鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地的沉積大地構(gòu)造格架與演化*

師平平 肖安成** 付金華 吳磊 周義軍 王依平 覃素華 張萬福

1. 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027

2. 教育部含油氣盆地構(gòu)造研究中心，杭州 310027

3. 中國石油長慶油田分公司，西安 710018

4. 中國石油東方地球物理公司長慶分院，西安 710021

5. 東方地球物理公司研究院地質(zhì)研究中心，涿州 072751

早古生代發(fā)育于北秦嶺島弧與鄂爾多斯地塊之間的二郎坪弧后洋盆，于奧陶紀(jì)關(guān)閉并導(dǎo)致鄂爾多斯地塊和北秦嶺島弧發(fā)生碰撞 (Dongetal., 2011; Liuetal., 2016; Tangetal., 2016)。目前對于該期弧-陸碰撞事件的研究成果主要源自北秦嶺造山帶，而缺乏同期相鄰沉積盆地的地質(zhì)記錄。鄂爾多斯地塊南緣位于鄂爾多斯地塊與北秦嶺造山帶結(jié)合部位(圖1)，發(fā)育相對連續(xù)、完整的奧陶紀(jì)沉積記錄以及同期/后期構(gòu)造變形記錄，是利用沉積大地構(gòu)造學(xué)原理從盆地角度來研究北秦嶺造山帶奧陶紀(jì)弧-陸碰撞事件的理想地區(qū)(李繼亮等, 2003;李振宏, 2011)。

圖1 鄂爾多斯地塊及周緣主要構(gòu)造單元簡圖秦嶺造山帶據(jù)Dong et al., 2011；鄂爾多斯地塊及周緣構(gòu)造單元劃分及主要斷層依據(jù)Shi et al., 2020Fig.1 Sketch map of the main tectonic units of the Ordos Block and its peripheryQinling orogenic belt according to Dong et al., 2011; Ordos massif and peripheral tectonic unit delineation and major faults according to Shi et al., 2020

前人對鄂爾多斯地塊南緣奧陶系的研究，在區(qū)域上多集中在露頭區(qū)的散點上；層位上多集中于主要含油氣層段馬家溝組或平?jīng)鼋M；研究領(lǐng)域上多集中在巖相古地理、層序劃分對比、油氣成藏等方面(李文厚等, 2020; 杜金虎等, 2019; 邵東波等, 2019; 劉溪等, 2017; 王振濤等, 2015; 冉新權(quán)等, 2012; 鄧?yán)サ? 2011)。而始終缺少對奧陶系整體地質(zhì)結(jié)構(gòu)的剖析，這也致使鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地性質(zhì)存在較大爭議。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為鄂爾多斯地塊南緣在早-中奧陶世發(fā)育被動大陸邊緣盆地，晚奧陶世開始強烈伸展形成弧后盆地(袁衛(wèi)國和趙一鳴, 1996; 郭彥如等, 2012; 錢鋒和艾永峰, 2002; 王振濤等, 2015)；部分學(xué)者認(rèn)為鄂爾多斯地塊南緣在早-中奧陶世為被動大陸邊緣盆地，晚奧陶世過渡為弧后前陸盆地(解國愛等, 2003; 何登發(fā)等, 2020; 史毅等, 2020)；也有少量學(xué)者認(rèn)為鄂爾多斯地塊南緣在中奧陶世便已經(jīng)進入了弧后前陸盆地演化階段(黃建松等, 2005;袁蘇杭等, 2014)。

基于此，本文以大地構(gòu)造和盆地沉積格架分析為指導(dǎo)，通過對區(qū)域地球物理、野外剖面觀測等資料的綜合分析，首先厘清了鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地沉積充填特征，并據(jù)此進一步探討了盆地性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征及演化歷史。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯地塊是華北克拉通西南部具有太古-古元古代結(jié)晶基底的古老地塊(Wangetal., 2021; 張成立等, 2021)，其南緣、北緣分別與北秦嶺造山帶、陰山造山帶相鄰，東到呂梁山，西起賀蘭山、六盤山(圖1)。本文研究區(qū)主要包括北秦嶺造山帶和鄂爾多斯地塊南緣兩部分(圖1)，各自地質(zhì)特征簡述如下。

1.1 北秦嶺造山帶地質(zhì)概況

北秦嶺造山帶是位于洛南-欒川斷裂以南、商丹縫合帶以北的狹長構(gòu)造帶，自北向南主要由寬坪群、二郎坪群、秦嶺群和丹鳳群四個巖石地層單元組成(Dongetal., 2011, 2015)。詳細(xì)的地質(zhì)填圖和地質(zhì)年代調(diào)查結(jié)果(Dong and Santosh, 2016; Tangetal., 2016; 張國偉等, 2019)表明，寬坪群是位于華北克拉通南緣的新元古代縫合帶，秦嶺群被認(rèn)為是北秦嶺前寒武紀(jì)結(jié)晶基底，而二郎坪群和丹鳳群是成因上有聯(lián)系的兩個早古生代洋盆(二郎坪弧后洋盆、商丹洋盆)相繼閉合形成的火山沉積組合。

