二连盆地塔北凹陷西部早白垩世断—坳发育特征研究

doi:10.11720/wtyht.2022.1413

二连盆地塔北凹陷西部早白垩世断—坳发育特征研究

陈念楠^,¹^,², 李满根^,¹^,², 关宝文¹^,², 宋志杰¹^,², 段建兵¹^,², 李西得³, 刘武生³, 刘颖¹^,², 范鹏飞¹^,²

1.东华理工大学地球科学学院,江西南昌 330013

2.东华理工大学核资源与环境国家重点实验室,江西南昌 330013

3.核工业北京地质研究院,北京 100029

Early Cretaceous fault-depression development characteristics of western Tabei sag, Erlian Basin

CHEN Nian-Nan^,¹^,², LI Man-Gen^,¹^,², GUAN Bao-Wen¹^,², SONG Zhi-Jie¹^,², DUAN Jian-Bing¹^,², LI Xi-De³, LIU Wu-Sheng³, LIU Ying¹^,², FAN Peng-Fei¹^,²

1. School of Earth Sciences,East China University of Technology,Nanchang 330013,China

2. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,East China University of Technology,Nanchang 330013,China

3. Beijing Research Institute of Uranium Geology,Beijing 100029,China

通讯作者: 李满根(1969-),男,江西吉安人,博士,教授,主要从事矿产资源勘查、成矿预测与评价研究工作。Email:75363159@qq.com

责任编辑: 叶佩

收稿日期: 2021-10-11 修回日期: 2022-05-18

基金资助:

中国核工业地质局项目(地LCEQ01)
中国铀业有限公司—东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目(2022NRE-LH-12)
东华理工大学核资源与环境国家重点实验室开发基金项目(2020NRE14)

Received: 2021-10-11 Revised: 2022-05-18

作者简介 About authors

陈念楠(1997-),男,广西桂林人,在读硕士研究生,矿产普查与勘探专业,主要从事铀矿地质研究工作。 Email:cccchen_nan@163.com

摘要

本文通过选取二连盆地塔北凹陷西部地区3条典型地震剖面,运用2D Move软件分别对其进行平衡剖面恢复以及伸展量、伸展率的计算,分析了塔北凹陷早白垩世以来地质演化过程和构造演化特征。研究结果表明:(1)塔北凹陷整体受北西侧主干正断层的影响,形成西断东超形态的“单断式箕状”断陷湖盆,垂向上具有“下断上坳”的结构特征。(2)塔北凹陷各时期的伸展量、伸展率变化特征与构造演化历程相耦合,呈现出先增强后减弱,表明伸展作用 “由弱向强再减弱”的趋势。(3)塔北凹陷主要经历了四期构造运动:①阿尔善组沉积时期,塔北凹陷断裂初始发育,沉降受正断层活动控制,塔北凹陷初具雏形;②腾格尔组沉积时期,凹陷内部断裂持续发育,整体受断陷控制明显,伸展量和伸展率逐渐增大,并且在腾格尔组二段沉积时期达到顶峰;③赛汉组沉积时期凹陷整体受断裂影响微弱,沉积中心逐渐远离主干断层,总体表现为坳陷沉降和超覆不整合发育;④赛汉组沉积末期至今,断陷活动消亡,盆地逐渐收缩,地形趋于平缓,此后塔北凹陷一直处于抬升状态。

