柴達木盆地北緣魚卡—九龍山地區(qū)新生代構造變形特征

陳思遠，張永庶，吳磊，張軍勇，汪立群，肖安成，沈亞

（1.浙江大學地球科學學院，杭州 310012；2.教育部含油氣盆地構造研究中心，杭州 310012；3.中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院，甘肅敦煌 736202；4.東方地球物理公司研究院地質研究中心，河北涿州 072751）

0 引言

柴達木盆地北緣（以下簡稱“柴北緣”）是在新生代印藏板塊碰撞背景下形成的一個復雜變形帶[1-2]，廣泛沉積青藏高原北緣最齊全的新生界[3-5]，是研究新生代由于印藏板塊碰撞遠程效應導致構造變形的理想地區(qū)。目前對青藏高原隆升過程的認識中存在自南向北逐漸傳遞的漸進式變形模型[6-7]和南北幾乎同時啟動的整體變形模型[8]兩種觀點，而后者的關鍵證據(jù)就來自柴北緣地區(qū)的新生代沉積和變形記錄[2,9]。受研究方法和資料分辨率的限制，目前有關柴北緣地區(qū)新生代層序和構造變形特征的認識還存在很大爭議。在地層年代方面，對其新生界底部的路樂河組是屬于下始新統(tǒng)還是上漸新統(tǒng)[7,10-11]、物源是來自北側的南祁連還是南側的祁曼塔格—東昆侖山地區(qū)還存在很大爭議[7,12-13]；在構造變形方面，存在沖斷[14-16]、右行走滑沖斷[1,17-18]、左旋斜沖推覆[19-20]和構造楔[2]等多種解釋模型。上述這些不確定性在一定程度上制約了對青藏高原北緣新生代變形機制的理解。柴北緣也是柴達木盆地重要的油氣聚集區(qū)[21-25]，但一直沒有重大的勘探突破，對其開展構造變形研究對后續(xù)的油氣勘探具有一定意義。本文選取了柴北緣中新生界地表出露良好的魚卡—九龍山地區(qū)作為研究對象，基于最新采集的地震反射資料，結合野外地質調查、鉆井數(shù)據(jù)和磷灰石裂變徑跡定年，詳細解剖了該地區(qū)新生代構造變形特征，并對其變形機制進行了探討。

1 地質背景

圖1 柴北緣魚卡—九龍山地區(qū)地質圖

魚卡—九龍山地區(qū)位于柴北緣賽什騰山東端，其東南側為綠梁山，西南側為賽南坳陷，為由一系列北西走向褶皺形成的復雜變形區(qū)，自南向北分別為馬海尕秀背斜、魚卡本部背斜、魚卡北部背斜和九龍山背斜（見圖1），其從構造單元上屬于賽什騰—埃姆尼克構造帶[1]。該地區(qū)中新生界出露齊全，厚約4 500 m（見圖1、圖2）。中下侏羅統(tǒng)大煤溝組（J1—2）為一套灰黑色、綠灰色的砂巖、泥巖夾礫巖，是柴北緣主要的產(chǎn)煤層和生油層；上侏羅統(tǒng)紅水溝組（J3）為紅色泥巖、砂巖及礫巖；下白堊統(tǒng)犬牙溝組（K1）為紅色礫巖、砂巖夾泥巖；上白堊統(tǒng)在柴達木盆地整體缺失。新生界主要為一套紅色砂巖、礫巖夾泥巖，厚約4 000 m（見圖2），自下而上包括路樂河組（E1+2l，距今 44.2～52.0 Ma）、下干柴溝組（E3，距今34.2～44.2 Ma）、上干柴溝組（N1，距今19.5～34.2 Ma）、下油砂山組（N21，距今12.9～19.5 Ma）、上油砂山組（N22，距今8.1～12.9 Ma）、獅子溝組（N23，距今2.5～8.1 Ma）及七個泉組（Q1+2q，距今小于2.5 Ma）。需要說明的是，目前對柴北緣新生界（尤其是下油砂山組及下伏地層）時代還存在較大爭議[7,10-11]，但對本文結果影響不大。前人對魚卡—九龍山地區(qū)的研究多關注中下侏羅統(tǒng)大煤溝組的沉積層序、沉積環(huán)境及其油氣意義[26-27]，而對產(chǎn)生現(xiàn)今構造面貌的新生代變形涉及較少。本文主要參考了Ji等[11]在柴北緣大紅溝地區(qū)和Fang等[28-29]在柴北緣懷頭他拉地區(qū)所做的磁性地層定年結果（見圖2）。

