0 前言
准噶尔盆地是位于中国西北地区的大型含油气盆地,发育多套主力烃源岩及其配套储-盖组合,蕴含着丰富的油气资源(支东明等,
2025)。随着勘探工作不断向盆地深部进军,已在上古生界取得了多类型、多层系、多区带的规模油气发现,使石炭系—二叠系逐渐成为推动深层—超深层勘探进程、发展全油气系统理论的主要阵地(唐勇等,
2022)。石炭系是准噶尔盆地目前最古老烃源岩及碎屑岩/火山岩储集层的发育层系,在陆梁隆起克拉美丽千亿方大气田发现之后,近年来又相继在阜康凹陷东部阜26井火山岩、古城凹陷古城1井和古参1井火山碎屑岩、石钱滩凹陷石钱1井和石钱3井砂砾岩取得了勘探进展(杨帆等,
2019;林潼等,
2024),进一步证实准噶尔盆地石炭系具备大规模油气形成与聚集的潜力,并由此提出了准噶尔盆地海相深层油气勘探新领域。尽管大量研究认为石炭纪是准噶尔地区构造体制转换、海相—陆相沉积演变的重要转折期,但目前对于准噶尔石炭纪盆地性质和演化的认识尚存在分歧。早期研究认为,准噶尔石炭纪盆地是陆—陆碰撞过程中的残留洋(海)盆或海相前陆盆地(赖世新等,
1999;匡立春等,
2013),或者准噶尔地区洋盆闭合于石炭纪早期,石炭纪盆地为造山期后的裂陷槽(陈发景等,
2005)或陆内裂谷(王方正等,
2002)。之后,越来越多的资料显示准噶尔地区石炭纪仍存在大洋俯冲活动,在盆地周缘和内部形成了大量岛弧岩浆记录(郑建平等,
2000;李涤等,
2012;He
et al.,
2013),据此认为准噶尔石炭纪盆地为北向俯冲主导下的不同类型弧相关盆地(Li
et al.,
2016)。
总体来看,前人研究重点聚焦于准噶尔盆地石炭系钻井火山岩的构造环境,缺乏与盆地石炭系整体构造变形格架的结合。本研究综合利用准噶尔盆地中的地震大剖面、大量火山岩岩心年代学和地球化学数据等资料,通过分析梳理盆地结构与构造变形演化以及石炭纪火山岩的成因类型与时空分布特征,探讨准噶尔石炭纪盆地的形成演化机制,建立新的成盆动力学模型,以期对认识北疆地区增生造山过程、准噶尔盆地石炭系源-储发育条件及评价盆地深层有利勘探区带提供支撑。
1 区域地质背景
准噶尔盆地位于中亚造山带南部(
图 1-a),夹持于天山和阿尔泰山之间,西邻扎伊尔山—哈拉阿拉特山,东接克拉美丽山和青格里底山,整体呈三角形态(
图 1-b)。准噶尔盆地西侧为西准噶尔造山带,自北向南依次发育北东-南西走向由断裂分隔的晚古生代萨乌尔弧、早古生代成吉斯弧以及晚古生代库鲁木地和克拉玛依弧。沿成吉斯弧南侧的谢米斯台断裂以及库鲁木地和克拉玛依弧之间的达尔布特断裂分别发育奥陶纪—志留纪、泥盆纪—早石炭世蛇绿混杂岩(Han
et al.,
2010)。盆地东侧的东准噶尔造山带主要由杜拉特弧和野马泉弧组成,二者之间发育扎河坝—阿尔曼太寒武纪—奥陶纪蛇绿混杂岩(Jian
et al.,
2005),野马泉弧南缘发育克拉美丽古生代蛇绿混杂岩带(Han
et al.,
2010)。东、西准噶尔与阿尔泰之间发育泥盆纪—早石炭世额尔齐斯蛇绿混杂岩(张海祥等,
2003;吴波等,
2006)。
准噶尔盆地及邻区经历了古生代古亚洲洋俯冲—增生过程以及中、新生代多期陆内变形改造。由于准噶尔盆地与东准噶尔造山带具有相似的地质单元与构造走向,本研究重点阐述东准噶尔构造演化背景: 寒武纪—奥陶纪,准噶尔地块夹持于阿尔曼太洋与北天山洋之间; 晚奥陶世—早志留世,由于阿尔曼太洋闭合,杜拉特弧、野马泉弧和准噶尔地块发生拼贴(Zhao
et al.,
2022),此时南、北两侧分别发育北天山洋和额尔齐斯洋; 早泥盆世,区域拉张导致杜拉特—野马泉弧与准噶尔地块分离而形成克拉美丽洋,该洋盆通过北向俯冲、消减并最终闭合于晚泥盆世—早石炭世(Zhang