早古生代二郎坪弧后洋盆的演化歷史一直存有爭議(Dongetal., 2011；Liuetal., 2016)，目前的主流觀點認(rèn)為：534～515Ma期間，由于先存商丹洋的持續(xù)向北俯沖，在北秦嶺島弧與華北克拉通之間由于弧后擴張作用形成了二郎坪弧后洋盆；515～484Ma期間，該洋盆停止擴張并進入向南俯沖收縮階段；484～440Ma期間(即奧陶紀(jì))，二郎坪弧后洋盆閉合，導(dǎo)致北秦嶺島弧與華北克拉通發(fā)生碰撞，形成了北秦嶺造山帶中近東西向展布的二郎坪群或二郎坪縫合帶(圖1)(Dongetal., 2011; Tangetal., 2016)。

1.2 鄂爾多斯地塊南緣地質(zhì)概況

鄂爾多斯地塊南緣由渭河地塹、渭北隆起和陜北斜坡南部三部分組成，向南與北秦嶺造山帶相鄰(圖1)。它在太古-古元古代結(jié)晶基底形成后，發(fā)育了較為完整的中-新元古代及顯生宙沉積蓋層，僅缺失志留系-下石炭統(tǒng)以及上白堊統(tǒng)，經(jīng)歷了呂梁期、加里東期、海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期六大構(gòu)造演化階段(趙振宇等, 2015; 包洪平等, 2020)，形成現(xiàn)今不同于地塊內(nèi)部的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造面貌。

雖然奧陶系在渭河地塹、渭北隆起和陜北斜坡均有分布，但是由于渭河地塹中的奧陶系被巨厚的中-新生代地層所覆蓋，至今尚未找到合適的方法對其展開研究(劉林和芮會超, 2018)。因此，鄂爾多斯地塊南緣奧陶系的研究均集中在渭北隆起和陜北斜坡南部區(qū)域，其中奧陶系僅在渭北隆起南部的岐山、禮泉、富平等地斷續(xù)出露地表。由于露頭區(qū)地層系統(tǒng)的復(fù)雜性，奧陶紀(jì)地層劃分與對比亦曾復(fù)雜多樣，近年來雖仍有不同的認(rèn)識(趙振宇等, 2015; 杜金虎等, 2019;包洪平等, 2020)，但整體上已趨于一致(圖2)。為敘述和對比方便，結(jié)合目前使用習(xí)慣及頻次，采用冶里組、亮甲山組、馬家溝組、平?jīng)鼋M和背鍋山組來分別代表鄂爾多斯地塊南緣不同時期的奧陶紀(jì)地層，其中馬家溝組又可細(xì)分為馬一-馬三段、馬四-馬五段和馬六段三部分(圖2)。

圖2 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)地層劃分與對比Fig.2 Divisions and correlation of the Ordovician stratigraphy in the southern margin of the Ordos Block

前人已對鄂爾多斯地塊及相鄰區(qū)域奧陶系進行了地層厚度統(tǒng)計工作(王玉新, 1994; 邵東波等, 2019)，本文通過對多個典型露頭剖面和鉆井資料的分析，修訂或補充了地塊西緣、南緣奧陶系厚度資料，并據(jù)此修編了鄂爾多斯地塊奧陶系殘余厚度圖(圖3)。由圖3可知，鄂爾多斯地塊南緣奧陶系主要分布于南緣坳陷、南緣古隆起和陜北坳陷三個近東西向展布的沉積構(gòu)造單元中，呈現(xiàn)出“一隆兩坳”的古構(gòu)造格局。南緣古隆起奧陶系殘余厚度多在300m以內(nèi)，向古隆起高部位明顯減薄或尖滅；陜北坳陷中奧陶系殘余厚度線呈等軸狀坳陷形態(tài)，具有陸內(nèi)坳陷盆地的典型特征，沉積厚度最厚可達(dá)900m左右；南緣坳陷中奧陶系殘余厚度自南緣古隆起向南急劇增大，岐山地區(qū)奧陶系厚度可達(dá)2600m左右。

圖3 鄂爾多斯地塊奧陶系殘余厚度圖及古構(gòu)造分區(qū)編圖數(shù)據(jù)來源：陜北坳陷據(jù)邵東波等(2019)；古隆起和周緣坳陷帶據(jù)長慶油田公司和東方地球物理公司長慶分院內(nèi)部資料，以及典型剖面野外實測Fig.3 Sketch map for residual thickness and paleotectonic division of the Ordovician in the Ordos BlockSource of compiled data: Shaanbei depression from Shao et al. (2019); paleolonian and peripheral depressional zone from Changqing Oil Field Branch and Changqing Branch of Eastern Geophysical Corporation internal information, and field measurements of typical profiles

2 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地剖面展布特征

利用二維地震剖面層拉平技術(shù)，可以恢復(fù)沉積盆地在關(guān)鍵沉積構(gòu)造期的剖面展布特征。本文選取鄂爾多斯地塊南緣的AA’二維地震剖面(剖面位置見圖3)進行解釋，利用麟探1井、慶深1井的測井?dāng)?shù)據(jù)對該地震剖面進行了層位標(biāo)定，并將該地震剖面中由奧陶系頂部不整合面形成的強反射界面進行了層拉平處理，來粗略恢復(fù)石炭系沉積前鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地在剖面上的展布特征。

