构造-气候-沉积耦合控制准噶尔盆地东部含油气系统形成和演化

Integrated tectonic-climatic-sedimentary controls on the formation and evolution of petroleum systems in the eastern Junggar Basin, NW China

摘要

准噶尔盆地油气资源丰富,但勘探发现主要来自于西部地区,东部地区虽发育多套优质烃源岩层系,且已实现页岩油勘探突破,但整体的油气资源潜力和成藏机制有待系统揭示。本文以多圈层驱动的油气形成与富集理论为指导,系统探讨了准噶尔盆地东部地区含油气系统形成与演化的主控因素和关联机制。研究表明:石炭纪以来,该区先后形成了石炭系天然气系统、二叠系含油气系统和侏罗系煤岩气系统,其中下二叠统芦草沟组烃源岩发育尤为关键。二叠系含油气系统形成受深部构造活动、古气候演变、天文轨道力、火山和热液物质输入、湖盆水体性质及生物群落演替等多圈层协同作用的影响,最终形成以浮游菌藻类为主要生烃母质、有机质丰度高、生油能力强的优质烃源岩。相比之下,石炭系和侏罗系烃源岩分别形成于俯冲增生和伸展拗陷背景下的温暖湿润环境,均以陆生高等植物为主要生烃母质,以产气为主。多期次的构造运动(裂陷、反转、压扭、拗陷)塑造了准噶尔盆地东部地区“棋盘状”构造格局,并控制了沉积中心的迁移、烃源岩的热演化史以及油气的运聚与保存,最终形成了与西部地区不同的油气分布格局。准噶尔盆地东部地区目前仍处于勘探早期阶段,是盆地未来资源接替和 “超级能源盆地”建设的重要战略区域。未来研究有必要聚焦深部-浅部圈层物质能量交换过程、天文旋回对烃源岩和页岩油非均质性的影响、古湖泊化学性质对有机碳埋藏的控制机理以及常规-非常规油气“甜点”预测等方向,为该区油气勘探部署提供更为精细的科学依据。

Abstract

Although the Junggar Basin hosts abundant hydrocarbon resources, major discoveries have so far been concentrated in its western part. In contrast, the eastern Junggar still lacks a systematic understanding of hydrocarbon potential and the mechanisms controlling hydrocarbon generation and enrichment, despite recent breakthroughs in shale oil exploration. Guided by the theory of multi-spheric interaction-driven hydrocarbon formation and enrichment, this study synthesizes the dominant controlling factors and their linkages in the petroleum systems of the eastern Junggar Basin. Our results show that three distinct petroleum systems have developed since the Carboniferous: the Carboniferous gas-prone system, the Permian oil-prone system, and the Jurassic coal-derived gas system. Among them, the Lower Permian Lucaogou Formation source rocks were most critical to regional hydrocarbon enrichment. The formation of the Permian petroleum system was controlled by coupled processes across multiple spheres, encompassing deep tectonic activity, paleoclimatic evolution, astronomical orbital forcing, volcanic and hydrothermal inputs, variations in lake water properties, and the ecological succession of microbial communities. Together, these processes favored the development of high-TOC, highly oil-prone source rocks dominated by planktonic bacteria and algae. In comparison, the Carboniferous and Jurassic source rocks formed under warm and humid climatic conditions in subduction-accretion and extensional sag settings, respectively. Both are characterized by organic matter derived mainly from higher plants and consequently possess a gas-prone generative potential. Multi-stage tectonic movements—including rifting, inversion, transpressional deformation, and subsequent subsidence—shaped the present day “chessboard” structural framework of the eastern Junggar. This framework, in turn, controlled depocenter migration, source rock thermal evolution, and hydrocarbon accumulation and preservation, leading to a hydrocarbon distribution pattern that differs from that in the western Junggar. Currently, petroleum exploration in the eastern Junggar is still at an early stage. This region is strategically important for future resource replacement in the Junggar Basin and for building a “Super Energy Basin”. Future work should focus on material and energy exchange between deep and shallow Earth spheres, the influence of astronomical cycles on the heterogeneity of source rocks and shale oil, the controls of paleo-lake chemistry on organic carbon burial, and the prediction of exploration sweet spots for both conventional and unconventional resources, thereby providing a more refined scientific basis for exploration deployment in this region.

Graphical abstract

关键词

准噶尔盆地 / 多圈层相互作用 / 湖相烃源岩 / 含油气系统

Key words

Junggar Basin / multi-spheric interaction / lacustrine source rock / petroleum system

0 引言

石油地质理论的持续革新显著深化了对油气成因与资源分布规律的认识,在勘探技术快速发展的推动下,为全球油气资源的稳定供应提供了重要理论支撑^[1]。近年来,以全油气系统理论为指导的“源储耦合、有序聚集”认识^[2-3],有力推动了我国准噶尔^[4-5]、松辽^[6-7]、鄂尔多斯^[8-9]、四川^[10-11]、吐哈^[12]等盆地的常规与非常规油气的勘探突破,不仅印证了理论的前瞻性,也揭示了油气形成与富集机制的复杂性。近年来,随着地球系统科学理念的深化,学者们日益重视从圈层相互作用视角研究油气形成、运移和成藏的宏观控制机制,发现超级盆地的油气富集常与适宜的构造沉降、古气候条件、火山活动、大洋环流、海平面变化以及全球性重大地质事件(如大洋缺氧事件,OAEs)等多因素的耦合密切相关,逐步形成了“多圈层驱动的油气形成与富集”理论框架^[13],并成功解释了波斯湾^[14]、东南亚^[15]、欧洲北海^[16]等多个全球超级盆地的油气富集机制。该理论为重新审视全球油气形成和富集机制提供了新思路,业已成为当前地球科学与石油地质研究的前沿方向。

准噶尔盆地地处中亚造山带(Central Asian Orogenic Belt,CAOB)西南缘(图1a^[17]),总面积约13.6×10⁴ km²,其南、西两侧以北天山为界,通过天山北缘大断裂带与塔里木盆地相隔;东缘与博格达山相接,并以山前断裂与吐哈盆地分界;西北缘毗邻扎伊尔山及其山前断裂带,北侧以阿尔泰山为屏障,东北缘则被克拉麦里山和青格里底山环绕,与东侧的三塘湖盆地相望,整体地势呈“东高西低”特征^[18-19](图1b)。准噶尔盆地内部可进一步划分为乌伦古坳陷、陆梁隆起、中央坳陷、西部隆起、东部隆起、北天山前冲断带6个一级构造单元和数十个二级构造单元(图1c^[20])。最新资源评价结果显示,准噶尔盆地石油资源量近140×10⁸ t,天然气资源量超6.5×10¹² m^{3 [19]}。自20世纪50年代发现克拉玛依油田以来,该盆地一直是我国西部油气勘探开发的重点区域。近年来,在全油气系统理论指导下,盆地西部(准西,包括西部隆起和中央坳陷西部地区)玛湖凹陷风城组^[4,21-22]和上乌尔禾组^[23]相继取得重大油气勘探突破,展现出巨大的资源潜力,不仅成为陆相油气地质研究的热点,也促进了有机生油理论的创新^[24-25]。然而,该盆地整体仍处于勘探早-中期阶段,常规油气探明率仅约20%^[19]。与勘探程度较高的西部相比,盆地东部地区(准东,包括东部隆起和中央坳陷东部地区)除吉木萨尔、阜康等凹陷在二叠系致密油领域取得进展外^[26-28],大部分区域的勘探程度较低,尚待新理论指导下的深入探索。

基于上述研究背景,本文以多圈层驱动的油气形成与富集理论为指导,重点关注准东地区含油气系统的形成和演化机制,区域上包括沙奇凸起以南地区,并涉及阜康凹陷东部和吐哈盆地台北凹陷区北部邻近博格达山南缘部分,通过系统梳理石炭纪以来的构造活动、气候变化、沉积响应之间的耦合关系,及其对烃源岩发育、储-盖组合形成、油气生成和成藏的影响,以期深化对准东地区含油气系统,尤其是优质烃源岩形成机理的理解,为该区域的油气勘探提供科学依据。

