何登發(fā),吳松濤,趙龍,鄭孟林,李滌,路玉
近十年來(lái),準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷三疊系百口泉組、克拉瑪依組及二疊系上烏爾禾組等層系巖性地層油氣藏的系列發(fā)現(xiàn),充分展示了其巨大的勘探潛力[1-2]。自下二疊統(tǒng)風(fēng)城組烴源巖到上三疊統(tǒng)白堿灘組厚層泥巖蓋層,形成了一個(gè)重要的含油氣體系,其內(nèi)發(fā)育完整有效的生、儲(chǔ)、蓋組合。揭示二疊系—三疊系沉積充填的構(gòu)造背景和沉積物分散方式,是尋找優(yōu)質(zhì)有效儲(chǔ)集體、預(yù)測(cè)有利巖性地層圈閉、剖析溝通源儲(chǔ)的運(yùn)移通道和建立油氣成藏模式的重要基礎(chǔ)。
關(guān)于二疊系—三疊系的沉積構(gòu)造背景,一是涉及物源區(qū)的位置及其性質(zhì),主要與準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的加依爾山、謝米斯臺(tái)山等山系的發(fā)育有關(guān);二是沉積區(qū)的構(gòu)造背景與沉積體系發(fā)育的環(huán)境,受控于盆地沉降機(jī)制及構(gòu)造活動(dòng)制約的構(gòu)造—古地貌;三是將前述二者聯(lián)系起來(lái)的“搬運(yùn)通道”,如大小河流體系的發(fā)育、分布與演化。由于后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造與破壞,由物源、搬運(yùn)和沉積構(gòu)成的完整的“源—匯系統(tǒng)”不復(fù)存在。要復(fù)原當(dāng)初的構(gòu)造—沉積面貌,多從現(xiàn)今的地層反演。
對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊紀(jì)—三疊紀(jì)物源區(qū)構(gòu)造屬性的研究,前后有3種代表性觀點(diǎn)。一是自20世紀(jì)50年代至80年代,認(rèn)為西北緣為“逆沖斷裂帶”[3],這一逆沖體系的前緣斷裂帶的結(jié)構(gòu)為若干探井及地震剖面所證實(shí)[4-5],可分為前緣斷塊與后緣斷塊,并建立了推覆體、前緣斷塊帶、上盤超覆帶與下盤掩伏帶的“四帶”地質(zhì)結(jié)構(gòu)模式,這一模式有效指導(dǎo)了白堿灘、百口泉、烏爾禾、夏子街等油田的發(fā)現(xiàn)[3],以此為基礎(chǔ)提出了西北緣的“逆掩斷層控油說(shuō)”。其后,在20世紀(jì)后20年,隨著油氣勘探開(kāi)發(fā)的深入開(kāi)展,這一理論得到了發(fā)展,油田專家發(fā)現(xiàn)逆沖斷層的活動(dòng)控制其前緣沖積扇體的發(fā)育[6],隨著五八區(qū)、百口泉等地扇體油氣藏的不斷發(fā)現(xiàn),對(duì)逆沖斷層的控扇作用的認(rèn)識(shí)不斷深化,提出了西北緣二疊系、三疊系油氣分布的“扇控論”觀點(diǎn)。上述認(rèn)識(shí)源于油氣勘探開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)期實(shí)踐,并已被證實(shí),但也應(yīng)看到囿于盆地研究的局限性,對(duì)周緣造山帶的活動(dòng)及其可能物源區(qū)的研究較為薄弱。二是近十年來(lái)的“走滑斷層”觀點(diǎn)[7-9],通過(guò)對(duì)達(dá)爾布特?cái)嗔鸭捌湎噜弲^(qū)域構(gòu)造環(huán)境的研究,認(rèn)為在二疊紀(jì)—三疊紀(jì),達(dá)爾布特?cái)嗔训淖呋顒?dòng)引起了克百、烏夏、紅車等斷層的逆沖或壓扭性活動(dòng),從而建立了壓扭性或“花狀構(gòu)造”模式。對(duì)于走滑活動(dòng),一種觀點(diǎn)認(rèn)為,在晚二疊世—晚三疊世,由準(zhǔn)噶爾地塊和西準(zhǔn)噶爾相對(duì)于成吉斯汗弧發(fā)生了反時(shí)針旋轉(zhuǎn)引起[9];另一觀點(diǎn)認(rèn)為,在二疊紀(jì)末期—三疊紀(jì),與相鄰的達(dá)爾布特右行走滑斷層同步,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣發(fā)生右行走滑構(gòu)造變形[7]。他們都認(rèn)為克百、烏夏等為右行走滑逆沖帶。目前,對(duì)中亞地區(qū)二疊紀(jì)北西—南東向右行走滑斷裂系統(tǒng),有學(xué)者曾提出,東哈薩克斯坦斷裂、額爾齊斯斷裂等的活動(dòng)對(duì)北東—南西向的斷層帶有制約作用,即北東—南西向的達(dá)爾布特?cái)嗔严凳芸赜诒蔽鳌蠔|向的走滑斷層[10];北西向主控?cái)嗔压派┌l(fā)生了右行走滑運(yùn)動(dòng),每條斷裂的走滑量為80~200 km不等,北東東—南西西向斷裂為逆沖兼左行走滑運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)北西—南東向斷裂要小得多。也有學(xué)者認(rèn)為,巴爾喀什弧形構(gòu)造是古生代早期聚合的哈薩克斯坦古板塊北部邊緣,在古生代晚期遭受大型斷裂左行走滑及伴生旋轉(zhuǎn)構(gòu)造變形改造的結(jié)果,在復(fù)原圖上西準(zhǔn)噶爾構(gòu)造帶呈北北西—南北向 ;文獻(xiàn)[14]根據(jù)塔爾巴哈臺(tái)山和天山古地磁研究,進(jìn)一步厘定了中泥盆世以后地塊旋轉(zhuǎn)的存在,北西—南東向的右行走滑斷裂帶與西準(zhǔn)噶爾北東—南西向的逆沖斷裂構(gòu)成了右行走滑—逆沖的雙重構(gòu)造[13]。