李宗星， 彭博， 馬寅生， 胡俊杰， 魏小潔, 馬立成， 方欣欣， 楊元元, 劉奎

(1.自然資源部古地磁與古構(gòu)造重建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081; 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所頁(yè)巖油氣調(diào)查評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081;3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心,北京 100037)

0 引言

柴達(dá)木盆地是中國(guó)西部三大含油氣盆地之一，目前油氣主力產(chǎn)層為冷湖地區(qū)侏羅系[1-5]、柴西尕斯庫(kù)勒地區(qū)古近系—新近系[6-10]和三湖地區(qū)第四系自生自儲(chǔ)生物氣[11-15]。深部海相地層研究始于20世紀(jì)90年代初，在“新盆地、新層系、新類型、新領(lǐng)域”勘探思路指導(dǎo)下，柴達(dá)木盆地石炭系逐漸受到重視，在構(gòu)造[16-20]、沉積[21-22]、地層展布[23-24]、烴源巖[25-29]與儲(chǔ)層[30-31]發(fā)育等研究方面取得重要進(jìn)展。柴達(dá)木盆地石炭系等深部海相地層油氣出露點(diǎn)調(diào)查、烴源巖評(píng)價(jià)[32]、區(qū)域熱歷史-生烴史模擬[33-34]及油氣運(yùn)聚分析顯示，該區(qū)以石炭系為代表的深部海相地層具備生烴能力且存在油氣運(yùn)移過程，石炭系油氣至少存在兩期運(yùn)聚過程[35]。柴達(dá)木盆地東北緣的原油證據(jù)進(jìn)一步證明，新生界原油有來自石炭系烴源巖的貢獻(xiàn)[36]，且沿大型斷裂帶與區(qū)域性不整合面運(yùn)移和聚集[37-38]。總體來說，前期工作具有以下特點(diǎn)： (1)盆地演化史研究主要集中在柴西中生代—新生代主力烴源巖； (2)柴東石炭系烴源巖發(fā)育良好，油氣地化指標(biāo)好，但主力烴源巖的熱演化、生、排等動(dòng)態(tài)過程尚未開展研究； (3)前期柴東石炭系油氣成藏過程仍停留在定性分析階段，定量化表征與主控因素分析工作亟待開展。

根據(jù)石炭系區(qū)域調(diào)查、二維地震采集及鉆探成果，開展了石炭系地層追蹤及構(gòu)造分析，同時(shí)開展了綜合區(qū)域調(diào)查、平衡剖面反演，鏡質(zhì)體反射率、磷灰石裂變徑跡與(U-Th)/He、鋯石裂變徑跡聯(lián)合反演，獲取了柴達(dá)木盆地主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期次與剝蝕量，結(jié)合盆地模擬技術(shù)，重建了石炭系埋藏史，分析了石炭系主力烴源巖油氣地化指標(biāo)，研究了烴源巖生烴演化史及其控制因素。研究成果一方面對(duì)分析柴達(dá)木盆地古地貌演化、盆地構(gòu)造成因等具有重要意義，另一方面也為柴達(dá)木盆地海相油氣勘探工作提供了科學(xué)依據(jù)，可直接服務(wù)于生產(chǎn)。

1 地質(zhì)概況

柴達(dá)木盆地位于青藏高原北部，分別被祁連山、昆侖山和阿爾金山所限，是青藏高原北部大型新生代山間盆地(圖1(a))。德令哈坳陷位于柴達(dá)木盆地東部，夾持于宗務(wù)隆山和埃姆尼克山之間(圖1(b))。德令哈坳陷以二級(jí)斷裂及局部構(gòu)造圈閉發(fā)育特征為依據(jù)，劃分出德令哈凹陷、歐龍布魯克隆起、歐南凹陷、埃姆尼克隆起、霍布遜凹陷二級(jí)構(gòu)造單元，呈現(xiàn)“三凹夾二隆”的構(gòu)造格局，隆起、凹陷相間發(fā)育，沿NW—NWW向展布[39]。德令哈坳陷內(nèi)元古宇、古生界和中生界均有發(fā)育，但未見二疊系、三疊系發(fā)育，侏羅系直接覆蓋于石炭系之上，斷層多為逆斷層。坳陷內(nèi)石炭系分布廣泛，埋深較大，但未發(fā)生變質(zhì)，泥巖主要發(fā)育于上石炭統(tǒng)克魯克組與扎布薩尕秀組海陸過渡相煤系中，有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型，處于成熟—高成熟演化階段。

