大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,西安 710069
鄂爾多斯盆地為中國大陸石油發(fā)現(xiàn)最早、最先進(jìn)行現(xiàn)代石油鉆探的大型含油氣盆地(長慶油田石油地質(zhì)志編寫組, 1992)。近年盆地每年石油新增儲(chǔ)量和產(chǎn)量均位居中國諸含油氣盆地前列,原油年產(chǎn)量達(dá)4000×104t,油氣勘探開發(fā)方興未艾(惠瀟等, 2019)。鄂爾多斯盆地的石油主要源自中晚三疊世延長期富烴坳陷,主力烴源巖為大面積分布的長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖(張文正等, 2008, 2015; 楊華等, 2016)。然在全球范圍內(nèi),中晚三疊世有效烴源巖相對(duì)并不發(fā)育(Klemme and Ulmishek, 1991)。該盆地為何于中晚三疊世湖相環(huán)境中形成了較大規(guī)模優(yōu)質(zhì)烴源巖,前人分別從巖石學(xué)、地球化學(xué)特征、古沉積環(huán)境、火山及熱液活動(dòng)等方面進(jìn)行了探討,取得了有益的認(rèn)識(shí)和重要進(jìn)展(張文正等, 2008, 2009, 2010, 2016; 邱欣衛(wèi)等,2011;Qiuetal., 2014, 2015;付金華等, 2018; Lietal., 2019; Youetal., 2019;Zhangetal., 2020)。然對(duì)該富烴坳陷形成具何地質(zhì)構(gòu)造屬性,處于何種地球動(dòng)力背景,前人鮮有論及。這些問題不僅聚焦了鄂爾多斯含油盆地的核心,具有重要的科學(xué)意義,而且還抓住了該地區(qū)油氣賦存成藏和勘探的關(guān)鍵,有著實(shí)效的應(yīng)用前景,值得深入探究。本文根據(jù)筆者多年來的研究,結(jié)合最新勘探成果,試圖探討和揭示鄂爾多斯盆地中晚三疊世陸相坳陷型富烴坳陷和其中長7優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的主要條件和動(dòng)力學(xué)環(huán)境。
陸相鄂爾多斯盆地的發(fā)育始于中三疊世,疊加在前中三疊世陸相-海陸過渡相大華北盆地中西部之上(趙重遠(yuǎn)和劉池洋,1992; 劉池洋等, 2006; 劉池洋,2007)。現(xiàn)今殘留的鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西部,面積約25×104km2,周鄰被渭河、銀川、河套、山西等新生代斷陷盆地所圍限,外圍被諸多山系所環(huán)繞。如盆地南、北分別為秦嶺-祁連造山帶和陰山褶皺構(gòu)造帶,東有呂梁山系,西為含賀蘭山和六盤山的南北向構(gòu)造帶(圖1a)(長慶油田石油地質(zhì)志編寫組,1992)。盆地周鄰不同構(gòu)造域和多種地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境的復(fù)合、疊加及其與時(shí)彼此消長變化,導(dǎo)致盆地邊緣斷裂和褶皺發(fā)育、構(gòu)造特征復(fù)雜多變;在今盆地內(nèi)部變形弱、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單。鄂爾多斯盆地主要經(jīng)歷了發(fā)生(T2)、鼎盛(T2-3-J1-2)、發(fā)展(J2-J3)、衰亡(K1)以及晚白堊世以來的改造等階段(劉池洋等,2006)。其形成演化與華北克拉通破壞之始的東部抬升和進(jìn)而改造-破壞的過程同步、動(dòng)力學(xué)環(huán)境相關(guān)。中晚三疊世為盆地鼎盛發(fā)育時(shí)期,沉積范圍廣闊,包括秦晉間黃河之東晉豫大部,向東可達(dá)冀皖,沉積相帶和地層厚度在平面上變化較小,具較寬闊漸變特征(圖1)(劉池洋,1987;趙重遠(yuǎn)和劉池洋,1992;劉池洋等,2006)。與此同期,盆地南部受揚(yáng)子克拉通及秦嶺地塊依次構(gòu)成巖石圈尺度的向北匯聚俯沖、華北克拉通向南仰沖的區(qū)域動(dòng)力學(xué)環(huán)境影響明顯(劉池洋等,2015),延長期富烴坳陷的形成和其中長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育與此動(dòng)力學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。
圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)、鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)構(gòu)造構(gòu)局和延長期古沉積范圍(b)及構(gòu)造-沉積剖面(c)Fig.1 Regional tectonic map of study area (a), tectonic structure of Ordos Basin and its adjacent area show the original basin range of Yanchang Period (b) and the structure-sedimentary section (c)
筆者將富烴凹(坳)陷定義為:盆地中發(fā)育規(guī)模優(yōu)質(zhì)烴源巖的負(fù)向構(gòu)造單元,油氣資源豐度高、潛力巨大。富烴凹(坳)陷為大型油氣田形成的資源基礎(chǔ),控制或影響著大中型油氣田(藏)的形成和相對(duì)集中分布(劉池洋等,2014)。鄂爾多斯盆地延長期富烴凹(坳)陷面積大,故以下統(tǒng)稱之為富烴坳陷。
鄂爾多斯盆地南部陸相富烴坳陷形成于中晚三疊世延長期,展布范圍大致與延長組湖相烴源巖分布范圍相當(dāng),面積逾5×104km2,小于延長期湖區(qū)范圍,長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖及其分布為富烴坳陷的主體。延長期富烴坳陷具典型坳陷型結(jié)構(gòu),內(nèi)部接受統(tǒng)一的湖相沉積,總體呈古地理內(nèi)低外高、結(jié)構(gòu)(西)南陡(東)北緩、水體南深北淺、沉積南厚北薄等特征(圖1b)(劉池洋等,2006)。在較陡深的坳陷南部,沉降幅度較大,沉積相帶窄、相變較快,形成呈帶狀展布的沉降-沉積中心。以較深湖相為代表的沉積中心,軸線位于環(huán)縣-慶陽-銅川連線略偏東北,原始沉積范圍西臨定邊,向東南遠(yuǎn)超出今盆地邊界,可達(dá)河南伊川之東南,總體呈北西-南東東向展布,大致與秦嶺造山帶平行(圖1a)。
圖2 延長組長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖伽瑪異常段典型曲線形態(tài)特征圖Fig.2 Gamma abnormal pattern of high-quality source rocks in Chang 7 Member
延長組厚度一般在1000~1600m之間,為一套以河湖相沉積為主的陸源碎屑巖系。根據(jù)巖性及古生物組合,將延長組細(xì)分為10個(gè)油層組(段),自上而下依次為長1段至長10段(長慶油田石油地質(zhì)志編寫組,1992)。延長期的沉積充填總體經(jīng)歷了陸相湖盆形成、擴(kuò)張、發(fā)展、萎縮和消亡的完整演化過程(劉池洋等,2006)。其中湖盆擴(kuò)張期范圍廣闊,面積逾10×104km2,出現(xiàn)大面積深湖-半深湖區(qū),長7段優(yōu)質(zhì)油源巖發(fā)育面積達(dá)5×104km2(楊華和張文正,2005);在富烴坳陷中心,烴源巖厚100m以上,向邊緣減薄,一般厚30m左右。來自盆地西南和東北兩大物源水系形成的長7段濁積巖等事件沉積砂體和長6段前緣相帶與長7段有效烴源巖大面積接觸,構(gòu)成了良好的儲(chǔ)源組合和有利的常規(guī)-非常規(guī)油氣富集成藏條件。