关键词： 平衡剖面; 构造特征; 构造演化; 塔北凹陷; 二连盆地

Abstract

This study restored the balanced cross sections of the Tabei sag and calculated the extension amounts and extension rates of the sag using three typical seismic profiles selected from the western Tabei sag,Erlian Basin using the 2D Move software.Then,it analyzed the geological and tectonic evolution characteristics of the Tabei sag since the Early Cretaceous.The results indicate that:(1)Due to the effects of the main normal fault layer on the northwest side,the whole Tabei sag has evolved into a single-faulted dustpan-shaped faulted lake basin that is faulted in the west and is overlapped in the east.Moreover,it consists of a fault in the lower part and a depression in the upper part vertically.(2)The variation characteristics of the extension amounts and extension rates in each period of the Tabei sag match the tectonic evolution process of the sag,and all of them show a strong to weak trend,indicating that the extension in the Tabei sag is in a weak-strong-weak trend.(3)The Tabei sag mainly underwent four tectonic movements:①During the sedimentary period of the Aershan Formation,the faults in the Tabei sag began to develop,the sag subsided under the control of normal fault activities, and the Tabei sag began to take shape.②During the sedimentary period of the Tenggeer formation,the faults inside the sag continued to develop,and the whole sag was significantly controlled by the fault depression.The extension amount and extension rate gradually increased and reached their peaks during the upper Tenggeer formation.③During the sedimentary period of the Saihan formation,the Tabei sag was slightly affected by faults overall,and the sedimentary center was gradually far away from the main fault. During this period, the Tabei sag was characterized by depression,subsidence,and overlap unconformity.④Since the end of the Saihan formation,the fault depression activities have disappeared,the basin has gradually contracted, and the terrain has tended to be flat.Since then,the Tabei sag has been continuously uplifting.

Keywords： balanced cross section; tectonic characteristic; tectonic evolution; Tabei sag; Erlian Basin

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本文引用格式

陈念楠, 李满根, 关宝文, 宋志杰, 段建兵, 李西得, 刘武生, 刘颖, 范鹏飞. 二连盆地塔北凹陷西部早白垩世断—坳发育特征研究[J]. 物探与化探, 2022, 46(5): 1149-1156 doi:10.11720/wtyht.2022.1413

CHEN Nian-Nan, LI Man-Gen, GUAN Bao-Wen, SONG Zhi-Jie, DUAN Jian-Bing, LI Xi-De, LIU Wu-Sheng, LIU Ying, FAN Peng-Fei. Early Cretaceous fault-depression development characteristics of western Tabei sag, Erlian Basin[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2022, 46(5): 1149-1156 doi:10.11720/wtyht.2022.1413

0 引言

二连盆地是我国北方大型中、新生代沉积断陷盆地,盆地内铀矿床种类众多,铀资源储量丰富^[1],目前已发现巴彦乌拉、赛汉高毕、哈达图等大、中型铀矿床。但前人地质工作者多注重于铀源、沉积建造、成矿流体运移等方面的研究^[2],对于盆地的构造演化的认识相对较薄弱,影响了研究区内有效找矿进展。因此,需要从构造几何学以及动力学角度入手,重新构建盆地动态的构造演化过程。

为揭示二连盆地的基本结构特征,恢复盆地构造格架和演化过程,不同学者也在不同凹陷开展了构造演化等方面的研究。程三友等^[3]通过选取赛汉塔拉凹陷的5条地震剖面进行二维构造地层解释和平衡恢复,认为赛汉塔拉凹陷整体表现为下部断陷、中部不均衡隆起和拗陷并存以及上部超覆拗陷的特征,在赛汉组沉积期主体表现为区域性拗陷沉降和超覆不整合发育。王鑫等^[4]结合三维地震解释与三维可视化手段,恢复了乌兰花凹陷古地貌和构造发育史,认为赛汉组沉积时期湖盆萎缩并发生构造反转,凹陷整体呈现早期断陷沉积,晚期抬升剥蚀的特点。梁越^[5]利用三维连片地震资料对巴音都兰凹陷进行地层空间延展性特征变化研究,认为白垩系巴彦花群地层沉积时期为凹陷发育的鼎盛时期,并且划分了4个构造演化阶段。徐强^[6]选取脑木根和呼仁布齐两个富铀凹陷的典型地震测线,基于PetroMod软件模拟其埋藏史和演化史,结果表明阿尔善组、腾格尔组沉降速率较高,到赛汉组沉积时期进入断坳转换期,盆地沉降速率明显降低。鲁超^[7]通过EBMS盆地模拟软件,选取NW向的典型测线,模拟了巴赛齐古河谷巴彦乌拉矿床的沉降历史,同样也表明赛汉塔拉组为断坳转换期。