AA’地震剖面解釋結(jié)果(圖4)表明，奧陶系與上覆石炭-二疊系呈明顯的削截接觸關(guān)系，鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地自南向北可大致分為褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)、楔狀沉積充填區(qū)、隆升剝蝕區(qū)和盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)四個部分。其中，褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)和楔狀沉積充填區(qū)隸屬于南緣坳陷，隆升剝蝕區(qū)和盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)可分別對應(yīng)南緣古隆起和陜北坳陷。在褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)，受F1、F2和F3三條南傾逆沖斷層的影響，奧陶系發(fā)生褶皺變形和疊加重復(fù)，且自南向北奧陶系厚度逐漸減薄、構(gòu)造變形強度逐漸減弱，具有褶皺沖斷帶的典型特征；將奧陶系卷入變形的褶皺沖斷事件發(fā)生時間介于晚奧陶世背鍋山期與石炭紀(jì)晚期之間。在楔狀沉積充填區(qū)，奧陶系由南向北快速減薄呈不對稱的楔形，內(nèi)部地層較為平緩且構(gòu)造變形微弱。至隆升剝蝕區(qū)，石炭-二疊系穿時覆蓋于寒武系之上，南北兩側(cè)的奧陶系向著隆升剝蝕區(qū)方向上超覆特征明顯，指示該區(qū)域在奧陶紀(jì)為一持續(xù)抬升的隆起帶。在盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)，奧陶系厚度向北逐漸增厚，但整體厚度較薄且變形微弱。

圖4 鄂爾多斯地塊南緣AA’地震剖面解釋圖(剖面位置見圖3)Fig.4 Interpretation of AA’ seismic profile in the southern margin of the Ordos Block (see Fig.3 for the position of the profile)

3 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地沉積充填特征

基于鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)具有“一隆兩坳”的構(gòu)造格局，我們分別對南緣坳陷、南緣古隆起和陜北坳陷中的典型奧陶系露頭或鉆井沉積剖面進行了沉積序列分析，并建立了鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地西部、東部兩條沉積充填結(jié)構(gòu)圖(剖面位置見圖3)，來揭示鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地整體沉積充填特征。

3.1 盆地西部沉積充填特征

鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地西部沉積充填結(jié)構(gòu)圖自南向北包括岐山苜蓿河、麟探1井、慶深1井和陜15井四條沉積剖面(圖5)。由圖5可知，鄂爾多斯地塊南緣西部奧陶系是一個頂、底均被區(qū)域不整合面所限定的構(gòu)造層序，雖然在南緣坳陷、南緣古隆起和陜北坳陷三個沉積構(gòu)造單元中具有不同的沉積充填特征，但整體表現(xiàn)為南厚北薄的楔狀沉積體。具體的沉積充填特征簡述如下：

圖5 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地西部沉積充填結(jié)構(gòu)圖(剖面位置見圖3)Fig.5 Structure of sedimentary filling in the western part of the Ordovician basin in the southern margin of the Ordos Block (see Fig.3 for the location of the section)

三山子組 與上覆奧陶系為不整合接觸關(guān)系，在岐山苜蓿河、麟探1井和陜15井中沉積厚度相當(dāng)，是以灰色白云巖、泥質(zhì)白云巖為主的局限臺地相沉積；在慶深1井所在區(qū)域由于后期抬升剝蝕而缺失(馬明, 2020)。

冶里-亮甲山組 僅在南緣坳陷可見，發(fā)育以土黃色-灰色的白云巖、泥質(zhì)白云巖以及膏質(zhì)白云巖為主的局限臺地相沉積(圖6a)，地層厚度自南向北逐漸減薄，岐山苜蓿河厚約290m，向北至麟探1井減薄至110m。

圖6 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)沉積特征及加里東期構(gòu)造變形特征(a)岐山苜蓿河，亮甲山組土黃色泥質(zhì)白云巖；(b)岐山苜蓿河，馬家溝組四段深灰色砂質(zhì)灰?guī)r；(c)岐山苜蓿河，平?jīng)鼋M下部灰黑色泥巖與灰綠色泥質(zhì)粉砂巖互層； (d)岐山苜蓿河，平?jīng)鼋M上部灰黑色鈣質(zhì)泥頁巖；(e)岐山苜蓿河，背鍋山組灰黑色含礫粉砂巖；(f)禮泉唐王陵，背鍋山組土黃色雜礫巖；(g)岐山紅崖溝，寒武系頂部晚加里東期褶皺沖斷變形Fig.6 Ordovician sedimentary features and Caledonian deformation features in the southern margin of the Ordos Block(a) Qishan, earthy yellow muddy dolomite of the Liangjiashan Fm.; (b) Qishan, dark gray sandy tuff of the fourth member of the Majiagou Fm.; (c) Qishan, gray-black mudstone interbedded with gray-green muddy siltstone of the lower part of the Pingliang Fm.; (d) Qishan, gray-black calcareous mud shale of the upper part of the Pingliang Fm.; (e) Qishan, gray-black conglomeratic siltstone of the Beiguoshan Fm.; (f) Liquan, earthy yellow mixed conglomerate of the Beiguoshan Fm.; (g) Qishan, Late Caledonian fold-thrust deformation in the top of the Cambrian

馬一-馬三段 相比于冶里-亮甲山組沉積范圍有所擴大，僅在南緣古隆起上的慶深1井缺失。在岐山苜蓿河剖面地層厚約320m，發(fā)育以灰色中厚層灰?guī)r夾少量礫屑灰?guī)r為主的開闊臺地相沉積；向北至麟探1井減薄至260m左右，以局限臺地相的灰色泥質(zhì)白云巖或白云巖為主；在陜北坳陷中的陜15井，馬一-三段地層厚約240m，發(fā)育以蒸發(fā)臺地相為主的灰白色白云巖夾膏鹽巖沉積。

