準(zhǔn)噶爾盆地西緣下侏羅統(tǒng)玄武巖地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

高山林

(中國(guó)石化 油田勘探開(kāi)發(fā)事業(yè)部，北京 100728)

準(zhǔn)噶爾盆地是中國(guó)西北地區(qū)大型的含油氣盆地，侏羅系是主要的含油氣層系。目前對(duì)準(zhǔn)噶爾侏羅紀(jì)原型盆地類(lèi)型的觀點(diǎn)主要有：古造山帶復(fù)活期前陸坳陷繼承發(fā)展盆地[1]、張性盆地[2-3]、早—中侏羅世克拉通內(nèi)盆地[4]及陸內(nèi)坳陷盆地[5]等觀點(diǎn)，爭(zhēng)議頗多。

準(zhǔn)噶爾盆地西緣侏羅系火山巖早在20世紀(jì)60年代地質(zhì)調(diào)查中就已發(fā)現(xiàn)，地點(diǎn)為45°32′22″N，84°42′32″E附近(圖1)，主要對(duì)火山巖的分布范圍、時(shí)代、宏觀特征進(jìn)行了描述[6]。依據(jù)火山巖地層接觸關(guān)系和Ar-Ar法測(cè)年認(rèn)為，其形成于早侏羅世中晚期普林斯巴—托阿爾期，但有關(guān)其地球化學(xué)特征及盆地構(gòu)造演化方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西緣的侏羅系堿性玄武巖的地球化學(xué)特征分析，結(jié)合野外及石油地球物理解釋成果等資料，進(jìn)一步證實(shí)了侏羅紀(jì)早期準(zhǔn)噶爾原型盆地為伸展性盆地，并結(jié)合西北地區(qū)其他盆地的侏羅系火山巖資料，對(duì)其區(qū)域構(gòu)造和石油地質(zhì)意義進(jìn)行了探討。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造單元?jiǎng)澐旨安蓸游恢?/p>

1 玄武巖的野外特征和巖石學(xué)特征

準(zhǔn)噶爾盆地西緣火山巖底部為下侏羅統(tǒng)八道灣組砂礫巖，上覆為中侏羅統(tǒng)三工河組灰綠色粗—細(xì)粉砂巖；巖石以灰、灰黃色、紫灰色、黃褐色為主，肉眼觀察具杏仁狀構(gòu)造，“杏仁體”大小相差懸殊，從1～10 cm均有，一般2～5 cm，最大可達(dá)11 cm，局部含量可高達(dá)20%，并具一定的定向排列，充填方解石和玉髓。

該火山巖鏡下定名為杏仁狀橄欖玄武巖，具有杏仁狀構(gòu)造和間隱、間粒結(jié)構(gòu)。巖石中拉長(zhǎng)石含量最高可達(dá)50%，半自形板條狀，大小0.08～0.1 mm，發(fā)育聚片雙晶，具環(huán)帶構(gòu)造，無(wú)定向雜亂分布；含鈦普通輝石25%，呈淡紫色細(xì)柱狀、粒狀，大小0.08～0.1 mm，較均勻分布于斜長(zhǎng)石格架間?；圆Ａз|(zhì)含量18%，分布于斜長(zhǎng)石間隙中；蝕變橄欖石5%，粒柱狀，0.1～0.7 mm，部分被皂石、伊丁石交代，稀疏分布于斜長(zhǎng)石格架間。少量鈦鐵礦，呈細(xì)長(zhǎng)板片狀，稀疏分布。

2 地球化學(xué)特征

西準(zhǔn)噶爾玄武巖有一定程度的風(fēng)化，杏仁體均有一定程度的蝕變，發(fā)生不同程度的綠泥石化，為此從所采的15個(gè)樣品中選取了8個(gè)較新鮮、且含杏仁體少的樣品進(jìn)行了巖石化學(xué)成分測(cè)試。測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所完成，其中主量元素采用熒光光譜法測(cè)定，分析誤差(相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值)一般小于1%，微量元素和稀土元素由ICP-MS分析測(cè)試，分析誤差小于5%。從分析結(jié)果來(lái)看，燒失量相對(duì)高，因此本文主要以不活動(dòng)元素含量、比值及其相互關(guān)系來(lái)討論巖石的類(lèi)型、成因。

