柴北缘东段中—新生代构造演化及其对油气的控制作用

孙 波 王金铎 王大华 肖永军 张俊锋 柴先平 林 武 陈云锋

（中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院）

0 引言

柴达木盆地是青藏高原北部最大的高原盆地，周边三大山系（昆仑山、祁连山和阿尔金山）将其围限，从钻井、地震部署及油气储量发现规模来看，盆地勘探程度极不均衡，油气储量与探井主要分布于盆地中西部、中浅层，盆地东部以及中深层勘探与研究程度较低，勘探潜力较大[1-13]。柴达木盆地东部包括柴北缘东段及三湖坳陷东部，中—新生代以来，由于构造运动频繁、强烈，导致山盆相间、地层叠置，构造变形与演化过程极其复杂，这直接制约了柴北缘东段油气资源潜力评价和勘探部署。因此，明确不同构造带的残留地层与构造变形特征，明确构造演化过程及其对成烃、成藏的控制，对指导该区的油气勘探具有重要意义[14-16]。

1 残留地层发育特征

1.1 残留地层序列

柴北缘东段东西展布近200km，发育北西向3排逆冲山系，在多期次、多方向应力作用下被控山、控凹断裂切割为多个菱形组合的构造带（图1），现今发育尕西、鱼卡、红山、小柴旦、霍布逊等9个凹陷。近几年通过对露头、钻井及地震资料综合分析表明，柴北缘东段中—新生代发育侏罗系、白垩系、古近系、新近系、第四系，受构造运动的影响，各凹陷残留地层序列平面分布差异较大（图2）。尕丘凹陷、大柴旦凹陷缺失中生界，欧南凹陷缺失中—下侏罗统，中—下侏罗统主要发育在尕西—鱼卡凹陷、红山—小柴旦凹陷及霍布逊凹陷；新生界在各凹陷均有分布，顶底地层分布略有差异。

图1 柴北缘东段构造纲要图Fig.1 Structure outline map of the eastern section of the northern margin of the Qaidam Basin

图2 主要凹陷中—新生界地层序列Fig.2 The sequence of Mesozoic-Cenozoic strata in main sags

1.2 中—下侏罗统残留地层展布

中—下侏罗统是柴北缘东段主要烃源岩发育层位，露头分布较广，在大煤沟、绿草山、大头羊、鱼卡、花石沟、达达肯乌拉山等地区均有出露，大致呈北西向展布（图1）。其中大煤沟、绿草山、鱼卡等地区中—下侏罗统出露较全，厚度较大。鱼东1井、龙1井、圆丘1井、红山参1井、红山1井等钻井及大量煤钻孔揭示中—下侏罗统，其中鱼卡凹陷（龙1井、龙2井、龙6井等）及红山凹陷（红山1井、红山参1井、库1井等）钻井钻遇中—下侏罗统厚度较大，与露头揭示情况基本一致。通过露头、钻井（孔）、电法及地震等资料综合分析，认为柴北缘东段中—下侏罗统平面上呈北西向条带状分布，且具有较强的分隔性，发育多个沉积中心（图3）。

图3 中—下侏罗统残留厚度图Fig.3 The residual thickness map of Middle and Lower Jurassic

2 构造变形特征

2.1 中—新生界地层接触关系

本文以尕西—鱼卡凹陷为例，重点分析中生界与前中生界、新生界接触关系。尕西—鱼卡凹陷是中生界发育较为齐全的凹陷，现今构造格局划分为北部山前冲断带、中部凹陷带、马北反向逆冲带，中部凹陷带被赛南断裂分割为鱼卡凹陷、尕西凹陷两部分[17]。

