伊犁盆地南緣中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積環(huán)境討論

吳斌，朱莉娟，侯明才 ，晁暉，江文劍，石鑫 ，羅宏謂，曹海洋，何佳偉

1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實驗室(成都理工大學(xué))，成都 610059

2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，成都 610059

3.江西省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院(江西省核工業(yè)地質(zhì)局266大隊)，南昌 330038

4.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013

0 引言

伊犁盆地南緣，緊鄰塔里木地塊西北緣，是研究盆山關(guān)系的理想?yún)^(qū)域。近年來，許多學(xué)者報道了有關(guān)伊犁盆地基底和盆地形成演化的研究成果[1-13]。西山窯組是伊犁盆地南緣主要的煤—鈾(礦)共生層系，關(guān)于成煤環(huán)境和砂巖鈾礦成礦模式，已經(jīng)取得了共識[14-22]，然而關(guān)于西山窯組沉積環(huán)境的判識，長期以來存在爭議。李勝祥等[15]、王勛[23]、江文劍[24]提出了西山窯組在南緣地區(qū)中西段發(fā)育的砂體主要為三角洲平原分流河道微相成因，淺湖沉積體系對砂巖型鈾礦成礦不利的觀點(diǎn)，邱余波等[25-26]認(rèn)為洪海溝地區(qū)西山窯組上段為曲流河沉積，可識別出河床滯留沉積、邊灘微相，闊斯加爾地區(qū)西山窯組下段為扇三角洲前緣沉積，發(fā)育水下分流河道和間灣等微相環(huán)境。這些爭議制約了對伊犁盆地沉積充填的深化研究。本文基于野外實地考察、原始鉆孔編錄、鏡下薄片觀察，從地層發(fā)育特征、巖石類型、沉積構(gòu)造等典型沉積相標(biāo)志出發(fā)，繪制連井剖面圖、砂地比砂厚圖及沉積相平面展布圖，系統(tǒng)研究了伊犁盆地南緣西山窯組的沉積環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

伊犁盆地是一個跨越中國和哈薩克斯坦(主體位于哈薩克斯坦境內(nèi))的中新生代大型陸相盆地，在中國境內(nèi)呈東窄西寬的三角形，面積約4×104km2，其形成和發(fā)展受盆緣斷裂控制，歸屬天山造山帶中的伊犁—中天山微板塊[2,27]，北部科古琴博羅科努隆起和南部哈爾克那拉提隆起俯沖碰撞，導(dǎo)致差異抬升，平面結(jié)構(gòu)上別具一格，伊犁盆地由北部褶皺帶，中央隆起帶，南部褶皺帶組成[2,19]，其中北部褶皺帶由伊寧凹陷、尼勒克凹陷、鞏乃斯凹陷和阿吾勒凸起4 個部分組成，南部褶皺帶由昭蘇凹陷、阿登套—大哈拉軍凸起兩個部分組成[28](圖1)。本文所研究的伊犁盆地南緣地區(qū)的侏羅系地層主要為一套陸相含煤碎屑巖建造，自下而上可劃分為下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組及中上侏羅統(tǒng)頭屯河組。八道灣組主要發(fā)育雜色礫巖和含礫粗砂巖，三工河組主要發(fā)育雜色粉砂巖和灰黑色泥巖，夾煤線，灰黑色薄層泥巖風(fēng)化后呈灰白色，單層厚度可達(dá)28 m；西山窯組頂部發(fā)育灰白色細(xì)礫巖，向下為灰白色、灰黃色中細(xì)砂巖，砂質(zhì)泥巖夾雜煤層，中間發(fā)育23 m左右的磚紅色燒變巖，由煤自燃形成[29]，底部為泥巖與褐色粗砂巖的碎屑巖組合，出露完整，厚度約為140 m；上侏羅統(tǒng)頭屯河組在區(qū)內(nèi)露頭發(fā)育不全，多為剝蝕區(qū)域，少見清晰露頭(圖2)。

圖1 伊犁盆地構(gòu)造單元劃分圖(據(jù)陶國強(qiáng)等，1997改)Fig.1 Division of the structural units of Yili Basin (after Tao, et al., 1997)

圖2 伊犁盆地南緣中侏羅統(tǒng)蘇阿蘇溝綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive column of the middle Jurassic in Suasu River in the southern margin of the Yili Basin