2 地表變形特征

筆者對馬海尕秀背斜、魚卡本部背斜、魚卡北部背斜和九龍山背斜進行了詳細的野外剖面構造測量，并繪制實測構造剖面圖（見圖3）。

研究區(qū)南部的馬海尕秀背斜為一狹長條帶型的緊閉背斜（見圖1），向南東與綠梁山之間為一斷層接觸（見圖4a），向北西逐漸傾沒消失；其南翼地層近直立甚至倒轉，北翼相對較緩；背斜核部出露中下侏羅統(tǒng)大煤溝組、上侏羅統(tǒng)紅水溝組和下白堊統(tǒng)犬牙溝組，北翼新生界僅出露路樂河組和下干柴溝組，南翼新生界相對齊全（見圖1、圖3、圖4a）。

魚卡本部背斜位于馬海尕秀背斜北部，是一個主體發(fā)育在侏羅系中的寬緩背斜，地表地形平坦（見圖1）。背斜核部的中下侏羅統(tǒng)炭質泥巖中發(fā)育一條北東傾向的逆沖斷裂，地層變形非常強烈（見圖4b），產(chǎn)狀多變，向兩翼產(chǎn)狀逐漸穩(wěn)定，其內卷入變形的最新地層為新生界底部路樂河組。魚卡本部背斜南翼還發(fā)育一個次級的背斜和向斜（見圖1），再向南以一條大型的北東傾向逆斷層與南側的馬海尕秀背斜分隔，野外可見該斷裂逆沖至第四紀晚期地層之上（見圖3、圖4c）。

圖2 柴北緣魚卡—九龍山地層柱狀圖（據(jù)文獻[28]，有修改）

圖3 柴北緣馬海尕秀—魚卡—九龍山剖面實測構造剖面圖（剖面位置見圖1）

圖4 野外典型構造照片（位置見圖1）

魚卡北部背斜位于魚卡本部背斜以北，二者之間以一條隱伏斷裂分隔（見圖1）。其核部出露中下侏羅統(tǒng)大煤溝組炭質泥頁巖，褶皺變形嚴重、次級斷裂發(fā)育（見圖3、圖4d、圖4e），但地層產(chǎn)狀整體較緩；北翼地層直立甚至倒轉，大煤溝組與上侏羅統(tǒng)紅水溝組之間以一條近直立斷裂分隔（見圖1、圖4d）。野外觀測卷入變形的最新地層為下白堊統(tǒng)犬牙溝組，向上被第四系沉積物覆蓋（見圖3）。

九龍山背斜位于研究區(qū)最北部，同樣為一線性的緊閉背斜（見圖1）；其核部出露新生界下部的路樂河組和下干柴溝組，向兩翼被第四系不整合覆蓋，且第四系也遭受了一定程度的變形，表明其形態(tài)最終定型時間很晚；產(chǎn)狀總體具有北翼陡（傾角大于 60°）、南翼緩（傾角約40°）的特征（見圖3）。

3 深部結構與變形強度

3.1 深部結構

近十年在魚卡—九龍山地區(qū)的最新石油地震勘探工作在該地區(qū)積累了豐富的高精度地震資料。本文選取兩條穿過魚卡—九龍山地區(qū)主要褶皺和斷裂構造的地震剖面，結合地表露頭及鉆井數(shù)據(jù)對其進行解釋，揭示其深部變形結構（見圖5、圖6）。

圖5 B—B′地震剖面及其地質解釋（剖面位置見圖1）

B—B′剖面（見圖5）自南向北依次穿過賽南凹陷、馬海尕秀背斜以及魚卡本部、魚卡北部和九龍山背斜的西傾沒端，向北一直到達南祁連山前（見圖1）；最近鉆探的龍2井和龍4井位于該剖面附近。從該剖面可以看出：①馬海尕秀—魚卡—九龍山地區(qū)總體為一個受南側賽南斷裂、北側魚北和龍北斷裂控制的近似箱狀背斜形態(tài)，兩翼較陡、核部寬緩，與南、北兩側變形微弱、強烈沉降的賽南凹陷和龍北凹陷具有明顯不同的變形特征，二者的基底高差可達2～5 km；②馬海尕秀背斜為箱狀背斜，南翼受次級反沖斷裂影響的次級褶皺，九龍山背斜主要受龍北斷裂及其反沖斷裂控制，魚卡本部背斜和魚卡北部背斜為箱狀背斜的寬緩核部發(fā)育的次級褶皺，除馬海尕秀背斜外，其他 4個背斜在剖面上均屬于西傾沒端位置，變形幅度很小；③發(fā)育的斷裂多為陡傾的基底斷層，共同構成一個正花狀構造。

