柴达木盆地柴中隐蔽断裂带的成因及其深部找藏

钱美平,杨 伟,真允庆,4,巫 静

(1.南京大学地球科学与工程学院,南京,210093;2.江苏省有色金属华东有色地质勘查局,南京210093;3.江苏省有色金属华东地质勘查局814队,江苏镇江212005;4.中国冶金地质勘查总局三局,太原030002)

0 引言

柴达木盆地位于青藏高原的北部,素有高原“聚宝盆”的美称。盆地四周群山环绕,南临昆仑山,北接祁连山,西为阿尔金,东有鄂拉山。盆地内为戈壁、沙漠,据地震测定,中、新生界地层覆盖厚达12～17 km,构造极其复杂,引起广大石油地质学家的兴趣和重视,先后取得了大量科研成果,积累了丰富的地质资料,为找藏起到了指导作用。

柴达木盆地中部有一条近EW向的构造带,大致沿甘森—德令哈一线展布,徐凤银等(2009)将其称为“柴中断裂带”[1]。根据笔者等10多年来在本区进行的遥、重、磁、电、震及地质调查研究表明,这是一条隐蔽的断裂带,也是一个重要的控藏构造带,但因其地质特征不是非常明显,所以往往被人们忽视。

本文从区域构造背景、盆地构造变革和综合地球物理勘查资料入手,运用壳幔深部过程理论,探讨盆地内柴中隐蔽断裂带的形成机理,并对其深部找藏进行预测。

1 从区域构造背景看柴中断裂带的隐蔽性

刘光鼎(2007)用“东西成带、南北分块”来描述中国大陆多块体、多梯级带的特点,并以“三横、两竖、两个三角形”形象地表述中国大陆宏观的构造格架。其中“两个三角形”即指柴达木及松潘—甘孜地 区,它们均以昆仑—秦岭(EW向)为底线,顶角分别指向南、北[2];这“两个三角形”是区域构造最为活跃的地区,也是地壳最为脆弱的地带。

柴达木盆地之南为特提斯—喜马拉雅构造域,其东则与泛华夏古陆群接合,地质构造极其复杂,演化历史十分曲折。自元古代以来,经历了多期构造运动,构成条块镶嵌的构造格局,其中近 EW向构造形成最早、规模最大、范围最广。区域内自北而南分布有柴达木含油气区、巴颜喀拉含油气区、羌塘含油气区、冈瓦纳含油气区和喜马拉雅含油气区(图1),丘东洲(2001)将我国青藏高原称之为21世纪新的油气资源接替区[3]。

喜山期,由于印度板块向欧亚板块多期、多阶段俯冲,形成一系列褶皱-冲断裂带(Fold-Thrust belt),而且这些冲断层的顶角多为50°±5°,代表了由早期正断层经反转期成为挤压逆断层,可视为前陆褶皱冲断带及复合性过渡带,柴达木盆地就处于昆仑山与祁连山之间的复合造山带的前缘。

图1 青藏高原含油气盆地分布及地质简图[3]Fig.1 Geological sketch showing distribution of oil and gas bearing basin in Tibetan Plateau

据张克信(2008)研究[4],在古新世—始新世期间,高原总体是东高西低,但至渐新世因冈底斯和喜马拉雅快速崛起,昆仑山—阿尔金山—祁连山随之隆升,铸就了高原的周缘为山脉,而腹地为凹陷盆地的宏伟地貌格局。进入新近纪,大约在13～8 Ma和5 Ma期间,有2次快速隆升事件发生。在冈底斯和喜马拉雅带喀喇西昆仑地区,经历了不均衡的隆升和沉降,产生了重大的反转调整,形成现今西高东低的地貌景观。正因为本区域地质背景是处于“翻天覆地”的地壳运动环境之中,柴中断裂带必然加剧了隐蔽性。

2 柴达木盆地的构造演化史揭示了柴中隐蔽断裂带的复杂性

2.1 频繁的地质事件改变了柴中隐蔽断裂带的地质特征

柴达木盆地同位素年龄样品采集点和金属矿床分布图见图2,同位素年龄列于表1。

研究柴达木盆地的地质发展史要从结晶基底谈起。在阿尔金山阿克塔什塔格的太古宙花岗片麻岩中,首次测得锆石TIMS法U-Pb同位素上交点年龄(3 605±43)Ma,下交点年龄(1 958±180)Ma(前者代表了岩石生成年龄,后者表征了先成锆石遭受叠加地质事件改造的时代);但是大规模分布的英云闪长片麻岩U-Pb法年龄为(2 604±102)Ma,奥长花岗片麻岩的U-Pb法年龄为(2 670±12)Ma。由于均为片麻岩,其钕模式年龄早期侵入年龄为3 528 Ma和2 978 Ma,足以说明在3.5～3.6 Ga和3.0～3.1 Ga期间分别有一次造壳事件[5-6]。