2 沉積相標(biāo)志

通過露頭剖面、薄片鑒定和鉆井巖芯所獲得的沉積體巖性、巖石結(jié)構(gòu)、碎屑顆粒特征、沉積構(gòu)造、剖面結(jié)構(gòu)特征和古生物等信息是揭示沉積環(huán)境最直接的依據(jù)，同時，結(jié)合粒度分析所表達(dá)的水動力環(huán)境，準(zhǔn)確判識了西山窯組沉積環(huán)境。

2.1 顏色

西山窯組主要發(fā)育灰色、灰白色、棕紅色細(xì)砂巖，黃色粉砂巖及淺灰色、灰綠色含碳屑泥巖組合，頂部發(fā)育灰白色礫巖或含礫粗砂巖，中部可見磚紅色、深褐色燒變巖，新鮮面為褐黃色、磚紅色，風(fēng)化后呈深褐色，顏色變化與其燒變程度有關(guān)。夾雜的煤層反映該時期為溫暖潮濕氣候，其中灰色、淺灰色為砂體原生色，未含鈾礦物。不同氧化帶顏色不同，氧化帶砂體呈現(xiàn)紅色，過渡帶呈現(xiàn)黃色、淺黃色，還原帶保持原生灰色(圖3)。

2.2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)采集砂巖樣品鏡下鑒定結(jié)果顯示(圖4)：碎屑成分中(表1)石英含量較高，達(dá)50%～80%，以單晶石英為主，含有少量多晶石英。部分單晶石英可見平直晶面邊界，呈不規(guī)則六邊形，以非波狀消光為主；多晶石英多以線接觸為主，少見嵌入式接觸，粒徑在0.3～1.5 mm，表明其主要來源于中酸性火山巖[31]。樣品中巖屑含量較高，約在15%～45%，類型主要為硅質(zhì)巖屑、砂巖巖屑、流紋巖屑，少量沉積巖屑(圖5)。碎屑粒度大小不一，分選性較差，磨圓中等，粒徑介于0.4～1.6 mm，少數(shù)可達(dá)2 mm以上；長石含量較低，約為5%～8%，以微斜長石為主，具有明顯格子雙晶，部分絹云母化，呈次圓狀，磨圓中等。少數(shù)樣品發(fā)育鈣質(zhì)膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物，多為黏土雜基填隙，黏土礦物中部分已蝕變?yōu)橐晾退颇?。總體上，砂巖具有較低的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度。

2.3 粒度特征

碎屑巖的粒度特征能夠直接有效的反映沉積物被搬運(yùn)時的水動力強(qiáng)度，是判斷介質(zhì)搬運(yùn)能力的指標(biāo)，也是判別碎屑物沉積環(huán)境良好的手段[32]。野外采集的48 個砂巖樣品的粒度分析計算表明：

細(xì)粒級—粉砂級碎屑巖：細(xì)粒級碎屑巖粒度分布圖表現(xiàn)為兩段式(圖6A)，具有明顯截點(diǎn)，主要為懸浮次總體和跳躍次總體，缺少滾動次總體，跳躍總體占40%～65%，懸浮總體斜率中等，顯示分選良好，跳躍總體斜率變陡，混合度較小，表明分選性較好，粗粒較少，沉積速度慢。頻率曲線呈雙峰式，偏度0.36，峰度為3.25，偏差1.28，表現(xiàn)為天然堤或次級河道沉積特征。

中—細(xì)粒級碎屑巖：中—細(xì)粒級碎屑巖粒度分布圖表現(xiàn)為三段式(圖6B)，跳躍總體、懸浮總體、滾動總體為主要形式，跳躍總體和滾動主體斜率相近，懸浮總體斜率變緩，跳躍總體累計曲線變陡，混合度逐漸減小，較粗粒級沉積物減少，分選性逐漸變好；相交點(diǎn)φ值在2～3之間，呈雙峰態(tài)，偏度0.4，峰度值3.63，偏差1.21，屬正態(tài)分布，反映了中等的粒度區(qū)間，說明其水動力作用強(qiáng)，水體環(huán)境變化頻繁，顯示出分流河道沉積特征。

粗粒級碎屑巖：粗粒級碎屑巖分布圖表現(xiàn)為三段式(圖6C)，表現(xiàn)為跳躍總體、懸浮總體、滾動總體三種形式，懸浮總體斜率平緩，為30°左右，表明分選較差，跳躍總體斜率較大，分選較好，跳躍與懸浮總體相交點(diǎn)φ值在2～3之間，跳躍總體含量占30%～70%，其粒度變細(xì)，分布范圍變窄，滾動總體占比較小，曲線較陡，混合度較小，表明碎屑巖分選較好，滾動顆粒組分變少，沉積時坡度變緩，分選較差；偏度0.11，峰度值1.27，偏差為1.56，反映寬的粒度區(qū)間，表現(xiàn)為水下分流河道砂特征。