圖1 柴達(dá)木盆地德令哈坳陷構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural location of Delingha depression in Qaidam Basin

2 調(diào)查重要進(jìn)展

2.1 柴達(dá)木盆地海相石炭系油氣重要發(fā)現(xiàn)

近年來針對(duì)石炭系露頭及鉆井的烴源巖地化分析表明，石炭系烴源巖具有有機(jī)質(zhì)豐度高、中等成熟度、有機(jī)質(zhì)類型好的特點(diǎn)，打破了“古生界為變質(zhì)結(jié)晶基底，存在古老陸塊”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。同時(shí)，“牛鼻子梁—達(dá)布遜古陸”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)也受到挑戰(zhàn)。柴頁(yè)2井、青德地1井、尕丘1井、石淺1井、霍參1井及一批煤炭鉆孔均鉆遇了石炭系，個(gè)別鉆井處于原古陸范圍內(nèi)。鉆井標(biāo)定的重磁電震綜合解釋顯示，柴達(dá)木盆地中生界以下石炭系廣泛發(fā)育，厚度超過1 000 m的石炭系分布面積達(dá)10萬km2(圖2(a))，發(fā)現(xiàn)并初步落實(shí)柴東構(gòu)造圈閉23處。綜合柴達(dá)木盆地石炭系各項(xiàng)油氣地質(zhì)條件，逐步證實(shí)石炭系為該區(qū)油氣勘探的新層系，具備形成大型油氣田的地質(zhì)條件。以該認(rèn)識(shí)為指導(dǎo)，對(duì)有利區(qū)歐南凹陷的柴頁(yè)2井開展含氣性驗(yàn)證(圖2(b))，優(yōu)選上石炭統(tǒng)克魯克組致密含氣層,實(shí)施了含氣性測(cè)試(1 080～1 060 m，820～800 m)(圖2(c))。首次在柴達(dá)木盆地石炭系獲得油氣流，壓裂試氣最高流量為55.52 m3/h，天然氣流穩(wěn)定產(chǎn)量為488.30 m3/d，8 mm油嘴放噴，點(diǎn)火火焰高度為2～2.5 m，產(chǎn)輕質(zhì)油0.65 m3，證實(shí)了柴達(dá)木盆地古生界海相新層系廣闊的油氣資源前景。

圖2 柴達(dá)木盆地石炭系殘余厚度圖(a)、柴頁(yè)2井地理位置(b)及柴頁(yè)2井石炭系測(cè)試層段柱狀圖(c)Fig.2 Carboniferous residual thickness in Qaidam Basin (a),location of well Chaiye 2 (b),histogram of Carboniferous test section of well Chaiye 2 (c)

2.2 柴達(dá)木盆地晚古生代以來主要構(gòu)造演化期次

采用野外地質(zhì)調(diào)查、磷灰石裂變徑跡年齡分布特征定性分析與徑跡長(zhǎng)度分布數(shù)據(jù)定量模擬[39]等相結(jié)合的方法，初步查明了柴達(dá)木盆地晚古生代以來主要經(jīng)歷了6期構(gòu)造事件： 印支運(yùn)動(dòng)期(254.0～199 Ma，177～148.6 Ma)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致了石炭系抬升、剝蝕； 燕山運(yùn)動(dòng)(87～62 Ma)相對(duì)較弱，表現(xiàn)為早期的弱伸展與晚期NE-SW向擠壓； 喜山運(yùn)動(dòng)在該區(qū)域多期發(fā)育，主要為喜山運(yùn)動(dòng)早期(41.1～33.6 Ma)和喜山運(yùn)動(dòng)晚期(9.6～7.1 Ma，2.9～1.8 Ma)，其中晚喜山運(yùn)動(dòng)造成了先存斷裂的再次活化[40]。