尕西—鱼卡凹陷北部山前冲断带，由于受祁连山自北向南逆冲作用，奥陶系逆冲推覆至中侏罗统之上，中侏罗统与奥陶系呈断层接触（图4a）。祁连山前ZK42-2、ZK38-4以及ZK36-5等钻孔证实元古宇灰绿色变质岩直接逆冲推覆至中侏罗统之上，呈断层接触关系，钻孔岩心可见角砾状泥岩及砂岩，确认断层存在。绿梁山西北部元古宇逆冲推覆于中侏罗统之上，侏罗系和元古宇呈断层接触。鱼卡凹陷东部ZK7-2奥陶系滩间山群出现重复，上部奥陶系滩间山群逆冲推覆于中侏罗统大煤沟组之上，呈断层接触关系，下部侏罗系与奥陶系滩间山群呈不整合接触关系。

马海尕秀背斜北翼露头下白垩统犬牙沟组地层产状与古近系路乐河组明显不同，呈角度不整合接触（图4b）。由于鱼卡凹陷后期抬升改造，古近系、新近系及中生界剥蚀严重，鱼卡背斜白垩系、古近系及新近系剥蚀殆尽，上侏罗统直接出露地表，而鱼卡凹陷东北部ZK36-9等煤钻孔及野外露头也揭示中侏罗统与上覆第四系呈角度不整合接触。

2.2 构造地质结构与变形特征

受控山、控凹的北西向逆冲断裂和马仙、陵间两条走滑断裂的共同影响，柴北缘东段地区中—新生代构造变形在平面上具有南北分带、东西分区的特征，不同地区的地质结构和构造变形特征差异较大（图5），柴北缘逆冲褶皱带整体表现为3排叠瓦状逆冲推覆体，时序上表现为后展式，这一点也被逆冲断裂的磷灰石裂变径迹（FT）测年所证实[18]。

图4 露头中生界与新生界不整合接触关系Fig.4 Unconformable contact between Mesozoic and Cenozoic on outcrop

图5 构造地质格架及变形特征Fig.5 Structural geologic framework and deformation characteristics

本文将柴北缘逆冲褶皱带自盆缘至盆内划分为：盆缘逆冲（逆掩）推覆构造带、盆内逆冲叠瓦带、前缘逆冲推覆构造带和盆内反冲构造带。盆缘、盆内推覆体以及各推覆体前锋、后翼构造变形与构造样式均有异同。

盆缘逆冲推覆构造带：盆缘山前多发育逆冲推覆构造，变形特征具有上下两层结构。逆冲断裂下盘以逆冲叠瓦构造为主，局部发育对冲和冲起构造；上盘以挤压褶皱变形为主，西部鱼卡构造带发育逆冲叠瓦构造，中部红山构造带发育断弯褶皱、断层传播褶皱等。

盆内逆冲叠瓦带：鱼卡凹陷、小柴旦凹陷挤压褶皱变形较为强烈，构造样式以逆冲叠瓦扇构造为主，基底大都卷入至变形之中，局部发育对冲、背冲构造。大柴旦、欧南凹陷受盆内山体影响较大，与山体整体发生变形，兼具一定走滑特征，发育似花状构造。

前缘逆冲推覆构造带：受盆内北西向赛南—绿南—埃南断裂带的控制，北西向逆冲断裂带大都具有上陡下缓、切入基底深度大的特征。断裂带下盘发育基底卷入式逆冲叠瓦双重构造，局部地层厚度加大，构造样式以断层传播褶皱、断弯褶皱为主。

盆内反冲构造带：主要发育在绿梁山和埃姆尼克山前，在地表上表现为大红沟—哑巴尔—全吉背斜带，呈北西向展布，与山体走向一致，是山前冲断带向盆内深部切入、在其前缘形成反冲断裂控制的长轴状背斜，发育断层传播褶皱、断弯褶皱等构造样式。

3 裂变径迹分析与构造演化恢复

3.1 裂变径迹分析

裂变径迹热年代学是基于对矿物晶体内所含238U发生重核裂变与其裂变半衰期函数关系的研究来完成测年的一种经典的同位素测年手段，是揭示上地壳岩石的冷却历史和地壳运动地表过程的一种有效方法[19-23]。

