新疆昌吉南部侏羅系頭屯河組物源與沉積環(huán)境分析

羅居德，劉云華，夏昭德，汪幫耀，范媛媛

長安大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054

0 前言

準(zhǔn)噶爾盆地是中國西北地區(qū)典型的再生前陸盆地，油氣資源豐富，具有良好的勘探前景，其中侏羅系頭屯河組是重要的含油氣層系［1-4］.許多學(xué)者對準(zhǔn)南侏羅系地層的沉積相進(jìn)行了大量研究并取得巨大成果，普遍認(rèn)為侏羅系主要發(fā)育河流相、三角洲相、湖泊相及少量的沖積相［5-13］.前人研究表明頭屯河組在準(zhǔn)噶爾盆地廣泛分布，沉積相豐富，沉積體系多樣：東部主要發(fā)育辮狀河三角洲相、辮狀河相、湖泊相［11，14-18］；中部2、4區(qū)塊發(fā)育曲流河相-曲流河三角洲相-湖泊相沉積體系［19-20］；腹部石南地區(qū)發(fā)育辮狀河三角洲相［21-22］；南緣發(fā)育辮狀河相、曲流河相、辮狀河三角洲相、扇三角洲相、湖泊相等［7-8，10-11，23-27］.

前人雖對準(zhǔn)噶爾盆地頭屯河組進(jìn)行大量研究，但多數(shù)研究成果的空間范圍與時間尺度較大，或針對單一的沉積特征進(jìn)行論述，加之陸相沉積橫向變化大，三屯河至呼圖壁河一帶頭屯河組沉積相研究較少.因此，筆者通過野外數(shù)條路線與實(shí)測剖面，結(jié)合粒度分析方法，確定三屯河至呼圖壁河一帶的頭屯河組沉積相，并通過C、O同位素數(shù)據(jù)確定成巖環(huán)境，運(yùn)用多碎屑三角端元分析法，結(jié)合碎屑鋯石年代學(xué)研究討論沉積物源，以期為區(qū)域油氣勘查工作提供參考.

1 區(qū)域地質(zhì)概述

1.1 區(qū)域地質(zhì)背景

新疆昌吉南部地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣（圖1），東部為阜康凹陷與阜康斷裂帶，西部為四棵樹凹陷，發(fā)育于北天山山前沖斷帶（圖1a）.早泥盆世至晚石炭世，南天山洋向北俯沖導(dǎo)致塔里木克拉通與伊犁克拉通發(fā)生由東向西的剪刀式碰撞；北天山洋向南俯沖，北天山島弧與伊犁-中天山在晚石炭世發(fā)生碰撞，碰撞后，天山開始轉(zhuǎn)變?yōu)榕鲎埠笊煺弓h(huán)境，準(zhǔn)噶爾盆地在此伸展環(huán)境下，進(jìn)入陸緣裂陷盆地階段［28-29］；中生代時期，準(zhǔn)噶爾盆地全面進(jìn)入陸內(nèi)拗陷階段［6，30-34］，三疊紀(jì)—早侏羅世，天山遭受強(qiáng)烈侵蝕進(jìn)入準(zhǔn)平原化，為準(zhǔn)南侏羅紀(jì)沉積提供了良好的物源［34-36］.現(xiàn)今的準(zhǔn)南主要受新生代印度-歐亞板塊碰撞的影響，天山強(qiáng)烈隆起，在準(zhǔn)南發(fā)育從南到北的三排背斜帶，形成再生前陸盆地［31，36-41］.

圖1 研究區(qū)實(shí)測地質(zhì)簡圖及大地構(gòu)造位置Fig.1 Surveyed geological map and tectonic location of the study area

1.2 地層剖面描述

頭屯河組（J2t）位于PM6剖面中部（圖1b），三屯河以西，呼圖壁河以東.剖面總方位25°，起點(diǎn)坐標(biāo)：X＝15483681，Y＝4840882；終點(diǎn)坐標(biāo)：X＝15485575，Y＝4845383.剖面長度5 495 m，頭屯河組總厚為782.1 m.研究區(qū)頭屯河組與上覆地層齊古組（J3q）、下伏地層西山窯組（J2x）均呈整合接觸關(guān)系（圖2）.剖面敘述如下.

