王家林, 吴朝东, 朱文, 李壮, 吴峻, 陈榕, 王军. (2016)准噶尔盆地南缘二叠纪—三叠纪构造-沉积环境与原型盆地演化* [J]. 古地理学报, 18(4): 643-660
Wang Jialin, Wu Chaodon, Zhu Wen, Li Zhuang, Wu Jun, Chen Rong, Wang Jun. (2016)Tectonic-depositional environment and prototype basin evolution of the Permian-Triassic in southern Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 643-660. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.048  
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准噶尔盆地南缘二叠纪—三叠纪构造-沉积环境与原型盆地演化*
王家林1, 吴朝东1,2, 朱文1, 李壮1, 吴峻1, 陈榕1, 王军3
1 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室,地球与空间科学学院,北京 100871
2 北京大学石油与天然气研究中心,北京 100871
3 中国石化胜利油田分公司新疆勘探项目管理部,山东东营 257000

第一作者简介 王家林,男,1991年生,博士研究生,矿物学、岩石学、矿床学专业,主要从事沉积学和盆山耦合的研究。E-mail: jlwang@pku.edu.cn。

通讯作者简介 吴朝东,男,1965年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学和储层地质学的研究。E-mail: cdwu@pku.edu.cn。

收稿日期:2016-02-01
基金:*国家科技重大专项(编号:2011ZX05009-001)资助
摘要

准噶尔盆地南缘(简称“准南”)的构造 -沉积演化历史以及原型盆地性质一直以来备受争议。依据沉积环境分析、地层对比以及沉积演化研究,结合火成岩年代学、大地构造学等研究成果,探讨了该区二叠纪—三叠纪多期次的伸展—挤压环境转换及沉积盆地性质转变。晚石炭世,准南西段处于北天山洋壳向伊犁地体俯冲的末期,沉积环境以滨浅海为主,为残留洋盆地;准南东段以半深海相碳酸盐沉积为主,发育典型的双峰式火成岩,显示为陆内的伸展环境。早二叠世,准南以滨浅海相细粒碎屑岩沉积为主,发育同沉积断裂和伸展垮塌变形构造,表现为陆内裂陷盆地的特征。中二叠世,准南仍以滨浅海相为主,但其沉积速率明显加快,沉积厚度变大,整体上表现为以热力沉降为主的坳陷盆地。晚二叠世,北天山和博格达地区普遍发育冲积扇或扇三角洲,上二叠统泉子街组和中二叠统红雁池组之间呈明显的角度不整合接触,沉积环境发生突变,均显示北天山快速冲断隆升,表明该时期准南为陆内压陷盆地。早三叠世,准南快速冲断结束,该区进入相对稳定的发展阶段,以发育滨浅湖相细粒沉积物为主,表现为弱挤压的陆内压陷盆地的特征。中晚三叠世,由于持续湖侵,沉积盆地范围进一步扩大,北天山被削高补低,准南乃至整个准噶尔盆地进入统一的内陆湖泊演化阶段,整体上以滨浅湖相—半深湖相沉积为主,表现出陆内坳陷盆地的特征。综合上述原型盆地性质和沉积环境分析,可将准南二叠纪—三叠纪构造 -沉积演化划分为 4个阶段:晚石炭世—中二叠世为后碰撞伸展阶段,晚二叠世为北天山挤压冲断阶段,早三叠世为弱挤压压陷和削高补低阶段,中晚三叠世为稳定拗陷和准平原化阶段。

关键词: 准噶尔盆地; 二叠纪; 三叠纪; 沉积环境; 原型盆地; 构造演化
中图分类号:P548 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0643-18
Tectonic-depositional environment and prototype basin evolution of the Permian-Triassic in southern Junggar Basin
Wang Jialin1, Wu Chaodon1,2, Zhu Wen1, Li Zhuang1, Wu Jun1, Chen Rong1, Wang Jun3
1 Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution,Ministry of Education,School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871
2 Institute of Oil & Gas,Peking University,Beijing 1008713 Department of Xinjiang Exploration Project Management,Sinopec Shengli Oilfield Company,Dongying 257000,Shandong

About the first author Wang Jialin,born in 1991,is a Ph.D. student in Peking University. He is mainly engaged in sedimentology and source to sink. E-mail: jlwang@pku.edu.cn.

