鄂爾多斯盆地南部晚三疊世事件沉積—秦嶺造山耦合分析

劉 璇，桂小軍，丁曉琪，，張哨楠

（1.成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安710021； 3.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

鄂爾多斯盆地南部晚三疊世事件沉積—秦嶺造山耦合分析

劉 璇1，桂小軍2，丁曉琪1，3，張哨楠3

（1.成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安710021； 3.西南石油大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川 成都 610500）

鄂爾多斯盆地南緣晚三疊世的湖盆充填與秦嶺造山關系密切，秦嶺造山對延長組沉積研究十分重要.結合露頭與巖心、沉積與物源區資料，分析晚三疊世秦嶺造山與事件沉積的耦合性.結果表明：（1）物源區隆升，造山帶前緣快速下沉，湖平面上升，南陡北緩的不對稱盆地形成；盆地南緣快速堆積的三角洲前緣沉積在重力失穩條件下向造山帶前緣滑塌形成濁積巖、砂質碎屑流，頻繁的地震導致大量的砂巖脈形成.（2）盆地南緣火山噴發，一方面導致生物組合發生變化；另一方面由于凝灰巖富營養組份導致湖水中生物繁盛，并最終促成優質烴源巖的形成.該研究結果對尋找烴源巖、判斷沉積相、分析構造背景，以及油氣勘探具有一定指導意義.

事件沉積；延長組；濁積巖；凝灰巖；鄂爾多斯盆地

0 引言

事件一詞被用于描述地球科學領域中許多不同類型的地質現象，是指短時間內、快速沉積的、少見的沉積單元，出現在相對緩慢的沉積背景中，也稱為沉積幕或災變事件等[1].

鄂爾多斯盆地上三疊統延長組的沉積事件主要包括延長組中夾有凝灰巖夾層、濁積巖、砂質碎屑流沉積、震積巖沉積、砂巖脈廣泛發育，以及孢粉組合的突變等[2-3].趙俊興等認為火山灰在沉積過程中遮擋陽光，阻礙水體循環，導致缺氧事件發生，為優質烴源巖的發育提供有利條件[4]；張文正等認為火山灰在湖水中發生水解，使Fe3+，P2O5和CaO等營養物質進入湖盆水體，促進生物發育并改變生物組合，導致烴源巖中有機質含量豐富[5].對濁積事件沉積的研究，主要集中在湖盆濁積巖形成機理、識別標志及與油氣的關系方面[6-8].鄧秀芹等分析慶陽地區慶36井和吳起縣剖2井延長組孢粉組合[3]，發現長8段—長10段沉積期，中三疊世Punctatisporites、Verrucosisporites含量較高；長7段沉積期，晚三疊世Duplexisporites大量出現，說明長7段沉積前后，孢粉組合存在明顯差異，濁積巖、凝灰巖沉積主要出現在長7段以上.

事件沉積不是孤立的地質現象，而是在空間上存在某種聯系，深入研究有助于更好地了解鄂爾多斯盆地晚三疊世的沉積背景.筆者在晚三疊世事件沉積研究的基礎上，分析不同事件沉積之間的聯系，并將事件沉積與秦嶺造山相結合，通過分析巖心、露頭和研究區及物源地區沉積資料，研究事件沉積—造山耦合關系，包括從長9段到長7段湖盆中心遷移的動力學機制，以及延長組濁積巖和砂質碎屑流時空分布的控制因素；找出造山運動與沉積現象之間的聯系，為鄂爾多斯盆地的進一步研究與勘探奠定基礎.

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地，也是典型的克拉通沉積盆地，上三疊統延長組發育三角洲、河流、湖泊等沉積相[2-4].研究區位于鄂爾多斯盆地南部（見圖1[9]），根據研究區沉積旋回和油層分布特征，將上三疊統延長組自下而上分為10段，依次命名為長10段—長1段[10-11].長7段沉積早期，湖平面達到最大值，形成盆地中生界的主力烴源巖，烴源巖主要分布在麻黃山—環縣—慶陽—正寧一帶[12].研究區油氣主要分布在長8段、長6段和長3段，最近在長7段濁積巖和砂質碎屑流中也發現相當規模的致密油儲量[13].

圖1 鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組沉積相Fig.1 Sedimentary facies map of Yanchang formation of late Triassic，Ordos basin

2 事件沉積

2.1 凝灰巖沉積

近年來，隨著巖石學和地球化學研究的深入，與火山活動有關的凝灰巖沉積引起人們關注[5，14-16].火山噴發作用往往與構造活動有關，大氣圈、生物圈、巖石圈內的元素在構造運動下發生交換和轉移.凝灰巖沉積作為地質歷史時期火山活動的證據，其形成過程被認為是鄂爾多斯地臺在晚三疊世的一個重要地質事件.