馬四-馬五段 沉積范圍相比于馬一-馬三段進一步擴大，在四個剖面中皆有分布。岐山苜蓿河剖面發(fā)育以深灰色砂質(zhì)灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r為主的臺地邊緣相沉積(圖6b)，地層厚度約390m；向北至麟探1井，發(fā)育以深灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主夾少量礫屑灰?guī)r的開闊臺地相沉積，地層厚度減薄至330m；慶深1井和陜15井均發(fā)育以深灰色白云巖和膏鹽巖為主的蒸發(fā)臺地相沉積，但地層厚度自慶深1井的100m向陜15井增厚至380m。

馬六段 沉積范圍相比于馬四-馬五段縮小，僅在南緣坳陷中發(fā)育，但是地層厚度卻大幅增加，在岐山苜蓿河剖面馬六段地層厚度可達(dá)640m，向北至麟探1井減薄至240m。在岐山苜蓿河剖面發(fā)育以深灰色紋層狀灰?guī)r為主的深水斜坡相沉積，在麟探1井發(fā)育以褐灰色灰?guī)r及白云巖為主的臺地邊緣相沉積。

平?jīng)鼋M 沉積范圍雖然也僅限于南緣坳陷，但地層厚度以及水體深度較馬六期均有所提升，在麟探1井地層厚約550m、發(fā)育以灰黑色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主的深水斜坡相沉積，往南至岐山苜蓿河剖面，地層增厚至700m左右，且發(fā)育以灰綠色粉砂巖、灰黑色泥巖以及少量碳酸鹽巖及凝灰?guī)r的深水盆地相沉積(圖6c, d)。

背鍋山組 沉積范圍依舊僅限于南緣坳陷，地層沉積時的水體深度較平?jīng)銎诿黠@變淺。在南部岐山苜蓿河剖面發(fā)育以厚層角礫狀白云巖和含礫粉砂巖為主的深水斜坡相沉積(圖6e)，地層厚度為220m；向北至麟探1井減薄至150m左右，過渡為以深灰色或灰褐色泥質(zhì)灰?guī)r為主的臺地邊緣相沉積。

3.2 盆地東部沉積充填特征

鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地東部沉積充填結(jié)構(gòu)圖自南向北包括禮泉唐王陵、耀參1井、黃深1井和陜139井四條沉積剖面(圖7)。由圖可知，由于禮泉唐王陵剖面僅出露平?jīng)鼋M和背鍋山組，使得東部奧陶系沉積充填結(jié)構(gòu)不夠完整，但是不難發(fā)現(xiàn)：東部奧陶系也是一個頂、底均被區(qū)域不整合面所限定的構(gòu)造層序，并且在南緣坳陷、南緣古隆起和陜北坳陷三個沉積構(gòu)造單元中亦具有不同的沉積充填特征。具體的沉積充填特征簡述如下：

圖7 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地東部沉積充填結(jié)構(gòu)圖(剖面位置見圖3)Fig.7 Structure of sedimentary filling in the eastern part of the Ordovician basin in the southern margin of the Ordos Block (see Fig.3 for the location of the section)

三山子組 在耀參1井、黃深1井和陜139井中均發(fā)育以灰色白云巖為主的局限臺地相沉積，且地層厚度相當(dāng)。

冶里-亮甲山組：在耀參1井和黃深1井中可見，且均發(fā)育以灰色白云巖或泥質(zhì)灰?guī)r為主的局限臺地相沉積，地層厚度由耀參1井的40m向黃深1井減薄至30m。

馬一-馬三段 相比于冶里-亮甲山組沉積范圍擴大，地層厚度向著黃深1井所在的南緣古隆起方向減薄尖滅。在南緣坳陷的耀參1井中發(fā)育以灰色白云巖夾少量膏巖層為主的局限臺地相沉積，而在陜北坳陷的陜139井中發(fā)育以深灰色泥質(zhì)灰?guī)r與淺灰色膏鹽巖互層為主的蒸發(fā)臺地相沉積。

馬四-馬五段 基本繼承了馬一-馬三段的沉積環(huán)境及沉積厚度，但是沉積范圍擴展到了黃深1井所在區(qū)域。位于南部的耀參1井，沉積厚度為150m，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r夾少量白云巖及膏巖，為局限臺地沉積環(huán)境；往北至黃深1井，雖然地層厚度減薄至65m，但依舊發(fā)育以灰色白云巖為主的局限臺地相沉積；再往北至陜139井，地層厚度增厚至305m，發(fā)育灰色白云巖與膏鹽巖間互的蒸發(fā)臺地相沉積。

馬六段 相比于馬四-馬五段沉積范圍大幅縮減，僅在南緣坳陷的耀參1井剖面可見，地層厚度約240m，巖性主要為白云巖及泥質(zhì)灰?guī)r，可能為開闊臺地沉積環(huán)境。

平?jīng)鼋M 僅在南緣坳陷中發(fā)育，在唐王陵剖面出露的平?jīng)鼋M地層厚約300m(未見底)，巖性以灰綠色、灰黑色泥頁巖和灰黑色硅質(zhì)白云巖為主，為深水盆地沉積環(huán)境；向北至耀參1井，發(fā)育以灰黑色灰?guī)r夾頁巖為主的深水斜坡相沉積，地層厚度減薄至170m左右。

