瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖發(fā)育的構(gòu)造背景和形成環(huán)境

張元元，李威，唐文斌

準噶爾盆地是中國西北地區(qū)大型疊合型含油氣盆地[1]，瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖[2-4]是準噶爾盆地西北緣百里油區(qū)形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。世界范圍內(nèi)報道的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖主要集中在新生界，埋深不超過1 500 m，比如美國始新統(tǒng)綠河頁巖，土耳其安納托利亞中新統(tǒng)古爾組頁巖以及中國泌陽凹陷的核桃園組暗色泥巖[5-8]?；诔练e學(xué)、巖石礦物學(xué)、有機地化特征、生烴特征等，風城組被認為是中國至今發(fā)現(xiàn)的最古老的堿湖沉積，是湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖的一種重要類型[2-3]，總體處于咸（堿）化湖盆沉積環(huán)境?，敽枷菹露B統(tǒng)風城組也是準噶爾盆地致密油規(guī)模分布區(qū)[2]，與吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組、沙帳—石樹溝凹陷二疊系平地泉組及博格達山前蘆草溝組相比，生烴特征存在巨大差異，具有油多氣少、轉(zhuǎn)化率高、連續(xù)生烴和油質(zhì)輕的特點。風城組除了發(fā)育典型的白云質(zhì)巖沉積，還出現(xiàn)特征性堿類礦物和火山礦物，這對生烴起延滯和催化作用，使得烴源巖生油窗拉長[4]。這些堿類礦物的形成與咸（堿）化湖盆的溫度、pH值和CO2的分壓有關(guān)[9]，涉及到古氣候、沉積及構(gòu)造等多方面。因此，關(guān)于堿湖烴源巖的研究，具有重要的油氣地質(zhì)意義。

瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組這套特殊堿湖烴源巖形成的構(gòu)造背景和沉積環(huán)境具有獨特性，是值得深入探索的科學(xué)問題。本文結(jié)合區(qū)域背景，研究準噶爾盆地西北緣二疊紀的構(gòu)造環(huán)境，并結(jié)合下二疊統(tǒng)沉積、巖石礦物學(xué)特點，對特征性堿類礦物進行詳細解剖，進一步明確風城組的巖相古地理條件，以期對堿湖烴源巖的研究和勘探提供依據(jù)。

1 瑪湖凹陷區(qū)域地質(zhì)特征

準噶爾盆地是中國重要的大型含油氣盆地之一，位于西伯利亞、哈薩克斯坦和塔里木3大板塊交匯部位?，敽枷菸挥跍矢翣柵璧匚鞅本墸▓D1），與烏爾禾—夏子街斷裂帶（簡稱烏夏斷裂帶）以及克拉瑪依—百口泉斷裂帶（簡稱克百斷裂帶）相鄰，西南側(cè)與中拐凸起相接，東南側(cè)與達巴松凸起和夏鹽凸起毗鄰，東北側(cè)為石英灘凸起和英西凹陷，是盆地油氣富集程度最高的生烴凹陷。多年的研究和勘探表明，準噶爾盆地西北緣發(fā)育于加依爾山和哈拉阿拉特山山前的以紅淺—車排子斷裂帶（簡稱紅車斷裂帶）、克百斷裂帶和烏夏斷裂帶為代表的構(gòu)造帶，是影響和控制油氣成藏的關(guān)鍵要素之一，已形成了國內(nèi)外著名的百里油區(qū)[2，10-11]。

瑪湖凹陷地層發(fā)育比較全，自下而上包括石炭系（C），下二疊統(tǒng)佳木河組（P1j）、風城組（P1f），中二疊統(tǒng)夏子街組（P2x）、下烏爾禾組（P2w），下三疊統(tǒng)百口泉組（T1b），中三疊統(tǒng)克拉瑪依組（T2k），上三疊統(tǒng)白堿灘組（T3b），下侏羅統(tǒng)八道灣組（J1b）、三工河組（J1s），中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x）、頭屯河組（J2t），白堊系（K）及新生界。普遍缺失上二疊統(tǒng)，并且二疊系與三疊系、三疊系與侏羅系、侏羅系與白堊系之間為區(qū)域性不整合?，敽枷莅l(fā)育佳木河組、風城組、下烏爾禾組和石炭系4套有效烴源巖，其中以風城組烴源巖為主[3-4]。風城組烴源巖被認為是全球最古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖，主要形成于半干旱條件下，季節(jié)性潮濕環(huán)境與干旱環(huán)境相交替[12]。