但目前對(duì)于中亞地區(qū)走滑斷裂系的構(gòu)造格架、達(dá)爾布特?cái)嗔严刀B紀(jì)的走滑特征等研究尚淺,多為模式性;中亞地區(qū)泥盆紀(jì)—石炭紀(jì)洋盆的關(guān)閉方式及其后二疊紀(jì)陸內(nèi)調(diào)整變形等都對(duì)走滑變形有重要影響。三是“逆沖—走滑”觀點(diǎn),這一觀點(diǎn)認(rèn)為達(dá)爾布特?cái)嗔严档淖呋饕l(fā)生在新近紀(jì)—第四紀(jì)[15-18],其活動(dòng)與二疊紀(jì)—三疊紀(jì)形成的準(zhǔn)噶爾盆地西北緣大型逆沖系統(tǒng)疊加,形成了西北緣沖斷—走滑構(gòu)造體系[19]。
對(duì)沉積區(qū)瑪湖凹陷的構(gòu)造性質(zhì),有2種截然不同的觀點(diǎn)。一是油田專家的前陸盆地觀點(diǎn),如認(rèn)為二疊系具有典型的前陸盆地沉積特征[2-3],二疊系由盆地內(nèi)部向盆地邊緣呈楔狀加厚,自下而上,各巖組的沉積中心向盆地內(nèi)部遷移,反映了盆緣斷裂帶向盆地內(nèi)部的前展式遷移。二是非前陸盆地觀點(diǎn),認(rèn)為瑪湖凹陷的沉積受控于西北緣走滑斷裂帶的活動(dòng),這種觀點(diǎn)持有者并未做過(guò)深入的研究。近年來(lái),對(duì)風(fēng)城組或佳木河組—風(fēng)城組的沉積環(huán)境,基于在哈拉阿拉特山的鉆井發(fā)現(xiàn)了風(fēng)城組烴源巖[20],或基于周緣山系同期花崗巖或巖脈的年齡及構(gòu)造,認(rèn)為它們發(fā)育于伸展構(gòu)造背景,沖斷活動(dòng)則起始于晚二疊世—中三疊世[21]。
要探討二疊紀(jì)—三疊紀(jì)的構(gòu)造—沉積環(huán)境,既要剖析準(zhǔn)噶爾盆地西北緣及鄰區(qū)這一時(shí)期的構(gòu)造格局及其活動(dòng)特點(diǎn),又要深入分析其沉積物構(gòu)成及演化,復(fù)原時(shí)-空格架約束下的物源區(qū)隆升、剝蝕和碎屑搬運(yùn),以及沉積區(qū)沉降與充填體系。本文基于上述思路,在近年來(lái)中亞地區(qū)構(gòu)造格局、構(gòu)造—古地理與瑪湖凹陷沉積充填研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上,對(duì)此進(jìn)行探討。
瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部,介于克百斷裂帶—烏夏斷裂帶與陸梁隆起西段之間(圖1a),是在石炭紀(jì)前的基底之上發(fā)育的、沉積厚度上萬(wàn)米的石炭系—第四系凹陷(圖1b)。受克百斷裂帶—烏夏斷裂帶演化的控制,三疊系之下地層由西北緣向凹陷內(nèi)部?jī)A斜,傾角小—中等;三疊系之上地層向凹陷內(nèi)部緩傾,向沖斷帶之上逐層超覆。
圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣大地構(gòu)造位置(a)與構(gòu)造地質(zhì)橫剖面圖(b)
克夏沖斷帶是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣大型沖斷推覆體系的前鋒斷裂帶[3-5,22]。西準(zhǔn)噶爾推覆體是大型斷裂活動(dòng)構(gòu)造堆疊的巖片[13]。塔爾巴哈臺(tái)—薩吾爾推覆體、巴爾魯克—謝米斯臺(tái)推覆體和加依爾推覆體等3排推覆體,構(gòu)成了西準(zhǔn)噶爾沖斷推覆體系的整體格架[23]。新的地球物理資料表明,推覆體系的滑脫深度在10~12 km,為自西向東滑脫面逐漸抬升的一系列逆沖席,沖斷前鋒已達(dá)瑪湖凹陷西斜坡之下。塔城、和布克賽爾、托里、和什托洛蓋等盆地是在上述推覆體之上發(fā)育的中—新生代沉積盆地。陸梁隆起是一個(gè)石炭紀(jì)的島弧帶[24],在二疊紀(jì)早期遭受剝蝕,中二疊世逐漸被掩埋,三疊紀(jì)—中侏羅世西山窯期穩(wěn)定埋藏。中侏羅世晚期—晚侏羅世,遭受壓扭改造,形成了一系列北東—南西向的鼻狀構(gòu)造帶[25-26],如夏鹽、石東構(gòu)造帶。白堊紀(jì)以來(lái)再次埋藏,新近紀(jì)以來(lái)向南掀斜。
周緣沖斷帶的活動(dòng)主要在早石炭世、中—晚二疊世和三疊紀(jì)晚期,具前展式活動(dòng)特征。沖斷活動(dòng)引起的構(gòu)造負(fù)荷是瑪湖凹陷沉降的主要原因,因幕式擠壓活動(dòng),瑪湖凹陷的發(fā)育也具幕式特點(diǎn)。同時(shí),沖斷活動(dòng)為瑪湖凹陷提供了大量沉積物,是上烏爾禾組、百口泉組等發(fā)育大型沖積扇、扇三角洲體系的主要原因[27]。
圖2 準(zhǔn)噶爾盆地及鄰區(qū)古洋盆發(fā)育時(shí)限
