塔里木盆地西南缘中生代沉积体系重建及古环境重建

塔里木盆地西南缘中生代沉积体系重建及古环境重建

自勇士王朝以来，印度板块和欧亚板块的碰撞和可持续的聚集效应导致了中亚地区强烈的区域变形。帕米尔构造带向北移动，地壳缩短（betmanandmolgar，1993；小别墅等人，2007）。它不仅导致了帕米尔造山带沿线帕米尔北部拱形覆盖带的形状，而且南部的天山带也受到印度板块和欧亚板块冲突的影响，南天山带也受到了印度板块和欧亚板块之间的冲突影响。前人在古生代板块汇聚历史(Carrolletal.,1995;Matteetal.,1996;Xiaoetal.,2001,2002)和新生代构造变形研究方面(BurtmanandMolnar,1993;曲国胜等,1996,1998,2004,2005;SobelandDumitru,1997;陈杰等,1997,2001;Burtman,2000;肖安成等,2000a,2000b;Zhengetal.,2002;伍秀芳,2003;Negredoetal.,2007;Ufimtsev,2007,2009)取得了大量的研究成果。然而,受各种条件限制,尤其是西昆仑山前带地球物理资料的限制,同样是记录了此次碰撞事件的塔里木西南缘中生代盆地由于被后期构造运动强烈改造,盆地原型恢复研究工作十分薄弱。这对深入研究新生代大规模构造变形,尤其是对认识新生代变形前塔里木盆地南缘的构造特征造成困难。新生代强烈的挤压变形使得塔里木盆地西南缘中生界被抬升至地表遭大量剥蚀(图1)。残余的中生界主要发育有暗色的下侏罗统沙里塔什组(J1s)、康苏组(J1k)、中侏罗统杨叶组(J2y)下段,局部见煤系夹层;以暗红色和灰绿色间互为特征的中侏罗统杨叶组上段和塔尔尕组(J2t);以红色碎屑岩为特征的上侏罗统库孜贡苏组(J3k)和下白垩统克孜勒苏群(K1kz),以及海陆过渡—海相碳酸盐岩沉积的上白垩统库克拜组(K2k)、乌依塔克组(K2w)、依格孜牙组(K2y)及吐依洛克组(K2t),全区缺失三叠系(图2)。1中-下侏罗统前人针对研究区侏罗系的分布和沉积相特征做了大量细致的研究工作(Bebeshev,1994;Sobel,1999;罗金海等,2000,2004;张春生等,2000;刘胜等,2006;曾昌民等,2007;贾进华,2009),认为其主要分布在南天山前的库孜贡苏地区、西昆仑山前的玛尔坎苏—奥依塔格、克孜勒陶以及柯克亚—普司格地区(图1),具有明显的两分性:以含煤系地层为特征的暗灰色下侏罗统—中侏罗统下段和以杂色、暗红色为特征的中侏罗统上段—上侏罗统。下侏罗统沙里塔什组发育一套冲积扇扇根—扇中亚相的紫褐、灰、灰绿色、浅紫灰色块状粗—细砾岩、含砾粗砂岩、中粗粒岩屑砂岩间夹少量薄煤线。砾石成分因各地母岩不一而不同,磨圆呈圆—次棱角—棱角状,分选差,为快速堆积的产物。康苏组总体以一套灰、灰黑色的含煤粗碎屑岩系为特征,由西向东砾岩、凝灰质岩屑砂岩明显减少,而灰黑色粉砂岩、碳质泥岩、页岩逐渐增多,其沉积环境由西部玛尔坎苏—且木干地区发育的辫状河—辫状河三角洲平原亚相沉积向东变为库山河地区的滨浅湖亚相沉积。中侏罗统杨叶组以一套总体呈灰绿、黄绿色的细碎屑岩系为特征,在玛尔坎苏—盖孜河剖面含有大量的火山质砾岩、安山质岩屑砂岩、灰黄色中粗粒岩屑砂岩,向东库山河剖面才变为以灰绿色中厚层状中细砂岩、钙质粉砂岩、泥岩为主夹碳质页岩,由西向东表现为辫状河三角洲前缘亚相—辫状河三角洲平原亚相到半深湖—深湖亚相沉积。