为了明确柴北缘东段不同构造带的构造活动期次，对不同层位、不同构造位置的野外露头及钻孔岩心系统取样，在美国俄勒冈州立大学辐射中心进行辐照，中国石油大学（北京）热年代学实验室完成裂变径迹测年分析。根据磷灰石颗粒裂变径迹年龄、围限径迹长度与Dpar值，选用HeFTy1.9.1软件对6个样品进行了热史模拟，退火模型根据Ketcham等[20]，曲线拟合采用Monte Carlo法，随机选取10000条，约束条件分别为锆石FT实测数据（封闭温度采用205±18℃）和地表温度20℃。模拟获得了高质量的热史曲线（图6），对这6个样品的热史模拟参数（表1）进行检验，模拟结果质量较高，可以应用。

以A样品为例，该样品采自绿梁山西北缘（取样点具体位置见图1），岩性为元古宇灰绿色变质岩。测得58条围限径迹长度的平均值为11.93μm，这些径迹长度呈单峰正态分布，模拟径迹长度为12.36μm（图6a）。测得了10个磷灰石颗粒的裂变径迹测年中值年龄为76.2±12.4Ma。A样品的热史曲线包括4段：①缓慢冷却剥蚀（134—43Ma），冷却速率为0.38℃/Ma；②快速冷却抬升（43—26Ma），冷却速率为2.4℃/Ma；③稳定期（26—3Ma）；④迅速冷却抬升（3Ma以来），冷却速率为20℃/Ma。自晚白垩世以来，持续隆升运动，其两次快速抬升活动分别对应于古新世至渐新世和第四纪至今两个时段。

同样位于凹陷区的D样品（红山凹陷）和F样品（霍布逊凹陷）都经历了两次沉降与隆升，但红山凹陷的活动强度要弱于霍布逊凹陷，且时间上有较大差别。山前带体现持续隆升特征，且均存有两次快速抬升冷却的现象，不同的是位于柴北缘东段南缘山系的样品所表现出的新构造运动强烈抬升现象（图6）。位于红山的B样品和位于欧龙布鲁克山的E样品两次隆升的强度类似，第一次隆升欧山较晚；位于绿梁山的A样品和位于锡铁山的C样品两次隆升的强度类似，都强于位于北部的红山和欧山。总的来说，样品的热史曲线与冷却、升温特性分段在某些时间段上并不完全一致，但类似的构造位置总体上表现出相似的特性。全区两次大的构造隆升运动分别对应于晚白垩世至古新世（燕山运动晚期）和渐新世至今（喜山运动期），不同构造部位的沉降或隆升的时间、活动强度存在差异。造成这种差异性的原因一方面是由于不同构造带受挤压应力的方向、大小和作用时间是不同的，另一方面是由于不同基底岩层刚性强度的差异导致凸起成因机制的差异[24]。

3.2 构造演化恢复

通过柴北缘东段区域构造背景、构造运动、不整合面、地层分布、沉积特征和构造演化史的综合分析，可将研究区构造演化分为4个阶段[25-28]（以鱼卡凹陷—马海构造带为例，图7）：

图6 磷灰石裂变径迹热史模拟结果Fig.6 Simulation results of geothermal history by apatite fission track

表1 磷灰石热史模拟的K—S检验值和年龄GOF值Table 1 K—S inspection values and age GOF values of geothermal history simulation by apatite fission track

燕山早中期（中侏罗世—早白垩世）伸展弱断陷—挤压坳陷阶段：尕西凹陷、鱼卡凹陷为同一个沉积单元，具有相同的沉积相类型，发育中侏罗统为主的弱断陷—坳陷沉积。马北凸起和柴旦凸起表现为古隆起，控制了中侏罗统的沉积，中侏罗统不整合于元古宇之上。