三疊紀(jì)柴北緣宗務(wù)隆構(gòu)造帶上的印支期造山作用和同期的阿爾金基底走滑作用，結(jié)束了柴達(dá)木盆地海相沉積歷史，開啟了陸相盆地發(fā)育階段； 早中侏羅世，處于造山后伸展階段，柴北緣發(fā)育一系列斷陷盆地； 晚侏羅世到白堊紀(jì)，柴達(dá)木盆地整體處于陸內(nèi)造山演化階段，盆地發(fā)育一系列擠壓逆沖構(gòu)造及坳陷盆地沉積； 路樂河組沉積時(shí)期，柴達(dá)木盆地處于弱伸展階段，發(fā)育斷陷盆地沉積； 上、下干柴溝組沉積時(shí)期，盆地處于弱擠壓階段，屬于坳陷盆地沉積時(shí)期； 獅子溝組到七個(gè)泉組沉積時(shí)期，伴隨著印度板塊與歐亞板塊的陸陸碰撞作用，應(yīng)力持續(xù)向北部傳遞，導(dǎo)致柴達(dá)木盆地周緣山系的快速隆升，同時(shí)沿著原始構(gòu)造薄弱面發(fā)生斷層的逆沖活動(dòng)，柴達(dá)木盆地周緣山系擠壓隆升，處于強(qiáng)烈剝蝕期。

2.3 柴達(dá)木盆地關(guān)鍵構(gòu)造期次剝蝕量

晚古生代以來，柴達(dá)木盆地東部先后經(jīng)歷了3期重要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造，即晚海西—印支運(yùn)動(dòng)(晚二疊世—三疊紀(jì))、晚燕山運(yùn)動(dòng)(晚白堊世)、晚喜山運(yùn)動(dòng)(中新世—上新世)，這使得晚古生代的原型盆地信息被嚴(yán)重破壞。然而，基于現(xiàn)今殘留的石炭系地質(zhì)信息恢復(fù)晚海西—印支期剝蝕量，必然會(huì)受到后期盆地演化的干擾，增加了研究區(qū)晚海西—印支期剝蝕量恢復(fù)難度。因此，必須在詳細(xì)分析3期不整合面發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，利用古溫標(biāo)法與地震地層趨勢(shì)延伸法，對(duì)晚喜山期與晚燕山期剝蝕量進(jìn)行估算，同時(shí)綜合殘留石炭系在印支運(yùn)動(dòng)之前的最大古埋深信息，然后再重點(diǎn)恢復(fù)晚海西—印支期剝蝕量。

2.3.1 晚喜山期剝蝕量

晚喜山運(yùn)動(dòng)使柴達(dá)木盆地東部發(fā)生強(qiáng)烈擠壓隆升，形成了第三系與第四系之間的角度不整合面，該不整合面在全盆地范圍內(nèi)均明顯發(fā)育，表現(xiàn)為第三系及之前地層強(qiáng)烈褶皺變形并被隆升剝蝕，第四系不整合覆蓋于其上。根據(jù)已有熱年代學(xué)數(shù)據(jù)(AHe、AFT)、地震剖面及區(qū)域地質(zhì)等資料，利用古溫標(biāo)法和地震地層趨勢(shì)延伸法等對(duì)研究區(qū)30個(gè)控制點(diǎn)的晚喜山期剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)。結(jié)果表明，柴達(dá)木盆地東部晚喜山期剝蝕量變化范圍為200～4 400 m(圖3)，總體表現(xiàn)為盆地邊緣或構(gòu)造隆起部位剝蝕量大，凹陷內(nèi)或構(gòu)造活動(dòng)平緩部位剝蝕量相對(duì)較小。其中，盆地南緣剝蝕量達(dá)到了1 200～4 400 m，往霍布遜凹陷中心迅速減小至200～800 m。另外，也有從西往東逐漸減小后又增大的趨勢(shì)，歐龍布魯克凸起晚喜山期剝蝕量普遍增大至1 600～2 800 m，德令哈凹陷剝蝕量變化范圍為1 400～2 200 m。

