柴北緣東段中—新生代構(gòu)造演化及其對油氣的控制作用

孫 波 王金鐸 王大華 肖永軍 張俊鋒 柴先平 林 武 陳云鋒

（中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院）

0 引言

柴達木盆地是青藏高原北部最大的高原盆地，周邊三大山系（昆侖山、祁連山和阿爾金山）將其圍限，從鉆井、地震部署及油氣儲量發(fā)現(xiàn)規(guī)模來看，盆地勘探程度極不均衡，油氣儲量與探井主要分布于盆地中西部、中淺層，盆地東部以及中深層勘探與研究程度較低，勘探潛力較大[1-13]。柴達木盆地東部包括柴北緣東段及三湖坳陷東部，中—新生代以來，由于構(gòu)造運動頻繁、強烈，導(dǎo)致山盆相間、地層疊置，構(gòu)造變形與演化過程極其復(fù)雜，這直接制約了柴北緣東段油氣資源潛力評價和勘探部署。因此，明確不同構(gòu)造帶的殘留地層與構(gòu)造變形特征，明確構(gòu)造演化過程及其對成烴、成藏的控制，對指導(dǎo)該區(qū)的油氣勘探具有重要意義[14-16]。

1 殘留地層發(fā)育特征

1.1 殘留地層序列

柴北緣東段東西展布近200km，發(fā)育北西向3排逆沖山系，在多期次、多方向應(yīng)力作用下被控山、控凹斷裂切割為多個菱形組合的構(gòu)造帶（圖1），現(xiàn)今發(fā)育尕西、魚卡、紅山、小柴旦、霍布遜等9個凹陷。近幾年通過對露頭、鉆井及地震資料綜合分析表明，柴北緣東段中—新生代發(fā)育侏羅系、白堊系、古近系、新近系、第四系，受構(gòu)造運動的影響，各凹陷殘留地層序列平面分布差異較大（圖2）。尕丘凹陷、大柴旦凹陷缺失中生界，歐南凹陷缺失中—下侏羅統(tǒng)，中—下侏羅統(tǒng)主要發(fā)育在尕西—魚卡凹陷、紅山—小柴旦凹陷及霍布遜凹陷；新生界在各凹陷均有分布，頂?shù)椎貙臃植悸杂胁町悺?/p>

圖1 柴北緣東段構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure outline map of the eastern section of the northern margin of the Qaidam Basin

圖2 主要凹陷中—新生界地層序列Fig.2 The sequence of Mesozoic-Cenozoic strata in main sags

1.2 中—下侏羅統(tǒng)殘留地層展布

中—下侏羅統(tǒng)是柴北緣東段主要烴源巖發(fā)育層位，露頭分布較廣，在大煤溝、綠草山、大頭羊、魚卡、花石溝、達達肯烏拉山等地區(qū)均有出露，大致呈北西向展布（圖1）。其中大煤溝、綠草山、魚卡等地區(qū)中—下侏羅統(tǒng)出露較全，厚度較大。魚東1井、龍1井、圓丘1井、紅山參1井、紅山1井等鉆井及大量煤鉆孔揭示中—下侏羅統(tǒng)，其中魚卡凹陷（龍1井、龍2井、龍6井等）及紅山凹陷（紅山1井、紅山參1井、庫1井等）鉆井鉆遇中—下侏羅統(tǒng)厚度較大，與露頭揭示情況基本一致。通過露頭、鉆井（孔）、電法及地震等資料綜合分析，認為柴北緣東段中—下侏羅統(tǒng)平面上呈北西向條帶狀分布，且具有較強的分隔性，發(fā)育多個沉積中心（圖3）。

圖3 中—下侏羅統(tǒng)殘留厚度圖Fig.3 The residual thickness map of Middle and Lower Jurassic