C—C′剖面（見圖6）靠近野外實測剖面，穿過魚卡本部背斜、魚卡北部背斜、九龍山背斜的核部并向北直到龍北凹陷；其中魚卡本部背斜由于靠近剖面南端，無有效地震反射數(shù)據(jù)，主要通過地表實測數(shù)據(jù)進行解釋；最近鉆探的龍 7井位于剖面中部。盡管該剖面反映出的信息較為局限，但表現(xiàn)出了與 B—B’剖面類似的構造特征：①整體為一基底抬升、受賽南、魚北和龍北斷裂控制的復式箱狀背斜形態(tài)；②魚卡本部和魚卡北部背斜形態(tài)清晰，主要受北東傾向的逆斷層控制，與野外地質觀測結果一致（見圖3）；③發(fā)育的陡傾基底斷層構成了一個明顯的正花狀構造。

圖6 C—C′地震剖面及其地質解釋（剖面位置見圖1）

3.2 變形強度

為了對研究區(qū)的新生代變形有一個定量化認識，筆者利用平衡恢復技術，以新生界路樂河組底為界對B—B′剖面進行恢復（見圖5），恢復過程采用面積守恒原理。由于C—C′剖面沒有穿過整個構造帶，在此不做恢復。從前文對變形結構的分析可以看出，研究區(qū)的斷裂呈現(xiàn)出明顯的花狀構造形態(tài)，表明其具有一定的走滑特征，因此二維剖面上的變形恢復并不能完全反映其整體的變形強度，但能在一定程度上定量指示其縮短變形量的強弱。結果如圖7所示，B—B′剖面原長度為31.5 km，恢復之后路樂河組初始層長為36.8 km，新生界縮短量為 5.3 km，縮短率為 14.4%。該縮短率與前人對整個柴北緣地區(qū)新生代變形恢復結果一致[30]，表明柴北緣新生代北東—南西向的整體縮短強度在空間上變化不大。從恢復后的剖面還可以看出，賽南斷裂和魚北斷裂兩側的中生界厚度明顯不一致，原因可能有兩種：①它們在新生代前就有過活動；②它們是由新生代的走滑所致。

圖7 B—B′地質剖面平衡恢復結果（剖面位置見圖1）

4 碎屑磷灰石裂變徑跡定年

為了更好地刻畫研究區(qū)在新生代早期的沉積和構造格局，筆者還在魚卡北部背斜核部大煤溝組頂部的黃綠色砂巖中采集了一個砂巖樣品 YQ01（見圖2），對其開展了碎屑磷灰石裂變徑跡測試。磷灰石裂變徑跡的年齡和徑跡長度對溫度非常敏感，能較好地記錄樣品在低于110 ℃時的熱演化史，因而可用于估計樣品的埋藏過程。本文主要用該方法定量評估魚卡北部背斜新生界的最大沉積厚度，并與周緣進行對比，進而分析研究區(qū)在新生代的整體演化過程。樣品處理流程見田云濤等[31]，樣品測試在倫敦地質年代學中心開展。裂變徑跡長度和年齡結果如表1、表2所示，其相應的單顆粒年齡和徑跡長度分布直方圖如圖8a和圖8b所示。

從實驗結果可以看出，單顆粒年齡誤差大部分在15%～25%，僅有少量（2顆）誤差較大（超過40%）；單顆粒年齡分布較為分散，距今104～303 Ma，70%以上的顆粒年齡與樣品的沉積時代相同或更老，但也有約 30%的顆粒年齡為晚侏羅世，略晚于樣品的沉積時代，表明樣品自沉積后經(jīng)歷了部分退火；徑跡長度范圍為9.5～15.5 μm，分布范圍較大，大部分的徑跡長度為13～14 μm，但也有少量小于10 μm，最小僅為9.62 μm，呈現(xiàn)出一定的雙峰特征，同樣表明樣品自沉積后發(fā)生了一定程度的埋藏加溫。這些觀測結果指示該樣品自沉積后發(fā)生過埋藏加溫，最深可能至磷灰石裂變徑跡的部分退火帶附近（75～110 ℃），使得裂變徑跡發(fā)生部分退火，導致出現(xiàn)了較年輕的顆粒年齡和較短的徑跡長度。由于磷灰石裂變徑跡的單顆粒年齡主要通過徑跡的分布獲得，其部分退火也導致了測得的單顆粒年齡普遍存在一定的誤差。

