塔里木盆地西北緣震旦系沉積物源分析及對盆地屬性的制約

陳漢林，黃偉康，李 勇，章鳳奇，吳鴻翔，楊志林，黃少英，楊樹鋒

(1.浙江大學 地球科學學院，杭州 310027；2.教育部含油氣盆地構造研究中心，杭州 310027；3.中國石油 塔里木油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 庫爾勒 841000)

新元古代是全球大地構造演化中一個十分重要的階段，經(jīng)歷了羅迪尼亞(Rodinia)超大陸聚合和裂解過程。作為我國三個最主要的克拉通盆地之一的塔里木盆地，其新元古代發(fā)育了南華系和震旦系沉積體系，紀錄了大量新元古代盆地構造屬性和板塊動力學信息。塔里木盆地也是中國陸上面積最大的含油氣沉積盆地，油氣資源豐富[1]。隨著全球克拉通盆地深層古老層系油氣的不斷發(fā)現(xiàn)，震旦系已成為油氣勘探的重要新領域[2-5]。2020年1月在塔里木盆地北部輪探1井超深層(8 200 m以下)的下寒武統(tǒng)吾松格爾組和震旦系奇格布拉克組的油氣勘探獲得重大發(fā)現(xiàn)[6]，顯示出塔里木盆地震旦系等深層古老層系具有巨大的油氣資源勘探潛力。塔里木盆地震旦系已經(jīng)成為塔里木克拉通盆地深層油氣勘探的重點層系。

對震旦紀盆地的構造屬性，前人從不同角度進行了研究和探討。根據(jù)阿克蘇地區(qū)地層序列和沉積充填特征，提出塔里木北緣震旦紀經(jīng)歷了從大陸裂谷盆地到被動大陸邊緣盆地的演化[7]；阿克蘇地區(qū)震旦系玄武巖研究表明其形成于陸內(nèi)或板內(nèi)裂谷環(huán)境，指示震旦紀盆地是大陸裂谷成因[8-9]；另一些學者[10-15]基于震旦系巖性序列、沉積建造特點和碎屑物源分析認為是被動大陸邊緣盆地；對比南華紀盆地沉積特點和空間發(fā)育分布規(guī)律，認為震旦紀發(fā)育坳陷盆地[16]；根據(jù)南華紀和震旦紀盆地構造變形分析認為，震旦紀盆地為繼承性裂谷盆地[17]。

為了進一步分析揭示塔里木震旦紀盆地的構造屬性，筆者以位于塔里木盆地西北緣阿克蘇—烏什地區(qū)的什艾日克剖面(圖1)[18-19]為研究對象，開展震旦系沉積學特征和基于碎屑鋯石年代學的沉積物源分析，探討震旦系盆地的構造屬性。

1 震旦系發(fā)育特征

阿克蘇—烏什地區(qū)震旦系由蘇蓋特布拉克組和奇格布拉克組組成。

蘇蓋特布拉克組(Z1s)沉積特征整體下粗上細，早期沉積以陸相為主，逐漸過渡為海相，一般分為上、下2個亞組。下亞組屬強氧化環(huán)境的碎屑沉積，巖性主要為紫紅色中薄層狀中細砂巖、粉砂巖和粉砂質(zhì)頁巖，底部為暗紫紅色塊狀礫巖，富含微古植物化石；上亞組為弱還原環(huán)境的碳酸巖—細碎屑巖沉積，主要為灰綠色、黃灰色頁巖及細砂巖、粉砂巖，夾竹葉狀灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r和鈣質(zhì)白云巖，下部夾細礫巖，富含微古植物化石及少量疊層石等。本組不整合覆蓋于下伏冰磧巖之上，冰磧巖缺失時可直接覆蓋于巧恩布拉克群或超覆于更古老的阿克蘇群之上，與上覆地層整合接觸。

