松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期沉降中心遷移及其發(fā)育機制

李 朋, 張翔陽, 祝安安, 毛啟曦

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期沉降中心遷移及其發(fā)育機制

李 朋, 張翔陽, 祝安安, 毛啟曦

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

松遼盆地經(jīng)歷了同裂陷和裂后演化階段,尤其是在裂后坳陷期不僅形成了大型的陸相湖盆,同時還形成了以坳陷湖盆為中心的富生烴的巨型的油氣系統(tǒng)。在新的、高品質(zhì)2D、3D地震資料及巖心、測井等資料的基礎(chǔ)上,應(yīng)用盆地動力學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、層序地層學(xué)等理論和方法,通過對骨干大剖面的精細構(gòu)造—地層解析,建立盆地的構(gòu)造—地層格架。應(yīng)用平衡剖面技術(shù)、沉降史回剝技術(shù),揭示盆地裂后反轉(zhuǎn)期沉降中心的遷移規(guī)律,結(jié)合盆地構(gòu)造和區(qū)域動力學(xué)分析,確定其發(fā)育機制,從而為松遼盆地的油氣資源勘探選區(qū)提供地質(zhì)依據(jù)。

松遼盆地;構(gòu)造反轉(zhuǎn);構(gòu)造演化;沉降中心

松遼盆地是目前世界上已發(fā)現(xiàn)油氣田中在非海相沉積盆地中的油氣資源最為豐富的盆地,其形成和演化大致經(jīng)歷了斷陷、裂后熱沉降(坳陷)和構(gòu)造反轉(zhuǎn)三個階段。對于松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期沉降與沉積中心的研究,前人主要從宏觀的角度分析了其大致分布范圍,重在研究盆地的總體演化趨勢。以往沉降中心的研究主要通過原始厚度圖和殘余厚度圖來反映沉降中心的位置,殘余厚度在反應(yīng)沉降中心上誤差會更大一些。

本文基于地質(zhì)、地球物理資料,以現(xiàn)代盆地動力學(xué)和層序地層學(xué)理論為依托,通過多學(xué)科交叉,建立起盆地的構(gòu)造地層格架及沉積體系變遷;通過壓實校正、古水深校正,應(yīng)用平衡剖面技術(shù)、沉降史恢復(fù)技術(shù),最終確定盆地裂后期不同演化階段的沉降中心、隆凹格局及其動態(tài)演化過程,并揭示其發(fā)育機制。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

松遼盆地位于北緯42°25′～49°23′,東經(jīng)119°40′～128°24′之間,地理位置上位于中國東北,南北縱跨遼寧省、吉林省和黑龍江省(圖1),長達820 km,最寬處可達350 km,面積約有26×104km2,總體上呈現(xiàn)北北東向展布特征[1-4]。

松遼盆地是晚中生代以來發(fā)育的大型陸內(nèi)裂陷盆地[5-6],是一典型的斷陷—坳陷反轉(zhuǎn)復(fù)合雙層結(jié)構(gòu)的大型盆地。松遼盆地白堊系地層發(fā)育較全,但在漫長的地質(zhì)歷史過程中,由于隆凹格局的變遷,地層的分布范圍變化較大,不同地區(qū)的厚度變化范圍也大。

中生代以來,區(qū)域性板塊的運動及地幔對流調(diào)整等的多次變化和調(diào)整,導(dǎo)致松遼盆地形成時空上有序分布的被動裂谷盆地。在早期的裂陷作用之后,疊加后期的熱衰減和巖石圈冷卻等因素,松遼盆地區(qū)域地殼下降,形成了牛頭式的構(gòu)造模式。晚侏羅世—早白堊世,盆地以斷陷期沉積為主,主要表現(xiàn)為單斷的箕狀凹陷和雙斷的地塹凹陷,凸起和凹陷相互分割的構(gòu)造格局。晚白堊世以來,盆地進入坳陷沉積階段,盆地整體下降,統(tǒng)一了斷陷期凹凸相隔的格局[7-8]。

通過對橫跨研究區(qū)的大型地震剖面的精細解釋、三維區(qū)塊地震測線的閉合研究,同時結(jié)合研究區(qū)密集的鉆井資料、測井資料的分析,加之巖相、生物相及地球化學(xué)特征研究分析,確立了盆地內(nèi)區(qū)域不整合界面的級別和相互關(guān)系,將松遼盆地白堊紀(jì)以來的地層劃分為下構(gòu)造層(同裂陷構(gòu)造層)和上構(gòu)造層(裂后期構(gòu)造層)。其中,上構(gòu)造層又可細分為坳陷層和反轉(zhuǎn)構(gòu)造層(如表1)。

2 裂后反轉(zhuǎn)期層序地層格架

松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期的層序地層格架在空間展布上具有明顯的規(guī)律性,對此,根據(jù)盆地充填序列[9],最終確立了盆地的地層格架(圖2)。盆地裂后反轉(zhuǎn)期共發(fā)育一級層序界面一個(SB02),二級層序界面兩個(SB11、SB03),三級層序界面5個(K2m2、K2m1、SB03-1、SB04、SB1)。

