古生代末期, 中亚造山带海西期增生拼合控制了北疆盆地的构造演化。晚二叠世, 准噶尔— 巴尔喀什洋盆最终闭合, 哈萨克斯坦马蹄形构造紧闭、演化结束(Abrajevitch et al., 2008; Choulet et al., 2012); 作为哈萨克斯坦马蹄形构造的最东段, 西准噶尔由于不规则碰撞— 拼合发育残余洋盆(李江海等, 2009)。整体而言, 在北疆地区, 岛弧型火山活动在晚石炭世基本结束, 后继的火山活动以造山后伸展型或后造山型为主并持续到晚二叠世(Metcalfe, 2006), 此时准噶尔盆地已形成独立盆地(张朝军等, 2006)。二叠纪, 中亚板内西伯利亚和塔里木(Tian et al., 2010)发育2个分布于克拉通、裂谷、造山带的复杂基底上的大火成岩省, 准噶尔地区火山岩处于这2个火成岩省间。

晚石炭世, 随着准噶尔区域岛弧俯冲的基本结束, 盆地进入浅海相沉积环境; 进入早二叠世, 盆地处于海陆过渡时期; 晚二叠世, 海相基本消失, 属于冲积环境。古地磁研究显示, 准噶尔区域自晚古生代以来一直在北半球的中低纬度范围内漂移旋转(程国良等, 1993; 李永安等, 1999), 气候上属温带, 以现今温带— 亚热带气候的欧洲亚速尔岛玄武岩中硅酸盐的化学风化作参考, 风化速率可达10~20 m/Ma(据Louvat and Allè gre, 1998; 推算)。根据盆地整体构造演化特征以及各区构造演化和含油气方面的差异性, 结合地震剖面, 可将准噶尔盆地构造单元划分为6个一级构造单元:西部隆起、东部隆起、陆梁隆起、北天山山前冲断带、中央坳陷和乌伦古坳陷(杨海波等, 2004; 图1)。

图1

Fig.1

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	图1 准噶尔盆地构造单元图(显示图4中井位、剖面位置)Fig.1 Tectonic units of Junggar Basin(showing locations of wells and sections in Fig. 4)

勘探资料显示, 准噶尔盆地的石炭系风化壳主要集中分布于3个隆起区及乌伦古坳陷区域, 且其中环坳陷分布的古隆起部位更为有利(秦小双等, 2012), 为此, 选取西部隆起、东部隆起、陆梁隆起3个隆起区作为主要研究范围。

准噶尔盆地所属的古亚洲洋构造域处在晚古生代古亚洲洋逐渐消亡、洋壳消减、陆壳尚未完全形成的转换时期, 地壳活动性强烈, 火山活动频繁, 火山岩地层的分布约占整个盆地面积的三分之二。准噶尔盆地可划分为西准噶尔、准噶尔覆盖区和东准噶尔3个地层区(吴晓智等, 2009), 上古生界火山岩地层均广泛分布(表 1)。其中西准噶尔可划分萨吾尔山小区和玛依勒山小区, 除萨吾尔山小区恰其海组与那林卡拉组发育海陆交互— 滨浅海沉积没有火山岩记录外, 自下石炭统至下二叠统大部分地层均发育火山岩; 准噶尔覆盖区可划分为克拉玛依小区、莫索湾小区和将军庙小区, 其中克拉玛依小区石炭系与下二叠统均有火山岩发育, 莫索湾小区和将军庙小区塔木岗组和滴水泉组没有明显火山记录, 而是准噶尔盆地重要的生油层; 东准噶尔可划分为克拉美利山小区和北塔山小区, 前者上石炭统和下二叠统大部分缺失, 仅残存上石炭统底部巴塔玛依内山组, 发育大量火山熔岩、火山碎屑岩, 北塔山小区缺失上石炭统和中二叠统部分地层, 除中二叠统芦草沟组发育近海相、湖相沉积没有火山记录外, 自下石炭统至上二叠统均有火山岩发育。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 准噶尔盆地及邻区石炭系— 二叠系地层划分对比(地层划分据吴晓智等, 2009; 灰色背景为发育火山岩地层) Table 1 Division and correlation of the Carboniferous-Permian in Junggar Basin and its adjacent areas (modified after Wu et al., 2009; Gray background indicates formations with volcanics)