表1 單顆粒裂變徑跡年齡統(tǒng)計表

表2 單顆粒裂變徑跡長度統(tǒng)計表

圖8 碎屑磷灰石裂變徑跡測試結果（n—樣品數(shù)；GOF—裂變徑跡年齡模擬值與實際值的吻合程度）

由于柴北緣新生界與下覆地層呈不整合接觸[32]，因此樣品在晚侏羅世—早白堊世和新生代都可能發(fā)生過埋藏加溫。前人研究表明，柴北緣上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)的最大殘余厚度僅為1 500 m左右，而晚白堊世時柴北緣主要遭受了強烈的構造變形和剝蝕，沉積作用很弱[33]。該厚度遠小于柴北緣新生界厚度，因此筆者認為樣品埋藏的最大深度發(fā)生在新生代?？紤]到樣品中較老的顆粒年齡和較長的徑跡長度依然占據(jù)主要部分，筆者認為樣品退火程度很弱，最多到達部分退火帶的中上部（75～90 ℃）。前人研究表明柴北緣新生代古近紀至新近紀早期的古地溫梯度約為 26 ℃/km[34]，地表平均溫度約為15 ℃，由此可得出樣品新生代以來所經(jīng)歷的最大埋藏深度為2 900 m。

此外，筆者還利用HeFTy程序[35]對該樣品進行了熱演化史模擬，模擬的限制條件有3個：①在距今180 Ma之前樣品中的磷灰石顆粒從物源區(qū)隆升剝蝕、出露至磷灰石裂變徑跡的部分退火帶附近（約110 ℃）；②地層沉積時代為距今160～180 Ma，對應樣品位置在近地表（古地溫（20±10）℃）；③在下干柴溝組沉積后期至獅子溝組沉積期間（距今2.5～40.0 Ma）達到最大埋深（古地溫小于90 ℃）。模擬結果如圖8c所示，表明樣品自中侏羅統(tǒng)沉積后最大埋深僅至古地溫40～60 ℃，發(fā)生在新生代晚期，對應的深度為1 000～1 700 m。需要特別注意的是，本樣品為碎屑巖，其內的磷灰石在沉積前可能來自不同的物源區(qū)，具有不同的熱演化歷史，上述熱演化史模擬結果僅供參考，但也支持樣品新生代以來的最大埋深小于2 900 m。考慮到該碎屑樣品位于中侏羅統(tǒng)上部，其上覆中生界厚約300 m（見圖2），以此推測樣品上覆新生界最大厚度僅為2 600 m。

5 討論

5.1 變形運動學特征

目前，一般認為對柴北緣新生代變形以擠壓逆沖褶皺為主[2,36]，然而對其具體的運動學過程還有很大爭議，存在沖斷[14]、右旋走滑沖斷[1,18]、左旋走滑沖斷[19-20]和構造楔[2]等多種解釋模型。野外觀測和深部地震反射剖面（見圖3、圖5、圖6）均表明，魚卡—九龍山地區(qū)發(fā)育大量的高角度逆斷裂和褶皺，整體表現(xiàn)為一個受賽南斷裂、魚北斷裂和龍北斷裂控制的復式箱狀背斜形態(tài)，以基底的整體抬升為主要特征，不存在長距離的低角度逆沖推覆或復雜的基底構造楔。研究區(qū)的高角度逆斷裂在剖面上具有明顯的正花狀構造，表明其具有一定的走滑特征。受斷層出露的限制，筆者在野外并沒有找到可以測量斷裂運動學特征的出露點（如階步、擦痕等）。但是遙感解譯和野外地質填圖中在魚卡—九龍山地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大量的右旋走滑斷裂及伴生的大型拖曳褶皺，如魚卡西部背斜以北的斷裂北側發(fā)育明顯的右旋拖曳褶皺、魚卡北部背斜核部的北傾斷裂明顯右旋錯斷了侏羅系、馬海尕秀背斜兩翼發(fā)育的一些明顯右旋走滑斷裂等（見圖1），這些證據(jù)指示魚卡—九龍山地區(qū)新生代變形表現(xiàn)為右旋走滑逆沖。該認識與區(qū)域應力背景一致：柴北緣與長達1 600 km以上的阿爾金左旋走滑斷裂近垂直相交，根據(jù)里德爾剪切模型，其應該具有與阿爾金斷裂相反的水平剪切分量。對柴北緣其他地區(qū)地表褶皺和斷裂展布的研究也證實了其新生代變形具有一定的右旋走滑分量[18]。魚卡—九龍山地區(qū)的右旋斜向沖斷作用可能代表了柴北緣新生代晚期主要的變形特征，而前人在柴北緣發(fā)現(xiàn)的一些左旋走滑現(xiàn)象可能是局部的、受柴北緣右旋逆沖應力場控制下的次級構造。

