二連盆地塔北凹陷西部早白堊世斷—坳發(fā)育特征研究

陳念楠,李滿根,關(guān)寶文,宋志杰,段建兵,李西得,劉武生,劉穎，范鵬飛

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029)

0 引言

二連盆地是我國北方大型中、新生代沉積斷陷盆地，盆地內(nèi)鈾礦床種類眾多，鈾資源儲量豐富[1]，目前已發(fā)現(xiàn)巴彥烏拉、賽漢高畢、哈達(dá)圖等大、中型鈾礦床。但前人地質(zhì)工作者多注重于鈾源、沉積建造、成礦流體運(yùn)移等方面的研究[2]，對于盆地的構(gòu)造演化的認(rèn)識相對較薄弱，影響了研究區(qū)內(nèi)有效找礦進(jìn)展。因此，需要從構(gòu)造幾何學(xué)以及動力學(xué)角度入手，重新構(gòu)建盆地動態(tài)的構(gòu)造演化過程。

為揭示二連盆地的基本結(jié)構(gòu)特征，恢復(fù)盆地構(gòu)造格架和演化過程，不同學(xué)者也在不同凹陷開展了構(gòu)造演化等方面的研究。程三友等[3]通過選取賽漢塔拉凹陷的5條地震剖面進(jìn)行二維構(gòu)造地層解釋和平衡恢復(fù)，認(rèn)為賽漢塔拉凹陷整體表現(xiàn)為下部斷陷、中部不均衡隆起和拗陷并存以及上部超覆拗陷的特征，在賽漢組沉積期主體表現(xiàn)為區(qū)域性拗陷沉降和超覆不整合發(fā)育。王鑫等[4]結(jié)合三維地震解釋與三維可視化手段，恢復(fù)了烏蘭花凹陷古地貌和構(gòu)造發(fā)育史，認(rèn)為賽漢組沉積時(shí)期湖盆萎縮并發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，凹陷整體呈現(xiàn)早期斷陷沉積，晚期抬升剝蝕的特點(diǎn)。梁越[5]利用三維連片地震資料對巴音都蘭凹陷進(jìn)行地層空間延展性特征變化研究，認(rèn)為白堊系巴彥花群地層沉積時(shí)期為凹陷發(fā)育的鼎盛時(shí)期，并且劃分了4個(gè)構(gòu)造演化階段。徐強(qiáng)[6]選取腦木根和呼仁布齊兩個(gè)富鈾凹陷的典型地震測線，基于PetroMod軟件模擬其埋藏史和演化史，結(jié)果表明阿爾善組、騰格爾組沉降速率較高，到賽漢組沉積時(shí)期進(jìn)入斷坳轉(zhuǎn)換期，盆地沉降速率明顯降低。魯超[7]通過EBMS盆地模擬軟件，選取NW向的典型測線，模擬了巴賽齊古河谷巴彥烏拉礦床的沉降歷史，同樣也表明賽漢塔拉組為斷坳轉(zhuǎn)換期。

為了探明塔北凹陷西部的斷—坳發(fā)育特征，本文利用塔北凹陷西部地區(qū)的3條典型地震反射剖面進(jìn)行平衡剖面恢復(fù)，計(jì)算并統(tǒng)計(jì)各時(shí)期地層長度、伸展率和伸展量等參數(shù)，探討早白堊世以來二連盆地塔北凹陷的構(gòu)造特征及演化階段，有助于深化認(rèn)識整個(gè)二連盆地的構(gòu)造格架以及動態(tài)演化過程，以期為后期在二連盆地開展鈾礦找礦工作，擴(kuò)大中國鈾資源儲備提供一定依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