背鍋山組 僅在禮泉唐王陵剖面可見，厚約640m，自下而上分為兩部分：下部主要為灰綠色、土黃色含巨礫粉砂巖，礫石直徑為數(shù)米至近百米，磨圓差，為近源深水斜坡沉積環(huán)境；上部為土黃色塊狀雜礫巖(圖6f)，礫石分選差，磨圓中等-差，為陸相沖積扇沉積環(huán)境。

綜上，鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地沉積充填整體表現(xiàn)為南厚北薄、頂?shù)拙粎^(qū)域性不整合面所限定的楔狀沉積體；由北向南可以劃分出局限沉積環(huán)境的坳陷帶(陜北坳陷)、持續(xù)抬升的隆起帶(南緣古隆起)和局限淺水-海相深水-陸相沖積扇環(huán)境的盆地帶(南緣坳陷)；經(jīng)歷了冶里-亮甲山期、馬一-馬五期、馬六-平?jīng)銎谝约氨冲伾狡谒膫€階段的沉積充填過程：

(1)冶里-亮甲山期，主要在南緣坳陷中發(fā)育以土黃色泥質(zhì)白云巖、白云巖為主的局限臺地相沉積，地層厚度自南向北減薄，但整體較薄，反映較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。

(2)馬一-馬五期，南緣坳陷、南緣古隆起和陜北坳陷中皆有沉積，但沉積充填特征差異顯著。在南緣坳陷，以灰色、深灰色的灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r、角礫狀白云巖等為主，地層厚度變化較大但規(guī)律明顯，即自南向北逐漸減薄，相帶變化由南至北為開闊臺地-臺地邊緣→局限臺地-開闊臺地；在南緣古隆起，僅發(fā)育以深灰色白云巖、膏巖為主的馬四-馬五段地層，厚度較薄，一般小于100m；在陜北坳陷中發(fā)育以深灰色膏鹽巖、白云巖為主的局限臺地相沉積，地層厚度向南緣古隆起方向逐漸減薄。

(3)馬六-平?jīng)銎冢瑑H在南緣坳陷中接受沉積，以暗色的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂巖等為主，地層厚度整體較大，且自南向北逐漸減薄，相帶變化由南至北為深水斜坡-深水盆地→開闊臺地-深水斜坡，從平?jīng)銎陂_始南部沉積物中陸源碎屑不斷增多。

(4)背鍋山期，也僅在南緣坳陷中接受沉積，以暗色含礫粉砂巖及土黃色雜礫巖為主，地層較厚，自南向北逐漸減薄，相帶變化由南至北為深水斜坡-陸相沖擊扇→臺地邊緣，該時期南部沉積物中陸源粗碎屑物質(zhì)快速增多。

4 討論

4.1 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地屬性

依據(jù)沉積充填特征，鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地由南向北可以劃分出局限淺水-海相深水-陸相沖積扇環(huán)境的南緣坳陷帶、持續(xù)抬升的南緣古隆起帶和局限沉積環(huán)境的陜北坳陷帶三部分，整體呈現(xiàn)出南厚北薄的不對稱楔形(圖3、圖5、圖7)；而依據(jù)鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地在地震剖面上的展布特征，自南向北又可將其劃分為褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)、楔狀沉積充填區(qū)、隆升剝蝕區(qū)和盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)四部分(圖4)。其中褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)和楔狀沉積充填區(qū)隸屬于南緣坳陷，隆升剝蝕區(qū)和盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)分別與南緣古隆起和陜北坳陷相對應(yīng)(圖4)。

通過將鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地上述特征分別與前陸盆地、弧后盆地、被動大陸邊緣盆地典型地質(zhì)結(jié)構(gòu)的對比，不難發(fā)現(xiàn)：鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地在剖面上由褶皺沖斷卷入?yún)^(qū)、楔狀沉積充填區(qū)、隆升剝蝕區(qū)和盆內(nèi)坳陷殘余分布區(qū)四部分組成的殘余結(jié)構(gòu)特征，與前陸盆地系統(tǒng)由褶皺沖斷帶、前淵、前緣隆起和隆后坳陷組成的四元結(jié)構(gòu)具有很好的對應(yīng)關(guān)系；南緣坳陷中由局限淺水-海相深水-陸相沖積扇環(huán)境構(gòu)成的奧陶系垂向沉積序列，與Busby and Azor (2011)所總結(jié)的前陸盆地典型沉積序列可比。

此外，由早古生代北秦嶺造山帶-鄂爾多斯地塊關(guān)系研究成果可知(Dong and Santosh, 2016; Tangetal., 2016)，534～515Ma期間發(fā)育于鄂爾多斯地塊與北秦嶺島弧之間的二郎坪弧后洋盆，于515～484Ma期間開始向南俯沖，隨后在484～440Ma期間閉合，導(dǎo)致北秦嶺島弧與鄂爾多斯地塊南緣發(fā)生碰撞。這就說明奧陶紀(jì)鄂爾多斯地塊南緣處于二郎坪弧后洋盆閉合相關(guān)的前陸區(qū)域，具有撓曲盆地發(fā)育的地球動力學(xué)條件。

因此，無論是鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地的剖面展布特征、沉積充填特征，還是所處的區(qū)域大地構(gòu)造環(huán)境，都表明鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地可能是形成于弧-陸碰撞階段的前陸盆地，再結(jié)合不同類型前陸盆地發(fā)育機制及所處大地構(gòu)造位置(Allen and Allen, 2005; 楊永泰, 2011)，進一步將其限定為周緣前陸盆地。

