柴达木盆地北缘鱼卡—九龙山地区新生代构造变形特征

2020-04-01陈思远张永庶吴磊张军勇汪立群肖安成沈亚

石油勘探与开发 2020年1期

陈思远，张永庶，吴磊，张军勇，汪立群，肖安成，沈亚

（1.浙江大学地球科学学院，杭州 310012；2.教育部含油气盆地构造研究中心，杭州 310012；3.中国石油青海油田勘探开发研究院，甘肃敦煌 736202；4.东方地球物理公司研究院地质研究中心，河北涿州 072751）

0 引言

柴达木盆地北缘（以下简称“柴北缘”）是在新生代印藏板块碰撞背景下形成的一个复杂变形带[1-2]，广泛沉积青藏高原北缘最齐全的新生界[3-5]，是研究新生代由于印藏板块碰撞远程效应导致构造变形的理想地区。目前对青藏高原隆升过程的认识中存在自南向北逐渐传递的渐进式变形模型[6-7]和南北几乎同时启动的整体变形模型[8]两种观点，而后者的关键证据就来自柴北缘地区的新生代沉积和变形记录[2,9]。受研究方法和资料分辨率的限制，目前有关柴北缘地区新生代层序和构造变形特征的认识还存在很大争议。在地层年代方面，对其新生界底部的路乐河组是属于下始新统还是上渐新统[7,10-11]、物源是来自北侧的南祁连还是南侧的祁曼塔格—东昆仑山地区还存在很大争议[7,12-13]；在构造变形方面，存在冲断[14-16]、右行走滑冲断[1,17-18]、左旋斜冲推覆[19-20]和构造楔[2]等多种解释模型。上述这些不确定性在一定程度上制约了对青藏高原北缘新生代变形机制的理解。柴北缘也是柴达木盆地重要的油气聚集区[21-25]，但一直没有重大的勘探突破，对其开展构造变形研究对后续的油气勘探具有一定意义。本文选取了柴北缘中新生界地表出露良好的鱼卡—九龙山地区作为研究对象，基于最新采集的地震反射资料，结合野外地质调查、钻井数据和磷灰石裂变径迹定年，详细解剖了该地区新生代构造变形特征，并对其变形机制进行了探讨。

1 地质背景

图1 柴北缘鱼卡—九龙山地区地质图

鱼卡—九龙山地区位于柴北缘赛什腾山东端，其东南侧为绿梁山，西南侧为赛南坳陷，为由一系列北西走向褶皱形成的复杂变形区，自南向北分别为马海尕秀背斜、鱼卡本部背斜、鱼卡北部背斜和九龙山背斜（见图1），其从构造单元上属于赛什腾—埃姆尼克构造带[1]。该地区中新生界出露齐全，厚约4 500 m（见图1、图2）。中下侏罗统大煤沟组（J1—2）为一套灰黑色、绿灰色的砂岩、泥岩夹砾岩，是柴北缘主要的产煤层和生油层；上侏罗统红水沟组（J3）为红色泥岩、砂岩及砾岩；下白垩统犬牙沟组（K1）为红色砾岩、砂岩夹泥岩；上白垩统在柴达木盆地整体缺失。新生界主要为一套红色砂岩、砾岩夹泥岩，厚约4 000 m（见图2），自下而上包括路乐河组（E1+2l，距今 44.2～52.0 Ma）、下干柴沟组（E3，距今34.2～44.2 Ma）、上干柴沟组（N1，距今19.5～34.2 Ma）、下油砂山组（N21，距今12.9～19.5 Ma）、上油砂山组（N22，距今8.1～12.9 Ma）、狮子沟组（N23，距今2.5～8.1 Ma）及七个泉组（Q1+2q，距今小于2.5 Ma）。需要说明的是，目前对柴北缘新生界（尤其是下油砂山组及下伏地层）时代还存在较大争议[7,10-11]，但对本文结果影响不大。前人对鱼卡—九龙山地区的研究多关注中下侏罗统大煤沟组的沉积层序、沉积环境及其油气意义[26-27]，而对产生现今构造面貌的新生代变形涉及较少。本文主要参考了Ji等[11]在柴北缘大红沟地区和Fang等[28-29]在柴北缘怀头他拉地区所做的磁性地层定年结果（见图2）。

2 地表变形特征

笔者对马海尕秀背斜、鱼卡本部背斜、鱼卡北部背斜和九龙山背斜进行了详细的野外剖面构造测量，并绘制实测构造剖面图（见图3）。

研究区南部的马海尕秀背斜为一狭长条带型的紧闭背斜（见图1），向南东与绿梁山之间为一断层接触（见图4a），向北西逐渐倾没消失；其南翼地层近直立甚至倒转，北翼相对较缓；背斜核部出露中下侏罗统大煤沟组、上侏罗统红水沟组和下白垩统犬牙沟组，北翼新生界仅出露路乐河组和下干柴沟组，南翼新生界相对齐全（见图1、图3、图4a）。