2 瑪湖凹陷構(gòu)造背景分析

2.1 瑪湖凹陷的基底

從大地構(gòu)造背景來講，瑪湖凹陷所在的西準噶爾地區(qū)位于非常獨特的位置。整個新疆北部向西部延伸，就是宏偉的哈薩克斯坦山彎構(gòu)造，準噶爾地塊夾持于哈薩克斯坦山彎構(gòu)造的最東段，地塊以西的西準噶爾地區(qū)則是山彎構(gòu)造的最內(nèi)部區(qū)域。這一結(jié)論也和西準噶爾地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)特征相符。在西準噶爾地區(qū)的達拉布特—白堿灘區(qū)域，發(fā)育一套主體為石炭系，由海相復(fù)理石到濱淺海相再到陸相沉積，從而構(gòu)成水體向上變淺的沉積層序。在石炭系的底部，新識別并厘定出形成于泥盆紀末期（約364×106a）的熔積巖(peperite)層系，由具有類似洋島玄武巖性質(zhì)的玄武質(zhì)熔巖和海相沉積巖相互作用產(chǎn)生，是一種標志著殘余洋盆的洋殼組分。這套熔積巖層系連同上覆的石炭系構(gòu)成一個穩(wěn)定的沉積層序，是西準噶爾地區(qū)泥盆紀末期保留的殘余洋盆在石炭紀的充填層序[13-14]。殘余洋盆的充填一直持續(xù)到晚石炭世，區(qū)域上廣泛發(fā)育的峰期活動年齡為310×106a的花崗巖體的侵入，標志著西準噶爾地區(qū)殘余洋盆的閉合[15-16]。而瑪湖凹陷正是在西準噶爾地區(qū)這樣一個古生代殘余洋盆基底上發(fā)育的。

2.2 瑪湖凹陷的形成

以出現(xiàn)大量的后碰撞花崗巖和中基性巖墻群為標志，西準噶爾地區(qū)乃至整個北疆地區(qū)均進入造山后的伸展松弛階段。對西準噶爾地區(qū)古生界花崗巖和巖墻群的大量地質(zhì)年代學(xué)研究顯示，花崗巖年齡為318×106—276×106a，而巖墻群的年齡為 265×106—255×106a[15,17-18]，說明西準噶爾地區(qū)的造山后伸展背景持續(xù)到晚二疊世。這一造山后的伸展過程表現(xiàn)在準噶爾盆地西北緣，就是形成瑪湖凹陷、昌吉凹陷等一系列由正斷層控制的伸展斷陷，沉積了準噶爾盆地西北緣下二疊統(tǒng)主力生油巖系（圖2），同時伴隨著大量的基性火山活動。

2.3 瑪湖凹陷的構(gòu)造反轉(zhuǎn)

三疊系繼承了二疊系的沉積范圍并有所擴大，其中上三疊統(tǒng)白堿灘組在克拉瑪依西北山麓一帶和鐵廠溝巖體西側(cè)阿克塔木一帶有出露，并直接不整合覆蓋在上石炭統(tǒng)花崗巖和石炭系之上。這意味著在準噶爾盆地西北緣晚二疊世到晚三疊世之間存在一起顯著的構(gòu)造運動，使古生代晚期侵位的花崗巖和石炭系基底抬升并剝蝕，然后被上三疊統(tǒng)不整合覆蓋。這期構(gòu)造事件造成準噶爾盆地克百斷裂帶和烏夏斷裂帶的發(fā)育，卷入二疊系和中—下三疊統(tǒng)，最終被上三疊統(tǒng)和侏羅系不整合覆蓋（圖2）[10-11，19]?？税贁嗔褞Ш蜑跸臄嗔褞У男纬稍斐涩敽枷菸鞑康臉?gòu)造反轉(zhuǎn)并限定了瑪湖凹陷的西部邊界，構(gòu)造帶活動形成的構(gòu)造圈閉，連同瑪湖凹陷內(nèi)部的生油巖系，共同構(gòu)成準噶爾盆地西北緣油氣成藏的重要要素。有學(xué)者通過古地磁和地質(zhì)年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，自晚二疊世到三疊紀，準噶爾地塊和西準噶爾地區(qū)相對于成吉斯弧發(fā)生了大幅度的逆時針旋轉(zhuǎn)[20]。這一事件是西準噶爾—哈薩克斯坦地區(qū)在二疊紀末期發(fā)生的一次顯著的陸內(nèi)變形，在準噶爾盆地西北緣表現(xiàn)為克百斷裂帶和烏夏斷裂帶的誘發(fā)和瑪湖凹陷的構(gòu)造反轉(zhuǎn)。

3 瑪湖凹陷堿湖形成環(huán)境

3.1 風城組沉積特點

瑪湖凹陷風城組厚度800～1 800 m，總體表現(xiàn)為西厚東薄，自下而上可劃分為3段：風一段（P1f1）主要為深灰色—灰色泥巖、凝灰質(zhì)泥巖夾白云質(zhì)砂巖、白云巖、凝灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖和凝灰?guī)r，火山活動相對強烈，火山碎屑巖發(fā)育；風二段（P1f2）發(fā)育白云質(zhì)砂巖、灰色泥巖夾泥質(zhì)白云巖，并且發(fā)育大量堿類礦物，以層狀的堿類礦物與暗色的白云質(zhì)泥巖組成厚度不等的韻律為主要特征；風三段（P1f3）發(fā)育灰綠色泥巖、泥質(zhì)白云巖與白云質(zhì)泥巖。

