Discovery of Lower Cretaceous unconformity in Linhe Depression of Hetao Basin and its implication to structural evolution
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摘要:
河套盆地临河坳陷是一个NE-SW向展布的中—新生代的弧形走滑拉分盆地。依据地层古生物微体化石组合特征、不整合体的测井响应特征(包括声波时差法确定不整合面)、不整合面的地震响应特征等方法综合研究，发现了下白垩统内部不整合。不整合面之上发育固阳组，之下发育乌尔塔组。固阳组全盆普遍发育，地层厚度差异不大。乌尔塔组主要分布在靠近狼山断裂附近的两个小凹陷内，地层厚度整体由西北向东南递减。地震资料的时深转换结果显示：南部小凹陷地层厚度大于北部小凹陷，在南部最厚处约800 m，北部最厚处约600 m。乌尔塔组沉积后，盆地受中燕山运动的影响，受到NW-SE向挤压应力，由于挤压作用差异抬升，地层遭受剥蚀，形成下白垩统内部不整合。该不整合具备从西北往东南由平行不整合逐渐转变为角度不整合的特征。结合不整合的成因特征和地层厚度变化，将早白垩世盆地的构造演化分为早白垩世早期断陷阶段、早白垩世中期挤压抬升剥蚀阶段、早白垩世晚期弱伸展坳陷阶段。
Abstract:The Linhe Depression of Hetao Basin is a NE-SW trending Meso-Cenozoic arc-shaped strike-slip pull basin. Based on the combination of microfauna fossils, logging response characteristics (including the method of acoustic wave time difference to determine unconformity) and seismic response characteristics of unconformity, an unconformity within the Lower Cretaceous was identified. The unconformity is distinguished by the overlying Guyang Formation and underlying Urta Formation. The former is generally developed throughout the basin, and its thickness does not change much, and the latter with thickness decreasing from northwest to southeast as a whole is mainly distributed in two small sags close to the Langshan fault. The time and depth conversion results of the seismic data show that the thickness of the Urta Formation in the south is greater than that in the north. The thickest formation in the south is about 800 meters, and the thickest formation in the north is about 600 meters. After the deposition of the Urta Formation, the basin was affected by the Middle Yanshan Movement and subjected to the northwest-southeast compression. Due to the squeezing effect, the