鱼卡本部背斜位于马海尕秀背斜北部，是一个主体发育在侏罗系中的宽缓背斜，地表地形平坦（见图1）。背斜核部的中下侏罗统炭质泥岩中发育一条北东倾向的逆冲断裂，地层变形非常强烈（见图4b），产状多变，向两翼产状逐渐稳定，其内卷入变形的最新地层为新生界底部路乐河组。鱼卡本部背斜南翼还发育一个次级的背斜和向斜（见图1），再向南以一条大型的北东倾向逆断层与南侧的马海尕秀背斜分隔，野外可见该断裂逆冲至第四纪晚期地层之上（见图3、图4c）。

图2 柴北缘鱼卡—九龙山地层柱状图（据文献[28]，有修改）

图3 柴北缘马海尕秀—鱼卡—九龙山剖面实测构造剖面图（剖面位置见图1）

图4 野外典型构造照片（位置见图1）

鱼卡北部背斜位于鱼卡本部背斜以北，二者之间以一条隐伏断裂分隔（见图1）。其核部出露中下侏罗统大煤沟组炭质泥页岩，褶皱变形严重、次级断裂发育（见图3、图4d、图4e），但地层产状整体较缓；北翼地层直立甚至倒转，大煤沟组与上侏罗统红水沟组之间以一条近直立断裂分隔（见图1、图4d）。野外观测卷入变形的最新地层为下白垩统犬牙沟组，向上被第四系沉积物覆盖（见图3）。

九龙山背斜位于研究区最北部，同样为一线性的紧闭背斜（见图1）；其核部出露新生界下部的路乐河组和下干柴沟组，向两翼被第四系不整合覆盖，且第四系也遭受了一定程度的变形，表明其形态最终定型时间很晚；产状总体具有北翼陡（倾角大于 60°）、南翼缓（倾角约40°）的特征（见图3）。

3 深部结构与变形强度

3.1 深部结构

近十年在鱼卡—九龙山地区的最新石油地震勘探工作在该地区积累了丰富的高精度地震资料。本文选取两条穿过鱼卡—九龙山地区主要褶皱和断裂构造的地震剖面，结合地表露头及钻井数据对其进行解释，揭示其深部变形结构（见图5、图6）。

图5 B—B′地震剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

B—B′剖面（见图5）自南向北依次穿过赛南凹陷、马海尕秀背斜以及鱼卡本部、鱼卡北部和九龙山背斜的西倾没端，向北一直到达南祁连山前（见图1）；最近钻探的龙2井和龙4井位于该剖面附近。从该剖面可以看出：①马海尕秀—鱼卡—九龙山地区总体为一个受南侧赛南断裂、北侧鱼北和龙北断裂控制的近似箱状背斜形态，两翼较陡、核部宽缓，与南、北两侧变形微弱、强烈沉降的赛南凹陷和龙北凹陷具有明显不同的变形特征，二者的基底高差可达2～5 km；②马海尕秀背斜为箱状背斜，南翼受次级反冲断裂影响的次级褶皱，九龙山背斜主要受龙北断裂及其反冲断裂控制，鱼卡本部背斜和鱼卡北部背斜为箱状背斜的宽缓核部发育的次级褶皱，除马海尕秀背斜外，其他 4个背斜在剖面上均属于西倾没端位置，变形幅度很小；③发育的断裂多为陡倾的基底断层，共同构成一个正花状构造。

C—C′剖面（见图6）靠近野外实测剖面，穿过鱼卡本部背斜、鱼卡北部背斜、九龙山背斜的核部并向北直到龙北凹陷；其中鱼卡本部背斜由于靠近剖面南端，无有效地震反射数据，主要通过地表实测数据进行解释；最近钻探的龙 7井位于剖面中部。尽管该剖面反映出的信息较为局限，但表现出了与 B—B’剖面类似的构造特征：①整体为一基底抬升、受赛南、鱼北和龙北断裂控制的复式箱状背斜形态；②鱼卡本部和鱼卡北部背斜形态清晰，主要受北东倾向的逆断层控制，与野外地质观测结果一致（见图3）；③发育的陡倾基底断层构成了一个明显的正花状构造。