本文討論盆地南部延長組,重點(diǎn)是長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育期富烴坳陷形成的動(dòng)力學(xué)環(huán)境。
鄂爾多斯盆地豐富的石油源自中晚三疊世延長組烴源巖。其中主力烴源巖為長7段富有機(jī)質(zhì)頁巖,長7段和長9段黑色泥巖是次要烴源巖,長6段和長8段暗色泥巖對(duì)油源的貢獻(xiàn)有限(楊華等,2016)。
大量測(cè)試分析和研究揭示,延長組長7段烴源巖為富有機(jī)質(zhì)頁巖和黑色泥頁巖。前者在測(cè)井曲線顯示具高伽馬GR、電阻率RT,低電位SP、密度DEN等明顯特征。頁狀烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高,有機(jī)碳(TOC)大多在6%以上,最高可達(dá)30%~40%之間,平均13.81%;平均氯仿瀝青“A” 0.8392%、平均熱解S1為4.11mg/g,表明長7段頁狀烴源巖為好-極好烴源巖或稱優(yōu)質(zhì)烴源巖。長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)在0.72%~1.2%之間,平均為0.878%,總體處于生油高峰期的成熟-高成熟階段(楊華和張文正,2005;張文正等,2015, 2016)。
長7優(yōu)質(zhì)烴源巖顯微組分以腐泥組為主。鏡下觀察干酪根以無定形體為主(85%~99%), 見有少量形態(tài)組分(源于刺球藻)和孢子體, 很難找到鏡質(zhì)體等陸源有機(jī)組分, 說明其母質(zhì)主要為湖生低等生物(藻類);干酪根類型為Ⅰ-Ⅱ1型,具有較強(qiáng)的生排烴能力,并經(jīng)歷了強(qiáng)排烴作用。長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖形成于較深水還原-弱還原環(huán)境,水體為分層不明顯的陸相微咸水-淡水環(huán)境(楊華和張文正,2005;張文正等,2006,2008, 2015; 付金華等, 2018)。
3000多口測(cè)井資料顯示,長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖的放射性異常普遍較高-高(圖2),最高逾1000API。伽瑪高異常巖樣的地球化學(xué)分析對(duì)比揭示,長7段烴源巖的放射性高異常值與Th、K含量無相關(guān)性,主要由地層中富集的鈾元素所引起:U含量在17.5×10-6~104×10-6之間,平均47.5×10-6(譚成仟等,2007);最高可達(dá)140×10-6,平均51.1×10-6(張文正等,2015, 2016),稱其為富鈾優(yōu)質(zhì)烴源巖。
長7富鈾烴源巖的整體展布和厚度宏觀分布與伽馬高值異常區(qū)一致。后者分布于姬源-白豹-合水-正寧一線,整體呈北西-南東向展布,朝北西方向逐漸封閉,往南東方向直達(dá)今殘留盆地邊緣無收斂趨勢(shì)(譚成仟等,2007;邱欣衛(wèi),2011)。
烴源巖中鈾正異常累計(jì)厚度大于10m的分布面積約為3.2×104km2,根據(jù)其累計(jì)厚度和平均鈾元素含量等參數(shù)估算,鄂爾多斯盆地長7段頁狀烴源巖的鈾元素總量約為0.8×108t(張文正等,2016)。
圖3 富烴坳陷延長組長7段烴源巖露頭剖面同沉積變形類型圖(a、b)淌泥河砂巖墻;(c)何家坊東北泥巖脊及頁巖中凝灰?guī)r夾層;(d)何家坊西南同沉積褶皺變形Fig.3 Syn-depositional deformation types of Chang 7 Member source rock outcrops in the hydrocarbon-rich sag(a, b) liquefied sandstone dykes in Tangni River outcrops; (c) mud phacolith and tuff interlayers outcrop in the northeastern of Hejiafang area; (d) syndepositional folding deformation in the southwestern of Hejiafang area
在延長組10個(gè)地層段,均含多層沉凝灰?guī)r夾層,其中長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖中最為發(fā)育(邱欣衛(wèi)等,2009)。在長7段典型露頭剖面,多處可見凝灰?guī)r夾層(圖3c)。在露頭新鮮剖面或巖芯中,凝灰?guī)r夾層的顏色與其間互出現(xiàn)的砂、泥巖層差別較大,易于識(shí)別,其顏色多樣,以灰黃色、灰褐色等為主;凝灰?guī)r夾層單層厚度從5~500mm不等(邱欣衛(wèi),2011; Qiuetal., 2014)。對(duì)正8井長7段富鈾烴源層觀察,在約9m的巖芯中肉眼可識(shí)別出182層凝灰?guī)r紋層。寧33井長7段底-長8段頂?shù)貙佣稳⌒窘?m,累計(jì)有71層火山灰沉積物,反映盆地周緣同期火山活動(dòng)頻繁(張文正等,2009)。在露頭和巖芯中,凝灰?guī)r常與優(yōu)質(zhì)烴源巖或泥巖互層產(chǎn)出,凝灰?guī)r整體呈近水平展布,說明其沉積時(shí)水體環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。
綜合研究表明,長7段凝灰?guī)r的源巖以中酸性火山巖為主(邱欣衛(wèi)等,2009;張文正等,2009)。對(duì)鋯石的Hf同位素分析表明,長7段凝灰?guī)r主要來自于地殼巖石的部分熔融,并有一定地幔物質(zhì)加入(張輝等,2014)。延長組長7段凝灰?guī)r集中分布于定邊-寧縣-銅川一帶,呈北西-南東向展布,面積超過3×104km2,與富鈾優(yōu)質(zhì)烴源巖空間分布范圍大體一致,反映二者形成的相關(guān)性。長7段凝灰?guī)r夾層最厚分布區(qū)在富烴坳陷南西部,向北東方向厚度變薄,暗示強(qiáng)烈火山活動(dòng)和火山灰主要來源自西南方向(邱欣衛(wèi)等,2009;鄧秀芹等,2013)。
鄂爾多斯盆地延長組出露較好,已在多處發(fā)現(xiàn)多種類型的同沉積變形構(gòu)造(圖3),以盆地南部銅川地區(qū)最為多見,在長7段地層中較為典型,其中上拱擠入構(gòu)造最為引人關(guān)注。
3.1.1 上拱擠入構(gòu)造
(1)砂巖墻:在銅川淌泥河延長組剖面,發(fā)現(xiàn)擠入到長7段烴源巖中的褐色砂巖墻(圖3a, b)。砂巖墻寬約30~40cm,延展寬度近等,與頁巖層理近于垂直(李元昊等,2007)。在露頭可觀察的范圍內(nèi),此砂巖墻呈直線帶狀延伸達(dá)十多米,兩端或被覆蓋,或延沒于露頭剖面之中,其延伸長度不詳。在臨近砂巖墻兩側(cè)的烴源巖,頁狀層理發(fā)生向上牽引變形。所觀察剖面受后期構(gòu)造變動(dòng)改造強(qiáng)烈,頁狀烴源巖產(chǎn)狀陡傾,但其沉積層理仍保留良好。若將其恢復(fù)到初始沉積狀態(tài),砂巖墻上覆被較厚近水平狀的烴源巖覆蓋。這種覆蓋和切割關(guān)系及牽引現(xiàn)象表明,砂巖墻形成于上覆烴源巖沉積之前和被切割烴源巖沉積之后,即在長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖沉積期間。砂巖墻的形成與深部熱液流體上涌、噴溢,導(dǎo)致長7段烴源巖之下未固結(jié)沉積砂層的液化,進(jìn)而沿張性斷裂擠入灌注,形成與斷裂平行展布、較規(guī)則、近等寬的帶狀砂巖墻構(gòu)造(邱欣衛(wèi)等,2013)。
