蒙古国南戈界地区银额盆地地质特征

蒙古国南戈界地区银额盆地地质特征

蒙古南戈壁省与中国蒙古自治区西部银质盆地接壤。20世纪20年代,蒙古国南戈壁省塔万托尔戈伊地区(现楚格图苏木)居民开始开发利用当地煤炭资源。自1932年起,前苏联、保加利亚等多个国家的地质工作者在南戈壁省进行了地质填图、煤田勘探与水文地质调查,在南戈壁省南部发现了多个二叠系大型—特大型煤田。由于地质工作程度低,缺乏系统的古生物资料和火山岩地层年龄资料,1969年之前所有研究者将该套含煤地层及其下伏的酸性火山岩时代确定为侏罗纪。1969—1976年古生物学家MH杜兰特在塔万托尔格伊地区进行系统的古生物研究,在煤系地层之下及含煤系地层内发现了大量的二叠纪植物群,将含煤地层的时代修正为晚二叠世中期(二叠纪两分)(1)。近年来,笔者所在的团队开展银额盆地石炭系—二叠系油气地质条件研究,在盆地演化与沉积充填特征研究方面取得了一系列新认识,将石炭纪—二叠纪盆地构造单元划分为两坳一隆,其中黑鹰山—额济纳旗坳陷带跨中蒙边界,并在银额盆地靠近中蒙边境的赛汗桃来—希热哈达一带发现一套含煤系地层,岩性组合与蒙古国南戈壁省二叠系岩性组合特征相同。由于中蒙边界地带二叠系研究程度极低,之前所有资料记录的银额盆地二叠系主要为海相沉积,仅北山地区晚二叠纪末期(方山口期)沉积了陆相火山岩,并对含煤系地层的时代存在不同认识,影响了对二叠纪盆地演化及盆地沉积充填特征的认识。为了深化银额盆地石炭纪—二叠纪盆地演化与沉积充填特征的研究,笔者及其团队2013年对蒙古国南戈壁省南部的瑙木根苏木、楚格图苏木、瑙音苏木等地区石炭系—二叠系剖面进行了野外调查与样品采集分析,获得了大量第一手资料。本文拟通过对中蒙边境地区二叠系层序地层及其岩石组合特征的对比,分析中蒙边界地区二叠系岩性组合的横向变化规律,明确银额盆地钻井揭示的煤系地层的时代归属,进一步分析二叠纪沉积演化与沉积充填特征,为区域构造演化研究提供依据。1邻区地质界线研究区位于内蒙古自治区西北部与蒙古国南戈壁省南部的接合部位,中国境内包括银额盆地西北部及其周缘的北山地区和洪果尔山地区。构造演化经历了南华纪—泥盆纪洋陆演化阶段,石炭纪—二叠纪海陆演化阶段和中生代陆内盆山演化阶段。南华纪—泥盆纪构造位置位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交会过渡带,石炭纪—二叠纪时期所属构造单元为北山—巴丹吉林裂谷盆地的黑鹰山—额济纳旗坳陷带的北部边缘带,是一个大地构造极其复杂的多构造单元交会带,涉及研究区及邻区的重要地质界线有2条:(1)北部蒙古国南戈壁省的阿尔泰断裂带(或造山带),早古生代开始活动,第四纪仍有明显活动,该断裂带于晚泥盆世—二叠纪发生强烈挤压造山,晚二叠世发生拉张走滑,对研究区石炭纪—二叠纪构造演化与沉积充填具有重要影响;(2)红石山—雅干断裂带(或构造带)中奥陶世开始发育,石炭纪—二叠纪伸展与拉张,控制了石炭纪—二叠纪盆地黑鹰山—额济纳旗坳陷带的演化与沉积充填。研究区出露的前石炭纪地层包括奥陶系、志留系和泥盆系。奥陶系、志留系为火山岩(以中基性火山岩为主)+碎屑岩组合,夹少量的硅质岩;泥盆系为火山岩(中酸性火山岩为主)+碎屑岩+碳酸盐岩组合,沉积地层中具有强烈的火山活动产物,包括基性—中性—酸性的各类火山岩,碎屑岩矿物成分成熟度低,代表洋壳上发育起来的岛弧环境的沉积。区内石炭纪最早接受沉积的时代为早石炭世晚期,上石炭统分布广泛,不整合覆盖于奥陶系—泥盆系不同地层单元之上(图1),为碎屑岩+火山岩+碳酸盐岩组合,火山岩具有双峰式结构,代表了裂谷盆地沉积特征。