圖1 松遼盆地構(gòu)造單元圖[4](據(jù)楊萬里,1985)

3 地層厚度特征

通過姚家組殘余厚度圖(圖3)分析,在姚家組沉積時期,厚度中心位于三肇凹陷與朝陽溝階地附近,其次為齊家—古龍凹陷與大慶長垣、烏裕爾凹陷相對沉積厚度也較大。總體的沉積范圍相對于嫩江組(圖4)而言要小一些[10-11]。姚家組總體厚度不大,最大不超過230 m,屬于相對平穩(wěn)的一個時期。齊家—古龍凹陷表現(xiàn)為南北厚、中間薄的狀態(tài)。對整個盆地而言,西部斜坡區(qū)與東部地層分布較薄,呈“碟形”。北部分布有限,依安凹陷地層分布很薄或沒有分布,顯示北部物源供應(yīng)不足。

嫩一段—嫩三段沉積期間,盆地的沉積范圍相對其他時期要大,盆地沉積最厚處位于齊家—古龍凹陷南部,最大厚度超過1 300 m,三肇凹陷的沉積厚度要比齊家—古龍凹陷小很多,朝陽溝階地開始抬升并向三肇凹陷擴大(圖5-a)。中央坳陷區(qū)基本都在接受沉積,沉積范圍向北擴大,基本到達嫩江階地,因此,沉降中心的位置已經(jīng)西遷到齊家—古龍凹陷附近,大慶長垣總體厚度較大,但厚度圖顯示相對高程要比兩側(cè)明顯增大,表明在這個時期已經(jīng)開始緩慢抬升。綏化凹陷從東向西厚度逐漸加大,再往東出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象。

嫩四段與嫩五段沉積時期,盆地整體的沉積范圍明顯較嫩一、嫩二、嫩三段小,呈現(xiàn)出一種突變性的沉積過程(圖5-b、c)。如果沒有構(gòu)造等因素的制約,不會發(fā)生這種強烈的突變性萎縮。這應(yīng)該與T04界面的形成密切相關(guān),即松遼盆地由于構(gòu)造隆升,東部強烈抬升,導(dǎo)致內(nèi)湖與外海隔絕而造成的強制性水退的結(jié)果。齊家—古龍凹陷與三肇凹陷沉積厚度都較大,但由于此時的沉降速率整個盆地內(nèi)都不高,因此最大厚度不超過600 m。大慶長垣由于抬升遭到剝蝕,最大殘余厚度不到200 m。因此這個時期,盆地整體都在中部沉積,齊家—古龍凹陷的范圍最大,但三肇凹陷的沉積最深。

四方臺組的沉積地層厚度都較小(圖5-d),最大厚度不過300 m左右,由于大慶長垣的隆起,齊家—古龍凹陷的沉積范圍變小,但已經(jīng)成為盆地最主要的沉積區(qū),北部烏裕爾凹陷與依安凹陷厚度次之,成為北部的沉降中心。盆地的沉積范圍與嫩四、嫩五段基本相差不大。這個時期盆地地層最厚的分布范圍由之前的呈方形和近圓形沉積變?yōu)槌誓媳睏l帶狀沉積,這種特征顯示了盆地擠壓過程中的萎縮,大慶長垣的剝蝕范圍進一步擴大,在盆地中部已經(jīng)形成了明顯的隆起剝蝕區(qū),開始為西部輸送物源。因此,物源供應(yīng)距離縮短導(dǎo)致沉積顆粒變粗,這在鉆井剖面上表現(xiàn)得相當(dāng)明顯。

明水組沉積時期,沉降范圍進一步縮小,最厚沉積區(qū)位于三肇凹陷與齊家—古龍凹陷,最大厚度600 m左右。主要沉積區(qū)位于齊家—古龍凹陷的北部,在黑魚泡凹陷南部與三肇凹陷之間的沉積厚度次之,其他區(qū)域則明顯地變小。本階段沉積中,較四方臺組沉積具有向北遷移的特點,但北部的沉積范圍又明顯地萎縮。在該組沉積末期,由于強烈的構(gòu)造擠壓,東部強烈抬升,導(dǎo)致盆地大范圍遭受剝蝕,之前的隆凹格局都發(fā)生明顯的變遷,剝蝕強度達到裂后期的高峰。

表1 松遼盆地構(gòu)造層劃分及主要構(gòu)造變革事件

Table 1 Structural layer division and transformation event of main construction in Songliao basin

4 構(gòu)造—沉積特征

根據(jù)宋鷹、任建業(yè)等[12](2010)的研究,結(jié)合本文的研究,松遼盆地反轉(zhuǎn)構(gòu)造共可劃分為四個幕次,分別是青山口組末期(T11)、嫩三段末期(T04)、嫩江組末期(T03)和白堊紀(jì)末期(T02)。各反轉(zhuǎn)構(gòu)造界面表現(xiàn)為區(qū)域的角度不整合界面,總體上,構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用表現(xiàn)為由早到晚的逐步強化,空間上的東強西弱,構(gòu)造變形逐漸向西擴展的特征,反映了擠壓應(yīng)力來源于東部,并逐步加強[13]。以下對各個幕次的構(gòu)造特征及鉆井特征進行詳細描述。

