塔里木盆地庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)物源特征及其地質(zhì)意義

許興斌，王昌勇*，劉滿倉，林世國，李德江，高志勇

(1. 成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059； 2. 中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007； 3. 中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

圖1 塔里木盆地庫車坳陷東部構(gòu)造概況Fig.1 Structural Profile of the Eastern Kuqa Depression in Tarim Basin

庫車坳陷位于塔里木盆地東北部拜城—陽霞一帶(圖1)，構(gòu)造位置北鄰南天山造山帶，南靠塔北隆起，為一個經(jīng)歷了多期次構(gòu)造運動改造、以中—新生代沉積為主的復(fù)合前陸盆地[1-5]，包括“五帶三凹”共8個二級構(gòu)造單元。庫車坳陷東部主要包括吐格爾明背斜帶、東秋里塔格構(gòu)造帶、迪北斜坡帶、依奇克里克背斜帶和陽霞凹陷(大部分)等5個三級構(gòu)造單元。晚三疊世—中侏羅世，庫車坳陷東部主要發(fā)育辮狀河三角洲-湖泊沉積體系，局部發(fā)育扇三角洲[6-12]。上三疊統(tǒng)塔里奇克組(T3t)主要為一套灰色礫巖、含礫砂巖、砂巖、灰色泥巖、灰黑色碳質(zhì)泥巖及煤層互層；下侏羅統(tǒng)阿合組(J1a)主要為一套厚—巨厚層灰色和淺灰色含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖及細(xì)砂巖夾薄—中層泥巖；下侏羅統(tǒng)陽霞組(J1y)主要為一套薄—厚層淺灰色礫巖、含礫粗砂巖、中砂巖夾薄層碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖；中侏羅統(tǒng)克孜勒努爾組(J2kz)主要為一套煤層、碳質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖與細(xì)—中砂巖互層。

天山山脈橫貫中國西北部和中亞地區(qū)，東西長2 500 km，南北寬幾百千米，是世界上最重要的造山帶之一，主要由塔里木陸塊、中天山島弧與準(zhǔn)噶爾陸塊古生代拼合形成。目前，位于中國境內(nèi)的南天山主要由NEE向哈爾克山和那拉提山、NWW向虎拉山和額爾賓山等組成，出露古生代未變質(zhì)或淺變質(zhì)的沉積巖、蛇綠巖、巖漿侵入體和火山巖，以及中—新生代沉積盆地。前人研究認(rèn)為早—中侏羅世庫車坳陷東部物源主要來自南天山物源區(qū)[13]，以塔里木盆地邊緣再旋回造山帶沉積巖母巖為主[14-15]，兼有低—高級變質(zhì)巖、酸性巖漿巖、島弧及洋島玄武巖[16]，但對于侏羅紀(jì)盆地東南部或南部是否已經(jīng)成為一個主要的物源供應(yīng)區(qū)存在較大爭議，庫車坳陷侏羅系可能受到來自東南部物源的影響[17-22]。

三疊紀(jì)/侏羅紀(jì)之交是印支晚幕重要的構(gòu)造活動時期。本文通過對上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)30件砂巖樣品進行巖石薄片、陰極發(fā)光和重礦物分析，并結(jié)合沉積構(gòu)造及地震解釋成果，對塔里木盆地庫車坳陷東部三疊系—侏羅系物源體系及其演化進行詳細(xì)分析，并探討物源方向和母巖性質(zhì)，以期對天山造山帶構(gòu)造演化史及巖相古地理恢復(fù)提供參考。

1 巖礦組分特征

不同巖石類型通常具有不同的巖礦組分特征。雖然母巖風(fēng)化產(chǎn)物在搬運和沉積過程中會不斷發(fā)生機械分異和化學(xué)分異作用，但通過對砂巖、礫巖中碎屑組分分析，仍然可以追溯物源信息，特別是根據(jù)巖屑類型和重礦物組合特征可以推測甚至確定母巖類型。

1.1 巖屑類型

砂巖中巖屑是母巖物理風(fēng)化不徹底的產(chǎn)物，基本保持了母巖結(jié)構(gòu)，能夠直接指示母巖類型[23]。塔里木盆地庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖成分成熟度較低，主要為長石巖屑砂巖及巖屑砂巖，總體具有較高的巖屑含量，砂巖中常見花崗巖巖屑[圖2(a)]、變質(zhì)石英巖巖屑[圖2(b)、(c)、(e)]、片巖巖屑[圖2(c)]、碳酸鹽巖巖屑[圖2(c)]、石英片巖巖屑[圖2(d)]、粉砂巖巖屑[圖2(e)]、花崗片麻巖巖屑[圖2(f)]、石英粉砂巖巖屑[圖2(g)]、泥巖巖屑[圖2(h)]、千枚巖巖屑[圖2(i)]等。

