新疆北部扎河壩坳陷上二疊統(tǒng)沉積環(huán)境

文磊, 孫相燦, 周新桂, 易立, 李清瑤, 高永進(jìn), 龔曉星, 郭坤

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心,北京 100083； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局北京探礦工程研究所,北京 100083)

0 引言

前人對(duì)扎河壩坳陷的蛇綠巖帶[1-4]、花崗巖和玄武巖類等[5-14]研究較多，而對(duì)巖漿活動(dòng)期后的沉積環(huán)境研究較少。一方面是由于該區(qū)火成巖類分布較廣，而中新生代以來(lái)基本處于隆起剝蝕階段，僅在局部有沉積; 另一方面是由于對(duì)地層年代的認(rèn)識(shí)存在偏差，包括1971年編制的1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖(恰庫(kù)爾圖幅)等研究成果曾長(zhǎng)期將扎河壩坳陷火成巖和沉積巖分別劃分為中石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組和蘇都庫(kù)魯克組。近年來(lái)針對(duì)扎河壩坳陷的鋯石測(cè)年和古生物化石鑒定等分析認(rèn)為扎河壩坳陷最新火成巖時(shí)代為二疊紀(jì)，其上的沉積巖時(shí)代為晚二疊世[15-16]。本文以扎河壩坳陷地質(zhì)調(diào)查井新富地1井巖芯資料為研究對(duì)象，結(jié)合野外露頭資料，針對(duì)上二疊統(tǒng)泥巖、粉砂巖等進(jìn)行微量元素地球化學(xué)研究，恢復(fù)其沉積古環(huán)境，從而為開(kāi)展該區(qū)晚二疊世構(gòu)造-沉積演化研究奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

中亞造山帶地處亞洲大陸中心，周圍被西伯利亞板塊、俄羅斯克拉通、塔里木板塊和華北克拉通所圍限(圖1(a))，是全球顯生宙陸殼增生與陸內(nèi)改造作用最顯著的地區(qū)。在10億a來(lái)的陸殼演化過(guò)程中，經(jīng)歷了陸緣增生、后碰撞和陸內(nèi)造山作用3個(gè)階段，完備的大陸演化過(guò)程以及豐富的礦產(chǎn)和能源資源使中亞造山帶成為研究大陸演化過(guò)程及其成礦機(jī)理的天然實(shí)驗(yàn)室[9，17-20]。

阿爾泰造山帶位于中亞造山帶腹部，南與準(zhǔn)噶爾盆地相鄰，北進(jìn)入蒙古、俄羅斯和哈薩克斯坦境內(nèi)(圖1(b))，是晚古生代西伯利亞板塊和哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊碰撞形成的[17，21-22]。

福津盆地扎河壩坳陷位于阿爾泰造山帶與準(zhǔn)噶爾盆地之間，屬于中亞造山帶(CAOB)的一部分(圖1)，自早古生代以來(lái)經(jīng)歷了準(zhǔn)噶爾洋盆階段、洋殼俯沖階段、碰撞階段、后碰撞階段和板內(nèi)階段，形成了強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)和復(fù)雜的構(gòu)造演化特征，是研究中亞造山帶演化過(guò)程的熱點(diǎn)地區(qū)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地及研究區(qū)大地構(gòu)造位置[13-16,23]Fig.1 Tectonic location of Junggar Basin and the study area[13-16,23]

扎河壩坳陷也是礦產(chǎn)資源勘探工作者研究的重點(diǎn)地區(qū)。區(qū)內(nèi)蘊(yùn)含了豐富的煤炭資源，以及金、銅、鉻、鐵等多金屬成礦帶。近年來(lái),中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司(下稱“中石油”)在扎河壩坳陷實(shí)施的富淺1井在石炭系取到含油巖芯，富參1井巖屑錄井有3層見(jiàn)熒光顯示，4層見(jiàn)氣測(cè)異常，而且在扎河壩坳陷地表見(jiàn)到了油苗[24]，證實(shí)該區(qū)具有一定的油氣勘探潛力。

扎河壩坳陷南側(cè)發(fā)育扎河壩—阿爾曼泰蛇綠混雜巖帶，北側(cè)為泥盆系、石炭系構(gòu)成的阿爾泰山前沖斷帶，沖斷帶北側(cè)為額爾齊斯構(gòu)造混雜帶(圖2)。額爾齊斯構(gòu)造混雜帶為哈薩克斯坦—準(zhǔn)噶爾板塊與西伯利亞板塊之間的邊界，主要組成為泥盆紀(jì)—早石炭世的蛇綠混雜巖[25]。扎河壩—阿爾曼泰蛇綠混雜帶形成年齡主要為460～500 Ma[26]。扎河壩坳陷主要出露二疊系，大部分地區(qū)被第四系覆蓋。