準(zhǔn)噶爾地區(qū)在新元古代至古生代發(fā)育多個(gè)古洋盆,并且部分古洋盆持續(xù)發(fā)育時(shí)間較長(zhǎng),表明古亞洲洋具有長(zhǎng)期、復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史(圖2)。該地區(qū)的構(gòu)造演化與額爾齊斯洋、卡拉麥里—達(dá)爾布特洋和南天山洋3個(gè)主洋盆的俯沖、消減和閉合過(guò)程密切相關(guān),其演化主要經(jīng)歷了3個(gè)階段(圖2)。①晚奧陶世—早志留世,中天山洋閉合,以干溝蛇綠混雜巖為代表;下志留統(tǒng)前陸盆地復(fù)理石沉積建造不整合于該蛇綠巖之上;與此同時(shí),中天山洋的南向俯沖作用在南天山地區(qū)形成了庫(kù)勒湖—古羅溝弧后洋盆(南天山洋)。②早泥盆世—早石炭世,東準(zhǔn)噶爾卡拉麥里洋盆閉合。根據(jù)同碰撞磨拉石沉積,將該洋盆的閉合時(shí)間限定在維憲期,其上被巴塔瑪依內(nèi)山組后碰撞火山巖序列覆蓋;在此期間,西準(zhǔn)噶爾北部成吉思汗弧和薩吾爾弧也發(fā)生拼合。③晚石炭世—早二疊世,準(zhǔn)噶爾地區(qū)的各分支洋盆,包括南天山、北天山、西準(zhǔn)噶爾和北準(zhǔn)噶爾(額爾齊斯)洋盆,相繼閉合。天山地區(qū)中天山洋盆閉合早,南天山洋盆和北天山洋盆閉合晚,呈現(xiàn)中部早、南北晚的閉合特征;東準(zhǔn)噶爾地區(qū)卡拉麥里洋盆閉合早,閉合時(shí)間為早—中石炭世,西準(zhǔn)噶爾和北準(zhǔn)噶爾地區(qū)洋盆閉合晚,區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的早—中二疊世陸相沉積序列以及地塹、半地塹的伸展構(gòu)造揭示,它們的閉合時(shí)間不晚于早二疊世,準(zhǔn)噶爾地區(qū)洋盆閉合表現(xiàn)為東部早、西部和北部晚的特點(diǎn)。
準(zhǔn)噶爾地區(qū)廣泛發(fā)育的花崗巖主要形成于石炭紀(jì)—二疊紀(jì),部分地區(qū)有奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)和三疊紀(jì)形成的花崗巖出露(圖3)。準(zhǔn)噶爾地區(qū)目前發(fā)現(xiàn)的最老的花崗巖形成于晚奧陶世,發(fā)育在中天山地塊南緣,其形成與中天山與伊犁地塊碰撞過(guò)程中地殼增厚有關(guān)。晚志留世—早泥盆世(416×106—317×106a)花崗巖主要分布在西準(zhǔn)噶爾北部的謝米斯臺(tái)山以及阿爾泰地區(qū),大多具有堿性特征,被認(rèn)為是額爾齊斯洋盆向成吉斯汗弧和阿爾泰弧之下俯沖消減過(guò)程中的產(chǎn)物。三疊系花崗巖全部出露在阿爾泰地體上,大多具有A2型花崗巖的特征,是造山后陸內(nèi)演化階段的產(chǎn)物。
作為準(zhǔn)噶爾地區(qū)侵入巖的主體,石炭系—二疊系花崗巖的形成時(shí)代主要集中在340×106—320×106a(早石炭世)和320×106—290×106a(晚石炭世—早二疊世)2個(gè)階段。這兩期花崗巖在整個(gè)準(zhǔn)噶爾地區(qū)均有分布,鉆孔中也可見(jiàn)到[28]。下石炭統(tǒng)花崗巖大多為Ⅰ型、鈣堿性系列,被認(rèn)為是準(zhǔn)噶爾洋各分支洋盆俯沖過(guò)程中的產(chǎn)物;相比之下,上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)花崗巖的則具有發(fā)育時(shí)限較長(zhǎng)、巖漿作用強(qiáng)烈和成因類型復(fù)雜的特點(diǎn)。該階段既有A型花崗巖發(fā)育,也有Ⅰ型和S型花崗巖發(fā)育。上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)花崗巖產(chǎn)出連續(xù),峰值在315×106—310×106a,整體上以堿性(A型)花崗巖為主,并伴生有高溫的紫蘇花崗巖。上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)花崗巖代表了準(zhǔn)噶爾地區(qū)地殼生長(zhǎng)的重要記錄,其形成于伸展構(gòu)造環(huán)境。然而,該伸展作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)制是板片俯沖碰撞,還是地幔柱上隆,目前尚存爭(zhēng)議,需要進(jìn)一步深入研究。
圖3 準(zhǔn)噶爾盆地及鄰區(qū)花崗巖分布特征
準(zhǔn)噶爾盆地及鄰區(qū)花崗巖的時(shí)空分布表明,石炭紀(jì)—二疊紀(jì)為該地區(qū)地殼生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,所有的花崗巖都具有正的?Nd(t)值,其形成時(shí)代和成因揭示了該地區(qū)在洋陸轉(zhuǎn)換過(guò)程中經(jīng)歷了早石炭世和晚石炭世—早二疊世2個(gè)階段的地殼生長(zhǎng)。
達(dá)爾布特?cái)嗔褞槟嗯杓o(jì)—早石炭世的縫合帶,在早二疊世初,表現(xiàn)為脆—韌性左行走滑剪切帶[29];在中二疊世—中三疊世為壓扭性活動(dòng),向南東的逆沖位移達(dá)15~20 km,蛇綠巖、花崗巖體沿其存在牽引、拖曳現(xiàn)象。但達(dá)爾布特?cái)嗔言诤笃诘幕顒?dòng)主要發(fā)生在新生代[9,15,18],斷距約20 km.斷裂在西南端狹窄,在哈拉阿拉特山切割早期的推覆體[17]。
過(guò)瑪湖1井—達(dá)探1井的東西向地震剖面較為清楚地揭示了瑪湖凹陷的地質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖4)。以佳木河組底界為界,其下火山巖成分較多,地震反射波組較雜亂;其上地層中沉積巖占主導(dǎo),地震反射波組連續(xù),且以三疊系底界、侏羅系底界為界,出現(xiàn)明顯的厚度變化。