白25井—白22井—百泉1井—風城1井—夏76井剖面位于瑪湖凹陷西斜坡，二疊系發(fā)育齊全，但是均未鉆穿佳木河組（圖3）。克百斷裂帶附近佳木河組頂部是一套火山巖，烏夏斷裂帶附近則是一套由正常碎屑巖和火山巖組成的混積地層?；谙?6井的鉆井和巖心資料，巖性為深灰色泥巖、凝灰質(zhì)泥巖，綠灰色、灰色、灰褐色砂礫巖，深灰色凝灰質(zhì)砂巖，沉積構(gòu)造可見水平層理，佳木河組正常碎屑巖發(fā)育湖相和扇三角洲沉積。風城組堿湖沉積和粗碎屑扇三角洲沉積的界線在百泉1井附近，百泉1井由底部的堿湖沉積序列突變?yōu)樯热侵薜纳暗[巖堆積，并且砂礫巖堆積厚度較大，風城組火山活動仍然較發(fā)育，表明可能與克百斷裂帶持續(xù)的伸展斷裂活動有關(guān)，構(gòu)造活動創(chuàng)造了足夠大的可容納空間供砂礫巖充填。地層厚度顯示沉積中心位于烏爾禾和夏子街地區(qū)。烏爾禾地區(qū)以穩(wěn)定的堿湖沉積為特征，受構(gòu)造活動影響小，風城組頂部碳酸鹽巖不發(fā)育，可能與風城組沉積晚期的淡水注入有關(guān)。與風城組相比，夏子街組火山活動不發(fā)育，主要為扇三角洲和湖泊相。夏子街組砂礫巖層的沉積厚度和砂礫巖層/地層厚度在克百斷裂帶附近具有減小的趨勢，而在烏夏斷裂帶附近有增加的趨勢，表明在夏子街組沉積期，沉積中心可能由瑪湖凹陷西南部向東北部遷移。烏爾禾組整體上繼承了夏子街組的沉積格局，砂礫巖層的沉積厚度和砂礫巖層/地層厚度具有持續(xù)減小的趨勢，并且沉積范圍擴大，瑪湖凹陷可能進入了拗陷階段。

圖3 瑪湖凹陷過白25井—白22井—百泉1井—風城1井—夏76井二疊系沉積相剖面（剖面位置見圖1）

基于前人認識，結(jié)合巖心觀察和錄井測井資料，確認風城組為一套扇三角洲—湖相沉積體系（圖4）。加依爾山和哈拉阿拉特山前的鉆井資料顯示，砂礫巖分選、磨圓較差，雜亂排列，泥質(zhì)充填，具有沖積扇的沉積特征。基于達探1井和鹽探1井的巖心資料，瑪湖凹陷東斜坡也有碳酸鹽礦物沉積，瑪湖15井揭示烏爾禾地區(qū)的堿湖沉積延伸至瑪湖凹陷的西南部，擴大了堿湖沉積的范圍。

3.2 風城組堿類礦物特征

瑪湖凹陷的堿湖沉積區(qū)別于常見的鹽湖（硫酸鹽湖）沉積，發(fā)育堿類礦物，硫酸鹽礦物不發(fā)育，其中碳酸鹽礦物的含量及種類占了絕對優(yōu)勢。含堿類礦物層宏觀形態(tài)上主要表現(xiàn)為淺色層和暗色層不等厚互層，根據(jù)互層方式、形態(tài)、層厚以及堿類礦物不同，可具體呈現(xiàn)溶蝕晶洞狀、斑點狀、云朵狀、（?。┘y層狀以及白色純堿等類型（圖5）。暗色層主要為凝灰質(zhì)以及白云質(zhì)泥巖等組分。

瑪湖凹陷風城組中發(fā)育大量的典型堿類礦物，主要有硅硼鈉石、氯碳酸鈉鎂石、碳酸鈉鈣石、水硅硼鈉石、碳鎂鈉石、碳氫鈉石和蘇打石等，還有絲硅鎂石、淡鋇鈦石等特殊礦物（圖6），偶見骸晶狀石鹽。硅硼鈉石和水硅硼鈉石含量較高，出現(xiàn)在不同形態(tài)的含堿類礦物層中；碳酸鈉鈣石主要出現(xiàn)在溶蝕晶洞狀以及斑點狀的含堿類礦物層中；氯碳酸鈉鎂石一般分布在硅硼鈉石周圍，表面蝕變現(xiàn)象嚴重；碳鎂鈉石含量較少，出現(xiàn)在紋層狀含堿類礦物層；碳氫鈉石與蘇打石普遍呈純堿層出現(xiàn)，并且相伴而生。