表1 准噶尔盆地及邻区石炭系— 二叠系地层划分对比(地层划分据吴晓智等, 2009; 灰色背景为发育火山岩地层) Table 1 Division and correlation of the Carboniferous-Permian in Junggar Basin and its adjacent areas (modified after Wu et al., 2009; Gray background indicates formations with volcanics)

在石炭系火山岩中, 巴塔玛依内山组为准噶尔盆地最为重要的火山岩储集层之一, 在盆地东部巴塔玛依内山、白碱沟、金山沟、双井子等地区广泛分布, 该组中火山岩主要是亚碱性— 碱性、高钾的中基性火山岩(谭佳奕等, 2009; 图2-a), 并可通过火山机构的残留地貌特征、火山岩相的变化趋势、隐爆角砾岩(图 2-b)、侵出相珍珠岩(图 2-c, 2-d, 2-e)等特征岩性来识别古火山机构(王君等, 2009; 谭佳奕等, 2010)。

图2

Fig.2

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	图2 东准噶尔巴塔玛依内山组典型火山岩野外露头及显微照片Fig.2 Macrographs and micrographs of volcanic rocks of typical Batamayineishan Formation in East Junggar

准噶尔(三塘湖)盆地火山活动持续时间明显长于中国其他火山岩盆地, 这与各盆地火山活动的构造背景相关(图 3):(1)岛弧环境火山长期活动、并不断被剥蚀改造, 实例以北疆准噶尔、三塘湖等盆底为代表, 其石炭纪火山活动于岛弧背景, 于早石炭世达到高峰; 石炭纪末— 二叠纪初, 伴随着岛弧俯冲活动基本结束, 火山岩形成于造山后伸展环境, 并于早二叠世达到另一火山活动高峰, 原石炭系抬升、剥蚀, 火山岩经历强烈的风化作用; (2)地幔柱火山活动持续时间较短、活动频次最高、并喷发巨量火山熔岩, 如塔里木盆地, 其整个大火成岩省岩浆作用的持续时间仅为20 Ma(陈咪咪等, 2010); (3)裂谷环境以脉冲式多幕火山活动为特征, 实例如辽河坳陷及辽东湾, 整个火山活动持续约45 Ma; 又如在松辽盆地徐家围子地区, 侏罗纪— 白垩纪均发生火山活动, 持续时间约65 Ma, 并具有多个活动高峰期。

图3

Fig.3

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	图3 准噶尔盆地火山岩样品年龄分布图及滴西— 五彩湾凹陷石炭系埋藏曲线Fig.3 Age histogram of volcanic rock samples in Junggar Basin and burial history of the Carboniferous in Dixi-Wucaiwan Sag

由于石炭纪火山活动前准噶尔盆地各区域分属残余洋盆、前陆盆地、山间盆地和岛弧残留等不同的构造环境, 造成火山喷发后地貌存在高低起伏, 在中央隆起带等区域形成石炭纪古隆起, 并在二叠纪发育继承性隆起。石炭系之上地层最先沉积于凹陷区域, 之后逐渐覆盖凸起等区域, 因此准噶尔盆地石炭系火山岩之上接触的地层时代存在明显差异。准噶尔盆内石炭系不整合上覆地层由老至新依次为中二叠统、上二叠统乌尔禾组, 中三叠统克拉玛依组, 下侏罗统八道湾组以及白垩系(图 4)。整体而言, 在盆地大部分地区, 石炭系(火山岩)与二叠系呈不整合接触, 其中二叠系火山岩出露在西部车排子凸起(车24井)、乌夏断裂带(佳木河组)等区域; 在东部巴塔玛依内山露头区, 盆地中部五彩湾凹陷、英西凹陷(上二叠统乌尔禾组)、夏盐凸起(上二叠统乌尔禾组)和滴南凸起(上二叠统梧桐沟组)等区域, 石炭系与上覆二叠系沉积地层呈不整合接触。