圖4 瑪湖凹陷過(guò)瑪湖1井—達(dá)探1井地震解釋剖面(剖面位置見(jiàn)圖1)
瑪湖凹陷的石炭系及石炭系之下基底中逆沖斷層發(fā)育。F12斷層自山前向達(dá)巴松凸起方向形成臺(tái)階狀逆沖斷層,在10 s,9 s和7 s發(fā)育斷坪,其間為斷坡。F6斷層與其之下的F8和F9斷層構(gòu)成雙重構(gòu)造,由3個(gè)疊瓦扇構(gòu)成,因疊瓦扇的楔入導(dǎo)致其上的二疊系向盆地內(nèi)部?jī)A斜。F13斷層為發(fā)育在石炭系內(nèi)部的鏟式正斷層,F(xiàn)14和F15斷層為其上發(fā)育的次級(jí)斷層,斷層上端點(diǎn)終止于上石炭統(tǒng)底界,下端點(diǎn)終止于F12斷層,上盤地層具有靠近斷層加厚、遠(yuǎn)離斷層減薄的特征,可見(jiàn)上石炭統(tǒng)底界與下伏地層之間為角度不整合接觸關(guān)系。推測(cè)F12和F13斷層相交于達(dá)巴松凸起之下。該凸起之下,發(fā)育F12和F16斷層;F12斷層之上可見(jiàn)石炭系火山巖,并已為達(dá)探1井鉆遇。值得注意的是,達(dá)探1井深層發(fā)現(xiàn)大型丘狀火山建造,該建造兩側(cè)均為石炭系斷陷,其中左側(cè)表現(xiàn)為沉積層序與火山丘之間為超覆不整合接觸關(guān)系,右側(cè)為F17正斷層,其上盤地層靠近斷層較厚、遠(yuǎn)離斷層減薄,呈楔形。
剖面左側(cè)發(fā)育F1,F(xiàn)2和F3斷層(圖5),F(xiàn)1和F2斷層為克百斷裂帶的前鋒斷裂,斷層端點(diǎn)位于中侏羅統(tǒng)西山窯組底界;F3斷層收斂于克拉瑪依組底界。三者構(gòu)成疊瓦扇,主體為石炭系推覆體。在F2和F3斷層之下的F4(底板斷層)和F5斷層(頂板斷層)構(gòu)成構(gòu)造楔,主要由佳木河組構(gòu)成;F5斷層上盤地層受構(gòu)造楔作用發(fā)生反向滑動(dòng),形成三疊系與二疊系佳木河組之間的削蝕不整合現(xiàn)象。
上石炭統(tǒng)及二疊系中幾乎不發(fā)育位移較大的斷層,但地層明顯東傾或東南傾。佳木河組下段、中段和上段向山前急劇加厚,但自下而上沉降中心逐漸向盆地內(nèi)部遷移。至風(fēng)城組沉積期,沉降中心遷移至瑪湖1井以東;在夏子街組、下烏爾禾組沉積期,沉降中心遷移至現(xiàn)今瑪湖凹陷的中部,位于下伏的低凸起之上;三疊紀(jì)沉降中心遷移至瑪湖1井—達(dá)探1井之間;侏羅系—白堊系厚度變化較平緩,向沖斷帶之上逐漸超覆。
圖5 瑪湖凹陷西斜坡沖斷帶構(gòu)造模型(位置見(jiàn)圖4)
在克百斷裂帶前緣,發(fā)育佳木河組內(nèi)部構(gòu)造楔(圖5)。根據(jù)對(duì)軸面的分析認(rèn)為,該構(gòu)造楔的形成時(shí)間應(yīng)在佳木河組二段沉積之后。至二疊紀(jì)末期,西北緣發(fā)生大規(guī)模逆沖推覆抬升,造成百口泉組與下伏佳木河組、風(fēng)城組之間的削截不整合接觸。至中侏羅世西山窯組沉積期末,再次發(fā)生大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng),反映在盆地內(nèi)部形成大型的車莫古隆起[30],在西北緣也可見(jiàn)F1,F(xiàn)2和F3高陡逆沖斷層。值得注意的是,F(xiàn)1和F2斷層應(yīng)該最晚在二疊紀(jì)就已經(jīng)表現(xiàn)為逆沖性質(zhì),而后在中侏羅世再次逆沖,產(chǎn)狀更為高陡,而F3斷層則在中侏羅世末期活動(dòng)。
在瑪湖凹陷西斜坡,佳木河組整體呈現(xiàn)靠近山前加厚、遠(yuǎn)離山前減薄的楔形特征(圖6)。其內(nèi)部又可根據(jù)不整合特征及地震波同相軸特征,由下至上分為佳一段、佳二段和佳三段。其中佳一段與下伏地層存在“似下超”不整合接觸關(guān)系,若考慮佳木河組靠近山前楔形加厚特征推測(cè),這種“似下超”不整合關(guān)系實(shí)為上超不整合接觸關(guān)系,可識(shí)別出1個(gè)典型超覆面;佳二段與佳一段之間同樣存在這種超覆接觸關(guān)系,識(shí)別出3個(gè)典型超覆面,代表三期超覆活動(dòng);同樣的,可識(shí)別出佳三段與佳二段之間的超覆不整合接觸關(guān)系,有4個(gè)上超點(diǎn)。在瑪湖凹陷內(nèi)部,可識(shí)別出下二疊統(tǒng)背斜及瑪湖背斜。風(fēng)城組厚度相對(duì)均一,同相軸相對(duì)連續(xù),僅在局部發(fā)現(xiàn)夏子街組與風(fēng)城組之間的侵蝕不整合接觸關(guān)系,可能為河流下切作用的產(chǎn)物。夏子街組和下烏爾禾組靠近山前減薄,伸入瑪湖凹陷內(nèi)部則加厚,可見(jiàn)下烏爾禾組與夏子街組之間、上烏爾禾組與下烏爾禾組之間的削蝕不整合接觸關(guān)系。不難發(fā)現(xiàn),中二疊世為湖盆范圍不斷擴(kuò)大的過(guò)程,至下烏爾禾組沉積末期達(dá)到頂峰,隨后在二疊紀(jì)末期,大規(guī)模的填平補(bǔ)齊作用導(dǎo)致湖盆范圍急劇縮小,可見(jiàn)到三疊系與二疊系各個(gè)層系之間的削截關(guān)系(圖6)。百口泉組以快速充填為主,克拉瑪依組沉積期再次進(jìn)入穩(wěn)定沉積階段,可見(jiàn)向山方向發(fā)展的3期超覆不整合現(xiàn)象。白堿灘組底界可見(jiàn)削蝕不整合現(xiàn)象,為早期受構(gòu)造活動(dòng)影響而快速沉積的產(chǎn)物,隨后可見(jiàn)白堿灘組內(nèi)部向山的超覆不整合接觸關(guān)系,為白堿灘組沉積后期湖進(jìn)過(guò)程中穩(wěn)定沉積的產(chǎn)物。由此可見(jiàn),三疊紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)較為頻繁,但整體仍以湖盆逐漸擴(kuò)大為主。