4.1 構(gòu)造反轉(zhuǎn)一幕(T11,青山口組末期,88 Ma開始)

該構(gòu)造幕的開始是以T11界面的發(fā)育為起點的。該界面在剖面上最主要的識別標(biāo)志為上超下削的特征。在西部斜坡區(qū)上超現(xiàn)象明顯(圖6),對下部地層的削截現(xiàn)象分布比較廣泛,自東向西這種特征逐漸變得平緩。對這種削截現(xiàn)象恢復(fù)之后發(fā)現(xiàn),地層是在后期抬升之后遭受剝蝕的結(jié)果。剝蝕區(qū)域表現(xiàn)為微幅背斜,形態(tài)上表現(xiàn)為東部緊閉,向西逐漸變?yōu)閷捑?顯示出后期擠壓作用力來自于東部。根據(jù)之前的層序界面分析,姚家組時期湖平面持續(xù)上升,導(dǎo)致之上地層分布穩(wěn)定,在斜坡區(qū)有明顯的上超現(xiàn)象。

姚一段紅壤以暗紅色泥巖為主,地層厚度一般為4～15 m,區(qū)域上呈現(xiàn)東薄西厚的特點。以上這些特征都顯示出姚家組底界面(T11)發(fā)育時期,盆地經(jīng)受過長期的暴露剝蝕。

在T11界面上下電測曲線顯示出突變性,表征了層序界面上下的相突變。由圖7-c可以看到,電阻率值突然增高,自然電位曲線形態(tài)在界面上變?yōu)橄錉?、指狀或鐘形?/p>

T11界面發(fā)育開始,控制松遼盆地發(fā)育的應(yīng)力體制發(fā)生了明顯的變化,之前沉降區(qū)抬升,形成微幅背斜而遭受剝蝕,標(biāo)志著松遼盆地由伸展沉降向擠壓抬升的過渡。該界面是發(fā)育在松遼盆地裂后熱沉降期內(nèi)具有明顯擠壓背景下的區(qū)域性不整合構(gòu)造變革面。松遼盆地由此進入到構(gòu)造反轉(zhuǎn)演化階段。

圖2 松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期層序類型、特征及沉積演化

Fig.2 Sequence type,characteristics and sedimentary evolution during postcracking inversion period in Songliao basin

圖3 松遼盆地姚家組殘余厚度圖

Fig.3 Residual thickness map of Yaojia formation in Songliao basin

1.地層厚度等值線;2.一二級構(gòu)造分區(qū)線;3.地層剝蝕線;4.盆地邊界。

圖4 松遼盆地嫩一段殘余厚度圖?資料來源于張順等科研報告《松遼盆地北部嫩江組—四方臺組地震沉積學(xué)及勘探方向研究》,2010。

Fig.4 Residual thickness map of Nen 1 member in Songliao basin

1.地層厚度等值線;2.一二級構(gòu)造分區(qū)線;3.地層剝蝕線;4.盆地邊界。

圖5 松遼盆地嫩江組—四方臺組殘厚圖?資料來源于張順等科研報告《松遼盆地北部嫩江組—四方臺組地震沉積學(xué)及勘探方向研究》,2010。

Fig.5 Residual thickness map of Nenjiang Formation-Sifangtai Formation in Songliao basin

1.地層厚度等值線;2.一二級構(gòu)造分區(qū)線;3.地層剝蝕線;4.盆地邊界。

圖6 松遼盆地主要地震剖面精細解釋(T07拉平)

Fig.6 Fine interpretation of main seismic section in Songliao basin

4.2 構(gòu)造反轉(zhuǎn)二幕(T04,嫩江組三段末期,80 Ma)

姚家組發(fā)育以來,盆地東部迅速抬升,東部物源控制了盆地的發(fā)育,嫩二段以來,由于湖平面的下降,形成一系列前積體,盆地規(guī)模開始縮小。這一系列前積體最終被包絡(luò)于一統(tǒng)一的變革面——T04界面(圖6)。該界面與下伏地層呈明顯的角度不整合,上覆地層下超在該界面之上,且這種下超的角度要比嫩二段、嫩三段的下超角度更加陡立,顯示了物源區(qū)與沉積區(qū)之間的相對高差變大,亦即物源區(qū)遭受了更大的抬升。

本文利用平衡剖面技術(shù),通過對橫跨松遼盆地的主干剖面進行演化恢復(fù),從而對盆地各個時期的形態(tài)得以認識和了解。在SL3的演化剖面中(圖8)可以看到,在T04界面發(fā)育之前,大慶長垣還未隆起,三肇凹陷還處于相對的構(gòu)造高部位,與現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)不一致。但在T03-1界面沉積之前,即嫩四段發(fā)育時期,大慶長垣開始隆起變形,這就證明在這一期間,松遼盆地接收了構(gòu)造擠壓作用力的影響,通過剖面演化對比發(fā)現(xiàn)嫩四段發(fā)育前后,剖面在T04沉積前與T03-1沉積前,其長度發(fā)生相對的縮小,這也證明盆地處于一種擠壓的狀態(tài)。

