準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)古生代構造層序地層識別與對比

準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)古生代構造層序地層識別與對比

1地質界面類型的多期次構造運動及其對油氣成藏的響應準噶爾盆地南緣的造山帶位于北天山造山帶與準噶爾盆地交匯處。北部邊界位于準噶爾盆地東北部的昌吉凹陷，南部與哈維卡河山和博格達山相連。地質構造條件非常獨特[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14]（見圖1）。自石炭紀以來,該構造帶先后經歷了晚海西、印支、燕山和喜馬拉雅多期次構造運動,形成了一系列以晚古生代和中、新生代陸相沉積地層為主體的不同類型、不同性質盆地的復合疊加盆地。復雜的構造演化歷史必然會在盆地形成過程中產生一系列構造地質界面,這些界面不僅為劃分南緣地區(qū)構造層序提供了準確依據(jù),而且與油氣運聚有著密切的關系[15,16,17,18,19,20,21,22,23]。但由于多期次構造運動疊加,以及喜馬拉雅期強烈的構造改造作用,研究區(qū)構造地質界面復雜多樣。前人對于研究區(qū)不整合界面已經開展了許多研究[14,16,17,18,19,20,21,22,23,24],充分認識到研究區(qū)不整合界面對于該區(qū)油氣成藏具有重要意義。在尋找準噶爾盆地不整合界面存在的證據(jù)時,往往利用地震剖面同向軸反射特征來識別不整合界面類型,而利用大范圍野外露頭識別與地球化學分析數(shù)據(jù)來厘定重要地質界面的方法使用較少。因此,本次研究在宏觀識別準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)18條野外地質剖面的不整合界面的基礎上,尋找野外識別不整合界面在64塊巖石樣品中的地球化學證據(jù),力求從宏觀野外地質觀察與微觀地球化學分析相結合的角度準確厘定準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)若干不整合界面。2層序、構造階段聚類構造界面即不整合面,是具有一定地質構造意義的地層界面,是劃分構造層序、構造階段,恢復盆地原型及演化歷史的基礎,是油氣運聚的重要通道。本次研究在分析區(qū)域地質構造演化背景的基礎上,尋找到準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)存在9個具有重要地質意義的構造界面的野外地質剖面證據(jù)。2.1灰基層的構造界面托克遜縣克爾堿鎮(zhèn)庫加依剖面可以觀察到研究區(qū)第1個構造界面,該剖面下部為下石炭統(tǒng)齊爾古斯套群(C1)暗綠、灰綠、黃綠色粉砂巖、細砂巖、細礫巖,上部為上石炭統(tǒng)柳樹溝組(C2l)灰紫色安山質火山角礫巖、凝灰角礫巖及少量砂巖,二者間呈角度不整合接觸(見圖2a)。同時,此界面是準噶爾盆地南緣第1個重要的構造界面,反映從距今320Ma開始,之前早石炭世形成的克拉美麗洋盆、北天山洋盆和達拉布特洋盆開始消亡,開始在準噶爾盆地南緣及博格達地區(qū)形成裂谷盆地。該界面也反映出盆地的褶皺基底形成于距今320Ma以前,其后開始沉積盆地蓋層。對于研究區(qū)油氣勘探而言,界面之上的地層應作為目前油氣勘探的目標層系,界面之下的地層基本沒有油氣勘探意義。2.2泉子街組雜色礫巖界面特征紅雁池組與泉子街組之間的不整合面在吉木薩爾縣三臺鎮(zhèn)西大龍口剖面上表現(xiàn)得最明顯:界面之下為紅雁池組(P2lh)灰綠色泥巖、砂巖、灰黑色炭質頁巖夾泥灰?guī)r,產狀為245°∠54°;界面之上為泉子街組(P3q)雜色礫巖,平均傾角70°,傾向225°。