圖6 瑪湖凹陷內(nèi)部地層不整合接觸關(guān)系(位置見(jiàn)圖4)
在達(dá)巴松凸起上,石炭系發(fā)育大型火山丘建造,火山丘兩側(cè)為伸展斷陷,可見(jiàn)火山丘左側(cè)超覆不整合和火山丘右側(cè)正斷層形態(tài)(圖7)。上石炭統(tǒng)厚度相對(duì)均一,下二疊統(tǒng)佳木河組具有中間薄、兩邊厚的特點(diǎn),在凸起左翼可見(jiàn)佳木河組與上石炭統(tǒng)之間的超覆—削蝕不整合接觸關(guān)系,在凸起右翼可見(jiàn)佳三段與佳二段之間的超覆接觸關(guān)系。風(fēng)城組沉積相對(duì)穩(wěn)定,至夏子街組沉積期,地層再次出現(xiàn)中間薄、兩邊厚的特點(diǎn),凸起左翼可見(jiàn)夏子街組與風(fēng)城組之間超覆不整合接觸關(guān)系,凸起右翼可見(jiàn)下烏爾禾組與夏子街組之間平行—削蝕不整合關(guān)系。下烏爾禾組左翼厚、右翼薄,未見(jiàn)明顯不整合接觸關(guān)系。百口泉組頂界可識(shí)別出雙向削蝕不整合。克拉瑪依組頂界可見(jiàn)平行—削蝕不整合。頭屯河組與西山窯組之間存在超覆不整合接觸關(guān)系。由此可見(jiàn),石炭系內(nèi)部發(fā)育2個(gè)伸展半地塹夾持1個(gè)火山丘建造的構(gòu)造樣式;佳木河組(佳二段)沉積期為火山丘右側(cè)半地塹的主要形成期。根據(jù)地層接觸關(guān)系可知,達(dá)巴松凸起最早形成時(shí)期應(yīng)在石炭紀(jì),以火山丘為雛形,至夏子街組沉積期,受東西向的擠壓作用形成凸起形態(tài),具有不對(duì)稱性,左翼較長(zhǎng)、右翼較短;隨后進(jìn)入持續(xù)隆升階段,時(shí)限為中二疊世末期—中三疊世末期,隆起幅度較之前有所減緩,位置發(fā)生輕微偏移。八道灣組、三工河組和部分西山窯組穩(wěn)定沉積之后,在西山窯組沉積期末再次隆升,但隆升幅度更緩。
圖7 達(dá)巴松凸起的地層接觸關(guān)系(位置見(jiàn)圖4)
將白堿灘組底界拉平后(圖8)可見(jiàn):①瑪湖凹陷內(nèi)部出現(xiàn)佳木河組的2個(gè)沉積中心,其間存在近南北向的背斜,形成時(shí)間大約為晚石炭世—早二疊世,這是深部正斷層活動(dòng)造成的;②風(fēng)城組主要發(fā)育在山前帶和瑪湖凹陷西斜坡,地層往盆地內(nèi)部減薄,并且沉降沉積中心向盆內(nèi)遷移;③夏子街組沉降沉積中心位于瑪湖凹陷腹部,地層向兩側(cè)減薄,由佳木河組沉積期2個(gè)沉積中心逐漸合并為1個(gè)。
根據(jù)不整合接觸特征和地層分布特征,可將瑪湖凹陷晚石炭世—中三疊世的構(gòu)造演化劃分為3個(gè)階段,晚石炭世—早二疊世佳木河組沉積期(現(xiàn)已確定為晚石炭世晚期)斷陷發(fā)育期,早二疊世風(fēng)城組沉積期斷陷期(末期轉(zhuǎn)擠壓),中二疊世—中三疊世擠壓發(fā)育期。
圖8 過(guò)瑪湖1井—達(dá)探1井的白堿灘組底界拉平后地震解釋剖面
準(zhǔn)噶爾地塊古生代早期為一個(gè)獨(dú)立的微板塊,從泥盆紀(jì)開(kāi)始分裂成若干個(gè)地塊,拉張最大距離達(dá)1 000 km[31].不同地塊在古生代晚期的古緯度為:北準(zhǔn)噶爾地塊在泥盆紀(jì)位于北緯28.0°,在石炭紀(jì)位于北緯36.0°,在二疊紀(jì)位于北緯23.6°;東準(zhǔn)噶爾地塊在泥盆紀(jì)位于北緯27.9°,在石炭紀(jì)位于北緯29.1°,在二疊紀(jì)位于北緯30.6°,在三疊紀(jì)位于北緯30.9°;西準(zhǔn)噶爾地塊在石炭紀(jì)位于北緯36.0°,在二疊紀(jì)位于北緯29.0°,在三疊紀(jì)位于北緯38.0°;南準(zhǔn)噶爾地塊在石炭紀(jì)位于北緯38.0°,在二疊紀(jì)位于北緯39.0°,在侏羅紀(jì)位于北緯24.2°.雖然精度有待提高,大體表明準(zhǔn)噶爾地塊在古生代晚期位于北緯30.0°~35.0°[31],自泥盆紀(jì)到石炭紀(jì),準(zhǔn)噶爾地塊向北漂移,同時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn);自中石炭世—早二疊世,準(zhǔn)噶爾地塊緯度變化不大,但逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)就位;晚二疊世,又向北移動(dòng)。
這表明,準(zhǔn)噶爾地塊在古生代晚期與哈薩克斯坦板塊聯(lián)合成一體,組成了哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊[10]。石炭紀(jì)之后即為一個(gè)整體。這與前述古亞洲洋盆的演化是一致的。
對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣一系列地震大剖面的解釋與復(fù)原展示,哈拉阿拉特山、烏夏斷裂帶的擠壓縮短量達(dá)25~35 km;克拉瑪依—百口泉一帶的擠壓縮短量為15~25 km.