陆松年等(2002)将以往文献中所称达肯大坂群分解成德令哈杂岩和达肯大坂群。德令哈杂岩的斜长角闪岩和二长花岗片麻岩U-Pb法上、下交点年龄分别为(2 412±14)Ma,(2 366±10)Ma和(785±46)Ma,(350±67)Ma;达肯大坂群Sm-Nd法等时年龄为(1 791±37)Ma。昆仑山北部(柴中断裂以南)的金 水口岩群的花岗片麻岩上、下交点年龄分别为(1 624±22)Ma和(462±22)Ma。在阿尔金山北部的奥长花岗岩片麻岩、石榴斜长角闪岩和石英二长岩分别获得上交点为(2374±10)Ma,(2 351±21)Ma和(1 855±23)Ma,下交点为(315±92)Ma,(202±144)Ma和(354±64)Ma,继承锆石年龄为1.9～2.0 Ga,说明柴中断裂带之北阿尔金山基底为中太古—新元古界变质岩组成;德令哈杂岩及肯达大坂群为太古—古元古界变质岩系,后有晋宁和海西期叠加变质;而柴中断裂带以南的金水口岩群为中元古界变质岩系,后有加里东和海西期改造。由此可以看出柴中断裂带两侧变质岩系的年龄有所不同,表明该区在元古宙时就已裂解,这与全球元古宙罗迪尼亚(Rodinia)和冈瓦纳超大陆的形成演化有着某些必然联系[5-6]。

新元古代,柴北缘欧龙布鲁克的全吉群不整合在德令哈杂岩之上,其上为冰蹟岩层及砂岩,含叠层石碳酸盐岩中发育火山熔岩和杂色砂岩。其下为玄武安山岩,U-Pb法表面年龄为(738±28)Ma。在铜录山,胜利口花岗闪长岩 U-Pb法上交点年龄为(803±7)Ma,下交点年龄为(212±18)Ma;锡铁山钾质花岗片麻岩的上交点年龄为(744±37)Ma,下交点年龄为(351±22)Ma;眼球状花岗片麻岩的上交点年龄为(2360±507)Ma,下交点年龄为(744±37)Ma。很明显,沙柳河—鱼卡河榴辉岩带是一条早古生代的缝合带,记录了2期重大地质事件。

表1 柴达木盆地周缘地区岩石(地层)同位素年龄Table 1 Rock(strata)isotope ages(Ma)of surrounding mountains in Qaidam Basin

图2 柴达木盆地同位素年龄样品采样点和金属矿床地质图Fig.2 Geological sketch showing isotope age sampling points and metal deposits in Qaidam Basin

在柴北缘鱼卡河一带的肯达大坂群高压-超高压变质岩带和阿尔金西段阿尔金群中均见有榴辉岩,其U-Pb法年龄分别为(499.6±5)Ma,(466.7±12)Ma和(500±10)Ma,(503±5.3)Ma。许志琴等(1999)认为[7]两地可能同属一个榴辉岩带,均为深俯冲产物,构成本区早古生代缝合带,地壳拉伸形成裂谷雏形,由于阿尔金山左行走滑约400 km,成为现今构造格局。

在早奥陶世,柴北缘断裂带分布有加里东期锡铁山式SEDEX型 Pb-Zn矿床,成矿年龄为(486±13)Ma[8];VHMS型青龙滩式Cu-S矿床,成矿年龄(1 514.2±8.5)Ma[9];造山带型青龙沟金矿床((409.4±2.3)Ma),赛坝沟金矿床((425.5±2.1)Ma);海西期野骆驼泉金矿床((246.0±0.5)Ma),大场金矿床((215.6±3.2)Ma)。充分表明柴达木盆地在加里东期和海西期均有造山事件和成矿作用发生[10]。

图3 柴达木盆地中新世以来的构造变形模型[13]Fig.3 Structure deformation model of the Qaidam Basin since Middle Miocene[13]

