新疆博格达地区中二叠世—早三叠世构造-气候-沉积演化及耦合机制

博格达地区的盆山关系演化、博格达山初始隆升时间、构造-气候-沉积耦合机制等前沿科学问题一直是国内外研究的热点,也一直困扰和制约准噶尔盆地东南缘的油气勘探开发进程。基于博格达山北缘野外露头和阜康凹陷、吉木萨尔凹陷的岩心、地震及钻测井资料,综合运用沉积学、地球化学等多种方法,阐明了博格达地区中二叠统—下三叠统展布及沉积相特征,恢复了相应的古气候变化,结合区域研究成果重建了中二叠世至早三叠世构造-气候-沉积演化过程。认为博格达地区中二叠世为裂谷—坳陷盆地构造背景,在干旱—半干旱气候条件下,发育以博格达地区为湖泊中心的辫状河三角洲—湖泊沉积体系;晚二叠世博格达山发生初始隆升,早期湖盆消亡并在博格达北坡山前发育冲积扇,古气候由半干旱变化为半湿润;早三叠世博格达地区构造环境相对稳定,但是逐渐趋于温暖湿润的古气候对区域风化程度和沉积条件起主要控制作用,博格达山体遭受强烈风化剥蚀,北侧形成扇三角洲—湖泊沉积体系。     

新疆博格达地区中二叠世—早三叠世构造-气候-沉积演化及耦合机制*

博格达地区的盆山关系演化、博格达山初始隆升时间、构造-气候-沉积耦合机制等前沿科学问题一直是国内外研究的热点,也一直困扰和制约准噶尔盆地东南缘的油气勘探开发进程。基于博格达山北缘野外露头和阜康凹陷、吉木萨尔凹陷的岩心、地震及钻测井资料,综合运用沉积学、地球化学等多种方法,阐明了博格达地区中二叠统—下三叠统展布及沉积相特征,恢复了相应的古气候变化,结合区域研究成果重建了中二叠世至早三叠世构造-气候-沉积演化过程。认为博格达地区中二叠世为裂谷—坳陷盆地构造背景,在干旱—半干旱气候条件下,发育以博格达地区为湖泊中心的辫状河三角洲—湖泊沉积体系;晚二叠世博格达山发生初始隆升,早期湖盆消亡并在博格达北坡山前发育冲积扇,古气候由半干旱变化为半湿润;早三叠世博格达地区构造环境相对稳定,但是逐渐趋于温暖湿润的古气候对区域风化程度和沉积条件起主要控制作用,博格达山体遭受强烈风化剥蚀,北侧形成扇三角洲—湖泊沉积体系。     

新疆博格达山北缘晚古生代-中生代古水流样式转折及其构造意义

新疆准噶尔盆地南缘博格达山北缘地区古水流方向在晚古生代到中生代期间发生过三次重要的转变。晚石炭世晚期以前指向南,晚石炭世晚期到二叠纪期间指向东、南东东向,三叠纪—侏罗纪指向南,白垩纪及其以后指向北。结合盆地物源和沉积环境分析,博格达山北缘自晚古生代以来可划分为四个构造演化阶段,古流向转折期为盆地各期构造演化的分界线,它们是盆地对周缘造山带构造演化沉积响应的重要记录。另一方面,古水流转折时间资料的获得,对准噶尔盆地周缘不同构造带的隆升时代是一个非常重要的限定。晚石炭世晚期至二叠纪,古水流资料指示沉积物主要来自准噶尔盆地西部,准噶尔盆地西—西北缘强烈隆升,自三叠纪早期开始到侏罗纪晚期,准噶尔盆地北缘抬升,博格达山北缘沉积物主要来自北方;侏罗纪晚期到白垩纪,古水流指示沉积物主要来自盆地南部,博格达山隆起并遭受剥蚀。然而,什么原因造成石炭纪末以来,准噶尔盆地周缘几个造山带顺时针方向依次隆起,有待进一步研究。     

