准噶尔盆地形成及演化的盆地构造背景

准噶尔盆地形成及演化的盆地构造背景

准噶尔盆地是中国的大型含油气盆地之一。位于哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块上的褶皱造山带和褶皱造山带之间。这是晚古生代和上新世的压缩重叠盆地。自形成至今,经历了海西、印支、燕山、喜马拉雅等四期构造运动的影响,构造格局复杂。吴庆福将盆地构造演化分为三个阶段:裂陷阶段(二叠纪沉积时期)、坳陷阶段(三叠纪—始新世末)、收缩—整体上隆阶段(中新世至今)。赵白在吴庆福提出的坳陷阶段基础上又细分为两个阶段:断陷、坳陷发育阶段(三叠纪)、坳陷发育阶段(侏罗纪至始新世末)。笔者认为,现今的准噶尔盆地是在准噶尔地体基础上发展演化而形成的晚古生代和中、新生代复合叠加盆地,具有“双重基底,四层结构”的特征。根据这种结构分层以及新近获得的资料,本文综合了准噶尔盆地构造演化特征,并引入前陆盆地构造分析理论,将其演化分为两大时期和6个阶段,反映了目前盆地演化研究趋势。1地体育世纪1.1准噶尔盆地内的结构层准噶尔地体作为古亚洲板块的一部分,早在太古代末期就通过陆核增生方式形成了具有结晶基底的原始古陆核,经过大陆拼贴碰撞,至中元古代已经形成了稳定的大陆地块,可能出现原始的沉积,成为一个隆起区。作者根据张义杰和涂光炽等人提供的同位素测年数据及古生物资料,并综合其它最新科研成果,做出了准噶尔盆地及邻区前寒武基底推断图(图1)。该图表明,前寒武结晶基底主要表现为隆坳相间的格局,隆起区为晚太古代古陆核(Ⅰ5、Ⅰ6、Ⅰ2)。在准噶尔地体及邻区范围内存在若干个古陆核,坳陷区类似于现今板块构造的岛弧区,其间有TTG岩系的充填。由于太古代乃至早中元古代地壳中较高的热流值,地幔物质易发生局部熔融的深度(也就是软流圈)比较浅,陆核之间更容易发生碰撞。岛弧与岛弧,岛弧与大陆之间的拼贴、焊接而形成准噶尔地体太古代至早元古代结晶基底。结晶基底生成后,经过大陆增生,至晚元古代已经形成大型而稳定的大陆地块,可能出现原始的地体型堆积,成为一个隆起区。这可能就是准噶尔陆核及邻区缺乏晚元古代沉积的原因。太古代至元古代是原始古陆核演化为准噶尔地体的构造转折期,蛇绿岩和蓝片岩的缺失极有可能是长期的剥蚀和后期变质作用所致。综合有关资料,可以推断准噶尔盆地前寒武结晶基底可分为两层:下部结构层由太古界地层组成,变质程度较深;上部结构层由早、中元古界组成,变质程度较浅,两者之间呈明显的角度不整合接触,它代表著名的辛格尔运动。为方便起见,将其统称为前寒武纪结晶基底,它是准噶尔盆地地壳结构分层中的“第四结构层”。用Sm-Nd同位素测定法,测出图1中Ⅰ6的火山岩年龄为1341Ma,西准噶尔唐巴勒花岗岩、斜长花岗岩、碱性花岗岩及其中矿物为1300〜1400Ma。这与西准噶尔地区拉巴群中凝灰质砂岩的模式年龄1543Ma相一致(见图1,Ⅰ5)。“305”项目人员用单颗粒锆石蒸发法对东准噶尔小柳沟中的岩性(图1,Ⅰ2)进行年龄测定,其结果为1908Ma,这是日前在准噶尔盆地内发现的最古老的年龄值。1.2准噶尔地区的火山岩本阶段形成了准噶尔盆地结构分层中的“第三结构层”。约在10亿年至6.5亿年前的新元古代,古亚洲大陆破裂,震旦—早寒武世的构造运动使古大陆边缘裂离,并由裂谷进而发展成为大洋。早古生代的蛇绿岩广布中亚地区,我国东北、新疆、内蒙古以及哈萨克斯坦、蒙古等地蛇绿岩套十分发育。