奇格布拉克組(Z2q)是震旦系最上部的巖石地層單元，主要為一套濱?！獪\海相的淺灰色中厚層狀白云巖(下部夾砂巖)，近頂部常見有晶洞或溶洞狀白云巖、砂質(zhì)白云巖，富含疊層石、核形石和微古植物化石。厚度均較穩(wěn)定，一般為141～195 m[20]。本組下部與蘇蓋特布拉克組為連續(xù)過渡關系，通常以底部第一層碳酸鹽巖穩(wěn)定層出現(xiàn)為界；上部與下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組為平行不整合接觸，頂部常見晶洞狀白云巖，與上覆層之間存在一層微弱的侵蝕面。

2 什艾日克剖面震旦系沉積充填特征

什艾日克剖面位于阿克蘇市阿依庫勒鎮(zhèn)西北約15 km處(圖1)，剖面巖層傾向主要為南東方向，主要出露基底阿克蘇群、震旦系蘇蓋特布拉克組及奇格布拉克組、寒武系和奧陶系，剖面十分連續(xù)，露頭清晰新鮮。

圖1 塔里木克拉通及鄰區(qū)構造格局(a)，塔西北阿克蘇—烏什地區(qū)地質(zhì)簡圖(b,c)分別修改自文獻[18]和[19]。Fig.1 Tectonic pattern of the Tarim Craton and its adjacent areas (a) and simplified geological map of Aksu and Ush areas in northwestern Tarim (b,c)

阿克蘇群未見底，巖性主要為灰色粉砂質(zhì)硅質(zhì)片巖、泥質(zhì)片巖，片理傾向大體為北北西向，可見紫紅色花崗偉晶巖脈侵入(圖2a)；因構造作用局部巖層發(fā)育褶皺變形，晚期巖脈也發(fā)生了褶皺變形，故推測變形事件與侵入事件應是兩期事件，而上覆蘇蓋特布拉克組均未經(jīng)歷這兩期事件。蘇蓋特布拉克組與下伏的阿克蘇群呈不整合接觸(圖2b)。

什艾日克剖面的蘇蓋特布拉克組厚約325 m，為濱岸相沉積，與上覆奇格布拉克組連續(xù)過渡。蘇蓋特布拉克組的巖性可以分為上、中、下3段。底部為一套厚層狀—中厚層狀紫紅色底礫巖(圖2b)，礫石成分主要有花崗偉晶巖礫(圖2d)，少量片巖礫(圖2c)，再往上以燧石為主?；◢弬ゾr礫上文說到可能來源于侵入到阿克蘇群片巖中的花崗偉晶巖脈，屬于近源的阿克蘇群的剝蝕；礫石橫向分布不穩(wěn)定，呈透鏡狀，直徑0.5～8 cm不等，磨圓較差。下段下部為紫紅色中厚層—中薄層砂礫巖、粗砂巖(圖2e)，上部粒度變細，主要為紫紅色中薄層狀細砂巖夾薄層狀粉砂巖、泥巖(圖2f)。中段主要為紫紅色中薄層狀中細砂巖與薄層狀細砂巖、粉砂巖不等厚互層沉積，形成多個下粗上細的沉積旋回，平行層理、交錯層理(圖2g)極為發(fā)育，局部發(fā)育粒序?qū)永?，泥質(zhì)粉砂巖中可見水平層理。上段顏色有所變化，主體為黃紅色中層狀—中薄層狀細砂巖與粉砂巖互層沉積(圖2h)，總體粒度有變細的趨勢，發(fā)育平行層理，砂巖表層常見溶蝕孔洞；頂部出現(xiàn)一層厚層狀白云巖，發(fā)育晶洞，是蘇蓋特布拉克組與奇格布拉克組的界線(圖3a)。綜上所述，什艾日克剖面蘇蓋特布拉克組整體為濱岸相沉積(圖4)。

圖2 塔里木盆地西北緣什艾日克剖面震旦系蘇蓋特布拉克組野外照片F(xiàn)ig.2 Field photos of Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

奇格布拉克組厚約160 m，分為上下2段。下段為青灰色白云巖與灰綠色砂巖互層沉積(圖3b)，白云巖中可見疊層石發(fā)育(圖3c，e)，灰綠色砂巖發(fā)育多層韻律，具有鮑馬序列的特點(圖3d)。上段主要為中厚層狀—塊狀白云巖(圖3f)，最大層厚可達22 m，可見水平層理發(fā)育。上覆寒武系玉爾吐斯組為黑色泥巖，與奇格布拉克組灰色白云巖呈平行不整合接觸。這些沉積特征表明什艾日克剖面奇格布拉克組總體為局限臺地相沉積(圖4)。

