准噶尔盆地南缘早白垩世准噶尔盆地南缘中-新生界碎屑成份特征与构造期次

准噶尔盆地南缘早白垩世准噶尔盆地南缘中-新生界碎屑成份特征与构造期次

1新生代构造活动及其期次研究目前，北天山的研究主要集中在晚古生代的多陆块整合历史上（如waton等人，1987；coleman，1989；carroll等人，90；winder等人，90；肖旭昌等人，1992；伦琴等人，1993；何国琦等人，1994；麦豪尔等人，1996；李进仪，2004）以及肯塞尔等人在第一代土地上的作用（例如，kapponierandmoner，1979；wolpen等人，1994；hendri等人，1994；yintou等人，1998；dynei等人，2000；bullen等人，2001；dumitru等人，2001；j.参与等人，2003），对中生代结构活动的研究相对较少。已有研究表明:天山地区的盆山分异作用主要受控于中生代以来的构造活动(Hendrixetal.,1992;Hendrix,2000;方世虎等,2005a,2006a;张传恒等,2005;郭召杰等,2006),对中生代以来构造活动及其期次的研究显得尤为重要。中-新生代天山两侧盆地接受了巨厚的沉积,表明在此期间经历了显著的构造活动(Watsonetal.,1987;Hendrixetal.,1992,1995;Wangetal.1992;Yinetal.,1998;Sobel,1999;Hendrix,2000;Tapponnieretal,2001)。在这种环境下,沉积系统中新鲜碎屑的输入速率很高,沉积物埋藏速度快,这些因素减弱了风化和搬运过程对于砂岩碎屑成份的影响,源岩成份在很大程度上决定了沉积物的碎屑成份(Hendrix,2000)。沉积碎屑成份的研究不仅可以分析物源属性及其演化特征,而且可以为分析构造活动、盆山分异活动提供最直接的证据,对这些构造活动的确定有利于认识北天山地区中-新生代演化的历程。本文以准噶尔盆地南缘的多条剖面为研究对象,重点分析中-新生代以来的沉积岩碎屑特征及其演化,确定中生代以来的主要构造活动期次。工作剖面见图1,并可参阅方世虎等(2006a)的图1。准噶尔盆地南缘中-新生界包括三叠系、侏罗系(自下而上称八道湾组J1b、三工河组J1s、西山窑组J2x、头屯河组J2t、齐古组J3q和喀拉扎组J3k)、白垩系(自下而上称清水河组K1q、呼图壁河组K1h、胜金口组K1s、连木沁组K1l和东沟组K2d)、古近系(紫泥泉子组E1-2z和安集海河组E2-3a)、新近系(沙湾组(E3-N1)s、塔西河组N1t、独山子组N2d和更新-全新统巨厚磨拉石沉积),地层发育特征、沉积特征各异(新疆维吾尔自治区地质矿产局,1993;王红亮等,2000;张立强等,2005;方世虎等,2005a),本文研究层系主要为侏罗系—新近系。2盆缘沉积岩岩屑、变质岩屑含量变化砾岩是邻近物源及其属性的真实记录,其成份变化反映物源区的变化及可能发生的剥蚀和隆升事件。野外统计分析表明:准噶尔南缘侏罗系下部八道湾组发育的砾岩均以岩浆岩岩屑为主,其中,石场剖面以中-酸性火山岩岩屑为主(占90%以上,沉积岩岩屑中以硅质岩屑占多数);郝家沟剖面八道湾组的砾石岩屑则以中-酸性火山岩岩屑和凝灰岩岩屑为主,沉积岩岩屑和变质岩岩屑总量在10%以下,两条剖面物源属性上存在一定的差异。上侏罗统喀拉扎组砾岩及白垩系底砾岩中除了含有大量的中-酸性火山岩岩屑外,(变)沉积岩岩屑、变质岩岩屑含量明显增加(分别为5%～18%和5%～14%)。博格达山前剖面的统计分析及前人研究(张传恒等,2005)也证实晚侏罗世—早白垩世早期砾岩中沉积岩屑的增加。这些证据反映盆地南缘的沉积岩物源区已构成物源的重要组成部分,盆缘的沉积岩可能遭受隆升、剥蚀,显示构造活动的活跃和隆升—剥蚀作用的加剧。晚白垩世的沉积以氧化环境下的紫红色砂砾岩为特征,野外剖面上能清楚识别颗粒较大的沉积岩岩屑,塔西河剖面的沉积岩屑中可见到较多的红色砾石,其可能的物源是上侏罗统的红色沉积碎屑,显示其近源特征以及盆缘沉积岩物源的重要影响。