塔尔尕组以一套风化色呈杂色的细碎屑岩系为特征,在玛尔坎苏—且木干剖面以中细粒砂岩、泥岩为主夹砾岩,向东泥质粉砂岩、泥岩明显增多,表现为由西段玛尔坎苏—且木干剖面的扇三角洲前缘亚相沉积,向东变为盖孜河滨浅湖亚相沉积,至库山河则发育浅湖亚相沉积。上侏罗统库孜贡苏组较之中侏罗统,砾岩成分开始增加,在玛尔坎苏—且木干—盖孜河剖面可见到中厚层状的砾岩,而在库山河剖面则以褐紫、暗褐色块状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主夹细粒岩屑砂岩,其沉积环境也由西向东扇三角洲平原-前缘亚相沉积向东变为浅湖亚相沉积。值得注意的是,野外地质调查结果证实在西昆仑山前带各剖面中,中晚侏罗统之间均为整合接触,与西南天山前中晚侏罗统之间为微角度不整合接触的现象相异(图3)。2上白垩统形成矿白垩系的分布范围比侏罗系有所扩大,下白垩统主要由河流相红色碎屑岩组成,上白垩统出现海湾-泻湖相碎屑岩-膏泥岩组合和碳酸盐台地沉积(郭宪璞等,2002;彭阳等,2002;张惠良等,2005;刘胜等,2006;贾进华,2009)。2.1下白垩统克孜勒苏群西昆仑山前带残留的下白垩统克孜勒苏群整体呈NW—SE向分布,厚度由西向东减薄,由山前向巴楚隆起一侧逐渐尖灭,其分布范围要远远大于侏罗系。其岩性组合以同由路克剖面最为代表(张惠良等,2005),可分为4段:第Ⅰ段以巨厚的浅褐红色细砾岩、中砾岩及粗砾岩岩相组合为特征,其沉积层序是由多个细砂岩—中砂岩—粗砂岩—细砾岩向上变粗的扇三角洲层序组成;第Ⅱ段由棕红色辫状河道沉积的细—中砾岩、中砂岩、细砂岩及泥质粉砂岩组成,为辫状分流河道、心滩、越岸沉积;第Ⅲ段是由棕红色中、细砂岩为沉积建造的两套由水下分流河道组成的巨厚砂岩沉积层序夹一套砂泥互层的沉积层序组成;第Ⅳ段为滨浅湖相的棕红色粉砂质泥岩、灰白色粉砂岩条带夹三角洲前缘河口坝中、细砂岩,沉积建造由滨浅湖夹河口坝沉积层序、水下分流河道沉积层序组成。在地震剖面中,第Ⅰ段发育的扇三角洲相沉积也有明显的反射特征:其内部反射结构较为杂乱,振幅强弱多变,但是与底部古地形反射终端接触关系清楚(图4);向边部演变为低连续、变振幅发射,具有亚平行结构特征,反映砂泥岩互层的扇三角洲平原相沉积;笫Ⅲ-Ⅳ段发育的辫状河三角洲则表现为S-斜交型前积地震相(图5)。本文结合前人研究成果❶❷❸,对下白垩统克孜勒苏群岩性-沉积组合特征进行横向对比发现(图6),尽管整体岩性组合较为一致,但地层岩性、沉积特征和残留厚度在各个剖面仍有较大变化:第Ⅰ岩性段从西段的玛尔坎苏剖面至东段的普司格剖面均有出露,但西段的盖孜河剖面为灰紫色中厚层状中细砾岩与褐红色中厚层块状中粗粒岩屑砂岩不均匀互层,属扇三角洲平原亚相沉积;中段的和什拉甫剖面变为紫红色、褐红色复成分的中细砾岩和暗红色、杂色的含砾粗砂岩、细砂岩组成的扇三角洲前缘亚相辫状分流河道微相沉积;而至东段的普司格剖面则变为紫红色砾状粗砂岩、中砂岩和细砂岩组成的扇三角洲前缘亚相辫状河道微相沉积。