About the corresponding author Wu Chaodong,born in 1965,is a professor and Ph.D. supervisor of Peking University. He is mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: cdwu@pku.edu.cn.

Fund:[Financially supported by the National Science and Technology Major Project of China(No.2011ZX05009-001)]
Abstract

The tectonic-depositional environment and prototype basin evolution of the Permian-Triassic in the southern Junggar Basin have long been debated. Detailed sedimentary environment,stratigraphic correlation and sedimentary evolution analyses,combined with collection and sorting out of relevant data, have been carried out on the Permian-Triassic strata. Hereby,we discussed a multicycle of compressional and extensional transformation in the Permian-Triassic,and proposed the prototype of the sedimentary basin. In the Late Carboniferous,the west segment of the southern Junggar Basin situated at the end of the North Tianshan Ocean crust subducted southward below the Yili Block,and dominated by littoral and neritic facies,showing the characteristic of a remnant ocean basin. However,the east segment of the southern Junggar Basin is mainly composed of bathyal carbonate deposits and a set of bimodal volcanic rocks,implying that it formed under an extensional environment. In the Early Permian,they both primarily contain fine grained clastic rocks of the littoral-shallow facies. Moreover,syn-depositional faults and collapse deformations can be observed,indicating an intracontinental rift basin. Later on,the deposition rates is faster and the thickness is thicker. Thus,the prototype basin has been transformed into the depression basin in the Middle Permian. Until the Late Permian,the depositional environments were characterized by the alluvial fan or fan delta deposits in the North Tianshan and Bogda area. Also,the Upper Permian Quanzijie Formation is in unconformity relation with the Middle Permian Hongyanchi Formation. Hence,it implied the rapid uplift of the North Tianshan, formed an intracontinental compressional basin. In the Early Triassic,because of the end of the uplift,the basin entered into a relatively stable stage,which formed a weak intracontinental compressional basin dominated by a series of fine grained sediments of coastal shallow-lake facies. In the Middle-Late Triassic,with the occurrence of continuously transgress of the basin,the North Tianshan have been eroded,which was consistent with the expansion of the lacustrine basin and the widespread fine-grained shallow-deep lacustrine sediments. Taken together,we suggested that the basin of the Late Carboniferous to Middle Permian belongs to post-collision extensional depression stage. Nevertheless,a short thrust stage happened in the Late Permian. In the Triassic,the plate squeezing action weakened and Junggar Basin gradually entered a depression-subsidence stage from the intense compressive stage. The Early Triassic is a weak compression and denudation stage,and the Middle-Late Triassic is a stable depression and peneplanation stage.

Key words: Junggar Basin; Permian; Triassic; depositional environment; prototype basin; tectonic evolution

准噶尔盆地夹持于天山和阿尔泰山之间, 是中亚造山带的重要组成部分, 经历了多期次的演化, 地质条件极其复杂(蔡忠贤等, 2000; 方世虎等, 2004; 陈发景等, 2005; 韩宝福等, 2006)。近年来, 国内外众多专家学者在区域构造、变质地质、岩浆作用、地球化学、同位素年代学以及地球物理等方面积累了大量资料, 并取得了一系列重要的进展(Allen et al., 1995; Gao et al., 1998; 蔡忠贤等, 2000; 陈新等, 2002; 方世虎等, 2006; 韩宝福等, 2006, 2010; 肖文交等, 2006a, 2006b; Xiao et al., 2008; 曲国胜等, 2009; Han et al., 2010; 毛治国等, 2010; Chen et al., 2011; 廖卓庭等, 2011; Shu et al., 2011; 刘冬冬等, 2012, 2013; Yang et al., 2013)。