为了探明塔北凹陷西部的断—坳发育特征,本文利用塔北凹陷西部地区的3条典型地震反射剖面进行平衡剖面恢复,计算并统计各时期地层长度、伸展率和伸展量等参数,探讨早白垩世以来二连盆地塔北凹陷的构造特征及演化阶段,有助于深化认识整个二连盆地的构造格架以及动态演化过程,以期为后期在二连盆地开展铀矿找矿工作,扩大中国铀资源储备提供一定依据。

1 地质概况

二连盆地位于蒙古—兴安裂谷系中部,是中、新生代后期在华力西褶皱基底和侏罗系残留盆地的基础上,经过正向断层强烈拉伸、裂陷而形成的一群中、小型盆地群的组合。大地构造位置处于华北板块与西伯利亚板块的缝合线上,北面为苏联和蒙古境内贝加尔、加里东和海西褶皱系,南面为EW向的中朝古陆,东边为中生代NE向构造系,西面为SN向构造系^[1]。中、新生代时期太平洋板块向欧亚大陆俯冲,形成了一系列半地堑、地堑凹陷或箕状盆地,并进而演化成大型坳陷盆地^[8]。中国东部断陷盆地均显示出受控于右旋张扭构造应力场 NW-SE 向的斜向拉伸作用,发育了一系列NE、NNE向断裂,形成了一系列呈NE向展布的地堑、半地堑或箕状盆地^[9]。其中,二连盆地由川井坳陷、乌兰察布坳陷、马尼特坳陷、乌尼特坳陷、腾格尔坳陷和苏尼特中央隆起组成,内部共发育53个凹陷和22个次级凸起。

塔北凹陷位于二连盆地马尼特坳陷西侧,走向NEE,长约140 km,宽约11 km,面积约1 682 km²。西南部紧邻苏尼特隆起,西北部与巴音宝力格隆起呈相隔关系;构造格局为东西分区、南北分带,由凹陷中部的凸起将塔北凹陷分为东、西两个洼槽,两个洼槽与中部的低凸起呈串联式排列。凹陷内主要沉积下白垩统阿尔善组(K₁a)杂色粗碎屑岩建造、腾格尔组(K₁t)含油细碎屑岩建造、赛汉组(K₁s)含煤粗碎屑岩建造(也是塔北凹陷主要产铀层位)、古近系(E)红色碎屑岩建造、新近系(N)红色泥岩建造及第四系(Q)洪积层^[10](图1)。

图1

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图1 塔北凹陷地层综合柱状图(据参考文献[11]修改)

Fig.1 Comprehensive histogram of strata in Tabei sag (modified after reference [11])

在白垩纪期间,塔北凹陷经历了多期构造运动:在早白垩世早期,凹陷呈NE向展布,北西侧的同生断裂构造开始发育,既约束着凹陷北西部边界,同时也控制了白垩纪至新近纪的沉积与发展。早白垩世晚期,由于太平洋板块运动方向由NW向转为NNW—N向,贺根山、西拉木伦等基底断层发生右旋走滑,发生构造反转作用^[12],导致早白垩世地层发生收缩和隆升剥蚀,有利于地表含铀含氧水的渗入。晚白垩世,早期断裂活动趋于减弱直至消亡,凹陷进入坳陷发展期。

2 塔北凹陷总体构造特征

地震资料对区域性不整合面的识别常常有效,在盆地矿产资源勘查,尤其是石油勘查中应用十分广泛。本文选取3条垂直凹陷延伸方向的剖面(自南往北依次为: A-A’、B-B’ 、C-C’)。剖面位置如图2所示。

图2

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图2 塔北凹陷地震测线分布及构造纲要(据参考文献[11]修改)

Fig.2 Seismic profiles distribution and structural outline of Tabei sag(modified after reference [11])

