海西構造旋回陰山幕式造山與鄂爾多斯盆地北部旋回充填的耦合關系

王 濤，侯明才，陳洪德，侯中健，陳安清，蘇中堂

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059；2.中國石油長慶油田勘探事業(yè)部，西安 710018）

海西構造旋回陰山幕式造山與鄂爾多斯盆地北部旋回充填的耦合關系

王 濤1，2，侯明才1，陳洪德1，侯中健1，陳安清1，蘇中堂1

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059；2.中國石油長慶油田勘探事業(yè)部，西安 710018）

探討鄂爾多斯盆地沉積物充填規(guī)律與陰山造山帶間的相互關系，為大型克拉通盆地沉積充填規(guī)律與造山帶耦合關系提供實證。通過鄂爾多斯盆地北部晚古生代9條野外剖面和133口典型鉆井詳細的沉積充填序列分析，結果清楚地揭示晚古生代太原－山西期、石盒子期、石千峰期存在明顯的3個由粗－細－粗的沉積充填旋回。構造沉降史分析準確標定出285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.為造山活動加劇、盆地強烈沉降的時間節(jié)點，而這3個時間節(jié)點正好對應于太原－山西期、石盒子期、石千峰期3個時期內退積－進積的沉積轉換，這說明海西期華北板塊向西伯利亞板塊俯沖-碰撞造山所導致的陰山古陸的幕式造山運動與盆地的旋回充填存在密切的耦合關系。

旋回充填；幕式造山；盆山耦合；陰山造山帶；鄂爾多斯盆地

造山帶和沉積盆地是大陸構造中重要的組成單元，兩者之間組成的盆-山系統(tǒng)是大陸動力學研究的熱點問題之一［1，2］。造山帶為持續(xù)沉降的盆地提供沉積充填物質，沉積盆地則記錄了相鄰的造山帶活動，盆地充填與造山帶活動之間構成了一種耦合關系。因此，沉積盆地成為研究造山帶活動的窗口［3－5］。

陰山造山帶和鄂爾多斯盆地是中國典型的盆山耦合系統(tǒng)之一［6］，從晚古生代開始，隨著華北板塊向北俯沖，位于西伯利亞板塊南部的陰山造山帶受消減作用逐漸與華北板塊北緣拼接形成拱起隆升［7，8］，在其漫長的造山過程中，一直影響盆地北部沉積物的充填，尤其為海西期盆地碎屑沉積提供物源并決定了沉積物質展布特征［9］。本文試圖通過鄂爾多斯盆地北部海西期的沉積物質充填特征和充填過程來反演這一時期陰山造山帶的幕式活動特征，揭示陰山造山過程與盆地充填之間的耦合關系，為深入探討大型穩(wěn)定克拉通盆地沉積物質充填規(guī)律與周緣造山帶的相互關系提供實證。

鄂爾多斯盆地處于中國東部穩(wěn)定區(qū)和西部活動帶的結合部位，四周被造山帶所包圍，北鄰陰山造山帶，南抵秦嶺造山帶，東達呂梁山，西接賀蘭山－六盤山，盆地邊界受周緣深大斷裂控制，是一個多旋回疊合盆地（圖1）。晚古生代，鄂爾多斯盆地的沉積充填演化受北緣古亞洲洋和西南緣秦祁洋的俯沖和消減作用的控制，自下而上依次發(fā)育上石炭統(tǒng)本溪組、二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組6套地層。這一階段盆地演化可分為陸表海和陸內拗陷盆地2個演化階段：①晚石炭世至早二疊世早期是以海相沉積為特征的陸表海階段，具體又細分為本溪期裂陷盆地和太原期拗陷盆地2個次級階段；②早二疊世晚期至晚二疊世，區(qū)域構造由拉張轉化為擠壓抬升，海水逐漸從西南、東南退出，盆地進入陸相沉積為主的演化階段，包括山西組過渡性近海湖盆和下石盒子期到石千峰期的陸內拗陷盆地［11］。兩個演化階段之間，即以太原期末盆地東西兩側邊緣的抬升所形成的風化剝蝕成為盆地性質轉化的關鍵性界面。而這種盆地演化過程中區(qū)域構造格局的轉變，直接形成了沉積體系豐富、旋回結構清晰、層序類型多樣的盆地充填與演化特征。

圖1 鄂爾多斯盆地晚古生代盆地原型Fig.1 Prototype basin of Ordos Basin during Late Paleozoic（據(jù)文獻［10］修改）