2.1 主量元素

西準(zhǔn)噶爾侏羅系火山巖8個(gè)樣品的主量元素含量變化不大(表1)，w(SiO2)在44.95% ～51.8%，w(TiO2)為2.25%～2.57%，w(Al2O3)為13.31%～14.38%；里特曼指數(shù)(σ)為2.66～13.33，平均6.02；高鈉，Na2O含量高于K2O，w(Na2O)/w(K2O)比值為1.91～3.34，平均2.36，大部分氧化物變化范圍較窄。在Nb/Y-Zr/TiO2圖解中，所有樣品均落入了堿性玄武巖區(qū)域(圖2)[7]。MgO、FeO+Fe2O3、TiO2等主量元素與SiO2變化關(guān)系不明顯，暗示該巖石結(jié)晶分異作用不強(qiáng)。巖石與正常的大洋中脊玄武巖相比明顯富鐵，同時(shí)P2O5(0.49%～0.55%)和TiO2(2.25%～2.57%)的含量高，和與俯沖消減作用有關(guān)的低鈦玄武質(zhì)巖石明顯不同；具有相對(duì)低的SiO2、相對(duì)高的Na2O，同時(shí)w(P2O5)/w(Al2O3)低，變化范圍很窄(0.036～0.041)，表明該玄武巖漿應(yīng)是部分熔融的產(chǎn)物[8]。

2.2 微量元素和稀土元素

西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖的稀土元素含量差別不大(表2)，稀土總量中等，輕稀土元素富集，重稀土元素虧損，輕重稀土元素分異明顯，LREE為(84.27～95.77)×10-6，HREE為(15.28～17.08)×10-6，LREE /HREE 為5.42～5.71；(La/Yb)N為7.55～9.0，(Ce/Yb)N為6.23～7.51，稀土元素分餾明顯; (La/Sm)N為1.78～1.97，(Gd/Yb)N為3.03～3.71，表明了重稀土的分餾作用高于輕稀土的分餾作用；δEu在0.91～0.95 ，銪為弱的負(fù)異常，反映存在不明顯的斜長(zhǎng)石的分離結(jié)晶。

表1 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖主量元素分析

Table 1 Major elements in Jurassic basalt, western Junggar Basin%

主量元素樣品Tgx-1Tgx-2Tgx-3Tgx-4Tgx-5Tgx-6Tgx-7Tgx-8SiO245.7450.1948.3751.8047.8250.6948.3144.95TiO22.252.342.282.402.432.412.572.42Al2O313.3113.8013.5214.3414.0314.1914.3813.32FeO12.356.379.633.908.926.084.0011.60Fe2O35.546.785.997.035.835.8010.487.00MnO0.210.140.210.140.230.130.190.26MgO3.004.763.514.513.025.622.712.78CaO7.337.097.487.277.837.698.037.60Na2O3.503.763.543.603.613.483.663.35K2O1.601.661.451.681.371.041.841.75P2O50.520.510.490.520.550.520.530.55LOI6.173.484.673.065.062.773.555.55合計(jì)101.52100.88101.14100.25100.7100.42100.25101.13

表2 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖的微量、稀土元素分析結(jié)果

Table 2 Trace and rare earth element compositionof Jurassic basalt, western Junggar Basin(μg·g-1)

微量、稀土元素樣品Tgx-1Tgx-2Tgx-3Tgx-4Tgx-5Tgx-6Tgx-7Tgx-8Cr132.7126.9117.0131.5132.6136.8129.0120.4Co54.035.435.744.432.635.858.048.0Ni166.179.990.3109.660.187.8162.5108.9Cu30.233.133.336.635.134.539.337.4Ga20.820.219.521.220.821.121.620.4Rb27.028.219.828.813.811.923.321.7Sr483458481505517585590523Y19.118.918.520.020.620.421.521.9Zr163.3164.9158.0170.2172.3181.1179.5179.2Nb35.435.134.037.236.939.341.140.1Ba372310370328381406399394Hf4.184.264.384.734.434.564.984.66Ta2.082.132.002.182.112.242.392.25Pb1.661.611.741.811.881.992.122.02Th2.2322.252.3452.4912.422.4942.7412.692U0.6140.5390.5520.6190.5800.6290.7320.819La16.1216.4416.4818.2918.5017.6017.7817.29Ce34.4435.2035.5239.2039.7037.9638.5336.89Pr4.644.714.785.245.255.125.175.03Nd21.4821.5721.4024.1823.8722.9423.6322.38Sm5.835.955.676.356.476.145.975.66Eu1.771.821.781.931.981.951.891.83Gd5.885.995.866.386.556.286.206.01Tb0.8180.8440.8500.9150.9140.8620.9110.880Dy4.244.394.224.674.704.524.614.42Ho0.7500.8070.7220.8120.8310.8040.8330.873Er1.781.861.901.972.061.882.102.11Tm0.2250.2460.2370.2450.2690.2520.2560.273Yb1.381.421.361.481.531.401.521.64Lu0.2030.1930.1910.2160.2280.2010.2240.226ΣREE99.55101.44100.96111.88112.85107.91109.62105.50δEu0.910.920.940.920.920.950.940.95