燕山晚期（晚白垩世）挤压隆升阶段：在北东—南西向强烈挤压作用下，盆缘南祁连断裂以及盆内控山、控凹的赛南断裂、绿南断裂和马仙断裂形成（或活化）并强烈活动，分别控制了鱼卡凹陷、绿梁山低凸起、马北凸起的形成及演化。位于赛南断裂上盘的鱼卡凹陷被整体抬升剥蚀，白垩系剥蚀强烈，仅在深凹部位残留，盆缘山前抬升幅度比较大，其剥蚀程度也最为强烈，白垩系剥蚀殆尽。绿南断裂控制的绿梁山低凸起形成并抬升至地表，上部中生界剥蚀殆尽。马仙断裂切穿尕西凹陷边部，部分中生界被抬升剥蚀。

喜马拉雅早期（始新世—中新世）弱挤压坳陷阶段：赛南断裂、马仙断裂持续活动，表现为逆冲断裂特征，双向对冲的地质结构继承发育，断裂下盘的尕西凹陷沉积较厚的渐新统—上新统，上盘的鱼卡凹陷、马北凸起、绿梁山低凸起均表现为披覆沉积，鱼卡凹陷和马北凸起被分割开来，造成原始沉积及埋深的差异，形成双向对冲地质结构。绿南断裂活化并进一步强烈冲断，绿梁山被抬升至地表。鱼卡凹陷收缩变形最为强烈，内部形成三大叠瓦状逆冲背斜带，核部出露侏罗系。

喜马拉雅晚期（上新世至今）强烈逆冲阶段：盆缘祁连山前受侏罗系内部煤层等软地层的作用，发育逆冲推覆构造，推覆体中形成一系列南西倾的叠瓦状逆冲构造，其中第四系被卷入变形之中，形成了现今的构造形态。

图7 鱼卡凹陷—马海构造带构造演化剖面Fig.7 Structural evolution profile of Yuka sag-Mahai tectonic belt

4 构造演化对油气的控制作用

4.1 构造演化对成烃的控制作用

柴北缘东段有效生烃凹陷与构造演化有着密切的关系，构造演化对烃源岩的控制主要表现在两个方面：一是控制了中—下侏罗统原始沉积与残留地层展布；二是控制了烃源岩的演化程度，进而控制了有效的生烃中心。构造运动期次和强度控制了中—下侏罗统烃源岩有机质热演化过程和生排烃期次。由于复杂的构造演化，柴北缘东段各生烃洼陷的有机质热演化具有明显的差异。

以尕西—鱼卡凹陷为例，赛南断裂下盘的尕西凹陷为持续沉积单元，未经历较大规模的抬升与剥蚀，沉积了较厚的新生界。渐新世早期进入生烃门限，门限深度在3400m左右，中新世—上新世早期时期为主要的生油高峰期；上新世后期埋深达6000m以上，进入高成熟早期阶段；喜马拉雅时期抬升，至今处于凝析油和湿气早期阶段（Ro=1.3%～1.5%）。目前，尕西凹陷侏罗系烃源岩埋深较大，一般为6000～7500m，最大可达10000m，烃源岩进入成熟—高成熟演化阶段。通过油源对比，马北油田和绿梁山元古宇基岩油苗的原油来自于尕西凹陷的成熟油气，证实了尕西凹陷侏罗系烃源岩已经成熟。赛南断裂上盘的鱼卡凹陷在白垩系沉积后经历了构造抬升和地层剥蚀作用，上新世中后期中侏罗统烃源岩埋深为3400m，Ro为0.7%，烃源岩开始大量排烃，上新世末期受喜马拉雅晚期构造运动影响，鱼卡凹陷整体抬升，侏罗系上覆地层遭到剥蚀，新近系厚度薄，降低了中侏罗统烃源岩的埋深和温度，从而导致生油期结束。鱼卡凹陷中侏罗统烃源岩现今埋深较浅，一般为1500～3000m，烃源岩处于低成熟演化阶段。