图6 C—C′地震剖面及其地质解释（剖面位置见图1）

3.2 变形强度

为了对研究区的新生代变形有一个定量化认识，笔者利用平衡恢复技术，以新生界路乐河组底为界对B—B′剖面进行恢复（见图5），恢复过程采用面积守恒原理。由于C—C′剖面没有穿过整个构造带，在此不做恢复。从前文对变形结构的分析可以看出，研究区的断裂呈现出明显的花状构造形态，表明其具有一定的走滑特征，因此二维剖面上的变形恢复并不能完全反映其整体的变形强度，但能在一定程度上定量指示其缩短变形量的强弱。结果如图7所示，B—B′剖面原长度为31.5 km，恢复之后路乐河组初始层长为36.8 km，新生界缩短量为 5.3 km，缩短率为 14.4%。该缩短率与前人对整个柴北缘地区新生代变形恢复结果一致[30]，表明柴北缘新生代北东—南西向的整体缩短强度在空间上变化不大。从恢复后的剖面还可以看出，赛南断裂和鱼北断裂两侧的中生界厚度明显不一致，原因可能有两种：①它们在新生代前就有过活动；②它们是由新生代的走滑所致。

图7 B—B′地质剖面平衡恢复结果（剖面位置见图1）

4 碎屑磷灰石裂变径迹定年

为了更好地刻画研究区在新生代早期的沉积和构造格局，笔者还在鱼卡北部背斜核部大煤沟组顶部的黄绿色砂岩中采集了一个砂岩样品 YQ01（见图2），对其开展了碎屑磷灰石裂变径迹测试。磷灰石裂变径迹的年龄和径迹长度对温度非常敏感，能较好地记录样品在低于110 ℃时的热演化史，因而可用于估计样品的埋藏过程。本文主要用该方法定量评估鱼卡北部背斜新生界的最大沉积厚度，并与周缘进行对比，进而分析研究区在新生代的整体演化过程。样品处理流程见田云涛等[31]，样品测试在伦敦地质年代学中心开展。裂变径迹长度和年龄结果如表1、表2所示，其相应的单颗粒年龄和径迹长度分布直方图如图8a和图8b所示。

从实验结果可以看出，单颗粒年龄误差大部分在15%～25%，仅有少量（2颗）误差较大（超过40%）；单颗粒年龄分布较为分散，距今104～303 Ma，70%以上的颗粒年龄与样品的沉积时代相同或更老，但也有约 30%的颗粒年龄为晚侏罗世，略晚于样品的沉积时代，表明样品自沉积后经历了部分退火；径迹长度范围为9.5～15.5 μm，分布范围较大，大部分的径迹长度为13～14 μm，但也有少量小于10 μm，最小仅为9.62 μm，呈现出一定的双峰特征，同样表明样品自沉积后发生了一定程度的埋藏加温。这些观测结果指示该样品自沉积后发生过埋藏加温，最深可能至磷灰石裂变径迹的部分退火带附近（75～110 ℃），使得裂变径迹发生部分退火，导致出现了较年轻的颗粒年龄和较短的径迹长度。由于磷灰石裂变径迹的单颗粒年龄主要通过径迹的分布获得，其部分退火也导致了测得的单颗粒年龄普遍存在一定的误差。

表1 单颗粒裂变径迹年龄统计表

表2 单颗粒裂变径迹长度统计表

图8 碎屑磷灰石裂变径迹测试结果（n—样品数；GOF—裂变径迹年龄模拟值与实际值的吻合程度）

由于柴北缘新生界与下覆地层呈不整合接触[32]，因此样品在晚侏罗世—早白垩世和新生代都可能发生过埋藏加温。前人研究表明，柴北缘上侏罗统和下白垩统的最大残余厚度仅为1 500 m左右，而晚白垩世时柴北缘主要遭受了强烈的构造变形和剥蚀，沉积作用很弱[33]。该厚度远小于柴北缘新生界厚度，因此笔者认为样品埋藏的最大深度发生在新生代。考虑到样品中较老的颗粒年龄和较长的径迹长度依然占据主要部分，笔者认为样品退火程度很弱，最多到达部分退火带的中上部（75～90 ℃）。前人研究表明柴北缘新生代古近纪至新近纪早期的古地温梯度约为 26 ℃/km[34]，地表平均温度约为15 ℃，由此可得出样品新生代以来所经历的最大埋藏深度为2 900 m。

此外，笔者还利用HeFTy程序[35]对该样品进行了热演化史模拟，模拟的限制条件有3个：①在距今180 Ma之前样品中的磷灰石颗粒从物源区隆升剥蚀、出露至磷灰石裂变径迹的部分退火带附近（约110 ℃）；②地层沉积时代为距今160～180 Ma，对应样品位置在近地表（古地温（20±10）℃）；③在下干柴沟组沉积后期至狮子沟组沉积期间（距今2.5～40.0 Ma）达到最大埋深（古地温小于90 ℃）。模拟结果如图8c所示，表明样品自中侏罗统沉积后最大埋深仅至古地温40～60 ℃，发生在新生代晚期，对应的深度为1 000～1 700 m。需要特别注意的是，本样品为碎屑岩，其内的磷灰石在沉积前可能来自不同的物源区，具有不同的热演化历史，上述热演化史模拟结果仅供参考，但也支持样品新生代以来的最大埋深小于2 900 m。考虑到该碎屑样品位于中侏罗统上部，其上覆中生界厚约300 m（见图2），以此推测样品上覆新生界最大厚度仅为2 600 m。