王胜利等(2009)研究[13],认为祁连山属于加里东期碰撞造山带,后经喜山期形成再生造山带,从磷灰石裂变径迹热年代学得知,西祁连—南山逆冲断裂带启动于45～50 Ma;而Mack et al(1999)认为昆仑山是于30 Ma时垂向挤出的[14],由向北仰冲的逆冲断层和向 S倾的正断层组成。Meyer et al(1998)[15]和 Tapponnier et al(2000)[16]亦提出昆仑北山存在一条逆冲断层,实际昆仑山前冲断楔体的底板断层是向柴达木盆地方向逆冲,其活动时间应与上油砂山组的年龄(12 Ma)相近[18]。东西部活动时间可能不一致,西段要早于东段,东昆仑山前楔体向NNE方向移动,平均速率为4.7 mm/a。祁连山向SSW运动的速率较大,故祁连山前冲断楔体要比昆仑山前冲断楔体的构造复杂。这种运动速率的差异导致了第三纪沉积中心亦有所不同,呈现了从西向东、从南向北迁移的迹象。

颇为有趣的是,位于祁连山前冲断裂楔体前锋 和昆仑山前冲断楔体前锋交汇处的中央断裂带(图3)与柴中断裂相似,在地表亦无明显的断裂特征。王赞军等(1999)[17]从地震剖面亦同时证实确实存在2条相似的(NNW向)断裂,在断裂带沿线分布着6个盐湖。

2.2 古地理变迁演化改变了柴中隐蔽断裂的“原貌”

众所周知,柴达木盆地具有特殊的盆、山耦合框架和岩石圈地球动力学背景,其构造骨架的演变随时代而变化,具有多旋回的构造演化史,盆地的古地理变迁具有复杂特点。

古地磁研究表明(表2),柴达木地块(寒武-奥陶纪)处于赤道附近的低纬度区(4.1°S —5.4°N),与塔里木、华北和扬子板块均有较大的纬度差,暗示柴达木是一个独立的地块。直至海西中、晚期柴达木古纬度稳定在12.0°N左右,反映石炭纪开始又一次裂解活动。印支期柴达木位于大约22.2°N的位置,与华北和塔里木等还有较大的纬度差,而与扬子地块较为接近,柴达木地块大部被印支海槽所包围。晚三叠纪印支海槽消亡,柴达木地块才与华北、扬子和塔里木拼接成一个相对完整的大陆,开始接受中、新生界陆相沉积(汤良杰等,2000)[18]

表2 柴达木地块与周邻地(板)块的古纬度比较(据文献[18])Table 2 The correlation of the paleo-latitude of the Qaidam and adjacent plates

若结合地层岩性和岩相分析,柴达木盆地叠合过程非常复杂,经历了多次裂陷沉积和隆升剥蚀过程,如震旦纪—早、中泥盆世为浅海台地-陆棚相碳酸盐岩-碎屑岩沉积,志留纪—泥盆纪为隆升剥蚀,石炭纪—早二叠世为弧后剥蚀;石炭纪—晚二叠世为弧后盆地滨岸-台地-陆棚相碳酸盐岩-碎屑岩-煤系沉积,晚二叠世—三叠纪又一次隆升剥蚀;侏罗纪接受了陆相煤系沉积,白垩纪为红色粗碎屑沉积,直至新生代的印度板块和喜马拉雅山块体碰撞事件的远程效应,第三纪—第四纪盆地整体下沉,沉积了巨厚的河湖相砂、泥岩和膏盐层(汤良杰等,2000)[18]。