strata were uplifted and suffered erosion, resulting in the internal unconformity within the Lower Cretaceous. The unconformity is characterized by gradually changing from parallel unconformity to angular unconformity from northwest to southeast. Combined with the causes of the unconformity and the change of the thickness of the strata, the structural evolution of the basin in the early Cretaceous can be divided into three stages: the fault depression stage in the early Early Cretaceous, the uplift and erosion stage in the middle Early Cretaceous and the weak extension depression stage in the late Early Cretaceous.
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1. 引言
河套盆地临河坳陷的石油勘探工作始于20世纪70年代末。盆地的构造特征及演化，以及油气成藏条件的研究仍然是近些年来研究的热点。而前人对于盆地内不整合的研究与关注也较少，认为盆地主要存在两套不整合，即古近系与白垩系之间的不整合和下白垩统与前寒武系的不整合。由于实钻井较少且位于构造高部位，地震资料和录井测井资料的限制，关于早白垩世地层划分、对比，构造特征及演化一直以来存在较大争议。前人未将吉兰泰地区与临河地区早白垩世地层进行统一对比，认为临河坳陷早白垩世只发育下白垩统固阳组且地层整合接触(张以明等，2018；王飞等，2019)。本文依据地层古生物微体化石组合特征、不整合体三层结构及测井响应特征(包括声波时差法确定不整合面)、不整合面的地震响应特征等方法综合研究，发现了下白垩统内部不整合。该不整合的发现，对早白垩世盆地的构造演化阶段划分具有重要的启示作用。
2. 地质背景与下白垩统研究现状
2.1 地质背景
河套盆地主体上位于华北板块西北部，北临阴山山脉，南接鄂尔多斯盆地伊盟隆起。盆地东西长600 km，南北宽30~90 km，面积约4万km2。河套盆地在整体轮廓上呈弧形，是一个发育在前寒武纪变质岩基底上的北西陡东南缓的中—新生代走滑拉分盆地，自西向东可划分为“三坳两隆”5个一级构造单元，依次是临河坳陷、乌拉山隆起、乌前坳陷、包头隆起、呼和坳陷(图 1)。研究区临河坳陷位于盆地西南部，东北方向长320 km，西北方向宽为70 km，面积约2.43万km2，剖面上呈不对称的箕状断陷(付锁堂等，2018；张以明，2018)。临河坳陷可划分为吉兰泰凹陷、吉兰泰斜坡、吉兰泰凸起、临河凹陷和临河斜坡5个次一级构造单元。
临河坳陷自下而上发育下白垩统固阳组、古近系始新统乌拉特组、渐新统临河组、新近系中新统五原组、上新统乌兰图克组和第四系河套群(图 2)。沉积岩厚度大多为3000~8000 m，最厚处可达14000 m(孙六一等，2018)。其中下白垩统固阳组和渐新统临河组发育湖相暗色泥岩层是主要生烃层系(门相勇等，2016)。下白垩统固阳组是盆地勘探的目的层系，坳陷发育自生自储、上生下储、下生上储等多种生储盖油气组合(张昊祉，2015；王飞，2018)。盆地主要存在两套不整合：一套是古近系与白垩系之间的不整合，缺失一部分始新统及整个上白垩统；另一套是下白垩统与前寒武灰绿色花岗片麻岩不整合，缺失早中生界及整个古生界。