(2)泥巖脊:在銅川何家坊村東北側(cè)溝中,可見黃色含砂泥巖脊呈不規(guī)則帶狀擠入長7段灰黑色頁狀烴源巖中(圖3c)。剖面中泥巖脊兩側(cè)都為近水平狀頁巖,與泥巖脊接觸的頁巖層理被牽引上彎;直接覆蓋其上或上覆臨近的頁巖,向上寬緩隆彎明顯;上覆遠(yuǎn)離泥巖脊的地層就漸變?yōu)樗綄訝铐搸r。這表明泥巖脊是自下向上擠入并導(dǎo)致周圍地層變形,其發(fā)生于長7段烴源巖沉積期。
圖4 富烴坳陷延長組長7段烴源巖鉆井巖心中同沉積變形構(gòu)造類型圖(a、b)砂巖脈(西44井, 1973.5m);(c)揉皺變形(寧33井,724.1m);(d)小型正斷層(里52井, 2294.1m);(e)揉皺變形及砂礫團(tuán)塊(正7井, 1678.6m)Fig.4 Syndepositional deformation types from borehole cores of Chang 7 Member source rock in hydrocarbon-rich sag(a, b)sandstone dikes (Xi 44 borehole, 1973.5m); (c) crumpled deformation (Ning 33 borehole, 724.1m); (d) minor normal fault (Li 52 borehole, 2294.1m); (e) crumpled deformation and Gravel mass(Zheng7 borehole, 1678.6m)
(3)砂巖脈:在何家坊村東北側(cè)溝等露頭剖面,還見有規(guī)模較小、寬度不一的砂巖脈穿插在泥頁烴源巖之中(李元昊等,2007)。砂巖脈可視為砂巖墻的微縮版,分布較為多見。其成因與砂巖墻及頁巖脊類似,都是下部未固結(jié)砂巖液化增壓沿裂縫向上部烴源巖擠入而成;形成時(shí)限與后二者同期,均在長7段烴源巖沉積期間。
3.1.2 其他變形構(gòu)造
(1)斷裂作用:砂巖墻和砂巖脈的形成和分布,分別受不同規(guī)模斷裂及其特征的控制。寬度較小的砂巖脈的形成和展布,主要受微小斷層或裂隙的產(chǎn)狀和組合排列的控制。在露頭剖面長7段深灰、黑色烴源巖中,被淺色砂巖脈充填的微小斷裂及其組合式樣和切割方式更為清晰可見。這些斷裂均出現(xiàn)在長7段烴源巖層中,未延入上覆地層,說明形成于長7段烴源巖沉積期。
(2)褶皺變形:在盆地南緣銅川地區(qū)延長組等露頭剖面,特別是在長7段烴源巖中,多處可見不同形式、不同規(guī)模的褶皺變形(圖3d)。褶皺變形主要表現(xiàn)為烴源巖發(fā)生不同形態(tài)的褶皺、彎(折)曲、揉皺、以及倒轉(zhuǎn)等。這些褶皺變形主要為軟沉積地層變形,并被上覆未變形的近水平狀地層覆蓋,表明變形發(fā)生在上覆地層沉積之前,與長7段烴源巖沉積同期。
上述發(fā)生變形的露頭剖面位于延長期富烴坳陷深湖區(qū),各類上拱擠入構(gòu)造、褶皺和微斷裂等同沉積軟地層變形類型多樣、特征明顯,反映在長7段優(yōu)質(zhì)烴源巖沉積期,該地區(qū)構(gòu)造變動(dòng)和深部作用活躍。
在鉆井巖心中,富烴坳陷內(nèi)延長組同沉積變形構(gòu)造較為多見,其中長7段地層最為發(fā)育(圖4)。由于巖心體積小,所反映的同沉積構(gòu)造變動(dòng)現(xiàn)象視域有限,主要可見的有未固結(jié)地層的液化侵入砂(泥)巖脈(圖4a, b)、小型斷層或地層錯(cuò)斷(圖4d)、褶皺變形、地層揉皺或頁理層理破壞及彎卷等沉積不久地層的各類軟沉積變形構(gòu)造等(圖4c)。在泥頁巖地層中,夾有前期或附近沉積的外來砂質(zhì)或顏色有異的泥質(zhì)不規(guī)則透鏡狀團(tuán)塊、條帶或砂泥礫(圖4e)。這些加入到烴源巖中的外來砂泥質(zhì)礫或團(tuán)塊、條帶,大小不一,較大者長約3~4cm,厚有1~2cm,未成巖泥礫棱角清晰,顯然來自極近源或原地沉積;有的自成幾厘米到十多厘米厚的夾層,有的分散或點(diǎn)綴式分布在長7段烴源巖或延長組地層中。
砂(泥)巖脈(圖4)是對(duì)前述露頭上拱擠入構(gòu)造的補(bǔ)充,其成因和形成時(shí)間相同。除此而外,在巖心所見的這些同沉積變形構(gòu)造,主要為由各類構(gòu)造變動(dòng)觸發(fā)引起前期未固結(jié)沉積地層的重力不穩(wěn)定所形成的各類變形構(gòu)造和事件沉積及與之相關(guān)的褶皺、揉皺等變形。構(gòu)造如正斷層、滑塌、滑坡等,事件沉積如濁流沉積、震積巖及湖底扇等,在北西-南東向延展的富烴坳陷內(nèi)深湖-較深湖區(qū)分布較為集中;在富烴坳陷的西南部遠(yuǎn)較東北部更為發(fā)育;在層位上,集中出現(xiàn)在長 7及其上下相鄰的長 6和長 8三個(gè)層段,其中長7段最多,長6段次之(李元昊等, 2008;邱欣衛(wèi)等,2013)。
長7期為鄂爾多斯盆地演化的鼎盛期,其南部富烴坳陷沉降幅度大、水域?qū)掗?、半深?深湖區(qū)面積最大(見后述),發(fā)育了盆地的主力優(yōu)質(zhì)烴源巖。長7期盆地南部大面積持續(xù)沉降和大型湖相富烴坳陷的形成,與該期同沉積變形構(gòu)造和上拱擠入構(gòu)造普遍、事件沉積多發(fā)共同揭示,長7期富烴坳陷形成于構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)、深部作用活躍的構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境中。
圖5 富烴坳陷內(nèi)XF5測(cè)線地震剖面地質(zhì)解釋圖Fig.5 Geological interpretation of XF5 seismic section in hydrocarbon-rich sag
通過對(duì)延長組富烴坳陷區(qū)大量地震剖面的觀察,發(fā)現(xiàn)延長期地層中存在較多同沉積斷層,走向主要為北東、近東西及北西向,分布受基底斷裂控制明顯;斷面大多較陡,也有上陡下緩“犁式”等。
從過鎮(zhèn)原-慶陽地區(qū)的北東向地震剖面中(圖5)可見,延長組地層中的斷裂大多為近于直立的正斷層,地層明顯被斷錯(cuò)。少數(shù)較大斷裂切穿延長組,多數(shù)斷層僅在延長組內(nèi)部或下部地層中發(fā)育,斷層對(duì)沉積地層厚度、展布有一定控制作用,表現(xiàn)為同沉積正斷層特點(diǎn)。
在富烴坳陷的地震剖面上,還可在延長組烴源巖層見到更多斷距較小的小型、微型斷裂或斷距不明顯的隱性斷裂。這些斷裂大多近于直立,是在深部熱液上拱或流體異常壓力作用下張裂,隨深部異常熱力和壓力的衰減又復(fù)閉合,故斷裂的斷距微小,部分沒有明顯斷距顯現(xiàn)。
這表明,在鄂爾多斯盆地南部延長期富烴坳陷形成演化時(shí)期,具有較強(qiáng)的構(gòu)造-熱活動(dòng)、活躍的深部背景和伸展動(dòng)力環(huán)境。
對(duì)鄂爾多斯盆地延長期各個(gè)層段湖岸線和深湖區(qū)分布范圍的厘定及對(duì)比揭示,湖區(qū)和以深湖區(qū)為代表的沉積中心均分布在盆地南部,總體呈北西-南東向帶狀展布;其中以長7期湖區(qū)和深湖區(qū)分布面積最大;但其分布位置在延長期曾發(fā)生過兩次明顯的遷移(劉池洋等,2006;曹紅霞等,2008;王飛飛等,2018)。
在延長組長10段沉積時(shí),湖區(qū)分布范圍尚未完全統(tǒng)一(圖6a)。進(jìn)入長9期湖區(qū)范圍快速擴(kuò)大,統(tǒng)一湖盆形成,(較)深湖相沉積主要位于富烴坳陷北東部,發(fā)育“李家畔頁巖”;沉積中心沿吳起-志丹-富縣-洛川一帶展布,向西南方向尖滅(圖6)。長8期湖盆沉積中心的范圍有所縮小,分布在長9期沉積中心中南部,具有較好的繼承性(圖6a)。
圖6 延長期沉積中心分布與遷移平面(a)及剖面圖(b)Fig.6 Distribution and migration pattern at plane graph (a) and cross-section (b) of depocenters in Yanchang Period