2.4 原生沉積構(gòu)造

原生沉積構(gòu)造是碎屑巖在搬運(yùn)—沉積過程中所形成的構(gòu)造，其特征取決于搬運(yùn)介質(zhì)的水動力條件，根據(jù)保存位置，可以分為層面構(gòu)造和層理構(gòu)造。

底面沖刷構(gòu)造：是水流速度加快，造成對沉積物的沖刷、侵蝕而形成高低不平的沉積樣貌，沖刷面再沉積時，被沖刷下來的下伏巖層的碎屑和礫石，堆積后，發(fā)育成三角洲相的河道沉積，為西山窯組常見沉積構(gòu)造(圖7a，e)。

圖3 伊犁盆地南緣西山窯組顏色特征Fig.3 Color characteristics of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

圖4 伊犁盆地南緣西山窯組顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.4 Microstructural feature of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

交錯層理：通常也稱之為斜層理。它是由一系列斜交于層系界面的紋層組成。其特點(diǎn)是細(xì)層面與層間的分隔面呈斜交關(guān)系，在西山窯組中常見，多見于曲流河河道，發(fā)育于中厚層狀中粗粒砂巖中。區(qū)內(nèi)多出露大型槽狀和板狀交錯層理，反映水動力條件較強(qiáng)的環(huán)境。區(qū)內(nèi)西山窯組多見于曲流河三角洲分流河道中粗粒級碎屑巖中(圖7b)。

水平層理和平行層理：水平層理形成于水動力條件較穩(wěn)定的環(huán)境，細(xì)粒沉積物在物質(zhì)上發(fā)生變更，在區(qū)內(nèi)出現(xiàn)較多，常見于粉砂巖，泥巖中；平行層理多發(fā)育在砂巖中，在較強(qiáng)的水動力條件下形成，在西山窯組中常與大型交錯層理、底沖刷相伴生，砂泥互層現(xiàn)象則多出現(xiàn)于湖泊相中(圖7c，d，f)。

表1 伊犁盆地南緣西山窯組砂巖碎屑顆粒類型Table 1 Sandstone debris particle type of the XishanyaoFormation in the southern margin of the Yili Basin

圖5 伊犁盆地南緣西山窯組砂巖分類圖Fig.5 Classification of sandstones of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

圖6 伊犁盆地南緣西山窯組粒度分析特征Fig.6 Characteristics of particle size analysis of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

2.5 古生物標(biāo)志

伊犁盆地中侏羅統(tǒng)西山窯組煤層及泥炭沉積發(fā)育，厚度較大，在泥巖中碳質(zhì)含量較高，古植物莖干化石和植物印痕多處存在，化石紋路清晰可見，反映溫暖潮濕氣候下的沼澤環(huán)境(圖8)。

2.6 剖面結(jié)構(gòu)

剖面結(jié)構(gòu)特征是指垂向上各種沉積特征的綜合，是沉積相識別的重要手段[33](圖9，10)。伊犁盆地南緣西山窯組主要有3 種剖面結(jié)構(gòu)類型：向上變細(xì)型、向上變粗型、均一型。

向上變細(xì)型：西山窯組底部發(fā)育一套塊狀底礫巖，粒度向上逐漸變細(xì)，層系變薄，巖性由中、細(xì)砂巖過渡為粉砂巖及泥巖，發(fā)育平行層理、大型板狀交錯層理、水平層理。自然伽馬值向上逐漸增大，測井曲線表現(xiàn)為鐘型，主要出現(xiàn)在水下分流河道微相。

向上變粗型：與向上變細(xì)型相反，粒度向上逐漸變粗，層系變紅，巖性由泥巖、粉砂巖過渡為中、細(xì)砂巖，發(fā)育水平層理、漸變成大型板狀交錯層理。自然伽馬值逐漸減小，測井曲線表現(xiàn)為漏斗形態(tài)，主要出現(xiàn)在分流河道間微相。

均一型：該類型結(jié)構(gòu)可分為兩類，一類多見于中、細(xì)粒沉積物中，粉砂巖及泥巖中較少，主要發(fā)育平行層理或大型板狀交錯層理，在測井曲線上表現(xiàn)為箱型，主要出現(xiàn)在分流河道微相中；另一類則發(fā)育于泥、粉砂巖中，在西山窯組上部多表現(xiàn)為砂泥互層結(jié)構(gòu)，水平層理發(fā)育，測井曲線表現(xiàn)為微齒化平直型，主要出現(xiàn)在分流河道、沼澤等微相中。

