准噶尔盆地南缘及邻区古生代构造层序地层识别与对比

准噶尔盆地南缘及邻区古生代构造层序地层识别与对比

1地质界面类型的多期次构造运动及其对油气成藏的响应准噶尔盆地南缘的造山带位于北天山造山带与准噶尔盆地交汇处。北部边界位于准噶尔盆地东北部的昌吉凹陷，南部与哈维卡河山和博格达山相连。地质构造条件非常独特[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]（见图1）。自石炭纪以来,该构造带先后经历了晚海西、印支、燕山和喜马拉雅多期次构造运动,形成了一系列以晚古生代和中、新生代陆相沉积地层为主体的不同类型、不同性质盆地的复合叠加盆地。复杂的构造演化历史必然会在盆地形成过程中产生一系列构造地质界面,这些界面不仅为划分南缘地区构造层序提供了准确依据,而且与油气运聚有着密切的关系[15,16,17,18,19,20,21,22,23]。但由于多期次构造运动叠加,以及喜马拉雅期强烈的构造改造作用,研究区构造地质界面复杂多样。前人对于研究区不整合界面已经开展了许多研究[14,16,17,18,19,20,21,22,23,24],充分认识到研究区不整合界面对于该区油气成藏具有重要意义。在寻找准噶尔盆地不整合界面存在的证据时,往往利用地震剖面同向轴反射特征来识别不整合界面类型,而利用大范围野外露头识别与地球化学分析数据来厘定重要地质界面的方法使用较少。因此,本次研究在宏观识别准噶尔盆地南缘及邻区18条野外地质剖面的不整合界面的基础上,寻找野外识别不整合界面在64块岩石样品中的地球化学证据,力求从宏观野外地质观察与微观地球化学分析相结合的角度准确厘定准噶尔盆地南缘及邻区若干不整合界面。2层序、构造阶段聚类构造界面即不整合面,是具有一定地质构造意义的地层界面,是划分构造层序、构造阶段,恢复盆地原型及演化历史的基础,是油气运聚的重要通道。本次研究在分析区域地质构造演化背景的基础上,寻找到准噶尔盆地南缘及邻区存在9个具有重要地质意义的构造界面的野外地质剖面证据。2.1灰基层的构造界面托克逊县克尔碱镇库加依剖面可以观察到研究区第1个构造界面,该剖面下部为下石炭统齐尔古斯套群(C1)暗绿、灰绿、黄绿色粉砂岩、细砂岩、细砾岩,上部为上石炭统柳树沟组(C2l)灰紫色安山质火山角砾岩、凝灰角砾岩及少量砂岩,二者间呈角度不整合接触(见图2a)。同时,此界面是准噶尔盆地南缘第1个重要的构造界面,反映从距今320Ma开始,之前早石炭世形成的克拉美丽洋盆、北天山洋盆和达拉布特洋盆开始消亡,开始在准噶尔盆地南缘及博格达地区形成裂谷盆地。该界面也反映出盆地的褶皱基底形成于距今320Ma以前,其后开始沉积盆地盖层。对于研究区油气勘探而言,界面之上的地层应作为目前油气勘探的目标层系,界面之下的地层基本没有油气勘探意义。2.2泉子街组杂色砾岩界面特征红雁池组与泉子街组之间的不整合面在吉木萨尔县三台镇西大龙口剖面上表现得最明显:界面之下为红雁池组(P2lh)灰绿色泥岩、砂岩、灰黑色炭质页岩夹泥灰岩,产状为245°∠54°;界面之上为泉子街组(P3q)杂色砾岩,平均倾角70°,倾向225°。界面为明显的角度不整合(见图2b)。该界面形成的大致时间相当于距今260Ma,代表海西运动开始在研究区发挥重要作用。构造环境由强烈扩张向冲断挤压转变,晚石炭世—中二叠世形成的一系列裂谷盆地和准噶尔盆地内部半地堑或断陷盆地开始向晚二叠世—早三叠世山前隆起带转变。准噶尔盆地南缘及邻区开始作为一个独立的山前坳陷发展演化。自晚二叠世开始,准噶尔盆地南缘及邻区沉积环境由温暖潮湿的海相环境转变成为干燥炎热的陆相气候,因此对于研究区有利烃源岩勘探而言,晚二叠世至早三叠世阶段不具备有利烃源岩发育的沉积环境。