圖4 塔里木盆地西北緣什艾日克剖面震旦系綜合柱狀圖Fig.4 Stratigraphic histogram of Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

3 樣品特征及測試方法

樣品17SARK-01，17SARK-03，17SARK-05分別采自什艾日克剖面蘇蓋特布拉克組下段、中段、上段。位置(GPS)分別為40.990 77°N，79.986 81°E；40.990 16°N，79.989 33°E；40.988 51°N，79.989 87°E。均為紫紅色細砂巖，其中樣品17SARK-03石英含量較高。

什艾日克剖面樣品的鋯石單礦物分選和制靶在廊坊市尚藝地質(zhì)服務有限公司完成，分離鋯石采用標準密度法和磁學方法。LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年及鋯石透、反射在南京師范大學地理科學學院激光燒蝕電感耦合等離子體質(zhì)譜實驗室完

成。測試使用Agilent 7700XICP-MS儀器耦合到CETAC Teledyne Analyte 193 nm激光微探針獲得鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)。實驗中采用氦氣作為剝蝕物質(zhì)載氣，激光光束直徑為32 μm，激光頻率為6 Hz，激光強度為50 Mj。同位素分析采用標準鋯石91500外標進行校正，元素含量測定應用NIST SRM610玻璃作為外標，Si29作為內(nèi)標元素進行校正。每完成5～6個測點的樣品測定，測試標樣91500兩次。測樣方式為單點激光剝蝕，每完成兩組樣品測定加測標樣清湖(Qinghu)一次，來檢查91500標樣的穩(wěn)定性。鋯石定年中Pb同位素比值、U-Pb年齡數(shù)據(jù)處理采用IGORPro(Ver6.22)軟件，年齡采用Isoplot(Ver4.15)程序進行計算。

4 碎屑鋯石U-Pb年齡分析結(jié)果

樣品17SARK-01為細砂巖?？偣策x取100個鋯石顆粒進行測試，其中有97個點為諧和年齡，且諧和度普遍在95%以上，在諧和曲線圖上均落于諧和線上(圖5)。該樣品測試的鋯石Th/U比值范圍為0.03～4.05，只有1顆鋯石的Th/U比值在0.03～0.10，可能為變質(zhì)鋯石；有10個測試點Th/U比值在0.10～0.40；90%的鋯石Th/U比值在0.40～4.05，表明測試樣品的鋯石為巖漿成因鋯石。樣品17SARK-01諧和年齡最大的鋯石分析點為(3 262±25) Ma，最小的鋯石年齡為(753±21) Ma，鋯石年齡分布有4個主要的年齡峰：～797，～1 964，～2 305，～2 603 Ma(圖6)。該樣品中年齡最大的鋯石年齡范圍在3 262～3 138 Ma，為古太古代的年齡。

樣品17SARK-03為石英砂巖?？偣策x取103個鋯石顆粒進行測試，其中有99組為諧和年齡，且諧和度普遍在95%以上，在諧和曲線圖上均落于諧和線上(圖5)。該樣品測試的鋯石Th/U比值范圍為0.07～4.54，只有1顆鋯石的Th/U比值在0.07～0.10，可能為變質(zhì)鋯石；有18個測試點鋯石Th/U比值在0.10～0.40；大部分鋯石Th/U比值在0.40～4.54，表明測試樣品的鋯石為巖漿成因鋯石。樣品17SARK-03諧和年齡最大的鋯石分析點為(2 365±40) Ma，最小的鋯石年齡為(613±14) Ma，鋯石年齡分布有5個主要的年齡峰：～621，～740，～1 840，～1 989，～2 305 Ma(圖6)。3顆最年輕的諧和鋯石年齡平均值為623 Ma，指示其最大沉積年齡。