通過電阻率曲線可以看出沉積地層的垂直層序(圖9)，底部為砂礫巖、粗砂巖，曲線的幅度最大，且與上部突變型接觸十分明顯。往上，隨著巖性由粗砂巖到中砂巖至細(xì)砂巖的過渡，曲線幅值逐漸減小。再往上，巖性過渡為粉砂巖或泥巖，曲線幅值最小。頂部再次出現(xiàn)砂礫巖、粗砂巖，曲線幅值再次增大。總體上，曲流河三角洲縱向上呈沉積物粒度向上變粗的倒粒序(沉積序列)。

圖8 伊犁盆地南緣西山窯組古生物特征Fig.8 Paleontological characteristics of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

圖9 伊犁盆地南緣ZK6877西山窯組剖面結(jié)構(gòu)特征Fig.9 Sectional structure characteristics of the ZK6877 Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

3 沉積相分析

3.1 沉積體系探討

沉積體系是受同一物源和統(tǒng)一水動力系統(tǒng)控制的、成因上有內(nèi)在聯(lián)系的沉積體或沉積相在空間上有規(guī)律的組合[32]。三角洲平原最主要沉積特征是沼澤沉積分布廣泛，可占三角洲平原亞相沉積面積的90%[34]。南緣地區(qū)發(fā)育沉積相類型多樣，依據(jù)沉積物顏色、巖性，沉積構(gòu)造、剖面結(jié)構(gòu)、測井特征等多種判別標(biāo)志，認(rèn)為西山窯組以發(fā)育曲流河三角洲相為主(圖2，9)，其中在三角洲平原亞相中沼澤較發(fā)育，發(fā)育多套煤線與煤層(圖11)，沼澤相中煤層厚度達(dá)到最大，厚度可達(dá)10 m以上，頂?shù)酌娑酁楹谏抠|(zhì)泥巖，而在分流河道中的煤多為中厚層，厚度在3～5 m之間，以灰黑色細(xì)粉砂巖為主，薄層煤線則以灰黑色粉砂巖為主，夾灰白色中砂巖，多出現(xiàn)在三角洲前緣相中。

3.2 連井剖面特征

通過對研究區(qū)60余口鉆孔的資料進(jìn)行分析對比后，選取了ZK線14233—17908—2507—S709—1611孔進(jìn)行巖性巖相的二維連井剖面分析，連井剖面ZK由西向東，14233孔位位于剖面最西邊，砂體發(fā)育較好，厚度較大，為分流河道沉積，到17908孔和2507孔，砂體厚度逐漸變薄，為分流間灣沉積，其中沼澤沉積相對穩(wěn)定，可見有泥巖和煤互層現(xiàn)象。沿東方向，由泥、粉砂、細(xì)砂向中粗砂漸變，砂體厚度變大，到1611孔發(fā)育大量礫石，砂泥互層等細(xì)粒級碎屑逐漸變薄，沉積環(huán)境向水下分流河道漸變(圖12)。選取ZKN線2009—2007—161孔進(jìn)行巖性巖相的二維連井剖面分析，2009孔位于最南端，砂體發(fā)育厚度向北逐漸變大，為分流河道沉積，沼澤相發(fā)育相對穩(wěn)定，以灰黑色泥、粉砂巖為主，到最北端161孔，沉積物粒級變粗，出現(xiàn)水下分流河道沉積，沉積環(huán)境向三角洲前緣相過渡(圖13)。

圖11 伊犁盆地南緣西山窯組煤Fig.11 Coal of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

圖12 伊犁盆地南緣西山窯組東西向連井剖面Fig.12 Connecting-well profile from east to west of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

圖13 伊犁盆地南緣西山窯組南北向連井剖面Fig.13 Connecting-well profile from south to north of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