1 准东地区构造沉积演化

1.1 古亚洲洋闭合和盆地基底形成

准噶尔盆地基底形成与古亚洲洋闭合过程密切相关,经历了洋内弧、陆缘弧及多个古陆块的拼贴与聚合^[20,29-31]。新元古代中期(750~600 Ma),罗迪尼亚(Rodinia)超大陆开始裂解,原特提斯洋与古亚洲洋等相继打开^[32]。至埃迪卡拉纪末—寒武纪早期(580~520 Ma),古亚洲洋已具规模,发育洋岛和洋内弧系^[31,33]。早古生代期间,随着洋内俯冲作用加剧,逐渐形成多岛洋盆的构造格局^[30-31](图2a)。志留纪—石炭纪期间,成吉思弧(Chingiz Arc)、科克切塔夫-北天山弧(Kokchetav-North Tianshan Arc)、伊犁-中天山-北山弧(Yili-Central Tianshan-Beishan Arc)、西准噶尔弧(West Junggar Arc)等岛弧陆续拼贴(图2a),构成呈近线性展布的哈萨克斯坦拼贴体系(Kazakhstan Collage System)^[29,31,34](图2b)。与此同时,图瓦-蒙古地体(Tuva-Mongol Terrane)、达扎布可罕弧(Dzabkhan Arc)、阿尔泰弧(Altai Arc)、东准噶尔弧(East Junggar Arc)等微陆块和火山岛弧发生也陆续发生拼贴(图2a),形成蒙古拼贴体系(Mongolian Collage System)^[29](图2b)。

石炭纪期间,哈萨克斯坦和蒙古两个拼贴体系进一步演化为山弯构造体,并持续向北旋转漂移^[29,31,33],古亚洲洋西段的斋桑洋(Zaysan Ocean)、准噶尔洋等分支洋盆逐渐闭合消亡,东、西准噶尔弧则发生碰撞,形成统一的盆地基底,准噶尔盆地自此进入陆内演化阶段^[31]。目前已基本确定古亚洲洋自西向东呈“剪刀式”闭合^[32],但闭合时间有石炭纪末期—二叠纪中期^[35-36]和中—晚三叠世(246~222 Ma)^[37]两种观点。基于最新的地层年代学证据^[38],本文支持前者。

1.2 石炭纪以来的构造演化过程

虽然东西向的拼贴碰撞是准噶尔盆地基底拼合的主要应力方向,但自石炭纪至今,盆地同样也受到近南北、北东向的俯冲作用影响,使得克拉麦里洋(Kelamaili Ocean)、额尔齐斯洋(Ertix Ocean)等分支洋盆消失,莫索湾(位于现今中央坳陷之下)、陆梁和乌伦古等地块或岛弧继续拼贴,成为准噶尔盆地基底组成部分(图3a)。自形成陆内盆地后,准噶尔盆地持续受到周缘陆块(如西伯利亚、塔里木、华北等)的碰撞和远程构造作用影响,多期次、多方向的挤压与伸展活动在盆地内部交替发生(图3b-d),共同控制了盆地的构造格局、沉积中心迁移和沉积物组成^[17,20,28],逐步演化为现今隆坳相间、结构复杂的叠合型沉积盆地。其中,东部隆起区最为典型,表现为南北向与东西向交织的“棋盘式”构造格局,并以此划分为14个二级构造单元^[4,17,40](图1c)。

1.2.1 裂陷湖盆阶段(石炭纪末期—二叠纪早期)

石炭纪末期至二叠纪早期,准噶尔盆地进入碰撞后陆内伸展阶段^[20],发育由多组断裂(北东向、南西西向、近南北向)控制的地嵌与半地堑系统,形成裂陷盆地群^[41-42](图3b)。该时期伴随显著的火山^[20]和热液活动^[43-46](图3b),沉积环境在横向和纵向上均存在明显分异。至乌拉尔世(Cisuralian,298.9~274.4 Ma)晚期,火山-热液活动减弱,沉积中心由断裂带向盆地内部迁移,标志着盆地逐步向坳陷阶段过渡。

准东地区的区域构造在乌拉尔世中期(293~283 Ma)开始由弧后裂谷向后碰撞裂谷系统转变,南部山前深度较大^[47-48],北部山前则随着克拉麦里山持续隆升剥蚀,形成“北低南高”的古地貌格局^[40]。此时的沉积中心主要位于沙奇凸起以南的吉木萨尔凹陷、吉南凹陷、阜康断裂带附近,以及沙奇凸起以北的五彩湾凹陷(图1c),沉积厚度由西向东逐渐减薄^[4](图1d),沉积物源为北天山、克拉麦里山及裂谷周缘的裂谷肩(图4a)^[49-52]。芦草沟组沉积早期,阜康、柴窝铺、吉木萨尔等凹陷以及博格达山南缘塔尔郎沟等区域可能相对独立,形成一系列东西向展布的裂谷湖盆^[42,49];至芦草沟组上段沉积时期,发生大规模湖侵事件,湖盆可能相互连通^[49](图4a)。

1.2.2 构造反转阶段(二叠纪中期—三叠纪)

准噶尔盆地在乌拉尔世末期—瓜德鲁普世早期开始发生构造反转,由伸展转为挤压^[20,53]。这一事件在博格达地区表现为空谷期(Kongguian,283.3~274.4 Ma)至瓜德鲁普世沃德期(Wordian,266.9~264.28 Ma)之间约20 Ma的区域不整合^[42],并得到最新的高精度火山灰定年结果^[38]和碎屑锆石物源分析结果^[39,54]支持。不整合面之上开始出现来自东准噶尔弧的古老物源,加之华北地区在二叠纪中期也出现类似的沉积间断^[55],指示准噶尔盆地内部大规模构造重组很可能与古亚洲洋东段闭合及弧-陆或陆-陆碰撞有关。挤压作用不仅导致准东地区北部发育左行走滑构造,形成一系列南北向逆冲断层与褶皱,奠定了后续“棋盘式”构造格局的基础^[17];它还导致白家海、沙奇等凸起的乐平统普遍遭受剥蚀,沉积中心随之向西、南方向迁移^[28]。与此同时,博格达山开始隆升,周缘水体变浅并发生剥蚀^[52,56](图4b)。

盆地在早—中三叠世的构造活动明显减弱,整体呈坳陷格局^[52],博格达山地区可能遭受剥蚀夷平^[52]。地势降低导致湖岸线频繁进退,沉积相与岩性快速变化^[42,57]。至晚三叠世,南北向挤压再次增强,导致准东地区东北部抬升,二叠系-三叠系普遍遭受剥蚀。

1.2.3 伸展-扭压阶段(侏罗纪)

准噶尔盆地在侏罗纪再次整体进入伸展-坳陷阶段,沉积范围向南推进至中天山地区^[20],地形趋于平缓(图3c),广泛发育相互连通的浅水湖盆,沉积了巨厚的浅湖-沼泽相地层^[58]。盆地东北与西北缘受左行张剪断裂系统控制,形成北东向展布的凸起-凹陷构造格局^[17]。

自早侏罗世八道湾组末期至晚侏罗世头屯河组早期,博格达山地区经历了三期幕式隆升^[56,59-60]。中—晚侏罗世至白垩纪初期,受燕山运动及周缘地块碰撞的远程效应影响,如拉萨地块与羌塘地块的碰撞增生、蒙古-鄂霍茨克洋的最终闭合^[61-63],盆地发生顺时针旋转并形成区域性压扭构造,整体显著收缩,南部边界向北退缩至北天山地区,内部则发育北东-北东东向的车排子-莫索湾古隆起及多个次级构造带^[20,64]。准东地区则大范围发生隆升,形成近南北向的褶皱-逆冲构造^[17]。

1.2.4 坳陷定型阶段(白垩纪—新近纪)

早白垩世初期,盆地内的压扭构造活动结束,转为稳定的陆内坳陷^[20]。至晚白垩世,盆地西部活动微弱,东部则受南北向挤压作用出现显著收缩,导致盆地北部至东北缘的白垩系整体南倾,并被克拉麦里山前逆冲断层切割,与上覆古近系呈角度不整合。准东地区先存的南北向褶皱叠加东西向变形,逐渐形成近东西向褶皱-凸起,与早期构造共同构成该区“棋盘式”构造格局^[4,17,40]。