2 構(gòu)造變形特征

2.1 中—新生界地層接觸關(guān)系

本文以尕西—魚卡凹陷為例，重點分析中生界與前中生界、新生界接觸關(guān)系。尕西—魚卡凹陷是中生界發(fā)育較為齊全的凹陷，現(xiàn)今構(gòu)造格局劃分為北部山前沖斷帶、中部凹陷帶、馬北反向逆沖帶，中部凹陷帶被賽南斷裂分割為魚卡凹陷、尕西凹陷兩部分[17]。

尕西—魚卡凹陷北部山前沖斷帶，由于受祁連山自北向南逆沖作用，奧陶系逆沖推覆至中侏羅統(tǒng)之上，中侏羅統(tǒng)與奧陶系呈斷層接觸（圖4a）。祁連山前ZK42-2、ZK38-4以及ZK36-5等鉆孔證實元古宇灰綠色變質(zhì)巖直接逆沖推覆至中侏羅統(tǒng)之上，呈斷層接觸關(guān)系，鉆孔巖心可見角礫狀泥巖及砂巖，確認斷層存在。綠梁山西北部元古宇逆沖推覆于中侏羅統(tǒng)之上，侏羅系和元古宇呈斷層接觸。魚卡凹陷東部ZK7-2奧陶系灘間山群出現(xiàn)重復(fù)，上部奧陶系灘間山群逆沖推覆于中侏羅統(tǒng)大煤溝組之上，呈斷層接觸關(guān)系，下部侏羅系與奧陶系灘間山群呈不整合接觸關(guān)系。

馬海尕秀背斜北翼露頭下白堊統(tǒng)犬牙溝組地層產(chǎn)狀與古近系路樂河組明顯不同，呈角度不整合接觸（圖4b）。由于魚卡凹陷后期抬升改造，古近系、新近系及中生界剝蝕嚴重，魚卡背斜白堊系、古近系及新近系剝蝕殆盡，上侏羅統(tǒng)直接出露地表，而魚卡凹陷東北部ZK36-9等煤鉆孔及野外露頭也揭示中侏羅統(tǒng)與上覆第四系呈角度不整合接觸。

2.2 構(gòu)造地質(zhì)結(jié)構(gòu)與變形特征

受控山、控凹的北西向逆沖斷裂和馬仙、陵間兩條走滑斷裂的共同影響，柴北緣東段地區(qū)中—新生代構(gòu)造變形在平面上具有南北分帶、東西分區(qū)的特征，不同地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)造變形特征差異較大（圖5），柴北緣逆沖褶皺帶整體表現(xiàn)為3排疊瓦狀逆沖推覆體，時序上表現(xiàn)為后展式，這一點也被逆沖斷裂的磷灰石裂變徑跡（FT）測年所證實[18]。

圖4 露頭中生界與新生界不整合接觸關(guān)系Fig.4 Unconformable contact between Mesozoic and Cenozoic on outcrop

圖5 構(gòu)造地質(zhì)格架及變形特征Fig.5 Structural geologic framework and deformation characteristics

本文將柴北緣逆沖褶皺帶自盆緣至盆內(nèi)劃分為：盆緣逆沖（逆掩）推覆構(gòu)造帶、盆內(nèi)逆沖疊瓦帶、前緣逆沖推覆構(gòu)造帶和盆內(nèi)反沖構(gòu)造帶。盆緣、盆內(nèi)推覆體以及各推覆體前鋒、后翼構(gòu)造變形與構(gòu)造樣式均有異同。

盆緣逆沖推覆構(gòu)造帶：盆緣山前多發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造，變形特征具有上下兩層結(jié)構(gòu)。逆沖斷裂下盤以逆沖疊瓦構(gòu)造為主，局部發(fā)育對沖和沖起構(gòu)造；上盤以擠壓褶皺變形為主，西部魚卡構(gòu)造帶發(fā)育逆沖疊瓦構(gòu)造，中部紅山構(gòu)造帶發(fā)育斷彎褶皺、斷層傳播褶皺等。