图4

Fig.4

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	图4 准噶尔盆地典型井柱图与剖面图, 显示石炭系上覆不整合地层时代（井位、剖面位置见图1）Fig.4 Typical columns and profiles of Junggar Basin, showing strata overlying the Carboniferous unconformity

三叠系克拉玛依组沉积岩在西北缘不整合于石炭系火山岩之上(如六、七、九区), 其形成受控于盆地西北缘晚石炭世— 三叠纪发育的大型叠瓦冲断系统, 冲断带前缘断裂上盘通常经历严重的剥蚀, 下盘沉降并接受沉积。西北缘冲断带在晚石炭世遭受东西向挤压, 最先形成车排子断隆; 在早二叠世挤压方向转变为北西-南东向, 克拉玛依— 百口泉断裂带发生大规模冲断推覆; 晚二叠世— 三叠纪晚期, 受南北向挤压作用, 乌夏断裂带发生大规模逆冲推覆(何登发等, 2004)。

石炭纪末期至早、中二叠世, 滴南凸起一直处于剥蚀状态, 缺失中、下二叠统; 受克拉美丽山隆升的影响, 凸起早期呈东高西低, 晚二叠世开始接受沉积, 地层仅在构造较低部位发育, 在滴南地区残留上二叠统梧桐沟组(石新朴等, 2010); 三叠纪滴南凸起广泛接受沉积, 晚三叠世, 印支末期的构造运动使得全区都有所抬升而遭受剥蚀, 形成三叠系与侏罗系之间的不整合, 三叠系仅分布在鼻隆倾没的较低部位; 侏罗纪该区再次广泛接受沉积, 发育一套河流相、三角洲相和湖相地层, 在滴南凸起东北部和滴北凸起上, 八道湾组直接不整合在石炭系火山岩之上(黄小平等, 2009)。

在盆地南部北三台凸起部分地区(如西泉1井)石炭系火山岩与上覆白垩系直接接触, 这受控于博格达山的构造演化。燕山期博格达山隆升, 造山楔向北逆冲, 前缘隆起向北三台地区迁移, 凸起上的西山窑组、三工河组、八道湾组上部依次被剥蚀裸露; 至侏罗纪末期, 北三台凸起强烈隆升并最终定型(吴孔友等, 2004)。

一般而言, 古凸起暴露时间长, 接受风化淋滤改造的程度高, 孔渗性能经改造而得以优化, 并形成了一定数量的风化成因孔、缝, 从而提高了储集性能(图 5)。通过对陆梁隆起滴西地区火山岩铸体薄片与岩心观测, 发现风化淋滤对火山岩储集性能的改造, 主要体现在孔隙上, 对裂缝的改造作用不明显。以陆梁隆起滴西地区为例, 通过对241张铸体薄片进行统计分析, 发现滴西地区火成岩孔隙类型多样, 但以溶孔为主, 包括基质溶孔、晶内溶孔、晶间溶孔、粒(砾)内溶孔、粒(砾)间溶孔、岩屑溶孔, 共计占79%, 气孔次之, 占13.6%; 对14口取心井共计482 m 岩心的裂缝观察统计显示, 滴西地区火山岩储集层裂缝类型复杂多样, 但以构造缝为主, 占92.28%, 包括风化缝、溶蚀缝在内的其他缝隙合计占7.47%。在准噶尔盆地各隆起区最长风化时长存在显著差异, 在东部隆起约为150 Ma, 在陆梁隆起约为100 Ma, 在西部隆起约为55 Ma; 而3处隆起最少则仅缺失部分上石炭统— 下二叠统(图 6)。造成最长不整合时长差异的原因, 是由于西部隆起区受西准噶尔残余洋盆的影响, 二叠纪长期接受沉积, 而东部隆起和陆梁隆起则长期处于剥蚀状态; 此外, 由于东部隆起受克拉美丽山隆升影响程度更大, 故暴露时间更长、缺失地层更多。