圖2 中侏羅統(tǒng)頭屯河組剖面圖Fig.2 Profile of Middle Jurassic Toutunhe Formation

2 沉積相標(biāo)志

2.1 巖性標(biāo)志

新疆昌吉南部地區(qū)頭屯河組主要巖石組合為一套穩(wěn)定的青灰色、灰綠色粉砂巖-砂巖-含礫砂巖-礫巖和紫紅色、紅褐色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖為主的巖石組合，由底到頂整體變細(xì)，局部變粗.偶見薄層狀膏鹽（出露寬度為3～5 mm）.部分含礫砂巖和礫巖為灰白色，砂巖為黃綠色.礫巖中礫石多呈次圓狀—次棱角狀，分選差，最大粒徑為30 mm，最小為2 mm，礫石由底到頂粒徑變小，礫巖中發(fā)育核膜構(gòu)造.含礫砂巖中發(fā)育大量鐵質(zhì)結(jié)核（4～12 mm）.16件砂巖樣品巖礦鑒定（圖3）顯示：剖面中下部為長石砂巖（圖4a、b、c），上部為長石巖屑砂巖（圖4d、f），巖屑以流紋巖、安山巖為主，少量玄武巖、凝灰?guī)r、千枚巖、細(xì)砂巖、黏土巖等，部分砂巖含海綠石；碎屑磨圓整體一般，次棱角狀、次圓狀均常見；分選整體較好，局部分選一般；填隙物主要為黏土質(zhì)雜基及硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)物等，多屬顆粒支撐，膠結(jié)類型以接觸式為主，孔隙式次之.

圖3 頭屯河組砂巖樣品巖性分類三角圖（底圖據(jù)文獻(xiàn)［42］）Fig.3 Lithologic classification diagram for sandstone samples of Toutunhe Formation（After Reference［42］）

圖4 中侏羅統(tǒng)頭屯河組砂巖顯微特征（正交偏光）Fig.4 Microphotographs of sandstones from Middle Jurassic Toutunhe Formation（under cross-polarized light）

2.2 顏色標(biāo)志

研究區(qū)頭屯河組的碎屑巖顏色多為青灰色、灰綠色、紫紅色、紅褐色等.剖面下部以青灰色、灰綠色為主，推測這一階段沉積物長時間處于弱氧化弱還原環(huán)境；剖面上部為紅褐色、紫紅色與灰綠色交替出現(xiàn)，反映湖水升降頻繁.

2.3 原生沉積構(gòu)造標(biāo)志

研究區(qū)頭屯河組常見的沉積構(gòu)造有平行層理、水平層理、交錯層理、楔狀層理、波狀層理和沖刷面等.

（1）沖刷面構(gòu)造（圖5f）.沖刷面主要出現(xiàn)在水下分流河道微相中，頭屯河組砂巖表面的凹坑被細(xì)小的礫石充填形成沖刷面.

（2）層理構(gòu)造

平行層理：常發(fā)育在頭屯河組砂巖中，形成于平坦層面、急流高能環(huán)境.

水平層理（圖5e）：常發(fā)育于頭屯河組粉砂巖、泥巖中，一般形成于穩(wěn)定的水動力條件.

交錯層理（圖5a、b）：在區(qū)頭屯河組砂巖、粉砂巖中廣泛發(fā)育，層理內(nèi)部的細(xì)紋層之間相互交錯或者切割，并與層面相切.一般形成于單向流動、能量較低的介質(zhì)環(huán)境中.

楔形層理（圖5c）：單層砂巖呈楔狀，細(xì)紋層相互交錯，形成楔形層理，常見于頭屯河組砂巖中.

斜層理（圖5d）：常發(fā)育在頭屯河組細(xì)砂巖中，一般形成在單向流動的搬運(yùn)介質(zhì)中，沉積物單向堆積而形成與層面斜交的層理.