由于下白垩统沉积时期整体表现为稳定的宽、浅湖盆沉积特征,晚白垩世盆地南缘发育的厚层砂砾岩及含量较多的近源沉积岩岩屑是晚白垩世构造活动较为活跃、构造活动增强的重要证据,盆地东、西部的部分缺失(方世虎等,2005b)及区域缺失特征(贾承造,1997;陆洁民等,2004)也证明这一结论。晚新生代以来以发育大量砂岩、砾岩为特征,南缘安集海河剖面的新近系独山子组(N2d)粗砂岩—细砾岩的取样和镜下鉴定分析表明,其中的沉积岩岩屑、变质岩岩屑含量均占有一定比例(图2)。更新世以来强烈构造活动形成了巨厚磨拉石沉积,野外没有进行统计分析。因此,砾石成份特征显示盆地南缘物源属性的变化趋势存在一定的相似性,即晚侏罗世—早白垩世早期、晚白垩世和晚新生代以来,沉积物源中的沉积岩岩屑均发生较明显的增加,沉积岩成为重要的近源物源之一,可能是盆缘沉积岩遭受隆升并成为盆地物源的重要证据,显示构造活动较为活跃,隆升—剥蚀作用增强。3盆地沉积序列砂岩碎屑成份、盆地类型和构造背景有关(DickinsonandSuczek,1979;Dickinson,1984;Ingersolletal.,1984;Hendrix,2000;李忠等,2004;方世虎等,2006b)。其中轻矿物组合可以用来区分沉积盆地物源区的大地构造背景(Dickinson,1974)。利用盆地沉积序列中出现不同碎屑岩类型来分析物源岩石类型、构造属性和相邻造山带的演化历史早已有成功的先例(Hendrixetal.,1992;Grahametal.,1993;Hendrix,2000;李忠等,2004;柳永清等,2004;方世虎等,2006b)。砂岩碎屑成份分析采用Gazzi-Dickinson显微镜统计法(Ingersolletal.,1984),单个薄片完成统计300～400个颗粒。Gazzi-Dickison法和传统方法的主要区别在于:大岩屑中包含的粒径大于0.0625mm的单颗粒矿物或小岩屑记为各自本身,而不是记为大岩屑。(1)岩石学和矿物源特征博格达山北缘侏罗系在单条剖面上出露不够完整,研究中选取水西沟、三工河剖面及大红沟剖面进行取样(图1)。总体来看,博格达山北缘侏罗系成份成熟度较低,岩屑含量高,其中以火山岩占有较大优势;石英含量较低,多晶石英的相对含量普遍很低;碎屑成份三角图上显示博格达山北缘侏罗系的物源主要为再旋回造山带、弧造山带和晚古生代岩浆弧(图3)。Qp-Lvm-Lsm三角图上数据点主要靠近Lvm端。自西山窑组沉积晚期开始,沉积岩岩屑含量发生较明显增加(图3b),沉积岩岩屑或变质沉积岩岩屑的增加显示盆缘沉积岩物源的隆升、剥蚀作用,显示构造活动的存在和较强的盆山分异作用。侏罗系岩石成份三角图上的样品点比较离散的分布说明其物源构造属性的复杂性,方世虎等(2006b)对乌鲁木齐以西地区的侏罗系砂岩碎屑成份进行了较为系统的类似研究,对比发现,博格达地区与南缘西部地区的侏罗系物源属性存在较大差异,博格达山前剖面的碎屑成份中沉积岩岩屑或变沉积岩岩屑的含量明显较高(图3)。(2)盆地南缘白垩系岩石碎屑成因模式下白垩统吐谷鲁群样品主要位于头屯河剖面和塔西河剖面,上白垩统的样品全部取自呼图壁河剖面的齐古背斜北翼。由于白垩系砂岩杂基含量普遍较高,适合砂岩成份分析的样品不多。下白垩统砂岩中的石英含量普遍偏低,绝大多数小于30%,Qp含量远小于Qm;长石含量普遍偏低,长石中又以斜长石为主,钾长石的含量更低;岩屑含量占碎屑成份的50%～90%,岩屑中以火山岩岩屑为主,其次为沉积岩岩屑,变质岩岩屑很少(图4)。上白垩统的岩屑成份与下白垩系差异不大,沉积岩岩屑比例稍有增加(图4)。从白垩系岩石成份三角图(图4)来看,白垩系物源主要是为再旋回造山带和晚古生代的岩浆弧,上白垩统的沉积岩物源相对有所增加、成份成熟度有所降低(图4)。盆地南缘白垩系钻井取心岩石碎屑成份数据相对较少,见表1。