1 海西期盆地充填過程

1.1 盆地旋回充填序列

在詳細分析9條野外剖面、133口典型鉆井的沉積旋回結構后，結合他人研究成果［7，8，11］，建立了沉積旋回充填序列及盆地發(fā)展演化關系圖（圖2）。

晚古生代鄂爾多斯盆地經歷了由穩(wěn)定克拉通陸表海沉積充填到內陸拗陷盆地陸相碎屑巖充填的演化過程。

在經歷了130 Ma的沉積間斷之后，鄂爾多斯盆地從晚石炭世本溪期開始再次接受沉積，到早二疊世太原期都為陸表海沉積階段，發(fā)育一套含煤砂泥巖夾數(shù)套灰?guī)r沉積，沉積環(huán)境主要為潮控三角洲。

到早二疊世山西期沉積物質明顯不同，主要發(fā)育灰色、灰白色含礫中粗粒巖屑砂巖、石英砂巖，稱之為“北岔溝砂巖”；向上砂巖粒度逐漸變細，為灰色－灰黑色巖屑砂巖、巖屑石英砂巖及含泥砂巖夾黑色泥巖及煤層，沉積環(huán)境也演變?yōu)楹ｊ戇^渡相，物源由陰山古陸東段轉變?yōu)槲鞫喂獮橹?，盆地性質由裂陷盆地演化為陸內拗陷盆地。

進入中二疊世石盒子期，完全轉成陸相沉積，下石盒子早期發(fā)育淺灰色、灰白色含礫粗砂巖、中粗粒砂巖及灰綠色巖屑石英砂巖，俗稱“駱駝脖砂巖”；向上逐漸轉變?yōu)闇\肉紅色、褐灰色、淺灰色泥質砂巖、粉砂巖、泥巖，上石盒子期為更細粒的砂質泥巖及紅色泥巖互層，夾薄層砂巖及粉砂巖。此時盆地進入陸內拗陷發(fā)展、成熟階段，陰山古陸西段提供富石英的物源，發(fā)育辮狀河三角洲沉積。

晚二疊世石千峰期，陸內拗陷作用減弱，早期充填以紫紅色砂巖夾泥巖為主的沉積，晚期主要為棕紅色含鈣結核泥巖充填，為辮狀河－辮狀河三角洲沉積環(huán)境。

從晚古生代盆地充填序列及其過程來看，海西期存在明顯的3次由粗向細的充填旋回，下面詳細描述盆地充填的旋回特征。

1.2 旋回充填特征

晚古生代盆地充填過程中3次明顯的旋回分別為太原－山西期，下石盒子期，石千峰期。

1.2.1 太原期

早二疊世太原期，東西兩緣海水侵入范圍繼續(xù)擴大，祁連、華北海盆連通，形成統(tǒng)一的以含煤為特征的濱海相沉積。中央古隆起淪為水下隆起，對沉積作用的控制趨于減弱。西緣地區(qū)轉化為裂后拗陷，形成開闊陸表海中的相對拗陷帶。而且由于興蒙海槽的關閉，伊盟隆起北部隆升的地帶成為主要的物源，盆地呈北高南低、北陡南緩的地貌特征，自北往南發(fā)育沖積扇、扇三角洲和淺海陸棚，呈現(xiàn)出海陸過渡帶型的沉積體系組合（圖3）。

1.2.2 山西期

早二疊世山西期盆地由北向南依次發(fā)育辮狀河－辮狀河三角洲沉積，偶夾海相沉積夾層和煤層，海水基本退出鄂爾多斯盆地，僅在盆地東南殘存。該時期的沉積格局已由東西差異轉變?yōu)槟媳狈之?，盆地北部基本形成?個南北向展布的河流－三角洲沉積體系輪廓，三角洲沉積范圍明顯向南擴大，形成了廣闊的三角洲平原環(huán)境（圖4）。此時盆地性質已發(fā)生轉化，為陸內拗陷盆地，且沉積體系大面積南遷，反映有大量碎屑物質進入盆內，北部物源區(qū)隆升加快。上述特征表明盆地北部陰山造山帶造山作用增強，而此時地層中出現(xiàn)大量凝灰質沉積物也證實了該時期具有較強的造山作用。

圖2 鄂爾多斯盆地晚古生代沉積旋回充填序列及盆地發(fā)展演化階段Fig.2 The sedimentary cycle filling sequence and the basin evolution stages of Late Paleozoic in Ordos Basin