車排子凸起多年來(lái)被認(rèn)為是原位沖斷隆起,擠壓縮短僅為5~10 km.但新的三維地震資料表明,車排子凸起內(nèi)部石炭系疊瓦構(gòu)造非常發(fā)育,疊置十分嚴(yán)重,擠壓縮短有可能是3個(gè)前緣斷裂帶中最大的,這與它的旋轉(zhuǎn)推覆有關(guān)。
由此看來(lái),二疊紀(jì)時(shí),烏夏斷裂帶部位的盆地邊界在其以北30~40 km以外,克百斷裂帶部位的盆地邊界在其西北40~50 km以外,紅車斷裂帶部位的盆地邊界在其以西、西北50~60 km以外。
二疊紀(jì)末,沖斷前鋒離現(xiàn)今邊界已不太遠(yuǎn),盆地邊界位于現(xiàn)今的加依爾山、哈拉阿拉特山前緣。
三疊紀(jì)晚期,形成寬廣湖盆,白堿灘組超覆在逆沖推覆體之上,盆、山邊界超過(guò)現(xiàn)今范圍,但哈拉阿拉特山可能分割了準(zhǔn)噶爾盆地與和什托洛蓋盆地[32]。到侏羅紀(jì),塔城和什托洛蓋等盆地與準(zhǔn)噶爾盆地的水體可能相通,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣僅存在低緩丘陵。
古生代晚期古緯度變化不明顯,平均為北緯35.0°,屬北溫帶氣候,而中生代古緯度明顯偏南,平均為北緯24.0°,屬潮濕的熱帶氣候。研究表明,石炭紀(jì)—三疊紀(jì)準(zhǔn)噶爾地區(qū)經(jīng)歷了4次重要的氣候事件,即晚石炭世降溫事件、中二疊世溫室事件、晚二疊世—早三疊世干旱事件和中—晚三疊世潮濕事件。
(1)晚石炭世降溫事件 如石錢灘組,呈北西—南東向帶狀分布于東準(zhǔn)噶爾克拉麥里山南麓,由海相碎屑巖、生物碎屑灰?guī)r和泥巖組成。生物化石豐富,主要有珊瑚、雙殼類、腕足類、有孔蟲(chóng)及介形類等。其沉積環(huán)境屬于暖溫帶氣候下、地塊邊緣構(gòu)造活動(dòng)區(qū)、海水不斷加深的開(kāi)闊濱淺海。早二疊世,準(zhǔn)噶爾地區(qū)為溫帶氣候區(qū),間歇性地出現(xiàn)炎熱氣候,大致可以劃分為2個(gè)氣候旋回,沉積了多層油頁(yè)巖,主要因素為全球氣候變暖和火山作用。
(2)中二疊世溫室事件 中二疊統(tǒng)發(fā)育泥巖、白云質(zhì)泥巖。在準(zhǔn)噶爾盆地東部,烏拉泊組沉積期以溫帶氣候?yàn)橹?,井井子溝組到蘆草溝組沉積期以炎熱氣候?yàn)橹?,紅雁池組沉積期又轉(zhuǎn)為溫暖氣候。蘆草溝組(相當(dāng)于瑪湖凹陷的下烏爾禾組)沉積期以淡水還原環(huán)境為主,間或與海連通,形成短時(shí)期的半咸水—咸水環(huán)境,有利于有機(jī)質(zhì)保存。
(3)晚二疊世—早三疊世干旱事件 上二疊統(tǒng)巖性以灰—灰綠色砂礫巖為主;下三疊統(tǒng)巖性以褐—紫紅色砂巖和砂礫巖為主。
(4)中—晚三疊世潮濕事件 克拉瑪依組上段、白堿灘組巖石為灰色、深灰色砂巖、泥巖。
在風(fēng)城組沉積期,瑪湖凹陷為受限閉塞型湖泊,為西陡東緩的不對(duì)稱箕狀凹陷,古水體總體較淺,凹陷中分布有大小不等的湖灣。由于半干旱的氣候條件,蒸發(fā)量大于補(bǔ)給量,季節(jié)性的潮濕環(huán)境與干旱環(huán)境交替出現(xiàn)。形成了風(fēng)城組沉積期的堿湖,古水體具高鹽度,風(fēng)城組二段沉積期鹽度最高,這一時(shí)期堿湖最發(fā)育。風(fēng)城組發(fā)育深色細(xì)粒的烴源巖,生烴母質(zhì)為藻類。
瑪湖凹陷上烏爾禾組、百口泉組一段、百口泉組二段、百口泉組三段和克拉瑪依組的平均古鹽度分別為7.0‰,5.0‰,7.2‰,8.9‰和8.4‰[33],反映當(dāng)時(shí)水體為淡水—微咸水環(huán)境。