二叠系与石炭系为连续沉积,研究区南部的北山地区和洪果尔山地区在早—中二叠世以滨—浅海相沉积为主,岩性组合为以砂、泥岩为主的细碎屑岩夹火山岩,局部发育碳酸盐岩;银额盆地希热哈达—赛汗桃来地区及蒙古国南戈壁省为以砾岩为主的粗碎屑岩+煤系地层,夹中酸性火山岩。中生代三叠纪—侏罗纪以隆升作用为主,零星分布有山麓相粗碎屑岩。白垩纪为断陷(或坳陷)盆地发育阶段,广泛分布河—湖相砂泥岩组合。2岩性分区及岩石学特征蒙古国南戈壁省地质工作程度极低,1∶20万地质图各图幅间地层划分不统一,或上石炭统与下二叠统未分,或二叠系未分,给对比研究带来较大困难。本文对地层岩性组合特征的描述主要依据研究区1∶20万区域地质调查成果(2),结合区内煤田地质勘查资料,以及笔者及其团队在蒙古国南戈壁省的野外调查成果,在建立地层层序的基础上对岩性组合特征进行总结性描述。前人所划的杜诺西宾组(C2P1d,上石炭统小独山阶—下二叠统紫松阶)为一套中酸性火山岩,本次研究获得的锆石年龄为(300.1±3.1~304.0±5.6)Ma,与中国境内银额盆地的干泉组上段(C3P1g2,火山岩段)年龄及岩性可对比,为了研究方便,本文所指的二叠系是指下二叠统隆林阶及其以上地层。蒙古国南戈壁省二叠系分布广泛,整合覆盖于石炭系之上,自西向东的可对比性强,按岩性组合自下而上可划分为3个岩组。下岩组为以砂砾岩为主的碎屑岩夹火山岩,中岩组为以泥岩为主的含煤系地层夹火山岩(相变为暗色泥页岩为主的细碎屑岩),上岩组为以砾岩为主的粗碎屑岩夹火山岩。下砾岩段:出露于瑙音苏木的敖包图、楚格图苏木塔万托尔依煤矿南、瑙木根苏木北等剖面,厚度逾580m,与下伏杜诺西宾组火山岩为整合接触(图2),岩性为砾岩、凝灰质砾岩、凝灰质砂岩,夹火山岩,下部可相变为碎屑岩与火山岩互层(图版Ⅰ-A),以碎屑岩为主。碎屑岩成分成熟度和结构成熟度均较低,火山岩屑(或火山砾)含量高(图版Ⅰ-B),分选和磨圆度差,呈次圆—次棱角状,反映了近源沉积的特点,为河流—冲积扇沉积。火山岩主要为流纹质玻屑晶屑岩屑凝灰岩、凝灰岩和流纹状熔岩,塔本陶勒盖煤矿南流纹质玻屑晶屑岩屑凝灰岩取样获得的火山岩年龄为289.7Ma±8.2Ma,指示地层时代为早二叠世隆林期。中岩组:出露于瑙音苏木敖包图南、楚格图苏木塔万托尔依煤矿一带,厚度逾965m,由黑色—深灰色泥岩、煤、灰色—深灰色泥质粉砂岩、砂岩、砾岩构成多个下粗上细的韵律层(图版Ⅰ-C),夹碳酸盐岩和凝灰岩或中—酸性火山岩。煤层发育程度差异大,可由数十米迅速变薄或尖灭,含煤系数为3.0%~16.8%,楚格图苏木塔万托尔依一带可采煤层达16层,单层最大厚度达33.25m,煤质及煤的演化程度纵向差异大,从下部的焦煤变化到上部的气煤和长焰煤。岩性横向变化亦大,由以泥岩为主的细碎屑岩夹煤层变为以砂砾岩为主的粗碎屑岩夹煤层。火山岩主要分布在本亚组的上部,且火山岩厚度变化大。泥岩富有机质,砂砾岩成分火山岩岩屑含量高,表明成分成熟度低。岩性横向变化大,可由粗碎屑岩相变为厚层泥岩。为海陆交互相沉积,以河流—沼泽相,或泛滥平原相沉积为主,或发育近海湖相细碎屑岩,碳酸盐岩为滨—浅海相沉积。上岩组:出露于楚格图苏木东部、瑙木根苏木南部等剖面,厚度逾500m,灰色、灰白色、紫红色砾岩、含砾粗砂岩、砂岩、凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、紫红色泥岩与火山岩组成(图版Ⅰ-D)。碎屑岩成分成熟度和结构成熟度低,碎屑成分中火山岩屑(或火山砾)含量高,分选性差,磨圆度亦差,主要为棱角状—次棱角状,代表近源的河流—冲洪积相沉积。火山岩主要为流纹质玻屑晶屑岩屑凝灰岩、凝灰岩和流纹状熔岩。岩性横向变化大,尤其是火山岩分布不稳定,局部以火山岩为主。3地表剖面二叠纪银额盆地上石炭统—下二叠统干泉组(C2P1g)为碎屑岩+火山岩组合,下部以碎屑岩为主,夹火山岩和碳酸盐岩,上部以火山岩为主,夹碎屑岩,石炭系与二叠系界线难以划分。