在南北向的演化剖面(圖9)中可以看到,三肇凹陷在這個時期也已經(jīng)開始發(fā)育,總體上沉降中心位于三肇凹陷與黑魚泡凹陷中,向南地層有加厚的趨勢。北部的依安凹陷還未形成,克山依龍背斜帶已經(jīng)初具規(guī)模。呈現(xiàn)出南翼緩、北翼陡的形態(tài)。

T04界面是自姚家組沉積以來第一個強削截的界面,該界面發(fā)育開始,松遼盆地的隆凹格局發(fā)生了明顯的變化,盆地東部變形更加強烈,且向西的影響范圍較姚家組時期更大,盆地北部地區(qū)開始隆升,反映出構(gòu)造應(yīng)力方向的改變。

4.3 構(gòu)造反轉(zhuǎn)三幕(T03,嫩江組末期,73 Ma)

T03界面是嫩江組與四方臺組的分界面,是一個局部角度不整合界面(圖6)。在背斜頂部和盆地兩側(cè)表現(xiàn)為明顯的角度不整合,在盆地中部主要變現(xiàn)為整合接觸。與之前地層相比,四方臺組的分布范圍明顯縮小,在接觸關(guān)系上,基本上與嫩江組地層發(fā)育相似,表現(xiàn)為更高角度的下超。反映與物源區(qū)距離變小及相對高程的放大。大慶長垣隆升遭受剝蝕,但強度不大,三肇凹陷沉降接受沉積,綏化凹陷開始抬升,沉積物厚度要比三肇凹陷小(圖10、圖11)。

圖7 姚一段典型紅層剖面和T11界面測井曲線特征?資料來源于解習(xí)農(nóng)等科研報告《松遼盆地中淺層層序地層格架和沉積體系研究》,2007。

Fig.7 Logging curve characteristics of typical sections of red beds at Yao 1 interval and T11 interface

(a).敖16-2井姚一段古紅壤層剖面;(b).樹118井姚一段古紅壤層剖面;(c).T11界面測井曲線特征。

該構(gòu)造幕發(fā)育時期,早期接受沉積的地區(qū)開始隆升并有地區(qū)遭受剝蝕,早期的構(gòu)造高部位發(fā)生沉降,接受沉積。這種隆凹格局的變遷改變了松遼盆地原有的形態(tài)。

4.4 構(gòu)造反轉(zhuǎn)四幕(T02,白堊紀(jì)末期,65 Ma)

T02界面是一個明顯的區(qū)域性角度不整合界面,盆地內(nèi)多數(shù)隆起構(gòu)造均被該界面削頂、剝蝕(圖6),該界面作為白堊紀(jì)與古近紀(jì)地層的分界面,與下伏白堊紀(jì)地層呈高角度的不整合接觸,特別是在盆地東部區(qū)域,不整合程度更高。該界面發(fā)育時期盆地東部遭受強烈剝蝕,據(jù)最新的裂變徑跡資料顯示,在T02發(fā)育時期,盆地東部剝蝕厚度可達上千米。因此,該界面是盆地構(gòu)造反轉(zhuǎn)的高峰期,反轉(zhuǎn)構(gòu)造程度相對較高。

5 沉降史分析

5.1 主要研究思路及關(guān)鍵參數(shù)的選取和確定

5.1.1 主要研究思路

首先,完成地震層序反射界面的劃分,應(yīng)用鉆井巖心資料分析地層的巖性特征;其次,按照一定的距離(該距離要能控制地層的變化及關(guān)鍵構(gòu)造部位)在地震剖面上選取若干模擬井,并讀取各模擬井上層位數(shù)據(jù),利用時—深轉(zhuǎn)換公式將時間值換算為深度值;第三步,根據(jù)地層巖性資料,確定關(guān)鍵界面的巖石壓實系數(shù)、表面孔隙度、密度及界面年齡,并根據(jù)沉積相特征等沉積資料判定古水深;最后,將數(shù)據(jù)匯總并編輯格式,應(yīng)用EBM盆地模擬軟件進行模擬,從而得到沉降曲線、回剝圖及沉降速率圖,根據(jù)這些資料可以分析盆地的沉降中心遷移規(guī)律,總結(jié)沉降速率的時空演化規(guī)律[14]。

圖8 松遼盆地東西向SL3剖面裂后反轉(zhuǎn)期演化圖

Fig.8 Evolution pattern of EW trending SL3 profile during postcracking inversion period in Songliao basin

1.姚家組;2.嫩一段;3.嫩二段;4.嫩三段;5.嫩四段;6.嫩五段;7.四方臺組;8.明一段;9.明二段;10.新生代;11.剝蝕區(qū);12.沉降中心遷移軌跡。