古近纪构造活动平静,盆地维持陆内坳陷环境,发育统一湖盆,仅东部克拉麦里山与博格达山的山前地带发育局部隆起与逆冲,导致古近系发生倾斜与切割^[40]。新近纪以来,受喜马拉雅造山运动的远程效应影响,北天山自约20 Ma强烈隆升,盆地南缘发生翘曲沉降,转变为前陆盆地^[20,63](图3d),博格达山则隆升至峰值并向北逆冲,克拉麦里山前亦发生隆起与地层剥蚀,最终塑造了现今“盆-山耦合、南厚北薄”的构造-沉积格局^[4,56,65]。

1.3 石炭纪末期以来的沉积充填特征

1.3.1 石炭系顶部至二叠系乌拉尔统的沉积时代厘定

准噶尔盆地东部自石炭纪末期以来的主要沉积序列如图5a所示。受基亚曼超级反向极性带(Kiaman Superchron)制约,准噶尔盆地石炭系顶部至二叠系乌拉尔统的沉积时代划分长期依赖生物地层学与碎屑锆石定年。传统上,盆地的两套关键烃源岩层系(准西风城组和准东芦草沟组)分别被划归乌拉尔世与瓜德鲁普世。然而,最新获取的高精度年代学数据对这一方案提出了挑战(图5b^[66])。基于火山灰锆石U-Pb定年(约300 Ma)^[67]和岩心页岩Re-Os定年(304.4~297.3 Ma)^[66],风城组沉积时代被限定在石炭纪末期的卡西莫夫期(Kasimovian,307.0~303.7 Ma)至乌拉尔世阿瑟尔期(Asselian,298.9~293.52 Ma),早于前期认识。

芦草沟组的时代归属仍存在争论。基于吐哈盆地塔尔郎-桃东沟半地堑中芦草沟组下伏大河沿组((301.26±0.05) Ma)与上覆红雁池组(281.42 Ma)火山灰层的高精度定年和沉积速率推算,Yang等^[42]提出芦草沟组沉积于乌拉尔世萨克马尔期(Sakmarian,293.52~290.1 Ma)至亚丁斯克期(Artinskian,290.1~283.3 Ma)。虽然这一结论因与传统认识差异较大而受到质疑,但后续多项研究为其提供了支持。例如,汪双双^[68]在三塘湖盆地芦草沟组上覆条湖组熔结凝灰岩测得(286.0±2.2) Ma的年龄,Sun等^[69]在红雁池剖面利用CA-ID-TIMS方法获得井井子沟组((294.1±1.4) Ma)和芦草沟组火山灰层((286.39±0.25) Ma、(286.14±0.65) Ma)的高精度年龄。在系统整合碎屑锆石数据后,唐勇等^[66]也指出芦草沟组沉积时代应为乌拉尔世萨克马尔期至亚丁斯克期。最新的综合高精度年代学研究进一步确认,芦草沟组主体沉积于萨克马尔期—亚丁斯克期^[38]。该研究还厘定了相应地层的对应关系,传统上认为与芦草沟组同期的准东平地泉组实为乐平世(Lopingian,259.51~251.902 Ma)(图5b),与准东南部的泉子街组上段及梧桐沟组下段对应^[42];平地泉组与下伏将军庙组之间存在约20 Ma的不整合面,与早期识别的红雁池组-泉子街组间的沉积间断^{[42,57,70-71]}相吻合。

1.3.2 海退期的滨海-浅海相和海陆过渡相沉积(石炭纪)

准东地区的石炭系以滨海-浅海相和海陆过渡相沉积为主,岩性以灰岩、泥岩为主,夹杂大量陆源碎屑和火山碎屑^[66]。准噶尔盆地在石炭纪处于中纬度湿润带(图6a)^[72],滴水泉组、巴塔玛依内山组、石钱滩组发育的暗色泥岩及煤层,是该区石炭系含油气系统的重要烃源层^[73-75]。五彩湾、阜康等凹陷广泛分布的晚石炭世火山岩和火山碎屑岩,可能与弧-弧或弧-陆碰撞后的构造体制由挤压向伸展转换过程中的双峰式火山活动有关^[66]。至石炭纪末期,盆地西南部的北天山洋闭合,形成北天山缝合带;但阿拉善-敦煌等地块东缘仍为开放大洋^[76],盆地东北缘的六棵树组、金沟组及东南缘的塔什库拉组中普遍发育由滨海-潮坪相向三角洲相过渡的砂质沉积序列,显示沉积环境整体向陆相演化^[77-78]。石炭系与二叠系间的区域不整合记录了古亚洲洋西段闭合过程中构造挤压与隆升作用。

1.3.3 裂谷期的河流-三角洲-滨浅湖-深湖相沉积(二叠纪乌拉尔世)

自石炭纪末期至阿瑟尔期,准噶尔盆地东南缘进入裂谷发育阶段,沉积自下而上为(图5a):

•乌拉泊组:以滨湖三角洲相沉积为主,岩性主要为长石砂岩、薄层粉砂岩及泥岩。

•井井子沟组:整合于乌拉泊组之上,沉积特征表现为辫状河相或具前积构造的三角洲相,岩性主要为火山碎屑岩、砂岩、粉砂岩及砂岩-泥岩互层,常见辫状河二元结构^[66]。盆地东北部发育同期的海陆交互相六棵树组和金沟组^[38],指示该区域仍受海水影响。在吐哈盆地,同期沉积为大河沿组(图5b),下部以滨浅湖相砂岩、砾岩与泥岩互层为主,夹少量碳酸盐岩;向上过渡为以粗粒砂岩为主的辫状河-曲流河沉积^[42]。

自萨克马尔期至亚丁斯克期,准噶尔盆地东南缘发育芦草沟组等主力烃源岩层系(图5a):

•芦草沟组:与下伏井井子沟组整合接触^[66],而在博格达山南缘,该组与下伏大河沿组间可见湖侵底砾岩及平整侵蚀面^[42]。该组沉积时气候较石炭纪早期更为干旱(图6a,b),主要沉积碎屑岩与碳酸盐岩的混积层系,常见白云质粉砂岩、砂岩、细砂岩、白云质泥岩、灰质泥岩、页岩、凝灰岩及火山碎屑岩等多种岩性互层^[79-80]。纵向上可分为两段:在准东地区,上下两段均以半深湖-深湖泥质岩为主,但下段白云岩含量更高,并含少量蒸发岩、钙质土(Calcisol)及钙质结核^[42,69,81];在博格达山南缘,下段主要为三角洲相及滨浅湖相碎屑岩和灰岩,上段才以泥页岩为主,夹白云岩和硅质岩^[42,82]。该组是盆地东部最重要的烃源层,也是当前致密油和页岩油勘探的核心目标。

•红雁池组:与下伏芦草沟组为连续沉积。该组以半深湖-深湖相为主,下部可见河流-三角洲相砂体^[42]。岩性以细砂岩、粉砂岩与黑色泥页岩为主,碳酸盐岩含量显著减少,黑色页岩段同样具有烃源岩潜力^[83-84]。

在盆地东北部,与芦草沟组及红雁池组相对应的层系为将军庙组,其岩性以红褐色砾岩和砂质泥岩为主,属河流-三角洲-滨浅湖相沉积^[66]。

1.3.4 构造反转期的沉积间断和曲流河-三角洲-湖泊相沉积(二叠纪乐平世—三叠纪)

准东地区二叠纪乐平世沉积了以陆相碎屑岩为主的泉子街组(同层系的平地泉组)和梧桐沟组^[42,66]。

•泉子街组:与下伏红雁池组间存在一个约280~260 Ma(图5b)的大型沉积间断^[38,42]。该组主要为曲流河-三角洲-滨湖相沉积,岩性为暗红色砾岩、红棕色泥岩及细砂岩。根据塔尔朗沟及大龙口剖面的岩性变化,Obrist-Farner和Yang^[71]从旋回地层学角度将泉子街组划分为下泉子街与上泉子街两个低级旋回。其中,下泉子街旋回河流相沉积更连续,发育指示干旱气候的钙质土以及反映湿润气候的有机土(Histosol)和黏质土(Argillisol);上泉子街旋回则不整合面增多,并常见黄土(Loess)沉积,在顶部则出现指示湿润气候的潜育土层(Gleysol)^[42,70-71]。博格达山南缘及吉木萨尔大龙口等剖面的物源分析显示,自该组沉积开始,中天山物源的贡献显著增加,并可能出现了来源于东准噶尔地块花岗岩的物源,指示区域构造反转和中天山构造隆升^[39,51,54]。