4.2 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地發(fā)育時限

鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地于晚奧陶世背鍋山組沉積后期閉合在研究者中已基本達(dá)成共識(陳小煒等, 2014; 黃建松等, 2019)，但是由于研究對象或角度的不同，對于該前陸盆地啟動時間還存在平?jīng)銎诤婉R家溝期的爭議：持平?jīng)銎谟^點的學(xué)者，主要依據(jù)南緣坳陷中平?jīng)?背鍋山組在垂向上發(fā)育水體由深變淺、沉積物粒度向上變粗的前陸盆地典型沉積序列(解國愛等, 2003; 史毅等, 2020)；持馬家溝期觀點的學(xué)者認(rèn)為南緣古隆起實則是前陸盆地的前緣隆起帶，而南緣古隆起主體發(fā)育時間在馬家溝期(黃建松等, 2005; 袁蘇杭等, 2014)。

因為前陸盆地具有側(cè)向遷移的動態(tài)演化過程，同一時期不同沉積相帶和同一位置在不同時期均具有相異的沉積和構(gòu)造特征，所以通過特定位置發(fā)育的前陸盆地典型特征所識別出的前陸盆地啟動時間，可能只是整個前陸盆地發(fā)育時限中的某一時段(DeCelles and Giles, 1996; 閆臻等, 2018)。Ettensohn (2005)和Ettensohn and Lierman (2015)通過對阿巴拉契亞前陸盆地以及其他前陸盆地的研究之后發(fā)現(xiàn)在與俯沖相關(guān)的前陸盆地中，發(fā)育的前陸盆地層序總是被區(qū)域不整合所限定。因此，通過前陸盆地層序底部不整合面之上發(fā)育的初始沉積地層，可以較好的限定前陸盆地、尤其是殘余前陸盆地的啟動時間。

鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)周緣前陸盆地實際上是一殘余前陸盆地，我們所研究的奧陶系只是該前陸盆地遠(yuǎn)離造山帶的地質(zhì)記錄。由于鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地沉積層序被頂、底兩個區(qū)域不整合面所限定，冶里組是其底部不整合面之上發(fā)育的初始層位(圖2)，因此推測鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地的啟動時間為早奧陶世冶里期。

此外，奧陶系底部不整合面之下的晚寒武世三山子組，在研究區(qū)內(nèi)分布較為穩(wěn)定且地層厚度相當(dāng)，而不整合面之上的奧陶紀(jì)各時期地層均向著南緣古隆起方向不斷減薄/尖滅(圖5、圖7)，表明南緣古隆起最早于冶里期便開始形成，而南緣古隆起實則是南緣奧陶紀(jì)前陸盆地系統(tǒng)前緣隆起部位(袁蘇杭等, 2014)，這也從側(cè)面說明了鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地可能從早奧陶世冶里期便開始發(fā)育。

基于以上論述，結(jié)合484～440Ma期間二郎坪弧后洋盆向南俯沖關(guān)閉的區(qū)域構(gòu)造背景，本文認(rèn)為鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地啟動時間應(yīng)為早奧陶世冶里期。另外考慮到禮泉唐王陵剖面背鍋山組頂部雜礫巖為陸相沖積扇沉積(圖6f)，說明此時盆地基本被填滿，目前確定晚奧陶世背鍋山組沉積后期該前陸盆地主體活動終結(jié)。

4.3 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地完整結(jié)構(gòu)

由于受到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造特征、技術(shù)手段以及人為因素等條件的共同限制，鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地完整結(jié)構(gòu)的研究目前還處于空白。本次研究中，AA’地震剖面所揭示的鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地結(jié)構(gòu)也僅是殘余結(jié)構(gòu)，并不是其完整結(jié)構(gòu)。通過對鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地沉積充填、所處大地構(gòu)造背景以及后期構(gòu)造改造特征的綜合分析，認(rèn)為鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地自北向南可以劃分為隆后坳陷、前緣隆起、前淵和褶皺沖斷帶四個沉積構(gòu)造單元，具有經(jīng)典前陸盆地系統(tǒng)的“四元結(jié)構(gòu)”(DeCelles and Giles, 1996)。

隆后坳陷——陜北坳陷。陜北坳陷位于鄂爾多斯地塊內(nèi)部，被南緣古隆起和西緣古隆起所圍陷，奧陶系等厚線圍繞子長-綏德沉積中心呈等軸狀坳陷形態(tài)(圖3)，并且發(fā)育以膏鹽巖及白云巖為主的蒸發(fā)臺地相沉積; Galamayetal.(2019)對榆9井和鎮(zhèn)鉀1井馬家溝組不同層位膏鹽巖中流體包裹體的地化測試結(jié)果表明，馬家溝期陜北坳陷沉積中心的水體深度約為40m。以上特征共同揭示出陜北坳陷為一局限沉積環(huán)境的陸內(nèi)坳陷帶，具有前陸盆地隆后坳陷帶的典型特征。

前緣隆起——南緣古隆起。南緣古隆起在奧陶紀(jì)為一持續(xù)抬升的隆起帶，奧陶紀(jì)各時期地層均向著南緣古隆起方向不斷減薄/尖滅，且不整合發(fā)育，與經(jīng)典前陸盆地的前緣隆起帶特征相近。袁蘇杭等(2014)通過對南緣古隆起西北部馬五段沉積特征的分析，得出了南緣古隆起在馬五期具有向南遷移的規(guī)律，為南緣古隆起是前緣隆起帶提供了有力的依據(jù)。