本文所指的二叠系是指下二叠统隆林阶及其以上地层。地表剖面出露的二叠系主要分布于洪果尔山地区(东部)雅干—杭乌拉一带和北山地区(西部)的六驼山以南,洪果尔山地区自下而上出露埋汗哈达组(P1-2m)、阿其德组(P2a)和哈尔苏海组(P3h);北山地区自下而上为双堡塘组(P1-2s)、菊石滩组(P2j)、金塔组(P2jt)和方山口组(P3f)。地表剖面二叠系除方山口组(P3f)为陆相火山岩外,其他各组均以海相沉积为主,一般除进积沉积的底部或退积沉积的顶部发育河流相—冲洪积相的粗碎屑岩外,其他多为滨—浅海相的细碎屑岩、碳酸盐岩,夹火山岩。在银额盆地西北部的希热哈达—赛汗桃来一带,钻井揭示的二叠系下部主要为以粗碎屑岩为主的河流相—冲洪积相沉积;中部由泥岩、砂砾岩、凝灰质砂砾岩和煤层夹火山岩组成,为河流—沼泽相,或泛滥平原相沉积;上部为以粗碎屑岩为主夹火山岩的河流—冲洪积相沉积。3.1细断裂岩层序pet埋汗哈达组(P1-2m):研究区西部的北山地区对应为双堡塘组(P1-2s),零星出露于研究区东南部的埋汗哈达—杭乌拉一带和西南部的六驼山一带,厚度逾1000m。岩性横向变化大,东南部主要岩性为灰色、灰黑色粉砂质泥岩、含粉砂钙质泥岩、泥质粉砂岩、粉—细砂岩、砾岩,夹薄层灰岩(杭乌拉剖面为厚层块状灰岩),或夹火山岩。底部碎屑岩粒度粗,代表冲积扇—滨海相沉积,中上部碎屑岩粒度变细,以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩为主,代表浅海陆棚相沉积。西部为砾岩、细—粗粒杂砂岩、粉砂岩,纵向上自上而下碎屑岩粒度亦由粗变细,反映了以滨海相为主且海水逐渐加深的沉积特点。阿其德组(P2a):东部洪果尔山地区与埋汗哈达组分布范围一致,厚度逾1100m。下段为长石石英杂砂岩、钙质凝灰质砂岩、泥岩与粉砂岩,夹玄武岩、英安岩、英安质凝灰岩与薄层灰岩。上段以暗绿色安山岩为主,夹长石岩屑砂岩、长石石英砂岩及薄层灰岩,为滨海相与浅海相的过渡沉积,南部为河流相—滨海相的过渡沉积。含腕足类化石Linoproductuscf.cora,Stenoscismamutabilis,Anidanthusirregulatus,Waagenoconchacf.purdoni,Marginniferasp.,Paramarginiferasp.,Chonetinellasp.,Neochonetessp.,Uncinunellinasp.等。西部北山地区为菊石滩组、金塔组,分布在六驼山一带,菊石滩组岩性组合上部为暗色页岩、粉砂岩与中细砂岩互层,夹砾岩,产Paragastriocerassp.,Wagernocerassp.,Uralocerassp.化石。上部为灰黑色页岩与薄层粉砂岩互层,夹薄层中细砂岩,代表了以浅海陆棚相为主的沉积。金塔组下部为中酸性熔岩角砾凝灰岩夹灰岩透镜体,产海百合茎,中上部为流纹岩夹泥岩。银额盆地居延海钻井揭示的菊石滩组自南向北碎屑岩粒度变粗,天草坳陷以泥岩为主,路井坳陷及路北凸起以砾岩为主,砾石成分以火山岩为主。居延海坳陷缺失金塔组及以上地层。哈尔苏海组:分布在红果尔山地区的灰石山、雅干、哈尔苏海、蒙根乌拉一带,厚度大于2000m,主要为碎屑岩夹碳酸盐岩。碎屑沉积由细至粗构成2个旋回,代表了2次滨海相—浅海陆棚相的沉积。研究区西部缺失上二叠统方山口组。3.2.沉积相—希热哈达—赛汗桃来地区二叠系岩性特征银额盆地西部额济纳旗赛汗桃来—希热哈达地区的煤田预查井及油气调查评价钻井揭示的二叠系整合覆盖在上石炭统—下二叠统干泉组之上(图版Ⅰ),赛汗桃来古陆缺失石炭系,二叠系不整合覆盖在前石炭系变质岩之上(图3)。