•平地泉组:与泉子街组为同期沉积,主要分布于盆地东北部。该组岩性以湖相砂岩、粉砂岩、泥岩夹黑色油页岩为主^[66]。平地泉组下部与芦草沟组相似,发育深湖-半深湖相黑色页岩,可见白云岩团块、云质凝灰岩夹层,且方沸石及藻纹层含量较高^[85];向上砂质含量增加,渐变为湖沼相含煤沉积^[66,85]。区域上,东侧石钱滩凹陷中的平地泉组砂体及三角洲相较西部的石树沟凹陷、沙帐断裂带等地更为发育^[86]。

•梧桐沟组:与下伏泉子街组或平地泉组整合接触^[38]。沉积时期的气候偏湿润(图6c),岩性以曲流河-三角洲相的灰绿色砾岩、棕红色砂岩与黑色碳质泥岩为主,局部发育煤线^[42,66,87]。

随着挤压运动结束,在早三叠世半干旱-半湿润气候背景下,准东地区依次沉积了以曲流河-三角洲-湖泊相棕红色、灰色砂泥岩为主的韭菜园组以及以三角洲相-滨湖相杂色砂泥岩为主的烧房沟组^{[42,52,57,88]}。中—晚三叠世则继续沉积了以辫状河三角洲相-滨湖相灰绿色至黄绿色砂泥岩和砾岩为主的克拉玛依组,上覆以湖相灰色至深灰色泥岩、泥质粉砂岩为主的黄山街组以及以辫状河三角洲相砂岩与粉砂岩为主的郝家沟组^[52]。

1.3.5 伸展-扭压期的辫状河-三角洲-浅湖-沼泽相沉积(侏罗纪)

在早—中侏罗世伸展构造和湿润气候背景下^[89](图6d),准噶尔盆地发育了以灰绿色至灰黑色砾岩、砂岩和泥岩为主的辫状河-三角洲-浅湖相沉积,形成八道湾组和西山窑组两套侏罗系含煤烃源岩层系^[90](图5a)。自下而上可分为:

•八道湾组:以辫状河-辫状河三角洲-浅湖相灰绿色细、粉砂岩、泥岩、碳质泥岩沉积为主,煤层发育,在阜康凹陷北部厚度较大。

•三工河组:以浅湖相沉积为主,发育灰色细、粉砂岩及泥岩。

•西山窑组:以三角洲-浅湖-泥炭沼泽相为主,广泛发育煤层,岩性包括灰白色砾岩、砂岩及灰黑色泥岩,主要分布于阜康凹陷北部及沙帐断裂带至石钱滩凹陷一带^[38,90-91]。

中侏罗世晚期的气候转向干旱^[92-93],区域上则处于压扭构造背景,导致古老地层普遍隆升剥蚀。至晚侏罗世,准东地区发生大规模抬升,沙帐-沙奇-北三台凸起区的侏罗系遭受剥蚀^[4]。该时期依次沉积了以辫状河相砂岩为主的头屯河组,以三角洲-湖泊相泥岩为主的齐古组^[64,92]以及在区域强烈挤压与持续干旱背景下沉积的以冲积扇相褐红色砾岩为主的喀拉扎组^[64,92,94]。

1.3.6 坳陷定型的冲积扇-辫状河-湖泊相沉积(白垩纪—新近纪)

早白垩世,在构造相对稳定、气候由干旱向半湿润过渡的背景下,准噶尔盆地快速发生大范围湖侵,沉积了冲积扇至滨湖相的清水河组^[52,64]。随后依次沉积了以辫状河-湖泊相为主的呼图壁组、胜金口组和连木沁组,上覆的东沟组则主要为辫状河-泛滥平原相沉积。古近纪主要沉积了以浅湖-辫状河相为主的紫泥泉组和上覆安集海河组^[52]。至新近纪,受构造抬升控制,盆地以近源粗碎屑沉积为主。

2 构造-沉积-气候耦合作用控制下的含油气系统演化

准东地区的含油气系统演化是构造、沉积与气候多圈层耦合作用的结果。自石炭纪密西西比世以来,持续的微陆块与岛弧拼贴、俯冲增生,以及陆内阶段多期次的伸展与挤压构造活动(如晚海西期、印支-燕山期、喜马拉雅期),共同奠定了各时期的构造格架与沉积基础(图7a,b)。与此同时,全球及区域的重大地质事件显著影响了古气候变化(图7c-f)^[95-99]。在构造-气候双重驱动下,盆地沉积环境、水体性质以及生烃母质类型发生显著变化,进而控制了有机碳的生产与保存效率,最终决定了不同层系含油气系统的源-储-盖配置和成藏模式(图7g)。

目前在准东地区已识别出三个主要含油气系统:石炭系天然气系统、二叠系含油气系统和侏罗系煤岩气系统。在断裂发育区(如阜康断裂带),油气可沿裂缝运移至更年轻的古近系或新近系(图8)。其中,二叠系湖相黑色岩系是盆地最重要的烃源岩层系,生烃贡献占全比超过60%^[52],是本文研究的重点。

2.1 石炭系天然气系统

该系统主要位于盆地东北部克拉麦里山前和阜康凹陷周缘^[52,74,100],近期有研究表示吉木萨尔凹陷石炭系存在优质烃源岩和油气资源^[101],其他区域则尚未取得勘探突破。该系统的主力烃源岩层系存在不同认识:多数学者认为是宾夕法尼亚系巴塔玛依内山组中段黑色碳质泥岩,并产出煤层气^[102],密西西比系滴水泉组海陆过渡相暗色泥岩也具有生烃潜力^[74,102]。另有观点指出,巴塔玛依内山组下伏的松喀尔苏组可能是更重要的烃源岩层,巴塔玛依内山组本身以火山岩为主,可作为优质储层^[101,103]。此外,石钱滩凹陷的石钱滩组海陆过渡相暗色泥岩TOC含量为0.27%~4.51%,均值为1.58%,部分样品已到达早生气阶段,同样表现出一定潜力^[73]。

石炭系烃源岩的有机质类型主要以II₂-III型为主^[73-74,96],C₂₉甾烷含量相对较高,反映其母质以陆生高等植物输入占优势。这与全球石炭纪陆生植物繁盛一致。该时期不仅是地质历史上最重要的聚煤期之一,大规模的植物生长也形成了显著的碳汇效应,使大气含氧量达到地质历史峰值^[104]。构造沉积背景方面,此时克拉麦里洋、额尔齐斯洋等分支洋盆已发生俯冲消减,形成了弧后或前陆盆地,为烃源岩沉积提供了充足的容纳空间(图3b)。尽管全球气候受晚古生代冰期影响,整体偏冷,但烃源岩主要形成于相对温暖的间冰期^[97](图7d)。基于当时全球陆块相对分散的分布格局(图3a),行星风系可能是控制全球气候的主导因素。此时东准噶尔弧尚未与南侧的哈萨克斯坦拼贴体系接触^[29],古地理位置则位于40^oN以北、降水相对丰富的费雷尔环流带(图6a,7f),适合高等植物生长。频繁的俯冲作用引发活跃的火山活动,如巴塔玛依内山组的火山岩层系^[66]。在相对充沛的降水条件下,火山岩快速风化增强了陆源营养物输入,从而提升了初级生产力(图7e),促进陆源有机质向盆内输送。上述构造-气候条件的耦合共同控制了优质腐殖型煤系或湖相烃源岩的形成^[74]。

石炭系天然气成藏主要包括两种模式:一是在烃源岩层内“自生自储”,二是沿裂缝运移至上覆碎屑岩或火山岩储层形成“下生上储”型气藏,常由二叠系湖相泥岩构成有效盖层^[100-101](图7g和8)。然而,在古亚洲洋闭合过程中,部分油气可能因板块俯冲及相关构造改造而遭受不同程度的早期破坏,进而导致石炭系含油气系统对盆地整体资源总量贡献相对有限。此外,该时期强烈的俯冲增生与火山作用导致区内发育大量蛇纹岩带^[29,105]。在此背景下,深部热液/岩浆活动或低温蛇纹石化作用可能产生无机成因天然气^[106]。近期研究已在白家海凸起和东道海子、五彩湾凹陷的天然气样品中证实了无机成因天然气的存在^[74],但其具体形成机制仍有待深入探讨。