樣品17SARK-05為石英細砂巖?？偣策x取100個鋯石顆粒進行測試，其中有97組為諧和年齡，且諧和度普遍在95%以上，在諧和曲線圖上均落于諧和線上(圖5)。該樣品測試的鋯石Th/U比值范圍為0.014～2.62，有3顆鋯石的Th/U比值在0.014～0.10，可能為變質(zhì)鋯石；有16個測試點鋯石Th/U比值在0.10～0.40；大部分鋯石Th/U比值在0.40～2.62，表明測試樣品的鋯石為巖漿成因鋯石。樣品17SARK-05諧和年齡最大的鋯石分析點為(2 665±29) Ma，最小的鋯石年齡為(612±13) Ma，鋯石年齡分布有6個主要的年齡峰：～616，～736，～1 781，～1 864，～2 019，～2 335 Ma(圖6)。2顆最年輕的諧和鋯石年齡平均值為618 Ma，指示其最大沉積年齡。

圖5 塔里木盆地西北緣什艾日克剖面震旦系蘇蓋特布拉克組沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡諧和曲線Fig.5 U-Pb concordia plots for detrital zircons of sedimentary rocks from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

圖6 塔里木盆地西北緣什艾日克剖面震旦系蘇蓋特布拉克組沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖Fig.6 U-Pb age spectrum for detrital zircons of sedimentary rocks from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

5 討論

5.1 蘇蓋特布拉克組物源特征

對比3個蘇蓋特布拉克組碎屑鋯石年齡譜，發(fā)現(xiàn)年齡分布總體較為相似，但也有一定的差異性，總體表現(xiàn)為5個年齡組(表1)。

表1 塔里木盆地西北緣什艾日克剖面震旦系蘇蓋特布拉克組碎屑鋯石年齡譜峰值特征Table 1 Peak age characteristics of detrital zircons from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin Ma

在阿克蘇—烏什地區(qū)雖未發(fā)現(xiàn)早于元古代的巖石，但是塔里木克拉通北緣已廣泛記錄到年齡在2 700～2 300和2 100～1 800 Ma的巖漿巖或者變質(zhì)巖。蘇蓋特布拉克組碎屑鋯石年齡譜存在2個早期的峰值，約2 600和2 300 Ma，這2個年齡峰值可能與廣泛分布的新太古代—早古元古代巖石單元有關。近十年來，庫爾勒—庫魯克塔格地區(qū)已發(fā)現(xiàn)了豐富的新太古代—早古元古代的巖石：TTG片麻巖[207Pb/206Pb年齡加權平均值分別為(2 516±6)，(2 575±13)，(2 460±3) Ma][21]、片麻狀花崗巖[207Pb/206Pb年齡加權平均值(2 469±12) Ma)][22]、庫爾勒正片麻巖(年齡2 370 Ma)[23]、英云閃長巖[年齡(2 601±21) Ma]、奧長花崗巖[年齡(2 640±61) Ma]、鉀長花崗巖[年齡(2 534±19) Ma)][24]、黑云母角閃片麻巖[原巖年齡(2 391±73) Ma][25]、庫爾勒正片麻巖[207Pb/206Pb年齡加權平均值(2 293±16) Ma]、角閃巖(207Pb/206Pb年齡加權平均值2 710～2 740 Ma)[26-27]。因此，本研究中2 600和2 300 Ma峰值年齡的鋯石很可能來源于與庫爾勒—庫魯克塔格地區(qū)的新太古代—早古元古代巖石相同的塔里木克拉通內(nèi)部新太古代—早古元古代基底。