2.3不同层系上三叠统保水层序界面距今约240Ma时,早印支运动使准噶尔盆地南缘及邻区全面进入准平原化及稳定拗陷沉降阶段,新疆北部地区由准噶尔、柴窝堡、吐哈盆地等相互拼接组成一个统一的盆地,从而导致区域上中上三叠统小泉沟群常常直接覆盖在石炭系或二叠系之上。中上三叠统小泉沟群与下三叠统上仓房沟群之间的不整合面在北天山山前及其以北地区多表现为上三叠统小泉沟群不整合在下覆石炭系之上。在乌苏市四棵树河剖面,中上三叠统小泉沟群(T2—3x,产状4°∠59°)紫红色泥岩与肉红色钾长花岗岩侵入下石炭统(C1,产状9°∠68°)灰黑色凝灰质砂岩,呈现角度不整合接触关系(见图2c);从托克逊县克尔碱镇库加依剖面可以看到中三叠统克拉玛依组(T2k,产状201°∠37°)与下石炭统(C1)也表现为角度不整合接触关系(见图2d)。下三叠统上仓房沟群与中上三叠统小泉沟群之间的不整合界面是由于沉积环境发生改变而形成的重要界面,该不整合界面之下的下三叠统上仓房沟群以一套砖红色泥岩和灰绿色含砾砂岩为主,反映为不利于烃源岩生成的炎热干燥环境,界面之上的中上三叠统小泉沟群则以灰色泥岩、暗灰色炭质泥岩、薄煤层为主,反映为温暖潮湿气候,其中克拉玛依组便是在这种温湿沉积环境下形成的重要烃源岩。区域上,该不整合界面代表了古特提斯构造动力体系向中特提斯构造动力体系转变的关键时刻(早印支运动)。2.4晚三叠世后上三叠统侏罗统水西沟群在乌苏市四棵树河剖面上(见图2e),三叠统小泉沟群顶部为红色、灰绿色泥岩,下部以灰白色砂质砾岩、砂岩为主,地层倾向10°,倾角22°;其上覆的侏罗系水西沟群以灰白色砂岩为主,地层倾向3°,倾角45°。可见,上三叠统与下侏罗统之间存在不整合界面。尽管研究区中下侏罗统水西沟群发育范围较广,水西沟群(J1—2sx)常呈整合或平行不整合覆于小泉沟群(T2—3x)之上,但在小泉沟群不发育的博格达山北缘,包括博格达山、依连哈比尔尕山内部及其边缘地区,水西沟群则多超覆不整合于下伏石炭-二叠系之上,如乌鲁木齐市后峡剖面可见到下侏罗统八道湾组(J1b,产状245°∠20°)与下石炭统(C1,产状46°∠24°)之间为角度不整合接触关系(见图2f)。这就反映出晚三叠世后,自中下侏罗统水西沟群沉积开始,沉积面积逐渐扩大,南部可能已到北天山地区。上三叠统小泉沟群与中下侏罗统水西沟群之间的不整合面形成于距今约203Ma,这说明从距今约203Ma开始,准噶尔盆地南缘及邻区逐渐形成了一个中下侏罗统地台克拉通盆地。同时,水西沟群岩性以深灰色泥岩、砂泥岩互层夹薄煤层为主,泥岩微量元素Mn、Fe和Cr值偏高,反映了自水西沟群沉积开始,气候环境转变为利于烃源岩发育的温湿还原沉积环境。并且,约203Ma(晚三叠世瑞替期和早侏罗世辛涅缪尔期之间)以前,晚印支运动在研究区的构造作用常表现为垂直升降运动,约203Ma以来燕山运动早期在该区则以区域性的弱伸展构造为主。2.5中晚侏罗世盆地构造背景的转变在乌鲁木齐市头屯河剖面上可以观察到中下侏罗统水西沟群与中侏罗统头屯河组之间的不整合界面,中侏罗统头屯河组灰白色含砾细砂岩(J2t,产状49°∠15°)与下覆水西沟群西山窑组白色含砾砂岩(J2x,产状99°∠21°)之间呈角度不整合接触关系(见图2g,图2h)。尽管在野外剖面上界面上下地层倾角差别不大,但该界面却代表了研究区盆地构造背景由早中侏罗世弱伸展构造背景向中晚侏罗世强挤压构造背景的转变。该界面形成于距今约170Ma时,其时研究区沉积的中侏罗统艾维尔沟群表现为强烈的冲断构造特征,造成地层倾角较大,甚至直立。艾维尔沟群的喀拉扎组砾岩就是在该时期燕山运动的冲断构造背景下形成的、产状陡立呈城墙般连续延伸的砾岩岩层,故也被称为“城墙砾岩”。