巖屑組合特征表明晚三疊世—中侏羅世庫車坳陷東部物源區(qū)母巖組成較為復(fù)雜，包括侵入巖、低—中級變質(zhì)巖及沉積巖，具有造山帶混入的特征。研究區(qū)上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖中巖屑組合在橫向和縱向上變化具有一定規(guī)律性:碳酸鹽巖巖屑在西部庫車河一帶較高，而在研究區(qū)其余地區(qū)含量較低；上三疊統(tǒng)塔里奇克組、下侏羅統(tǒng)阿合組及陽霞組陸源碎屑巖巖屑含量較高，中侏羅統(tǒng)克孜勒努爾組及恰克馬克組(J2q)陸源碎屑巖巖屑含量較低；變質(zhì)巖巖屑、黑云母及巖漿巖巖屑自下而上有逐漸增多的趨勢(圖3)。巖屑組合在縱向上的演化整體反映了母巖由新到老逐漸剝蝕的規(guī)律，而同期沉積中巖屑組合在橫向上的不同則反映了物源區(qū)母巖類型的差異，表明晚三疊世—中侏羅世物源區(qū)構(gòu)造活動具有分段性和異時性的特點。

1.2 重礦物組合

HGY為花崗巖巖屑;BZSHY為變質(zhì)石英巖巖屑;PY為片巖巖屑;GX為鈣屑;SHPY為石英片巖巖屑;FSY為粉砂巖巖屑;HGPMY為花崗片麻巖巖屑;SHFSY為石英粉砂巖巖屑;NY為泥巖巖屑;QMY為千枚巖巖屑圖2 上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)主要巖屑類型Fig.2 Main Lithic Types of Upper Triassic-Middle Jurassic

碎屑巖中重礦物含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)雖然一般不超過1%，但在物源分析中有廣泛應(yīng)用[24-25]。不同母巖風(fēng)化產(chǎn)物通常具有不同的重礦物組合。其中，花崗巖風(fēng)化產(chǎn)物通常以鋯石和榍石為主；變質(zhì)巖風(fēng)化產(chǎn)物以石榴子石、綠簾石、金紅石和電氣石等為主；而沉積巖風(fēng)化產(chǎn)物中鋯石含量通常較高[26-30]。不同重礦物在穩(wěn)定性方面存在較大差異，因此，穩(wěn)定重礦物相對含量的變化規(guī)律是追溯物源方向的有效途徑。

重礦物含量分析結(jié)果(表1)表明，庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖中鋯石、電氣石、石榴子石、磁鐵礦及白鈦礦等重礦物分布最為普遍,平均含量最高。其中，鋯石平均含量為22.8%，最高含量為49.7%；電氣石平均含量為4.3%，最高含量為13.5%；石榴子石平均含量為23.9%，最高含量為72.0%；磁鐵礦平均含量為10.9%，最高含量為70.0%；白鈦礦平均含量為20.1%，最高可達(dá)59.0%；赤褐鐵礦、綠簾石、板鈦礦、藍(lán)晶石、榍石、輝石、金紅石、錫石和銳鈦礦平均含量分別為9.6%、0.1%、0.3%、0.0%、0.4%、0.0%、0.9%、1.9%和1.1%。上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖主要重礦物類型反映其物源主要受變質(zhì)巖和巖漿巖母巖區(qū)影響，高含量的石榴子石與元古代變質(zhì)巖母巖有關(guān)，而白鈦礦及磁鐵礦主要與石炭系火山巖有關(guān)[31]。

1.2.1 垂向演化特征

庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)重礦物組合自下而上呈規(guī)律性演化。以庫車河和克孜勒努爾溝剖面為例，從塔里奇克組至陽霞組，砂巖中鋯石相對含量逐漸減少，而磁鐵礦及白鈦礦相對含量則逐漸升高(圖3)，表明自下而上沉積巖物源減少,巖漿巖物源增加；克孜1井和吐格爾明30團剖面從塔里奇克組至恰克馬克組，砂巖中鋯石相對含量亦逐漸減少，而石榴子石相對含量逐漸升高(圖3)，表明自下而上沉積巖物源減少,變質(zhì)巖物源增加。