新疆博格达山北缘晚古生代一中生代古水流样式转折及其构造意义

新疆准噶尔盆地南缘博格达山北缘地区古水流方向在晚古生代到中生代期间发生过三次重要的转变.晚石炭世晚期以前指向南,晚石炭世晚期到二叠纪期间指向东、南东东向,三叠纪-侏罗纪指向南,白垩纪及其以后指向北.结合盆地物源和沉积环境分析,博格达山北缘自晚古生代以来可划分为四个构造演化阶段,古流向转折期为盆地各期构造演化的分界线,它们是盆地对周缘造山带构造演化沉积响应的重要记录.另一方面,古水流转折时间资料的获得,对准噶尔盆地周缘不同构造带的隆升时代是一个非常重要的限定.晚石炭世晚期至二叠纪,古水流资料指示沉积物主要来自准噶尔盆地西部,准噶尔盆地西-西北缘强烈隆升,自三叠纪早期开始到侏罗纪晚期,准噶尔盆地北缘抬升,博格达山北缘沉积物主要来自北方;侏罗纪晚期到白垩纪,古水流指示沉积物主要来自盆地南部,博格达山隆起并遭受剥蚀.然而,什么原因造成石炭纪末以来,准噶尔盆地周缘几个造山带顺时针方向依次隆起,有待进一步研究.     

准噶尔盆地东南缘侏罗系重矿物演化特征及对博格达山隆升的响应

准噶尔盆地是我国大型含油气盆地之一,其南缘发现了一系列油气田,但博格达山前带油气勘探没有取得大的突破,究其原因可能为博格达山体与周缘凹陷的盆山关系认识不够,以及后期演化对成盆成烃的控制与约束作用认识不够深入。沉积盆地中保存的碎屑物质记录了盆地在沉积过程中周缘造山带岩石圈特征和盆地动力学性质,而沉积重矿物由于其自身的稳定性全程参与在这漫长而复杂的地质过程中,所以碎屑重矿物是源区母岩信息的重要载体。根据重矿物碎屑的磨圆情况、含量变化、组合特征以及不同重矿物指数等矿物岩石学特征,研究侏罗纪时期博格达山隆升过程,为博格达山隆升发生在中侏罗世头屯河时期提供有力的佐证。依据重矿物特征将侏罗纪博格达地区构造演化分为两个阶段:早侏罗世-中侏罗晚期,构造相对稳定阶段;中侏罗晚期-晚侏罗世,构造隆升强烈阶段。并结合前人的构造热年代学、U-Pb年龄,古水流等研究成果,认为在早侏罗世-中侏罗晚期,博格达山地区为汇水沉积区,物源主要来自卡拉美丽山,在中侏罗晚期-晚侏罗世,物源来自于博格达山,认为此时博格达山已经隆升。     

准噶尔盆地与吐哈盆地侏罗纪沉积边界的探讨

关于准噶尔盆地与吐哈盆地侏罗纪的沉积边界问题，争论历时已久。总的来说，构造上分歧不大，而沉积上则各抒己见．为全面而系统地解决这些问题，更好地指导准噶尔盆地与吐哈盆地的侏罗系勘探及两个盆地的地质类比，本文通过博格达山南北缘侏罗沉积相、古流向及物源等方面的实地测量和分析，同时结合区域构造背景，对准噶尔盆地与吐哈盆地侏罗纪沉积边界作了进一步探讨，认为准噶尔盆地与吐哈盆地至少在侏罗纪沉积之前已被博格达山分隔开，从而开始了各自的沉积构造演化史。     