圖5 頭屯河組典型沉積構(gòu)造Fig.5 Typical sedimentary structures of Toutunhe Formation

波狀層理：頭屯河組砂巖中可見，但剖面中出現(xiàn)較少，其特點(diǎn)是單層內(nèi)部細(xì)紋層呈波狀起伏，波狀紋層呈斷續(xù)近平行排列.一般形成于震蕩的流動介質(zhì)中，導(dǎo)致沉積物呈波狀堆積.

2.4 粒度分布標(biāo)志

樣品采集位置見圖2，樣品編號對應(yīng)相應(yīng)的層位.粒度分析方法采用巖石薄片粒度圖像分析，得出粒度參數(shù)（表1）和粒度曲線（圖6）.

圖6 昌吉地區(qū)頭屯河組砂巖粒度曲線圖Fig.6 Granularity curves for sandstones of Toutunhe Formation in Changji area

表1 頭屯河組砂巖粒度參數(shù)表Table 1 Grain size parameters for sandstones of Toutunhe Formation

標(biāo)準(zhǔn)偏差（σ1）可表示沉積物分選程度，依據(jù)前人標(biāo)準(zhǔn)［42］，樣品σ1范圍在0.46～0.64之間，總體來看分選較好；偏態(tài)（SK1）可以判別粒度分布的不對稱程度，除VI-78-1b號樣品偏度為-0.11的負(fù)偏態(tài)外，其余均處在0.1～0.14之間的正偏態(tài)，表明粗組分沉積物偏多；峰度（KG）是衡量粒度頻率曲線尖銳程度的指標(biāo)，樣品峰度在1～1.33之間，其尖銳程度處于中等—尖銳之間；砂巖樣品頻率曲線多呈多峰不對稱曲線；概率值累計(jì)曲線以跳躍和懸浮總體為主，其中跳躍次總體占主體；C值代表了水動力開始搬運(yùn)沉積物的最大能量，變化范圍在140.1～1 609μm；M值代表了平均能量，為74.5～741.5μm，水動力由底到頂整體呈變?nèi)踮厔荩植孔儚?qiáng).綜合分析粒度參數(shù)認(rèn)為樣品以河砂為主，顯示河流沉積環(huán)境，僅VI-113-1b顯示為濱湖砂特征.

3 沉積相類型與特征

通過野外路線觀察與實(shí)測剖面資料（圖7），綜合分析頭屯河組相標(biāo)志，認(rèn)為新疆昌吉南部地區(qū)頭屯河組主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相以及濱淺湖亞相，具體微相特征如下.

圖7 昌吉地區(qū)頭屯河組柱狀圖Fig.7 Lithological column of Toutunhe Formation in Changji area

3.1 水下分流河道微相

此相為辮狀河三角洲前緣沉積的主體，約占剖面厚度的43.37%.主要巖性為灰白色、淺青灰色、灰綠色礫巖，含礫砂巖，中、粗砂巖，細(xì)砂巖次之，常呈下粗上細(xì)的韻律層.砂巖填隙物中雜基含量極少，多呈顆粒支撐結(jié)構(gòu).地層以中厚層狀為主，薄層少見，交錯層理最為發(fā)育，也可見平行層理、波狀層理及沖刷面等構(gòu)造.

3.2 分流河道間微相

該微相發(fā)育于水下分流河道之間，沉積物較細(xì)，水動力條件相對較弱，約占剖面厚度的18.64%.主要巖性為黃綠色-青灰色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖以及少量中、細(xì)砂巖.水平層理、平行層理、斜層理較為發(fā)育.地層以中薄層狀為主，厚層狀較少，可見透鏡狀砂巖，是受水下分流河道改道侵蝕而成.

3.3 濱淺湖亞相

濱湖沉積位于湖盆邊緣，接近水面，氧化作用強(qiáng)烈；淺湖沉積水位較濱湖沉積深，沉積環(huán)境處于弱氧化—弱還原環(huán)境.發(fā)育于剖面99—104、112—120層，約占剖面厚度的37.99%.主要巖性為紫紅色-紅褐色粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，以及淺灰綠色-灰綠色-黃綠色含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等，水平層理、交錯層理發(fā)育.地層以中厚層狀為主，薄層極少見.