但是有关准噶尔盆地二叠纪— 三叠纪的研究仍然存在大量的争议, 如关于二叠纪原型盆地性质就有前陆盆地(Carroll et al., 1995; Hendrix, 2000; 刘和甫等, 2000; Chen et al., 2001; 贾承造等, 2003; 何登发等, 2004)、裂谷盆地(Allen et al., 1995; 蔡忠贤等, 2000; 陈发景等, 2005)或断陷、裂陷盆地(方世虎等, 2006; 刘冬冬等, 2012; Yang et al., 2013)等3种观点。而构造演化阶段划分方面, 蔡忠贤等(2000)和陈发景等(2005)提出二叠纪为造山后伸展裂陷阶段, 三叠纪— 古近纪为克拉通内拗陷阶段; 陈新等(2002)和吴孔友等(2005)则认为二叠纪为周缘前陆盆地阶段, 三叠纪— 古近纪转为陆内拗陷沉降阶段; 还有学者认为三叠纪至白垩纪具有张压交替的特征(陈业全和王伟峰, 2004)。前人的研究成果多集中于准南二叠纪— 三叠纪火成岩岩石学、地球化学和年代学等角度的分析(夏林圻等, 2002; 韩宝福等, 2006, 2010; 杨兴科等, 2006; 司国辉等, 2014; 杨光华等, 2014), 沉积学方面研究较少, 而沉积学的研究可以作为原型盆地性质和构造演化研究的补充和验证。准噶尔盆地南缘二叠系— 三叠系出露齐全, 剖面较为连续, 上下关系清楚, 是研究准噶尔洋— 陆转换和原型盆地理想的地区(肖文交等, 2006b)。鉴于此, 依据沉积环境分析、地层对比以及沉积演化研究, 同时结合前人火成岩岩石学、大地构造学等研究成果, 探讨了准噶尔盆地南缘二叠纪— 三叠纪原型盆地性质, 以期为深入揭示准噶尔盆地构造演化提供新的制约。

1 区域地质背景

准噶尔盆地南缘主要是指木垒以西、精河以东、伊连哈比尔尕山以北、乌伊公路以南的区域(N42° — N45° , E82° — E90° ), 地跨克拉玛依市、奎屯市、石河子市、乌鲁木齐市和昌吉回族自治州等多个地区( 图 1)。构造上包括北天山山前断褶带、四棵树凹陷、车排子凸起、昌吉凹陷、博格达北缘断褶带、准噶尔盆地东部隆起区南部等多个构造单元( 图 1-b)。研究区自石炭纪以来, 先后经历了晚海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等构造作用, 多期构造变形的叠加和复合使得研究区现今的地质构造面貌十分复杂(吴孔友等, 2005; 白斌, 2008)。

图1 准噶尔盆地南缘及北天山地区地质简图及构造区划Fig.1 Tectonic-geological sketch map of the southern Junggar Basin and North Tianshan

准噶尔盆地石炭系— 第四系连续出露, 但西北缘、东北缘和南缘差别较大( 表 1)。因此, 对于准噶尔盆地3个构造带的研究需要分别进行。准噶尔盆地南缘石炭系火山岩发育、化石丰富, 岩性主要为沉凝灰岩、凝灰质砂岩、砾岩、安山岩和玄武岩等, 总体上为一套海相火山岩及火山碎屑岩组合。二叠系自下而上岩性变化较大, 但总体上表现为向上变粗的沉积序列, 沉积环境具有由海相向陆相转变的特征。中新生界与下伏古生界呈角度不整合接触, 以砂砾岩和泥岩为主, 为河流相及湖相沉积。总体上, 该区地层出露完好, 沉积类型丰富, 剖面较为连续, 是研究二叠纪— 三叠纪构造-沉积演化的理想地区。但是, 由于区域沉积环境分析缺乏, 沉积类型复杂, 受后期改造作用强烈, 有关二叠纪— 三叠纪构造-沉积演化的研究程度较低。