准噶尔盆地南缘中-新生界沉积物重矿物分析与盆山格局演化

本文通过分析准噶尔盆地南缘野外剖面、部分钻井岩心和天山内部野外剖面的碎屑重矿物及其组合特征,探讨了准噶尔盆地中-新生代物源体系和盆山格局的演化。准噶尔盆地南缘至少存在3个物源体系,各物源体系的重矿物组合、含量及其反映的物源属性均存在较大差异;其中,南部天山物源还存在东、西两部的差异。不同重矿物组合出现和不稳定重矿物的增加显示中-新生代存在3个构造活动相对活跃期,即晚侏罗世—早白垩世早期、晚白垩世和晚新生代。早-中侏罗世天山内部发育多个分隔的小型盆地,盆地南部边界至少位于后峡附近,不存在地理分隔明显的天山;晚侏罗世—早白垩世早期是天山隆升、盆山格局发生转变的时期,博格达山逐渐构成盆地南缘的又一重要物源;白垩纪—古近纪盆山格局变化不大,新近纪以来的强烈挤压构造背景使得天山山脉快速隆升,盆山格局发生重大改变。准噶尔盆地南缘中-新生代构造相对活跃期和盆山格局演变与欧亚板块南缘发生的构造事件具有良好的对应关系。     

准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系物源及其演化特征

准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系储层油气勘探潜力巨大,但关于其物源条件及沉积背景演化方面的认识较为有限,严重制约了后续油气勘探开发进程。为顺利开展后续油气勘探,笔者应用砂岩碎屑成分、砾岩砾石成分、重矿物类型及组合特征、古水流特征、地层岩性比例特征等物源分析方法,并结合区域构造演化背景,对准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系沉积物源特征进行厘定,并恢复其演化过程。研究结果表明：早侏罗世,博格达山尚未隆升,准南东段物源体系受控于北部克拉美丽山及南部天山山体,研究区南部原始沉积边界距现今盆地边界最远;自中侏罗世以来,由于受周缘山体隆升及燕山运动影响,博格达山开始隆升并逐渐出露水面,对准南东段物源体系产生一定影响;自晚侏罗世—早白垩世,博格达山的持续隆升作用使其隆起高度和规模不断增大,并最终成为准南东段优势物源区,克拉美丽山隆起幅度也不断增大,而使其供源能力增强。整体上,早侏罗世—中侏罗世,准南东段受南部天山物源体系和北部克拉美丽山物源体系共同影响;而在中侏罗世—早白垩世这一沉积期,南部天山物源体系、北部克拉美丽山物源体系和博格达山物源体系并存,但各物源体系对准南东段侏罗系—白垩系影响程度存在差异。     

新疆博格达山隆升时间初步分析

博格达山横亘于准噶尔盆地和吐—哈盆地之间,关于博格达山的隆升时间一直是一个具重要意义而又长期争议的问题。综合分析前人及研究区资料认为:早石炭—中二叠世博格达地区以拉张环境为主;在晚二叠—早三叠世,吐—哈盆地台北凹陷沉积物的粒度、分布、形态、成分变化等特征以及地层接触关系表明博格达山初次隆升;中侏罗世,台北凹陷的沉积相、ZTR指数以及砂岩岩屑成分在时间上和空间上的变化,表明西山窑组晚期博格达山再次隆升,并向吐—哈盆地提供物源,但喜山运动期间博格达山隆升幅度最大,铸成了现今的盆山格局。     

天山山脉中新生代差异隆升及其机制探讨

为了揭示长约2500 km的天山山脉中新生代隆升特征,本文系统梳理分析了已发表的磷灰石裂变径迹数据和本次野外采样测得磷灰石裂变径迹数据约460个,岩性以花岗岩和砂岩为主。结果显示整个天山山脉隆升具有明显的时空差异性。白垩纪以前记录的径迹数据约占14%,白垩纪以来的数据约占86%,晚古生代末天山已有径迹年龄记录,到晚侏罗世天山部分地区发生隆升,整体隆升不明显,早白垩世以来整个天山普遍隆升,且存在多期隆升事件,但隆升剥蚀速率存在明显差异。南北方向上,自南向北径迹年龄有减小的趋势,揭示山脉隆升自南天山向北天山扩展;东西方向上,西天山隆升时限较东天山隆升早,但白垩纪以来东、西天山均有隆升记录。天山山脉差异性隆升是不同陆块对亚洲板块南缘碰撞增生作用的共同结果,其内部块体的结构特征和力学性质是差异隆升的基础和前提。     

Topographic evolution of the Tianshan Mountains and their relation to the Junggar and Turpan Basins,Central Asia,from the Permian to the Neogene