第Ⅱ岩性段在西段的玛尔坎苏剖面和盖孜河剖面表现为褐红色厚层块状中细粒岩屑砂岩,属冲积平原亚相沉积;在中段的七美干剖面中底部为杂色厚层复成分中砾岩,下部为棕红色厚层状中细砂岩夹薄层泥质粉砂岩和含砾粗砂岩透镜体,上部为紫红色中厚层状细砂岩与中薄层状泥质粉砂岩、粉砂质泥岩不等厚互层;和什拉甫剖面已经缺失;至东段的克里阳剖面和普司格剖面则在底部发育薄层杂色复成分砾岩,向上变为褐紫色厚层粉砂质泥岩和棕红色细砂岩,属扇三角洲前缘亚相沉积。第Ⅲ岩性段在西段的玛尔坎苏剖面缺失,在且木干剖面中为紫褐色中厚层砾岩和褐红色块状岩屑砂岩夹粉砂质泥岩,属扇三角洲前缘-平原亚相沉积,在盖孜河剖面中褐红色薄层状泥质细砂岩、泥质粉砂岩明显增多,属扇三角洲前缘亚相沉积;中段的七美干剖面和干加特剖面中由紫红色中厚层状中细砂岩夹薄层状泥质粉砂岩组成一套辫状河三角洲水下分流河道-河口坝沉积建造;在和什拉甫和普司格剖面缺失,克里阳剖面残留紫红色巨厚层细砂岩夹薄层粉砂质泥岩,属扇三角洲前缘辫状分流水道河口坝微相沉积。第Ⅳ岩性段由西向东整体呈现为扇三角洲-辫状河三角洲相沉积,在西段盖孜河剖面中为褐红色块状中细砾岩与含砾细砂岩、泥质细粒岩屑砂岩、泥质粉砂岩组成多个向上变细的沉积韵律,为扇三角洲平原亚相沉积;在中段七美干剖面和干加特剖面为紫红色厚层状中细砂岩与泥质粉砂岩,属辫状河三角洲水下分流河道沉积;东段各个剖面则缺失。值得注意的是,野外地质调查发现七美干剖面中下统克孜勒苏群直接超覆于古生界褶皱之上,其下部充填在古地形的低洼之处,上部则漫过古地形的凸起部位(图7)。在穿越苏1井和英深1井的地震测线中也可以发现这一现象:在古地形低洼处,地震反射轴以短轴、强振幅、连续性差为特征,与底部呈不整一接触;在古地形隆起处,地震反射轴以长轴、强振幅、有一定连续性为特征,与底部为假整合接触,厚度明显减薄(图8)。2.2不同层序地层组合上白垩统在西昆仑山前带自西向东呈窄带状分布。其中,库克拜组可划分为上中下3段,其岩性组合由西向东有着明显的变化:下段在玛尔坎苏剖面发育的砂质白云岩在盖孜河剖面和依格孜牙剖面变为棕红色砂岩及砾岩互层,至阿尔塔什剖面中则变为泥岩,至和什拉甫剖面中则为棕红色含砾粗砂岩、中砾岩;中段盖孜河剖面以灰绿色泥岩为主,至依格孜牙—阿尔塔什剖面则变为棕色泥岩夹石膏;上段西部发育的膏泥岩至依格孜牙剖面变为泥岩与薄层灰岩互层,在阿尔塔什剖面则变为泥岩与白云岩互层,至东段的和什拉甫剖面仍以细砂岩、粉砂质泥岩等陆相沉积为主。乌依塔克组在西段玛尔坎苏—且末干剖面以膏泥岩为主,在中段同由路克剖面变为浅棕红色粉砂质泥岩夹泥质灰岩,向东紫红色粉砂岩、细砂岩、泥岩等陆相沉积岩仍为本组的主要岩性。依格孜牙组在山前带岩性组合较为稳定,以海相沉积为主,在东段克里阳剖面中仍可见砾屑。其下段以微晶、泥晶白云为主,中段为厚层固着蛤灰岩,成礁状产出,上段为棕红色隐晶质灰岩为主含隐晶白云岩。吐依洛克组在西昆仑山前带各地多为缺失,主要为棕红色泥岩、膏泥岩夹薄层石膏,横向上岩性变化较大。纵向上看,下部陆相沉积在库克拜组中仍占主导地位,向上海相沉积开始增多;空间东西向上对比,西部海相沉积出现的地质层位明显早于东部。3恢复旧环境3.1古塔拉斯-费尔干纳走滑断裂断序地质原因自从三叠纪晚期羌塘地体与塔里木板块碰撞拼合后,塔里木盆地已经成为欧亚大陆(劳亚大陆)内部具有较刚性的稳定克拉通基底的沉积盆地,开始了碰撞后的板内构造发展阶段。