通过塔北凹陷地震剖面(图3)可以明显地识别出阿尔善组底界、腾格尔组一段底界、腾格尔组二段底界、赛汉组下段底界、赛汉组上段底界5个强反射界面。并且凹陷主要受控于北西侧的高角度同沉积正断层和南东侧的构造斜坡带,在地层沉积厚度方面,表现出“北西厚、南东薄”的特征,最终形成单断箕状凹陷。塔北凹陷的地层在空间垂向展布上由3个不同结构特征的构造层次叠置而成:①晚侏罗世形成的盆地基底岩系构造层,发生强烈断裂变形,形成一系列半地堑—半地垒构成的基底断块系统;②由早白垩世巴彦花群阿尔善组和腾格尔组为主体构成的盆地下部沉积盖层构造层,其中阿尔善组沉积时期,断层开始活动,形成凹陷雏形,而腾格尔组沉积时期主要为断陷沉积,此时断层活动加剧;③由赛汉组组成的上部沉积盖层构造层,整体上构造活动较弱,前期断裂构造活动逐渐减弱,代表由断陷转为坳陷的阶段。地震反射剖面显示巴彦花群整体受正断层控制,沉积中心主要位于凹陷的中心部位^[1],垂向地质构造具有典型的“下断上坳”的双层结构特征。

图3

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图3 塔北凹陷地震反射特征 (地震反射剖面来源于核工业北京地质研究院;剖面位置如图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断裂为界,控制着凹陷的沉积,并受F₃、F₄、F₅呈阶梯状断裂控制^[1]。F₁断裂控制白音希勒凸起,南东部位塔北凹陷深凹,其控制了塔北凹陷深湖—半深湖沉积。F₂断裂是塔北凹陷的控凹断裂,属于同生断裂,在现今剖面上显示为高角度正断层,该断裂既控制着凹陷的北西部边界,也对白垩纪以来塔北凹陷的沉积与发展起控制作用,在晚白垩世及以后发生多次逆冲,造成北部地层抬升。F₃断裂属于切层断裂,呈NE走向,SE向倾斜,在腾格尔期之前存在较为剧烈活动。F₄断裂为凹陷南翼切层断裂,走向NE,倾向SE,控制着阿尔善期和腾格尔期的发育,但对赛汉组早期沉积的控制微弱^[2]。F₅断裂控制凹陷的南缘,与F₄断裂近似平行。

3 平衡剖面恢复及伸展量、伸展率计算

3.1 平衡剖面恢复

在进行平衡剖面恢复时,首先要选取具有代表性的主干剖面,主干剖面尽量选择垂直构造线方向、切过主要的构造单元且分布在研究区域。为保证构造恢复精度,同时为避免以往手工作业产生的人为误差,本研究采用Midland公司开发的2D Move软件对平衡剖面进行恢复。具体包括以下几个步骤(图4):①时深转换;②去压实恢复;③断距消除和层拉平恢复;④定量参数测定。通过对地震剖面进行平衡恢复,可以再现盆地的构造演化过程,了解不同时期盆地发育特征和盆地伸展量,从而有利于揭示盆地形成机制。其平衡恢复结果(图5~图7)如下:

图4

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图4 平衡剖面制作流程

Fig.4 Balanced cross section making flow chart

图5

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图5 A-A’测线构造演化剖面

Fig.5 Tectonic evolution section of the A-A’ profiles

图6

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图6 B-B’测线构造演化剖面

Fig.6 Tectonic evolution section of the B-B’ profiles

图7

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图7 C-C’测线构造演化剖面

Fig.7 Tectonic evolution section of the C-C’ profiles

1)A-A’侧线构造演化剖面(图5)表明:在腾一段沉积前,凹陷受两侧正断层和反向正断层的影响,在凹陷东西两侧形成地堑,沉积较厚的阿尔善组,沉积中心主要在凹陷北西侧。在腾二段沉积前,地层向南侧发生明显超覆,构造活动增强,沉积范围加大。在赛汉组沉积时期,赛下段在两个地堑内沉积,凹陷中部形成凸起,与下伏的腾二段呈角度不整合接触,南部断裂部分切穿赛下段。沉积中心整体继承性发育,沉积范围进一步扩大,表现为明显的断坳转换的特征。赛上段沉积期间,断层活动基本消失,断裂不发育,整体表现为坳陷特征,整体接受沉积。地层从断陷中心向边缘逐层超覆。

