山喷发方向为盆地西南部西秦岭附近，与西秦岭同期广泛发育的“S型花岗岩”侵入体具有同源性。因此，秦岭造山带隆升触发的火山喷发及凝灰岩夹层的集中出现，代表了鄂尔多斯盆地长7湖盆西南部进入快速拗陷阶段，指示了湖盆发育的鼎盛期。

操应长等[24]将同一重力流事件形成的多种类型重力流叠置沉积体称为混合事件层，并对其触发机制进行了室内模拟实验，结果表明，大规模的混合事件层往往形成于坡度较陡的坡折带附近，地形坡度决定了高密度流体搬运的临界条件、高密度流体向低密度流体转化的临界条件以及不同条件下流体的搬运速度，湖盆基底的相对低部位是沉积物卸载的有利地区。陇东地区延长组沉积早期(长10—长8期)，构造活动较弱，湖盆坡度平缓，发育辫状河三角洲及浅水三角洲，砂体厚度稳定，连续性好；至延长组沉积中期(长7—长6期)，秦岭造山带的隆升导致了鄂尔多斯盆地西南部强烈挤压，分别在研究区西南部孟坝—太平—董志一线、东北部华池—南梁—塔尔湾一线形成2个较陡的坡折带，并在坡折带下方沉积了厚层重力流沉积体。其中西南部发育浊流及部分砂质碎屑流沉积体，东北部发育砂质碎屑流及部分浊流、泥质碎屑流沉积体。因此，印支运动不仅是秦岭造山带形成的重要时期，也导致了盆地深坳区的形成。长7期形成了鄂尔多斯盆地西南部较陡的湖盆坡折带，在富含泥质沉积物的斜坡区，当受到秦岭造山带伴生的火山、地震等外部因素的触发，沉积了厚层的、分布面积广的重力流致密砂岩。

图6 鄂尔多斯盆地西南部震积岩垂向沉积序列

震积岩的形成需要地震强度达到5级以上[27]，结合现今地震数据，5级以上地震通常与区域构造活动相关，因此震积岩与鄂尔多斯盆地周边构造活跃期相伴生。通过岩心观察统计盆地西南部震积岩的变形特征及出现频次，结果表明：盆地西南—东北方向，岩心变形频率、幅度、规模逐渐降低，震积岩发现井的连线也基本近东西向，基本平行于秦岭造山带。这一特征也符合吴贤涛等[28]提出的震积岩连线平行于构造带的特点，反映了地震强度和破坏力的衰减方向为西南—东北向，震源为盆地西南缘与秦岭造山带的碰撞部位，与西秦岭延长组沉积中期强烈挤压隆升伴生的火山、地震活动具有很好的对应关系，从沉积学角度证明了长7—长6期正处于秦岭造山带印支期幕式构造运动的强烈期。

4 结论

(1)秦岭造山带隆升与鄂尔多斯盆地延长期非均衡沉降盆地的形成具有良好的因果关系。西秦岭隆升伴生的侵入型“S型花岗岩”为湖盆西南部沉积物提供了超过三分之一的物质来源，改变了盆地西南部的物源供给体系。

(2)凝灰岩夹层、重力流及震积岩的空间分布与秦岭造山带的隆升具有较好的时空对应关系，均主要分布于长7—长6期湖盆西南部深坳区内。秦岭造山带的隆升导致了沉积中心向西南部迁移，并在西南部形成了较陡的湖盆坡折带，形成大面积的深水重力流砂体。西秦岭收尾段的强烈碰撞伴生了剧烈的火山、地震活动，凝灰岩夹层厚度及震积岩分布频率由西南向东北依次降低。