前淵——南緣坳陷(岐山-唐王陵以北)。南緣坳陷中岐山-唐王陵以北(包括岐山、唐王陵)的奧陶系具有向南緣古隆起方向快速減薄/尖滅的不對稱楔狀形態(tài)，并且發(fā)育局限淺水-海相深水-陸相沖積扇環(huán)境的垂向沉積序列，與前陸盆地前淵帶沉積充填特征相似。此外，雖然平?jīng)?背鍋山組在岐山苜蓿河、禮泉唐王陵剖面均為向上變粗的陸緣碎屑巖沉積，但唐王陵剖面背鍋山組中發(fā)育的礫石粒徑要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于岐山苜蓿河剖面中發(fā)育的礫石，且礫石多呈棱角-次棱角狀，表明禮泉唐王陵在背鍋山期可能處于前淵帶緊鄰褶皺沖斷帶部位，而岐山距離褶皺沖斷帶相對較遠(yuǎn)。

褶皺沖斷帶——南緣坳陷(岐山-唐王陵以南)。前人通過詳細(xì)的野外和地震剖面解釋工作(周鼎武和翦萬籌, 1989; 周正, 2009)，在富平-彬縣-隴縣以南的下古生界中，發(fā)現(xiàn)一系列近東西走向且斷面南傾的加里東期逆沖斷層和斷層相關(guān)褶皺，并且構(gòu)造變形強度自南向北逐漸減弱，顯示出前陸褶皺沖斷帶的典型特征。本文在AA’地震剖面解釋圖(圖4)以及野外露頭構(gòu)造剖面中(圖6g)，也發(fā)現(xiàn)了相似的構(gòu)造變形特征，并且依據(jù)卷入構(gòu)造變形的奧陶系與上覆石炭-二疊系為不整合接觸關(guān)系(圖4)，可以判定該期褶皺沖斷活動發(fā)生時間介于晚奧陶世背鍋山期和晚石炭世之間?；谏鲜鰳?gòu)造變形特征，再結(jié)合前陸盆地系統(tǒng)具有側(cè)向遷移的動態(tài)演化過程，本文認(rèn)為在鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地發(fā)育期間，褶皺沖斷帶可能尚未擴展至岐山-唐王陵以北區(qū)域，而僅限于岐山-唐王陵以南區(qū)域。

此外，有研究者認(rèn)為鄂爾多斯地塊西緣在奧陶紀(jì)發(fā)育前陸盆地 (張進等, 2012; 王振濤等, 2016)，結(jié)合鄂爾多斯地塊西緣在奧陶紀(jì)發(fā)育與南緣相似的“一隆兩坳”構(gòu)造格局(圖3)，可能西緣前陸盆地結(jié)構(gòu)的分布盡管不同，但與南緣具有時間上的可比性。

基于上述條例，本文以鄂爾多斯地塊奧陶系殘余厚度圖為基礎(chǔ)，結(jié)合奧陶紀(jì)前陸盆地地質(zhì)結(jié)構(gòu)、所處大地構(gòu)造背景以及后期構(gòu)造改造特征的綜合分析，編制了鄂爾多斯地塊奧陶紀(jì)前陸盆地系統(tǒng)平面展布圖(圖8)。由圖8可知，鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地自北向南發(fā)育隆后坳陷、前緣隆起、前淵和褶皺沖斷帶四個沉積構(gòu)造單元。其中隆后坳陷帶大致位于延安-榆林-綏德一帶，呈不規(guī)則的橢圓形；前淵隆起帶近東西向展布于慶陽-運城一帶；前淵帶主要分布于岐山-富平一帶；褶皺沖斷帶位于包括渭河地塹在內(nèi)的西安-寶雞一帶。

圖8 鄂爾多斯地塊奧陶紀(jì)前陸盆地系統(tǒng)平面展布圖Fig.8 Planar spread of the Ordovician foreland basin system in the Ordos Block

4.4 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地演化歷史

綜合鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地沉積充填特征、盆地屬性、發(fā)育時限和完整結(jié)構(gòu)的研究，本文初步建立了鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地沉積模式圖(圖9)，并結(jié)合前人北秦嶺造山帶奧陶紀(jì)區(qū)域構(gòu)造演化歷史，將鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地沉積構(gòu)造環(huán)境演化歷史大致分為以下四個階段(圖10)：

圖9 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地沉積模式圖(剖面位置見圖8)Fig.9 Sedimentation pattern of the Ordovician foreland basin in the southern margin of the Ordos Block (see Fig.8 for the location of the section)

圖10 鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地演化歷史簡圖(a、b、c、d)分別對應(yīng)圖9中層序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ發(fā)育階段Fig.10 Sketch of the evolutionary history of the Ordovician foreland basin in the southern margin of the Ordos Block(a, b, c, d) correspond to the developmental stages of sequence I, II, III, and IV in Fig.9, respectively

(1)冶里-亮甲山期 前陸盆地初始撓曲階段(圖10a)

在商丹洋盆向北俯沖形成的區(qū)域擠壓構(gòu)造背景下，二郎坪弧后洋盆沿俯沖帶向南收縮閉合，北秦嶺島弧與鄂爾多斯地塊發(fā)生碰撞，北秦嶺褶皺沖斷帶形成并逐漸擴展至鄂爾多斯地塊南緣之上，使得鄂爾多斯地塊南緣發(fā)生初始撓曲，前陸盆地開始發(fā)育。此時盆地南部整體為局限臺地沉積環(huán)境，而盆地北部可能為抬升剝蝕區(qū)。