Figure 2. Comprehensive column of strata in Linhe Depression, Hetao Basin(modified from Fu Suotang et al., 2018; Du Xiaoyu, 2019)河套盆地是在三叠纪以后在一个大型长期隆起的基础上发展起来的(赵重远等，1984；郭忠铭等，1988)，构造成因与鄂尔多斯地块活动规律有密切关系，其形成和发育主要受燕山期、喜山期构造运动的影响。在燕山晚期—喜山期，青藏高原向北东方向的强烈挤压，在鄂尔多斯地区形成了北东-南西挤压，北西-南东拉张的应力场，强大的挤压应力引发了鄂尔多斯地块发生了逆时针旋转，地块的逆时针旋转形成了周缘的剪切拉分断陷带，包括河套、渭河、汾河和银川盆地等(靳久强，2005)。
2.2 下白垩统研究现状
20世纪60—70时代，宁夏地质局及第三地质普查大队分别对该区普查钻探，依据岩性和古生物特征，将下白垩统划分为乌尔塔组、大水沟组。80年代，前人根据该区已钻14口探井所获得的岩性和古生物特征对早白垩世地层进行划分，由于各自划分标椎不同，划分方案依旧存在争议(表 1)，主要有两种不同观点：黄育庆(1985)、胡显穆(1986)和蔡友贤(1988)认为下白垩统发育乌尔塔组和大水沟组，而赵重远(1984)、周季陶(1986)认为下白垩统只发育固阳组。
表 1. 河套盆地下白垩统地层划分Table 1. Division of the lower Cretaceous strata in Hetao Basin
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近些年来，专家学者们更倾向于下白垩统只发育固阳组的地层划分方案(付锁堂等，2018；张以明等，2018；孙六一等，2018；王飞等，2019)，认为固阳组自上而下可分为3段(固一段、固二段、固三段)。固一段上部为棕红、浅灰、灰绿色砂泥岩互层，下部以灰色泥岩、泥质砂岩为主；固二段以深灰、灰黑色泥岩为主，夹粉细砂、灰岩薄层；固三段以棕灰、棕紫、棕黄色砾岩为主。其中固二段是固阳组中的主要生油气层系。在以往的研究中，前人未提出下白垩统内部存在沉积间断。晚燕山运动使得盆地区域性挤压抬升剥蚀，上白垩统在临河坳陷内几乎剥蚀殆尽。
3. 下白垩统内部不整合的发现及识别证据
近些年来，随着对不整合认识的不断深入，国内外学者在不整合的识别(杨勇等，2007；Lin et al，2012)、结构特征(何碧竹等，2013)、分布范围(刘景彦等，2008；Ghienne et al., 2013)等方面，开展了一系列卓有成效的工作。含油气盆地内不整合研究的方法和手段也日趋丰富，形成了利用钻井录井资料、测井资料、地震资料和区域地质背景分析等综合研究的方法(官伟等，2019)。本文将依据地层古生物微体化石组合特征、测井响应特征(包括声波时差法确定不整合面)、不整合面的地震响应特征等方法识别并分析下白垩统内部不整合。
3.1 微体化石组合带特征
乌尔塔组以介形类Cypridea kansuensis—Djungeria组合；孢粉Classopollis—Perinopollenites—Cicatricosportes组合为特征(图 3)。本组中未发现被子类花粉，只见裸子类花粉和蕨类孢子。介形类Cypridea vitimensis, C. koskulensis, C. kansuensis是早白垩世介形类组合的重要分子(蔡友贤，1990)。与国内早白垩世含热河生物群地层相当，时代为贝里阿斯期—巴雷姆期(145~125 Ma)。
图 3. 临河坳陷吉参1-松探1-临深3-临深4连井剖面Figure 3. Profile of Linhe Depression Jishen1- Songling 1- Linshen 3- Linshen 4 Union well固阳组以介形类Cypridea tera— Lycoptero-cypris—Metacypris组合；孢粉Lygodiumsporites— Hsuisporites—Classopollis组合；轮藻Atopochara trivolvis trivolvis带为特征(图 3)。本组依旧以裸子类花粉和蕨类孢子为主，被子花粉仅占3%，而且未发现热河生物群(蔡友贤，1988)。轮藻Atopochara trivolvis trivolvis 广泛分布在世界各地的阿普特期地层中，故本组时代为阿普特期—阿尔布期(125~100.5 Ma)。