延長組中常見大量淺灰色和淡黃色的薄層狀、紋層狀凝灰巖夾層，它們形成于晚三疊世盆地南緣的火山劇烈活動，可以通過巖心和測井特征識別.凝灰巖沉積具有高自然伽瑪、低電阻率、低三孔隙度測井和擴徑特征，一般被用于地層對比標志層.

延長組凝灰巖沉積從長7段底部開始，自下而上發育，主要出現在長8段以上.長7段底部的凝灰巖形成時間最早，常在油頁巖中以夾層方式產出（見圖2（a）、（b）），累計厚度為0～2 m，具有明顯特征且分布廣泛，從西、西南到東、東北方向，凝灰巖夾層變薄[3]；由于凝灰巖沉積與火山噴發關系密切，凝灰巖最厚的周止板房子地區，在露頭、剖面等地質資料上，隱含盆地南部構造不穩定信息[17-18]，因此，晚三疊世盆地南部的秦嶺造山帶可能存在火山噴發.

研究區地質資料觀察及凝灰巖研究結果表明，凝灰巖沉積與秦嶺造山和湖泛活動在時間上存在耦合關系.張文正等測定長7段油頁巖中薄層凝灰巖中鋯石U-Pb的年齡（242～220、220～205、242～220 Ma）[5]，發現凝灰石形成時代與華北和揚子板塊的主要碰撞時代（245～220 Ma）基本吻合；其中220～205 Ma，與長7段湖泛發生時期接近.

圖2 延長組凝灰巖沉積典型的巖心、薄片及露頭照片Fig.2 Typical cores，thin section and outcrop pictures

2.2 濁積巖和砂質碎屑流沉積

近年來，在研究區中生界致密油儲層勘探過程中，發現長7—長6段中發育較大規模的濁積巖和砂質碎屑流沉積[18].特別是砂質碎屑流沉積厚度大、非均質性弱、離長7段烴源巖近，具有良好的生儲蓋組合和優先捕集油氣能力.

2.2.1 濁積巖沉積

晚三疊世濁積巖沉積主要發育在長7—長6段[6].長7段沉積時期，盆地西南部發育辮狀河三角洲沉積，東北部發育曲流河三角洲沉積；長7段沉積早期，湖平面面積達到最大值，最大湖泛期半深湖、深湖區面積可達10×104km2以上[19]，三角洲向陸方向發生退積.由于盆地西南部湖盆地形較陡，辮狀河三角洲前緣的朵葉在重力及地震作用下發生斷裂，沉積物向下滑動，在半深湖形成濁積巖沉積，即滑塌濁積巖沉積[20-21].盆地東北部湖盆底部地形相對平緩，濁積巖沉積相對不發育.延長組濁積巖沉積發育在半深湖—深湖中，濁積巖沉積的頂、底部為黑色—灰黑色頁巖，其中發育不完整的鮑馬序列，以B段平行層理段和C段流水波紋段最為發育；因為盆地延長組三角洲粒度相對均一，以細砂和粉砂為主，所以A段粒序層理不明顯，只有B段和C段的濁積巖與三角洲前緣的水下分流河道砂巖相似.濁積巖與半深湖—深湖泥巖相伴生，底部發育槽模，與水下分流河道砂巖區別明顯.濁積巖單層厚度不大，一般小于3 m，多期濁積巖相互疊置，厚度可達數十米，厚層砂巖中夾有大量泥質夾層，儲層非均質性很強.

2.2.2 砂質碎屑流沉積

砂質碎屑流與濁流不同，前者屬于塊體流，后者屬于紊流[22].碎屑流砂體含有巨大的顆粒表面黏附力，在湖底或海底流動中具有一定強度，且表現為塊體運動特征.砂質碎屑流的最顯著特征是塊狀層理發育，泥質體積分數較濁積巖的低，一般小于10%；砂巖厚且層內非均質性弱，含油性好；內部見不規則的撕裂狀泥巖和砂質團塊.砂質碎屑流的底部指示砂巖塊沿某滑動面發生滑動，頂面呈不規則狀.

研究區砂質碎屑流包括2種類型：（1）以泥礫為主，泥礫成分與砂巖上下泥巖的一致；泥礫主要以扁平狀為主，少量呈圓狀、撕裂狀；泥礫多平行于層面，部分垂直于層面；泥礫大小差別較大，含泥礫砂巖的厚度為0.5～3.0 m（見圖2（c））.（2）以硅質巖礫石、砂巖礫巖和灰巖礫石為主，礫石分選差，磨圓好，厚度為0.3～1.0 m（見圖2（d））.后一種類型中含礫細—中砂巖除了可以較好地指示物源方向，也可以反映源區部分構造特征，表明物源區隆升強烈、湖盆底部坡度較陡，往往意味逆沖活動事件的開始[23-25].