圖3 柴達(dá)木盆地東部晚喜山期剝蝕量等值線圖Fig.3 Contour map of the erosion rate of Late Himalayan in Eastern Qaidam Basin

2.3.2 晚燕山期剝蝕量

晚燕山運(yùn)動(dòng)形成的不整合面主要表現(xiàn)為侏羅系(白堊系)與第三系(第四系)之間的角度不整合接觸，部分地區(qū)存在侏羅系(白堊系)與第三系(第四系)平行不整合接觸，仍有部分區(qū)域缺失侏羅系與白堊系，第三系直接不整合于前中生界之上。晚燕山期剝蝕量恢復(fù)結(jié)果表明，柴達(dá)木盆地東部晚燕山期剝蝕量為500～2 300 m(圖4)，剝蝕量總體由盆地邊緣往盆地中心逐漸減小，且研究區(qū)西段剝蝕量明顯大于研究區(qū)東段。盆地南緣的剝蝕量為1 100～2 000 m，盆地北緣的剝蝕量增大到1 200～2 300 m，至盆地中心逐漸減小到500～1 000 m。

2.3.3 晚海西—印支期剝蝕量

晚海西—印支運(yùn)動(dòng)對(duì)盆地邊緣的擠壓抬升作用較強(qiáng)，往盆地內(nèi)逐漸減弱，但盆地內(nèi)亦有強(qiáng)烈隆升剝蝕區(qū)。該時(shí)期不整合面特征主要表現(xiàn)為侏羅系(白堊系)與前中生界之間的角度不整合接觸。晚海西—印支期剝蝕量恢復(fù)結(jié)果表明，印支運(yùn)動(dòng)(三疊紀(jì))之前，柴達(dá)木盆地東部殘留石炭系頂界面埋深普遍超過2 500 m，古地溫梯度變化范圍為37～43 ℃/km。晚海西—印支期剝蝕量為2 100～4 300 m(圖5)，剝蝕量總體由盆地南緣往北緣逐漸減小。柴東南緣的剝蝕量為3 600～4 300 m，往柴東北緣逐漸減小到2 100～3 100 m，僅穿山溝一帶達(dá)到了3 700 m，剝蝕量橫向變化較大。

圖4 柴達(dá)木盆地東部晚燕山期剝蝕量等值線圖Fig.4 Contour map of the erosion rate of Late Yanshanian in Eastern Qaidam Basin

圖5 柴達(dá)木盆地東部晚海西—印支期剝蝕量等值線圖Fig.5 Contour map of the erosion rate of Late Hercynian-Indosinian in Eastern Qaidam Basin

2.4 柴達(dá)木盆地石炭系烴源巖成熟度演化史研究

柴達(dá)木盆地石炭系熱演化史主要表現(xiàn)為“存在二次生烴，晚期生烴為主”的特點(diǎn)(圖6)。研究區(qū)石炭系烴源巖在早二疊世進(jìn)入生烴門限，開始生烴，主要以生油為主。后受控于海西運(yùn)動(dòng)，地層抬升，遭受剝蝕，生烴停止，在石炭系露頭砂巖中發(fā)現(xiàn)了早期的瀝青充填，證實(shí)了早期的生烴事件。印支運(yùn)動(dòng)期，研究區(qū)遭受近南北向擠壓，石炭系繼續(xù)抬升剝蝕； 晚燕山期，德令哈坳陷擠壓撓曲，為坳陷期，石炭系再次深埋，并在古新世達(dá)到最大埋藏，石炭系烴源巖再次達(dá)到生烴溫度，并大規(guī)模生烴，主要以產(chǎn)氣為主； 古新世—上新世為石炭系主力生烴期； 喜山運(yùn)動(dòng)晚期研究區(qū)南北向擠壓持續(xù)加強(qiáng)，在德令哈坳陷周緣靠近老山前表現(xiàn)為逆沖推覆，在坳陷腹地，石炭系發(fā)生褶皺，變形強(qiáng)度不均勻。