1.2.3 下石盒子期

下石盒子期，氣候由溫暖潮濕變?yōu)楦珊笛谉?，植被大量減少，從而沉積一套灰白－黃綠色的純的陸源碎屑建造。該時期盆地內沉積特征延續(xù)山西期的特點，依然發(fā)育4個近平行的由北向南展布的河流－三角洲沉積體系，沉積相帶略向南遷移，辮狀河三角洲在晚期也逐漸轉變?yōu)榍骱尤侵?，只是該時期盆地內完全不發(fā)育海相地層，全演變成陸相沉積（圖5）。這種沉積格局反映盆地完全進入了陸內拗陷發(fā)展階段，表明北部物源區(qū)在短暫相對平靜之后又一次進入強烈的構造活躍期。陰山造山帶的再次強烈造山為盆地提供了豐富的物源，使沉積格局發(fā)生變化。

圖3 鄂爾多斯盆地太原期巖相古地理圖Fig.3 Paleogeographic map of Taiyuan Stage in Ordos Basin

1.2.4 上石盒子期

中二疊世晚期，北部物源區(qū)抬升幅度減緩，隨河流夷平作用增強，南北地形差異逐漸縮小。沖積體系萎縮，湖泊沉積體系向北擴展，氣候變得較為干燥，植被減少，從而形成以紫紅色、黃綠色為主的沉積，巖相古地理格局為三角洲與湖泊沉積體系共存。隨著基底的不斷沉降和陸源碎屑物質的減少，湖泊面積擴大。盆地南部地區(qū)構造抬升作用增強，三角洲沉積向北略有推進，三角洲平原展布范圍亦有擴大之趨勢（圖6）。

圖4 鄂爾多斯盆地山西期巖相古地理圖Fig.4 Paleogeographic map of Shanxi Stage in Ordos Basin

1.2.5 石千峰期

晚二疊世石千峰期，華北地臺整體抬升，海水自此退出華北大盆地，沉積環(huán)境完全轉化為大陸體制的河流、三角洲和湖泊。該期氣候變得更為干燥，以發(fā)育河湖相紫紅色砂巖和泥巖組成的互層為特征，湖域面積較石盒子期有所縮小。隨著河流－三角洲體系向南推進，湖泊逐漸萎縮，說明此時陰山造山帶再度活躍，從而提供大量碎屑物質使得湖泊最終充填淤塞，直至萎縮消亡；同時也結束了鄂爾多斯盆地晚古生代的沉積演化歷史（圖7）。

2 陰山幕式造山與盆地充填的耦合關系

陰山造山帶主體為烏拉山、大青山、色爾騰山和白云鄂博構造帶，由南向北依次出露集寧群、烏拉山群、二道凹群和色爾騰山群結晶基底巖系。在晚古生代受華北板塊向西伯利亞板塊的俯沖-碰撞造山，此過程中的早石炭世晚期－中二疊世、二疊紀末－三疊紀伴隨多期的巖漿和火山活動［12，13］，使得盆地北部晚古生代的盒7、盒8、盒9、山1、山2段均含火山碎屑［14］。說明晚古生代陰山造山帶并非一成不變，而是發(fā)生了多期造山運動，或者說這一時期的陰山造山運動具有脈動式或是幕式活動的特點。通過對盆地北部的蘇75井的沉積巖石學和沉積環(huán)境的分析，應用構造沉降分析方法，做出了鄂爾多斯盆地北部晚古生代的構造沉降曲線（圖8），發(fā)現(xiàn)在285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.3個時間點附近，構造沉降曲線存在3個明顯的拐點，也就是說這3個時間點是明顯的造山活動加劇、盆地強烈沉降的時期。非常巧合的是，這3個時間點恰好是晚古生代鄂爾多斯盆地3個充填旋回中由退積向進積的轉換時間。而且，盆地沉積物質充填與構造沉降有非常明顯的契合關系：285 Ma B.P.的構造沉降事件恰好對應山西組和太原組的界線，而前述的沉積充填序列（圖2）和這兩個時期的巖相古地理圖（圖3、圖4）已經清楚地揭示太原組－山西組是一個盆地充填物質由陸表海向陸緣近海湖盆轉換的時期，沉積物充填樣式上表現(xiàn)為退積向進積的轉換。第二個拐點，即274 Ma B.P.，對應著下石盒子組和上石盒子組的界線。而下石盒子早期發(fā)育淺灰色、灰白色含礫粗砂巖，中粗粒砂巖及灰綠色巖屑石英砂巖，俗稱“駱駝脖砂巖”，向上逐漸轉變?yōu)闇\肉紅色、褐灰色、淺灰色泥質砂巖、粉砂巖、泥巖；上石盒子期為更細粒的砂質泥巖及紅色泥巖互層，夾薄層砂巖及粉砂巖（圖2、圖6），這是一個陸內拗陷盆地由發(fā)展向成熟的轉變，沉積體系類型也由早期的曲流河三角洲向辮狀河三角洲轉變。第三個拐點，即256 Ma B.P.，這是一個沉降幅度和沉降速率最大的時間點，發(fā)育在石千峰組的內部。而從前人的研究來看，上二疊統(tǒng)石千峰組是一套紅色的富含火山碎屑巖的沉積組合，野外露頭剖面和室內鉆井巖心及測井均揭示極富火山物質的層段就在這一時期（圖9）。