2.2 二叠系含油气系统

准东地区的二叠系油藏主要分布于沙奇凸起以南的吉木萨尔、阜康、古城和吉南等凹陷地区,均以二叠系乌拉尔统芦草沟组为主力烃源岩^[4]。沙奇凸起以北的帐北断褶带和石树沟、石钱滩等凹陷内发育的平地泉组也具有显著的油气潜力,其沉积环境与岩石类型与芦草沟组具有一定可比性,火烧山油田的成功开发即是例证^[85-86]。

2.2.1 乌拉尔统芦草沟组烃源岩发育

芦草沟组深湖-半深湖相烃源岩是乌拉尔世萨克马尔期-亚丁斯克期特定构造-气候-湖泊系统协同作用的产物^[42,66](图7),其主要控制因素和作用机制可归纳为以下6个方面。

其一,火山和热液活动直接为湖盆提供了关键营养物质与化学组分。石炭纪末期至二叠纪初期,准噶尔盆地受裂谷伸展与塔里木大火成岩省的共同影响,火山-热液活动频繁^[66,107],向古湖盆输入大量火山碎屑和热液物质^[81,108]。火山灰沉降、热液喷流及伴生岩石的风化作用,导致组内混积岩普遍富含凝灰质成分^[45,80],持续输入的镁、磷、铁等生命必需元素^[109-110]显著提升了古湖泊的初级生产力。这一过程的地球化学证据十分明确:(1)在对应于塔里木大火成岩省II幕的层段,芦草沟组出现了Hg/TOC和P/Ti的同步峰值,并与δ³⁴S_bulk的低值相耦合,指示了火山活动驱动的磷、硫等元素输入增强^[111];(2)吉木萨尔凹陷和三塘湖盆地芦草沟组原生白云石普遍具有δ¹⁸O负偏、δEu正异常和接近幔源平均值的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值^{[43-44,108,112-113]},直接记录了区域火山-热液流体对湖水化学性质的改造;(3)岩性与TOC含量的关联分析表明,富含凝灰质和白云质的泥岩段是有机碳含量最高的岩性类型(平均TOC含量>5.3%)^[80,113-114],进一步证实了火山-热液活动对有机质富集和烃源岩发育的直接促进作用。

其二,大火成岩省和生物活动通过改变大气成分间接调控沉积环境。其释放的大量CO₂导致长期温室效应,而短期喷发的硫酸盐气溶胶可引发短期冷室效应,即火山辐射强迫(VSRF)的“火山冬天”,共同造就“长期增温、短期波动”的气候特征^{[80,111,113-115]}。在乌拉尔世全球气候总体偏干^[116]、且盆地处于北半球中纬度(30°~40°N)的背景下(图6b,7f),盆地周缘山脉的隆升进一步阻挡水汽输送,可能加剧了区域干旱化^[42],促使湖水咸化。咸水环境增强了产甲烷菌活动,释放出的生物甲烷进一步推动全球变暖,该过程已从井井子沟^[69]及西大龙口剖面^[115]白云岩碳同位素的正偏特征中得到证实。大火成岩省喷发和生物反馈联合引发的全球变暖(图7c,d)加速了晚古生代冰期消退^[19,111,115],并通过增强赤道辐合带(ITCZ)的季节性纬度摆动和季风降水带移动^[117-118],加强高纬度和高海拔地区的融雪作用^[97],进而强化区域气候的季节性特征^[89,116,119]。与芦草沟组同期的吐哈盆地塔尔郎组木化石年轮研究显示,当时气候相对温暖且季节性显著,夏季湿热,冬季干冷^[120]。这种高季节性气候模式非常有利于有机质在夏季大量产生并在冬季高效保存。

其三,轨道尺度气候变化精细调控有机质富集旋回。米兰科维奇旋回的中、短周期轨道力通过调控中-高纬度冰川进退和低纬度季风强弱,间接控制了芦草沟组沉积时期的降水韵律,进而调控了有机质和碎屑物的旋回周期^[121]。旋回分析结果表明,半深湖-深湖相沉积物的TOC与自然伽马(NGR)呈同相位变化,二者在浅湖相沉积物中则呈反相位变化,反映了沉积环境对气候响应的差异性。气候湿润期主要沉积泥质烃源岩,气候相对干旱期则主要沉积碳酸盐岩型烃源岩^[122]。值得注意的是,芦草沟组沉积物虽已识别出常规的偏心率、斜率和岁差周期^[121],但有机质富集的主控周期是约170 ka的斜率振幅调制周期^[123-124]。该周期在奥陶纪以来的中-高纬度海相和陆相沉积记录中虽有报道,但信号普遍较弱^[125-126];目前仅在准噶尔盆地芦草沟组和松辽盆地青山口组两套湖相烃源岩中表现出显著的信号放大,并成为有机质乃至页岩油富集的主控周期^[124-126]。这种在湖相体系中170 ka周期的信号增强机制尚不清楚,初步推测可能与湖泊内部的生物地球化学反馈和沉积阈值效应有关,即湖泊系统对特定气候周期存在“截频放大”作用^[124,126]。

其四,增强的淡水与海水输入改变湖盆属性与生产力。季风降水和融雪作用增加了地表径流,强化了物源区的化学风化,进而向湖盆输送更多淡水与溶解养分。地球化学指标(如S/TOC、Sr/Ba)显示,吉木萨尔凹陷芦草沟组沉积中期以来的湖水盐度呈现降低趋势,印证了淡水输入的持续增强^[81]。与此同时,盆地东侧(如三塘湖盆地)可能经历过短暂海侵,并得到了化石^[127]和湖水盐度统计数据^[18]的支持。海水混入一方面提高了湖水盐度和离子强度,改变了湖水化学性质;另一方面也为湖盆生态系统引入更复杂的微生物群落,提高了生物多样性^[128],进而提升了湖泊的初级生产力。该过程在盆地西缘风城组中已得到相关观察记录支持^[21,128]。

其五,咸化-分层水体形成优越的有机质保存环境。在构造-气候耦合作用下,芦草沟组沉积期的湖水呈咸水-半咸水特征,稳定的分层水体有效抑制了底层水氧化,为有机质保存创造了有利条件^[83,129]。Gao等^[130]和Wu等^[115]恢复的芦草沟组有机碳(以C计)埋藏速率分别约为11.2 g/(m·a)和5.0 g/(m·a),均明显低于现代湖泊平均水平(约 30 g/(m·a)^[131]),但良好的分层缺氧环境仍使有机质得以高效富集和保存。因此,芦草沟组烃源岩普遍具有较高的有机质丰度和生油潜力,平均TOC含量值为2%~8%,最大值可达20%~30%^{[27-28,122,132]},且以易生油的I-II₁型有机质为主。相比之下,沉积于更湿润环境的红雁池组的有机质丰度(TOC含量为1%~12.28%)和生油能力(以II₂-III型有机质为主)均不及芦草沟组^[84,133]。可能的原因包括:(1)生油能力较差的陆源高等植物有机质输入增加;(2)过强的淡水和陆源碎屑输入加剧了水体和沉积物稀释效应,进而降低了水体营养物质丰度,并提高了水体浊度,不利于浮游生物的光合作用;(3)浊流沉积将富氧水体输送至湖泊深部,破坏了水体咸化分层,增强了有机质的氧化降解,进而降低了有机质保存效率^[83]。芦草沟组也观测到湿润期对应较低TOC含量值的现象,进一步印证了过量淡水输入对有机质富集的负面影响^[121]。因此,适度的咸化和稳定的分层环境是芦草沟组优质烃源岩形成的关键控制因素之一。

最后,湖水性质驱动生烃母质群落更替并影响原油品质。湖水盐度的阶段性变化直接影响了芦草沟组生烃母质群落的生态演替,使得适应半咸水环境的塔斯马尼亚藻(Tasmanites)逐渐取代下段适应高盐环境的蓝细菌群落,成为上段沉积物的主要生烃母质^[81]。由于蓝细菌来源的有机质活化能较低,其早期生成的原油具有成熟度低、密度和黏度高、饱和烃含量低、极性组分(如芳烃、胶质和沥青质)含量高的特征^[114,134],与上段塔斯马尼亚藻生源的原油有着显著差异。这一现象完整揭示了构造-气候耦合作用通过控制古湖泊环境与优势生物群落,最终影响油气资源品质的内在过程。

