王 濤，侯明才，陳洪德，侯中健，陳安清，蘇中堂

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），成都 610059；2.中國石油長慶油田勘探事業(yè)部，西安 710018）

海西構(gòu)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(guān)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(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（成都理工大學(xué)），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(guān)系，為大型克拉通盆地沉積充填規(guī)律與造山帶耦合關(guān)系提供實(shí)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(xì)的沉積充填序列分析，結(jié)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(gè)由粗－細(xì)－粗的沉積充填旋回。構(gòu)造沉降史分析準(zhǔn)確標(biāo)定出285 Ma B.P.、274 Ma B.P.和256 Ma B.P.為造山活動(dòng)加劇、盆地強(qiáng)烈沉降的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，而這3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)于太原－山西期、石盒子期、石千峰期3個(gè)時(shí)期內(nèi)退積－進(jìn)積的沉積轉(zhuǎn)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(dǎo)致的陰山古陸的幕式造山運(yùn)動(dòng)與盆地的旋回充填存在密切的耦合關(guān)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(gòu)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(dòng)力學(xué)研究的熱點(diǎn)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(zhì)，沉積盆地則記錄了相鄰的造山帶活動(dòng)，盆地充填與造山帶活動(dòng)之間構(gòu)成了一種耦合關(guān)系。因此，沉積盆地成為研究造山帶活動(dòng)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(zhì)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(zhì)充填特征和充填過程來反演這一時(shí)期陰山造山帶的幕式活動(dòng)特征，揭示陰山造山過程與盆地充填之間的耦合關(guān)系，為深入探討大型穩(wěn)定克拉通盆地沉積物質(zhì)充填規(guī)律與周緣造山帶的相互關(guān)系提供實(shí)證。

鄂爾多斯盆地處于中國東部穩(wěn)定區(qū)和西部活動(dòng)帶的結(jié)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(dá)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(gè)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(nèi)拗陷盆地2個(gè)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(xì)分為本溪期裂陷盆地和太原期拗陷盆地2個(gè)次級(jí)階段；②早二疊世晚期至晚二疊世，區(qū)域構(gòu)造由拉張轉(zhuǎn)化為擠壓抬升，海水逐漸從西南、東南退出，盆地進(jìn)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(nèi)拗陷盆地［11］。兩個(gè)演化階段之間，即以太原期末盆地東西兩側(cè)邊緣的抬升所形成的風(fēng)化剝蝕成為盆地性質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵性界面。而這種盆地演化過程中區(qū)域構(gòu)造格局的轉(zhuǎn)變，直接形成了沉積體系豐富、旋回結(jié)構(gòu)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(xiàn)［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(xì)分析9條野外剖面、133口典型鉆井的沉積旋回結(jié)構(gòu)后，結(jié)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(guān)系圖（圖2）。

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

在經(jīng)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(zhì)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(xì)，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(zhuǎn)變?yōu)槲鞫喂?yīng)為主，盆地性質(zhì)由裂陷盆地演化為陸內(nèi)拗陷盆地。