不难看出,由于柴达木盆地古地理的“沧海桑田”剧烈变迁,促使自元古代因古陆壳裂解而成的EW向柴中断裂带彻底改变了“原貌”。

2.3 晚期构造掩盖了早期构造特征并使柴中断裂带更加隐蔽

很显然,现今柴达木盆地的构造格架或构造样式是在最新的应力作用下产生的构造行迹的总和。由于新生代以来印度板块不断向欧亚板块俯冲、拼贴, 区域应力场处于高度挤压的环境之中(图1)。柴达木盆地的断裂主要有两组:一组为NW-NWW向断裂,包括控制盆地边界的南祁连、北昆仑断裂和前述的中央断裂带,并伴生有紧密褶皱带;另一组为NE-EW向断裂,如阿南山前断裂、塔尔丁—鱼卡断裂及本文讨论的甘森—德令哈断裂等。全区以前者为主,断裂构造特征明显;后者为辅,其构造特征不甚明显。两者亦构成了“南北分带、东西成块”的构造样式。若按断裂性质及沉积的控制作用,可分为同沉积正断裂、同沉积逆冲断裂、晚期逆冲断裂和走滑断裂4种[19]。以后3种断裂为主,如尕斯油田就是受同沉积逆冲断裂制约,断层两盘地层的厚度差异最大,生长指数最大(为7.6)[20],是以强烈挤压作用为特征;而晚期逆冲断裂和走滑断裂广泛发育,它们生成特征互为渐变,不易截然分开。在剖面上常呈反S型出现,说明两者均是在挤压构造环境中生成。唯独同沉积正断层,由于受到后期强烈挤压改造而“面貌皆非”。如盆地两侧的边界断裂,在地表浅部为逆冲断裂,但电法电阻率剖面(图4)很清楚看出,在深部,断裂界面的产状明显向盆地中心倾斜,上盘可能有高阻的前中生界地层赋存(据电阻率推测有古生界分布)。剖面上部地层随深部高阻岩层褶皱起伏,很明显盆地边界断裂具有反转断裂性质。据此证明成盆断裂具有“深层伸展、浅层压扭”的动力学特征。

从本区变质岩同位素年代学推知,柴中断裂的生成可能与罗迪尼亚古陆裂解有关,也就是在中元古代就已“萌生”破裂,历经漫长的古地理变迁和多期造山运动改造,特别是喜山期剧烈挤压,山岭隆升,盆地沉降,巨厚盖层堆积,使得柴中断裂很难识别,常被疏漏。

图4 柴达木盆地重力垂向二导异常及二维介质反演电阻率综合地质剖面图Fig.4 Vertical gravity conductance anomaly,two-dimensional continuum medium inversion resistivity and integrated geological profile of Qaidam Basin

3 多元地学信息证实柴中隐蔽断裂的可信性

虽然柴中断裂带的地质特征并不十分明显,但将地貌景观图像、高精度磁力异常、重力异常和深部地质等多元地学信息综合分析提高柴中断裂带的可识别程度。

3.1 地貌景观呈现出的地质信息

3.2 重力异常的地质解译

图5c显示,柴中断裂以北的布格重力异常较为零乱,但总体为NW-NWW向展布,其中异常梯度带常为NW向,与中央断裂带(图3)吻合,并和褶曲相伴,特别在盆地两侧的英雄岭—茫崖更显发育。而柴中断裂的南部重力异常无明显方向。两者形成明显对比。莫霍面等深线图(图5d)呈现了两个突起形似驼峰,说明地幔在深部上有所起伏,在其鞍部即是柴中断裂带的位置。

图5 柴达木盆地地貌景观(a)、磁力异常(b)、重力异常(c)及莫霍面等深线(d)图Fig.5 Plan map showing remote sensing(a),magnetic(b),gravity(c)anomalies and Moho-surface depth(d)in Qaidam basin

另外,在柴中断裂带的东段和宗务山前断裂附近,从地震及CEMP电法剖面证实,断裂具有正花状构造特征,在平面上清晰看出呈反S形构造样式;在柴中断裂带的西段与北昆仑前冲断楔体相接触,其顶板反冲断层和底板断层交汇的楔顶可能在古生界之中,其底板为向 S倾的逆冲断层,即是Burchfiel et al(1989)所称的中地壳滑脱面与昆仑断层一起构成一个巨大的花状构造[21]。

3.3 磁力异常地质解译

在柴中断裂带北部的磁力异常(图5b)亦呈NW-NWW向,其南部磁异常为 EW向,两者明显不同,而且在甘森—德令哈一线的负异常带正是柴中断裂带的位置,徐凤银等(2009)认为是由无磁性的石炭系引起[1]。陈世悦等(2000)认为柴中断裂带以北为古生界变质岩系,断裂以南为古元古宙花岗片麻岩,两侧岩性不同而引起断裂[21-22]。

为了更进一步讨论柴中断裂带(EW向)与中央断裂带NNW向断裂的关系,笔者将重、磁相关系数绘制成异常图(图6)揭示。NWW向断裂受 EW向断裂迁就、歪曲,EW向断裂明显被NWW向断裂所切错,故可认为柴中断裂带的生成要早于中央断裂带。

图6 柴达木盆地中西部地区重磁相关系数异常平面图Fig.6 Plan map showing gravity-magnetis correlation coeficient anomalies in central-west Qaidam basin