盆內(nèi)逆沖疊瓦帶：魚卡凹陷、小柴旦凹陷擠壓褶皺變形較為強烈，構(gòu)造樣式以逆沖疊瓦扇構(gòu)造為主，基底大都卷入至變形之中，局部發(fā)育對沖、背沖構(gòu)造。大柴旦、歐南凹陷受盆內(nèi)山體影響較大，與山體整體發(fā)生變形，兼具一定走滑特征，發(fā)育似花狀構(gòu)造。

前緣逆沖推覆構(gòu)造帶：受盆內(nèi)北西向賽南—綠南—埃南斷裂帶的控制，北西向逆沖斷裂帶大都具有上陡下緩、切入基底深度大的特征。斷裂帶下盤發(fā)育基底卷入式逆沖疊瓦雙重構(gòu)造，局部地層厚度加大，構(gòu)造樣式以斷層傳播褶皺、斷彎褶皺為主。

盆內(nèi)反沖構(gòu)造帶：主要發(fā)育在綠梁山和埃姆尼克山前，在地表上表現(xiàn)為大紅溝—啞巴爾—全吉背斜帶，呈北西向展布，與山體走向一致，是山前沖斷帶向盆內(nèi)深部切入、在其前緣形成反沖斷裂控制的長軸狀背斜，發(fā)育斷層傳播褶皺、斷彎褶皺等構(gòu)造樣式。

3 裂變徑跡分析與構(gòu)造演化恢復(fù)

3.1 裂變徑跡分析

裂變徑跡熱年代學是基于對礦物晶體內(nèi)所含238U發(fā)生重核裂變與其裂變半衰期函數(shù)關(guān)系的研究來完成測年的一種經(jīng)典的同位素測年手段，是揭示上地殼巖石的冷卻歷史和地殼運動地表過程的一種有效方法[19-23]。

為了明確柴北緣東段不同構(gòu)造帶的構(gòu)造活動期次，對不同層位、不同構(gòu)造位置的野外露頭及鉆孔巖心系統(tǒng)取樣，在美國俄勒岡州立大學輻射中心進行輻照，中國石油大學（北京）熱年代學實驗室完成裂變徑跡測年分析。根據(jù)磷灰石顆粒裂變徑跡年齡、圍限徑跡長度與Dpar值，選用HeFTy1.9.1軟件對6個樣品進行了熱史模擬，退火模型根據(jù)Ketcham等[20]，曲線擬合采用Monte Carlo法，隨機選取10000條，約束條件分別為鋯石FT實測數(shù)據(jù)（封閉溫度采用205±18℃）和地表溫度20℃。模擬獲得了高質(zhì)量的熱史曲線（圖6），對這6個樣品的熱史模擬參數(shù)（表1）進行檢驗，模擬結(jié)果質(zhì)量較高，可以應(yīng)用。

以A樣品為例，該樣品采自綠梁山西北緣（取樣點具體位置見圖1），巖性為元古宇灰綠色變質(zhì)巖。測得58條圍限徑跡長度的平均值為11.93μm，這些徑跡長度呈單峰正態(tài)分布，模擬徑跡長度為12.36μm（圖6a）。測得了10個磷灰石顆粒的裂變徑跡測年中值年齡為76.2±12.4Ma。A樣品的熱史曲線包括4段：①緩慢冷卻剝蝕（134—43Ma），冷卻速率為0.38℃/Ma；②快速冷卻抬升（43—26Ma），冷卻速率為2.4℃/Ma；③穩(wěn)定期（26—3Ma）；④迅速冷卻抬升（3Ma以來），冷卻速率為20℃/Ma。自晚白堊世以來，持續(xù)隆升運動，其兩次快速抬升活動分別對應(yīng)于古新世至漸新世和第四紀至今兩個時段。