界面為明顯的角度不整合(見圖2b)。該界面形成的大致時間相當于距今260Ma,代表海西運動開始在研究區(qū)發(fā)揮重要作用。構造環(huán)境由強烈擴張向沖斷擠壓轉變,晚石炭世—中二疊世形成的一系列裂谷盆地和準噶爾盆地內部半地塹或斷陷盆地開始向晚二疊世—早三疊世山前隆起帶轉變。準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)開始作為一個獨立的山前坳陷發(fā)展演化。自晚二疊世開始,準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)沉積環(huán)境由溫暖潮濕的海相環(huán)境轉變成為干燥炎熱的陸相氣候,因此對于研究區(qū)有利烴源巖勘探而言,晚二疊世至早三疊世階段不具備有利烴源巖發(fā)育的沉積環(huán)境。2.3不同層系上三疊統(tǒng)保水層序界面距今約240Ma時,早印支運動使準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)全面進入準平原化及穩(wěn)定拗陷沉降階段,新疆北部地區(qū)由準噶爾、柴窩堡、吐哈盆地等相互拼接組成一個統(tǒng)一的盆地,從而導致區(qū)域上中上三疊統(tǒng)小泉溝群常常直接覆蓋在石炭系或二疊系之上。中上三疊統(tǒng)小泉溝群與下三疊統(tǒng)上倉房溝群之間的不整合面在北天山山前及其以北地區(qū)多表現(xiàn)為上三疊統(tǒng)小泉溝群不整合在下覆石炭系之上。在烏蘇市四棵樹河剖面,中上三疊統(tǒng)小泉溝群(T2—3x,產狀4°∠59°)紫紅色泥巖與肉紅色鉀長花崗巖侵入下石炭統(tǒng)(C1,產狀9°∠68°)灰黑色凝灰質砂巖,呈現(xiàn)角度不整合接觸關系(見圖2c);從托克遜縣克爾堿鎮(zhèn)庫加依剖面可以看到中三疊統(tǒng)克拉瑪依組(T2k,產狀201°∠37°)與下石炭統(tǒng)(C1)也表現(xiàn)為角度不整合接觸關系(見圖2d)。下三疊統(tǒng)上倉房溝群與中上三疊統(tǒng)小泉溝群之間的不整合界面是由于沉積環(huán)境發(fā)生改變而形成的重要界面,該不整合界面之下的下三疊統(tǒng)上倉房溝群以一套磚紅色泥巖和灰綠色含礫砂巖為主,反映為不利于烴源巖生成的炎熱干燥環(huán)境,界面之上的中上三疊統(tǒng)小泉溝群則以灰色泥巖、暗灰色炭質泥巖、薄煤層為主,反映為溫暖潮濕氣候,其中克拉瑪依組便是在這種溫濕沉積環(huán)境下形成的重要烴源巖。區(qū)域上,該不整合界面代表了古特提斯構造動力體系向中特提斯構造動力體系轉變的關鍵時刻(早印支運動)。2.4晚三疊世后上三疊統(tǒng)侏羅統(tǒng)水西溝群在烏蘇市四棵樹河剖面上(見圖2e),三疊統(tǒng)小泉溝群頂部為紅色、灰綠色泥巖,下部以灰白色砂質礫巖、砂巖為主,地層傾向10°,傾角22°;其上覆的侏羅系水西溝群以灰白色砂巖為主,地層傾向3°,傾角45°?？梢?上三疊統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)之間存在不整合界面。盡管研究區(qū)中下侏羅統(tǒng)水西溝群發(fā)育范圍較廣,水西溝群(J1—2sx)常呈整合或平行不整合覆于小泉溝群(T2—3x)之上,但在小泉溝群不發(fā)育的博格達山北緣,包括博格達山、依連哈比爾尕山內部及其邊緣地區(qū),水西溝群則多超覆不整合于下伏石炭-二疊系之上,如烏魯木齊市后峽剖面可見到下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b,產狀245°∠20°)與下石炭統(tǒng)(C1,產狀46°∠24°)之間為角度不整合接觸關系(見圖2f)。