圖6 鄂爾多斯盆地上石盒子期巖相古地理圖Fig.6 Paleogeographic map of Upper Shihezi Stage in Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地下石盒子期巖相古地理圖Fig.5 Paleogeographic map of Lower Shihezi Stage in Ordos Basin

上述研究表明，鄂爾多斯盆地晚古生代的沉積充填具有明顯的退積－進積旋回特征，造成這種旋回充填特征的地球動力學因素是盆地北緣陰山造山帶的幕式造山隆升活動。

圖7 鄂爾多斯盆地石千峰期巖相古地理圖Fig.7 PaleogeographicmapofShiqianfengStage inOrdosBasin

圖8 陰山幕式造山與盆地旋回性充填的耦合關系Fig.8 Thecouplingrelationshipbetween theepisodicorogenicmovementofYinshanandthefillingcycleofthebasin

圖9 鄂爾多斯盆地鉆井巖心、露頭剖面中石千峰組的火山碎屑物Fig.9 ThefragmentsofthedrillingcoresandtheoutcropsectionsinShiqianfengFormationofOrdosBasin

3 結論

a.鄂爾多斯盆地海西期沉積物表現(xiàn)為3次由粗向細的充填旋回，分別為太原組－山西組海陸過渡相轉換為辮狀河三角洲沉積，上石盒子組、下石盒子組曲流河三角洲轉向辮狀河三角洲沉積和石千峰組向南推進的河流－三角洲沉積。

b.鉆井構造沉降曲線揭示晚古生代陰山發(fā)生了3幕造山運動，大致為285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.，恰好與沉積充填的退積－進積旋回相對應，表明鄂爾多斯盆地晚古生代旋回性充填與陰山幕次造山具有良好的耦合關系。

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Coupling relationship between Yinshan episodic orogenic movement of Hercynian tectonic cycle and filling cycle of the North Ordos Basin in China

WANG Tao1，2，HOU Ming-cai1，CHEN Hong-de1，HOU Zhong-jian1，CHEN An-qing1，SU Zhong-tang1
1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；
2.The Exploration Division of China Petroleum Changqing Oilfield Company，Xi'an 710018，China

This paper discusses the relationship between the filling rule of the sediments in Ordos Basin and the Yinshan Orogenic Belt to provide an example for the coupling relationship between orogenic belts and large craton basins.In analyzes the sedimentary sequences of 9 sections and 133 classical drilled wells of Late Permian in the north of Ordos Basin are researched.The results indicate that there exist three significant sedimentary filling cycles of coarse grained-fine grained-coarse grained sediments in the Taiyuan-Shanxi，Shihezi and Shiqianfeng periods.The key time nodes of violent orogenic activities and basin subsidence are calibrated accurately as 285，274 and 256 Ma B.P.by the analysis of the tectonic subsidence history.These three time nodes are corresponding to the sedimentary transformation of progradation-retrogradation in the Taiyuan-Shanxi，Shihezi and Shiqianfeng periods.This shows that the episodic orogenic movement of the Yinshan ancient land caused by the subduction-collision orogeny between the North China plate and the Siberian plate is closely coupled with the filling cycles of the basin.

filling cycle；episodic movement；basin-mountain coupling；Yinshan orogenic belt；Ordos Basin

TE121.3

A

10.3969／j.issn.1671-9727.2014.03.07

1671-9727（2014）03-0310-08

2013-09-30

國家科技重大專項（2011ZX05044）

王濤（1971－），男，高級工程師，從事油氣勘探的科研與管理工作，E-mail：wt＠petrochina.com.cn。