2.2.2 二叠系乐平统平地泉组烃源岩发育

平地泉组作为沙奇凸起以北地区的主要烃源岩层系,传统观点将其与凸起南侧的芦草沟组视为同期沉积,但最新的高精度火山灰年代学证据揭示其主体沉积于二叠纪乐平世的卡匹敦晚期至吴家坪期^[38],明显晚于芦草沟组,指示两套烃源岩形成于不同地质时期的构造-气候背景。尽管如此,平地泉组仍展现出与芦草沟组相似的优质烃源岩特征:其下部烃源岩段沉积于半深湖环境,TOC含量平均为3%~4%,以易生油的I-II型有机质为主,岩性上普遍含白云岩、凝灰质夹层和较高的方沸石含量,地球化学指标指示其形成于微咸水环境^[85,135-136]。勘探实践业已证实,平地泉组具备优质烃源岩潜力^[85-86],是构造-气候-湖泊系统在特定时空背景下耦合作用的又一典型实例,主要控制因素和关联机制可归纳为以下三个方面。

其一,可能受控于区域挤压背景下的短期局部伸展。平地泉组沉积于盆地内广泛发育的280~260 Ma不整合面之上^[38,42],标志着一次重要的构造变革。该时期的东准噶尔地区抬升成为重要物源区^[39],博格达山也开始小幅隆升^[56](图4b),这些事件可能与古亚洲洋东段闭合引发的区域挤压有关^[39,51,54]。然而,烃源岩段中的火山物质显著增多,且盆地南部大龙口、塔尔郎等露头剖面显示地层厚度横向变化大、河道与河漫滩沉积分布不均^[42,71],这些特征更常见于伸展构造环境^[71]。因此,平地泉组可能形成于前陆盆地背景下的短期局部伸展阶段,其在石树沟剖面的约261 Ma年龄^[38]与上泉子街低级旋回顶部时代相当^{[38,42,70-71]},可能共同记录了该时期的构造-沉积响应。不过,克拉麦里山前与博格达地区在构造时序和变形样式上并不一致^[4],上述认识仍需在新的年代学框架下进一步检验。

其二,受晚古生代冰期—间冰期过渡气候和大火成岩省远程效应共同调控。平地泉组烃源岩沉积期对应于晚古生代冰期P3-P4的间冰期—冰期过渡阶段(图7d)。盆地东南部同期沉积的上泉子街旋回顶部古土壤类型由黄土转变为潜育土,指示气候由相对干旱向湿润快速变化^[70],更偏北地区的大龙口剖面则表现出更强的湿润特征。这表明准噶尔盆地在二叠纪中期的气候主控机制可能发生调整,由受全球干旱季风主导转向受行星风系和古地理位置共同约束的区域性气候控制^[70-71]。盆地东北部克拉麦里山前凹陷区在沉积时期相比东南部地区更接近中纬度费雷尔环流带,相对较高的降水条件有利于陆源碎屑及火山物质的风化与输入。此外,平地泉组沉积时期与峨眉山大火成岩省活动在时间上存在重叠,后者引发的全球碳循环扰动和气候波动被认为促进了全球有机质富集^[95,97](图7c)。不过,此时位于南半球的峨眉山大火成岩省喷发能否对北半球的准噶尔盆地湖盆环境和烃源岩发育产生类似塔里木大火成岩省的直接或间接影响^[111],目前尚缺乏明确证据,是未来需要深入研究的重要科学问题。

其三,受陆源输入和湖泊水化学协同演变的影响。基于最新的年代学框架对比^[38],平地泉组下伏的金沟组仍保留一定的海陆交互相特征^[137],而同期芦草沟组已完全转为湖相,指示海水可能于该阶段最终从盆地东北部退出。至平地泉组沉积时期,盆地已完全脱离海侵影响,故其生烃母质构成及生物群落多样化可能主要受控于湖泊自身环境特征和陆源输入通量。该组自下而上也表现出清晰的沉积演变序列:下部烃源岩段形成于微咸水半深湖环境,有机质以I-II₁型为主;向上随着气候趋于湿润,陆源碎屑供给增强,水体逐渐淡化,砂体增多,有机质含量降低,类型逐渐转为以II-III型为主^[85,135]。这一演变说明,在主力烃源岩发育阶段,全球偏干旱的气候背景抑制了湖盆的过度淡化,微咸水环境有利于 I-II₁型易生油有机质的富集和保存;而降水增加导致湖水淡化和陆源输入加剧,则降低了中上部的有机质丰度和生油潜力。

尽管平地泉组整体有机质富集条件略逊于芦草沟组^{[135-136,138]},但在凹陷深部、远离陆源碎屑输入的沉积中心,仍具备形成优质烃源岩的潜力,其中下部微咸水环境下沉积的富有机质层段是勘探中需重点关注的优势生烃单元。

2.2.3 烃源岩热成熟演化和油气生成

准噶尔盆地现今的平均地温梯度为(21.3±3.7) ℃/km,平均大地热流值为(42.5±7.4) mW/m²,为典型的“冷盆”^[139]。自乌拉尔世裂陷期后,准噶尔盆地内火山活动趋于平静,古大地热流值持续降低,由二叠纪时的约65~70 mW/m²降至中生代的约50~60 mW/m^2[140]。因此,烃源岩的热成熟演化和生油过程主要受构造-沉积过程控制的埋藏作用主导,具体表现为与埋深密切相关的成熟度。一般而言,当埋深约2 500~3 600 m时,烃源岩处于大量生油的早成熟阶段(R_o=0.7%~1.0%);当埋深超过3 600 m时,则进入生油量逐渐降低的成熟阶段后期(R_o>1.0%)^[28]。埋藏史模拟表明,南部吉木萨尔、古城等凹陷的二叠系烃源岩普遍于晚三叠世进入生油窗(R_o>0.5%),并于中-晚侏罗世进入大量生油阶段(R_o=0.7%~1.0%);其后受燕山期和喜马拉雅山期构造抬升影响,热演化过程一度停滞^[141-143]。受盆地沉积中心逐渐西移影响^[52],吉木萨尔凹陷西部沉积厚度较大,部分烃源岩已进入生油高峰期(R_o>1.0%)。在阜康-博格达山北缘和康断裂带上盘等构造部位,由于早—中侏罗世广泛沉积期间的可容纳空间较大、近物源沉积物供给充足^[49],二叠系烃源岩埋藏更深、沉降更快,更早进入生油窗且成熟度更高^[143]。相比之下,北部石树沟凹陷的平地泉组烃源岩在大部分地区埋深较浅,尚未进入生油阶段^[28]。

2.2.4 常规-非常规储盖组合和油气成藏

芦草沟组烃源岩生成的油气主要储存于下伏井井子沟组、上覆梧桐沟组的常规砂砾储层,以及芦草沟组内部与泥岩、粉砂岩及碳酸盐岩互层发育的源-储一体型非常规储层;盖层则主要由芦草沟组和梧桐沟组的泥页岩构成^[28,122](图5a,7g)。平地泉组也具有类似的储盖组合,其常规储层主要为上覆梧桐沟组砂岩,盖层则由平地泉组与梧桐沟组页岩共同构成,同时自身也发育源-储一体型非常规储层^[28,122,138]。

井井子沟组砂岩沉积于盆地陆内裂谷伸展初期,气候相对湿润^[42],凹陷周缘广泛发育辫状河和三角洲扇体,沉积了富含火山碎屑的岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和砂砾岩^[28,66]。该储层平均孔隙度约为9.9%,平均渗透率为 0.30×10^-3 μm²,属于低孔低渗储层^[28]。芦草沟组生成的油气沿断层通道运移至此,由芦草沟组泥页岩组成的区域性盖层封盖成藏^[28]。