圖2 西準(zhǔn)噶爾地區(qū)侏羅系玄武巖Nb/Y-Zr/TiO2圖解據(jù)參考文獻(xiàn)[7]修改。

稀土配分顯示為強(qiáng)烈右傾的輕稀土富集型模式(圖3)，這種模式多出現(xiàn)于大陸拉斑玄武巖和洋島玄武巖(OIB)中，與洋中脊玄武巖(MORB)相比，大陸溢流玄武巖幾乎不出現(xiàn)REE平坦或虧損模式[9]。在La/Sm-La圖解中，玄武巖大部分樣品表現(xiàn)為正相關(guān)性，少部分表現(xiàn)為明顯分離結(jié)晶作用，說(shuō)明巖漿的形成以部分熔融為主，但也存在一定的分離結(jié)晶作用。

該玄武巖相對(duì)富集Sr、Rb、Ba、Th、Ta、Nb、Ce，虧損Y、Lu和Yb等元素(圖4)，與典型的大陸溢流玄武巖富集除Y、Yb等之外的所有不相容元素的配分模式類(lèi)似。玄武巖表現(xiàn)出明顯的Sr虧損，為低壓斜長(zhǎng)石結(jié)晶分離作用的結(jié)果。富集高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta，明顯不同于俯沖帶島弧型玄武巖的“TNT”特征。Ba/La=17.94～23.05，低于島弧火山巖Ba/La比值(>30)[11]；La/Nb為0.43～0.51，與島弧玄武巖La/Nb>1具有明顯差別。島弧玄武巖Zr含量小于130×10-6，Zr/Y比值小于4，而大陸玄武巖，不管是否遭受地殼或巖石圈混染，它們的Zr含量均大于70×10-6，Zr/Y比值均大于3[12]。本區(qū)玄武巖Zr含量為(158～179.5)×10-6，Zr/Y為8.17～8.88，顯示了大陸鈣堿性玄武巖的特征；在Hf-Th-Ta圖解(圖5)和Zr/Y-Zr圖解中均顯示板內(nèi)玄武巖的特征。

圖3 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖稀土配分模式球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)參考文獻(xiàn)[10] 。

圖4 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)參考文獻(xiàn)[13]。

圖5 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖Hf-Th-Ta圖解[15]

3 玄武巖巖漿源區(qū)地球化學(xué)性質(zhì)

大洋玄武巖的研究發(fā)現(xiàn)MORB和OIB的Nb/U值高而均一(47±10)[13-15]，而大陸地殼的Nb/U值通常很低(約9.7)[16]。本區(qū)玄武巖的Nb值高為35.1～41.1 μg/g，而U的含量均很低，多小于0.8，表明沒(méi)有顯著的地殼混染。一般來(lái)說(shuō)，巖漿同化地殼的過(guò)程中K2O/Na2O的值和不相容元素(Sr、Ba)會(huì)明顯地升高[16]。本區(qū)的K2O/Na2O值與Sr、Ba等不相容元素含量無(wú)明顯的正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)本區(qū)較高的Nb含量和較低的La/Nb值(小于0.55)也表明地殼物質(zhì)的加入并不顯著。分離結(jié)晶作用可導(dǎo)致巖漿中主要氧化物的變化，但大離子親石元素的比值一般不受其影響。如本區(qū)玄武巖的Ce/Pb在18.2～21.9之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下地殼巖石的Ce/Pb比值3.3，與MORB的Ce/Pb值(25±5)接近，也暗示著該玄武巖漿受地殼混染程度很低，沒(méi)有明顯的陸殼混染現(xiàn)象。Ce/Y-Th/Nb圖解也表明其成分更接近富集型地幔低程度部分熔融產(chǎn)生的母巖漿，而無(wú)明顯的后期混染。