進(jìn)入中二疊世石盒子期，完全轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闇\肉紅色、褐灰色、淺灰色泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖，上石盒子期為更細(xì)粒的砂質(zhì)泥巖及紅色泥巖互層，夾薄層砂巖及粉砂巖。此時(shí)盆地進(jìn)入陸內(nèi)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(nèi)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(jié)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(xì)的充填旋回，下面詳細(xì)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(kuò)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(duì)沉積作用的控制趨于減弱。西緣地區(qū)轉(zhuǎn)化為裂后拗陷，形成開闊陸表海中的相對(duì)拗陷帶。而且由于興蒙海槽的關(guān)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(shí)期的沉積格局已由東西差異轉(zhuǎn)變?yōu)槟媳狈之悾璧乇辈炕拘纬闪?個(gè)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(kuò)大，形成了廣闊的三角洲平原環(huán)境（圖4）。此時(shí)盆地性質(zhì)已發(fā)生轉(zhuǎn)化，為陸內(nèi)拗陷盆地，且沉積體系大面積南遷，反映有大量碎屑物質(zhì)進(jìn)入盆內(nèi)，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(qiáng)，而此時(shí)地層中出現(xiàn)大量凝灰質(zhì)沉積物也證實(shí)了該時(shí)期具有較強(qiáng)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)楦珊笛谉幔脖淮罅繙p少，從而沉積一套灰白－黃綠色的純的陸源碎屑建造。該時(shí)期盆地內(nèi)沉積特征延續(xù)山西期的特點(diǎn)，依然發(fā)育4個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)榍骱尤侵?，只是該時(shí)期盆地內(nèi)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(jìn)入了陸內(nèi)拗陷發(fā)展階段，表明北部物源區(qū)在短暫相對(duì)平靜之后又一次進(jìn)入強(qiáng)烈的構(gòu)造活躍期。陰山造山帶的再次強(qiáng)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(qiáng)，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(kuò)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(zhì)的減少，湖泊面積擴(kuò)大。盆地南部地區(qū)構(gòu)造抬升作用增強(qiáng)，三角洲沉積向北略有推進(jìn)，三角洲平原展布范圍亦有擴(kuò)大之趨勢(shì)（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(tái)整體抬升，海水自此退出華北大盆地，沉積環(huán)境完全轉(zhuǎn)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(jìn)，湖泊逐漸萎縮，說明此時(shí)陰山造山帶再度活躍，從而提供大量碎屑物質(zhì)使得湖泊最終充填淤塞，直至萎縮消亡；同時(shí)也結(jié)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(guān)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(gòu)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(jié)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(jì)末－三疊紀(jì)伴隨多期的巖漿和火山活動(dòng)［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(yùn)動(dòng)，或者說這一時(shí)期的陰山造山運(yùn)動(dòng)具有脈動(dòng)式或是幕式活動(dòng)的特點(diǎn)。通過對(duì)盆地北部的蘇75井的沉積巖石學(xué)和沉積環(huán)境的分析，應(yīng)用構(gòu)造沉降分析方法，做出了鄂爾多斯盆地北部晚古生代的構(gòu)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(gè)時(shí)間點(diǎn)附近，構(gòu)造沉降曲線存在3個(gè)明顯的拐點(diǎn)，也就是說這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)是明顯的造山活動(dòng)加劇、盆地強(qiáng)烈沉降的時(shí)期。非常巧合的是，這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)恰好是晚古生代鄂爾多斯盆地3個(gè)充填旋回中由退積向進(jìn)積的轉(zhuǎn)換時(shí)間。而且，盆地沉積物質(zhì)充填與構(gòu)造沉降有非常明顯的契合關(guān)系：285 Ma B.P.的構(gòu)造沉降事件恰好對(duì)應(yīng)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(gè)時(shí)期的巖相古地理圖（圖3、圖4）已經(jīng)清楚地揭示太原組－山西組是一個(gè)盆地充填物質(zhì)由陸表海向陸緣近海湖盆轉(zhuǎn)換的時(shí)期，沉積物充填樣式上表現(xiàn)為退積向進(jìn)積的轉(zhuǎn)換。第二個(gè)拐點(diǎn)，即274 Ma B.P.，對(duì)應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)闇\肉紅色、褐灰色、淺灰色泥質(zhì)砂巖、粉砂巖、泥巖；上石盒子期為更細(xì)粒的砂質(zhì)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(gè)陸內(nèi)拗陷盆地由發(fā)展向成熟的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變。第三個(gè)拐點(diǎn)，即256 Ma B.P.，這是一個(gè)沉降幅度和沉降速率最大的時(shí)間點(diǎn)，發(fā)育在石千峰組的內(nèi)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(nèi)鉆井巖心及測(cè)井均揭示極富火山物質(zhì)的層段就在這一時(shí)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(jìn)積旋回特征，造成這種旋回充填特征的地球動(dòng)力學(xué)因素是盆地北緣陰山造山帶的幕式造山隆升活動(dòng)。

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(guān)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(jié)論

a.鄂爾多斯盆地海西期沉積物表現(xiàn)為3次由粗向細(xì)的充填旋回，分別為太原組－山西組海陸過渡相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向辮狀河三角洲沉積和石千峰組向南推進(jìn)的河流－三角洲沉積。

b.鉆井構(gòu)造沉降曲線揭示晚古生代陰山發(fā)生了3幕造山運(yùn)動(dòng)，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(jìn)積旋回相對(duì)應(yīng)，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(guān)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(xiàng)（2011ZX05044）

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