峰值3由3個次一級的年齡峰值構成，其年齡約為2 000～1 800 Ma。塔里木盆地北緣在2 100～1 800 Ma期間具有廣泛的巖漿作用和變質(zhì)作用，被解釋為與哥倫比亞超大陸的聚合有關[26]。近年來在庫爾勒—庫魯克塔格地區(qū)，報道了大量古元古代中期的巖漿巖和變質(zhì)巖，包括(1 916±36) Ma的變質(zhì)輝長巖[28]，結(jié)晶年齡為(1 915±13) Ma的花崗巖[29]，結(jié)晶年齡為(1 944±19) Ma的花崗閃長巖和(1 934±13) Ma的片麻狀石英閃長巖[30]，結(jié)晶年齡為1930～1940 Ma、變質(zhì)年齡為1910～1920 Ma的花崗巖類巖石[31]以及各種片麻巖和片巖[25-26，32]。此外，該地區(qū)幾乎所有較老的巖石都在1 930～1 790 Ma期間發(fā)生了強烈的變質(zhì)作用[12，25-27，31，33]，其鋯石具有均勻的內(nèi)部結(jié)構，可能與變質(zhì)作用相關，而這些變質(zhì)巖可能是2 000～1 800 Ma年齡的鋯石的來源。因此，塔里木克拉通古元古代(2 100～1 800 Ma)基底也為阿克蘇地區(qū)的震旦系提供了碎屑物質(zhì)。

對于峰值4(約790～730 Ma)的碎屑鋯石，其Th/U比值基本大于0.4，說明鋯石是巖漿成因。塔里木克拉通北部有大量的新元古代巖漿巖，其中發(fā)現(xiàn)了豐富的850～730 Ma裂谷相關巖漿巖[8，22，24，34-42]，以及743～727Ma的火山巖[43-44]。例如，庫魯克塔格地區(qū)花崗巖、花崗閃長巖、鎂鐵質(zhì)巖脈和超鎂鐵質(zhì)侵入體的年齡范圍為770～830 Ma[34-35]；庫魯克塔格地區(qū)發(fā)現(xiàn)埃達克質(zhì)深成巖體的U-Pb年齡為(790±3)和(798±3) Ma[36]。結(jié)合前人工作，峰值4的碎屑鋯石大都具有明顯的振蕩環(huán)帶，說明其為巖漿成因；多數(shù)呈自形形態(tài)，說明搬運距離相對較短。筆者認為峰值4的碎屑鋯石可能來源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷巖漿作用形成的巖漿巖。

蘇蓋特布拉克組碎屑鋯石最年輕的峰值是峰值5(約620 Ma)。在塔里木盆地北緣同樣也發(fā)現(xiàn)了大量這個時間段的巖漿巖，庫爾勒基性巖脈的SHRIMP U-Pb鋯石年齡為650～630 Ma[37]；庫魯克塔格地區(qū)特瑞艾肯和漢格爾喬克組之間的一層火山灰的U-Pb鋯石年齡為615 Ma[38]。此外，該年齡峰值與塔里木盆地北部的鉀長花崗巖[18]、過鋁質(zhì)花崗巖[45]和鎂鐵質(zhì)巖墻[42]的侵入年齡基本一致。而且，在塔里木盆地西北緣蘇蓋特布拉克剖面的蘇蓋特布拉克組內(nèi)部的玄武巖中獲得了2個加權平均年齡(615.2±4.8)和(614.4±9.1) Ma[8]。通過前面的分析我們可以初步認為，蘇蓋特布拉克組的地層沉積年齡大致在615 Ma左右，而年齡峰值5的620 Ma左右碎屑鋯石峰值年齡與地層的年齡基本一致。因此，筆者認為620 Ma的年齡峰值5應該是蘇蓋特布拉克組沉積時的巖漿作用在地層中的記錄，這一年齡的鋯石直接來自于同期巖漿作用。

5.2 塔里木西北緣震旦紀盆地屬性

關于塔里木南華紀和震旦紀的盆地性質(zhì)，前人先后對塔里木東北緣、西北緣、西南緣以及盆地區(qū)等從不同角度開展了諸多研究，取得了很多重要認識。新元古代晚期的南華紀是盆地構造伸展的重要時期，盆地結(jié)構上具有地塹和半地塹結(jié)構[17,46-47]，地層沉積厚度大、橫向變化快[16，46]，而且普遍發(fā)育火山巖夾層[39，48]，因此，南華紀盆地具有典型大陸裂谷盆地特點[10，39，46，48-51]。對于震旦紀盆地的構造屬性，先后有學者提出了大陸裂谷[8-9]、從大陸裂谷盆地到被動大陸邊緣盆地[7]、被動大陸邊緣盆地[11，42]、從克拉通內(nèi)坳陷盆地到被動陸緣盆地[15]、繼承性裂谷盆地[17]等不同認識。