可以看出,白垩系的成份成熟度也不高,总体还是以岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩为主,岩屑成份中又以火山岩岩屑为主,变质岩岩屑有所增加,总体上为低-中等成份成熟度和中等-好结构成熟度。此外,白垩系底砾岩与白垩系其它组(段)相比,总体表现为石英含量低,长石含量较高,成份成熟度较低,显示白垩系底砾岩快速堆积的近源成因(方世虎等,2005b)。表1中,阜东斜坡带南部北三台地区的白垩系岩石成份成熟度很低,而阜东斜坡带和莫索湾凸起的成份成熟度相对较高,表明其时北三台地区可能以受较近的博格达物源的影响为主,博格达山已经隆升并成为重要物源区之一。(3)宏观成因分析南缘西部安集海河剖面、霍尔果斯剖面、塔西河剖面和玛纳斯河剖面等的新生界砂岩碎屑成份见图5,绝大多数数据点落入再旋回造山带和岩浆弧区域内,成份成熟度普遍较低,其中以沙湾组(N1)碎屑成份的变化范围最大,成份成熟度差异较大,独山子组(N1)的样品较少。本次研究在玛纳斯河、安集海河和独山子剖面进行了古近-新近系部分样品的砂岩碎屑成份镜下鉴定,总体特征与图5相似,其中Qp-Lvm-Lsm三角图上的新近系(N1,N2)碎屑成份中沉积岩岩屑发生了相应的增加(图6a,图6b),显示可能发育的沉积岩物源的隆升—剥蚀作用。(4)沉积岩岩屑岩屑的发育根据本次研究及方世虎等(2006b)的研究成果,准噶尔盆地南缘东段与西段剖面侏罗系岩石成份三角图上的样品点比较离散的分布说明其物源构造属性的复杂性,其中博格达山前剖面的碎屑成份中沉积岩岩屑或变沉积岩岩屑的含量明显较高(图3)。砂岩碎屑成份三角图显示准噶尔盆地南缘侏罗纪物源主要是再旋回造山带和部分古生代岩浆弧,可能反映了侏罗纪(特别是晚侏罗世)由于剥露作用而暴露的“弧造山带物源”;晚侏罗世的沉积岩物源成份有所增加。砂岩碎屑成份三角图显示南缘白垩系、古近-新近系的物源属性相似,上白垩统砂岩碎屑分析显示沉积岩岩屑有所增加并占有一定的比例,新近系(N1和N2)砂岩碎屑成份中的沉积岩岩屑开始出现并有较明显的增加,显示沉积岩物源区的重要性及盆缘可能发生的沉积岩物源区的隆升—剥蚀。这些特征均表明晚侏罗世、晚白垩世及晚新生代以来构造活动相对活跃及由此产生较强的隆升—剥露作用。4层位及构造特征不同的碎屑重矿物组合往往是不同母岩类型的反映(Morton,1985;Pettijohnetal.,1987),地层中重矿物组合、重矿物相对含量可与特定的物源、沉积环境相联系,并为认识构造演化提供可靠信息。方世虎等(2006a)的研究表明:准噶尔盆地南缘中-新生界沉积重矿物相对含量及组合特征在晚侏罗世、晚白垩世、晚新生代均发生了明显的变化,显示剥蚀隆升事件、构造活动的存在。本次研究对盆地南缘西段的石场—玛纳斯河剖面的部分层位进行了相似的补充分析,得到的结论是相似的,其中以中-晚侏罗世和晚新生代的重矿物组合变化最为明显,特别是晚侏罗世、晚新生代的绿帘石相对含量快速增加,稳定重矿物相对含量相应有所减少(表2)。该表中的“其它”表示通过重液、精淘分离和电磁分离无法分离的其它重矿物及未列出的含量极少的矿物(以石英、长石及次生蚀变的矿物、铁屑为主)。结合方世虎等(2006a)对准噶尔盆地南缘西段的头屯河剖面、乌苏剖面砂岩碎屑重矿物分析,研究结果显示乌苏剖面、石场—玛纳斯河剖面和头屯河剖面重矿物特征有一定的相似之处,如含有重矿物的种类及不稳定重矿物出现的层段相似,但是也有诸多不同之处,如:头屯河剖面几乎不含电气石而乌苏剖面、石场—玛纳斯河剖面则含有一定量的电气石;石场—玛纳斯河剖面和头屯河剖面的绿帘石含量明显大于乌苏剖面的绿帘石含量;乌苏剖面侏罗系基本不含(赤)褐铁矿而头屯河剖面和石场—玛纳斯河剖面的(赤)褐铁矿的含量较高;乌苏剖面的石榴石含量相对较少等等。这些数据在一定程度上表明盆地南缘东段与西段的物源体系存在一定的差异,其中石场—玛纳斯河剖面的特征介于两者之间。