5.1.2 關(guān)鍵參數(shù)的選取和確定

(1) 時—深轉(zhuǎn)換公式的建立。時間和深度的關(guān)系的確定是沉降史恢復(fù)的一項重要的工作。松遼盆地規(guī)模巨大,構(gòu)造和巖性均非常復(fù)雜,不同構(gòu)造單元內(nèi),甚至同一構(gòu)造單元內(nèi)不同層位的時間—深度轉(zhuǎn)換關(guān)系亦非常復(fù)雜。本文應(yīng)用合成記錄方法,對不同構(gòu)造單元分別擬合不同的時—深轉(zhuǎn)換公式(表2,圖13)。只有通過精確的時—深轉(zhuǎn)換公式換算得到的深度數(shù)據(jù),才能應(yīng)用回剝技術(shù)得到合理的沉降史。

(2) 巖石學(xué)參數(shù)。巖石學(xué)參數(shù)的確定是沉降史回剝技術(shù)的一個重要環(huán)節(jié)。這些數(shù)據(jù)主要是在前人研究的基礎(chǔ)上,將各參數(shù)在不同構(gòu)造單元進行細化,松遼盆地反轉(zhuǎn)作用強烈,導(dǎo)致隆凹格局變化迅速,盆地內(nèi)順層巖性變化較大。因此,只有在精確的構(gòu)造解釋和聯(lián)井剖面的建立的前提下,才能更準(zhǔn)確地確定巖石學(xué)參數(shù)。

(3) 古水深恢復(fù)校正。具有一定水深意義的生物證據(jù),是確定古水深的重要依據(jù)。像有孔蟲、介形蟲、硅藻、孢子花粉、珊瑚礁、珊瑚藻、貝殼堆積、牡蠣礁或其他一些無脊椎動物及一些可反映特定水深的沉積構(gòu)造和結(jié)構(gòu),這些研究都為古水深及古海面的確定提供了有用的信息(圖14)。前人研究成果表明,古水深具有這樣的分布規(guī)律:沖積—河流相古水深為0 m;扇三角洲相發(fā)育區(qū)的古水深≤30 m;濱湖相古水深<5 m;淺湖相為5～20 m;深湖20～100 m 或更深。

圖9 松遼盆地南北向大剖面SL7構(gòu)造演化圖

表2 各構(gòu)造單元時—深轉(zhuǎn)換公式擬合所選取井

Table 2 Fitting selected wells by time-depth conversionformula in different tectonic unit

西部斜坡區(qū)西部超覆帶來22江38富60泰康隆起帶杜24中央坳陷區(qū)龍虎泡階地哈7齊家—古龍凹陷金392古124古302古202古22古57古608古931古132古96古648英38大慶長垣撒53三肇凹陷樹41尚13升44芳121朝陽溝階地青2朝深6東南隆起區(qū)濱縣—王府凹陷雙39雙3雙38雙39雙21長春嶺背斜帶廟深1東北隆起區(qū)綏化凹陷東7綏深1綏棱背斜帶蓮1

5.2 EBM盆地模擬方法簡介

5.2.1 沉降史分析的基本原理

沉降史分析是在現(xiàn)有地層殘余厚度的基礎(chǔ)上,通過壓實校正、古水深和海(湖)平面的變化等方面的校正,進而獲得各層的原始厚度、盆地的構(gòu)造沉降史和埋藏史(圖12)。

5.2.2 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)確定

在前述研究思路的基礎(chǔ)上,筆者選取盆地內(nèi)三條主干剖面(兩條東西向主干剖面,一條南北向主干剖面),采集數(shù)據(jù)點169個。根據(jù)不同沉積相具備不同巖性及相關(guān)物性的特征,及沉積相的平面展布特征,最終確定出各模擬點的相關(guān)巖性及物性參數(shù)(表3)。

5.3 沉降史回剝分析

在上述準(zhǔn)備條件的基礎(chǔ)上,本文對松遼盆地由東向西的主要構(gòu)造單元的沉降史進行了恢復(fù)和研究。通過綜合分析,可將反轉(zhuǎn)階段分為四個大的反轉(zhuǎn)構(gòu)造幕,在不同的構(gòu)造單元之間的沉降量存在著明顯的差異?，F(xiàn)分述如下:

松遼盆地東部是主要的物源區(qū),長期遭受剝蝕。本次研究最東部的模擬井位于綏化凹陷東部靠近呼蘭隆起的位置。姚家組沉積時期,沉降速率與沉降量都很小。嫩江組一段—嫩江組三段時期,沉降速率是整個反轉(zhuǎn)階段中最大的,達到135 m/Ma,嫩三段末期存在一個突變階段,即松遼盆地內(nèi)湖與外海隔絕的階段。在嫩三段末期,沉降曲線存在一個拐點,沉降速率突變?yōu)樨撝?達到-190 m/Ma,是一個強烈的反轉(zhuǎn)階段,該區(qū)發(fā)生強烈的剝蝕,剝蝕厚度在200 m左右。之后在嫩四段沉積開始,發(fā)生沉降,接受沉積,但沉降速率較小;76 Ma開始,盆地進入新一輪的反轉(zhuǎn)階段,160 m左右的地層被剝蝕,此次的剝蝕強度相對T04時期要小得多,但持續(xù)時間相對較長。