百口泉組自下而上總體表現(xiàn)為溫暖潮濕、淡水—微咸水及水體分層不強(qiáng)的弱氧化環(huán)境,從百一段到百三段溫度、濕度和鹽度均有增加的趨勢(shì)[34]。局部存在一些差異,如黃羊泉扇與夏子街扇的百口泉組具有不同的古鹽度變化趨勢(shì),前者的古鹽度值較低,而后者的古鹽度值相對(duì)較高[33],反映了不同地區(qū)古沉積環(huán)境的差異性,與局部古地貌分異有關(guān)。此外,鍶鋇比和硼鎵比也指示瑪湖凹陷晚二疊世—中三疊世水體為淡水—微咸水環(huán)境。
晚三疊世,氣候逐漸轉(zhuǎn)為溫暖潮濕適宜植被生長(zhǎng)的溫帶氣候[35],形成白堿灘組沉積期的寬淺大型湖泊,構(gòu)成大型克拉通內(nèi)拗陷盆地。
對(duì)瑪湖凹陷及周緣的二疊系—三疊系的沉積相、沉積體系已開(kāi)展了多輪研究。風(fēng)城組為閉塞型堿湖沉積,物源供給不足,湖盆內(nèi)發(fā)育細(xì)粒泥質(zhì)巖、白云質(zhì)巖。風(fēng)城組沉積末期構(gòu)造環(huán)境發(fā)生變化,夏子街組沉積期沉積物供給增強(qiáng),邊緣發(fā)育沖積扇。下烏爾禾組沉積期,沉積物供給在夏子街組沉積期的風(fēng)化剝蝕之后,再次減小,湖盆中細(xì)粒沉積增多。上烏爾禾組沉積期,沖斷強(qiáng)烈,瑪湖凹陷中北部也成為剝蝕區(qū),沙灣凹陷成為堆積區(qū),邊緣沖積扇體系發(fā)育,向湖盆區(qū)過(guò)渡為扇三角洲、濱淺湖沉積。經(jīng)過(guò)二疊紀(jì)末期的過(guò)渡、轉(zhuǎn)換之后,三疊系百口泉組沉積期,主體已為扇三角洲—湖泊體系,瑪湖凹陷周緣發(fā)育了夏子街、黃羊泉、克拉瑪依、中拐、鹽北和夏鹽等6個(gè)物源沉積體系,與之對(duì)應(yīng)發(fā)育了6個(gè)扇三角洲沉積體系[2,27]??死斠澜M下段沉積偏細(xì),上段沉積偏粗,反映了湖平面相對(duì)升降過(guò)程。白堿灘組沉積演變?yōu)榇笮秃大w系,沉積物供給量減小。
研究表明,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系為沖積扇—扇三角洲,河流—三角洲和湖泊3類沉積體系的組合。沖積扇—扇三角洲沉積體系主要發(fā)育辮狀河道、砂(礫)質(zhì)漫灘等微相,河流—三角洲沉積體系包含砂質(zhì)和砂礫質(zhì)辮狀河,包括分流河道、心灘、河漫灘、河漫湖、河漫沼澤等微相,湖泊沉積體系以濱淺湖泥為主[35]。
新的鉆井及地震勘探資料(圖4,圖8)揭示了瑪湖凹陷的地層系統(tǒng)及構(gòu)造—地層層序(圖9),該凹陷經(jīng)歷了3個(gè)構(gòu)造演化旋回。
(1)泥盆紀(jì)—早石炭世伸展聚斂旋回(洋盆閉合旋回) 這一階段,東、西準(zhǔn)噶爾洋盆經(jīng)歷了打開(kāi)(時(shí)間可能要早)、擴(kuò)展、俯沖直至關(guān)閉的過(guò)程(圖2)??ɡ溊?、達(dá)爾布特、北天山等洋盆逐漸關(guān)閉。使得其前緣發(fā)生增生、拼貼或碰撞,形成了弧前盆地、弧前前陸盆地(pro-arc foreland basin)、弧后前陸盆地等。準(zhǔn)噶爾地區(qū)北緣逐漸上升為陸。
(2)晚石炭世—三疊紀(jì)伸展聚斂旋回 這一旋回經(jīng)歷了晚石炭世—早二疊世后造山伸展、中—晚二疊世強(qiáng)烈擠壓逆沖、早—中三疊世繼承性逆沖疊加和晚三疊世大型拗陷湖盆形成等構(gòu)造階段[29]。
晚石炭世—早二疊世的造山后伸展過(guò)程,發(fā)育上石炭統(tǒng),下二疊統(tǒng)佳木河組、風(fēng)城組的沉積,以含多層基性、中基性火山巖為主要特征。風(fēng)城組沉積期西北緣與南緣的水體總體保持連通,為殘余海灣沉積環(huán)境;發(fā)育了一套堿湖環(huán)境下的烴源巖,推測(cè)烴源巖及原盆邊界在現(xiàn)今盆地邊界的西北10~20 km[36].