西準(zhǔn)噶爾玄武巖Nb/Ta比值為16.5～17.8，平均17.2，Zr/Hf比值為36.01～39.1，平均37.87，分別與原始地幔(Nb/Ta=17.5±2.0；Zr/Hf=36.27)相近并略高于原始地幔[17]，遠(yuǎn)大于大陸地殼的平均值(Nb/Ta=12～13；Zr/Hf=11)。Zr/Nb-La/Nb和Ba/La-Ba/Nb比值圖上，火山巖基本都落在具有OIB特征區(qū)域內(nèi)及其附近，表明以虧損地幔為主。Th/Ta=1.06～1.19，Ta/Hf=0.46～0.5；Th/Hf-Ta/Hf判別圖上(圖6)投點(diǎn)落在地幔熱柱玄武巖區(qū)[18]。非地幔柱成因的玄武巖Nb含量小于10 μg/g，而與地幔柱有關(guān)的玄武巖含量總是大于10 μg/g[19]，本區(qū)的玄武巖Nb含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 μg/g，表明該玄武巖的形成可能與地幔柱活動(dòng)有關(guān)。玄武巖中較低的Ce/Yb比值說(shuō)明有較高的熔融程度或尖晶石為主要?dú)埩粝?薄巖石圈)，而較高的Ce/Yb比值說(shuō)明有較低的熔融程度或石榴石為主要?dú)埩粝?厚巖石圈)。本區(qū)玄武巖的Ce/Yb比值較高，為24.7～27.1，說(shuō)明玄武巖形成的深度較大，可能為石榴石穩(wěn)定區(qū)。

4 玄武巖形成的地球動(dòng)力學(xué)環(huán)境與地質(zhì)意義

地幔柱假說(shuō)較好地解釋了夏威夷群島等島鏈的成因，對(duì)于大陸玄武巖的地幔柱成因與動(dòng)力學(xué)研究近年來(lái)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[17,19-20]。本區(qū)玄武巖微量元素高場(chǎng)強(qiáng)元素比值接近原始地幔，具有OIB型配分和地幔柱的成因環(huán)境，但并非直接由原始地幔巖漿直接形成，而是軟流圈地幔上涌導(dǎo)致深部部分熔融的結(jié)果。

圖6 西準(zhǔn)噶爾侏羅系玄武巖Th/Hf-Ta/Hf圖解[18]

Ⅰ.板塊發(fā)散邊緣；Ⅱ1.大洋島弧玄武巖區(qū)；Ⅱ2.陸源島弧及火山弧玄武巖區(qū)；Ⅲ.大洋板內(nèi)洋島、海山玄武巖及T-MORB、E-MORB；Ⅳ1.陸內(nèi)裂谷及陸源裂谷拉斑玄武巖區(qū)；Ⅳ2.陸內(nèi)裂谷堿性玄武巖；Ⅳ3.大陸拉張帶(初始裂谷)玄武巖；Ⅴ.地幔熱柱玄武巖

Fig.6 Th/Hf-Ta/Hf diagram of Jurassic basalt, western Junggar Basin

準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系一直被認(rèn)為是坳陷型盆地，近年來(lái)隨著盆地腹部勘探目的層向侏羅系及其以下轉(zhuǎn)變，精細(xì)地震解釋發(fā)現(xiàn)盆地內(nèi)中下侏羅統(tǒng)地層中存在著眾多正斷層，形成大小不同的弱伸展斷陷，控制著侏羅系烴源巖的發(fā)育。在準(zhǔn)噶爾盆地腹部及西北緣地區(qū)受基底性質(zhì)、先期區(qū)域斷裂的影響，侏羅系伸展斷層斷距不一、傾角大小不同，活動(dòng)時(shí)間可從早侏羅世至中侏羅統(tǒng)三工河組沉積期，在盆地邊緣或緩或陡，在盆地腹部如莫索灣地區(qū)、夏鹽凸起、阜東斜坡區(qū)多數(shù)傾角較大甚至近乎直立(圖7)，有利于溝通二疊系烴源巖，促成了油氣藏縱向多層系疊置、平面上多類(lèi)型成帶分布，已為莫索灣、石西油田、北三臺(tái)油田所證實(shí)。