同樣位于凹陷區(qū)的D樣品（紅山凹陷）和F樣品（霍布遜凹陷）都經(jīng)歷了兩次沉降與隆升，但紅山凹陷的活動強度要弱于霍布遜凹陷，且時間上有較大差別。山前帶體現(xiàn)持續(xù)隆升特征，且均存有兩次快速抬升冷卻的現(xiàn)象，不同的是位于柴北緣東段南緣山系的樣品所表現(xiàn)出的新構(gòu)造運動強烈抬升現(xiàn)象（圖6）。位于紅山的B樣品和位于歐龍布魯克山的E樣品兩次隆升的強度類似，第一次隆升歐山較晚；位于綠梁山的A樣品和位于錫鐵山的C樣品兩次隆升的強度類似，都強于位于北部的紅山和歐山?？偟膩碚f，樣品的熱史曲線與冷卻、升溫特性分段在某些時間段上并不完全一致，但類似的構(gòu)造位置總體上表現(xiàn)出相似的特性。全區(qū)兩次大的構(gòu)造隆升運動分別對應(yīng)于晚白堊世至古新世（燕山運動晚期）和漸新世至今（喜山運動期），不同構(gòu)造部位的沉降或隆升的時間、活動強度存在差異。造成這種差異性的原因一方面是由于不同構(gòu)造帶受擠壓應(yīng)力的方向、大小和作用時間是不同的，另一方面是由于不同基底巖層剛性強度的差異導(dǎo)致凸起成因機制的差異[24]。

3.2 構(gòu)造演化恢復(fù)

通過柴北緣東段區(qū)域構(gòu)造背景、構(gòu)造運動、不整合面、地層分布、沉積特征和構(gòu)造演化史的綜合分析，可將研究區(qū)構(gòu)造演化分為4個階段[25-28]（以魚卡凹陷—馬海構(gòu)造帶為例，圖7）：

圖6 磷灰石裂變徑跡熱史模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of geothermal history by apatite fission track

表1 磷灰石熱史模擬的K—S檢驗值和年齡GOF值Table 1 K—S inspection values and age GOF values of geothermal history simulation by apatite fission track

燕山早中期（中侏羅世—早白堊世）伸展弱斷陷—擠壓坳陷階段：尕西凹陷、魚卡凹陷為同一個沉積單元，具有相同的沉積相類型，發(fā)育中侏羅統(tǒng)為主的弱斷陷—坳陷沉積。馬北凸起和柴旦凸起表現(xiàn)為古隆起，控制了中侏羅統(tǒng)的沉積，中侏羅統(tǒng)不整合于元古宇之上。

燕山晚期（晚白堊世）擠壓隆升階段：在北東—南西向強烈擠壓作用下，盆緣南祁連斷裂以及盆內(nèi)控山、控凹的賽南斷裂、綠南斷裂和馬仙斷裂形成（或活化）并強烈活動，分別控制了魚卡凹陷、綠梁山低凸起、馬北凸起的形成及演化。位于賽南斷裂上盤的魚卡凹陷被整體抬升剝蝕，白堊系剝蝕強烈，僅在深凹部位殘留，盆緣山前抬升幅度比較大，其剝蝕程度也最為強烈，白堊系剝蝕殆盡。綠南斷裂控制的綠梁山低凸起形成并抬升至地表，上部中生界剝蝕殆盡。馬仙斷裂切穿尕西凹陷邊部，部分中生界被抬升剝蝕。

喜馬拉雅早期（始新世—中新世）弱擠壓坳陷階段：賽南斷裂、馬仙斷裂持續(xù)活動，表現(xiàn)為逆沖斷裂特征，雙向?qū)_的地質(zhì)結(jié)構(gòu)繼承發(fā)育，斷裂下盤的尕西凹陷沉積較厚的漸新統(tǒng)—上新統(tǒng)，上盤的魚卡凹陷、馬北凸起、綠梁山低凸起均表現(xiàn)為披覆沉積，魚卡凹陷和馬北凸起被分割開來，造成原始沉積及埋深的差異，形成雙向?qū)_地質(zhì)結(jié)構(gòu)。綠南斷裂活化并進一步強烈沖斷，綠梁山被抬升至地表。魚卡凹陷收縮變形最為強烈，內(nèi)部形成三大疊瓦狀逆沖背斜帶，核部出露侏羅系。