二連盆地位于蒙古—興安裂谷系中部，是中、新生代后期在華力西褶皺基底和侏羅系殘留盆地的基礎(chǔ)上，經(jīng)過正向斷層強(qiáng)烈拉伸、裂陷而形成的一群中、小型盆地群的組合。大地構(gòu)造位置處于華北板塊與西伯利亞板塊的縫合線上，北面為蘇聯(lián)和蒙古境內(nèi)貝加爾、加里東和海西褶皺系，南面為EW向的中朝古陸，東邊為中生代NE向構(gòu)造系，西面為SN向構(gòu)造系[1]。中、新生代時(shí)期太平洋板塊向歐亞大陸俯沖，形成了一系列半地塹、地塹凹陷或箕狀盆地，并進(jìn)而演化成大型坳陷盆地[8]。中國東部斷陷盆地均顯示出受控于右旋張扭構(gòu)造應(yīng)力場 NW-SE 向的斜向拉伸作用，發(fā)育了一系列NE、NNE向斷裂，形成了一系列呈NE向展布的地塹、半地塹或箕狀盆地[9]。其中，二連盆地由川井坳陷、烏蘭察布坳陷、馬尼特坳陷、烏尼特坳陷、騰格爾坳陷和蘇尼特中央隆起組成，內(nèi)部共發(fā)育53個(gè)凹陷和22個(gè)次級凸起。

塔北凹陷位于二連盆地馬尼特坳陷西側(cè)，走向NEE，長約140km，寬約11km，面積約1682km2。西南部緊鄰蘇尼特隆起，西北部與巴音寶力格隆起呈相隔關(guān)系；構(gòu)造格局為東西分區(qū)、南北分帶，由凹陷中部的凸起將塔北凹陷分為東、西兩個(gè)洼槽，兩個(gè)洼槽與中部的低凸起呈串聯(lián)式排列。凹陷內(nèi)主要沉積下白堊統(tǒng)阿爾善組(K1a)雜色粗碎屑巖建造、騰格爾組(K1t)含油細(xì)碎屑巖建造、賽漢組(K1s)含煤粗碎屑巖建造(也是塔北凹陷主要產(chǎn)鈾層位)、古近系(E)紅色碎屑巖建造、新近系(N)紅色泥巖建造及第四系(Q)洪積層[10](圖1)。

圖1 塔北凹陷地層綜合柱狀圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[11]修改)Fig.1 Comprehensive histogram of strata in Tabei sag (modified after reference [11])

在白堊紀(jì)期間，塔北凹陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動：在早白堊世早期，凹陷呈NE向展布，北西側(cè)的同生斷裂構(gòu)造開始發(fā)育，既約束著凹陷北西部邊界，同時(shí)也控制了白堊紀(jì)至新近紀(jì)的沉積與發(fā)展。早白堊世晚期，由于太平洋板塊運(yùn)動方向由NW向轉(zhuǎn)為NNW—N向，賀根山、西拉木倫等基底斷層發(fā)生右旋走滑，發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用[12]，導(dǎo)致早白堊世地層發(fā)生收縮和隆升剝蝕，有利于地表含鈾含氧水的滲入。晚白堊世，早期斷裂活動趨于減弱直至消亡，凹陷進(jìn)入坳陷發(fā)展期。

2 塔北凹陷總體構(gòu)造特征

地震資料對區(qū)域性不整合面的識別常常有效，在盆地礦產(chǎn)資源勘查，尤其是石油勘查中應(yīng)用十分廣泛。本文選取3條垂直凹陷延伸方向的剖面(自南往北依次為： A-A’、B-B’ 、C-C’)。剖面位置如圖2所示。

圖2 塔北凹陷地震測線分布及構(gòu)造綱要(據(jù)參考文獻(xiàn)[11]修改)Fig.2 Seismic profiles distribution and structural outline of Tabei sag(modified after reference [11])

通過塔北凹陷地震剖面(圖3)可以明顯地識別出阿爾善組底界、騰格爾組一段底界、騰格爾組二段底界、賽漢組下段底界、賽漢組上段底界5個(gè)強(qiáng)反射界面。并且凹陷主要受控于北西側(cè)的高角度同沉積正斷層和南東側(cè)的構(gòu)造斜坡帶，在地層沉積厚度方面，表現(xiàn)出“北西厚、南東薄”的特征，最終形成單斷箕狀凹陷。塔北凹陷的地層在空間垂向展布上由3個(gè)不同結(jié)構(gòu)特征的構(gòu)造層次疊置而成：①晚侏羅世形成的盆地基底巖系構(gòu)造層，發(fā)生強(qiáng)烈斷裂變形，形成一系列半地塹—半地壘構(gòu)成的基底斷塊系統(tǒng)；②由早白堊世巴彥花群阿爾善組和騰格爾組為主體構(gòu)成的盆地下部沉積蓋層構(gòu)造層，其中阿爾善組沉積時(shí)期，斷層開始活動，形成凹陷雛形，而騰格爾組沉積時(shí)期主要為斷陷沉積，此時(shí)斷層活動加??；③由賽漢組組成的上部沉積蓋層構(gòu)造層，整體上構(gòu)造活動較弱，前期斷裂構(gòu)造活動逐漸減弱，代表由斷陷轉(zhuǎn)為坳陷的階段。地震反射剖面顯示巴彥花群整體受正斷層控制，沉積中心主要位于凹陷的中心部位[1]，垂向地質(zhì)構(gòu)造具有典型的“下斷上坳”的雙層結(jié)構(gòu)特征。