准噶尔地区及周边地区亦发现有唐巴勒的蛇绿岩套,年龄为508Ma;洪古勒楞蛇绿岩带为616Ma;准噶尔盆地陆梁地区的蛇绿岩带为1341Ma。在成吉斯—塔尔巴哈台、扎拉依尔—奈曼及吉尔吉斯斯坦的北天山等地都有早古生代的蛇绿岩的分布。这些资料表明了古亚洲洋的存在。经过古大陆边缘裂离,应有众多大小不等的微陆块散布其中,准噶尔地块即是其中之一。古地磁研究曾显示,古生代晚期西伯利亚东端位于北极附近,东部处于高纬地区。古生物资料表明,晚古生代准噶尔地区含安哥拉植物群,属西伯利亚、蒙古及我国东北北部的安哥拉植物区,而古中国地块包括朝鲜、日本都属于华夏植物区,说明准噶尔地体更接近西伯利亚板块。早古生代晚期构造活动相对较弱,地壳比较稳定。火山喷发活动主要在中晚志留世,喷发产物仍以中基性火山岩为主。早志留世和晚志留世末只有极微弱的火山喷发,常表现为远火山相的凝灰质岩石。早古生代准噶尔地区基性火山岩以拉斑玄武岩系列为主,中-酸性火山岩属钙碱性系列,具有细碧-角斑岩组合,岩石化学特征主要属于造山早期阶段活动构造区的火山喷发产物。基性火山岩主要属于岛弧近大陆一侧的火山喷发产物,表明准噶尔地区在早古生代主要处于大洋盆地的构造环境,处于大洋岛屿或微小的稳定大陆及岛弧前缘近大陆一侧的地壳演化中。至晚古生代早期,西准噶尔裂陷槽和博格达裂陷槽形成,准噶尔地区进一步裂解成接近现盆地范围的地块,并与哈萨克斯坦板块分离,此时的准噶尔为被动大陆型微陆块(或称中间地块),与西伯利亚、哈萨克斯坦和塔里木板块隔海相望。1.3石炭世—准噶尔盆地雏形形成阶段这一阶段形成了准噶尔盆地的“第二构造层”,时间大致为中海西期—晚海西期。从古地磁的资料看,准噶尔地体、塔里木板块、西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块、伊犁地体、中天山地体在中、晚石炭世和二叠纪的古纬度相接近,这表明准噶尔地体自中石炭世就与劳亚大陆有联系,中、晚石炭世的植物群明显属于安哥拉植物群,准噶尔地体在石炭—二叠纪时已经拼合到劳亚大陆,在准噶尔西部形成了一个海相盆地(图2)。岩相古地理研究表明,晚石炭世准噶尔地体的古地理位置在北纬35°～50°。晚石炭世至二叠纪的北疆各地质单元的磁偏角表明:准噶尔地体、中天山地体、伊犁地体、塔里木板块、西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块之间存在着相对运动,而且准噶尔地体相对于它周围的地块的整体旋转的可能性更大。二叠纪以后的相对运动,可以理解为哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块相对于稳定的准噶尔地体进行了顺时针的旋转,这可能就是二叠纪后准噶尔盆地构造调整的原因。石炭纪时,大陆与大陆开始接触、碰撞,在大陆与大陆的强烈碰撞作用下,准噶尔北部(陆梁、乌伦古及以北地区)地幔物质上涌,形成众多的火山弧,并与相间的碎块构成大小不等的弧间盆地。前寒武的老地块在海西旋回中碎裂沉降,其上堆积了相对较薄的海西期海相沉积建造,海西褶皱构造层就成了盆地盖层下的上层基岩。西北缘和南缘因碰撞作用相对较弱(可能还存在一定的俯冲作用),基底相对稳定,所以使后期的演化也相对简单,形成了两个大型的坳陷:玛湖坳陷和沙湾—昌吉坳陷。在布格重力异常图(图3)和磁力ΔT异常图上(图4),这两个坳陷区正对应等值线宽缓平直的地区,与陆梁隆起以北等值线急剧变化完全不同。