4 成巖環(huán)境與物源

4.1 成巖環(huán)境分析

對研究區(qū)頭屯河組砂巖中5件樣品做了C、O同位素分析（表2）.除Ⅵ-98-1b樣品未檢測到碳酸鹽外，其余樣品13CV-PDB值均在-9‰～-17.3‰之間，平均-13.275‰；18OV-PDB值均在-14.2‰～-16.2‰之間，平均-15.425‰；18OV-SMOW值均在-14.2‰～-16.3‰之間，平均-15.05‰.數(shù)據(jù)整體規(guī)律性不強(qiáng).

表2 頭屯河組砂巖C、O同位素分析Table 2 C and O isotope analysis of sandstones from Toutunhe Formation

依據(jù)Keith等［43］提出的古鹽度計(jì)算公式，得出頭屯河組樣品中古鹽度Z值為83.802～101.7964，平均92.431，且均小于120，認(rèn)為砂巖樣品形成于受大氣淡水影響的成巖環(huán)境.將樣品Z值與13CV-PDB值投點(diǎn)于圖8，結(jié)果表明二者相關(guān)性很高：13CV-PDB越高，古鹽度越高.

圖8 13CV-PDB-Z值與成巖環(huán)境的關(guān)系（底圖據(jù)文獻(xiàn)［46］）Fig.8 Relationship between 13CV-PDB-Z value and diagenetic environment（After Reference［46］）

運(yùn)用Shackleton等［44］提出的古溫度公式，通常假定古海水的O同位素組成與現(xiàn)代海水相同，δ18OV-SMOW＝0，得出埋深壓實(shí)的成巖溫度范圍為99.26～114.1℃，平均108.310℃.前人得出北天山山前拗陷的地溫梯度平均為17.1℃/km［45］，按地表溫度25℃計(jì)算，埋深在4.34～5.23 km之間，平均4.87 km.

4.2 物源分析

前人提出通過多碎屑礦物作Dickinson圖解來判別物源區(qū)構(gòu)造背景［47-48］，此前也有許多學(xué)者將此方法運(yùn)用到準(zhǔn)噶爾盆地沉積地層中［49-51］.筆者統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)16件砂巖樣品中碎屑顆粒，并作多碎屑礦物三角圖（圖9）.結(jié)果表明區(qū)內(nèi)砂巖成分成熟度較低，長石與巖屑含量高，其中以火山巖在巖屑中占比最大；石英含量不高，以單晶為主，多晶石英含量普遍很低，碎屑成分三角圖顯示頭屯河組物源主要為隆升基底、島弧造山帶.Qm-F-Lt三角圖顯示，104、109、112、113層位的樣品巖屑含量增加，致使物源顯示為混合物源區(qū).

圖9 新疆昌吉南部頭屯河組砂巖碎屑組分與物源類型三角圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［46-48］）Fig.9 Triangle diagrams of sandstone detrital components and source types of Toutunhe Formation in southern Changji，Xinjiang（After References［46-48］）

5 討論

侏羅紀(jì)時期，準(zhǔn)噶爾盆地處于陸內(nèi)拗陷階段，天山山脈已被剝蝕到一個較低的高度，天山及準(zhǔn)南的構(gòu)造活動較為平穩(wěn)或減弱.三疊紀(jì)至早侏羅世，天山遭受強(qiáng)烈侵蝕進(jìn)入準(zhǔn)平原化，為南北麓盆地提供了良好的物源［30-36，52］.前人通過大量研究表明，準(zhǔn)南在頭屯河沉積時期古水流方向絕大多數(shù)由南向北［8，24，28，39，53］，佐證了天山為準(zhǔn)南重要的物源區(qū).再結(jié)合Dickinson圖解推測物源可能是天山中部3種源巖：晚石炭世碰撞后火山巖、與俯沖有關(guān)的巖漿巖和基底巖系、晚泥盆世和晚石炭世與俯沖有關(guān)的島弧火山巖［28］.