自風(fēng)城組沉積末始,夏子街組—上烏爾禾組沉積期,西北緣沖斷活動(dòng)加強(qiáng),扇體開(kāi)始大規(guī)模發(fā)育。對(duì)二疊紀(jì)逆沖斷裂活動(dòng)的沉積響應(yīng)識(shí)別出3個(gè)逆沖推覆幕、7個(gè)逆沖推覆事件[37](圖5—圖7)。二疊系以上烏爾禾組扇體最為發(fā)育,呈由盆緣向盆地方向逐漸增強(qiáng)的前展式推覆沖斷及漸進(jìn)式扇體遷移響應(yīng)模式?,敽枷葜芫壈l(fā)育中拐扇、克拉瑪依扇、白堿灘扇和達(dá)巴松扇,扇三角洲前緣相帶面積達(dá)2 100 km2以上。
百口泉組沉積期,沉積環(huán)境與上烏爾禾組相似?,敽餍逼掠晌髂舷驏|北發(fā)育中拐扇、克拉瑪依扇、黃羊泉扇和夏子街扇,在白堿灘、艾湖和風(fēng)南發(fā)育次一級(jí)扇體;在瑪湖東斜坡發(fā)育夏鹽扇、達(dá)巴松扇;5個(gè)主要扇三角洲前緣相帶面積達(dá)4 300 km2以上。
克拉瑪依組下段沉積期發(fā)生湖侵,扇體規(guī)模較??;至克拉瑪依組上段沉積期,湖水退縮,扇體再次大規(guī)模發(fā)育。在烏夏、白百斷裂帶,同沉積斷裂活動(dòng)加強(qiáng)。
白堿灘組沉積期,經(jīng)過(guò)前期的剝蝕夷平,準(zhǔn)噶爾盆地大湖盆形成,表現(xiàn)為大型的克拉通內(nèi)拗陷性質(zhì)。
(3)侏羅紀(jì)—第四紀(jì)伸展聚斂旋回 包括早—中侏羅世弱伸展活動(dòng),中侏羅世晚期—晚侏羅世壓扭活動(dòng),白堊紀(jì)—古近紀(jì)陸內(nèi)拗陷調(diào)整,新近紀(jì)—第四紀(jì)壓扭活動(dòng)等次級(jí)伸展聚斂旋回。缺失上侏羅統(tǒng)、漸新統(tǒng)上部—中新統(tǒng)下部,部分地區(qū)缺失上白堊統(tǒng)。
加依爾、塔爾巴哈臺(tái)、謝米斯臺(tái)、哈拉阿拉特等山系現(xiàn)今出露下石炭統(tǒng),花崗巖體也大范圍出露(圖1,圖3,圖10)。目前不知其上剝蝕地層的具體層位與厚度,但從下石炭統(tǒng)的成巖程度及花崗巖體的就位深度可粗略判斷,其上的剝蝕厚度可能有5~8 km.從侏羅系覆蓋塔城、和什托洛蓋、準(zhǔn)噶爾等盆地來(lái)看,侏羅系沉積前可能存在大范圍的夷平面,即5~8 km厚的地層在晚石炭世—三疊紀(jì)經(jīng)歷了先沉積、成巖,其后再剝蝕的過(guò)程;而剝蝕的主要產(chǎn)物再次沉積于瑪湖、沙灣等凹陷內(nèi)。
圖9 瑪湖凹陷的構(gòu)造—地層層序與演化階段
圖1 b及圖10表明,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣及其西側(cè),在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)發(fā)生了大規(guī)模的逆沖推覆活動(dòng),塔爾巴哈臺(tái)—薩吾爾推覆體、巴爾魯克—謝米斯臺(tái)推覆體、加依爾推覆體等3排推覆體由西向東呈前展式活動(dòng),紅車斷裂帶、克百斷裂帶和烏夏斷裂帶處于沖斷前鋒部位。由于沖斷同時(shí)伴有地塊旋轉(zhuǎn),據(jù)古地磁資料,靠近烏夏斷裂帶,旋轉(zhuǎn)角度35°;至紅車斷裂帶,旋轉(zhuǎn)角度達(dá)55°.這可能表明,自烏夏斷裂帶、克百斷裂帶至紅車斷裂帶,不但旋轉(zhuǎn)角度增大,而且推覆位移也增大,關(guān)于此有待于車排子地區(qū)新的地震資料的驗(yàn)證。從四參1井侏羅系之下鉆遇石炭系推覆體來(lái)看,四棵樹(shù)凹陷的前身是與車排子沖斷帶連為一體的沖斷推覆系統(tǒng),僅在侏羅紀(jì)才下沉被覆蓋。
圖10 西準(zhǔn)噶爾二疊紀(jì)—三疊紀(jì)逆沖、旋轉(zhuǎn)活動(dòng)的區(qū)域構(gòu)造背景
瑪湖凹陷西斜坡佳木河組、風(fēng)城組向東南的掀斜,則是其石炭系之下地層中疊瓦沖斷或構(gòu)造楔活動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)果(圖4),表現(xiàn)為深部沖斷活動(dòng)控制了淺層凹陷的發(fā)育,也可能控制微古地貌、坡折帶和沉積物的分散方式及其變化。
瑪湖凹陷及周緣主體為沉積區(qū)。周緣沖斷活動(dòng)及其下隱伏的沖斷活動(dòng)控制了構(gòu)造—古地貌的變化。沖斷推覆體內(nèi)部的撕裂斷層、沖斷席之間的過(guò)渡轉(zhuǎn)換區(qū)、隆起的鞍部地形等控制了物源的供給口,常是大型沖積扇、扇三角洲沉積體系發(fā)育位置[27]。受逆沖斷層、小型走滑斷層幕式活動(dòng)的影響,沖積扇沉積體系的遷移、疊加與內(nèi)部構(gòu)型出現(xiàn)多種變化;受控于前展式發(fā)展,扇體以垂向疊加與橫向擴(kuò)展為主導(dǎo)。
(1)瑪湖凹陷是在前石炭紀(jì)褶皺基底基礎(chǔ)上,受周緣沖斷活動(dòng)控制而形成的石炭紀(jì)—第四紀(jì)凹陷;經(jīng)歷了泥盆紀(jì)—早石炭世、晚石炭世—三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)—第四紀(jì)等3個(gè)構(gòu)造演化旋回。
(2)二疊紀(jì)—三疊紀(jì)為瑪湖凹陷的主要沉積充填期,主要發(fā)育沖積扇—扇三角洲—湖泊沉積體系。經(jīng)歷了晚石炭世—早二疊世的造山后伸展、中二疊世—中三疊世擠壓逆沖活動(dòng)與晚三疊世克拉通內(nèi)拗陷的演化過(guò)程。風(fēng)城組沉積期伸展背景下的堿湖沉積提供了優(yōu)質(zhì)烴源巖,其上的扇三角洲沉積體系提供了有利的儲(chǔ)集體,上三疊統(tǒng)厚層泥巖提供區(qū)域蓋層?,敽枷荻B系—三疊系形成了一個(gè)完整的含油系統(tǒng)。
(3)沖斷活動(dòng)的幕式發(fā)育與前展式遷移,撕裂斷層與橫向構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶(區(qū))形成的優(yōu)勢(shì)搬運(yùn)通道,干旱的氣候環(huán)境等因素控制了瑪湖凹陷周緣規(guī)模巨大的扇三角洲沉積體系發(fā)育的構(gòu)造—古地理背景。
(4)瑪湖凹陷巨型礫巖油田提供了構(gòu)造、氣候、地形等因素耦合控制礫巖體發(fā)育以及烴源巖—儲(chǔ)集體耦合控藏的研究范例。
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