圖7 寧42井凝灰?guī)r(a)-鐵結(jié)核(b)-硅質(zhì)巖(c)互層綜合柱狀圖Fig.7 Synthesis column section of tuff (a)-iron nodule (b)-siliceous rock (c) interbeded in Ning 42 borehole
到長7期,湖相沉積范圍空前擴(kuò)大,深湖相沉積中心明顯由北東向西南遷移,主要位于姬塬-白豹-華池-正寧-宜君一帶,發(fā)育“張家灘頁巖”(圖6)。若分別以長9期和長7期深湖相沉積中心的分布位置為代表,沉積中心由東北向西南遷移了約120km。與這次富烴坳陷深湖相沉積中心遷移相對(duì)應(yīng),盆地中南部的沉積環(huán)境發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變:自長7期開始,盆地西南物源和西南部沉積建造的個(gè)性和重要性更為凸顯,其砂巖類型和碎屑礦物組分與該區(qū)前期和盆地東北部明顯不同(王建強(qiáng)等, 2015);富烴坳陷的構(gòu)造活動(dòng)性增強(qiáng)、事件沉積作用頻發(fā),形成各類重力流沉積和震積巖,其中夾有多層火山灰。從長6期至長2期,湖區(qū)和深湖區(qū)的面積漸趨縮小,但沉積格局相似,均疊加在長7期沉積中心范圍內(nèi),偏居西南部。
進(jìn)入長1期,湖盆已趨萎縮,晚期原湖區(qū)大部地區(qū)出現(xiàn)沼澤化,主要沉積中心向北東長距離躍遷到延安-安塞-子長-子洲一帶,形成瓦窯堡煤系(圖6)。從長7期深湖-較深湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的沉積中心,到長1期河湖沼澤相煤系形成的沉積中心,二者的分布位置遷移(圖6)了約180km,表現(xiàn)出突變跳躍式遷移的特征。在長1期,盆地南部廣闊湖區(qū)已開始較大范圍抬升,湖相沉積間斷,部分地區(qū)前期沉積的地層可能始遭受剝蝕。在子長-安塞一帶,長1期殘存有小范圍、有分隔的濱-淺湖及半深湖。這是盆地南部抬升、大湖盆快速萎縮,水體大幅減少、少量殘留水體遷移到盆地中北部較低部位留存所致。
延長期富烴坳陷兩次較長距離的沉積-沉降中心遷移,是秦嶺碰撞造山環(huán)境重大變革始發(fā)的響應(yīng)和記錄。
4.1.1 多層系高熱演化區(qū)上下疊置
盆地的區(qū)域地?zé)釄黾捌錈嵫莼潭?,總體受盆地構(gòu)造屬性和深部地殼-巖石圈結(jié)構(gòu)及其活動(dòng)性所控制。鄂爾多斯盆地石炭-二疊系、中上三疊統(tǒng)延長組、中下侏羅統(tǒng)延安組,為盆地能源礦產(chǎn)的主要勘探層系。根據(jù)這三套層系中烴源巖或煤系的大量鏡質(zhì)體反射率等資料所確定的盆地最高熱演化區(qū),在空間分布上位置大致相同、上下疊置,均位于盆地南部的富縣-慶陽-吳旗一帶(任戰(zhàn)利等,2006)。此最高熱演化區(qū),位于延長期富烴坳陷范圍內(nèi)。
現(xiàn)今鄂爾多斯盆地主體呈西傾單斜結(jié)構(gòu),而反映盆地各層系熱演化程度的鏡質(zhì)體反射率等值線的分布趨勢(shì),與此盆地的現(xiàn)今結(jié)構(gòu)、古-中生代地層各界面的埋深等深線及現(xiàn)今地溫等值線的分布形態(tài)和展布趨勢(shì)并不一致,且多有交叉。這表明,鄂爾多斯盆地古-中生代各層系最高熱演化區(qū)分布和延展趨勢(shì),并不受挽近構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境的控制,其形成與中生代早中期古構(gòu)造動(dòng)力環(huán)境有關(guān);古-中生代不同層系最高熱演化區(qū)分布位置穩(wěn)定,反映其形成具有明顯活躍的深部作用背景。
4.1.2 多期持續(xù)沉降區(qū)先后疊置
沉降作用是決定盆地發(fā)生和持續(xù)發(fā)展的主因。維系盆地演化的沉降作用,主要受控于地殼-巖石圈的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用(劉池洋,2008)。
對(duì)鄂爾多斯盆地中生代沉積環(huán)境和地層厚度的綜合分析對(duì)比認(rèn)為,在該盆地反映湖盆水體相對(duì)較深的沉積中心(一般為烴源巖發(fā)育區(qū)),受盆地沉降作用的影響明顯,可反映或代表沉降中心。與同時(shí)代沉積中心分布位置不一的堆積中心(地層較厚區(qū))的形成,主要受水系動(dòng)力和物源甚豐的控制。
前已述及,延長期盆地的沉積中心位于盆地南部,且與主要堆積中心分布一致。到長1期,沉積中心已向北遷移到延安-安塞-子長-子洲一帶。早中侏羅世延安期沉積中心的分布位置大部與長1期沉積中心重疊,并向南有所擴(kuò)展,主體在吳起之東的延安一帶。中侏羅世直羅期沉積中心有所縮小,主體位于延安期沉積中心中南部。中侏羅世安定期沉積中心較延安期向四周有所擴(kuò)展,但水體較淺(趙俊峰等,2008)。
由上述可見,盆地晚三疊世-早中侏羅世各期沉積中心的展布范圍雖有消長變化,但分布位置大體一致, 上下大部重疊。在延長組沉積之后,盆地抬升、沉積間斷,全盆地缺失早侏羅世早期地層,盆地南部延長組遭受較強(qiáng)而不均勻的剝蝕改造。早-中侏羅世延安組是在新的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)環(huán)境下開始沉積的,但早-中侏羅世各期沉積中心的分布位置卻與延長期具有明顯的繼承性。此沉積中心及近鄰,與古-中生代不同層系最高熱演化區(qū)位置重疊。這說明,在中-晚三疊世延長期到早-中侏羅世,盆地南部的沉積-沉降-熱演化甚或改造較強(qiáng)烈變動(dòng)的分布位置,總體受具繼承性、較為活躍的深部內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用的控制。所不同的是,早-中侏羅世沉積-沉降中心的形成,應(yīng)是延長期深部物質(zhì)和熱能上拱地區(qū)于后期發(fā)生熱衰減的結(jié)果。這與鄂爾多斯盆地于晚侏羅世才發(fā)生具劃時(shí)代意義的沉積-構(gòu)造-改造重大變革事件(劉池洋等,2006)和秦嶺地區(qū)以始于160Ma開始強(qiáng)烈花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)為代表的燕山期新的構(gòu)造幕發(fā)生(王曉霞等,2011;高昕宇和趙太平,2017)在時(shí)序上相吻合。
隨著調(diào)查、勘探和研究的深入與測(cè)試技術(shù)的進(jìn)步,在盆地南部富烴坳陷延長組,特別是長7段烴源巖中發(fā)現(xiàn)越來越多與深部作用有關(guān)的地質(zhì)效應(yīng)或活動(dòng)行跡。其表現(xiàn)形式多樣、存在較為普遍,是富烴坳陷形成期深部作用活躍和深部物質(zhì)參與的直接反映,對(duì)優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育及其形成環(huán)境有較明顯的影響。
4.2.1 巖石礦物特征