但是,重矿物特征及不稳定重矿物有规律的增减特征均表明:中晚侏罗世—早白垩世早期、晚新生代是本区构造活动较为活跃的两个时期,张立强等(2005)对新生界的研究也证明了这一观点;上白垩统的重矿物组合特征、沉积特征和区域缺失等证据表明晚白垩世是又一构造相对活跃期。5晚古生代构造环境对准噶尔盆地南缘物源属性的影响磷灰石裂变径迹研究成果显示:天山经历了晚古生代晚期(距今270～250Ma)、晚中生代(距今140～100Ma)和古近纪末(距今24Ma)以来3次快速隆升和剥蚀事件(Hendrixetal.,1994;Yinetal.,1998;Dumitruetal.,2001;郭召杰等,2006)。准噶尔盆地南缘砾岩、砂岩碎屑成份及砂岩碎屑重矿物组成分析表明,对应于中-晚侏罗世—早白垩世早期、晚白垩世和晚新生代3个时期。准噶尔盆地南缘物源体系中的沉积岩岩屑均发生较明显的增加,可能是盆缘沉积岩遭受隆升并成为盆地物源的重要证据,同时物源属性发生较大的变化,中央低凸起形成并逐渐消失(何登发等,2005);尤以中侏罗世至侏罗纪末期的重矿物组合变化最为明显,显示构造活动和隆升—剥蚀作用增强。与3个时期相对应,准噶尔盆地发育相应的区域性不整合及砂砾岩沉积。准噶尔盆地南缘物源主要为中-高级变质岩—中-酸性岩浆岩—沉积岩组合,以“再旋回造山带”和“混合造山带”和“岩浆弧”(DickinsonandSuczek,1979)为特征,反映此时物源具有复杂的地质结构,沉积物不是来自单一的构造单元。值得提出的是:虽然准噶尔盆地南缘砂岩组份模式显示其“岩浆弧”物源类型发育,显然是北天山造山带晚古生代构造环境的间接指示,这从侧面反映了晚古生代北天山大地构造环境和造山作用对准噶尔盆地南缘物源区岩石构造属性的制约作用。但是物源属性也发生了相应变化,主要表现为中-晚侏罗世—早白垩世早期、晚白垩世和晚新生代的岩屑组成的相对变化,其中沉积岩岩屑的出现和增加是盆地边缘沉积岩遭受隆升—剥蚀并成为重要物源区的证据,显示盆山格局和物源体系发生了重要改变,即:早-中侏罗世是盆地发育的极盛时期(方世虎等,2005a),天山、博格达山尚未具有明显正地形(张传恒等,2005;方世虎等,2006a,2006b;何光玉等,2006);中侏罗世晚期开始,博格达地区近源物源的控制作用及天山山脉的快速隆升导致沉积体系、盆山格局的改变和天山南北沉积环境的巨大差异(Hendrixetal.,1995;顾家裕,1996)。同期发育的白垩系与侏罗系之间角度不整合及相关砾岩(方世虎等,2005b)也显示明显的构造活动,对应于欧亚板块南缘与拉萨地块的拼合作用(Allenetal.,1994;Jolivetetal.,2001)。早白垩世整体表现为宽、浅湖盆沉积,但晚白垩世的砂砾岩沉积特征及近源沉积物源的增加、上白垩统缺失及邻近盆地(如柴窝堡、吐鲁番—哈密、塔里木、柴达木和酒西盆地等)的上白垩统缺失均表明晚白垩世晚期应是区域构造活动相对活跃的时期。晚新生代以来,印—藏碰撞的远程效应(MolnarandTapponnier,1975;TapponnierandMolnar,1979;Allenetal.,1999;郭令智等,2003;贾承造等,2003)使天山造山带再次活跃,沉积物源的增加、强烈的挠曲作用及年代学记录显示强烈剥蚀、快速堆积的沉积背景和强烈挤压的构造背景,盆山格局发生明显改变。因此,准噶尔盆地南缘中-新生代发育的3次较明显的构造活动在盆地的碎屑沉积中得到了清楚的反映,充分显示盆—山演化是耦合的过程(吴根耀等,2003)。构造活动直接影响烃源岩的成熟演化进程,对含油气系统的形成及油气成藏关键时刻具有重要的控制作用。准噶尔盆地南缘中-新生代3次构造活动时期对应于圈闭形成、油气成藏及油气藏调整的关键时期(宋岩等,2000;张义杰等,2002;邹华耀等,2005;李伟等,2006;吴孔友等,2006)。前两次构造活动(燕山期)对油气成藏的意义重大,构造活动与烃源岩大量生排烃、油气运聚在时间上匹配良好,加