The modern Tianshan Mountains and their surrounding basins have mainly been shaped by the far field effects of the Cenozoic India-Asia collision. However, precollision topographic evolution of the Tianshan Mountains and its impacts on the Junggar and Turpan Basins remain unclear due to the scarcity of data. Detrital zircon U-Pb dating of 14 new and 23 published samples from Permian to Neogene strata in the northern Western Tianshan Mountains, northern and southern Bogda Mountains and Central Turpan Basin, are combined with sedimentary characteristics (lithofacies, petrofacies and paleocurrent data) to investigate the temporal and spatial changes in sediment provenances. Based on the age characteristics of the source rocks in the Tianshan Mountains, the detrital zircons are divided into three groups: pre-Carboniferous zircons, mainly from the Central Tianshan Mountains; Carboniferous to Permian zircons, mainly from the North Tianshan and Bogda Mountains; and Mesozoic zircons, mainly from syn-depositional volcanic activity. The topographic evolution of the Tianshan Mountains and their relation to the Junggar and Turpan Basins can be generally divided into six stages. (1) Positive-relief Tianshan and Bogda Mountains and a rifted marine basin formed during the Early Permian to early Middle Permian following late Carboniferous orogenesis, as evidenced by interbedded alluvial fan conglomerates and postcollisional extension-related volcanic rocks along the basin margins, by marine deposits far from the basin margins and by the predominance of Carboniferous to Permian detrital zircons. (2) Fluvial to lacustrine deposits in the modern southern Junggar and Turpan Basins are characterized by abundant pre-Carboniferous zircons and consistently northward-flowing paleocurrents, indicating the submergence of the Bogda Mountains and a contiguous Junggar-Turpan continental depression basin during the late Middle Permian to the Triassic. (3) The Bogda Mountains began to uplift in the Early Jurassic, resulting in opposing paleocurrent directions, a sudden increase in sedimentary lithic detritus and the dominance of Carboniferous to Permian detrital zircons along the southern and northern margins of this range. (4) In contrast to the uplift of the Bogda Mountains, the other parts of the Tianshan Mountains experienced gradual peneplanation from the Early Jurassic to the Middle Jurassic, as confirmed by widespread fluvial to lacustrine deposits, even inside the modern Tianshan Mountains, and by the dominance of pre-Carboniferous detrital zircons. (5) The dominance of Carboniferous to Permian zircons in the southern Junggar Basin suggests the West Tianshan Mountains were uplifted during the Late Jurassic, while the dominance of pre-Carboniferous zircons in the Central Turpan Basin indicates continuous peneplanation in the Eastern Tianshan Mountains. (6) The initial shape of the Tianshan Mountains-Junggar Basin-Turpan Basin system was constructed in the Late Jurassic but was modified in the Cenozoic by the India-Asia collision, resulting in much higher Western Tianshan and Bogda Mountains, low Eastern Tianshan Mountains and well-developed foreland basins. These Cenozoic changes were recorded by the rapid cooling of apatites, the dominance of Carboniferous to Permian zircons in the southern Junggar Basin and northern Turpan Basin, and the dominance of pre-Carboniferous zircons in the Central Turpan Basin.     

准南前陆盆地燕山期构造活动及其成藏意义

准南前陆盆地燕山期盆地格局的演变、沉积中心有规律的迁移、沉积特征(与构造活动相关的砾岩及其分布)显示晚侏罗世—早白垩世早期、晚白垩世是准南前陆盆地燕山期构造活动相对活跃的时期。晚侏罗世—早白垩世早期的喀拉扎砾岩、白垩系清水河组底砾岩为一套形成于邻近高地附近的剥蚀产物或冲积产物,其分布特征及成因是晚侏罗世—早白垩世早期局部挤压和构造隆升较为活跃的产物,也是盆地边界萎缩、盆山格局发生变化的重要证据,同时天山明显隆升并导致天山南北早白垩世沉积环境的巨大差异。准南前陆盆地烃源岩大量生排烃、圈闭形成、油气运聚成藏与燕山期构造活动关系密切;燕山期发育的储层是准南前陆盆地的主要油气储层,晚侏罗世—早白垩世早期砂砾岩和不整合分布也在一定程度上控制了油气分布,是今后寻找有利隐蔽油气藏、岩性地层油气藏的重要目标之一;燕山期古构造及其形成时间与油气成藏期的良好匹配决定其油气成藏的有效性。     