四方臺、明水組沉積時期,該構(gòu)造單元沉降速率較小,地層沉積很薄或無沉積,主要是基于此時基準(zhǔn)面相對要低,可容納空間變小,因此沉積厚度很小。65 Ma開始,進入到構(gòu)造反轉(zhuǎn)四幕,此次反轉(zhuǎn)持續(xù)時間長,達30 Ma,早期沉積地層剝蝕嚴(yán)重,很多地區(qū)可以剝蝕到嫩一、嫩二段沉積地層(圖13)。

三肇凹陷位于中央坳陷區(qū)的東部,毗鄰東南隆起區(qū)和東北隆起區(qū)。通過沉降史曲線(圖14)可知,在姚家組沉積時期,最大沉降量在100 m左右,嫩江組一—三段沉積時期,沉積量最大,為800～900 m,沉降速率為200 m/Ma以上。T04界面形成時期,三肇凹陷遭遇了強烈的反轉(zhuǎn),最大隆升速率超過220 m/Ma,凹陷進入到反轉(zhuǎn)二幕,嫩四段早期沉降速率較大,隨后降低到100 m/Ma左右,表明沉降中心已經(jīng)開始遷移。T03界面形成時三肇凹陷的隆升速率與綏化凹陷的隆升速率基本一致。四方臺組—明水組沉積時期,沉降速率只有20～30 m/Ma,又由于湖平面的急劇下降,可容納空間銳減,造成沉積厚度小、剝蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象。T02界面的形成標(biāo)志著反轉(zhuǎn)四幕的開始,此幕反轉(zhuǎn)構(gòu)造沉降速率為-15 m/Ma,但剝蝕厚度達到1 000 m以上,表明該時期導(dǎo)致剝蝕的主要原因是基準(zhǔn)面的下降產(chǎn)生的持續(xù)剝蝕。

圖10 不同構(gòu)造單元時—深轉(zhuǎn)換公式

Fig.10 Time-depth conversion formula in different tectonic unit

圖11 松遼盆地白堊紀(jì)介形類生物相模式圖[15](據(jù)葉得泉等,2002)

Fig.11 Mode chart of ostracoda biofacies during Cretaceous in Songliao basin

1.Triangulicypricypristorsuosus;2.Hyocyprimorpha;3.Periacanthella;4.Bicorniella;5.Cyprideaordinate;6.Cypridea spiniferusa;7.Triangulicy pris torsuosus var.nota;8.Limnocy pridea copiosa;9.Quadeacy pris grata;10.Cy pridea gibbosa;11.Cypridea dekhoinensis;12.Limnocy pridea bucerusa;13.Advenocypris definite;14.Limnocypridea datongzhenensis;15.Strumosia salebrosa;16.Daqingella;17.Cypridea nota;18.Kaitunia andaensis;19.Suliaovia;20.Lycopterocypris grandis;21.Mongolocy pris tera;22.Talicy pridea augusta;23.Ziziphocy pris concta;24.Candoniella。

圖12 EBM盆地模擬系統(tǒng)沉降史模擬流程[16](據(jù)王敏芳等,2007)

Fig.12 Simulation process of subsidence history by simulation system in EBM basin

表3 松遼盆地不同沉積相巖性及物性參數(shù)

Table 3 Different sedimentary facies lithology and physical property parameter in Songliao basin

沉積相類型巖性表面孔隙度/%壓實系數(shù)/km-1密度/(kg·m-3)古水深/m扇三角洲平原礫巖0.460.2224600扇三角洲(前緣)辮狀河三角洲(平原)砂巖0.490.27265050辮狀河三角洲(前緣)泥質(zhì)砂巖0.560.39268010三角洲間灣濱淺湖半深湖泥巖0.630.512720101530

圖13 松遼盆地東部綏化凹陷沉降史曲線及沉降速率圖

Fig.13 Subsidence history curve and sedimentation rate figure of Suihua depression in Eastern Songliao basin

大慶長垣位于松遼盆地中央坳陷區(qū)的腹部,是松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)的典型位置。姚家組沉積時期,沉降速率在30～40 m/Ma,最大沉降量120 m以上。嫩江組沉積時期,沉降速率迅速變大,達到200 m/Ma,嫩三段沉積后期,大慶長垣發(fā)生了沉降速率-230 m/Ma的反轉(zhuǎn),但由于大慶長垣一直為水下沉積,此次反轉(zhuǎn)并未造成剝蝕,或只有少數(shù)區(qū)域發(fā)生少量剝蝕。嫩四段沉積開始,大慶長垣發(fā)生了小幅的沉降,但其隆起的背斜形態(tài)已經(jīng)基本形成,到嫩五段沉積后期,開始反轉(zhuǎn)剝蝕,由于之前的水下背景,剝蝕量并不大。四方臺組—明水組沉積時期,大慶長垣又發(fā)生一次大的沉降,沉降速率平均為100 m/Ma。在明水組末期,發(fā)生了第四幕的構(gòu)造反轉(zhuǎn),大慶長垣遭受了大的剝蝕,一般剝蝕厚度在800 m左右(圖15)。