由此可见,自中侏罗统头屯河组沉积期开始,准噶尔盆地南缘及邻区构造背景表现为冲断隆升,南缘山前带开始形成燕山期冲断构造带。该时期冲断构造作用也使早中侏罗世形成的统一地台克拉通盆地联合体开始解体成相互独立的柴窝堡盆地、准噶尔盆地和吐哈盆地。距今约170Ma时也是区域构造体制转换和气候转变界面,区域构造体制由此前早中侏罗世的以弱伸展构造为主转变为之后中晚侏罗世的以冲断挤压型拗陷沉降为主。气候环境也由水西沟群沉积期的温湿气候向艾维尔沟群沉积期的干旱气候逐渐转变。2.6中晚侏罗世沉积期岩相特征下白垩统清水河组与上侏罗统喀拉扎组之间的不整界面形成时期(距今约142Ma)是准噶尔盆地南缘区域构造体制发生重大变化的又一关键时期,主要表现为:中晚侏罗世艾维尔沟群沉积期强烈的冲断构造作用结束,早白垩世准噶尔盆地南缘及邻区以拗陷沉降为主体的构造体制开始,白垩系常常超覆沉积,沉积范围较中晚侏罗世明显扩大。中晚侏罗世艾维尔沟群沉积期强烈的冲断构造形成了准噶尔盆地南缘前陆盆地,同时该时期也是准噶尔盆地南缘尤其是博格达山前带一系列冲断构造形成的重要时期。燕山运动强烈的冲断构造作用自中侏罗世艾维尔沟群沉积期开始,在晚侏罗世喀拉扎组沉积期冲断构造作用达到顶点。因此,在准噶尔盆地南缘西段野外剖面上可以看到喀拉扎组砾岩与下伏齐古组(J3q)产状多为高角度倾斜,喀拉扎组砾岩也正由于近于直立的产状被称为“城墙砾岩”。在沙湾县石场玛纳斯河剖面可以看到,上覆喀拉扎组砾岩(倾角85°)与下伏齐古组(倾角47°)杂色泥砂岩呈现明显的角度不整合(见图3a),两组地层呈明显的高角度(见图3b)。2.7区域构造及构造背景沙湾县石场东101省道剖面上可以看到古近系紫泥泉子组(E1—2z)河流-湖泊相褐红色砂质泥岩夹灰红色砂岩与下伏白垩系东沟组(K2d)灰绿色砂质泥岩呈现角度不整合接触关系(见图3c)。古近系紫泥泉子组与上白垩统东沟组之间的不整合(在准噶尔北缘为古近系紫泥泉子组与上白垩统红砾山组之间的不整合)形成于距今约65Ma时期,该时期研究区及邻区的区域构造主要表现为由晚白垩世的盆地萎缩向古近纪的盆地扩展转变。该时期也是准噶尔盆地南缘地区广盆形成与盆地演化进入到稳定发展期的时间。2.8构造转换期及邻区构造上新统独山子组与中新统塔西河组之间的不整合(或上新统葡萄沟组与中新统桃树园组之间的平行不整合)形成于距今约5.3Ma,该时期研究区及邻区的区域构造主要表现为由古近纪—中新世以拗陷作用为主的盆地大面积扩展向上新世—更新世强烈冲断作用为主的山前冲断拗陷转变。强烈冲断构造作用自上新世开始取代了古近纪以来稳定沉降为主的构造作用。该构造转换期的构造运动奠定了准噶尔盆地南缘山前带的基本构造样式,研究区古新统—中新统长垣背斜带、短轴背斜带等构造均是这一构造转换期的产物。古近系与新近系之间的不整合面具有区域性,代表喜马拉雅构造运动的开始。2.9野外露头剖面距今约1.8Ma的喜马拉雅运动以冲断构造作用为主,构造作用再次使准噶尔盆地南缘及邻区转变为强烈冲断隆升构造环境,断层相关褶皱成为其基本构造形式。与此同时,北天山、南天山快速大规模冲断隆升,最终形成准噶尔盆地南缘新近系地层倾角普遍较大与上覆第四系相对平缓的野外构造面貌(见图3d)。综上,在野外露头剖面上识别出准噶尔盆地南缘及邻区自晚石炭世以来的9个不整合界面,大多为角度不整合接触,代表重要的构造转换界面。根据这9个不整合界面,划分出晚二叠世—中三叠世安尼期(仓房沟群沉积期距今233~260Ma)、中侏罗世巴通期—晚侏罗世末(艾维尔沟群沉积期距今142~170Ma)和上新世以来(距今5.3Ma至今)3期冲断造山强烈作用期,同时伴随3期强烈冲断作用,在准噶尔盆地南缘及邻区形成了统一的前陆盆地或山前冲断坳陷。