表1 准噶尔盆地西北缘、东北缘和南缘二叠系— 三叠系划分对比 (据新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993, 1999, 有修改) Table1 Stratigraphic correlation of the Permian-Triassic in northwestern, northeastern and southern Junggar Basin (modified after Bureau of Geology and Mineral Resources of Xinjiang Uygur Autonomous Region, 1993, 1999)
表2 准噶尔盆地南缘二叠纪— 三叠纪沉积环境对比 Table2 The Permian-Triassic sedimentary environment in southern Junggar Basin
2 沉积特征与沉积环境演化

受到钻井、露头、地震资料少的限制, 前人对准噶尔盆地南缘(下文简称“ 准南” )二叠纪— 三叠纪沉积环境的研究还存在许多争议(张健等, 2002; 王厚坤等, 2010; 陈春勇, 2015)。以吉木萨尔凹陷梧桐沟组为例, 张健等(2002)认为其东部和东北部为冲积扇相, 西部为半深湖相, 中部为重力流浊积扇相; 而德勒恰提等(2012)则将其划分为冲积扇、辫状河三角洲和浊流相沉积; 也有人提出河流— 扇三角洲相(王厚坤等, 2010)或滨浅湖— 湖湾相(王威, 2012)的观点。在前人研究成果(张义杰等, 2007; 曲国胜等, 2009; 王厚坤等, 2010; 廖卓庭等, 2011; 王威, 2012; 陈春勇, 2015)的基础之上, 按照点-线-面的研究思路, 以野外露头为基础, 结合区域沉积构造整体背景, 对准南二叠纪— 三叠纪沉积环境进行详细的分析( 表 2), 以此探讨准南构造-沉积环境与原型盆地演化。

依据准南二叠系— 三叠系发育程度、沉积环境、岩性和岩相特征及其地层接触关系等, 将准南划分为5个区进行描述:乌苏地区、石场地区、乌鲁木齐地区、吉木萨尔地区及后峡地区( 图 1-b)。

2.1 乌苏地区

乌苏地区位于准噶尔盆地南缘西部最西端( 图 1-b), 地层出露较差, 普遍缺失二叠系, 三叠系上仓房沟群或小泉沟群直接角度不整合于上石炭统巴音沟组之上。以四棵树剖面出露最为完整( 图 2), 自下而上分别为巴音沟组(C2b)、上仓房沟群(T1ch)和小泉沟群(T2+3xq)。

图2 准噶尔盆地南缘二叠系— 三叠系对比Fig.2 Stratigraphic correlation of the Permian-Triassic in southern Junggar Basin

上仓房沟群(T1ch)为灰色中层含砾细砂岩与薄层粉砂岩互层, 含砾细砂岩中砾石粒径约3, mm, 成分成熟度较高。层面上可见波痕, 局部可见泥裂。总体上为滨湖沉积环境。

小泉沟群(T2+3xq)下部多为砂砾混杂沉积, 泥质含量高, 分选和磨圆度均较差(结构成熟度低), 成分成熟度较低, 为向上变粗的进积型序列, 具有较典型的扇三角洲沉积特点( 图 3-a)。自下而上可识别出:前扇三角洲泥岩— 扇三角洲前缘末端粉细砂岩— 扇三角洲前缘河道砂岩和含砾砂岩— 扇三角洲平原砂砾岩和砾岩。其中, 扇三角洲前缘沉积中可见小型交错层理( 图 3-b)。熟度低( 图 3-c); 可见大型槽状交错层理( 图 3-d)。总体上为辫状河河道沉积。

图3 准噶尔盆地南缘乌苏和石场地区二叠系— 三叠系典型沉积构造和沉积环境野外照片Fig.3 Photographs showing typical types of sedimentary structures and environments of the Permian-Triassic in Wusu and Shichang areas, southern Junggar Basin