喜馬拉雅晚期（上新世至今）強烈逆沖階段：盆緣祁連山前受侏羅系內(nèi)部煤層等軟地層的作用，發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造，推覆體中形成一系列南西傾的疊瓦狀逆沖構(gòu)造，其中第四系被卷入變形之中，形成了現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)。

圖7 魚卡凹陷—馬海構(gòu)造帶構(gòu)造演化剖面Fig.7 Structural evolution profile of Yuka sag-Mahai tectonic belt

4 構(gòu)造演化對油氣的控制作用

4.1 構(gòu)造演化對成烴的控制作用

柴北緣東段有效生烴凹陷與構(gòu)造演化有著密切的關(guān)系，構(gòu)造演化對烴源巖的控制主要表現(xiàn)在兩個方面：一是控制了中—下侏羅統(tǒng)原始沉積與殘留地層展布；二是控制了烴源巖的演化程度，進而控制了有效的生烴中心。構(gòu)造運動期次和強度控制了中—下侏羅統(tǒng)烴源巖有機質(zhì)熱演化過程和生排烴期次。由于復(fù)雜的構(gòu)造演化，柴北緣東段各生烴洼陷的有機質(zhì)熱演化具有明顯的差異。

以尕西—魚卡凹陷為例，賽南斷裂下盤的尕西凹陷為持續(xù)沉積單元，未經(jīng)歷較大規(guī)模的抬升與剝蝕，沉積了較厚的新生界。漸新世早期進入生烴門限，門限深度在3400m左右，中新世—上新世早期時期為主要的生油高峰期；上新世后期埋深達6000m以上，進入高成熟早期階段；喜馬拉雅時期抬升，至今處于凝析油和濕氣早期階段（Ro=1.3%～1.5%）。目前，尕西凹陷侏羅系烴源巖埋深較大，一般為6000～7500m，最大可達10000m，烴源巖進入成熟—高成熟演化階段。通過油源對比，馬北油田和綠梁山元古宇基巖油苗的原油來自于尕西凹陷的成熟油氣，證實了尕西凹陷侏羅系烴源巖已經(jīng)成熟。賽南斷裂上盤的魚卡凹陷在白堊系沉積后經(jīng)歷了構(gòu)造抬升和地層剝蝕作用，上新世中后期中侏羅統(tǒng)烴源巖埋深為3400m，Ro為0.7%，烴源巖開始大量排烴，上新世末期受喜馬拉雅晚期構(gòu)造運動影響，魚卡凹陷整體抬升，侏羅系上覆地層遭到剝蝕，新近系厚度薄，降低了中侏羅統(tǒng)烴源巖的埋深和溫度，從而導(dǎo)致生油期結(jié)束。魚卡凹陷中侏羅統(tǒng)烴源巖現(xiàn)今埋深較淺，一般為1500～3000m，烴源巖處于低成熟演化階段。

4.2 構(gòu)造演化對成藏的控制作用

多期構(gòu)造運動造就了柴北緣東段數(shù)量眾多、類型多樣的圈閉。按形成時間，圈閉類型可以劃分為3類，分別為燕山晚期以來繼承性發(fā)育的古隆起，燕山晚期以來加強的圈閉和喜馬拉雅晚期形成的圈閉。構(gòu)造演化的不同階段控制了各類型圈閉的形成和演化，燕山末期、喜馬拉雅晚期是主要的圈閉形成期，喜馬拉雅早期是圈閉的繼承和加強期，喜馬拉雅晚期是圈閉的改造和定型期。由于喜馬拉雅晚期構(gòu)造運動對柴北緣東段的改造作用非常強烈，因此燕山期以來繼承性發(fā)育的古隆起和喜馬拉雅早期發(fā)育的古構(gòu)造是深層油氣運移的有利指向。馬北凸起是燕山期以來繼承性發(fā)育的古隆起，其形成及演化受馬仙斷裂控制，沿次級斷裂帶發(fā)育一系列呈北西西走向的斷鼻和斷背斜構(gòu)造，自西向東依次為南八仙、馬西、馬海、馬北、馬海東等構(gòu)造。馬海東與馬北構(gòu)造帶相鄰，油氣藏多發(fā)育于斷裂上盤，受構(gòu)造控制明顯，表現(xiàn)為構(gòu)造高點控油氣分布的特征。