5 讨论

5.1 变形运动学特征

目前，一般认为对柴北缘新生代变形以挤压逆冲褶皱为主[2,36]，然而对其具体的运动学过程还有很大争议，存在冲断[14]、右旋走滑冲断[1,18]、左旋走滑冲断[19-20]和构造楔[2]等多种解释模型。野外观测和深部地震反射剖面（见图3、图5、图6）均表明，鱼卡—九龙山地区发育大量的高角度逆断裂和褶皱，整体表现为一个受赛南断裂、鱼北断裂和龙北断裂控制的复式箱状背斜形态，以基底的整体抬升为主要特征，不存在长距离的低角度逆冲推覆或复杂的基底构造楔。研究区的高角度逆断裂在剖面上具有明显的正花状构造，表明其具有一定的走滑特征。受断层出露的限制，笔者在野外并没有找到可以测量断裂运动学特征的出露点（如阶步、擦痕等）。但是遥感解译和野外地质填图中在鱼卡—九龙山地区发现了大量的右旋走滑断裂及伴生的大型拖曳褶皱，如鱼卡西部背斜以北的断裂北侧发育明显的右旋拖曳褶皱、鱼卡北部背斜核部的北倾断裂明显右旋错断了侏罗系、马海尕秀背斜两翼发育的一些明显右旋走滑断裂等（见图1），这些证据指示鱼卡—九龙山地区新生代变形表现为右旋走滑逆冲。该认识与区域应力背景一致：柴北缘与长达1 600 km以上的阿尔金左旋走滑断裂近垂直相交，根据里德尔剪切模型，其应该具有与阿尔金断裂相反的水平剪切分量。对柴北缘其他地区地表褶皱和断裂展布的研究也证实了其新生代变形具有一定的右旋走滑分量[18]。鱼卡—九龙山地区的右旋斜向冲断作用可能代表了柴北缘新生代晚期主要的变形特征，而前人在柴北缘发现的一些左旋走滑现象可能是局部的、受柴北缘右旋逆冲应力场控制下的次级构造。

5.2 变形时间与演化

从野外实测和地震反射剖面可以看出（见图3、图5、图6），研究区卷入变形的最新地层为狮子沟组，位于马海尕秀背斜南翼。该处新生界基本直立，倾角一般为70°～80°（见图3），表明研究区最强烈的变形应发生在狮子沟组沉积之后，即距今2.5 Ma之后，使得整个新生界发生强烈的褶皱变形。此外，马海尕秀背斜南侧新生界岩性自上油砂山组上部开始由一套泥岩、砂岩、含砾砂岩变为大套砾岩沉积（见图2），反映了晚中新世以后北侧南祁连山的快速隆升，与前人的研究结果基本一致[27,37-38]。

由前文分析可知鱼卡北部背斜地区新生界最厚仅为2 600 m，远小于其南侧马海尕秀背斜南翼的新生界厚度（约3 886.5 m，见图2）。此外，鱼卡地区龙2井钻井显示路乐河组厚度仅为492 m，再向北的九龙山地区野外实测厚度仅251 m，这些都远小于马海尕秀背斜南翼的路乐河组厚度（680.5 m）。基于上述分析，笔者推测鱼卡—九龙山地区是一个在新生代早期就开始活动的古隆起构造，但是活动幅度不大，其强烈的褶皱变形应该是在狮子沟组沉积期或者之后。前人在沉积学以及热年代学方面的研究也表明柴北缘在新生代早期就开始活动[5,36,39-42]。本结论支持印藏板块碰撞远程效应自新生代早期就传递至青藏高原北缘，但是幅度较现今弱很多。

基于以上分析，笔者认为鱼卡—九龙山地区的新生代构造演化可分为两个阶段：①新生代早期一直到狮子沟组沉积时，该地区为一个微弱活动的古隆起，可能受赛南断裂的微弱活动控制（见图9a、图9b）；②狮子沟组沉积末期以后，赛南断裂和龙北断裂强烈活动，导致了研究区的强烈褶皱抬升，形成了一个宽缓的箱状背斜形态，局部发育的次级断裂对该箱状背斜进行了改造，形成了现今在地表出露的多个褶皱（见图9c）。也即，与其南侧的马海—大红沟凸起[43]一样，鱼卡—九龙山地区在新生代是一个长期活动的古隆起，可能与赛南断裂是一条在晚中生代就开始活动的古断裂有关[39,44]。鱼卡—九龙山古隆起南侧紧邻富含中下侏罗统烃源岩的赛南凹陷，其很可能和马海—大红沟凸起一样成为油气运移的有利指向区。