et al.,
2013);随后,在北天山洋和额尔齐斯洋的消亡过程中,准噶尔盆地及邻区受伸展作用影响,在周缘造山带形成广泛的石炭纪—二叠纪花岗岩侵入体(
图 1-b);自二叠纪晚期以来,准噶尔地区经历了印支期、燕山期、喜马拉雅期等多阶段挤压冲断改造,形成了现今的盆-山格局(何登发等,
2018)。
准噶尔盆地是在拼合基底上发育起来的大型叠合盆地(况军,
1993),可划分为北天山山前冲断带、西部隆起、中央坳陷、东部隆起、陆梁隆起和乌伦古坳陷6个一级构造单元(
图 1-b)。盆地内发育上古生界至新近系。石炭纪盆地大多被认为形成于伸展构造背景(王方正等,
2002;陈发景等,
2005;Li
et al.,
2016),但区域构造研究表明,早、晚石炭世其分别经历了伸展—聚敛演化(唐勇等,
2015)。石炭系是目前钻遇的最老层系,自下而上包括滴水泉组(或塔木岗组)、巴塔玛依内山组(简称巴山组)和石钱滩组(
图 1-c)。
滴水泉组为一套含陆源碎屑和火山碎屑物质的过渡相沉积,在盆地东北缘的同期地层(塔木岗组)为一套陆相砾岩、砂砾岩沉积。巴塔玛依内山组为一套火山岩—碎屑岩序列,可进一步划分出下火山岩段、沉积岩段和上火山岩段,其中下火山岩段主要为中酸性火山岩,上火山岩段主要为基性火山岩和酸性火山岩,具有双峰式特征,二者之间的沉积岩段发育泥岩、沉凝灰岩夹少量火山岩(Li
et al.,
2015a),局部含煤,为较好的烃源岩层段,与相邻层系火山岩和火山岩碎屑岩构成了有利源-储组合(吴晓智等,
2008)。
2 地质结构特征
准噶尔盆地内部构造单元及次级的凹陷和凸起总体呈NW或NWW向展布特征,局部地区NE向延伸的线性凸起则是燕山期北西-南东向挤压改造的产物(
图 1-b)(Yang
et al.,
2012;Li
et al.,
2015a)。从盆地区域地震地质剖面来看(
图 2),准噶尔盆地具有垂向分层的叠加地质结构特征,上部表现为盆地边缘发育一系列中—低角度的逆冲断裂,在北天山山前形成叠瓦构造样式,中—新生界卷入变形并在中央坳陷南部和乌伦古坳陷形成前渊沉积; 下部的上古生界在各构造单元普遍发育,主要受中—高角度断裂控制,其中,莫索湾凸起南缘和陆梁隆起北缘断裂与深部地球物理资料识别的基底深大断裂在空间上具有较好的对应关系(Zhao
et al.,
2019)。靠近断裂部位的石炭系具有加厚特征,相比之下,二叠系整体厚度变化不大。中央坳陷莫索湾凸起(即莫深1井区)和乌伦古坳陷南部的索索泉凹陷(即伦8井区)下石炭统底部发育地层上超现象,顶部局地发育地层削截; 陆梁隆起中部(即滴中1井、三参1井和玛东1井区)上石炭统底部普遍存在地层上超现象,顶部局地可见地层削截现象; 乌伦古坳陷北部红岩断阶带上石炭统与上覆侏罗系之间地层缺失,呈异岩不整合接触关系,未见明显的削截现象。
准噶尔盆地石炭系除了碎屑岩外还发育大量火山岩,形成了不同单元、不同层系的差异充填(
图 3)。中央坳陷莫索湾凸起莫深1井钻遇的下石炭统松喀尔苏组下亚组以凝灰岩为主,夹薄层安山岩、凝灰质粉砂岩、泥岩,上亚组为凝灰岩、凝灰质粉砂岩和泥岩。陆梁隆起钻遇的石炭系地层相对完整,滴西14、滴西17和滴中1井揭示下石炭统松喀尔苏组下亚组主要为安山岩、流纹岩、火山角砾岩和凝灰岩,上亚组主要为凝灰岩、凝灰质砂岩夹砂岩、泥岩和少量砾岩,总体上呈粒度向上变细的碎屑沉积特征; 滴西17、石南1、滴中1和三参1井钻揭的上石炭统巴山组主要为玄武岩、玄武质安山岩、流纹岩、火山角砾岩、凝灰岩以及少量凝灰质砂岩。乌伦古坳陷南部索索泉凹陷钻遇的石炭系主要为下石炭统松喀尔苏组上亚组凝灰岩和凝灰质砂岩,而北部的红岩断阶带主要为巴山组安山岩和凝灰岩。目前石炭系钻井火山岩定年结果显示,准噶尔盆地主要存在早、晚石炭世2期岩浆活动,分别发生于337—323 Ma和315—300 Ma(王方正等,