這就反映出晚三疊世后,自中下侏羅統(tǒng)水西溝群沉積開始,沉積面積逐漸擴大,南部可能已到北天山地區(qū)。上三疊統(tǒng)小泉溝群與中下侏羅統(tǒng)水西溝群之間的不整合面形成于距今約203Ma,這說明從距今約203Ma開始,準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)逐漸形成了一個中下侏羅統(tǒng)地臺克拉通盆地。同時,水西溝群巖性以深灰色泥巖、砂泥巖互層夾薄煤層為主,泥巖微量元素Mn、Fe和Cr值偏高,反映了自水西溝群沉積開始,氣候環(huán)境轉變?yōu)槔跓N源巖發(fā)育的溫濕還原沉積環(huán)境。并且,約203Ma(晚三疊世瑞替期和早侏羅世辛涅繆爾期之間)以前,晚印支運動在研究區(qū)的構造作用常表現(xiàn)為垂直升降運動,約203Ma以來燕山運動早期在該區(qū)則以區(qū)域性的弱伸展構造為主。2.5中晚侏羅世盆地構造背景的轉變在烏魯木齊市頭屯河剖面上可以觀察到中下侏羅統(tǒng)水西溝群與中侏羅統(tǒng)頭屯河組之間的不整合界面,中侏羅統(tǒng)頭屯河組灰白色含礫細砂巖(J2t,產狀49°∠15°)與下覆水西溝群西山窯組白色含礫砂巖(J2x,產狀99°∠21°)之間呈角度不整合接觸關系(見圖2g,圖2h)。盡管在野外剖面上界面上下地層傾角差別不大,但該界面卻代表了研究區(qū)盆地構造背景由早中侏羅世弱伸展構造背景向中晚侏羅世強擠壓構造背景的轉變。該界面形成于距今約170Ma時,其時研究區(qū)沉積的中侏羅統(tǒng)艾維爾溝群表現(xiàn)為強烈的沖斷構造特征,造成地層傾角較大,甚至直立。艾維爾溝群的喀拉扎組礫巖就是在該時期燕山運動的沖斷構造背景下形成的、產狀陡立呈城墻般連續(xù)延伸的礫巖巖層,故也被稱為“城墻礫巖”。由此可見,自中侏羅統(tǒng)頭屯河組沉積期開始,準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)構造背景表現(xiàn)為沖斷隆升,南緣山前帶開始形成燕山期沖斷構造帶。該時期沖斷構造作用也使早中侏羅世形成的統(tǒng)一地臺克拉通盆地聯(lián)合體開始解體成相互獨立的柴窩堡盆地、準噶爾盆地和吐哈盆地。距今約170Ma時也是區(qū)域構造體制轉換和氣候轉變界面,區(qū)域構造體制由此前早中侏羅世的以弱伸展構造為主轉變?yōu)橹笾型碣_世的以沖斷擠壓型拗陷沉降為主。氣候環(huán)境也由水西溝群沉積期的溫濕氣候向艾維爾溝群沉積期的干旱氣候逐漸轉變。2.6中晚侏羅世沉積期巖相特征下白堊統(tǒng)清水河組與上侏羅統(tǒng)喀拉扎組之間的不整界面形成時期(距今約142Ma)是準噶爾盆地南緣區(qū)域構造體制發(fā)生重大變化的又一關鍵時期,主要表現(xiàn)為:中晚侏羅世艾維爾溝群沉積期強烈的沖斷構造作用結束,早白堊世準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)以拗陷沉降為主體的構造體制開始,白堊系常常超覆沉積,沉積范圍較中晚侏羅世明顯擴大。中晚侏羅世艾維爾溝群沉積期強烈的沖斷構造形成了準噶爾盆地南緣前陸盆地,同時該時期也是準噶爾盆地南緣尤其是博格達山前帶一系列沖斷構造形成的重要時期。燕山運動強烈的沖斷構造作用自中侏羅世艾維爾溝群沉積期開始,在晚侏羅世喀拉扎組沉積期沖斷構造作用達到頂點。