圖3 塔北凹陷地震反射特征(地震反射剖面來源于核工業(yè)北京地質(zhì)研究院；剖面位置如圖2所示)Fig.3 Seismic reflection characteristics of Tabei sag(These seismic reflection profiles came from the Beijing Research Institute of Uranium Geology;section location is shown in Fig.2)

塔北凹陷北西部以F1斷裂為界，控制著凹陷的沉積，并受F3、F4、F5呈階梯狀斷裂控制[1]。F1斷裂控制白音希勒凸起，南東部位塔北凹陷深凹，其控制了塔北凹陷深湖—半深湖沉積。F2斷裂是塔北凹陷的控凹斷裂，屬于同生斷裂，在現(xiàn)今剖面上顯示為高角度正斷層，該斷裂既控制著凹陷的北西部邊界，也對白堊紀(jì)以來塔北凹陷的沉積與發(fā)展起控制作用，在晚白堊世及以后發(fā)生多次逆沖，造成北部地層抬升。F3斷裂屬于切層斷裂，呈NE走向，SE向傾斜，在騰格爾期之前存在較為劇烈活動。F4斷裂為凹陷南翼切層斷裂，走向NE，傾向SE，控制著阿爾善期和騰格爾期的發(fā)育，但對賽漢組早期沉積的控制微弱[2]。F5斷裂控制凹陷的南緣，與F4斷裂近似平行。

3 平衡剖面恢復(fù)及伸展量、伸展率計(jì)算

3.1 平衡剖面恢復(fù)

在進(jìn)行平衡剖面恢復(fù)時(shí)，首先要選取具有代表性的主干剖面，主干剖面盡量選擇垂直構(gòu)造線方向、切過主要的構(gòu)造單元且分布在研究區(qū)域。為保證構(gòu)造恢復(fù)精度，同時(shí)為避免以往手工作業(yè)產(chǎn)生的人為誤差，本研究采用Midland公司開發(fā)的2D Move軟件對平衡剖面進(jìn)行恢復(fù)。具體包括以下幾個(gè)步驟(圖4)：①時(shí)深轉(zhuǎn)換；②去壓實(shí)恢復(fù)；③斷距消除和層拉平恢復(fù)；④定量參數(shù)測定。通過對地震剖面進(jìn)行平衡恢復(fù)，可以再現(xiàn)盆地的構(gòu)造演化過程，了解不同時(shí)期盆地發(fā)育特征和盆地伸展量，從而有利于揭示盆地形成機(jī)制。其平衡恢復(fù)結(jié)果(圖5～圖7)如下：

圖4 平衡剖面制作流程Fig.4 Balanced cross section making flow chart

1)A-A’側(cè)線構(gòu)造演化剖面(圖5)表明：在騰一段沉積前，凹陷受兩側(cè)正斷層和反向正斷層的影響，在凹陷東西兩側(cè)形成地塹，沉積較厚的阿爾善組，沉積中心主要在凹陷北西側(cè)。在騰二段沉積前，地層向南側(cè)發(fā)生明顯超覆，構(gòu)造活動增強(qiáng)，沉積范圍加大。在賽漢組沉積時(shí)期，賽下段在兩個(gè)地塹內(nèi)沉積，凹陷中部形成凸起，與下伏的騰二段呈角度不整合接觸，南部斷裂部分切穿賽下段。沉積中心整體繼承性發(fā)育，沉積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，表現(xiàn)為明顯的斷坳轉(zhuǎn)換的特征。賽上段沉積期間，斷層活動基本消失，斷裂不發(fā)育，整體表現(xiàn)為坳陷特征，整體接受沉積。地層從斷陷中心向邊緣逐層超覆。