综合吉参1井、临深3井和临深4井中的孢粉、介形类及轮藻化石的种类与时代，可确定乌尔塔组地质时代为早白垩世早期，而固阳组为早白垩世中、晚期，孢粉、介形类及轮藻化石组合的差异表明乌尔塔组与固阳组之间存在明显的沉积间断。
3.2 不整合的测井响应特征
何登发等(2007)、吴孔友等(2009)学者对不整合体结构进行了划分，发现一个理想的不整合体常发育三层结构，即不整合之上的岩石(底砾岩、水进砂岩)、风化黏土层(黏土层)及不整合之下的半风化岩石(风化淋滤带、半风化淋滤带)。测井信息包含地球物理信息和地质演化信息(王建功等，2009；李慧琼，2017)，而不整合面是众多地质特征发生突变的界面，这些突变在一定程度上可以在测井曲线上反映出来，因此可以通过测井曲线来识别不整合面。
临河坳陷吉参1井和松探1井下白垩统的测井信息证实了乌尔塔组与固阳组之间不整合体的存在。两口实钻井在该期不整合附近具有相似的测井特征。以松探1井为例，不整合面之下半风化岩石测井特征为自然伽马低，电阻高；风化黏土层由于富含铝、铁等元素，表现为自然伽马高，电阻低等特征；不整合之上的水进砂岩(含砾石)的特征为自然伽马低，电阻率中等(图 3)。这期不整合自下而上的三层岩石——不整合之下的半风化岩石、风化黏土层及不整合之上的岩石的自然伽马值依次表现为：低、高、底，电阻率值依次表现为高、低、中。风化黏土层由于风化严重具有不整合体结构中最高的自然伽马值和最低的电阻率值。虽然下白垩统内部不整合之下的岩石和风化黏土层均为泥岩，但其三层结构所表现的测井曲线特征符合理想不整合的测井响应特征。
如果两套地层存在沉积间断，那么压实作用就会存在差异，而孔隙度一般可以反映地层的压实情况，故也可以根据声波时差计算的孔隙度与埋深的关系来识别不整合面。
Magara在研究用声波时差恢复剥蚀量时认为声波时差与埋深呈如下关系：
(1) 该式可变形为：
(2) 式中；Δt为任一埋深泥岩的声波时差值, μs·m-1；Δt0为地表泥岩的声波时差值，μs·m-1；C为正常压实曲线的斜率，对于特定地层为特定常数；H为泥岩埋藏深度，m。
由变形式(2)可知在正常压实且未经历剥蚀的一套地层其埋深H与ln(Δt)为一次函数关系，若地层中存在剥蚀，其ln(Δt)会发生突变(图 4)，在突变界面即为不整合面。通过对吉参1井和松探1井下白垩统泥岩声波时差数据分析，认为乌尔塔组与固阳组之间存在一个不整合。
3.3 不整合的地震响应特征
在钻井地层划分的基础上，依据临河坳陷内多口实钻井的地震合成记录，对二维地震资料进行标定。图 5a为吉参1井的过井地震剖面的标定。
(1)TK反射界面代表下白垩统底界面，为稳定发育的区域不整合面，表现为上部强振幅、下部强—中振幅的两个负相位夹的强振幅正相位反射，稳定，可连续追踪对比。
(2)TKg反射界面代表下白垩统乌尔塔组与固阳组的分界面，为区域不整合面，表现为上部存在弱—中振幅，下部强振幅的两个正相位夹的强振幅负相位反射。
(3)TE反射界面代表古近系底界面，上下地层多为平行不整合接触，局部存在角度不整合，表现为中振幅的两个负相位夹的强振幅正相位反射，下部存在若干弱振幅连续性较好的正负相位反射，全区连续追踪。
河套盆地临河坳陷的北西-南东向(图 5a、b、d)剖面及北东-南西向地震剖面(图 5c)综合揭示：削截现象存在于乌尔塔组与固阳组之间，而超覆现象存在于固阳组与盆地基底之间，固阳组沉积时盆地范围变大，只能在斜坡位置才可见超覆(图 5a)。乌尔塔组沉积时范围比较局限，在盆地上表现为南北两个小凹陷，仅在狼山断裂附近沉积(图 6)，地层厚度整体呈现由西北向东南变薄的趋势。结合临河坳陷内钻井资料，对地震资料进行时深转换，结果表明南部小凹陷乌尔塔组地层厚度要大于北部小凹陷，在南部最厚处约800 m，而北部最厚处约600 m，说明乌尔塔组沉积时南部的沉积可容纳空间要大于北部(图 6)。乌尔塔组沉积结束之后到固阳组沉积之前，盆地先是经历了小幅度的抬升剥蚀，后整体沉降，盆地范围变大，表现为盆大湖浅的特征。固阳组沉积时，临河坳陷普遍接受沉积，固阳组在盆地的短轴方向上厚度变化不大(图 5a、b、c)。