3地震地质构造不整合界面的缺陷不同期次构造作用是研究区不整合界面形成的主控因素,因此这些与构造运动存在必然联系的构造不整合界面上、下地层不仅在野外剖面上存在岩性、产状的差异,在地球物理剖面上也同样存在测井参数值异常跳动、地震反射同向轴削截、超覆等不连续现象。3.1岩性地层界面由固2井全岩声波时差、自然伽马测井曲线(见图4)可以明显看出,第四系西域组底界(1535m)、新近系沙湾组底界(4590m)和白垩系吐谷鲁群底界(4747m)为不同岩性地层的分界面。西域组与独山子组之间的不整合界面在屯1井深侧向与浅侧向测井曲线上也表现为明显的突变(见图5)。3.2地震剖面的证据3.2.1地震剖面及侏罗系底界研究区主要地层界面基本上都对应强反射同向轴。其中四棵树凹陷新近系独山子组底界面之上为一套杂乱反射;独山子组底界至塔西河组底界存在几套强反射层,对应塔西河组内部的几套膏泥岩地层;沙湾组底界在地震剖面上表现为一区域不整合面,横向上具有较好的可追踪性,沙湾组内部存在几套中等振幅、较连续—不连续的地层反射界面,主要是一套含膏泥岩及砂泥岩反射;侏罗系内部存在几套强反射,主要对应八道湾组煤系;三叠系底界呈连续性好、反射能量较强的界面反射特征,其下为一套石炭系杂乱反射,反映出其间为角度不整合接触关系。3.2.2叠系底界和侏罗系八道湾组底界前人在地震剖面上识别出大量的不整合界面。其中,在四棵树凹陷中可以看到三叠系底界和侏罗系八道湾组底界呈明显削截不整合接触。盆地东部隆起北三台地区白垩系与下伏地层间的接触关系在地震剖面上表现为褶皱不整合接触。4构造界面的间断性根据野外地质剖面、地震剖面以及测井数据可以在准噶尔盆地南缘及邻区分辨出9个主要的构造地层界面。这些构造地层界面是区别不同构造期次构造变形、沉积环境等的主要依据。考虑到不整合界面上下地层通常形成于不同沉积环境,故它们的地球化学特征必然也会有一定差异,对研究区不同构造界面上下地层地球化学特征的系统研究也可揭示其构造演化的间断性,即确定研究区主要构造界面。因此,通过对研究区主要界面附近沉积地层地球化学特征的分析,探讨其分布规律,可为不整合界面存在提供更加充足的证据。4.1叠系—泥岩样品的主、微量元素证据碎屑沉积岩反映了特定的沉积过程和一定的物源区特征,泥岩的地球化学特征更是包含了沉积环境信息。由二叠系—白垩系泥岩样品主、微量元素含量(见图6,图7)可见,样品的地球化学数据与研究区构造地层界面具有良好的对应关系。其中Ce、Co、Cs、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、Pr等微量元素含量均在主要地层界面位置出现明显异常;主量元素氧化物Al2O3、CaO、MnO和TiO2含量也具有类似特征。4.2矿物石英含量的差异砂岩样品的碎屑含量主要反映研究区的物源特征,其碎屑成分中不稳定矿物长石、不稳定复晶岩屑(包括火山岩岩屑、变质火山岩岩屑、变质沉积岩岩屑和沉积岩岩屑)、稳定矿物石英的含量在构造界面上下出现较大的差异,为研究区构造界面识别提供了更加充足的证据(见图8)。4.3环境与物源特征碎屑岩微量元素Eu分布和LREE/HREE(轻稀土元素/重稀土元素)值可以用来表征沉积环境与物源特征。研究区碎屑岩Eu和LREE/HREE值在纵向上的分布呈现明显规律性,由图9可以分辨出上下芨芨槽群即泉子街组和红雁池组之间的不整合面、上仓房沟群与小泉沟群即烧房沟组与克拉玛依组之间的不整合面、水西沟群与小泉沟群之间的不整合面等主要地质界线(见图9)。4.4层序界面稳定性岩石组构通过对研究区不同时代地层中砂岩样品重矿物的系统分析可以看出,研