圖5 A-A’測線構(gòu)造演化剖面Fig.5 Tectonic evolution section of the A-A’ profiles

2)B-B’測線構(gòu)造演化剖面(圖6)表明：在騰一段沉積前凹陷主要受階梯狀正斷層控制，內(nèi)部還發(fā)育有不同規(guī)模的反向正斷層，整體上呈半地塹形態(tài)，沉積中心在南東側(cè)，沉積較厚的阿爾善組。在騰二段沉積前，斷裂活動加劇，沉積范圍擴(kuò)大。在騰二段沉積期間，控盆斷裂和內(nèi)部斷塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)，中部騰二段遭受剝蝕，在北西和南東兩側(cè)沉積。中部由于地層隆升，導(dǎo)致賽下段直接與騰一段不整合接觸，沉積中心逐漸轉(zhuǎn)移至北西部，該時(shí)期盆地整體表現(xiàn)出明顯的坳陷特征。賽上段沉積前斷層活動逐漸減弱。凹陷整體下沉，沉積范圍擴(kuò)大。

圖6 B-B’測線構(gòu)造演化剖面Fig.6 Tectonic evolution section of the B-B’ profiles

3)C-C’測線構(gòu)造演化剖面(圖7)表明：在騰格爾組沉積前，凹陷西部邊界斷層開始活動，塊體沿著斷面下滑，并呈現(xiàn)斷階式結(jié)構(gòu)，斷層面均傾向SE，沉積中心在位于邊界斷層附近。騰一段早期，塔北凹陷發(fā)生旋轉(zhuǎn)掀斜。騰格爾組繼承了阿爾善時(shí)期的構(gòu)造面貌，凹陷持續(xù)沉降，并不斷擴(kuò)大加深。在騰二段沉積時(shí)期，凹陷中部隆升，中部沉積騰二段遭受剝蝕，地層減薄，盆地沉降中心向東西兩側(cè)遷移。在賽下段沉積時(shí)期，構(gòu)造活動微弱，但西部斷層仍存在微弱活動并且切穿賽下段，總體上凹陷沉降受坳陷控制，主要表現(xiàn)為兩處沉積。賽上段沉積時(shí)期，地層底界平直，組內(nèi)未發(fā)育斷層，斷層對盆地沉降的控制作用基本消失。

圖7 C-C’測線構(gòu)造演化剖面Fig.7 Tectonic evolution section of the C-C’ profiles

3.2 塔北凹陷伸展量、伸展率計(jì)算

剖面平衡恢復(fù)過程中，在不同解釋層位恢復(fù)至水平狀態(tài)之后，可以測出不同時(shí)期的長度，并可以根據(jù)長度計(jì)算剖面在不同時(shí)期的伸展量、伸展量等參數(shù)(表1)。

表1 塔北凹陷伸展量、伸展率計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Statistical data of extension amount and extensional ratio in Tabei sag

從塔北凹陷各時(shí)期伸展率和伸展量變化趨勢上看(圖8)，阿爾善組沉積時(shí)期，各剖面總體伸展長度較小(0.046～0.226km)，伸展率較低(0.439%～1.959%)，此時(shí)塔北凹陷處于裂陷初始階段。騰二段沉積時(shí)期各個(gè)剖面伸展率(3.033%～4.167%)遠(yuǎn)大于其他沉積時(shí)期，此時(shí)凹陷處于強(qiáng)烈構(gòu)造活動期。賽漢組沉積時(shí)期凹陷伸展率發(fā)生突變，總體伸展率急劇變小(0.621%～2.259%)，反映了賽漢期為處于斷坳轉(zhuǎn)換時(shí)期。對比不同剖面伸展率發(fā)現(xiàn)，塔北凹陷各時(shí)期的伸展率變化特征與構(gòu)造演化歷程相耦合，呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的狀態(tài)，表明伸展作用“由弱向強(qiáng)再減弱”的趨勢，代表著凹陷伸展作用向擠壓作用的調(diào)整，即早白堊世塔北凹陷具有“初始斷陷—強(qiáng)裂斷陷—斷坳轉(zhuǎn)換”的演化規(guī)律，與中國東部各盆地具有相似的演化特征[13]。

a—伸展率；b—伸展量a—the extensional ratio;b—the extension amount圖8 塔北凹陷各時(shí)期伸展量與伸展率變化趨勢Fig.8 Variation trend of extension amount and extensional ratio in different periods of Tabei sag