(2)馬一-馬五期 前陸盆地結(jié)構(gòu)成型階段(圖10b)

在商丹洋盆持續(xù)向北俯沖的影響下，北秦嶺島弧與鄂爾多斯地塊持續(xù)聚斂，北秦嶺前陸褶皺沖斷帶不斷向北擴展，使得鄂爾多斯地塊南緣之上的構(gòu)造負(fù)載逐漸增加，從而導(dǎo)致鄂爾多斯地塊南緣整體發(fā)生區(qū)域均衡沉降，形成“一隆兩坳”的構(gòu)造格局，該構(gòu)造格局與南部北秦嶺褶皺沖斷帶共同構(gòu)成鄂爾多斯南緣前陸盆地系統(tǒng)完整的四元結(jié)構(gòu)。該時期，盆地北部的隆后坳陷帶為局限淺水沉積環(huán)境，主要發(fā)育膏鹽巖沉積；前緣隆起帶為抬升剝蝕區(qū)或水下古隆起；前淵帶北部為水體不斷加深的碳酸鹽臺地沉積環(huán)境，褶皺沖斷帶以及前淵帶南部沉積及構(gòu)造記錄可能被深埋于渭河地塹之下，現(xiàn)今無法觀察到。

(3)馬六-平?jīng)銎?前陸盆地快速沉降階段(圖10c)

可能由于商丹洋盆向北俯沖加劇，北秦嶺褶皺沖斷帶向北擴展的速度亦加大，使得鄂爾多斯地塊南緣的沉降速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其沉積速率，鄂爾多斯地塊南緣前陸盆地過渡為半深水-深水海相沉積為特征的饑餓盆地。該時期，前淵帶發(fā)生了明顯的沉積分異，靠近北秦嶺造山帶的前淵帶南部發(fā)育以深水泥巖和粉砂巖為主的陸緣碎屑巖沉積，而前淵帶北部則以較深水的碳酸鹽巖沉積為主，表明北秦嶺造山帶開始向前淵帶提供陸緣碎屑(圖9)。由于晚加里東運動強烈的抬升剝蝕，該時期前陸盆地的前緣隆起帶和隆后坳陷帶是否存在我們無法得知。

(4)背鍋山期 前陸盆地快速充填階段(圖10d)

北秦嶺島弧與鄂爾多斯地塊仍在持續(xù)匯聚，北秦嶺褶皺沖斷帶開始進入逆沖平靜期，并成為鄂爾多斯地塊南緣前陸盆地的主要物源區(qū)，此時前淵帶中部也開始接受粗粒沉積，如岐山苜蓿河剖面發(fā)育的含礫粉砂巖沉積，反映前陸盆地進入快速充填階段。該時期，前淵帶沉積分異顯著，前淵帶南部發(fā)育深水斜坡-陸相沖積環(huán)境的陸緣粗碎屑沉積，而前淵帶北部依舊為淺水碳酸鹽巖臺地沉積環(huán)境。禮泉唐王陵地區(qū)在背鍋山期末發(fā)育的陸相沖積扇環(huán)境，代表了該前陸盆地主體活動的終結(jié)。

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地沉積充填整體表現(xiàn)為南厚北薄、頂?shù)拙粎^(qū)域不整合面所限定的楔狀沉積體，由北向南可以劃分出局限沉積環(huán)境的陜北坳陷帶、持續(xù)抬升的南緣古隆起帶和局限淺水-海相深水-陸相沖積扇環(huán)境的南緣坳陷帶；主要經(jīng)歷了冶里-亮甲山期、馬一-馬五期、馬六-平?jīng)銎谝约氨冲伾狡谒膫€階段的沉積充填過程。

(2)鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)盆地構(gòu)造屬性為周緣前陸盆地，其形成于二郎坪弧后洋盆閉合導(dǎo)致的弧-陸碰撞階段，經(jīng)歷了以下四個階段的演化歷史：①冶里-亮甲山期(O1)，前陸盆地初始撓曲階段；②馬一-馬五期(O1-O2)，前陸盆地結(jié)構(gòu)成型階段；③馬六-平?jīng)銎?O2-O3)，前陸盆地快速沉降階段；④背鍋山期(O3)，前陸盆地快速充填階段。

(3)鄂爾多斯地塊南緣奧陶紀(jì)前陸盆地具有經(jīng)典前陸盆地的“四元結(jié)構(gòu)”，褶皺沖斷帶位于包括渭河地塹在內(nèi)的西安-寶雞一帶；前淵帶呈近東西向展布于岐山-富平一帶；前緣隆起帶位于慶陽-運城一帶；隆后坳陷帶大致位于延安-榆林-綏德一帶，呈不規(guī)則的橢圓形。

致謝審稿專家中國科學(xué)院大學(xué)侯泉林教授和山東科技大學(xué)馮喬教授及本刊編輯提出的建設(shè)性修改意見對完善本文有重要幫助，在此表示衷心的感謝！

李繼亮研究員是著名的沉積大地構(gòu)造學(xué)家，亦是本文通訊作者(肖安成教授)的博士生導(dǎo)師。謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給李先生，向他始終如一的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度和在沉積大地構(gòu)造學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻(xiàn)致以崇高敬意！