(a) 柴頁(yè)2井 (b) 冷科1井

圖6 柴達(dá)木盆地德令哈坳陷柴頁(yè)2井(a)、冷科1井(b)埋藏史、熱史模擬

Fig.6 Modeling results of burial and thermal history of well Chaieye 2 (a) and Lengke 1 (b) in Delingha depression of Qaidam Basin

3 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)石炭系分布的控制

研究區(qū)構(gòu)造演化總體上反映了統(tǒng)一的構(gòu)造背景，但由于地質(zhì)條件的差異，在不同的位置呈不同的演化模式，因此，分別選取了NW向2條及NE向2條剖面開展構(gòu)造演化研究。其中NE向剖面橫跨諾木洪凹陷、埃姆尼克山、歐南凹陷、德令哈凹陷等構(gòu)造單元。

以NE向(545-00054測(cè)線)構(gòu)造演化史分析為例，該剖面橫跨宗加斷裂、諾木洪凹陷、埃姆尼克山、歐南凹陷及德令哈凹陷。諾木洪凹陷邊界為宗加斷裂和埃南斷裂，自西向東逐漸變窄，東部基底較西部更具剛性，因而其變形主要以脆性為主，斷裂活動(dòng)更頻繁(圖7)。

印支運(yùn)動(dòng)晚期(侏羅系沉積前)，宗加斷裂和控制埃姆尼克山形成的埃南斷裂形成強(qiáng)烈對(duì)沖，宗加斷階和埃東低凸起石炭系大部分被剝蝕或剝蝕殆盡。諾木洪凹陷石炭系殘留分布具有南北薄中間厚的特點(diǎn)，中部殘留上石炭統(tǒng)，斷裂非常發(fā)育。

燕山運(yùn)動(dòng)晚期(古近系沉積前)，受強(qiáng)烈擠壓作用，埃姆尼克凸起形成，凸起之上中生界明顯減薄，說明該時(shí)期凸起再次遭受較強(qiáng)剝蝕。中侏羅統(tǒng)局部發(fā)育，僅小范圍分布于埃南斷裂以南。晚侏羅世—早白堊世，全區(qū)接受沉積，具有坳陷型廣盆特征，古地形控制分布，歐北斷裂兩側(cè)見超覆現(xiàn)象。宗加斷裂及印支運(yùn)動(dòng)末期形成的次級(jí)斷裂均有活動(dòng)，控制上侏羅統(tǒng)沉積，地震剖面上可見其地層超覆現(xiàn)象。

圖7 宗加斷階-諾木洪凹陷-埃東低凸起-歐南凹陷-德令哈凹陷構(gòu)造演化剖面圖Fig.7 Tectonic evolution section of Zongjia fault order- Nuomuhong depression-Edong low bulge- Ou’nan depression-Delingha depression

喜山運(yùn)動(dòng)晚期強(qiáng)烈擠壓作用使埃南、歐南等老斷層活化，兩個(gè)凸起區(qū)繼承性發(fā)育，但前石炭系未出露地表。諾木洪凹陷、德令哈凹陷的古近系—第四系沉積厚度較大，總體趨勢(shì)為向南、向北減薄。該剖面現(xiàn)今長(zhǎng)度為131.06 km，石炭系沉積后為194.63 km，壓縮量為63.57 km，壓縮率為67.34%。