Detrital zircon geochronology analysis of the Late Mesozoic deposition in the Turpan‐Hami basin: Implications for the uplift history of the Eastern Tian Shan,north‐western China

Analysing the provenance changes of synorogenic sediments in the Turpan‐Hami basin by detrital zircon geochronology is an efficient tool to examine the uplift and erosion history of the easternmost Tian Shan. We present detrital zircon U‐Pb analysis from nine samples that were collected within marginal lacustrine Middle‐Late Jurassic and aeolian‐fluvial Early Cretaceous strata in the basin. Middle‐Early Jurassic (159–172 Ma) zircons deriving from the southern Junggar dominated the Middle Jurassic sample from the western Turpan‐Hami basin, whereas Permian‐Carboniferous (270–330 Ma) zircons from the Bogda mountains were dominant in the Late Jurassic to Early Cretaceous samples. Devonian‐Silurian (400–420 Ma) and Triassic (235–259 Ma) zircons from the Jueluotage and Harlik mountains constituted the subordinate age groups in the Late Jurassic and Early Cretaceous samples from the eastern basin respectively. These provenance transitions provide evidence for uplift of the Bogda mountains in the Late Jurassic and the Harlik mountains since the Early Cretaceous.     

准噶尔盆地南缘中-新生界碎屑锆石的U-Pb 年代学和沉积学记录及其反映的盆山构造演化

针对准噶尔盆地南缘(天山北麓)中生界及新生界4个砂岩样品的碎屑锆石,本文开展了LA-ICP-MS分析,解析了其U-Pb年代学、沉积物源及其构造属性等信息,探索了天山及其邻近盆地的表壳演化过程及动力学机制。研究显示,准噶尔盆地南缘上三叠统-中侏罗统碎屑锆石年龄构成总体宽泛复杂,在490～160 Ma之间出现多个谱峰:除310～260 Ma主峰外,尚有180～160 Ma、240～210 Ma、370～340 Ma、450～390 Ma和490～460 Ma等5个次峰; 上侏罗统-下白垩统碎屑锆石年龄构成相对简单,但仍然保留400～250 Ma较宽范围内的2～3个谱峰:除310～260 Ma主峰外,尚有340～315 Ma等次峰; 上白垩统-古近统,主物源碎屑锆石年龄构成趋向单一,峰值区间集中于310～260 Ma。研究说明天山与准噶尔盆地之间的构造分异活动可以分为4个阶段:中晚三叠世-中侏罗世平稳或渐弱,向准噶尔盆地输运碎屑物的天山水系较宽,可达南天山北缘; 晚侏罗世-早白垩世欧亚板块与拉萨块体碰撞的远程效应对天山古生代构造格局造成了强烈的叠加改造,天山区域整体抬升剥露加剧,并伴随主分水岭相对北移; 晚白垩世-古近纪北天山继续隆升(尽管相对变弱),并直接构成向准噶尔盆地(南缘)输运碎屑物的主水系,新近纪由于欧亚板块与印度板块碰撞引发的天山陆内强烈隆升并未明显改变这一物源输运系统。     

新疆博格达山的构造演化及其与油气的关系

博格达山的构造演化及其造山作用的时间是一个长期争议且缺乏系统研究的问题。在野外调查的基础上,充分吸收前人成果,综合运用岩浆岩地球化学特征、不整合-沉积旋回、古流向及沉积物扩散方向等分析手段,对博格达山的构造演化进行了精细的剖析。结果表明:博格达山的构造演化主要经历了3期构造反转,即中-晚石炭世的裂陷海槽与晚石炭世末的弱造山期、早-中二叠世的裂陷盆地与晚二叠世-三叠纪和晚三叠世末的古博格达山隆升-夷平期以及早-中侏罗世的弱伸展盆地与晚侏罗世以来的现今博格达山阶段性隆升期;博格达山南缘柴窝堡凹陷地区印支期形成的NE向构造是油气勘探的有利区带。     