2002;苏玉平等,
2010;李涤等,
2012;Yang
et al.,
2012;He
et al.,
2013),大致与巴山组下火山岩段(即松喀尔苏组下亚段)和上火山岩段相对应。相比较而言,巴山组沉积岩段岩浆活动较弱,目前仅在少数钻井中(如滴中1井)钻遇少量火山岩(Li
et al.,
2015a)。
3 火山岩地球化学特征
为全面了解准噶尔盆地石炭纪火山岩成因,笔者整理汇编了盆地内各构造单元钻井火山岩全岩元素地球化学数据(吴小奇等,
2009;He
et al.,
2013;Li
et al.,
2015a,
2015b,
2016;陈春勇等,
2018;Han
et al.,
2019;Wang
et al.,
2021;焦小芹等,
2022;张奎华等,
2026),并对主量元素进行了归一化处理。处理后的数据结果显示,准噶尔盆地石炭纪火山岩的SiO
2含量变化于50.95%~77.95%之间,TiO
2变化于0.16%~3.76%之间,Al
2O
3变化于8.03%~19.60%之间,MgO变化于0.12%~15.55%之间,TFe
2O
3变化于1.03%~15.84%之间。Mg#值介于8~66之间,表明这些岩石经历了不同程度的分离结晶作用。绝大多数石炭纪火山岩样品具有相对低的Nb/Y值(0.06~0.66),少数样品比值较高(0.73~1.64)。在Zr/TiO
2 vs. Nb/Y图解中,大部分样品落入亚碱性玄武岩、安山岩、英安岩和流纹岩区域,仅有个别样品点落在碱性玄武岩和粗安岩范围,因此从岩石类型上看,乌伦古坳陷石炭纪火山岩以中基性岩为主,而陆梁隆起、中央坳陷和东部隆起的火山岩大致分为中基性火山岩和酸性火山岩2个大类,总体具有双峰式岩石组合特征(
图 4-a)。在Th-Co图解中,所有石炭纪样品几乎均表现为钙碱性火山岩特征,其中少数乌伦古坳陷和陆梁隆起样品呈高钾钙碱性火山岩特征(
图 4-b)。总体来看,准噶尔盆地内部早、晚石炭世火山岩在岩石类型、组合和性质上相似。
准噶尔盆地石炭系样品的稀土元素总量变化较大,介于26~343 μg/g之间,平均值为121 μg/g。所有样品表现为较为一致的球粒陨石标准化稀土模式,并具有不明显的Eu异常(Eu/Eu
*=0.74~1.26)和轻稀土相对富集的配分模式(La
N/Yb
N=1.26~9.59),其中,乌伦古坳陷石炭系中基性火山岩样品的La
N/Yb
N值变化于1.95~7.74之间,与马里亚纳岛弧玄武岩(0.89~2.87)相似或更高(
图 4-c),而其他构造单元中基性火山岩样品的La
N/Yb
N值变化范围相对较小(2.34~7.07),类似于大陆弧后盆地玄武岩(1.50~5.70)(
图 4-c)。在微量元素蛛网图上(
图 4-d),所有样品表现出相对富集大离子亲石元素(如Th和U)、亏损高场强元素(如Nb和Ta)的特征(
图 4-d),尤其乌伦古坳陷石炭系部分火山岩样品呈现更为明显的Nb、Ta、Ti亏损,与典型的俯冲带火山岩微量元素特征一致(
图 4-d)。
4 讨论
4.1 盆地构造演化
准噶尔盆地经历了多期成盆与改造演化过程,但对其石炭纪演化阶段的认识尚不明确,从盆地东部地区的研究来看,多认为其经历了早、晚石炭世2个构造阶段(Yang
et al.,