在富烴坳陷西南部長7段底部,發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r-烴源巖-鐵結(jié)核-硅質(zhì)巖互層。在寧42井,凝灰?guī)r以灰褐色為主,厚度在0.5~10cm之間,局部見凝灰?guī)r與之一起發(fā)生揉皺變形(圖7a)。烴源巖主體呈灰黑色,測(cè)井曲線明顯表現(xiàn)為高伽馬GR、電阻率RT、聲波時(shí)差A(yù)C,低電位SP、密度DEN特征(圖7)。烴源巖中可見大量近立方體富錳礦物,其中Mn所占質(zhì)量百分比大于65%。硅質(zhì)巖呈層狀分布,僅厚3~5mm。鐵結(jié)核呈透鏡狀,中間厚約1.5~2cm,其主量元素Fe2O3T含量高達(dá)33.87%,屬典型的鐵質(zhì)巖。胡148井烴源巖粘土表面的小團(tuán)塊,能譜分析Ba重量占28.04%;全巖元素地球化學(xué)分析Ba含量為2118×10-6,具富Ba特征。正7井烴源巖中整體呈帶狀分布的白鐵礦,主要成分為鐵和硫,其中鐵占質(zhì)量百分比的26.33%(Qiuetal., 2015)。富集的Mn、Ba、Fe通常源自深部熱液,在湖水環(huán)境中深部熱液被有機(jī)質(zhì)絡(luò)合而成,類似于現(xiàn)代洋底熱液噴溢附近的有機(jī)質(zhì)對(duì)這些元素的絡(luò)合作用(Sander and Koschinsky, 2011)。
在銅川何家坊剖面的長7烴源巖中發(fā)現(xiàn)有透鏡狀白云巖夾層,X射線衍射分析表明該樣品以白云石為主,占76%,其次為伊蒙混層,占18%(圖8上)。在銅川淌泥河露頭剖面,對(duì)長7段頁狀烴源巖中砂巖墻進(jìn)行X射線衍射分析,發(fā)現(xiàn)有鐵白云石化現(xiàn)象,其中鐵白云石占9% (圖8下)。全巖元素地球化學(xué)分析表明,其Cu、Zn含量較高,分別為201×10-6和378×10-6。白云巖及鐵白云石化的成因之一被認(rèn)為與深部熱液活動(dòng)關(guān)系密切(Sibleyetal., 1994)。這為上述砂巖墻的成因提供了礦物學(xué)方面的支持證據(jù)。
4.2.2 微量元素及同位素特征
對(duì)富烴坳陷延長組長7段烴源巖鉑族元素分析表明,∑PGE=0.6626×10-9~5.7382×10-9,平均2.7051×10-9;各元素含量平均值富集排序?yàn)椋篜d>Pt>Os>Rh>Ru>Ir。其中Rh含量0.01×10-9~0.224×10-9(平均0.083×10-9)、Pd含量0.24×10-9~2.482×10-9(平均1.189×10-9);Pt含量0.184×10-9~2.596×10-9(平均1.159×10-9)、Os含量0.0609×10-9~0.2922×10-9(平均0.1661×10-9)、Ru含量0.02×10-9~0.14×10-9(平均0.073×10-9)、Ir含量0.008×10-9~1.104×10-9(平均0.0353×10-9)(Qiuetal., 2015)。所有這些PGE元素的含量都高于或明顯高于中國東部泥質(zhì)巖、火山碎屑巖的平均值(遲清華和鄢明才,2006),暗示長7段烴源巖中相對(duì)富集的鉑族元素可能有深部熱液的貢獻(xiàn)。其中,Pt-Pd元素含量接近、變化趨勢(shì)一致、相關(guān)性較好;其它元素間相關(guān)性不明顯。這類似于湘西受深部熱液影響的黑色巖系中鉑族元素間的相關(guān)性(吳朝東等,2001)。
長7段烴源巖中Ir/Pt、Ru/Ir、Pd/Ir、Pd/Ru、Ir/Cr、Ni/Pt、Co/Ir比值,接近于華南寒武系底部受海底深部熱液噴溢影響的黑色頁巖中的相關(guān)比值(毛景文等,2001;張光弟等,2002),說明長7烴源巖中可能含有來自深部熱液帶來的物質(zhì)。
圖8 銅川地區(qū)長7段烴源巖中的白云巖及鐵白云石Fig.8 Dolomite and iron dolomitization in the source rocks of Chang 7 Member in Tongchuan area
圖9 延長組長7段烴源巖U/Th關(guān)系圖(底圖據(jù)Bostrom, 1983)Ⅰ-正常遠(yuǎn)洋; Ⅱ-太平洋隆起沉積物; Ⅲ-古熱水噴溢沉積Fig.9 Relationship of U and Th element in source rock of Chang 7 Member (base map after Bostrom,1983)Ⅰ-normal oceanic sediment;Ⅱ-Pacific uplift sediment;Ⅲ-hydrothermal fluid sediment
圖10 延長組長7段頁狀烴源巖中橢球狀鈣質(zhì)結(jié)核銅川霸王莊,結(jié)核長軸直徑約70cm,短軸直徑約40cmFig.10 Ellipsoidal calcareous concretion in the source rock of Chang 7 Member, Yanchang FormationThe concretion outcrop at Bawangzhuang, Tongchuan area, with 70cm diameter at long axis and 40cm at short axis
長7段烴源巖的U/Th數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于U/Th=1~100區(qū)域內(nèi)(圖9),與同沉積火山灰和海底噴流復(fù)合作用引起煤中微量元素和礦物富集的情況相似(代世峰等,2008)。長7段烴源巖Zn-Ni-Co數(shù)據(jù)點(diǎn),主要分布在熱水沉積區(qū)附近,顯示熱液活動(dòng)及其影響的存在。綜合烴源巖中鉑族元素和微量元素分析,均表明長7烴源巖形成期曾受深部熱液活動(dòng)的影響和物質(zhì)參與(Qiuetal., 2015)。
長7段烴源巖內(nèi)部黃色薄夾層(Rock01)的全巖δ18OV-SMOW值僅為5.3‰,具有典型的地幔成因特征,暗示了有更深部物質(zhì)的參與。
長7段火山灰沉積物、烴源巖中的黃鐵礦硫同位素基本一致,δ34S值大部分在6‰~10‰之間,長7段烴源巖中莓狀黃鐵礦硫同位素在2.37‰~5.90‰之間(張文正等,2010)。其值均高于細(xì)菌還原的硫化物等正常沉積巖中的硫同位素值(Rollinson,1993;鄭永飛和陳江峰,2000)。這說明長7段中硫的來源不僅與火山灰沉積物有關(guān),深部熱液亦可能為硫的重要來源之一。在姬塬地區(qū)羅36井富含莓狀黃鐵礦的長7優(yōu)質(zhì)烴源巖樣品中檢測(cè)到了沉積成因的重晶石,進(jìn)一步證明了熱液活動(dòng)的發(fā)生和提供硫酸根離子的可能(張文正等,2010)。
4.2.3 熱液成因的碳酸鹽巖結(jié)核
在今富烴坳陷東南緣銅川地區(qū)長7段深湖相張家灘頁巖露頭剖面中,多處可見大小和形態(tài)不一的鈣質(zhì)結(jié)核。此結(jié)核主要呈深灰色、褐色、褐黃色;質(zhì)地堅(jiān)硬,用力錘敲不易破裂;大多呈透鏡狀、橢球形、碟狀,較小者順層分布居多;所見結(jié)核長軸直徑2~95cm不等,直徑數(shù)十厘米較大者亦較常見。在大型結(jié)核周圍,頁狀烴源巖的連續(xù)性遭到破壞,其上覆地層發(fā)生明顯彎曲(圖10),顯示這類結(jié)核是在頁巖沉積之后擠入形成。在宜君套灘、瑤曲聶家河等剖面,大型橢球狀結(jié)核體內(nèi)可見黑色干瀝青脈。
較大型結(jié)核內(nèi)部具環(huán)帶分層結(jié)構(gòu),鏡下球粒狀結(jié)構(gòu)部分的主要成分為CaO,含有少量的MgO、SrO、ZnO;微量元素分析Eu正異常顯著,與Ba含量呈正相關(guān)性。這與已發(fā)現(xiàn)海/湖底熱噴流流體或熱液成因碳酸鹽巖特征(Mills and Elderfield, 1995; Hannigan and Sholkovitz, 2001; 伊海生等, 2001)一致;氧同位素的負(fù)異常同樣顯示其形成與深部熱液作用有關(guān)。