斷層在油氣成藏過程中具有遮擋和通道雙重作用。在構(gòu)造強烈活動期，斷層主要起著輸導(dǎo)作用；而在構(gòu)造相對穩(wěn)定期，斷層主要起封堵作用[29-30]。馬仙和綠南兩大油源斷裂自始新世以來一直處于持續(xù)活動期，斷層開啟；尕西凹陷在始新世末進入生烴門限，中新世進入生排烴高峰期，與斷裂活動性具有良好的匹配關(guān)系，是侏羅系油氣進入上部凸起區(qū)聚集成藏的主要垂向運移通道。斷裂的封堵性控制了油氣藏的富集程度，喜馬拉雅晚期構(gòu)造運動強度對油氣藏后期保存程度的影響較大。

馬海東構(gòu)造帶緊鄰尕西生烴凹陷，其構(gòu)造為燕山期以來發(fā)育的繼承性古構(gòu)造，油源斷裂時空匹配較好，后期保存條件較好，是有利的勘探區(qū)帶。位于馬海東地區(qū)的L1井鉆遇E3g下、Pt油層，其中E3g下2-5油層38.7m/4層（有效厚度為34.2m）、差油層4.5m/2層，Pt油水同層4.8m/3層，試油E3g下4-5測試獲工業(yè)油流，其中4砂組壓后抽汲日產(chǎn)油3.65m3，5砂組射孔自噴最高日產(chǎn)氣3946m3，試油共累計產(chǎn)油33.15m3，實現(xiàn)了該區(qū)域多層系、多類型的油氣發(fā)現(xiàn)，證實了以上認識（圖8）。

圖8 馬海東構(gòu)造帶L1井區(qū)油氣成藏模式圖Fig.8 Hydrocarbon accumulation pattern in Well L1 in Mahaidong tectonic belt

5 結(jié)論

對于柴北緣東段中—新生代殘留地層的認識，與前人“廣盆沉積”的觀點不同，本文認為中—下侏羅統(tǒng)有多個沉積中心且分隔性較強。受多期次構(gòu)造運動的影響，柴北緣東段不同凹陷與不同山系的沉降、隆升活動時間與強度存在差異，南部凹陷的活動強度要大于北部凹陷，南緣山系的隆升活動相對北部山系更為強烈，喜馬拉雅晚期構(gòu)造運動對于研究區(qū)的改造作用尤為突出。

柴北緣東段構(gòu)造演化對油氣的控制作用主要體現(xiàn)在成烴、成藏兩個方面：控制了中—下侏羅統(tǒng)原始沉積、殘留地層展布以及烴源巖的演化程度，持續(xù)埋深的凹陷烴源巖進入成熟—高成熟演化階段，整體抬升的凹陷烴源巖處于低成熟演化階段；控制了圈閉的有效性以及輸導(dǎo)體系的時空匹配，圈源匹配較好且相對穩(wěn)定的古構(gòu)造是深層油氣運移的有利指向。

馬海東地區(qū)的油氣發(fā)現(xiàn)給柴北緣東段的勘探帶來啟示：一是要落實持續(xù)埋深型凹陷的生排烴潛力；二是要明確成藏要素的時空匹配。隨著基礎(chǔ)研究與勘探工作的逐步推進，相信將會有更多的油氣發(fā)現(xiàn)。