在上延40km的磁力ΔT异常图上,位于盆地西部存在一个范围近似椭圆形的正磁场,是准噶尔盆地刚性基底的反映,也可能是准噶尔盆地刚性基底碎裂后残存最大的部分。2先生后生陆盆地阶段t—盆地演化时期准噶尔盆地构造旋回自晚古生代以来基本可划分为周缘前陆盆地阶段(P),陆内坳陷阶段(T—E1),再生前陆盆地(N—Q)阶段。三个阶段分别代表了中、晚海西运动、印支—燕山运动和喜玛拉雅运动对准噶尔盆地的控制和影响程度。相继的构造发展在盆地中造成多期活动、类型多样的构造组合和沉积体系,并严格控制了油气生成、运移、聚集和散失。2.1印支运动对准噶尔盆地的影响前陆盆地早期阶段时限主要指二叠系沉积时期。准噶尔盆地初步形成于中、晚石炭世末—中海西期末,下二叠统是它成盆后的最早沉积盖层。准噶尔盆地是在周边海槽闭合碰撞时多向挤压应力场中形成的。早二叠世佳木河期(Plj),盆地周缘海槽已基本收缩闭合,仅残存盆地东南博格达海槽伸入盆地并与外海沟通。此期的构造作用主要表现在西准噶尔造山带强烈地自西向东推覆,图5表示晚古生代的推覆运动,三叠纪、侏罗纪有逆冲再活动,从而造成盆地基底西倾。早二叠世晚期(P1f),盆地周缘海槽已全部褶皱成山,火山活动减弱。由于盆地周缘褶皱山系向盆地冲断推覆作用,致使早二叠世末准噶尔盆地中相对于边缘冲断推覆带形成了两个独立发展的周缘前陆盆地,即西北缘前陆盆地和南缘前陆盆地。正是由于这两个在不同地区前陆盆地的发育,使准噶尔盆地进入了分割性沉积阶段,盆地坳隆格局也在此期初具规模,形成了巨大的玛湖—盆1井西坳陷、北天山山前沙湾—昌吉坳陷和多个隆起区。晚二叠世时沉积范围逐渐扩大,分割的局面初步统一,但沉积坳陷仍由于断裂作用所控制的箕状坳陷,形成大小不等的多个沉积中心。西北缘仍继承性发育了一个北东方向延伸的沉降中心,最大沉积厚度达3000余米。沉积厚度仍以玛湖、昌吉、乌鲁木齐一带最大,在五彩湾—大井、阜康、吉木萨尔及三个泉隆起带上亦有一定厚度的分布。二叠纪末期,盆地已处于较为平坦的沉积状态,二叠系顶部的上乌尔禾组以较为稳定的厚度在盆地中广泛展布。但从整个二叠纪的沉降中心来看,由佳木河期至乌尔禾期存在明显的东移趋势。海西运动主幕在准噶尔区的影响主要有三个方面:一是使本区发生不均衡抬升,特别是东部抬升幅度大,时间早,造成早、晚二叠世之间的不整合;二是博格达早二叠世的残留海水退出,整个盆地全部转入陆相沉积;三是盆地由早二叠世隆坳分割的局面转化为统一的大型内陆湖盆。但在整个坳陷盆地发育过程中,由于叠加了周缘活动带对盆地产生的挤压作用的影响,从而对统一的坳陷盆地造成了一定程度的改造。二叠纪末盆地中原来隆坳错落的格局已基本填平;三叠纪初,盆地整体抬升遭受剥蚀,随后进入了整体沉积—抬升的振荡发展阶段。此时期准噶尔盆地已成为统一的浅水湖盆,且由于周缘山系的夷平,处于泛盆地沉积阶段;三叠纪末的构造运动、侏罗纪中晚期和侏罗纪末期的燕山两幕运动及白垩纪末的准噶尔运动使盆地频繁地抬升,振荡运动极为显著。在盆地边缘,尤其是盆地西北缘、南缘和东部地区,承受了一定的挤压、扭压应力,形成了一系列冲断、褶皱、不整合及超覆等构造组合。印支运动在准噶尔盆地表现特征为:盆地周边的主控断裂除了同生性活动外并兼有明显的左、右走滑运动,盆地北缘一些主控断裂还表现出强烈推覆活动,著名的克拉玛依—夏子街推覆体就主要是在印支期发育起来的。总之,印支运动构造期盆地总体表现以凹陷作用为主,在南缘特别是安集海一带及博格达叠加了一定程度的逆冲推覆,并对东部地区产生了比较明显的影响。