總體來看，印支末期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了本區(qū)石炭系殘留分布，主要分布于歐南凹陷局部、諾木洪凹陷大部以及德令哈凹陷。歐南凹陷西部深洼在印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期石炭系保存較好，殘留部分上石炭統(tǒng)，向東全被剝蝕。凹陷內(nèi)部石炭系殘留厚度差異較大，主要受該期形成的一系列逆沖斷裂控制，斷裂上盤均遭受不同程度的剝蝕，厚度較下盤明顯變薄。諾木洪凹陷在印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期差異剝蝕較明顯，受凹陷內(nèi)部多條逆沖斷層的影響，上石炭統(tǒng)僅在凹陷中部斷層對(duì)沖區(qū)域殘存，且范圍局限，下石炭統(tǒng)厚度也不均一。德令哈凹陷總體上殘存較完整的石炭系，受祁連山持續(xù)逆沖作用影響，向北逐漸減薄。印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期隆升的埃姆尼克凸起、歐龍布魯克凸起、全吉凸起等，石炭系剝蝕厚度均較大，盆地邊緣斷裂活動(dòng)量較大，導(dǎo)致石炭系剝蝕殆盡。因此，印支末期的差異隆升是控制石炭系殘留厚度以及造成殘留厚度差異較大的主要原因。印支運(yùn)動(dòng)末期以后，本區(qū)雖經(jīng)歷了多期運(yùn)動(dòng)改造，但對(duì)石炭系殘留影響較小，受影響的區(qū)域主要為持續(xù)活動(dòng)抬升的埃姆尼克凸起區(qū)和歐龍布魯克凸起區(qū)。燕山運(yùn)動(dòng)和喜山運(yùn)動(dòng)控制了中新生界的殘留，造就了現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)，同時(shí)控制了石炭系埋深。

4 結(jié)論

(1)首次在柴達(dá)木盆地石炭系獲得油氣流，取得柴達(dá)木盆地古生界海相新層系油氣的重要發(fā)現(xiàn)，打破了柴達(dá)木地區(qū)“古生界為變質(zhì)結(jié)晶基底，存在古老陸塊”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。經(jīng)調(diào)查確認(rèn)石炭系未變質(zhì)，具備良好的油氣地質(zhì)條件，提出石炭系“晚期、多類型”的成藏理論認(rèn)識(shí)。

(2)柴達(dá)木盆地晚古生代以來主要經(jīng)歷了6期顯著的構(gòu)造事件。Ⅰ(254.0～199 Ma) 該構(gòu)造事件揭開了柴達(dá)木盆地中、新生代構(gòu)造演化的序幕； Ⅱ(177～148.6 Ma)區(qū)域由早期的溫暖-潮濕氣候轉(zhuǎn)變?yōu)楹笃诘母稍镅趸瘹夂颍?Ⅲ(87～62 Ma)柴達(dá)木盆地東部緩慢隆升遭受剝蝕，柴北緣在弱擠壓環(huán)境下形成坳陷盆地； Ⅳ(41.1～33.6 Ma)是盆地對(duì)印度板塊和歐亞板塊碰撞早期的響應(yīng)； Ⅴ(9.6～7.1 Ma) 青藏高原的強(qiáng)烈隆升誘發(fā)了柴達(dá)木盆地快速隆升，并遭受剝蝕, 盆地周緣變形強(qiáng)烈； Ⅵ (2.9～1.8 Ma)盆地遭受強(qiáng)烈擠壓、隆升與構(gòu)造變形，導(dǎo)致先存斷裂普遍遭受強(qiáng)烈改造，先期褶皺得到進(jìn)一步發(fā)展。

(3)柴達(dá)木盆地德令哈坳陷石炭系烴源巖熱演化史主要表現(xiàn)為“存在二次生烴，晚期生烴為主”的特點(diǎn)，主要受該區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制。德令哈坳陷石炭系埋藏史主要表現(xiàn)為快速埋藏期、穩(wěn)定期與強(qiáng)烈抬升剝蝕期，新生代以來沉降史與抬升剝蝕史存在著差異，主要受控于青藏高原隆生的遠(yuǎn)程效應(yīng)與阿爾金構(gòu)造帶新生代以來的左旋走滑作用。