海拉尔盆地与松辽盆地作为中国东北部地区两大含油气盆地,这两个盆地的形成过程与深层油气资源潜力长期备受关注。以往研究表明,中国东北部地区在三叠纪时期长期处于构造挤压和抬升背景,导致三叠纪地层普遍不发育或在抬升期被剥蚀殆尽,随着对区域研究程度的加深,陆续在海拉尔盆地和松辽盆地地区发现三叠系,但是这两个盆地三叠系的空间展布特征仍缺乏系统性研究,盆地内部与周缘区域三叠纪地层格架对比关系尚未明晰,而三叠纪地层对于揭示海拉尔盆地和松辽盆地区域构造转换的过程有着关键的指示意义。本研究以海拉尔盆地周缘野外剖面、盆内钻井岩心及松辽盆地国际大陆科学钻探松科二井全取心资料为核心,综合运用锆石U-Pb定年、岩石矿物学、地球化学分析、测井与地震解释等方法,系统揭示了两盆地三叠纪地层特征、岩石组合特征、基底结构地震反射特征、基底内部关键地质界面样式等地质特征,提出双层/复合基底第一构造层顶部的识别标志和判定条件,揭示了火山活动与盆地形成演化的主要关联机制;建立了盆地基底与上覆盆地充填的区域一般性判别模式,明确三叠纪地层在海拉尔-松辽地区的盆地沉积充填序列及其地质属性,进而为三叠系作为海拉尔盆地和松辽盆地深层油气勘探新层系提供了勘探方向和科学依据。主要研究成果如下: 1.海拉尔盆地三叠系火山-沉积(含煤)序列的发现与对比 通过周缘野外剖面(西乌珠尔、伊兰牧场、八大关)与盆内钻井(红6井、楚10井、楚15井)的精细研究,首次识别出海拉尔盆地三叠系火山-沉积序列(锆石U-Pb年龄247–208 Ma)。该序列以酸性火山岩(流纹岩、凝灰岩)与含煤沉积岩互层为特征,含煤沉积层厚度达100–150 m,锆石U-Pb定年显示其形成时代为中—晚三叠世(240–208 Ma)。地球化学分析表明,火山岩属钙碱性系列,稀土配分呈右倾V字型,微量元素显示高场强元素(Nb、Ta、Ti)亏损与大离子亲石元素(K、Pb)富集特征,指示其形成于火山弧与板内构造背景的交替作用;总有机碳测定和岩石热解测试结果表明,该处含煤有机质丰度较好,属于优质烃源岩。盆地内外地层在岩石组合、年代学及地球化学特征上具有可对比性,证实三叠系为区域性展布的潜在烃源岩-储集层复合体。 2.松辽盆地双层/复合基底结构与三叠系地质特征 基于松科二井5950–7108 m井段厘米级岩心精细刻画,首次发现松辽盆地中部存在由三叠系火山-沉积岩(基底第一构造层)与古生界变质岩(基底第二构造层)组成的双层/复合基底结构。提出盆地基底通常就是指主力沉积层序之下的第一个基底构造层,三叠系基底(锆石U-Pb年龄245–242 Ma)以安山岩、玄武岩及沉积岩为主,夹凝灰岩与复成分砾岩,通过火山岩锆石U-Pb定年结果与地球化学特征揭示其形成于中三叠世火山弧环境。该界面符合基底第一构造界面表现为脆韧性转换带,控制早白垩世裂谷作用与盆地充填。下伏古生界基底(锆石U-Pb年龄263–381 Ma)以糜棱岩、千糜岩为主,反映古亚洲洋闭合期的构造变形。 3.阐明松辽盆地初始裂陷的形成过程及关键界面的相互关系,揭示了火山活动与盆地形成演化的主要关联机制 本文通过研究发现,松辽盆地发育在位于盆地中心存活了143 Ma(245-102Ma)长期发育的活动火山通道之上,指出初始裂陷形成的过程主要包括四个阶段:(1)火山岩墙的侵入;(2)触发重力垮塌并在三叠系基底层系的中部形成基底滑脱断层/拆离断层(basement detachment fault,DF);(3)在基底滑脱断层DF之上形成三角形伸展域(triangular extensional domain,TED);(4)在TED顶部形成裂谷起始不整合(rift onset unconformity,ROU)。在此期间,TED一直是火山中心和沉降中心,在区域伸展构造和火山活动相互作用下,导致了松辽盆地初始裂陷期异常高的沉积速率(500 m/Myr,118-114 Ma);随后的断裂-火山活动仍然是盆地沉降的主控因素,但平均沉积速率明显降低(82 m/Myr,114-102 Ma)。ROU之下是盆地基底序列,之上为盆地充填层序。由此明确了ROU是下伏盆地基底与上覆盆地充填的分界面;TED是基底序列第一构造层序的顶部的识别标志,也是识别基底序列的判定条件。揭示松辽盆地初始裂陷的过程和盆地动力学成因,对于理解盆地的演化历史和地质结构具有重要意义。 4.建立了盆地基底的区域性一般判别模式,明确三叠纪地层在海拉尔-松辽地区均具有判定为基底的地质特征 通过对比综合分析的方法,结合松辽盆地三叠系基底地震-火山地层学特征,从时代、岩石组合特点、地震剖面样式等方面进行对比研究,发现盆地基底的起始点在地震剖面上表现为裂谷起始不整合(ROU)与基底滑脱断层(DF)形成的三角形伸展区域(TED)。前裂谷沉积与三角形伸展区域和裂谷起始不整合发育的时限对应,据此认为,在地震剖面上具有自上而下以ROU-TED-DF三要素为特征的地震响应组合模式为判断盆地基底与盖层的标志,并且根据这一模型,结合岩性与年代学特征,认为三叠纪地层在松辽盆地徐家围子断陷与海拉尔盆地红旗凹陷属于基底构造层。