4.2 构造演化对成藏的控制作用

多期构造运动造就了柴北缘东段数量众多、类型多样的圈闭。按形成时间，圈闭类型可以划分为3类，分别为燕山晚期以来继承性发育的古隆起，燕山晚期以来加强的圈闭和喜马拉雅晚期形成的圈闭。构造演化的不同阶段控制了各类型圈闭的形成和演化，燕山末期、喜马拉雅晚期是主要的圈闭形成期，喜马拉雅早期是圈闭的继承和加强期，喜马拉雅晚期是圈闭的改造和定型期。由于喜马拉雅晚期构造运动对柴北缘东段的改造作用非常强烈，因此燕山期以来继承性发育的古隆起和喜马拉雅早期发育的古构造是深层油气运移的有利指向。马北凸起是燕山期以来继承性发育的古隆起，其形成及演化受马仙断裂控制，沿次级断裂带发育一系列呈北西西走向的断鼻和断背斜构造，自西向东依次为南八仙、马西、马海、马北、马海东等构造。马海东与马北构造带相邻，油气藏多发育于断裂上盘，受构造控制明显，表现为构造高点控油气分布的特征。

断层在油气成藏过程中具有遮挡和通道双重作用。在构造强烈活动期，断层主要起着输导作用；而在构造相对稳定期，断层主要起封堵作用[29-30]。马仙和绿南两大油源断裂自始新世以来一直处于持续活动期，断层开启；尕西凹陷在始新世末进入生烃门限，中新世进入生排烃高峰期，与断裂活动性具有良好的匹配关系，是侏罗系油气进入上部凸起区聚集成藏的主要垂向运移通道。断裂的封堵性控制了油气藏的富集程度，喜马拉雅晚期构造运动强度对油气藏后期保存程度的影响较大。

马海东构造带紧邻尕西生烃凹陷，其构造为燕山期以来发育的继承性古构造，油源断裂时空匹配较好，后期保存条件较好，是有利的勘探区带。位于马海东地区的L1井钻遇E3g下、Pt油层，其中E3g下2-5油层38.7m/4层（有效厚度为34.2m）、差油层4.5m/2层，Pt油水同层4.8m/3层，试油E3g下4-5测试获工业油流，其中4砂组压后抽汲日产油3.65m3，5砂组射孔自喷最高日产气3946m3，试油共累计产油33.15m3，实现了该区域多层系、多类型的油气发现，证实了以上认识（图8）。

图8 马海东构造带L1井区油气成藏模式图Fig.8 Hydrocarbon accumulation pattern in Well L1 in Mahaidong tectonic belt

5 结论

对于柴北缘东段中—新生代残留地层的认识，与前人“广盆沉积”的观点不同，本文认为中—下侏罗统有多个沉积中心且分隔性较强。受多期次构造运动的影响，柴北缘东段不同凹陷与不同山系的沉降、隆升活动时间与强度存在差异，南部凹陷的活动强度要大于北部凹陷，南缘山系的隆升活动相对北部山系更为强烈，喜马拉雅晚期构造运动对于研究区的改造作用尤为突出。

柴北缘东段构造演化对油气的控制作用主要体现在成烃、成藏两个方面：控制了中—下侏罗统原始沉积、残留地层展布以及烃源岩的演化程度，持续埋深的凹陷烃源岩进入成熟—高成熟演化阶段，整体抬升的凹陷烃源岩处于低成熟演化阶段；控制了圈闭的有效性以及输导体系的时空匹配，圈源匹配较好且相对稳定的古构造是深层油气运移的有利指向。

马海东地区的油气发现给柴北缘东段的勘探带来启示：一是要落实持续埋深型凹陷的生排烃潜力；二是要明确成藏要素的时空匹配。随着基础研究与勘探工作的逐步推进，相信将会有更多的油气发现。