對于具有時滯的控制系統，期望的系統閉環傳遞函數是1個一階慣性環節和純滯后環節串聯，那么對于副回路的閉環目標函數可以描述為由式(9)可得:

濁積巖和砂質碎屑流沉積主要出現在盆地西南緣，陡的湖盆底部形態是濁積巖和砂質碎屑流沉積形成的內因；地震、重力等誘發因素為濁積巖和砂質碎屑流沉積形成的外因.濁積巖和砂質碎屑流沉積主要出現在長7段以上，時間上與凝灰巖沉積出現的一致.

2.3 砂巖脈

巖心觀察結果表明，在厚度較大的泥巖地層中常見砂巖侵入體或砂巖脈，表現為許多規模較小、分支多的砂巖脈分布于頁巖中.砂巖脈侵入體形狀不規則，隨著侵入加深，逐漸變細，常切穿上覆地層的水平層理（見圖2（e）、（f））.砂巖脈形成條件包括：（1）沉積物未固結成巖，在地震及其他誘導條件下發生液化；（2）砂巖沉積物中飽含孔隙水；（3）砂巖被上覆低滲透性巖層覆蓋；（4）具備地震、風暴等形成砂巖液化的誘發條件[26].

如果砂泥巖互層中含水，在振動條件下，穩定的固結巖層一旦破裂，則壓力降低，互層中的砂與水同時進入上覆地層形成液化砂巖脈.飽含水的砂泥巖互層沉積物通常較穩定，但存在打破砂泥互層穩定的情況：陡坡處在應力作用下坡度變陡，使沉積物失去穩定，在重力作用下發生滑塌；地震引起的劇烈振動使部分沉積物液化，難以維持原有穩定狀態，出現“沸騰化”現象.

坡度變陡引起沉積滑塌常伴隨大量變形構造，砂巖附近的泥巖也將發生變形；而與地震有關的砂巖脈，脈體附近巖層變形很小，砂巖呈楔狀刺穿進入上覆地層，與滑塌變形區別明顯.

由鄂爾多斯盆地南部砂巖層位分布（見圖3）可知，盆地南部地層巖心中，長6段—長8段沉積地層中存在砂巖脈，出現頻率最高的地層為長73小層，表明延長組沉積期地震活動最活躍時期為長73小層沉積時期.

圖3 鄂爾多斯盆地南部砂巖脈層位分布Fig.3 Distribution of sandstone veins，south Ordos basin

3 事件沉積—造山耦合

分析事件沉積、特殊沉積及構造背景表明，鄂爾多斯盆地晚三疊世延長組事件沉積與秦嶺造山存在明顯、緊密的耦合關系.

鄂爾多斯盆地南緣與秦嶺造山帶為鄰.揚子和華北古大陸邊緣因碰撞而強烈變形，又與印支期古秦嶺洋中的地塊拼合，復雜的大地構造背景形成結構復雜的秦嶺造山帶，造山帶主縫合帶位于商丹斷裂附近.長期以來，華北與揚子2個地塊相互獨立，所以拼接形成的秦嶺陸殼相對薄弱，易受到構造應力響，自元古代起經歷多次開合.

中二疊世—晚三疊世，華北與揚子板塊呈剪刀狀自東向西拼合，秦嶺殘留海盆最終閉合并開始造山[27-30].南秦嶺在中三疊世前為海相沉積，至晚三疊世全部轉為陸相沉積，出現磨拉石建造；鄂爾多斯盆地西南緣在晚三疊世（長7段沉積期后）出現沖積沉積；印支期碰撞型花崗巖普遍發育，年齡為245～210 Ma[31-32]，說明揚子板塊向華北板塊拼合焊接，陸內碰撞造山.強烈的構造運動一直持續到燕山期，最終形成現在宏偉的秦嶺—大別造山帶.由巖漿巖主要分布在西秦嶺表明，該時期西秦嶺造山強度明顯強于東秦嶺的.此時，在多期應力作用下，一系列走滑逆沖斷裂在秦嶺西部北側形成.在鄂爾多斯盆地西南緣，根據鋯石裂變徑跡年齡[33]，推測大規模造山運動主要發生在長8段沉積期后.