圖2 扎河壩坳陷及周緣地質(zhì)圖[15]Fig.2 Geological map of Zhaheba Depression and its surrounding areas[15]

2 新富地1井實(shí)鉆地層特征

2.1 實(shí)鉆地層概況

新富地1井在鉆遇第四系后直接進(jìn)入二疊系，第四系和二疊系之間為角度不整合接觸(圖3)。

圖3 扎河壩坳陷新富地1井實(shí)鉆地層柱狀圖及采樣位置Fig.3 Stratigraphic column and sample location in well Xinfudi 1 of Zhaheba Depression

第四系全新統(tǒng)為洪積坡積物，巖性以砂、粉砂、黏土及砂礫石為主。

上二疊統(tǒng)上部主要為灰黑色泥巖，夾碳質(zhì)泥巖、菱鐵礦薄層； 上二疊統(tǒng)中部為黃褐色、灰綠色細(xì)砂巖、粉砂巖夾泥巖、黑色中砂巖、粗砂巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖及煤層2～3層； 上二疊統(tǒng)下部為灰黑色中、粗砂巖和灰白色凝灰?guī)r、安山巖及深灰色凝灰粉砂巖夾薄層泥巖、粉砂巖及薄層煤層，含大量植物化石碎片。

下二疊統(tǒng)主要為灰紫色、灰綠色安山玢巖、玄武玢巖，暗紅色、綠色凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、以及灰紫色、淡紅色、紅褐色花崗斑巖、花斑巖、流紋巖。

2.2 典型巖芯特征

新富地1井在0～314 m井段巖性主要為黑色泥巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖、黑色碳質(zhì)泥巖夾薄煤層(圖4)。根據(jù)野外剖面考察實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)了含煤層系中發(fā)育的上二疊統(tǒng)的德茲匙葉NoeggerathiopsisderzaviniiNeuburg等植物化石組合[16]，判定該套含煤層系為上二疊統(tǒng)。

(a) 278.3 m，含黃鐵礦煤層 (b) 254.70～258.40 m，灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)泥巖

(c) 236.30～239.50 m，黑色泥巖夾薄層煤層 (d) 135.10～138.70 m，黑色泥巖夾碳質(zhì)泥巖，局部有灰色粉砂巖

(e) 67.70～71.25 m，黑色碳質(zhì)泥巖夾灰黑色泥質(zhì)(f) 11.30～14.50 m，灰黑色、灰褐色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖 泥質(zhì)粉砂巖

圖4 新富地1井0～314 m井段巖芯照片

Fig.4 Core photos of 0-314 meters depth in well Xinfudi 1

新富地1井314～1 403 m為二疊系火成巖。巖性為凝灰?guī)r、安山玢巖、玄武玢巖、安山巖等(圖5)。

(a) 373.36～377.16 m，灰綠色斑脫巖、灰褐色泥巖(b) 315.40～319.30 m，灰色凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、火山角礫巖

(c) 820.52 m，棕褐色玄武玢巖 (d) 1 392.32 m，暗灰色安山巖

圖5 新富地1井314～1 403 m井段巖芯照片

Fig.5 Core photos of 314-1 403 meters depth in well Xinfudi 1

3 沉積環(huán)境分析

在不同沉積環(huán)境下，沉積物中不同元素存在不同的分解、運(yùn)移和富集規(guī)律，最終導(dǎo)致沉積地層中不同元素含量的差異化特征。因此，可以通過(guò)分析沉積物中環(huán)境敏感性元素含量或比值來(lái)反演沉積古環(huán)境特征[27-29]。

對(duì)新富地1井巖芯樣品進(jìn)行了微量元素測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 新富地1井巖芯樣品相關(guān)微量元素含量Tab.1 Trace element contents of the core samples in well Xinfudi 1

表2 新富地1井巖芯樣品微量元素計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of trace elements in core samples of well Xinfudi 1

3.1 Sr/Ba比值

扎河壩坳陷中的新富地1井上二疊統(tǒng)沉積物中Sr/Ba比值皆小于1，這說(shuō)明其沉積環(huán)境為淡水環(huán)境(圖6)。

圖6 新富地1井上二疊統(tǒng)巖芯樣品Sr/Ba比值變化Fig.6 Sr/Ba ratio variation of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

3.2 Sr/Cu比值

Sr/Cu比值對(duì)古氣候的變化非常敏感。前人研究認(rèn)為Sr為喜干型元素，而Cu為喜濕型元素。一般情況下，Sr/Cu比值介于1～10指示了溫暖濕潤(rùn)的古氣候條件，大于10則指示干旱炎熱的古氣候環(huán)境。新富地1井巖芯樣品Sr/Cu比值均在1～10之間(圖7)，指示當(dāng)時(shí)扎河壩坳陷處于溫暖濕潤(rùn)的古氣候條件，有利于成煤植物的大量繁殖。