3.3 砂體厚度平面展布特征

通過研究區(qū)60余口鉆孔資料對盆地南緣西山窯組地層發(fā)育時期的砂體厚度進(jìn)行統(tǒng)計分析，對該地區(qū)砂體厚度特征進(jìn)行平面展布(圖14)。砂體展布走向主要沿東西向，該地區(qū)內(nèi)的砂體在橫向上具有一定的穩(wěn)定性和規(guī)律性，具有“中間薄，兩邊逐漸變厚”的特征。砂體底部出現(xiàn)一定的起伏，局部有微凹，自墩買里以西至東部蒙其古爾砂體分布廣泛，厚度多為20～40 m之間，部分地區(qū)厚度出現(xiàn)60～70 m，甚者達(dá)到80 m左右。在漸厚轉(zhuǎn)變的過程，粒級多為中細(xì)粒級，水動力條件強(qiáng)，多出現(xiàn)分流河道沉積。砂體厚度較大的地區(qū)為北部資料空白區(qū)，主要砂體自墩買里沿東向延伸，在闊斯加爾西南部、南部廣泛分布。在阿熱墩、蒙其古爾、烏庫爾其地區(qū)出現(xiàn)剝蝕，因此，剝蝕區(qū)北翼砂體較薄，向北局部砂體厚度增大，推測砂體分異度較高，出現(xiàn)泥質(zhì)夾層，發(fā)育交錯層理，發(fā)育水平層理等沉積構(gòu)造。盆地南緣西山窯組地層厚度比穩(wěn)定，砂體自身厚度對其所占地層厚度影響較大，主要以14233到ZKN1611線為主，比值在中部有變大趨勢，砂地比值在0.3～0.8之間。17908孔東部存在砂地比高值區(qū)，往東北部出現(xiàn)砂地比峰值，蒙其古爾東北部也出現(xiàn)小范圍高值，三個砂地比高值均出現(xiàn)向北部延伸，砂地比值大于0.6，三個高值區(qū)之間為相對較低值區(qū)域，砂地比值在0.4左右。

3.4 沉積相展布

西山窯組沉積時期，自西向東，砂體在平面上展布相對連續(xù)和穩(wěn)定，曲流河三角洲發(fā)育廣泛，是伊犁盆地南緣中下侏羅統(tǒng)最主要的賦礦層系。通過前面分析，已知西山窯組底部為河床沉積的砂礫巖，粗砂巖，西山窯組主要為曲流河三角洲沉積(圖14)。發(fā)育三角洲平原、三角洲前緣兩種類型的沉積亞相。

三角洲平原亞相：在伊犁盆地南緣三角洲平原廣泛發(fā)育，自墩買里向東至闊斯加爾西南部，蒙其古爾北部，巖石多呈淺灰色、深褐色，墩買里地區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)大片區(qū)域沼澤亞相，煤層發(fā)育，分流河道微相為三角洲平原亞相主要變現(xiàn)形式，在烏庫爾其以西的阿熱墩地段，三角洲平原沉積遭受不同程度的剝蝕，但是也發(fā)育有一定規(guī)模的水下分流河道。

三角洲前緣亞相：自墩買里沿東至東北向，大面積三角洲前緣相發(fā)育，其中水下分流河道在研究區(qū)普遍發(fā)育，向下延伸至郎卡地區(qū)，巖石顏色以灰色為主，粒度適中。三角洲前緣再往北，鉆孔資料較少，從已揭穿西山窯組鉆孔巖性的變化趨勢，以及三角洲沉積體系的發(fā)育特征，推測為淺湖亞相沉積。

4 結(jié)論

根據(jù)對露頭和周緣剖面的調(diào)查、鉆井巖芯資料的分析，獲得了伊犁盆地南緣侏羅系西山窯組巖石類型、結(jié)構(gòu)和沉積構(gòu)造等系列沉積相標(biāo)志，據(jù)此提出：

(1) 伊犁盆地南緣西山窯組沉積時期，主要發(fā)育曲流河三角洲沉積體系，以三角洲平原亞相為主，墩買里南部出現(xiàn)平原沼澤含煤沉積，平原分流河道向北延伸至前緣水下分流河道。

(2) 西山窯組砂體分布范圍較廣，自西起墩買里到東部蒙其古爾均有分流河道砂體發(fā)育，且分布較穩(wěn)定，砂體厚度在20～40 m之間，局部可達(dá)到60 m以上；砂體由北向南逐漸變厚，砂地比值在0.3～0.8之間。

圖14 伊犁盆地南緣西山窯組砂體厚度及沉積相分布圖Fig.14 Distribution diagram of sand thickness and sedimentary facies of the Xishanyao Formation in the southern margin of the Yili Basin

(3) 沼澤微相的煤或含煤沉積的泥巖與分流河道(平原或前緣)微相的富鈾砂體在空間上呈共存共生關(guān)系。從沉積的角度看，這種共生關(guān)系是沉積微相分異的結(jié)果，因為煤等有機(jī)質(zhì)的吸附和還原作用，這種分異恰好促進(jìn)了煤、鈾的共存富集。

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