圖3 上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)巖屑類型及重礦物組合演化特征Fig.3 Evolution Characteristics of Lithic Types and Heavy Mineral Assemblages in Upper Triassic-Middle Jurassic

圖4 上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)重礦物組合分區(qū)Fig.4 Subdivisions of Heavy Mineral Assemblages in Upper Triassic-Middle Jurassic

Q1為不發(fā)光石英；Q2為棕色—褐色發(fā)光石英；Q3為藍(lán)紫色發(fā)光石英圖5 砂巖顯微照片和陰極發(fā)光圖像Fig.5 Microscope Photos and CL Images of Sandstones

1.2.2 分區(qū)特征

庫車坳陷東部不同沉積時期重礦物組合在平面上具有明顯的分區(qū)性。塔里奇克組沉積時期，研究區(qū)東部砂巖中重礦物以較高含量的鋯石、磁鐵礦及白鈦礦為特征，砂巖中幾乎不含石榴子石[圖4(a)]，說明這一沉積時期研究區(qū)東部主要受沉積巖及巖漿巖母巖區(qū)影響，母巖中變質(zhì)巖所占比例極少。阿合組沉積時期，研究區(qū)砂巖中普遍開始出現(xiàn)較多的石榴子石，特別是研究區(qū)東部陽霞地區(qū)砂巖中重礦物以石榴子石為主，其余地區(qū)石榴子石含量稍低，但仍然具有較高含量的鋯石、白鈦礦及磁鐵礦[圖4(b)]。陽霞組沉積時期，研究區(qū)砂巖中重礦物分區(qū)特征總體與阿合組沉積時期相似，東部陽霞一帶仍然是石榴子石相對高含量區(qū)[圖4(c)]?？俗卫张瑺柦M沉積時期，研究區(qū)砂巖中重礦物組合發(fā)生重大變化，吐格爾明30團剖面以西地區(qū)石榴子石含量明顯升高，而東部陽霞一帶則以較高含量的磁鐵礦為特征[圖4(d)]。

1.3 陰極發(fā)光特征

利用石英陰極發(fā)光性的差異進行物源區(qū)分析是非常有效的技術(shù)方法[32]。其中，來自變質(zhì)巖母巖區(qū)的石英主要為褐色及棕褐色發(fā)光；來自巖漿巖母巖區(qū)的石英主要為藍(lán)色或藍(lán)紫色發(fā)光；來自沉積巖母巖區(qū)的石英一般不發(fā)光[33-35]。庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖中石英陰極發(fā)光特征較為豐富，既有藍(lán)色、藍(lán)紫色發(fā)光石英，也有褐色及棕褐色發(fā)光石英，同時還有少量不發(fā)光石英(圖5)。研究區(qū)上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖中石英陰極發(fā)光特征在縱向上具有明顯的規(guī)律性。以依南2井為例，塔里奇克組及阿合組早期沉積的砂巖中含有較多不發(fā)光石英，阿合組中—晚期及陽霞組早—中期沉積的砂巖中石英雖然有少量不發(fā)光或者褐色發(fā)光，但總體以藍(lán)紫色發(fā)光為主，陽霞組晚期及克孜勒努爾組沉積的砂巖中石英主要為褐色或棕褐色發(fā)光[圖6(a)]。與依南2井相似，研究區(qū)上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)石英陰極發(fā)光特征也具有相似的演化特征，即自下而上不發(fā)光石英含量逐漸減少直至消失，藍(lán)紫色發(fā)光石英含量先增多后減少，褐色—棕褐色發(fā)光石英含量逐漸增多[圖6(b)]。

統(tǒng)計結(jié)果表明：塔里奇克組沉積時期，研究區(qū)砂巖中石英雖然以藍(lán)紫色及棕褐色發(fā)光為主，但通常仍有較多的石英不發(fā)光[圖7(a)]；阿合組沉積時期，褐色—棕褐色發(fā)光石英含量明顯增多，但總體仍以藍(lán)色—藍(lán)紫色發(fā)光石英為主，不發(fā)光石英含量極低[圖7(b)]；陽霞組及克孜勒努爾組沉積時期，除庫車河以西地區(qū)仍以藍(lán)紫色發(fā)光石英為主外，研究區(qū)大部分地區(qū)砂巖中的石英以褐色—棕褐色發(fā)光為主[圖7(c)、(d)]。