在梧桐沟组及其下伏泉子街组顶部沉积时期,盆地内部及周缘受晚海西期挤压构造抬升影响,陆源碎屑供给显著增强,湖盆可容纳空间增长速率小于沉积物输入速率^[42]。此时晚古生代冰期已趋于结束^[97],气候格局发生改变。泉子街组岩性及沉积环境显示,至卡匹敦期末期,盆地区域气候已经逐渐转为由行星风系及地理位置共同控制。该时期盆地位于北纬 50°~60°(图7f),处于费雷尔带影响区,且盆地处于大陆东侧,临近古太平洋西缘,整体气候条件较芦草沟组沉积时期更为温暖湿润^[42,70](图6c)。在此背景下,梧桐沟组沉积了以河流-三角洲相为主的砂岩。受挤压抬升影响,东准噶尔弧花岗岩基底抬升^[54],为该组提供了更多石英颗粒、酸性岩浆岩碎屑以及湿润气候下形成的高岭石^[19]。该组储层平均孔隙度为15.8%,平均渗透率为3.02×10^-3μm²,属于优质储层^[28]。芦草沟组生成的油气通过断层或梧桐沟组与芦草沟组间的超覆接触运移至此,并由梧桐沟组内部发育的三角洲相及湖相页岩作为盖层封闭成藏^[28](图8)。

由于井井子沟组和梧桐沟组储层距物源均较近,砂体成分和结构成熟度普遍较低^[144]。在后续埋藏过程中,这些砂岩逐渐演化为致密储层,并在成岩阶段形成以次生溶孔和粒内溶孔为主的储集空间^[28,144]。其中,梧桐沟组储层因埋藏深度较浅、分布范围更广以及物源中酸性矿物含量更高^[145]而发育更多粒间孔与粒内溶孔,其孔隙度和渗透率整体优于井井子沟组^[28]。

芦草沟组沉积时期,在火山-热液活动、整体干旱-间冰期季节性气候以及轨道尺度降水节律的共同作用下,湖盆水位和水体化学性质频繁波动,多源物质交替输入,最终形成了以白云质、灰质、粉砂质和泥质频繁互层的混积岩^[66,146-147],非均质性极强。测试结果表明,吉木萨尔凹陷芦草沟组的多种岩性均具备烃源岩和储层潜力,其中泥岩生烃潜力强,而粉砂岩和碳酸盐岩则微孔发育、物性较好,具备储层潜力^[80,114]。因此,芦草沟组混积岩构成了高效的“自生自储”和“自生邻储”复合体系:烃源岩生成油气后,既可在自身富有机质曾段内富集成藏,也可短距离运移至相邻的粉砂岩或碳酸盐岩温层中聚集成藏^[113-114],展现出显著的页岩油勘探潜力。轨道尺度上的高频环境波动也导致单层烃源岩厚度较薄,从而有利于油气生成后的有效运移成藏^[148]。这种高效的源-储配置关系通常形成于湖盆沉积中心与斜坡区陆源物质输入带之间的混合沉积带,而在远离湖心的斜坡区,尽管砂体发育较好,但由于缺乏优质烃源岩且油气运移效率低,油气富集效果往往有限^[80]。类似现象亦体现在三塘湖盆地芦草沟组中,即高孔隙度砂体未必对应高含油饱和度^[113]。

Yang等^[42,149]曾提出,二叠纪时的吐哈-准噶尔盆地可能发育多个小型裂谷湖盆(图4a),类似于美国西部的盆地-山岭区(Basin and Range Province)。博格达山南缘半地堑中识别出的背向沉积中心、向湖盆边缘推进的前积体^[82,149],可能正是这种多湖盆格局的反映。近期,侯章帅等^[38]在阜康凹陷中心识别出原认为属芦草沟组的地层实际具有石炭纪晚期年龄,与凹陷边缘的二叠系芦草沟组并非同一套地层,进一步证实同一凹陷内曾存在更多更次级的独立湖盆。这表明,现今看似连续的地层在沉积时期可能分属不同湖盆,其岩性与有机质分布未必具有横向连续性,在未来勘探工作中需加以注意。

与之类似,平地泉组下部在二叠纪乐平世的全球和区域型干旱气候及火山活动影响下,沉积了含凝灰岩与白云岩夹层的烃源岩,可能具备类似的源-储-盖一体特征;该组上部沉积时期的气候转向湿润,加之更偏北、邻近克拉麦里山前的地理位置可能提供了更充沛的水源和陆源碎屑输入^[86],使得其常规储层可能较芦草沟组更为发育,在油气储集成藏方面其中更为重要的作用。综上,在多尺度构造-气候因素共同作用下,芦草沟组和平地泉组在混合沉积带内形成了复杂的混积岩层系,并由此建立了高效的源-储-盖一体化油气成藏模式。

2.3 侏罗系煤岩气系统

准噶尔盆地侏罗系发育一套以煤层为主的煤岩气系统,其主要烃源岩为下侏罗统八道湾组和西山窑组,二者均具备“自生自储”的煤岩气成藏特征^[58](图5a、7g和8)。两套煤系烃源岩的TOC含量一般大于2%,有机质类型以II₂-III型为主。显微组分中镜质组占优(平均含量>50%,最高可达95%以上);惰质组次之,在西山窑组中含量较高(平均42.9%^[58]);壳质组最少^[58,150]。上述特征共同指示烃源岩以产气为主。该煤岩气系统受盆地沉积中心南移控制,目前已发现的富集区主要位于西南部的阜康凹陷和北部的五彩湾地区,后者还存在“古生新储”的石炭系煤岩气系统^[58]。

三叠纪-侏罗纪之交,受中大西洋火成岩事件(Central Atlantic Magmatic Province,CAMP)多期脉冲式喷发的影响,大气CO₂浓度急剧上升^[151](图7d),引发全球变暖,并在潘基亚超大陆超级季风作用下加剧内陆干旱,导致植被退化、野火频发、地表侵蚀增强^[94]。三叠纪-侏罗纪转折期的生物大灭绝后,CO₂浓度回落,气温降低且干旱气候逐渐缓和,生态系统开始恢复。此时的准噶尔盆地位于约50°N的费雷尔环流带内(图6d,7f),降水充沛,加之特提斯洋的水汽经季风输送至内陆^[152],共同营造了温暖湿润的气候环境,为高等植物繁盛创造了条件。盆地及周缘孢粉资料显示,蕨类草本植物(如紫萁科Osmundaceae、海金沙科Lygodiaceae)和松柏类裸子植物广泛发育^[153]。八道湾组主要成煤植物为蕨类草本植物^[58],可能与其在大灭绝后率先复苏有关^[154];至西山窑组时期,松柏类木本植物逐渐增多,与草本植物共同贡献成煤物质^[58,153,155]。在高CO₂背景下,这些植物拥有较高的净初级生产力,为煤层发育奠定了物质基础^[156]。

构造上,准噶尔盆地此时处于伸展坳陷阶段,地形平缓,发育相对平坦连通的广域湖盆(图3c),夷平的山体减少了对水汽的阻挡,有利于物源区化学风化并提供营养物,进而促进高等植物繁盛。在此背景下,八道湾组以辫状河-辫状河三角洲-浅湖体系为主,西山窑组则以三角洲-浅湖-泥炭沼泽环境为特征^[90]。在湖岸低位和高位期分别发育河漫-扇间沼泽和三角洲水上平原-泛滥平原沼泽,这些沉积环境地势平坦、面积广阔、陆源碎屑干扰弱,有利于大面积连续煤层的形成^[157]。八道湾组煤层厚度0.6~45 m,平均单层厚度6.5 m;西山窑组煤层厚度0.7~80 m,平均单层厚度为5 m^[58]。相比之下,三工河组沉积时期受华北地块构造远场效应影响,博格达山开始隆升,沉积环境以浅湖相为主^[90],陆源碎屑输入增强,不利于沼泽稳定发育,因而煤层不发育,更有利于砂质储层发育(图5a)。西山窑组沉积之后,受燕山运动远程挤压影响,盆地南部与东部发生构造反转^[93,158](图7a,b),山体隆升,水汽输送距离显著增加,且受周缘山体阻挡,输送效率明显降低,盆地气候转为高温干旱。自头屯河组起,已不再具备成煤所需的湿地沼泽环境。