圖4 瑪湖凹陷風城組沉積相分布（據(jù)文獻［21］修改）

圖5 瑪湖凹陷風城組含堿類礦物層巖心標本宏觀形態(tài)

3.3 堿湖沉積的成因探討

堿類礦物的普遍發(fā)育，表征了風城組的堿湖沉積特點，指示瑪湖凹陷堿（咸）化程度高[12]。堿（咸）化成因主要為蒸發(fā)成因和熱液成因。文獻［22］提出風城組中的碳酸鹽礦物平面分布具有“牛眼”特征，蒸發(fā)濃縮是直接的成鹽誘導(dǎo)因素。熱液成因認為堿類礦物物質(zhì)組分主要來源于深部熱液，比如熱液噴流含鹽火山-沉積建造模式及熱水沉積模式等[23-24]。

碳酸鈉鈣石的人工合成實驗最早由Bradley和Eugster[25]完成，形成的溫度不低于50℃[26]。碳氫鈉石較天然堿和重碳鈉鹽更易溶于水，最初發(fā)現(xiàn)于美國的綠河盆地，1987年在河南省泌陽凹陷發(fā)現(xiàn)，實驗數(shù)據(jù)揭示出碳氫鈉石的穩(wěn)定溫度在69.5～191.5℃[27-28]。溫度條件在地表堿性蒸發(fā)鹽湖環(huán)境中是無法達到的，這表明在現(xiàn)代鹽湖中很難形成碳酸鈉鈣石和碳氫鈉石。因此，可以推測含堿類礦物層中碳酸鈉鈣石不是蒸發(fā)成因。形成硅硼鈉石和水硅硼鈉石必需的硼在上地殼中的豐度極低，屬于活性及揮發(fā)性很強的巖漿射氣元素，常形成易揮發(fā)、易熔和易溶的絡(luò)合物而遷移富集[24]。富硼礦物中硼的來源往往與熱泉水或火山作用有關(guān)，如產(chǎn)在美國加里福尼亞州克瑞麥硼礦[29]，泌陽凹陷古近紀含堿巖系油頁巖中的水硅硼鈉石[30]等。硅硼鈉石在自然界中比較罕見，常出現(xiàn)在巖漿演化后期的富鈉偉晶巖中，高溫高壓實驗揭示出鈉長石中的鋁可以被硼替代形成硅硼鈉石（450～750℃，0.2～3.0 GPa），并且低溫時礦物晶格趨于有序排列[31]。在無水環(huán)境中，硅硼鈉石可在較高的溫度和壓力下保持穩(wěn)定狀態(tài)，而在有水的環(huán)境中，硅硼鈉石則可以在相對較低的溫度和壓力條件下保存[32]。含堿類礦物層大量硅硼鈉石的形成很可能與熱液活動有關(guān)，而非蒸發(fā)沉積形成，即形成硅硼鈉石所需的硅和硼可能主要直接來自于深源的堿性熱鹵水。

圖6 瑪湖凹陷風城組典型堿類礦物顯微照片

根據(jù)文獻［33］對研究區(qū)古地溫梯度的研究可知，研究區(qū)在早二疊世構(gòu)造運動及火山噴發(fā)活動頻繁（與巖漿及熱液活動有關(guān)古地溫梯度高達4～8℃/hm），形成了下二疊統(tǒng)佳木河組火山巖及火山碎屑巖和風城組的火山碎屑巖沉積，可以為含堿類礦物層提供鈉、鎂、硼和鈣等元素。同時，準噶爾盆地西北緣深大斷裂及次級斷層的發(fā)育，可以為熱液流體運移的良好通道[24]。因此，瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖形成于受深部熱液作用影響的高鹽度閉塞性湖泊環(huán)境，其中特征性堿類礦物和火山礦物優(yōu)化烴源巖的作用機理仍需進一步研究。

4 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組堿湖烴源巖形成于造山后伸展背景下，并且在晚二疊世—三疊紀期間發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，是油氣成藏的關(guān)鍵時期。

（2）瑪湖凹陷風城組發(fā)育特征性堿類礦物，硅硼鈉石、氯碳酸鈉鎂石、碳酸鈉鈣石、水硅硼鈉石、碳鎂鈉石、碳氫鈉石和蘇打石等，表征了風城組的堿湖沉積特點。

（3）瑪湖凹陷風城組整體上表現(xiàn)為一套扇三角洲—湖相沉積體系，其中堿湖沉積并非蒸發(fā)成因，而與熱液活動有關(guān)。

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