塔里木盆地西南缘也在经历了三叠纪末的挤压冲断之后,从早侏罗纪开始进入应力松弛的拉展构造发育阶段,以发育陆相冲积扇和沼泽煤系地层为特征(靳久强等,1999;陈发景和汪新文,2000;罗金海等,2000;张春生等,2000;程晓敢等,2008)。随着应力场从挤压向拉张的转换,塔里木盆地南缘发育了一系列独立分隔的断陷盆地,如塔东南地区NE—SW走向的瓦石峡断层控制了瓦石峡断陷的沉积范围(程晓敢等,2008)。相对于前人关于西昆仑山山前的克孜勒陶断陷也为受控于古塔拉斯-费尔干纳走滑断裂的走滑拉分盆地观点(Sobel,1999;罗金海等,2000,2004;曾昌民等,2007)。本文认为克孜勒陶断陷是造山作用后沿古昆仑山走向拉张形成的,古塔拉斯-费尔干纳断裂并未延伸至库孜贡苏以南的地区,相关证据有:①西南天山在二叠世已经开始造山运动,受古塔拉斯-费尔干纳断裂早侏罗世活动的控制,库孜贡苏地区发育厚达数千米的下侏罗统沙里塔什组砾岩,而古昆仑山是晚三叠世挤压冲断后开始的应力松弛阶段,山前带难以见到与之相同巨厚的砾岩层;②现今残留在西南天山前库孜贡苏地区的下侏罗统沉积相具有明显的两分性:冲积扇-扇三角洲沉积和辫状河沉积主要发育于东部边缘,平行于现今的塔拉斯-费尔干纳走滑断裂;西部边缘则以湖相和沼泽沉积为主,表明其受控于古塔拉斯-费尔干纳走滑断裂(Schlezinger,1971;Tseyleretal.,1982;Bebeshev,1994;罗金海等,2000,2004;曾昌民等,2007),而现今残余在克孜勒陶地区的下侏罗统沙里塔什组表现为发育在箕状断陷底部的一套快速沉积楔状体,而康苏组则表现为向东超覆于前中生界古背斜之上的辫状河三角洲相沉积;③西昆仑山前古流向以NE为主,缺乏类似库孜贡苏地区体现走滑拉分盆地中多组变化的古水流特征;④现今乌泊尔、喀什地区大量的地球物理资料尤其是高品质地震资料中,并没有发现存在有塔拉斯-费尔干纳走滑断裂的证据;⑤基于平衡剖面的古地理位置恢复结果表明❶,克孜勒陶断陷区表现为一南西断北东超的箕状断陷,其断裂发育走向与古塔拉斯-费尔干纳走滑断裂所呈现的NW—SE走向大致相平行,而非垂直。因此,本文认为早侏罗世早期,塔里木西南缘在温暖潮湿的亚热带气候条件下发育了一系列独立分割的小断陷,NWW—SEE走向的正断层控制了下侏罗统的沉积范围,其以巨厚的冲积扇、辫状河三角洲沉积为特征(图9)。至早侏罗世中期,随着区域应力场的均衡调整,经过早期填平补齐的准平原化作用,塔里木西南缘才从原始的冲积环境开始转变为辫状河三角洲-滨浅湖沉积环境。此时,盆地格局依然是一系列分割的小断陷区,但是沉积沉降范围已经较早期有所扩大,局部地方甚至进入河流-沼泽和滨浅湖沉积,开始形成煤层。3.2沉积沉降期稳定的阶段早侏罗世晚期,与塔里木盆地东南缘相似(程晓敢等,2008),西昆仑山前河流-沼泽相沉积开始发育,含煤地层广泛出现,盆地发育开始进入统一的坳陷盆地阶段。至中侏罗世,应力场均衡调整作用已经达到最大,盆地性质发生转变,进入了稳定的整体沉积沉降阶段。此时,水体范围达到最大,地层逐步向塔西古隆起区超覆,盆地内的地形较前期更为平缓,滨湖和河流-沼泽相广泛发育,沉积了大量的碳质泥岩和煤,甚至在柯克亚南部地区可能存在一定面积的半深湖—深湖相沉积区。