侏罗系煤岩气主要赋存于“自生自储”的煤岩体系中,在构造高位或圈闭发育区形成有效成藏^[58,159]。温暖湿润气候下形成的煤系常富含伊利石、伊蒙混层等黏土矿物和石英等脆性矿物^[159]。尽管黏土矿物可增强煤层对气体的吸附能力^[160],但也增加了开采难度。沉积体系差异也影响了盖层条件,具体表现为:以辫状河沉积体系为主的八道湾组煤层多被砂岩覆盖,下部则以泥质岩或粉砂岩为地层底板;而主要形成于浅湖-沼泽沉积环境下的西山窑组煤层上下围岩则多为泥岩,围封条件相对更好^[58]。受侏罗纪沉积中心向西南迁移、博格达山隆升以及后期盆地东部强挤压剥蚀等因素的共同影响,准东地区侏罗系煤层的分布范围和厚度均小于二叠系烃源岩。目前已发现的煤岩气资源主要集中于盆地西部、南部和东北部五彩湾地区^[58,138]。侏罗纪的构造-气候-沉积体系整体上有利于在盆地周缘形成煤系地层。准东煤田在东部隆起区的广泛分布也指示该区域具有发育大规模煤炭资源和煤岩气资源的潜力。因此,盆地东南部埋深较大且含煤层的区域,可能仍存在尚未发现的煤岩气资源。

3 讨论

准噶尔盆地石炭系、二叠系、侏罗系含油气系统油气资源类型和丰度的巨大差异,本质上是不同时空尺度上构造-气候协同演化、沉积环境与生物群落深度耦合的结果。在整体气候湿润、地形平坦、纬度较高的石炭纪末期和侏罗纪时期,陆生高等植物为主要生烃母质,盆地以发育产气型烃源岩为主;而在湖泊深广、纬度较低、气候干旱、陆源输入受限但湖内营养富集的二叠纪时期,则以水生浮游生物(如塔斯马尼亚藻和蓝细菌)为主要生烃母质,形成了产油型烃源岩。这一特征清晰体现了构造-气候-湖泊系统的耦合作用对不同地质时期油气资源类型的宏观控制。

从盆地构造演化的东西分异来看,准西在石炭纪-二叠纪之交率先进入陆相裂谷阶段,形成风城组烃源岩。该时期受晚古生代冰期C4-P1阶段影响,气候向干旱过渡^[116](图7d)。塔里木大火成岩省Ⅰ幕活动可能加剧了营养物质输入(图7c),在残留海与区域火山-热液共同作用下,形成了高盐高碱水体,孕育了以嗜盐杜氏藻为主的生烃母质,使烃源岩整体具备较好的生油潜力^[21,161]。东部芦草沟组则因古亚洲洋“剪刀式”闭合,形成于稍晚的裂谷湖盆中。受塔里木大火成岩省Ⅱ幕活动及晚古生代冰期末期气候波动影响(图7c),其早期水体盐度较高、生烃母质以蓝细菌为主;中晚期冰期—间冰期转换带来淡水输入增加,塔斯马尼亚藻繁盛,形成了菌藻类混合母质的高品质油源岩^[81]。准噶尔盆地东北部在二叠纪乐平世才进入陆相沉积环境,形成的平地泉组烃源岩可能受峨眉山大火成岩省及晚古生代冰期末期P3-P4阶段影响(图7c),在更为湿润的气候条件下,有机质类型涵盖了I-III型组合^[85,135,138]。此时的盆地东南部以河流-三角洲沉积为主,不具备烃源岩发育条件。风城组、芦草沟组和平地泉组烃源岩在盆地内不同区域的相继发育,揭示了构造-气候耦合作用的时空专属性,即只有在特定构造单元与特定气候阶段精确匹配时,才能形成适宜特定生烃母质繁育与保存的沉积环境,进而决定了各层系差异化的生烃潜力与油气类型。现有勘探资料显示:二叠系乌拉尔统芦草沟组是准东地区最具潜力的烃源岩层系;乐平统平地泉组虽具备良好品质,但其生油潜力和综合质量略逊于风城组与芦草沟组,这与其沉积期的构造-气候条件相符应。

从盆地内部的沉积分异来看,烃源岩有机质类型的空间变化受古地理位置与古地形对区域水系格局的调控。例如,在芦草沟组与平地泉组内部,位于更偏东部的古城凹陷及石钱滩凹陷等层段,常表现出砂体增多、Ⅲ型干酪根比例相对升高的特点^[67,86]。沉积记录显示,平地泉组沉积时期石钱滩凹陷南部可能发生小幅隆升^[86],这可能增加了陆源碎屑与淡水输入;古城凹陷的相对淡水环境虽尚未有系统研究,推测也可能与局部地形起伏和汇水格局有关。宏观上,在晚侏罗世盆地发生顺时针旋转之前,更东侧地区是否因更靠北而受到更多来自古太平洋的水汽或中纬度费雷尔带的影响,值得进一步研究。此外,凹陷与古山系的相对位置也十分重要,山前区通常具汇水作用。例如,靠近北天山的阜康凹陷芦草沟组水体盐度就低于远离山体的吉木萨尔凹陷^[49],平地泉组较淡的水体特征也与其位于克拉麦里山前区有关^[4]。

长期以来,关于构造-气候耦合对湖盆含油气系统影响的讨论多限于盆地内部尺度,缺乏从地球系统视角审视有机质在特定时空条件下富集成油的机制。以准东地区为出发点,来看全球同时期油气形成和富集情况,可以发现芦草沟组中塔斯马尼亚藻的繁盛并非孤立现象,在美国二叠盆地及澳大利亚塔斯马尼亚地区同期地层中均有发现^[4,162-164],其分布从盘古大陆东北部、中部西海岸延伸至冈瓦纳西南部(图9^[165])。这表明在晚古生代冰期的全球气候相对均一背景下,由构造活动形成的各类具有稳定水体及沉积空间的受限盆地,只要具备适宜的营养与盐度条件,就可能成为该类广适性生油藻类的大规模繁殖,并形成易生油的优质烃源岩。这一规律可为在相似时代背景下识别有利烃源岩发育区、预测油气资源类型提供参考。但也值得注意的是,中国多个盆地富集二叠系油气资源,但准噶尔盆地以生油为主,鄂尔多斯盆地以产煤和天然气为主^[166],而四川盆地则兼具油气与煤炭资源^[167]。这种空间分异是否与各自地理位置、相对于古季风带与行星风系降水带的关系以及距古大洋远近等因素有关,仍需进一步研究。因此,评价与预测油气富集区时,须综合考量古构造、古地形与古地理位置等因素。

4 结论与展望

本文以多圈层驱动油气形成与富集理论为指导,系统分析了准噶尔盆地东部地区构造-气候-沉积耦合过程对含油气系统形成与演化的控制作用。研究表明,准东地区含油气系统的发育是深部构造活动、地表气候演变、火山-热液事件、湖盆水体性质及生物群落演替等多圈层协同作用的结果。石炭纪、二叠纪和侏罗纪分别在不同构造-气候背景下形成了以天然气、石油和煤岩气为主的差异化成藏系统,其中二叠系乌拉尔统芦草沟组在裂谷伸展、大火成岩省活动、冰期-间冰期转换及湖盆咸化分层等多因素耦合下,形成了优质湖相烃源岩和“自生自储”与“自生临储”的高效成藏体系。

准噶尔盆地东部作为盆地整体资源接替和可持续发展的重要区域,其勘探程度相对较低,资源潜力巨大。芦草沟组、平地泉组等优质烃源岩层系展示出良好的页岩油与致密油前景,石炭系天然气与侏罗系煤岩气亦具补充价值。从“全油气系统”和“多圈层相互作用”视角重新审视准东地区,不仅有助于深化陆相湖盆油气成藏理论,更能为整个准噶尔盆地实现“东西并进、常规-非常规并举”的战略布局提供科学依据。未来,准东地区有望成为准噶尔超级能源盆地建设中的关键增长极,推动盆地多类型油气资源的整体勘探开发。

中国科学院地质与地球物理研究所王华建副研究员就文章整体结构与内容提出了建设性意见并协助进行了重要修改,喻志超高级工程师在本文制图过程中给予了帮助,密苏里科技大学Wan Yang教授对文中二叠纪相关内容提出了宝贵建议,两位审稿人对稿件提出了细致而有价值的意见和建议,在此一并致以诚挚感谢。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42372162)

国家自然科学基金项目(4242050)

国家自然科学基金项目(41802120)

地球多圈层相互作用的油气富集理论项目(THEMSIE)