圖7 新富地1井上二疊統(tǒng)巖芯樣品Sr/Cu比值變化Fig.7 Sr/Cu ratio variation of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

3.3 δU及Th/U比

Th和U在還原環(huán)境下化學(xué)性質(zhì)相似，而在氧化環(huán)境下具有很大的差異性[30]。在自然環(huán)境下，Th只有+4價(jià)一種價(jià)態(tài)，而且不易溶解。U在強(qiáng)還原環(huán)境下為+4價(jià)，也不溶于水，極易在沉積巖中富集； 而在氧化環(huán)境下，U為+6價(jià)態(tài)，易溶于水，導(dǎo)致沉積巖中缺失U。因此，根據(jù)這種差異可以判斷沉積水體氧化還原條件。一種是δU法，δU=U/[0.5×(Th/3+U)]，δU大于1指示還原環(huán)境，δU小于1則指示氧化環(huán)境[31-33]。另外一種是Th/U比值法，0

新富地1井巖芯樣品Th/U比值在2.2～3.4(圖8)，算術(shù)平均值為2.8，指示較弱的氧化環(huán)境，更偏向中性環(huán)境。δU介于0.93～1.15，算術(shù)平均值為1.03，指示在正常的氧化環(huán)境和弱還原環(huán)境之間變化，偏弱還原環(huán)境。

綜合Th/U和δU值判斷，扎河壩坳陷晚二疊世沉積水體環(huán)境介于氧化環(huán)境和還原環(huán)境之間，偏弱還原環(huán)境。

圖8 新富地1井上二疊統(tǒng)巖芯樣品Th/U和δU值變化Fig.8 Th/U ratio and δU value variations of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

4 討論

(1)古亞洲洋是顯生宙時(shí)期位于西伯利亞和中朝—塔里木克拉通之間的EW向展布的古大洋，新疆北部的準(zhǔn)噶爾洋是其演化的階段性產(chǎn)物，是其北部的重要分支。前人研究認(rèn)為準(zhǔn)噶爾洋晚二疊世處于后碰撞階段，會(huì)形成陸相火山-沉積體系[34]。本文的研究結(jié)果證實(shí)了扎河壩地區(qū)經(jīng)歷了晚二疊世早期火山活動(dòng)，晚二疊世后期火山活動(dòng)減弱，轉(zhuǎn)而進(jìn)入陸相淡水沉積環(huán)境。

(2)晚二疊世早期，扎河壩坳陷仍延續(xù)了強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)，形成了一系列凝灰?guī)r、玄武巖、玄武玢巖等火山巖。已有研究表明這些火山巖(原上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組)與俯沖消減作用相關(guān)[35]，也就是說(shuō)，準(zhǔn)噶爾洋閉合過(guò)程中俯沖消減的時(shí)限可能延續(xù)到了晚二疊世早期，并于晚二疊世后期完全閉合，此時(shí)東準(zhǔn)噶爾一系列島弧地體與西伯利亞板塊最終拼貼在一起。

(3)晚二疊世后期，扎河壩坳陷巖漿活動(dòng)減弱，并穩(wěn)定沉降接受沉積。沉積環(huán)境為溫暖濕潤(rùn)的淡水環(huán)境，成煤植物大量生長(zhǎng)，構(gòu)造活動(dòng)減弱。這與其西南鄰區(qū)烏倫古坳陷缺失二疊系沉積形成了鮮明的對(duì)比，指示了當(dāng)時(shí)的古地理隆凹格局。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)新富地1井巖芯樣品微量元素計(jì)算分析，得出Sr/Ba比值皆小于1，表明扎河壩坳陷晚二疊世沉積環(huán)境為淡水環(huán)境。

(2)樣品Sr/Cu比值為1～10，表明古氣候條件為溫暖濕潤(rùn)氣候，有利于成煤植物大量繁殖。

(3)綜合Th/U和δU值分析認(rèn)為，扎河壩坳陷晚二疊世沉積水體介于氧化環(huán)境和還原環(huán)境之間，偏弱還原環(huán)境。

(4)扎河壩坳陷晚二疊世經(jīng)歷了火山活動(dòng)和陸相淡水沉積2個(gè)階段，印證了準(zhǔn)噶爾洋由俯沖消減向陸內(nèi)階段轉(zhuǎn)換的過(guò)程，對(duì)恢復(fù)該區(qū)構(gòu)造演化及沉積古地理特征研究具有重要意義。

致謝： 野外工作中得到胡勇、白仲才、魯紅利和唐存華等專家的指導(dǎo)、幫助，研究過(guò)程中羅衛(wèi)峰、楊小鵬、馬彥彥等給予了有益的討論和建議，在此一并致以衷心的感謝。