4. 讨论
4.1 不整合成因及特征分析
早白垩世早期，即乌尔塔组沉积时期，盆地处于断陷阶段，乌尔塔组分布受狼山断裂控制，断裂活动性的差异导致盆地在乌尔塔组沉积时期仅在南北的两个小凹陷内接受沉积，而且整体具有东厚西薄的地层发育特征。早白垩世晚期，即固阳组沉积时期，盆地处于弱伸展坳陷期，盆地开始大幅度整体沉降，致使固阳组全盆分布且在盆地的短轴方向上地层厚度变化不大。乌尔塔组与固阳组的地层发育特征具有显著区别，研究分析认为主要是受中燕山运动的影响，盆地受到NW-SE向挤压应力，乌尔塔组沉积后，盆地由于挤压作用差异抬升，遭受剥蚀；到了早白垩世晚期，区域从挤压背景转变为NW-SE向弱伸展背景，盆地整体沉降，沉积了普遍分布于全盆的固阳组(图 7)。因此，在乌尔塔组与固阳之间形成相应的不整合面，表现为从西往东由平行不整合逐渐转变为角度不整合的构造型不整合特征。
4.2 对盆地早期构造演化的启示
不整合面识别、类型划分、特征及成因分析对于盆地的构造层划分、盆地形成演化等方面具有重要的启示作用(Brown et al., 1980; Anadón et al., 1986；Beer et al., 1990；陈发景, 2004, 陈世悦等，2011)。邵浩浩等(2019)在河套盆地西边的河西走廊的平山湖盆地也发现了这期构造运动，认为盆地在早白垩世早期发育挤压构造盆地，在早白垩世晚期发育伸展断陷盆地。前人在河套盆地构造演化方面做过大量工作，但都未将下白垩统内部的不整合考虑进去。在前人对河套盆地的构造演化和狼山的形成演化(包创等，2013)的研究基础上，结合下白垩统内部不整合的分布特征、形成原因以及乌尔塔组和固阳组的地层厚度变化，认为早白垩世河套盆地发育早白垩世早期断陷构造层、早白垩世晚期弱伸展坳陷构造层。早白垩世盆地的构造演化可分为3个阶段，即早白垩世早期断陷阶段、早白垩世中期挤压抬升剥蚀阶段、早白垩世晚期弱伸展坳陷阶段。
4.2.1 早白垩世早期断陷阶段
早白垩世早期，盆地受到NW-SE挤压应力作用，狼山断裂开始活动(以左行走滑为主), 形成了南北两个小凹陷。南部断裂活动性强于北部，南部沉积地层厚度大于北部。早期狼山断裂的形成为河套盆地临河坳陷的形成提供了物源区，奠定了河套盆地临河坳陷形成的基础。
4.2.2 早白垩世中期挤压抬升剥蚀阶段
早白垩世中期，受中燕山运动影响，NW-SE挤压作用增强。盆地由于挤压作用差异抬升，遭受剥蚀，形成了下白垩统内部的不整合，乌尔塔组顶部遭受剥蚀。
4.2.3 早白垩世晚期弱伸展坳陷阶段
早白垩世晚期，盆地受NW-SE向挤压应力变弱，狼山断裂活动性弱，加之局部岩浆活动使得地壳减薄，盆地整体处于弱伸展环境。盆地整体沉降，范围扩大，表现为盆大湖浅的特征，使得固阳组在短轴方向上的地层厚度变化不大。
5. 结论
(1)依据地层古生物微体化石组合特征、测井响应特征(包括声波时差法确定不整合面)、不整合面的地震响应特征等方法综合研究，分析发现了下白垩统内部不整合。不整合面之上发育固阳组，之下发育乌尔塔组。固阳组全盆普遍发育，地层厚度差异不大。乌尔塔组主要分布在靠近狼山断裂附近的两个小凹陷内，地层厚度整体由西北向东南递减；南部小凹陷地层厚度大于北部小凹陷地层厚度。
(2)乌尔塔组沉积后，盆地受中燕山运动的影响，受到NW-SE向挤压应力，由于挤压作用差异抬升，遭受剥蚀；到了早白垩世晚期，区域从挤压背景转变为NW-SE向弱伸展背景，盆地整体沉降，沉积了厚度差异不大普遍分布于全盆的固阳组。因此，在乌尔塔组与固阳之间形成相应的不整合面，表现为从西往东由平行不整合逐渐转变为角度不整合的构造型不整合特征。
(3)早白垩世河套盆地发育早白垩世早期断陷构造层、早白垩世晚期弱伸展坳陷构造层。早白垩世盆地的构造演化可分为3个阶段，即早白垩世早期断陷阶段、早白垩世中期挤压抬升剥蚀阶段、早白垩世晚期弱伸展坳陷阶段。
致谢
行文过程中得到华北油田分公司大力支持; 审稿专家及责任编辑对论文提出了宝贵的修改意见，在此谨致以衷心感谢。
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