造山運動形成一系列新的地貌：應力作用下地層抬升，成為新的物源區；盆地基底受力發生變形，沉積物沉降不均衡，形成前陸盆地；沉積中心向造山帶遷移，形成盆地北緩南陡的地形.造山運動使延長組沉積面積減小，但湖盆深度增加、深水區面積迅速增大，周圍的地形更陡，使更多粗碎屑沉積物進入盆地內.盆地邊緣寧探1井處，在長7段沉積期開始出現大量含礫砂巖、礫巖；在長6段沉積期，汭水河剖面沉積大量砂質碎屑流沉積（見圖2（d））.盆地南部龍2井處，在長7沉積期前，粒度最粗僅為含礫粗—中砂巖；在長7段沉積期后，出現大套巨厚礫巖沉積.此外，盆地邊緣可見硅質巖、淺變質巖、白云巖、砂巖，以及粒度較大的礫巖.物源區出露前寒武系的變質巖、奧陶系的三道溝組、二疊系的太原組和山西組等地層[34].區域地層特征及沉積特征表明，在長7段沉積期發生劇烈的造山運動，地形高差變大，形成迅速沉降的湖盆前淵和加深的水體.在早印支運動影響下，盆地周邊尤其是西南緣和南緣地區廣泛發生巖漿侵入作用，造成盆地不均衡強烈拉張下陷，湖平面增大，并在晚三疊世達到最大值.由于盆地邊緣攔截陸源碎屑，處于饑餓狀態的湖盆沉降中心成為盆地中生界的主力烴源巖沉積區[19，35-36].

由長9段和長7段的烴源厚度分布（見圖4[37]）可見，位于志丹—富縣一帶湖盆的沉降中心，在長9段沉積期逐漸向造山帶方向發生遷移；至長7段沉積期，沉降中心遷移至環縣—華池—正寧一線，遷移距離約為100 km，遷移原因是秦嶺造山.秦嶺強烈造山使造山帶前淵快速變深，沉降中心向造山帶方向遷移，導致長9段—長7段優質烴源巖發育不具有繼承性.

秦嶺造山導致頻繁的火山噴發和湖平面上升，受此影響，盆地生物組合發生變化.凝灰巖飄落到湖水中，以夾層的形式產出于烴源巖中，火山噴發帶來的營養物質滿足藻類生長需要，為優質烴源巖的形成奠定良好的物質基礎.長7段沉積期，長7段底部優質烴源巖中夾有大量凝灰巖，表明火山噴發與優質烴源巖的形成處于同一時期.

秦嶺造山使盆地的物源供給增加、盆緣變陡，同時造成盆地不穩定，表現為山前斷裂帶附近的三角洲平原相帶很窄，磨拉石建造發育.三角洲前緣位于陡坡帶，含有“楔狀”地層，厚度巨大.長7段沉積期后變陡的湖盆底部形態，與頻繁地震活動等因素共同作用，在盆地西南緣形成滑塌濁積巖和砂質碎屑流沉積（見圖5），與長7段出現的大量砂巖脈沉積共同驗證了盆地南緣的秦嶺造山.

圖4 長9段與長7優質烴源巖厚度分布比較Fig.4 Compare distribution of black shale of Chang9 Member and resource rocks of Chang7 Member

圖5 鄂爾多斯盆地長9段—長7段湖盆中心遷移模式Fig.5 Mode figure of basin centre migration between Chang9 and Chang7 member，Ordos basin

印支期秦嶺造山主要發生在長8段沉積期后，以長7段最為顯著，保留在長7段中的大量事件沉積與秦嶺造山存在時空上的耦合，主要表現為：（1）造山活動使湖盆中心向西南方向發生遷移，使湖盆西南緣變陡；（2）盆地南部出現火山噴發，火山灰漂浮至湖泊中形成凝灰巖，為優質烴源巖的形成提供“營養組分”；（3）強烈的構造活動使地震頻繁，地層中保留大量反映古地震活動的砂巖脈；（4）深水滯留環境、陡的湖盆底部形態及重力、地震等誘發因素，使濁積巖和砂質碎屑流沉積大量發育，事件沉積與秦嶺造山關系密切.

4 結論

（1）鄂爾多斯盆地南緣秦嶺造山發生在晚三疊世，使盆地南部湖盆邊緣變陡，沉積中心向西南方向遷移；同時，受到由造山運動引起的地震等因素影響，粗碎屑物質沿湖盆較陡一側滑塌，形成濁積巖和砂質碎屑流沉積.劇烈的造山運動導致盆地南緣的火山噴發，表現為延長組出現大量凝灰巖夾層.

（2）盆地南緣晚三疊世的湖盆沉積物和生物組合與秦嶺造山關系密切.烴源巖、濁積巖和砂質碎屑流、砂巖脈及凝灰巖集中出現在長7段地層，是秦嶺印支期造山的主要物質表現，這些事件沉積與秦嶺造山存在時空上的耦合.

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TE121.3；P539.6

A

2095-4107（2014）04-0059-08

2014-04-09；

張兆虹

國家自然科學基金項目（40602012）；中國博士后科學基金項目（2012M511941）

劉 璇（1992-），女，碩士研究生，主要從事儲層沉積學與油藏地球化學方面的研究.

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.04.009