2012;Li
et al.,
2023)。目前对于准噶尔盆地内部石炭系底部地层界面的性质难以准确厘定,但从盆地周缘的露头上可清晰地观察到泥盆系与石炭系之间的角度不整合或地层缺失(李涤,
2016)。盆地内部地震地质大剖面显示,石炭系顶部普遍发育角度不整合现象,甚至有明显的地层缺失(
图 2)。值得注意的是,上、下石炭统之间普遍发育上超不整合,界面之下未见到明显削截现象(
图 2)。上述结果表明,准噶尔盆地内部石炭系整体为1个大构造层,由此笔者认为,准噶尔盆地石炭纪主要经历了1个构造演化阶段。此外,盆内中央凹陷莫索湾凸起以及陆梁隆起边缘和内部普遍发育中—高角度断层,其中,靠近莫索湾凸起南缘断裂以及陆梁隆起南、北侧边缘断裂部位可见明显的下石炭统地层加厚现象,陆梁隆起边缘与内部的断层明显控制了下石炭统地层的增厚沉积(
图 2),表明这些断裂性质为正断层,并且经历了早、晚石炭世2幕伸展裂陷活动。而乌伦古坳陷北部红岩断阶带受地震资料品质的限制,未见上石炭统地层厚度变化与相邻断裂的关系,但结合其顶部不整合面的发育,认为红岩断阶带南侧的断裂可能为石炭纪晚期的逆冲断层。因此,笔者认为准噶尔盆地石炭纪总体经历了1个伸展—挤压构造旋回,并在伸展作用背景下在中央坳陷和陆梁隆起形成了早、晚石炭世2幕裂陷活动(
图 5),其中,陆梁隆起地区石炭纪2幕裂陷活动的正断层具有长期或继承性活动特征,由此控制了中央凹陷莫索湾裂陷、陆梁隆起滴中裂陷伸展断裂的阶段性发育与盆地分布(
图 5),石炭纪晚期可能遭受到挤压改造,进而导致乌伦古北部地区的逆冲断裂活动以及中央坳陷和陆梁隆起地区石炭纪裂陷盆地反转。
4.2 成盆动力学模式
近年来,越来越多的研究揭示准噶尔石炭纪盆地的形成与伸展作用相关,但对于伸展构造的动力学背景仍存在大陆裂谷、后碰撞裂谷、弧相关裂谷等争议(王方正等,
2002;吴小奇等,
2009;Li
et al.,
2015a)。准噶尔盆地石炭纪中基性火山岩整体具有低TiO
2含量(平均值1.33%)及相对高的Th/Yb和Nb/Yb值(分别为0.16~5.35和0.54~9.95)。在Th/Yb vs. Nb/Yb图解中(
图 6-a),几乎所有样品均落在火山弧区域,表明准噶尔石炭纪盆地的形成并非与大陆裂谷环境相关,而是与板块汇聚作用相关。另外,除了乌伦古坳陷2个晚石炭世样品外,所有火山岩样品均具有相对高的Zr含量(91~462 μg/g)和Zr/Y值(3.95~11.78)(
图 6-b),在Zr/Y vs. Zr图解中位于板内玄武岩区域,进一步表明准噶尔盆地绝大多数石炭纪火山岩兼具岛弧和板内火山岩地球化学元素组成,类似于典型弧后盆地火山岩(Shinjo
et al.,
1999),这也与一些样品落在弧后盆地玄武岩范围一致(
图 6)。考虑到乌伦古坳陷北部红岩断阶带晚石炭世仍发育岛弧火山岩(
图 6-b),笔者认为准噶尔石炭纪裂陷盆地更可能形成于板片俯冲环境。
前期研究大多认为准噶尔石炭纪盆地是北天山洋或克拉美丽洋岩石圈北向俯冲导致的洋内弧相关伸展裂陷作用的结果(Li
et al.,
2015a;Wang
et al.,
2021;Hou
et al.,
2024)。然而,准噶尔盆地航磁异常资料以及盆地东北缘和盆内莫深1井石炭系地层揭示出大量古老碎屑锆石记录(李亚萍等,
2007;He
et al.,
2013),表明盆地腹部可能存在前寒武系基底,这也与准噶尔盆地石炭纪弧火山岩大多表现为大陆弧的地球化学特征相吻合(
图 6-a)。
此外,尽管一些学者认为克拉美丽洋可能向西延伸进入准噶尔盆地陆梁隆起边缘并与达尔布特洋相连,但迄今为止在陆梁隆起两侧尚未发现洋壳残片证据,并且盆地东北缘塔木岗组类磨拉石沉积证据表明克拉美丽洋在石炭纪初期已闭合(Zhang