初步認(rèn)為富烴坳陷長7段烴源巖中的碳酸鹽巖結(jié)核屬深部熱液成因:在深部熱液流體沿構(gòu)造薄弱帶向上運(yùn)移過程中,將途經(jīng)的下古生界碳酸鹽巖溶融并帶到淺表層長7段地層之中或湖底,因溫壓降低熱液中碳酸鹽類物質(zhì)沉淀晶出,形成大小不等的碳酸鹽巖結(jié)核。深部熱液的較高溫度,并促使周圍烴源巖成熟生烴。大型結(jié)核內(nèi)部的干瀝青脈,應(yīng)是鈣質(zhì)結(jié)核形成時(shí)溫度較高、周圍烴源巖已生烴的結(jié)果和明證。因大型鈣質(zhì)結(jié)核極為致密,成巖之后液態(tài)烴不易進(jìn)入其中;即是后期偶有沿裂隙進(jìn)入的液態(tài)烴,一般也不具轉(zhuǎn)化為干瀝青的條件。尚需指出,一些小型鈣質(zhì)結(jié)核、或在湖底形成被長7段沉積物埋藏的大小不等的碳酸鹽巖結(jié)核,其與烴源巖生烴過程的時(shí)序關(guān)系可能與此不盡相同,類型更為復(fù)雜多樣。
王良書等(2016)對(duì)鄂爾多斯盆地南部利用寬頻數(shù)字流動(dòng)地震臺(tái)站所接收的函數(shù)共轉(zhuǎn)換點(diǎn)(CCP)疊加計(jì)算,獲得了近東西向100km以上深度和800km深度的偏移疊加深度剖面。該剖面從鄂爾多斯盆地南部富烴坳陷內(nèi)鎮(zhèn)原、寧縣、洛川通過。剖面顯示,富烴坳陷下方Moho面連續(xù)性較好、無明顯的低速層,在410km和660km處有較清晰的震相分布。其中410km界面略有向上隆升顯示,且與其上的Moho面略上隆同步;而660km界面較平緩,沒有大的起伏。這表明,在鄂爾多斯盆地南部富烴坳陷下方,現(xiàn)今深部結(jié)構(gòu)仍表現(xiàn)為局部地幔上隆的特征。
根據(jù)地震激發(fā)出的剪切波(S)分裂特征所求得的上地幔各向異性分析結(jié)果,在鄂爾多斯盆地南部,各向異性特征表現(xiàn)出一致穩(wěn)定的北西西-南東方向,與周鄰六盤山、渭河斷陷盆地的各向異性特征明顯不同。這說明,鄂爾多斯盆地南部富烴坳陷下方的深部應(yīng)力和物質(zhì)變形狀態(tài),未受到中生代晚期以來周邊動(dòng)力系統(tǒng)的影響,現(xiàn)今該區(qū)Moho面和410km界面顯示向上隆升的特征,主要形成于早中生代。這應(yīng)是延長期深部物質(zhì)上拱,導(dǎo)致表淺層伸展沉降,形成富烴坳陷的深部作用表現(xiàn)和歷史記錄留存。
鄂爾多斯盆地(地塊)在構(gòu)造活動(dòng)性方面,素以穩(wěn)定著稱,被認(rèn)為是中國最穩(wěn)定的地塊。在盆地中南部延長期富烴坳陷形成和其中優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育過程中, 上述同期發(fā)生的各類構(gòu)造變形、事件沉積和深部熱作用效應(yīng)等揭示,延長期富烴坳陷是在活動(dòng)的構(gòu)造環(huán)境和活躍的深部動(dòng)力作用背景中形成演化的。
盆地南部富烴坳陷南與秦嶺造山帶相鄰,中國南北兩大陸的匯聚碰撞與其間秦嶺造山帶的形成主要發(fā)生在中晚三疊世。在此期間,相鄰盆山形成演化的動(dòng)力環(huán)境應(yīng)有著密切的關(guān)聯(lián)和耦合響應(yīng)關(guān)系。
相鄰盆山演化過程的建造和改造及其重要事件的時(shí)空響應(yīng)對(duì)比,是探討盆山相互作用及其形成動(dòng)力環(huán)境關(guān)聯(lián)的重要組成部分。盡管對(duì)秦嶺造山帶構(gòu)造演化階段和巖漿作用時(shí)段構(gòu)造屬性的認(rèn)識(shí)不盡相同(張成立等,2008;王曉霞等,2015),但隨著各類測(cè)年技術(shù)的進(jìn)步和精度的提高,通過對(duì)日益增多測(cè)年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析,可總體上宏觀構(gòu)建盆山主要演化階段和重要構(gòu)造事件的時(shí)空響應(yīng)關(guān)系及時(shí)序,進(jìn)而探討其耦合和成因聯(lián)系。
根據(jù)古生物化石組合面貌和地層對(duì)比,認(rèn)為“延長組時(shí)代應(yīng)為中三疊世晚期-晚三疊世”(陜西省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1998)。對(duì)各段地質(zhì)時(shí)代的厘定,一般將長10-長8段劃歸中三疊世晚期,長7-長1段確定為晚三疊世。對(duì)富烴坳陷內(nèi)長7段烴源巖沉凝灰?guī)r夾層中鋯石已進(jìn)行了多種方法的年代學(xué)分析和研究。LA-ICP-MS U-Pb法測(cè)試所獲得的年齡大致可分為3組:221±2.0Ma(鄧秀芹等,2013)、226.5±1.6Ma~229.7±2.2Ma(3個(gè)年齡:王建強(qiáng)等,2017;鄧秀芹等,2013)和234.3±2.8Ma~236.1±2.7Ma(3個(gè)年齡:張輝等,2014)。另有2個(gè)長7段底部的SHRIMP U-Pb年齡,分別為241.3±2.4Ma和239.7±1.7Ma(王多云等,2014)。延長組的火山灰來源有空中降落和流水搬運(yùn)兩種(邱欣衛(wèi)等,2011),后者的形成時(shí)間應(yīng)早于其沉積時(shí)間。若凝灰?guī)r樣品采樣和測(cè)試無誤,上述年齡應(yīng)等于或老于所寄地層年齡。為了進(jìn)一步約束和精確厘定長7段的沉積年齡,對(duì)長7段下部砂巖夾層中碎屑鋯石進(jìn)行LA-ICP-MS U-Pb法測(cè)年,其中最年輕組分為235~243Ma(n=7),加權(quán)年齡為239.3Ma(王建強(qiáng)等,2017)。砂巖碎屑鋯石來自沉積物源區(qū),其年齡應(yīng)老于所寄地層年齡。綜上所述,將長7段時(shí)限初步確定為237Ma~223±2Ma,屬晚三疊世早期。
圖11 秦嶺造山帶早中生代花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)時(shí)序階段圖Fig.11 Time and stage sequence of Early Mesozoic granitoid magmatism in Qinling Orogenic Belt
圖12 印支期秦嶺碰撞造山演化與前陸/后陸盆地發(fā)育示意圖Fig.12 Schematic diagram of Qinling Orogeny in Indosinian and the development pattern of foreland and backland basin distribution
秦嶺造山帶在早中生代的巖漿活動(dòng)缺乏火山活動(dòng)的記錄,但在廣闊范圍存在的大規(guī)模花崗巖漿侵入,記錄了秦嶺造山帶的形成演化和深部過程演變(張國偉等,2001;張成立等,2005,2008;秦江鋒,2010)。這一時(shí)期的花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)主要發(fā)生在256~185Ma期間(圖11),集中出露于110°E商州以西的東秦嶺西部和西秦嶺地區(qū),在商丹帶的南北兩側(cè)廣泛發(fā)育,限于略陽-寧陜斷裂以北。所有巖體呈無變形近等軸狀、渾圓狀或略有拉長形狀。大致以235Ma為界,可將秦嶺早中生代花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)劃分為兩個(gè)階段。早期以石英閃長巖、花崗閃長巖等I型為特點(diǎn), 可能形成于勉略洋(中特提斯洋)俯沖閉合同碰撞環(huán)境。晚期以花崗閃長巖、二長花崗巖為主, 顯示I型、I-A型和 A 型特點(diǎn),一些花崗質(zhì)巖石具有埃達(dá)克質(zhì)(235~215Ma)和環(huán)斑結(jié)構(gòu)花崗巖(210~217Ma)的特征, 形成于同碰撞晚期或后碰撞環(huán)境(張成立等, 2008;王曉霞等,2015)。此形成環(huán)境和演變趨勢(shì),總體受控于華北-揚(yáng)子兩大陸匯聚、碰撞、拼合動(dòng)力背景及其演化(張國偉等,2001)。