2)B-B’测线构造演化剖面(图6)表明:在腾一段沉积前凹陷主要受阶梯状正断层控制,内部还发育有不同规模的反向正断层,整体上呈半地堑形态,沉积中心在南东侧,沉积较厚的阿尔善组。在腾二段沉积前,断裂活动加剧,沉积范围扩大。在腾二段沉积期间,控盆断裂和内部断块发生旋转,中部腾二段遭受剥蚀,在北西和南东两侧沉积。中部由于地层隆升,导致赛下段直接与腾一段不整合接触,沉积中心逐渐转移至北西部,该时期盆地整体表现出明显的坳陷特征。赛上段沉积前断层活动逐渐减弱。凹陷整体下沉,沉积范围扩大。

3)C-C’测线构造演化剖面(图7)表明:在腾格尔组沉积前,凹陷西部边界断层开始活动,块体沿着断面下滑,并呈现断阶式结构,断层面均倾向SE,沉积中心在位于边界断层附近。腾一段早期,塔北凹陷发生旋转掀斜。腾格尔组继承了阿尔善时期的构造面貌,凹陷持续沉降,并不断扩大加深。在腾二段沉积时期,凹陷中部隆升,中部沉积腾二段遭受剥蚀,地层减薄,盆地沉降中心向东西两侧迁移。在赛下段沉积时期,构造活动微弱,但西部断层仍存在微弱活动并且切穿赛下段,总体上凹陷沉降受坳陷控制,主要表现为两处沉积。赛上段沉积时期,地层底界平直,组内未发育断层,断层对盆地沉降的控制作用基本消失。

3.2 塔北凹陷伸展量、伸展率计算

剖面平衡恢复过程中,在不同解释层位恢复至水平状态之后,可以测出不同时期的长度,并可以根据长度计算剖面在不同时期的伸展量、伸展量等参数(表1)。

表1 塔北凹陷伸展量、伸展率计算统计数据

Table 1 Statistical data of extension amount and extensional ratio in Tabei sag

编号	构造活动期	K₁s²-Q	K₁s¹	K₁t²	K₁t¹	K₁a	J₃	合计
	长度/km	12.5	12.467	12.362	11.998	11.759	11.533
A-A’	伸展量/km	0.033	0.105	0.364	0.239	0.226		0.967
	伸展率/%	0.264	0.849	3.033	2.032	1.959		8.137
	长度/km	7.5	7.469	7.304	7.018	6.847	6.774
B-B’	伸展量/km	0.231	0.165	0.286	0.171	0.073		0.926
	伸展率/%	0.415	2.259	4.075	2.497	1.077		10.323
	长度/km	11.5	11.342	11.272	10.821	10.511	10.465
C-C’	伸展量/km	0.158	0.07	0.451	0.31	0.046		1.035
	伸展率/%	1.393	0.621	4.167	2.949	0.439		9.569

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从塔北凹陷各时期伸展率和伸展量变化趋势上看(图8),阿尔善组沉积时期,各剖面总体伸展长度较小(0.046~0.226 km),伸展率较低(0.439%~1.959%),此时塔北凹陷处于裂陷初始阶段。腾二段沉积时期各个剖面伸展率(3.033%~4.167%)远大于其他沉积时期,此时凹陷处于强烈构造活动期。赛汉组沉积时期凹陷伸展率发生突变,总体伸展率急剧变小(0.621%~2.259%),反映了赛汉期为处于断坳转换时期。对比不同剖面伸展率发现,塔北凹陷各时期的伸展率变化特征与构造演化历程相耦合,呈现出先增强后减弱的状态,表明伸展作用“由弱向强再减弱”的趋势,代表着凹陷伸展作用向挤压作用的调整,即早白垩世塔北凹陷具有“初始断陷—强裂断陷—断坳转换”的演化规律,与中国东部各盆地具有相似的演化特征^[13]。