因此,在準噶爾盆地南緣西段野外剖面上可以看到喀拉扎組礫巖與下伏齊古組(J3q)產狀多為高角度傾斜,喀拉扎組礫巖也正由于近于直立的產狀被稱為“城墻礫巖”。在沙灣縣石場瑪納斯河剖面可以看到,上覆喀拉扎組礫巖(傾角85°)與下伏齊古組(傾角47°)雜色泥砂巖呈現(xiàn)明顯的角度不整合(見圖3a),兩組地層呈明顯的高角度(見圖3b)。2.7區(qū)域構造及構造背景沙灣縣石場東101省道剖面上可以看到古近系紫泥泉子組(E1—2z)河流-湖泊相褐紅色砂質泥巖夾灰紅色砂巖與下伏白堊系東溝組(K2d)灰綠色砂質泥巖呈現(xiàn)角度不整合接觸關系(見圖3c)。古近系紫泥泉子組與上白堊統(tǒng)東溝組之間的不整合(在準噶爾北緣為古近系紫泥泉子組與上白堊統(tǒng)紅礫山組之間的不整合)形成于距今約65Ma時期,該時期研究區(qū)及鄰區(qū)的區(qū)域構造主要表現(xiàn)為由晚白堊世的盆地萎縮向古近紀的盆地擴展轉變。該時期也是準噶爾盆地南緣地區(qū)廣盆形成與盆地演化進入到穩(wěn)定發(fā)展期的時間。2.8構造轉換期及鄰區(qū)構造上新統(tǒng)獨山子組與中新統(tǒng)塔西河組之間的不整合(或上新統(tǒng)葡萄溝組與中新統(tǒng)桃樹園組之間的平行不整合)形成于距今約5.3Ma,該時期研究區(qū)及鄰區(qū)的區(qū)域構造主要表現(xiàn)為由古近紀—中新世以拗陷作用為主的盆地大面積擴展向上新世—更新世強烈沖斷作用為主的山前沖斷拗陷轉變。強烈沖斷構造作用自上新世開始取代了古近紀以來穩(wěn)定沉降為主的構造作用。該構造轉換期的構造運動奠定了準噶爾盆地南緣山前帶的基本構造樣式,研究區(qū)古新統(tǒng)—中新統(tǒng)長垣背斜帶、短軸背斜帶等構造均是這一構造轉換期的產物。古近系與新近系之間的不整合面具有區(qū)域性,代表喜馬拉雅構造運動的開始。2.9野外露頭剖面距今約1.8Ma的喜馬拉雅運動以沖斷構造作用為主,構造作用再次使準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)轉變?yōu)閺娏覜_斷隆升構造環(huán)境,斷層相關褶皺成為其基本構造形式。與此同時,北天山、南天山快速大規(guī)模沖斷隆升,最終形成準噶爾盆地南緣新近系地層傾角普遍較大與上覆第四系相對平緩的野外構造面貌(見圖3d)。綜上,在野外露頭剖面上識別出準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)自晚石炭世以來的9個不整合界面,大多為角度不整合接觸,代表重要的構造轉換界面。根據(jù)這9個不整合界面,劃分出晚二疊世—中三疊世安尼期(倉房溝群沉積期距今233~260Ma)、中侏羅世巴通期—晚侏羅世末(艾維爾溝群沉積期距今142~170Ma)和上新世以來(距今5.3Ma至今)3期沖斷造山強烈作用期,同時伴隨3期強烈沖斷作用,在準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)形成了統(tǒng)一的前陸盆地或山前沖斷坳陷。3地震地質構造不整合界面的缺陷不同期次構造作用是研究區(qū)不整合界面形成的主控因素,因此這些與構造運動存在必然聯(lián)系的構造不整合界面上、下地層不僅在野外剖面上存在巖性、產狀的差異,在地球物理剖面上也同樣存在測井參數(shù)值異常跳動、地震反射同向軸削截、超覆等不連續(xù)現(xiàn)象。3.1巖性地層界面由固2井全巖聲波時差、自然伽馬測井曲線(見圖4)可以明顯看出,第四系西域組底界(1535m)、新近系沙灣組底界(4590m)和白堊系吐谷魯群底界(4747m)為不同巖性地層的分界面。