冲积相沉积物已经在地层中难以见到,仅在普鲁南、七美干、玛尔坎苏等地发育辫状河三角洲平原—辫状河三角洲前缘相沉积,说明古昆仑山与塔里木盆地之间的地形高差减小,沉积物源主要来自南部古昆仑山局部有限的地区(图10)。结合塔里木东南缘侏罗纪盆地原始沉积体系和沉积环境(程晓敢等,2008),认为此时湖水由西向东可能连通了古昆仑山前的塔里木西南缘、塔东南、柴达木盆地西部以及吐拉盆地,形成一个统一的、缓慢沉降的沉积坳陷。3.3库孜勒苏组的区域差异通过地质读图可以发现:①塔尔尕组与库孜贡苏组间存在着岩相突变,前者为弱还原—弱氧化的滨浅湖相沉积,后者为干旱的洪积扇沉积;②在同由路克、盖孜河剖面中见库孜贡苏组与下伏塔尔尕组间普遍以底砾岩相接触,发育下粗上细的正粒序;③库孜贡苏组虽为洪积扇沉积但残余分布范围却比滨浅湖相的塔尔尕组广泛。上述现象反映,晚侏罗世沉积的库孜贡苏组可能不属于塔尔尕期沉积后湖盆萎缩的产物,而应该为早白垩世湖盆扩张前的产物,七美干剖面野外地质调查结果表明上侏罗统库孜贡苏组直接超覆于上古生界的古地形背斜之上即证实了这一观点(图11)。至早白垩世早期,西南天山在142±8Ma开始快速隆升(杨庚和钱祥麟,1995;沈传波等,2006;杜治利等,2007;陈正乐等,2008)。受塔里木板块相对于西伯利亚板块拼合后的顺时针旋转调整的影响(BurtmanandMolnar,1993;Matteetal.,1996;方大均等,2006),西昆仑山奥依塔格地区相对南天山托云地区产生顺时针旋转(李永安等,2003),造成西昆仑山前西部地区的下白垩统呈微角度不整合于上侏罗统,而东部地区两者间则表现为整合或平行不整合接触。此时,物源区广泛发育,又一次填平补齐沉积运动开始。下白垩统克孜勒苏群第Ⅰ段普遍见扇三角洲前缘-平原亚相沉积;至下白垩统克孜勒苏群第Ⅱ～Ⅳ段中砾岩成分开始减少,中细砂岩开始增多;当第Ⅳ段沉积时,地层中泥质粉砂岩、泥岩成分明显增多,由早期砂砾岩不均匀互层的沉积组合逐步为含砾细砂岩—细砂岩—泥质粉砂岩的沉积组合所替代,进入了辫状河三角洲平原亚相沉积环境,反映盆地内沉积和沉降趋于基本平衡。总的说来,尽管早白垩世盆地原型恢复结果表明(图12),盆地内沉积体系、地层岩性、岩相在各地也较为一致,但是本文认为这种单一的沉积环境中,沉积体的发育并不简单,其应该是沿古昆仑山山前一系列冲积扇—扇三角洲+—扇三角洲平原—辫状河三角洲—辫状河三角洲平原沉积相互叠置后的一个综合体现。3.4南天山山地的发达地形塔里木西南缘在上白垩统库克拜组沉积时,地势较早白垩世有了很大的变化,此时海水已经开始由西侵入塔里木盆地西南缘。南天山山前的乌拉根古陆已变得相当平缓,在山前带形成一个宽阔、平坦的陆架,可能仅局部出露水面;西昆仑山山前仅西段保持较陡峻地形,并发育有横向水系,向盆地边缘供应粗陆屑,东段地势则变得比较平缓。至乌依塔克组沉积时期,古昆仑山前西段膏泥岩和泥质灰岩的出现说明海相沉积已经占有一定优势,仅东段还处于海陆过渡相的沉积环境中。3.5泥砂坪—晚白垩世中晚期海相沉积至上白垩统依格孜牙组沉积时期,北侧南天山山前带在稳定而宽敞的陆架上形成了以潮坪—泻湖—咸化泻湖等浅水环境为特征的沉积边缘;而在古昆仑山山前带则形成了由近海冲积扇—滨海砂滩—泥砂坪—碳酸盐台地等组成的复杂沉积边缘。存在于依格孜牙—七美干—赛格尔塔什一线的古隆起此时可能没于水下成为造礁生物繁殖的场所,并发育