et al.,
2013)。另外,晚石炭世早期“钉合岩体”的发育表明准噶尔盆地南缘的北天山洋可能闭合于早石炭世晚期(Han
et al.,
2010)。上述研究结果似乎不支持北天山洋或克拉美丽洋俯冲对准噶尔石炭纪构造的控制,反而更倾向盆地北缘的额尔齐斯洋南向俯冲作用的贡献。重要的是沿额尔齐斯断裂发育泥盆纪—早石炭世蛇绿混杂岩(张海祥等,
2003;吴波等,
2006),结合乌伦古坳陷晚石炭世岛弧火山岩的发育(
图 6-b),表明额尔齐斯洋岩石圈具备南向俯冲消减的背景条件。
准噶尔盆地乌伦古坳陷石炭纪主要发育岛弧火山岩及相关裂谷型火山岩,而其他构造单元则主要发育弧后裂谷型火山岩,这样的盆地火山岩成因类型分布特征与相邻的西准噶尔北部和东准噶尔地区相吻合(
图 7)。从区域构造演化与盆地深部结构综合来看,西准萨乌尔弧—乌伦古弧—东准野马泉弧可能构成了准噶尔—吐哈地块的古生代增生边缘(Xu
et al.,
2013;Zhao
et al.,
2019)。此外,在东准噶尔、乌伦古坳陷以及西准噶尔北部地区,石炭纪弧岩浆岩的年龄分布具有向北变年轻的特点(
图 7),总体呈现向北迁移的特征,表明额尔齐斯洋俯冲板片后撤是准噶尔石炭纪伸展断陷盆地形成的主要动力因素。进一步综合区域上石炭纪裂陷盆地分布特征,笔者提出了准噶尔盆地石炭系成盆动力学新模型: 早石炭世早期,野马泉岛弧与准噶尔—吐哈地块发生拼合并在克拉美丽山前形成前陆盆地类磨拉石沉积(Zhang
et al.,
2013),随后由于额尔齐斯洋俯冲板片后撤导致乌伦古岛弧后方发生岩石圈伸展作用,在准噶尔盆地陆梁隆起和中央坳陷地区形成早石炭世滴水泉裂陷盆地和莫索湾裂陷盆地以及在盆缘形成同期的克拉美丽裂陷盆地和博格达裂陷盆地(
图 7;
图 8),充填了下石炭统松喀尔苏组下亚段(即巴山组下火山岩段)中酸性火山岩; 早石炭世晚期,北天山洋的闭合导致准噶尔—吐哈地块与伊犁—中天山地块碰撞拼合(Han
et al.,
2010),但该事件对准噶尔早石炭世裂陷盆地未造成明显的改造,盆内缺乏上、下石炭统之间的角度不整合(
图 2); 晚石炭世,在持续的弧后伸展背景下,滴水泉、莫索湾、克拉美丽、博格达裂陷盆地进一步发育,并可能形成新的阜东裂陷盆地和巴音沟裂陷盆地,以及出现由基性岩和酸性岩构成的巴山组上火山岩段双峰式组合(
图 7;
图 8)。尽管目前对于巴山组沉积岩(即松喀尔苏组上亚组)的时限及其内部火山岩成因尚缺乏研究,但从构造变形与充填特征上看,该时期主要为弱伸展环境,为早石炭世裂陷后的拗陷阶段,与上石炭统石钱滩组在盆地性质与成因上相似,均为富有机质沉积的有利发育层段。综上所述,准噶尔石炭纪弧2幕裂陷活动为下石炭统松喀尔苏组上亚组和上石炭统石钱滩组烃源岩的发育提供了重要的地质条件。
5 结论
1)准噶尔盆地内部下石炭统松喀尔苏组下亚组、上亚组与上石炭统巴山组为近连续的沉积充填序列,它们之间不存在明显的构造不整合界面,为一套构造层。
2)准噶尔盆地石炭纪经历了1个伸展—挤压构造旋回,伸展构造阶段发生早、晚石炭世2期正断层活动,控制了中央坳陷和陆梁隆起地区2幕裂陷盆地的发育。
3)准噶尔石炭纪盆地是在额尔齐斯洋岩石圈南向俯冲板片后撤动力控制下由乌伦古弧后伸展作用引起的弧后裂陷盆地。
*中国石油天然气股份有限公司重大科技专项(2023ZZ02)
京公网安备11010202008535号
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