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 地球科學學院，江西 南昌 330013； 2.東華理工大學 核資源與環(huán)境國家重點實驗室，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、成礦流體運移等方面的研究[2]，對于盆地的構(gòu)造演化的認識相對較薄弱，影響了研究區(qū)內(nèi)有效找礦進展。因此，需要從構(gòu)造幾何學以及動力學角度入手，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，恢復盆地構(gòu)造格架和演化過程，不同學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條地震剖面進行二維構(gòu)造地層解釋和平衡恢復，認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，恢復了烏蘭花凹陷古地貌和構(gòu)造發(fā)育史，認為賽漢組沉積時期湖盆萎縮并發(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。梁越[5]利用三維連片地震資料對巴音都蘭凹陷進行地層空間延展性特征變化研究，認為白堊系巴彥花群地層沉積時期為凹陷發(fā)育的鼎盛時期，并且劃分了4個構(gòu)造演化階段。徐強[6]選取腦木根和呼仁布齊兩個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，到賽漢組沉積時期進入斷坳轉(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行平衡剖面恢復，計算并統(tǒng)計各時期地層長度、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，有助于深化認識整個二連盆地的構(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個凹陷和22個次級凸起。

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、西兩個洼槽，兩個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[11]修改)Fig.1 Comprehensive histogram of strata in Tabei sag (modified after reference [11])

在白堊紀期間，塔北凹陷經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動：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，同時也控制了白堊紀至新近紀的沉積與發(fā)展。早白堊世晚期，由于太平洋板塊運動方向由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[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個強反射界面。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期，斷層開始活動，形成凹陷雛形，而騰格爾組沉積時期主要為斷陷沉積，此時斷層活動加??；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 平衡剖面恢復及伸展量、伸展率計算

3.1 平衡剖面恢復

在進行平衡剖面恢復時，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)造恢復精度，同時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軟件對平衡剖面進行恢復。具體包括以下幾個步驟(圖4)：①時深轉(zhuǎn)換；②去壓實恢復；③斷距消除和層拉平恢復；④定量參數(shù)測定。通過對地震剖面進行平衡恢復，可以再現(xiàn)盆地的構(gòu)造演化過程，了解不同時期盆地發(fā)育特征和盆地伸展量，從而有利于揭示盆地形成機制。其平衡恢復結(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，沉積范圍加大。在賽漢組沉積時期，賽下段在兩個地塹內(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，沉積范圍進一步擴大，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期的構(gòu)造面貌，凹陷持續(xù)沉降，并不斷擴大加深。在騰二段沉積時期，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、伸展率計算

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

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

從塔北凹陷各時期伸展率和伸展量變化趨勢上看(圖8)，阿爾善組沉積時期，各剖面總體伸展長度較小(0.046～0.226km)，伸展率較低(0.439%～1.959%)，此時塔北凹陷處于裂陷初始階段。騰二段沉積時期各個剖面伸展率(3.033%～4.167%)遠大于其他沉積時期，此時凹陷處于強烈構(gòu)造活動期。賽漢組沉積時期凹陷伸展率發(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)換時期。對比不同剖面伸展率發(fā)現(xiàn)，塔北凹陷各時期的伸展率變化特征與構(gòu)造演化歷程相耦合，呈現(xiàn)出先增強后減弱的狀態(tài)，表明伸展作用“由弱向強再減弱”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)造演化的認識，根據(jù)塔北凹陷各個地震剖面構(gòu)造演化圖分析認為：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，是一個長期、繼承性發(fā)育、保存相對完整的凹陷，在侏羅紀末期初具雛形，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。塔北凹陷白堊紀構(gòu)造演化大致經(jīng)歷了四期構(gòu)造運動：

1)阿爾善沉積期，北西部主干斷層開始活動，凹陷塊體沿斷面下滑，開始接受沉積，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，后期隨著湖盆的擴張在凹陷西部沉積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，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)進一步發(fā)育，伸展應力持續(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。

平衡剖面恢復及伸展率計算結(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。騰二段沉積時期伸展量和伸展率達到頂峰，反映了凹陷在該時期構(gòu)造活動強烈，處于強烈拉張狀態(tài)。賽漢組沉積時，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，并且在騰二段時期達到頂峰。賽漢期凹陷整體受斷裂影響微弱，沉積中心逐漸遠離主干斷層，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)。