钻井揭示的二叠系自下而上为粗碎屑岩(下岩组)—含煤系地层(中岩组)—粗碎屑岩夹火山岩(上岩组)。下岩组:厚度大于150m,与火山岩段为整合接触(图版Ⅰ)。以砾岩、含砾砂岩为主,夹泥岩和煤线或薄煤层,或相变为下部砾岩,中上部以泥岩为主。受沉积时古地貌的控制,厚度横向变化较大,在赛汗桃来古陆可导致下岩组的尖灭。砂砾岩成分成熟度低,以火山岩岩屑为主,其次为变质岩岩屑和花岗岩岩屑,石英、长石等矿物含量结构成熟度亦较低,次棱角状—次圆状,为河流相—冲(洪)积扇相沉积,细碎屑岩发育带为近海河流相—湖相沉积。中岩组:厚度300~600m,岩性组合为砾岩、粗砂岩与煤层及泥岩不等厚互层,煤层单层厚度0.1~6.0m,相变为以泥岩为主,夹煤层(图版Ⅰ-F),主要为河流相—沼泽相沉积,相变为近海湖相—河流相—沼泽相沉积。砂砾岩成分火山岩或火山岩屑、花岗岩岩屑含量较高,石英、长石含量低,成熟度较低,结构成熟度亦较低,次棱角状—次圆状。钻井揭示的煤层4~5层,单层最大厚度6.0m。上岩组:厚度变化大,钻井揭示的最大厚度逾650m,受后期剥蚀的影响可缺失上岩组,为紫红色砾岩(图版Ⅰ-G)、粗砂岩、凝灰质砂砾岩,夹紫红色泥岩与凝灰岩(图版Ⅰ-H),碎屑岩成分火山岩屑、火山砾占较高的比例,长石、石英、变质岩岩屑等含量较低,分选差,次棱角状为主,为河流相—冲(洪)积相的沉积。4讨论4.1地层岩性组合1979年甘肃省地质局地质力学区测队完成的《1∶20万地质图六驼山幅》将希热哈达东部乌珠尔嘎顺地区的含煤地层确定为侏罗系,2009年以来内蒙古自治区地勘基金在银额盆地开展的希热哈达地区煤田勘查沿用了1∶20万地质图的划分方案,将含煤系地层划为侏罗系。卢进才等对煤田钻井揭示的含煤系地层岩性组合进行对比研究,并根据煤系地层的火山岩锆石年龄提出钻井揭示的煤系地层为石炭系—二叠系。银额盆地周缘的北山地区和洪果尔山地区二叠系均为以海相沉积为主的碎屑岩+碳酸盐岩+火山岩组合,侏罗系碎屑岩矿物成分成熟度和结构成熟度较高的碎屑岩,钻井揭示的含煤地层岩性组合找不到可对比的地表露头剖面,对地层时代归属仍存争议。部分研究者依据中国北方地区侏罗系煤系地层广泛分布,北山地区和洪果尔山地区二叠系为海相沉积,认为银额盆地钻遇的煤系地层属侏罗系。通过银额盆地钻井揭示的含煤系地层与中蒙边界地区蒙古国南戈壁省二叠系的对比,其岩性组合特征与蒙古国南戈壁省瑙音苏木南、楚格图苏木塔万托尔依煤矿、瑙木根苏木等广泛分布的二叠系岩性组合特征相同,为明确银额盆地希热哈达—赛汗桃来地区含煤系地层的时代提供了依据。4.2沉积体系及沉积特征进一步确定近年来,许多学者对银额盆地及邻区二叠系的沉积充填特征进行了研究,明确了银额盆地二叠系为典型的海相裂谷盆地,将银额盆地石炭纪—二叠纪构造单元划分为两坳一隆,编制了沉积相平面展布图,认为二叠系沉积物源主要为阿拉善古陆和马鬃山—切刀中间隆起带,也有学者认为可能存在北部物源区的影响。由于缺乏蒙古国境内二叠系沉积充填资料,沉积相图只涉及中国境内,研究区所在的构造单元黑鹰山—额济纳旗坳陷带向蒙古国境内如何变化认识还不清楚,加上银额盆地希热哈达—赛汗桃来地区钻井揭示的二叠系与北山地区和洪果尔山地区沉积充填特征差异巨大,影响了对二叠系沉积充填特征的进一步研究。通过银额盆地钻井揭示的二叠系与蒙古国南戈壁省的对比,明确了银额盆地希热哈达—赛汗桃来地区二叠纪与蒙古国南戈壁省沉积充填特征一致,以河流相—沼泽相沉积为主的陆相沉积明确了二叠纪沉积时银额盆地的沉积边界。受阿尔泰山褶皱造山作用和同沉积期火山活动的影响,沉积了矿物成分成熟度和结构成熟度低,以粗碎屑岩夹煤层(夹火山岩)的沉积建造。根据银额盆地希热哈达—赛汗桃来地区的钻井资料完善了沉积相平面展布图,蒙古国南戈壁省及银额盆地希热哈达—赛汗