4 地壳及岩石圈结构是形成盆地和柴中断裂带的关键因素

地壳和岩石圈上地幔的结构,常被认为是影响盆地形成和演化的因素之一。本区的地壳和岩石圈上地幔具有3个特征[23]:①普遍存在一个连续性的低速层或低阻高导层,其厚度为5～10 km,底界面埋深为25～35 km,P波速度为5.8 km/s,电阻率为1～10Ωm,盆地周边主要为滑-逆剪切带向深部延伸,多消失于此层内,应属于构造滑脱带(或称为局部熔融带);②盆地内中地壳低速层向两侧造山带(祁连山、昆仑山)明显增厚;③莫霍面存在3～10 km隆升现象(图5d),说明在盆地深部存在地幔岩浆底辟作用及与之有关的岩石圈伸展作用,在盆地深部发育的生长同沉积正断层可能就是这种地幔岩浆上拱及中地壳拆离联合作用的结果,也是形成盆地的地球动力学关键因素。

据徐常芳(2003)研究[24],柴达木盆地之下的上地幔高导层的顶面埋深为120～140 km。上地幔高导层反映了深部构造格架,常与我国现今的构造格局相近似,而壳内高导层的上隆区一般对应上地幔高导层的上隆区,壳内高导层下拗区对应于上地幔高导层的下拗区。柴中断裂以南为古老基底,壳内高导层不甚发育;相反,柴中断裂以北发育双壳高导层和壳内高导层,二者的界线恰与柴中断裂带的走向相吻合(图7),这是形成柴中断裂带最为关键的因素。

5 研究柴中断裂带对深部找藏的地质意义

综合上述,柴中断裂带是元古宙古陆块裂解而成,受大别山—秦岭—昆仑山EW向壳断裂的制约,后经历了晋宁、加里东、海西、印支、燕山、喜山等造山运动,特别是喜山期构造事件的影响和盆地内巨厚的新生界覆盖,原来的断裂构造不仅“面目皆非”,而且“埋深隐蔽”。所以研究柴中断裂的成因可为探讨柴达木盆地的地质构造演化史增添了新的内涵。

高分辨地震资料表明,在柴中断裂的三湖地区,第四系气藏湖相地层内发育大量“气烟囱”效应[25]。在地震剖面上表现为弱振幅、弱连续性特征,但在某些区块浅层也会出现强振幅、连续的特点,最显著的特征是具有柱状异常;钻井资料常见有4高(即高空隙流体压力、高地层温度、高泥岩气显示和高天然气湿度)的特征[26]。该区“气烟囱”分布常与NNW向中央断裂带紧密相关(图4),内有西台吉乃尔湖、东台吉乃尔湖、涩聂湖、别勒湖、和布逊湖等盐湖,多 与气田相伴生,如以涩北1号、涩北2号气田为例,地温梯度多在4.1℃/km以上;压力系数大多数为1.15～1.2;最大可达 1.48;地层压力多数位于静水压线以上,深度超过1 000 m会逐渐出现低幅超压,常沿基底断裂构造薄弱地段分布。上述盐湖中Li,B,Cs,Sr,Ba的浓度很高[27],其深部上地幔呈上拱状,中、下地壳具有低速高导层,张景廉(2001)认为油气和膏盐层为无机成因[28]。

图7 中国西部含油气盆地及深部地壳高导层分布示意图[24]Fig.7 The distribution and depth of the petroliferous basins and crustal conductive layer in western China

可能因深部的流(气)体多沿基底断裂带向上运移,地壳中渗漏的含烃类物质参与其中,形成了高温的还原环境并引起矿化,产生了磁铁矿的磁异常分布及氧化还原电流。王志强等(2008)在盆地内三湖地区测定的铁离子分析含量如表3所示,通过磁力平剖面测量发现气藏大多具有高频磁异常,其范围比已知气藏要大得多,并划分出一级高频磁异常2个,二级高频异常13个,前者受 EW向的柴中断裂带制约;后者受NNW向的中央断裂带控制(图8,表3)[29]。

表3 柴达木盆地东部地区铁离子质量分数[29]Table 3 Content of Fe ion in the east Qaidam basin[29]

柴中断裂带的东、西部(即与盆地边界断裂的交汇部位)有望找到中生代陆相油气藏和与古生代烃源岩(石炭系)有关的海相油气藏。因这些地段可能覆盖较浅(图4),特别是东部,从已施工的马北2井原油的油-油、油-岩对比、分析,充分证明在有利的圈闭构造部位[30]仍有有希望发现石炭纪海相油气田。

图8 柴达木盆地三湖地区磁力高频异常分布图[29]Fig.8 Map showing magnetic high frequency anomlies in Sanhu area

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