值得注意的是,秦嶺早中生代花崗巖分布與今鄂爾多斯殘留盆地的東界,均在110°E附近。故此南北相鄰盆山同時(shí)期演化的動(dòng)力學(xué)環(huán)境,可對(duì)比性強(qiáng),暗示二者應(yīng)有著深刻的內(nèi)在聯(lián)系。
根據(jù)巖漿活動(dòng)強(qiáng)度(年齡統(tǒng)計(jì))和構(gòu)造背景,本文將秦嶺早中生代花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)和對(duì)應(yīng)的延長期富烴凹陷沉積構(gòu)造環(huán)境演變大致分為以下四個(gè)階段(圖11)。
5.1.1 強(qiáng)烈碰撞期——規(guī)模湖盆演化 (256~237Ma,二疊紀(jì)晚期-中三疊世≈長10-長8期)
此階段花崗巖體以略具定向構(gòu)造的I型花崗巖為主,規(guī)模有限,巖石類型主要為石英閃長巖和花崗閃長巖,部分顯示埃達(dá)克質(zhì)花崗巖,代表陸殼碰撞增厚發(fā)生部分熔融的產(chǎn)物,是晚二疊世末華北克拉通與揚(yáng)子克拉通碰撞、陸殼匯聚增厚的巖漿事件記錄(張成立等,2008;王曉霞等,2015)。
在約242Ma,即中三疊世晚期之初巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈(圖11),多具地殼增厚背景下形成的埃達(dá)克質(zhì)花崗巖特征,代表中國南、北兩大陸塊匯聚碰撞增強(qiáng)導(dǎo)致陸殼增厚。鄂爾多斯盆地南部遂在來自秦嶺造山帶一側(cè)的增強(qiáng)擠壓作用下?lián)锨两捣妊杆僭龃?,發(fā)生第一次湖侵,出現(xiàn)較為統(tǒng)一的長9期較大型湖區(qū)(圖6),形成“李家畔”頁巖,延長期富烴坳陷開始發(fā)育。
到該階段晚期,秦嶺西部地區(qū)花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)減弱,長8期湖區(qū)范圍縮小,沉積中心始向南偏移(圖6)。
本階段在盆地南部富烴坳陷的沉積地層中,砂巖墻(脈)類上拱擠入構(gòu)造、震積巖等事件沉積和凝灰?guī)r夾層,從長10到長8段由無到有、規(guī)模和頻率漸增,表明盆地南部富烴坳陷構(gòu)造活動(dòng)和深部作用增強(qiáng)。
5.1.2 碰撞轉(zhuǎn)換期——湖盆鼎盛期-沉積中心向南遷移(237~225Ma,晚三疊世早期≈長7期)
此階段處于前后兩期強(qiáng)烈花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)峰值區(qū)之間的相對(duì)低值區(qū)(圖11),為南北大陸塊體強(qiáng)烈碰撞向同碰撞晚期-后碰撞階段的轉(zhuǎn)換期。對(duì)盆山演化而言,此階段地質(zhì)構(gòu)造意義均十分重要。
在此階段,大量俯沖匯聚到秦嶺地區(qū)和仰沖華北克拉通南緣(即后陸地帶)深部的物質(zhì)發(fā)生規(guī)模熔融,深部地??赡馨殡S造山帶垮塌上涌、陸殼伸展,導(dǎo)致積聚的巨量物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的熱能在深部超飽和與異常高增壓的狀況下,向地殼淺部運(yùn)移和釋放。值得注意的是,此深部物質(zhì)向上運(yùn)移和熱能釋放是在華北克拉通南部和秦嶺地區(qū)同時(shí)進(jìn)行,致使此階段區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)、深部作用活躍。由于二者的地殼-巖石圈性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同,深部能量和物質(zhì)向上運(yùn)動(dòng)的方式與產(chǎn)生的結(jié)果明顯不同(圖12)。
秦嶺地區(qū)基底時(shí)代相對(duì)較新、地殼-巖石圈的完整性及剛性較弱,主要通過較大規(guī)模的花崗巖漿向上侵入而使深部物質(zhì)遷移和熱能傳輸。
華北仰沖板塊結(jié)晶基底時(shí)代古老,地殼-巖石圈的完整性和剛性較強(qiáng),在其南緣,即今鄂爾多斯盆地南部發(fā)生區(qū)域熱拱張沉降,地溫場增高;形成延長期最大湖泛面,深水-較深水湖區(qū)面積廣,發(fā)育“張家灘”頁狀優(yōu)質(zhì)烴源巖,沉積中心向西南秦嶺方向遷移達(dá)120km。與此同時(shí),深部熱流體沿?cái)嗔训葮?gòu)造薄弱帶向淺表層運(yùn)遷噴溢,形成了延長組內(nèi)分布最多或唯一發(fā)育的砂巖墻(脈)、泥巖脊和碳酸鹽巖結(jié)核等深部熱液成因的上拱擠入構(gòu)造(圖3、圖10),并為湖水和沉積物帶來了深部物質(zhì)(圖8);受較強(qiáng)構(gòu)造活動(dòng)的誘發(fā),震積巖、濁積巖等各類事件沉積多發(fā)(圖4),火山灰沉積在延長期頻率最高。深部物質(zhì)和火山灰的加入,又促使了生物勃發(fā)和富鈾優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成。
此階段是早中生代花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)最為強(qiáng)烈的時(shí)期,巖石具I型、I-A過渡型向A型演化的特征。巖石類型主要為石英二長巖、花崗閃長巖和二長花崗巖, 同時(shí)伴隨有煌斑巖脈的侵入, 顯示了雙峰式巖漿組合特點(diǎn)。許多大花崗巖基中發(fā)育的暗色閃長質(zhì)包體具殼幔混合特征,具有后碰撞花崗巖成因特征(張成立等,2005, 2008;王曉霞等,2015)。早中生代最強(qiáng)烈、規(guī)模最大的花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)發(fā)生在222~210Ma期間(圖11),反映在后碰撞階段增厚的巖石圈開始減薄、伸展,深部作用活躍、殼幔相互作用增強(qiáng),發(fā)生強(qiáng)烈的幔源和殼源巖漿活動(dòng),熱能和異常壓力驟增,大規(guī)模殼?;旌系幕◢弾r漿大面積上涌侵入。在西秦嶺天水伯陽,小范圍殘留有該時(shí)期的火山巖(流紋巖,214.6±3.8Ma;邱欣衛(wèi),2011)。
與今鄂爾多斯盆地分布位置南北大致對(duì)應(yīng)的秦嶺造山帶西部,此階段的地貌是隆升,還是塌陷,以往專門討論甚少,尚無定論。筆者認(rèn)為,在此階段缺乏熱能規(guī)模釋放的火山活動(dòng)或其他構(gòu)造變動(dòng),巨量花崗巖體侵入和熱能上拱涌進(jìn),必然會(huì)導(dǎo)致該區(qū)淺表層發(fā)生隆升。此階段鄂爾多斯盆地南部湖區(qū)范圍不斷縮小,沉積中心向北遷移,也顯示其南鄰秦嶺地區(qū)在隆升。在東秦嶺西部和西秦嶺地區(qū),早中侏羅世地層直接覆蓋在前上三疊統(tǒng)之上,總體缺失晚三疊世沉積,亦為該區(qū)在此階段主體隆升提供了佐證。
由于本期深部巨量物質(zhì)和熱能主要耗散在秦嶺地區(qū),鄂爾多斯盆地南部深部作用雖仍較活躍,但強(qiáng)度較長7期有所減弱。在長6期湖區(qū)面積雖大為縮小,但砂巖墻(脈)等上拱擠入構(gòu)造和事件沉積仍較發(fā)育,顯示為長7期深淺部構(gòu)造環(huán)境的延續(xù)。長6期之后,構(gòu)造活動(dòng)和深部作用減弱,湖區(qū)范圍逐漸萎縮,水體變淺,到長2+3期湖區(qū)面積約為長7期的1/3;砂巖墻(脈)類上拱擠入構(gòu)造鮮見、事件沉積明顯減少。
在206~201Ma期間(圖11),秦嶺地區(qū)的花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)大為減弱,隆升范圍向外擴(kuò)大。受其影響,鄂爾多斯盆地南部長1期沉積中心位置較長7期向北遷移了約180km(圖6),水體大部較淺。長1期湖區(qū)范圍和位置不穩(wěn)定,水體深淺多變,晚期出現(xiàn)較大范圍沼澤環(huán)境;發(fā)育油頁巖和延長期唯一的煤系。