齊家—古龍凹陷在姚家組沉積時期的沉降量很小,因此沉積厚度也不大。到了嫩江組沉積時期,沉降速率陡然增大,達到100 m/Ma左右,到嫩三段末期,發(fā)生了沉降速率為-80 m/Ma的反轉(zhuǎn)運動,齊家—古龍凹陷發(fā)生了小幅隆起。嫩四段開始,沉降速率迅速增大,最大接近170 m/Ma,平均為130 m/Ma以上。76 Ma開始,松遼盆地進入裂后第三幕反轉(zhuǎn),齊家—古龍凹陷隆起幅度超過300 m,最終形成了T03不整合界面。四方臺組沉積開始,凹陷沉降速率一直保持在100 m/Ma以上,到明水組沉積末期,沉降量超過1 000 m。65 Ma開始,齊家—古龍凹陷進入到-35 m/Ma沉降的反轉(zhuǎn)幕,剝蝕厚度超過1 000 m(圖16)。

西部斜坡區(qū)在姚家組時期沉降量很小,由于物源供應(yīng)有限,沉積物厚度不大。嫩江組沉積時期,沉降速率變大,平均速率在100 m/Ma左右,由于此時期西部物源供應(yīng),斜坡區(qū)在嫩江組沉降厚度比較大,并且在地震剖面上表現(xiàn)為平行反射,80 Ma反轉(zhuǎn)二幕開始,但反轉(zhuǎn)強度不大,因此,此次反轉(zhuǎn)在斜坡區(qū)基本未造成剝蝕。嫩四段開始,西部斜坡區(qū)總體上表現(xiàn)為緩慢沉降的狀態(tài),76 Ma開始,西部斜坡區(qū)開始隆升并遭受剝蝕,總體剝蝕強度不大。四方臺組沉積開始,斜坡區(qū)沉降速度增大,平均為100 m/Ma,直到65 Ma開始,進入第四幕反轉(zhuǎn)階段(圖17)。

圖14 松遼盆地三肇凹陷裂后反轉(zhuǎn)期沉降史曲線

Fig.14 Subsidence history curve of Sanzhao sag during postcracking inversion period in Songliao basin

圖15 松遼盆地大慶長垣裂后反轉(zhuǎn)期沉降史曲線

Fig.15 Subsidence history curve of Daqing placanticline during postcracking inversion period in Songliao basin

綜合分析以上各主要構(gòu)造單元在各個反轉(zhuǎn)幕的沉降變化并進行比較可知,在姚家組沉積時期,松遼盆地基本上以三肇凹陷和大慶長垣為沉降中心而接受沉積,但由于沉積物供應(yīng)有限,總體的沉積厚度并不大;嫩江組一段—嫩江組三段沉積時期,沉降中心位于齊家—古龍凹陷、大慶長垣和三肇凹陷,其中以三肇凹陷的沉降速率最大;嫩江組四段—嫩江組五段,齊家—古龍凹陷和三肇凹陷的沉降量最大,此時,大慶長垣已經(jīng)隆起,將兩個凹陷隔開;四方臺—明水組沉積時期,三肇凹陷的沉降速率迅速變小,齊家—古龍凹陷的沉降速率在盆地中達到最大,西部斜坡區(qū)沉降速率明顯增大,因此,沉降中心主要遷移到齊家—古龍凹陷和西部斜坡區(qū)的斜坡區(qū)域。綜上,松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)階段沉降中心的遷移應(yīng)該主體上是向西遷移的(圖18)。

圖16 松遼盆地齊家—古龍凹陷裂后反轉(zhuǎn)期沉降史曲線

Fig.16 Subsidence history curve of Qijia-Gulong sag during postcracking inversion period in Songliao basin

圖17 松遼盆地西部斜坡區(qū)裂后反轉(zhuǎn)期沉降史曲線

Fig.17 Subsidence history curve of slope area during postcracking inversion period in western Songliao basin

6 結(jié)論

通過上述復(fù)雜精細的工作,對松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)期不同幕次的沉降中心的遷移有了明確的認識。

(1) 在姚家組沉積時期,大慶長垣和三肇凹陷作為盆地的沉降中心接受沉積,綏化凹陷作為相對的構(gòu)造高部位沉積厚度要小得多,齊家—古龍凹陷的沉降速率與大慶凹陷相差不大,可能由于距離物源較遠的原因,沉積厚度要比大慶長垣小得多。該反轉(zhuǎn)幕,沉降主要位于盆地的中心位置,相對范圍比較小,構(gòu)造活動相對微弱。嫩江組一段、二段和三段發(fā)育時期,沉降范圍較大,沉降速率也明顯增大,最大沉降厚度位于齊家—古龍凹陷的南段,三肇凹陷沉積速率次之。具體來說,嫩一段時期,齊家—古龍凹陷和三肇凹陷沉降速率最大,大慶長垣開始抬升,綏化凹陷相對沉降速率加速,沉積厚度較大;嫩二段沉積時期,齊家—古龍凹陷沉降速率最大,其他構(gòu)造單元都較小,綏化凹陷相對活動不大,大慶長垣穩(wěn)定發(fā)展;嫩三段時期是沉降中心跳躍的一個時期,齊家—古龍凹陷的沉降速率驟減,與此同時,綏化凹陷沉降速率劇增,經(jīng)演化剖面顯示,嫩三段在綏化凹陷地層遭受了強烈的剝蝕;對于齊家—古龍凹陷而言,沉降中心位于其南段,北段相對沉降速率要小;盆地在姚家組與嫩江組一段、二段和三段沉降中心展布范圍基本呈近東西向。