图8

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图8 塔北凹陷各时期伸展量与伸展率变化趋势

a—伸展率;b—伸展量

Fig.8 Variation trend of extension amount and extensional ratio in different periods of Tabei sag

a—the extensional ratio;b—the extension amount

4 构造演化特征

结合前人对二连盆地区域构造演化的认识,根据塔北凹陷各个地震剖面构造演化图分析认为:塔北凹陷与二连盆地其他凹陷的构造演化特征较为相似,是一个长期、继承性发育、保存相对完整的凹陷,在侏罗纪末期初具雏形,后期由于燕山造山作用的影响,凹陷整体抬升形成了现今的构造格局^[1]。凹陷始于燕山运动中张裂作用,NW向边界断层的持续发育决定了凹陷南北分区、东西分带的构造格局,形成了单断箕状断陷盆地的特征。塔北凹陷白垩纪构造演化大致经历了四期构造运动:

1)阿尔善沉积期,北西部主干断层开始活动,凹陷块体沿断面下滑,开始接受沉积,凹陷初具雏形,沉积中心集中在北西侧,塔北凹陷阿尔善组沉积初期是以滨浅湖亚相和扇三角洲相为主,后期随着湖盆的扩张在凹陷西部沉积了一套三角洲前缘砂体。

2)腾一段沉积期,边界断裂活动加强,凹陷持续沉降,伸展量和伸展率逐渐增大,断裂持续发育,使得沉降中心由北西侧向南东部迁移。腾二段沉积期,继承了腾一段的基本构造特征,断陷内部各次级断层经进一步发育,伸展应力持续作用,控凹主干断层向深部延伸^[1]。腾二段末期,凹陷整体大幅度隆升,断陷作用基本结束,凹陷整体抬升,遭受强烈抬剥蚀。

3)赛汉组沉积期,凹陷再次沉降,但整体沉降幅度较小。赛汉组在剖面上具有向南东超覆的特征。赛汉组时期湖泊范围极大萎缩,主要发育粗碎屑沉积。早期受断裂控制,晚期基本不受断裂控制。

4)赛汉组末期至今,断陷活动结束,盆地逐渐收缩,地形趋于平缓,此后凹陷一直处于抬升状态。

5 结论

塔北凹陷整体为西断东超的单断箕状结构,北西侧边界主干断层是研究区内的一条大型同沉积断层,控制着凹陷的形态、规模以及沉积充填过程,垂向上具有“下断上坳”的结构特征。

平衡剖面恢复及伸展率计算结果表明:阿尔善组沉积期,凹陷整体处于弱伸展阶段。腾一段伸展率略大于阿尔善组,表明伸展作用逐渐增强。腾二段沉积时期伸展量和伸展率达到顶峰,反映了凹陷在该时期构造活动强烈,处于强烈拉张状态。赛汉组沉积时,伸展量和伸展率急剧减小,反映赛汉组断坳转换期阶段。

塔北凹陷主要经历了四期构造运动:阿尔善期断陷初始发育,沉降受正断层活动控制,NE向的边界断层持续发育,凹陷初具雏形。腾格尔期凹陷内部断裂持续发育,整体受断陷控制明显,伸展量和伸展率逐渐增大,并且在腾二段时期达到顶峰。赛汉期凹陷整体受断裂影响微弱,沉积中心逐渐远离主干断层,总体表现为坳陷沉降和超覆不整合发育,盆地接近消亡。赛汉组末期至今,盆地逐渐收缩,地形趋于平缓,此后凹陷一直处于抬升状态。

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