图5

Fig.5

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	图5 准噶尔盆地滴西地区石炭系火山岩风化成因孔— 缝类型Fig.5 Weathering types of pore and fracture in the Carboniferous volcanic rocks from Dixi area, Junggar Basin

图6

Fig.6

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	图6 准噶尔盆地典型井风化时长图(部分时长为推测结果)Fig.6 Weathering time span in Junggar Basin(some from infered data)

通过统计各隆起区典型井、井区石炭系火山岩孔隙度, 发现风化时长的长短与火山岩孔隙度的大小呈近波峰状对应关系(图7), 自左向右各井、井区石炭系火山岩不整合面时长依次增大(滴西10、14、18井时长相同), 而火山岩孔隙度则表现为初始随时长的增大(至约30 Ma)逐渐增加(彩27井、滴西17井), 在到达峰值(对应风化时长约40 Ma, 滴西10、14、18井)后随时长的增大(55~100 Ma, 克92井、三参1井)逐渐降低。造成这一现象的原因可能为火山岩风化壳厚度开始随风化时间的增长而呈指数型增加, 到达一定程度后(约400 m), 向深部继续风化的速率逐渐降低至零(Zou, 2013), 而已存深度内的火山岩风化壳优化的孔隙度则随风化强度的进一步加深而被破坏, 逐渐形成水解带、土壤层(王京红等, 2011)等物性较差的风化产物。从各类火山岩对应的孔隙度分布上看, 在各个井和井区, 最大的孔隙度均出现在火山角砾岩和火山熔岩中; 凝灰岩的孔隙度最小。这主要是由于熔岩、角砾岩形成时发育较多孔、缝, 原始物性较好, 加之这些孔、缝经历后期风化、溶蚀作用得以改造并沟通; 而凝灰岩一般比较致密, 原始物性较差, 且其致密的特性又不利于后期风化、溶蚀作用对物性的改造, 形成储集层的难度较大。

图7

Fig.7

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	图7 准噶尔盆地典型井火山岩孔隙度分布图Fig.7 Histogram of porosity of volcanic rocks from typical wells in Junggar Basin

准噶尔盆地晚古生代火山活动于早石炭世达到高峰; 石炭纪末— 二叠纪初, 伴随着岛弧俯冲活动基本结束, 火山岩形成于造山后伸展环境, 造成石炭纪火山岩在形成以后长期处于风化、剥蚀状态。火山岩风化壳储集层物性明显好于同时代原生型火山岩, 风化淋滤对火山岩储集性能的改造, 主要体现在孔隙上, 对裂缝的改造作用不明显。受西准噶尔残余洋盆和东部克拉美丽山隆升的影响, 准噶尔盆地各隆起区最长风化时长变化显著, 在东部隆起最长约为150 Ma, 在陆梁隆起约为100 Ma, 在西部隆起约为55 Ma; 而3处隆起最短则仅缺失部分上石炭统— 下二叠统。风化时长的长短与火山岩孔隙度的大小并呈近波峰状对应关系, 火山岩孔隙度初始随时长的增大(至约30 Ma)逐渐增大, 而后在时长约为40 Ma时达到峰值, 之后随时长的增大(55~100 Ma)逐渐减小。

致谢 感谢北京大学师永民研究员对本文的大力帮助, 感谢两位匿名评审人对本文修改提出的宝贵意见与建议!