4 構(gòu)造演化特征

結(jié)合前人對二連盆地區(qū)域構(gòu)造演化的認(rèn)識，根據(jù)塔北凹陷各個(gè)地震剖面構(gòu)造演化圖分析認(rèn)為：塔北凹陷與二連盆地其他凹陷的構(gòu)造演化特征較為相似，是一個(gè)長期、繼承性發(fā)育、保存相對完整的凹陷，在侏羅紀(jì)末期初具雛形，后期由于燕山造山作用的影響，凹陷整體抬升形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局[1]。凹陷始于燕山運(yùn)動中張裂作用，NW向邊界斷層的持續(xù)發(fā)育決定了凹陷南北分區(qū)、東西分帶的構(gòu)造格局，形成了單斷箕狀斷陷盆地的特征。塔北凹陷白堊紀(jì)構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了四期構(gòu)造運(yùn)動：

1)阿爾善沉積期，北西部主干斷層開始活動，凹陷塊體沿?cái)嗝嫦禄_始接受沉積，凹陷初具雛形，沉積中心集中在北西側(cè)，塔北凹陷阿爾善組沉積初期是以濱淺湖亞相和扇三角洲相為主，后期隨著湖盆的擴(kuò)張?jiān)诎枷菸鞑砍练e了一套三角洲前緣砂體。

2)騰一段沉積期，邊界斷裂活動加強(qiáng)，凹陷持續(xù)沉降，伸展量和伸展率逐漸增大，斷裂持續(xù)發(fā)育，使得沉降中心由北西側(cè)向南東部遷移。騰二段沉積期，繼承了騰一段的基本構(gòu)造特征，斷陷內(nèi)部各次級斷層經(jīng)進(jìn)一步發(fā)育，伸展應(yīng)力持續(xù)作用，控凹主干斷層向深部延伸[1]。騰二段末期，凹陷整體大幅度隆升，斷陷作用基本結(jié)束，凹陷整體抬升，遭受強(qiáng)烈抬剝蝕。

3)賽漢組沉積期，凹陷再次沉降，但整體沉降幅度較小。賽漢組在剖面上具有向南東超覆的特征。賽漢組時(shí)期湖泊范圍極大萎縮，主要發(fā)育粗碎屑沉積。早期受斷裂控制，晚期基本不受斷裂控制。

4)賽漢組末期至今，斷陷活動結(jié)束，盆地逐漸收縮，地形趨于平緩，此后凹陷一直處于抬升狀態(tài)。

5 結(jié)論

塔北凹陷整體為西斷東超的單斷箕狀結(jié)構(gòu)，北西側(cè)邊界主干斷層是研究區(qū)內(nèi)的一條大型同沉積斷層，控制著凹陷的形態(tài)、規(guī)模以及沉積充填過程，垂向上具有“下斷上坳”的結(jié)構(gòu)特征。

平衡剖面恢復(fù)及伸展率計(jì)算結(jié)果表明：阿爾善組沉積期，凹陷整體處于弱伸展階段。騰一段伸展率略大于阿爾善組，表明伸展作用逐漸增強(qiáng)。騰二段沉積時(shí)期伸展量和伸展率達(dá)到頂峰，反映了凹陷在該時(shí)期構(gòu)造活動強(qiáng)烈，處于強(qiáng)烈拉張狀態(tài)。賽漢組沉積時(shí)，伸展量和伸展率急劇減小，反映賽漢組斷坳轉(zhuǎn)換期階段。

塔北凹陷主要經(jīng)歷了四期構(gòu)造運(yùn)動：阿爾善期斷陷初始發(fā)育，沉降受正斷層活動控制，NE向的邊界斷層持續(xù)發(fā)育，凹陷初具雛形。騰格爾期凹陷內(nèi)部斷裂持續(xù)發(fā)育，整體受斷陷控制明顯，伸展量和伸展率逐漸增大，并且在騰二段時(shí)期達(dá)到頂峰。賽漢期凹陷整體受斷裂影響微弱，沉積中心逐漸遠(yuǎn)離主干斷層，總體表現(xiàn)為坳陷沉降和超覆不整合發(fā)育，盆地接近消亡。賽漢組末期至今，盆地逐漸收縮，地形趨于平緩，此后凹陷一直處于抬升狀態(tài)。