石英陰極發(fā)光縱向演化特征表明：研究區(qū)晚三疊世受較多沉積巖母巖影響；早侏羅世物源區(qū)巖漿巖母巖影響增強，沉積巖母巖影響減弱；而中侏羅世巖漿巖母巖的影響減弱，變質(zhì)巖母巖影響逐漸增強。

2 物源方向

庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖中重礦物組合及石英陰極發(fā)光特征在平面上表現(xiàn)出明顯的東西分異特點，而基本沒有明顯的南北分異特點，反映了物源方向以SN向為主(圖4、7)。米斯布拉克、庫車河、克孜勒努爾溝、吐格爾明30團及29團等剖面塔里奇克組、阿合組、陽霞組及克孜勒努爾組砂巖中前積紋層總體傾向南部[圖8(a)～(d)]，表明這一沉積時期研究區(qū)主要受自北向南流動的水系控制。

餅圖由統(tǒng)計石英藍(lán)紫色發(fā)光、棕褐色發(fā)光及不發(fā)光顆粒數(shù)所得圖6 依南2井及上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)石英陰極發(fā)光分析Fig.6 CL Analyses of Quartz in Well Yinan2 and Upper Triassic-Middle Jurassic

地震反射特征對識別地質(zhì)體、反映物源方向十分有效[36-38]。庫車坳陷東部侏羅系內(nèi)部發(fā)育的古河道及前積結(jié)構(gòu)能夠指示物源方向。古河道形態(tài)上通常表現(xiàn)為下伏地層的“U”形削蝕下切，河道內(nèi)部往往具有雙上超的充填特征。這種古河道反射特征在迪北三維Trace方向(即近EW向)阿合組和陽霞組內(nèi)部較為常見，表明下切河道具有沿近SN向分布的特征。同時，地震解釋成果發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)侏羅系主要沿SN向或SSW向上超或下超[圖8(e)]，也從側(cè)面印證了物源具有沿SN向搬運的特點。

綜合砂巖重礦物組合及石英陰極發(fā)光分區(qū)、指向構(gòu)造及地震相標(biāo)志等研究成果，可以確定庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)主要受北部南天山造山帶物源影響和控制。

3 母巖區(qū)性質(zhì)

印支運動導(dǎo)致塔里木盆地遭受了劇烈影響，同時導(dǎo)致了上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)研究區(qū)沉積環(huán)境的巨大變化[39-44]；中三疊統(tǒng)及其以下地層均具有向上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)提供物源的潛力。庫車坳陷東部元古界—中奧陶統(tǒng)主要為變質(zhì)巖地層，主要發(fā)育片巖、片麻巖，少量為大理巖；上奧陶統(tǒng)—下二疊統(tǒng)主要發(fā)育碳酸鹽巖，含少量碎屑巖；中—上二疊統(tǒng)主要發(fā)育火山巖，常與碎屑巖呈互層狀產(chǎn)出，局部夾少量碳酸鹽巖；三疊系主要發(fā)育碎屑巖[45-46]。自下而上，庫車坳陷東部總體呈變質(zhì)巖→碳酸鹽巖→火山巖→碎屑巖的分布規(guī)律。

塔里奇克組沉積時期，研究區(qū)砂巖中含較多的陸源碎屑巖及碳酸鹽巖巖屑，同時含少量變質(zhì)巖、巖漿巖巖屑及黑云母；砂巖重礦物組合中鋯石及鐵礦含量較高，石榴子石含量較低[圖3和圖4(a)]。結(jié)合其砂巖中不發(fā)光石英含量較高的特征[圖6(b)和圖7(c)、(d)]，推測該沉積時期物源區(qū)母巖以沉積巖及巖漿巖為主，母巖可能為上奧陶統(tǒng)—上三疊統(tǒng)早期沉積。

阿合組及陽霞組沉積時期，研究區(qū)砂巖中仍含較多的陸源碎屑巖巖屑，并且變質(zhì)巖巖屑、巖漿巖巖屑及黑云母含量有增高的趨勢，砂巖重礦物組合中石榴子石含量較高[圖3和圖4(b)、(c)]。結(jié)合砂巖中不發(fā)光石英含量極低、藍(lán)紫色及棕褐色發(fā)光石英為主的特征[圖6和圖7(a)、(b)]，推測該沉積時期物源區(qū)三疊系母巖基本剝蝕殆盡，母巖可能主要為二疊系及其之下地層，以巖漿巖及變質(zhì)巖為主。