2.2 石场地区

石场地区位于准噶尔盆地南缘西段中部( 图 1), 包括石场剖面& 玛纳斯剖面、金沟剖面和宁家河剖面。地层以石场& 玛纳斯剖面出露最为齐全, 其次是宁家河剖面和金沟剖面( 图 2)。该区上古生界至中生界自下而上分别为:阿尔巴萨依组(P1a)、泉子街组(P3q)、梧桐沟组(P3w)、上仓房沟群(T1ch)和小泉沟群(T2+3xq)( 图 2; 表2)。

阿尔巴萨依组(可分为下亚组和上亚组, 在此统一叙述)为一套火山岩夹火山碎屑岩的地层。对于这套地层, 划分归属争议较大, 包括上石炭统(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; Yang et al., 2013)、下二叠统(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999; 苏春乾等, 2006b)、上石炭统— 下二叠统(刘冬冬等, 2012; Liu et al., 2015)或中二叠统(苏春乾等, 2006a; 杨兴科等, 2006)。对于其形成的构造背景也众说纷纭, 但以前陆盆地(何登发等, 2004)和断陷盆地(方世虎等, 2006; 韩宝福等, 2006; 刘冬冬等, 2012; Liu et al., 2015)的观点占主导。为了准确厘定该套地层的属性和成因, 作者对这套地层进行了详细的岩相学、地球化学、地球年代学和沉积学分析, 认为其为临近海岸带的火山碎屑流沉积, 是北天山洋壳向伊犁地体俯冲最晚期形成的大陆岛弧的组成部分, 形成于晚石炭世挤压向伸展转换的时期(Wang et al., 2016)。

上覆地层为泉子街组(P3q)、梧桐沟组(P3w)或上仓房沟群(T1ch), 与下伏阿尔巴萨依组均为断层接触, 中间普遍缺失中下二叠统。该区泉子街组和梧桐沟组岩石类型相似, 主要区别在于梧桐沟组主要表现为退积序列, 而泉子街组以进积序列为主。岩性方面两者均以砾岩和泥岩为主, 夹少量的砂岩层。沉积物分选极差, 底部可见冲刷面, 向上可见叠瓦状砾岩和块状砂砾岩, 并过渡为含砾砂岩、泥岩等, 整体上表现为扇三角洲环境( 图 3-g)。但需要特别说明的是, 该分析仅代表北天山山前的沉积环境, 向盆地内则过渡为滨浅湖环境, 说明该时期盆地边界位于北天山山前一带。

上仓房沟群(T1ch)下部岩性与梧桐沟组类似, 向上逐渐过渡为细砂岩、粉砂岩和泥岩, 整体上岩性较细, 具有向上变细的沉积序列。沉积环境具有从扇三角洲向滨湖过渡的特征。

小泉沟群(T2+3xq)主要为灰绿色粉砂岩、含砾细砂岩与紫红色泥岩, 可见交错层理, 整体上属滨浅湖— 半深湖沉积。说明此时期已发生湖泛, 沉积范围比上仓房沟群大很多, 盆地边界位于北天山以南地区。

2.3 乌鲁木齐地区

乌鲁木齐地区位于准噶尔盆地南缘东段( 图 1), 该区上古生界— 下中生界均出露较好, 剖面连续, 自下而上分别为:祁家沟组(C2q)、石人子沟组(P1s)、塔什库拉组(P1t)、乌拉泊组(P2w)、井井子沟组(P2j)、芦草沟组(P2l)、红雁池组(P2h)、仓房沟群(P3-T1ch)和小泉沟群(T2+3xq)( 图 2)。作者选取了乌鲁木齐峡门子— 哈熊沟剖面进行了详细的测制, 并对该剖面进行了精细的沉积学分析( 图4; 图5)。