三叠纪末,盆地发生整体抬升,形成了三叠系和侏罗系之间的区域性的不整合。此后进入燕山构造层的发育和演化。2.2盆地内反射波与下伏地层不整合燕山运动为整个侏罗纪、白垩纪期间广泛发育于我国全境的重要构造运动。在准噶尔盆地中涉及到侏罗纪、白垩纪的区域性构造运动有三次(相当于燕山Ⅰ—Ⅲ幕):1)中侏罗统头屯河组(J2t)与下伏西山窑组(J2x)之间的不整合,在地震资料上是TJ4不整合面反射波;2)为白垩系底界与侏罗系之间的区域性不整合,在盆地边缘地震资料上TK1反射波与下伏地层反射波呈削截不整合,且上侏罗统在西北缘基本缺失;3)以下第三系与白垩系的不整合为代表,在盆地东部地震剖面上可清晰地看到TE1波与下伏地层反射波的相交现象。燕山运动是准噶尔盆地的一个重要成盆期。燕山运动早中期在盆地内的表现是西强东弱,盆地腹部由盆1井到滴水泉一带整体上隆,上侏罗统基本上缺失,下、中侏罗统的沉积仍继承了印支期的格局,呈北西西向展布。总体来讲,在盆地中,燕山运动早中期有一次整体性上隆,与此同时,由于一些基底断裂的翘倾活动而使盆地各区块剥蚀程度有所差异;燕山晚期,盆地内表现为以腹部为中心的整体同心式下沉,白垩系沉积厚度大而稳定。而盆地构造表现出的振荡作用在三叠—侏罗系内部形成了多套储盖组合,成为盆地重要的含油气层系。2.3冲断型前陆盆地再生前陆盆地阶段主要时限于晚第三纪—第四纪。从地震资料及古生物资料来看,老第三系与白垩系沉积范围相当,沉积连续无间断。晚第三纪一第四纪喜玛拉雅运动对准噶尔盆地有重大影响,源自新特提斯构造域的强大挤压应力使北天山快速、大幅度隆升,并向盆地冲断,故使盆地南缘发育了冲断型前陆盆地。从整套第三系厚度资料分析,盆地以整体抬升为主,特别是盆地腹部、北部,北部抬升最大,呈北升南降的态势,沉积坳陷收缩到南缘沿天山一线,沉积了4000～6000m厚的磨拉石建造,促使了该区侏罗系煤系生油气层的成熟。同时,走滑挤压应力在盆地南缘形成了喜玛拉雅期成排成带的褶皱和断裂,北缘由于一些基底断裂受其影响而复活,致使上覆浅层形成了一些平缓的低幅度背斜构造。3构造发育阶段准噶尔盆地自下而上可划分出四大“结构层”,即前寒武纪构造层(早、中元古代)、早古生代构造层(加里东期)、晚古生代构造层(海西期)和盖层。盖层演化又可以划分为三个阶段,所以准噶尔盆地形成相应地具有六阶段演化模式(图6)。第一阶段:太古代至早—中元古代,准噶尔及邻区三个古陆核开始形成发展,独立的准噶尔地体、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块、伊犁地体并存。它们之间为海洋所间隔。古斋桑—额尔齐斯—北天山海洋板块俯冲消减作用开始。第二阶段:新元古代—早古生代时期,准噶尔地体稳定发展,早海西期运动时,与俯冲消减作用有关的岛弧火山活动、前陆变质褶皱、洋壳残体逆掩推覆,阿尔泰—额尔齐斯造山褶皱带形成。第三阶段:中海西期运动时,准噶尔地体向哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块拼贴碰撞,分别形成西准噶尔造山褶皱带和东准噶尔造山褶皱带,其时间大致为晚泥盆世—早石炭世;伊犁地体向准噶尔地体拼贴,形成伊林黑比尔根造山褶皱带和觉罗塔格造山褶皱带,其时间大体止于早石炭晚期和晚石炭早期。第四阶段:二叠纪至三叠纪前陆盆地阶段。以边缘冲断、推覆并强烈褶皱和盆