西域組與獨山子組之間的不整合界面在屯1井深側向與淺側向測井曲線上也表現(xiàn)為明顯的突變(見圖5)。3.2地震剖面的證據(jù)3.2.1地震剖面及侏羅系底界研究區(qū)主要地層界面基本上都對應強反射同向軸。其中四棵樹凹陷新近系獨山子組底界面之上為一套雜亂反射;獨山子組底界至塔西河組底界存在幾套強反射層,對應塔西河組內部的幾套膏泥巖地層;沙灣組底界在地震剖面上表現(xiàn)為一區(qū)域不整合面,橫向上具有較好的可追蹤性,沙灣組內部存在幾套中等振幅、較連續(xù)—不連續(xù)的地層反射界面,主要是一套含膏泥巖及砂泥巖反射;侏羅系內部存在幾套強反射,主要對應八道灣組煤系;三疊系底界呈連續(xù)性好、反射能量較強的界面反射特征,其下為一套石炭系雜亂反射,反映出其間為角度不整合接觸關系。3.2.2疊系底界和侏羅系八道灣組底界前人在地震剖面上識別出大量的不整合界面。其中,在四棵樹凹陷中可以看到三疊系底界和侏羅系八道灣組底界呈明顯削截不整合接觸。盆地東部隆起北三臺地區(qū)白堊系與下伏地層間的接觸關系在地震剖面上表現(xiàn)為褶皺不整合接觸。4構造界面的間斷性根據(jù)野外地質剖面、地震剖面以及測井數(shù)據(jù)可以在準噶爾盆地南緣及鄰區(qū)分辨出9個主要的構造地層界面。這些構造地層界面是區(qū)別不同構造期次構造變形、沉積環(huán)境等的主要依據(jù)?？紤]到不整合界面上下地層通常形成于不同沉積環(huán)境,故它們的地球化學特征必然也會有一定差異,對研究區(qū)不同構造界面上下地層地球化學特征的系統(tǒng)研究也可揭示其構造演化的間斷性,即確定研究區(qū)主要構造界面。因此,通過對研究區(qū)主要界面附近沉積地層地球化學特征的分析,探討其分布規(guī)律,可為不整合界面存在提供更加充足的證據(jù)。4.1疊系—泥巖樣品的主、微量元素證據(jù)碎屑沉積巖反映了特定的沉積過程和一定的物源區(qū)特征,泥巖的地球化學特征更是包含了沉積環(huán)境信息。由二疊系—白堊系泥巖樣品主、微量元素含量(見圖6,圖7)可見,樣品的地球化學數(shù)據(jù)與研究區(qū)構造地層界面具有良好的對應關系。其中Ce、Co、Cs、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、Pr等微量元素含量均在主要地層界面位置出現(xiàn)明顯異常;主量元素氧化物Al2O3、CaO、MnO和TiO2含量也具有類似特征。4.2礦物石英含量的差異砂巖樣品的碎屑含量主要反映研究區(qū)的物源特征,其碎屑成分中不穩(wěn)定礦物長石、不穩(wěn)定復晶巖屑(包括火山巖巖屑、變質火山巖巖屑、變質沉積巖巖屑和沉積巖巖屑)、穩(wěn)定礦物石英的含量在構造界面上下出現(xiàn)較大的差異,為研究區(qū)構造界面識別提供了更加充足的證據(jù)(見圖8)。4.3環(huán)境與物源特征碎屑巖微量元素Eu分布和LREE/HREE(輕稀土元素/重稀土元素)值可以用來表征沉積環(huán)境與物源特征。研究區(qū)碎屑巖Eu和LREE/HREE值在縱向上的分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律性,由圖9可以分辨出上下芨芨槽群即泉子街組和紅雁池組之間的不整合面、上倉房溝群與小泉溝群即燒房溝組與克拉瑪依組之間的不整合面、水西溝群與小泉溝群之間的不整合面等主要地質界線(見圖9)。4.4層序界面穩(wěn)定性巖石組構通過對研究區(qū)不同時代地層中砂巖樣品重礦物的系統(tǒng)分析可以看出,研