克孜勒努爾組沉積時期，研究區(qū)砂巖中變質(zhì)巖巖屑含量增多，砂巖重礦物組合中石榴子石含量很高[圖3和圖4(d)]。結(jié)合砂巖中石英以藍(lán)紫色及棕褐色發(fā)光為主的特征[圖6和圖7(d)]，推測母巖可能仍然主要為二疊系及其之下地層，但隨著母巖的不斷剝蝕，元古界母巖供給逐漸增多。

庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)物源演化特征總體反映了物源區(qū)母巖由新到老的一般剝蝕規(guī)律，但物源組分特別是砂巖重礦物組合在縱向上及平面上的變化，仍然反映了不同時期物源區(qū)構(gòu)造活動的差異性。相較于上三疊統(tǒng)塔里奇克組砂巖中石榴子石含量極低的特征，下侏羅統(tǒng)阿合組砂巖大部分已經(jīng)具有較高的石榴子石含量，表明晚三疊世/早侏羅世之交母巖區(qū)(即南天山造山帶)明顯受印支運動晚幕構(gòu)造抬升影響，導(dǎo)致元古界變質(zhì)巖卷入造山帶為侏羅系提供物源。阿合組/塔里奇克組分界在庫車坳陷東部雖然僅表現(xiàn)為沖刷，甚至是整合接觸，但上、下兩套地層之間明顯存在一次區(qū)域性構(gòu)造隆升事件。上三疊統(tǒng)塔里奇克組沉積時期，研究區(qū)砂巖重礦物組合總體較為相似[圖4(a)]，但從下侏羅統(tǒng)阿合組沉積時期開始，研究區(qū)砂巖重礦物組合開始呈現(xiàn)明顯的東西分異特點，即下侏羅統(tǒng)阿合組及陽霞組沉積時期，研究區(qū)吐格爾明30團剖面以東地區(qū)率先具有較高的石榴子石含量[圖4(b)、(c)]，而研究區(qū)吐格爾明30團剖面以西的中、西部地區(qū)到中侏羅統(tǒng)克孜勒努爾組沉積時期才具有高石榴子石含量的特征[圖4(d)]。

南天山是一個由多個不同時代不同成因的地質(zhì)體拼合而成的復(fù)雜造山帶[47-53]，在三疊紀(jì)已進入大規(guī)模后碰撞造山帶[54-61]，其后碰撞作用開始的時限約為266 Ma，其中為研究區(qū)提供物源的南天山造山帶中段后碰撞作用結(jié)束暨大規(guī)模夷平作用開始時間約為186 Ma[61]。本次研究表明：庫車坳陷東部下—中侏羅統(tǒng)重礦物分區(qū)位于吐格爾明30團剖面附近，大致對應(yīng)于南天山造山帶中段哈爾克山與虎拉山銜接帶[47]，哈爾克山主要為吐格爾明30團剖面以西提供物源，而吐格爾明30團剖面以東主要受虎拉山及額爾賓山物源區(qū)控制。從上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)砂巖重礦物組合的變化規(guī)律來看，晚三疊世庫車坳陷東部南天山造山帶還處于整體抬升時期，而從早侏羅世開始，南天山造山帶構(gòu)造活動開始出現(xiàn)分段性，東段(虎拉山及額爾賓山)可能比西段(哈爾克山)具有更早的隆升時間和更快的隆升-剝蝕速率。

4 結(jié) 語

(1)塔里木盆地庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)物源主要來自北部南天山造山帶物源區(qū)，基本無東部物源的影響，母巖區(qū)以巖漿巖和變質(zhì)巖母巖區(qū)為主，兼有少量沉積巖物源的影響。

(2)庫車坳陷東部上三疊統(tǒng)—中侏羅統(tǒng)物源涵蓋了元古界—中三疊統(tǒng)幾乎所有下伏地層，總體反映了地層由新到老的剝蝕序列。

(3)晚三疊世庫車坳陷東部南天山造山帶以整體隆升-剝蝕為主；從侏羅紀(jì)開始，南天山造山帶中段東、西部構(gòu)造活動明顯具有差異性，東段虎拉山及額爾賓山比西段哈爾克山隆升時間較早、隆升-剝蝕速率更快。