準(zhǔn)南早—中侏羅世處于溫暖濕潤氣候［5-6］，研究區(qū)頭屯河組剖面下部發(fā)育青灰色、灰綠色粉砂巖、砂巖、含礫砂巖、礫巖，上部交替出現(xiàn)紫紅色、紅褐色粉砂質(zhì)泥巖等，表明頭屯河組沉積期保持溫暖濕潤氣候，在后期顯示為干旱與溫暖濕潤氣候交替出現(xiàn)［8］.晚侏羅世開始?xì)夂蛑饾u干旱［6］.研究區(qū)頭屯河組發(fā)育辮狀河三角洲相-濱湖亞相-淺湖亞相的沉積體系［7，9］.在頭屯河組早期，氣候條件較為干旱，研究區(qū)整體上發(fā)育辮狀河三角洲相［8，23］，其中以水下分流河道微相最為發(fā)育.頭屯河組中期，研究區(qū)發(fā)生較小的湖水上侵，致使沉積相由三角洲相向?yàn)I淺湖亞相轉(zhuǎn)變.頭屯河組晚期該地區(qū)發(fā)生大范圍的湖水下降與上侵事件［11］，導(dǎo)致研究區(qū)辮狀河三角洲相與湖泊相交替出現(xiàn)，并在末期最終形成了廣泛的湖泊相.

新疆昌吉南部地區(qū)沉積相的演化受多種因素影響，從研究區(qū)侏羅系各組地層特征來看，八道灣組沉積時期，巖石顏色主要呈青灰色和灰綠色；三工河組沉積時期，巖石顏色呈青灰色、灰綠色以及土黃色等，反映侏羅世早期準(zhǔn)南發(fā)生大規(guī)模的湖侵，氣候濕潤［6-7，13］；西山窯組巖石顏色則逐漸偏向紅褐色、磚紅色、淺紅色，且含黑色煤層，部分泥質(zhì)巖和砂巖為灰綠色、白色等，但整體顏色為紅色調(diào)；而頭屯河組巖石顏色以青灰色、灰綠色和紫紅色、紅褐色為主，表明中侏羅世是湖退期，是氣候由濕潤轉(zhuǎn)向干旱的過渡階段［6］；齊古組地層則可分為上、下兩段，下段紅綠相間，主要為紫紅色、泥質(zhì)巖、灰綠色粉砂質(zhì)巖以及淺灰綠色砂巖，上段主要為磚紅色、紫紅色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)巖、細(xì)砂巖以及灰綠色粉砂巖和淺灰綠色砂巖；喀拉扎組的巖石則又逐漸以淺灰綠色礫巖為主，顯示的沉積環(huán)境為干旱型沖積扇相［5］.整體來看，侏羅系沉積環(huán)境逐漸由干旱型氣候轉(zhuǎn)變?yōu)槌睗裥秃笥肿優(yōu)楦珊敌?，基?zhǔn)面經(jīng)歷了低—高—低的變化，對應(yīng)的湖平面先漲后降［5-6，11，13］.

6 結(jié)論

（1）侏羅系頭屯河組主要發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相以及濱淺湖亞相，三角洲相還可以細(xì)分出水下分流河道、分流河道間兩個微相，具有辮狀河三角洲相-濱湖亞相-淺湖亞相的沉積相沉積體系.頭屯河組沉積期氣候向溫暖濕潤發(fā)展，并在后期顯示為干旱與溫暖濕潤氣候交替出現(xiàn)，該時期發(fā)生多次湖水上侵及下降的變化，導(dǎo)致三角洲相與湖泊相交替出現(xiàn).

（2）研究區(qū)頭屯河組砂巖主要形成于大氣淡水成巖環(huán)境，并埋深在4.34～5.23 km之間成巖.

（3）頭屯河組物源主要來自隆升基底、島弧造山帶，具體由天山中部晚泥盆世和晚石炭世碰撞后火山巖、與俯沖有關(guān)的巖漿巖和基底巖、島弧火山巖組成.