西北地區(qū)，無(wú)論是大型的塔里木、準(zhǔn)噶爾、柴達(dá)木盆地，還是小型的敦煌、潮水盆地等，野外和井下的侏羅系火山巖地球化學(xué)分析均表明存在著早中侏羅世同沉積伸展作用，如克拉瑪依市以東的幾個(gè)鉆孔發(fā)現(xiàn)侏羅系火山巖，其同位素年齡170～190 Ma[6]；安西—敦煌地區(qū)托格、多壩溝和蘆草溝等地發(fā)育中侏羅統(tǒng)堿性玄武巖[21]，潮水盆地侏羅系橄欖玄武巖、柴達(dá)木盆地侏羅系輝綠巖[22]、東昆侖地區(qū)發(fā)育同位素年齡為(193 ± 0.9) Ma(U-Pb鋯石)的基性巖墻群[23]及雙峰式火山巖[24]等，火山巖的分布大多位于盆地邊緣或腹部大型基底斷裂的交會(huì)處，地球化學(xué)特征與大陸裂谷玄武巖相似，為張性盆地的產(chǎn)物?；鹕綆r時(shí)代和地震解釋表明，吐哈、準(zhǔn)噶爾盆地及東昆侖山間盆地早侏羅世(170～190 Ma)伸展作用較為明顯，而北山地區(qū)在中侏羅世(175～165 Ma)較為強(qiáng)烈，總體上具有西早東晚、南早北晚的趨勢(shì)，也造就了盆地?zé)N源巖分布層位、成藏組合差異的基礎(chǔ)。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地阜東斜坡區(qū)過(guò)董18井三維層拉平地震剖面示斷層性質(zhì)變化測(cè)線位置見(jiàn)圖1。

早、中侏羅世，區(qū)域性的構(gòu)造背景決定了西北地區(qū)板內(nèi)伸展構(gòu)造環(huán)境。班公湖—怒江洋的俯沖發(fā)生在早、中侏羅世，東北緣的蒙古—鄂霍茨克洋開(kāi)始向西伯利亞大陸方向俯沖，俯沖作用誘發(fā)了地幔柱的升降活動(dòng)，引起地幔巖漿的底辟作用，導(dǎo)致軟流圈界面的上升和巖石圈減薄，在大型斷裂交會(huì)部位，首先形成地幔熱點(diǎn)和巖漿上升以充填因拉張而減薄的空間，形成強(qiáng)烈的盆地沉降區(qū)，也為盆地的侏羅系烴源巖發(fā)育提供了動(dòng)力學(xué)條件。在準(zhǔn)噶爾盆地南部、吐哈盆地、敦煌盆地、潮水盆地和雅布賴(lài)盆地等均已發(fā)現(xiàn)了來(lái)自于侏羅系烴源巖的油氣，在白堊系和第三系地層覆蓋區(qū)，尤其是中小型盆地殘留凹陷中可以發(fā)育巖性或構(gòu)造—巖性復(fù)合原生油氣藏(如吐哈盆地中北部、雅布賴(lài)盆地中部、柴達(dá)木盆地北緣等)，在盆緣帶油氣沿不整合面運(yùn)移形成的白堊系和第三系次生地層巖性油氣藏也是重要的勘探領(lǐng)域(如準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹(shù)凹陷北部、柴北緣第三系)。

5 結(jié)論

(1)西準(zhǔn)噶爾地區(qū)中下侏羅統(tǒng)玄武巖為堿性橄欖玄武巖，其地球化學(xué)研究表明，玄武巖形成于大陸板內(nèi)伸展構(gòu)造背景，巖石稀土總量高，輕稀土強(qiáng)烈富集，富集大離子親石元素和高場(chǎng)強(qiáng)元素，具有OIB型微量元素配分模式，源于較為均一的虧損型地幔源區(qū)。

(2)侏羅系裂谷型玄武巖在西北地區(qū)眾多盆地中均有發(fā)育，主要位于大型的斷裂交會(huì)處和深大斷裂帶，可能受區(qū)域性軟流圈界面的上升和巖石圈的減薄所控制，為盆地伸展作用提供了動(dòng)力學(xué)條件。西北地區(qū)盆地伸展作用具有西早東晚、南早北晚的趨勢(shì)，伸展盆地結(jié)構(gòu)和發(fā)育時(shí)期決定了侏羅系良好烴源巖的空間分布，為以侏羅系為源巖的不同類(lèi)型油氣藏形成奠定了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。