圖18 松遼盆地裂后反轉(zhuǎn)階段沉降—隆升對比圖

Fig.18 Comparison chart of subsidence and uplift during postcracking inversion period in Songliao basin

(2) 反轉(zhuǎn)二幕,該幕以T04界面的發(fā)育開始。嫩四段與嫩五段發(fā)育時期的沉降中心位于三肇凹陷,嫩四段末期開始,沉降中心位于三肇凹陷和齊家—古龍凹陷,在綏化凹陷的西部開始反轉(zhuǎn)褶皺。此時,大慶長垣的背斜形態(tài)基本形成,嫩四段在西部斜坡發(fā)育很少,嫩五段沉降中心向西到三肇凹陷與齊家—古龍凹陷;沉降中心此時主要分布在大慶長垣的兩側(cè),即齊家—古龍凹陷和三肇凹陷,但以齊家—古龍凹陷為主。整個時期沉降中心在空間上的展布范圍表現(xiàn)為近南北向,這與反轉(zhuǎn)一幕時期的近東西向展布呈現(xiàn)出明顯的大角度旋轉(zhuǎn),表明此時應(yīng)力加強,導(dǎo)致構(gòu)造單元開始強烈變形褶皺;最主要的特征是大慶長垣開始接受剝蝕;在空間展布上還表現(xiàn)為沉降中心的西遷,這是東部抬升的最直接影響。

(3) 嫩江組沉積末期,松遼盆地進入裂后反轉(zhuǎn)三幕。到四方臺組時期,沉降中心開始由之前的雙沉降中心變?yōu)閱纬两抵行?即齊家—古龍凹陷。大慶長垣隆升并開始遭受強烈的剝蝕,綏化凹陷的凹陷形態(tài)消失。明水組沉積時期,原先位于齊家—古龍凹陷的沉降中心開始向北遷移,并在北部黑魚泡凹陷沉降速率變大,成為沉降中心,但相對齊家—古龍凹陷要小得多,龍虎泡—紅崗階地東部沉降加快,與齊家—古龍凹陷的西部緩斜坡統(tǒng)一,三肇凹陷的沉降速率開始變小,綏化凹陷抬升遭受剝蝕。整體的沉降中心表現(xiàn)為南北向的展布形態(tài),該時期的沉降中心范圍要比之前的沉降中心更向西遷移,而且有明顯的向北遷移的跡象。

(4) T02界面發(fā)育時期,盆地進入第四次構(gòu)造反轉(zhuǎn)幕。盆地迅速萎縮,早期接受沉積的地區(qū)都開始遭受強烈的剝蝕。該界面在盆地的大多數(shù)區(qū)域都表現(xiàn)為大角度的不整合接觸。該時期的沉降中心只分布在齊家—古龍凹陷的部分地區(qū),盆地進入到急速萎縮的階段。

(5) 盆地總體的沉降中心在前三幕的構(gòu)造反轉(zhuǎn)中呈現(xiàn)出明顯的向西遷移的特征,但到了第四幕構(gòu)造反轉(zhuǎn)階段,盆地的沉降中心向西遷移的幅度微弱,而向北遷移的程度明顯地加強。到古近紀(jì),松遼盆地急劇萎縮,盆地開始進入構(gòu)造反轉(zhuǎn)的強化階段。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

The Migration of Subsidence Centers and Its Controlling Mechanism duringPost-rift Inversion Stage of Songliao Basin

LI Peng, ZHANG Xiangyang, ZHU An’an, MAO Qixi

(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Songliao basin experienced the syn-rift and post-rift evolution phases.Especially,not only the large lake basin but also a depressional lake basin was formed within the basin.Based on the new high-quality 2D,3D seismic data,cores,well logging data and so on,basin dynamics,structural geology,sequence stratigraphy theories and methods are applied in this basin.The authors establish tectonic-stratigraphic framework of basin through fine structural-stratigraphic analysis for the main large profile.Applied balanced cross-section technology and subsidence history back-stripping technology,the thesis reveals the migration rule of subsidence center during post-rift inversion epoch in North Songliao basin.The mechanism of its development is determined by analysis of the basin structure and regional dynamics.The conclusions provide geological basis for oil and gas exploration of Songliao basin.

Songliao basin; tectonic inversion; tectnoic evolution; subsidence center

2016-03-31;改回日期:2016-08-09

李朋(1984-),男,工程師,礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè),從事沉積盆地構(gòu)造—地層分析研究工作。E-mail:pengli198666@163.com

P618.13

A

1671-1211(2017)01-0027-15

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.01.006

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161208.1017.006.html 數(shù)字出版日期:2016-12-08 10:17