5.2 變形時間與演化

從野外實測和地震反射剖面可以看出（見圖3、圖5、圖6），研究區(qū)卷入變形的最新地層為獅子溝組，位于馬海尕秀背斜南翼。該處新生界基本直立，傾角一般為70°～80°（見圖3），表明研究區(qū)最強烈的變形應發(fā)生在獅子溝組沉積之后，即距今2.5 Ma之后，使得整個新生界發(fā)生強烈的褶皺變形。此外，馬海尕秀背斜南側新生界巖性自上油砂山組上部開始由一套泥巖、砂巖、含礫砂巖變?yōu)榇筇椎[巖沉積（見圖2），反映了晚中新世以后北側南祁連山的快速隆升，與前人的研究結果基本一致[27,37-38]。

由前文分析可知魚卡北部背斜地區(qū)新生界最厚僅為2 600 m，遠小于其南側馬海尕秀背斜南翼的新生界厚度（約3 886.5 m，見圖2）。此外，魚卡地區(qū)龍2井鉆井顯示路樂河組厚度僅為492 m，再向北的九龍山地區(qū)野外實測厚度僅251 m，這些都遠小于馬海尕秀背斜南翼的路樂河組厚度（680.5 m）?；谏鲜龇治?，筆者推測魚卡—九龍山地區(qū)是一個在新生代早期就開始活動的古隆起構造，但是活動幅度不大，其強烈的褶皺變形應該是在獅子溝組沉積期或者之后。前人在沉積學以及熱年代學方面的研究也表明柴北緣在新生代早期就開始活動[5,36,39-42]。本結論支持印藏板塊碰撞遠程效應自新生代早期就傳遞至青藏高原北緣，但是幅度較現(xiàn)今弱很多。

基于以上分析，筆者認為魚卡—九龍山地區(qū)的新生代構造演化可分為兩個階段：①新生代早期一直到獅子溝組沉積時，該地區(qū)為一個微弱活動的古隆起，可能受賽南斷裂的微弱活動控制（見圖9a、圖9b）；②獅子溝組沉積末期以后，賽南斷裂和龍北斷裂強烈活動，導致了研究區(qū)的強烈褶皺抬升，形成了一個寬緩的箱狀背斜形態(tài)，局部發(fā)育的次級斷裂對該箱狀背斜進行了改造，形成了現(xiàn)今在地表出露的多個褶皺（見圖9c）。也即，與其南側的馬?！蠹t溝凸起[43]一樣，魚卡—九龍山地區(qū)在新生代是一個長期活動的古隆起，可能與賽南斷裂是一條在晚中生代就開始活動的古斷裂有關[39,44]。魚卡—九龍山古隆起南側緊鄰富含中下侏羅統(tǒng)烴源巖的賽南凹陷，其很可能和馬?！蠹t溝凸起一樣成為油氣運移的有利指向區(qū)。

圖9 魚卡—九龍山地區(qū)新生代構造演化示意圖

6 結論

綜合野外露頭調查、地震反射剖面、相關鉆井資料以及熱年代學定年的基礎上，對柴北緣魚卡—九龍山地區(qū)新生代構造變形特征進行詳細分析，得出以下結論：

魚卡—九龍山地區(qū)總體為一受南側賽南斷裂、北側龍北斷裂控制的近似箱狀背斜形態(tài)，兩翼較陡、核部寬緩，馬海尕秀背斜和九龍山背斜為箱狀背斜兩翼受次級反沖斷裂影響的次級褶皺，魚卡本部背斜和魚卡北部背斜為箱狀背斜的寬緩核部發(fā)育的次級褶皺。

魚卡—九龍山地區(qū)發(fā)育的斷裂多為陡傾的基底斷層，共同構成一個正花狀構造，除具有逆沖性質外，還具有一定的右旋走滑分量，其中逆沖活動導致的地殼縮短率約為15.3%。右旋的斜向沖斷作用可能代表了柴達木盆地北緣新生代晚期主要的變形特征。

魚卡—九龍山地區(qū)為一自新生代早期就開始發(fā)育的古隆起構造，使得其上的新生界沉積很薄，可能受控于其南側先存的賽南斷裂的微弱活動；其強烈的褶皺變形則非常晚，在獅子溝組沉積時或之后。魚卡—九龍山地區(qū)鄰近發(fā)育中下侏羅統(tǒng)烴源巖的賽南凹陷具有較好的油氣勘探潛力。