5.1.4 后碰撞末期-板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境——盆地沉積間斷-遭受剝蝕(201~191~185Ma,早侏羅世早期)
此階段,秦嶺花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)已經(jīng)明顯減弱,漸趨停止(圖11),但有少量高分異富鉀花崗巖和環(huán)斑結(jié)構(gòu)花崗巖/或A型花崗巖類的形成,證明進(jìn)入了碰撞造山后期,陸殼相對(duì)穩(wěn)定、深部作用不活躍,始向板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)換(張成立等,2008)。
大致在本階段初或始于上階段末,盆地南部遭受以較強(qiáng)抬升-剝蝕為主的改造,鄂爾多斯盆地整體隆升,全區(qū)沉積間斷,缺失早侏羅世早期沉積。其中盆地西南部抬升較高,剝蝕甚烈,前期沉積的延長組長3段之上大部剝蝕殆盡,局部地區(qū)剝蝕到長4+5段(王建強(qiáng)等,2020)。
秦嶺后碰撞階段的結(jié)束和花崗質(zhì)巖漿活動(dòng)停止,與相鄰鄂爾多斯盆地鼎盛階段延長期沉積作用結(jié)束和盆地整體抬升、沉積間斷,在時(shí)間上幾乎同時(shí),這不可能是偶然的巧合,應(yīng)有著更為廣闊、關(guān)聯(lián)密切、相對(duì)統(tǒng)一的地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境和深刻的內(nèi)在成因聯(lián)系。對(duì)其形成動(dòng)力機(jī)理探討和揭示,具有重要的區(qū)域大地構(gòu)造環(huán)境演變和大陸動(dòng)力學(xué)意義。這可能是中國南北大陸匯聚、碰撞、拼接在一起后,兩大陸塊和其間的造山帶統(tǒng)一向板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)換、“強(qiáng)烈”變動(dòng)的深部動(dòng)力能量釋放調(diào)整后的暫時(shí)“平靜”表現(xiàn)。
表1 后陸盆地與前陸盆地主要特征和形成環(huán)境異同對(duì)比表
綜上所述可知,延長期富烴坳陷與印支期秦嶺造山帶及其巖漿活動(dòng),在空間上相鄰、發(fā)育時(shí)限相當(dāng)、演化階段響應(yīng)、活動(dòng)興衰同步。故認(rèn)為延長期富烴坳陷的形成演化及其與秦嶺造山帶的時(shí)空耦合響應(yīng),是在華北-揚(yáng)子兩大陸塊匯聚、碰撞、拼接,進(jìn)而向板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)換的統(tǒng)一動(dòng)力環(huán)境中產(chǎn)生和完成的。
在南北兩大陸匯聚碰撞過程中,水平方向縮短與俯沖板塊消減的巨量物質(zhì)和能量,主要匯聚在秦嶺地區(qū)和仰沖華北克拉通南部所在的后陸地帶深部,于地殼-巖石圈內(nèi)發(fā)生物質(zhì)相互作用和能量轉(zhuǎn)換。在造山帶區(qū)域,以垂向隆升增厚的形式,吸收和消化了大量表淺層物質(zhì)的橫向縮短;大致同時(shí)或略滯后,發(fā)生的大規(guī)模熔融巖漿侵入到表淺層而耗散部分深部物質(zhì)和能量。而在俯沖物質(zhì)持續(xù)運(yùn)移和集中聚集的后陸地帶,發(fā)生物質(zhì)熔融和熱量轉(zhuǎn)換,致使該區(qū)深部物質(zhì)過飽和積聚、熱能及壓力超常驟增,形成較小尺度地幔對(duì)流,促使物質(zhì)與熱能上拱涌溢擴(kuò)散,引發(fā)地殼表淺層拱張破裂和側(cè)向擴(kuò)展,于是發(fā)生沉降、湖水匯聚和沉積充填,形成延長期具熱-張性特性的富烴坳陷,稱其為后陸盆地(圖12)(劉池洋等,2015)。在兩大陸匯聚、俯沖碰撞造山過程及其活動(dòng)所及構(gòu)造域,只有在造山帶和后陸地區(qū)均發(fā)生上述深淺部物質(zhì)交換和能量轉(zhuǎn)化,才有可能使俯沖到深部的巨量物質(zhì)和能量匯聚的環(huán)境達(dá)到相對(duì)平衡。對(duì)此認(rèn)識(shí)支持的另一重要證據(jù)是,與典型的碰撞造山帶相比,至今在秦嶺地區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)印支期較大規(guī)模的火山活動(dòng)。這暗示,在該構(gòu)造域,深部巨量的物質(zhì)向上侵入和熱能釋放在秦嶺造山帶并不充分,需有在俯沖物質(zhì)聚集的后陸地區(qū),通過不同的方式使深部物質(zhì)和熱能向表淺層運(yùn)移耗散。于是,延長期富烴坳陷適時(shí)地利而生。后陸盆地發(fā)育在仰沖板塊華北克拉通之上,所處的動(dòng)力環(huán)境和形成機(jī)制與弧后擴(kuò)張和弧后盆地的形成相似(劉池洋,1993)。由于碰撞造山俯沖匯聚到仰沖板塊后陸地區(qū)深部的物質(zhì),與大洋板塊俯沖下去的物質(zhì)在規(guī)模上遠(yuǎn)不可比,故后陸地區(qū)伸展裂陷和巖漿活動(dòng)遠(yuǎn)沒有弧后擴(kuò)張強(qiáng)烈,在后陸地區(qū)主要表現(xiàn)為弱伸展和深部熱流體活動(dòng);在早期或表淺部,在沉降坳陷臨山一側(cè)邊部甚或還有擠壓構(gòu)造產(chǎn)生。
后陸盆地與前陸盆地分別位于碰撞造山帶兩側(cè)仰沖和俯沖板塊臨山一側(cè),具有若干近于相同或相似的特征,但其質(zhì)的不同是根本的(劉池洋等,2015),在油氣賦存和成藏特征也差別較大。將二者的異同簡要總結(jié)歸納于表1。
(1)鄂爾多斯盆地豐富的石油資源來自盆地南部中晚三疊世延長期富烴坳陷,其中貢獻(xiàn)最大的長7段頁狀優(yōu)質(zhì)烴源巖以富鈾、夾多層凝灰?guī)r為特征。
(2)延長期富烴坳陷具南深北淺的坳陷型結(jié)構(gòu)。在其中,優(yōu)質(zhì)烴源巖、烴源巖中較高鈾含量(測(cè)井高伽馬異常)區(qū)和凝灰?guī)r夾層較厚區(qū),在分布位置上三位一體、彼此交互疊置;盆地多層系(Pz2-J1-2)高熱演化區(qū)上下同位,多期(T2-3y-J1-2)持續(xù)沉降區(qū)先后疊置,說明該富烴坳陷的形成和分布具有重要的深部背景。
(3)在延長期,特別是長7段沉積期間,各類深部物質(zhì)上拱擠入構(gòu)造、同沉積(軟地層)變形構(gòu)造和事件沉積發(fā)育,主要分布在富烴坳陷深湖-較深湖區(qū)。在烴源巖等地層中,檢測(cè)出多種指示深部熱流體活動(dòng)的巖石礦物和地球化學(xué)異常。在富烴坳陷深部400km以上的殼幔各界面,呈上拱的結(jié)構(gòu)特征。這表明該富烴坳陷和其中優(yōu)質(zhì)烴源巖是在構(gòu)造活動(dòng)明顯、深部作用活躍的地球動(dòng)力環(huán)境中形成演化的。
(4)延長期富烴坳陷與印支期秦嶺造山帶的形成演化及其巖漿活動(dòng),在空間上相鄰、發(fā)育時(shí)限相當(dāng)、演化階段響應(yīng)、活動(dòng)興衰同步,是在華北-揚(yáng)子兩大陸塊匯聚碰撞,進(jìn)而向板內(nèi)構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)換的動(dòng)力環(huán)境中進(jìn)行的。
(5)在仰沖華北板塊后陸地帶積聚的巨量俯沖物質(zhì)發(fā)生熔融和熱量轉(zhuǎn)換,導(dǎo)致該區(qū)深部物質(zhì)過飽和聚集、熱能及壓力超常驟增,促使熔融物質(zhì)與熱能上拱,引發(fā)地殼表淺層拱張沉降,形成延長期具熱-張性特性的富烴坳陷,稱其為后陸盆地。
致謝感謝張成立教授和二位審稿人提出了有益的修改意見!