塔里木盆地內(nèi)部地震資料表明，新元古代裂谷序列具有典型的裂谷期和坳陷期雙重構造特征[46，52]。從地震剖面解析，新元古界可以識別出典型的地塹等裂谷盆地結(jié)構，南華系具有明顯的斷陷盆地結(jié)構，震旦系則具有坳陷的特點(圖7)。從野外實測剖面來看，塔里木盆地南華—震旦系具有大陸裂谷建造特征，南華系從西方山組到尤爾美那克組，發(fā)育裂陷作用控制下的快速充填的濁積巖沉積建造，記錄了多期冰川作用形成的冰水相沉積；震旦系從蘇蓋特布拉克組到奇格布拉克組，由碎屑巖建造轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ嗵妓猁}巖建造，這與盆地從裂陷盆地到坳陷盆地演化的持續(xù)沉降過程相吻合。

圖7 塔里木盆地MX10-556地震測線剖面結(jié)構Fig.7 Structure along seismic profile MX10-556 in Tarim Basin

從前文碎屑鋯石物源分析可以發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地西北緣蘇蓋特布拉克組的沉積物源都是來自塔里木克拉通本身，年齡峰值1，2和3的碎屑鋯石來自塔里木克拉通內(nèi)部新太古代—中元古代基底，年齡峰值4的碎屑鋯石可能來源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷巖漿作用形成的巖漿巖，而年齡峰值5的鋯石是直接來自地層沉積時的巖漿作用。西北緣蘇蓋特布拉克組的沉積物源只有塔里木克拉通本身的物源，沒有塔里木克拉通之外(如碰撞造山帶、活動大陸邊緣等)的沉積物源，這一特征可以排除蘇蓋特布拉克組沉積時的盆地性質(zhì)不是與會聚板塊邊界有關的盆地。

結(jié)合地震剖面所具有斷陷—坳陷的結(jié)構特征、南華系快速充填的濁積巖沉積建造、震旦系由碎屑巖建造轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ嗵妓猁}巖建造、震旦系蘇蓋特布拉克組沉積同期的巖漿作用存在，筆者認為塔里木盆地西北緣震旦系經(jīng)歷了裂谷性盆地的斷—坳轉(zhuǎn)換階段和坳陷階段。

6 結(jié)論

(1)什艾日克剖面震旦系具有碎屑巖建造向海相碳酸鹽巖建造轉(zhuǎn)換的特征。蘇蓋特布拉克組整體為濱岸相碎屑巖沉積，下部為中厚層—中薄層砂礫巖、粗砂巖，向上總體逐漸變細，至上部為中層狀—中薄層狀細砂巖與粉砂巖互層沉積；奇格布拉克組總體為局限臺地相沉積，下段為白云巖與砂巖互層沉積，上段為中厚層狀—塊狀白云巖。

(2)什艾日克剖面震旦系蘇蓋特布拉克組碎屑鋯石年齡存在約2 600，2 300，2 000～1 800，790～730和620 Ma5個年齡峰值，其中2 600，2 300和2 000～1 800 Ma年齡峰值的碎屑鋯石來自于塔里木克拉通內(nèi)部新太古代—中元古代基底，790～730 Ma年齡峰值的碎屑鋯石可能來源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷巖漿作用形成的巖漿巖，而620 Ma年齡峰值的鋯石是直接來自地層沉積時的裂谷巖漿作用，這些特征表明碎屑物質(zhì)可能來源于塔里木盆地北緣本身。

(3)結(jié)合地震剖面所具有斷陷—坳陷的結(jié)構特征、南華系快速充填的濁積巖沉積建造、震旦系由碎屑巖建造轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｏ嗵妓猁}巖建造、震旦系蘇蓋特布拉克組沉積同期的巖漿作用存在，認為塔里木盆地西北緣震旦系經(jīng)歷了裂谷性盆地的斷—坳轉(zhuǎn)換階段和坳陷階段。