准噶尔盆地南缘侏罗纪沉积相演化与盆地格局

通过对准噶尔盆地南缘侏罗系5条剖面的沉积特征对比,结合钻井资料和地震资料,确定了准噶尔盆地南缘侏罗纪盆地边界、沉积相演化及盆地格局。头屯河剖面和后峡剖面的沉积相对比及古流向测量表明二者在早、中侏罗世形成于同一沉积体系。在早、中侏罗世,沉积相逐渐从以辫状河-三角洲-湖泊相为主过渡到以河流相-湖泊相为主,沉积水体逐渐变浅;其中三工河组沉积时期盆地沉积范围达到最大,西山窑组沼泽相发育,车排子-莫索湾凸起自西山窑组沉积时期开始形成;早、中侏罗世的盆地边界至少位于后峡以南附近,此时不存在地理分割明显的天山山脉。晚侏罗世－早白垩世早期,沉积相从辫状河-滨浅湖相为主迅速演变为以辫状河-冲积扇相为主。在此期间盆地边界明显向北迁移,天山山脉明显隆升并造就天山南北沉积环境的巨大差异,博格达山构成盆地南缘的又一重要物源体系。     

准噶尔盆地南缘侏罗系碎屑成分特征及其对构造属性、盆山格局的指示意义

砂岩碎屑成分分析是进行沉积物源岩石类型、构造属性和盆山演化分析的重要途径。准噶尔盆地南缘侏罗系物源构造属性以“再旋回造山带”、“弧造山带”和部分“岩浆弧”物源为特征,物源岩石类型主要为中酸性岩浆岩、变质岩和沉积岩,岩石成分、重矿物含量及其组合显示东、西剖面在物源上存在一定差异。天山内部侏罗系物源构造属性以“再旋回造山带”、“混合造山带”为主,物源岩石类型主要为中酸性岩浆岩和变质岩,但各剖面的岩石成分、重矿物组合特征及相对含量差异较大。综合天山内部与准噶尔盆地南缘野外剖面沉积特征、岩屑成分及钻井岩心分析表明,天山地区早、中侏罗世盆山格局以盆地沉积范围大、天山正地形较小为特征,不存在地理分割明显的天山山脉,侏罗纪盆地南缘至少存在三个物源体系(西准噶尔山、克拉麦里山和(古)天山);晚侏罗世一早白垩世早期,岩石成分成熟度偏低,砾岩等粗碎屑沉积明显增多,同时不稳定重矿物及其组合稍有增加可能与晚侏罗世天山构造格局分异、构造活动相对活跃有关,天山山脉明显隆升并造就天山南北沉积环境的巨大差异。     

北票盆地侏罗纪砾岩沉积特征及对区域构造演化的指示

陆相盆地充填沉积物中砾岩沉积特征分析是示踪物源及反演源区构造演化背景的重要手段之一。通过对辽西北票盆地侏罗系的砾岩层沉积特征及砾岩的分散型式分析发现，北票盆地砾岩的沉积特征明显受到火山作用的影响，物源主要以盆地前期或同期火山岩及西缘前中生代沉积地层和变质岩系为主，砾石成分组成自下向上表现出一定的规律性变化，与盆地两次大的火山－沉积作用旋回有很好的对应关系，表现为从沉积早期以火山岩砾石为主向晚期以沉积岩及变质岩砾石为主的演化过程。早侏罗世晚期及晚侏罗世晚期砾岩主要为复成分砾岩，松散堆积，填隙物主要为泥砂质．分散型式为混合型，应为盆地在侏罗纪经历的两次大的逆冲推覆作用的沉积响应。中侏罗海房沟组巨厚的粗砾岩沉积对应于盆地西缘的一次快速隆升事件。