祁家沟组(C2q)底部为砾岩、细砂岩和泥页岩, 可识别出鲍马序列的ABD(E)段, A段发育递变层理, B段发育平行层理砂岩, D段发育水平纹理( 图 4-a; Bouma, 1962); 同时, 底部生物丘发育( 图 4-b)。下部为生物碎屑灰岩, 可见珊瑚、腕足类、腹足类等化石, 向上变为粉砂岩、细砂岩和细砾岩等, 总体上为滨浅海相沉积。中部以灰黑色粉砂质泥岩、粉砂岩夹细砂岩、中砂岩为主, 岩性比较稳定, 可见腕足类、珊瑚等化石, 仍然为滨浅海相沉积。上部为粉砂质泥岩和粉砂岩等, 层内可见滑动变形, 为浅海相沉积。整体上祁家沟组以滨浅海相沉积为主, 但底部发育浊积岩。

石人子沟组(P1s)整体上以细砂岩、粉砂岩和泥岩为主。下部为细砾岩夹细砂岩; 上部主要为细砂岩、粉砂岩、泥岩夹灰岩, 可见水平层理。整体上, 石人子沟组为一套滨浅海相的碎屑沉积, 底部为前滨相沉积, 向上变为远滨— 过渡带沉积, 上部主要为临滨带沉积。

塔什库拉组(P1t)整体上以细粒碎屑岩夹黑色页岩沉积为主。底部为细砂岩和中粗砂岩, 可见波痕和交错层理, 为临滨带沉积; 下部主要为页岩、泥岩和粉砂岩等, 为远滨— 过渡带沉积。上部主要为细砂岩、粉砂岩夹粉砂质泥岩, 发育水平层理, 整体为过渡带— 临滨带沉积。因此, 塔什库拉组主要为浅海相沉积。

乌拉泊组(P2w)底部以粉砂岩和泥岩为主, 夹少量中砂岩, 发育水平层理, 属过渡带— 远滨带沉积; 下部为粉砂岩和细砂岩, 向上粒度变粗, 为过渡带— 前滨带沉积; 中部发育大型交错层理( 图 4-c), 岩性以砂岩为主, 为三角洲沉积; 上部波痕和泥裂发育( 图 4-d, 4-e, 4-f), 主要为潮间带— 潮上带的沉积, 再向上波痕和波状交错层理消失, 而泥裂越来越发育, 说明海水变浅; 顶部岩性又变以为粉砂岩、细砂岩和泥岩为主, 说明海水又变深, 整体上为临滨— 远滨带的沉积。

图4 准噶尔盆地南缘乌鲁木齐地区上石炭统祁家沟组和中二叠统乌拉泊组典型沉积构造和沉积环境野外照片Fig.4 Photographs showing typical types of sedimentary structures and environments of the Upper Carboniferous Qijiagou Formation and Middle Permian Wulabo Formation in Urü mchi area, southern Junggar Basin

井井子沟组(P2j)底部与乌拉泊组顶部发育侵蚀构造, 在紫红色泥岩中可见变形层理和结核构造( 图 5-a), 推测两组之间可能有一次海平面突然下降。该组下部以粉砂岩为主, 夹粉砂质页岩, 整体上为浅海沉积, 局部可能为临滨带沉积; 中部主要为页岩、泥岩, 向上变为粉砂岩、细砂岩, 为泥质三角洲或泥质楔沉积( 图 5-b)。

图5 准噶尔盆地南缘乌鲁木齐地区二叠系— 三叠系典型沉积构造和沉积环境野外照片Fig.5 Photographs showing typical types of sedimentary structures and environments of the Permian-Triassic in Urü mchi area, southern Junggar Basin

芦草沟组(P2l)下部为黑色页岩, 向上变为灰绿色页岩, 整体为海相沉积。再向上变为块状泥岩, 虽然沉积速率加快、水深变浅, 但整体上还是浅海沉积; 中部以粉砂岩为主, 可见小型波状层理和水平层理( 图5-c, 5-d, 5-e), 整体上可能仍然为浅海相, 属远滨— 过渡带沉积, 部分处于正常浪基面附近。上部主要为粉砂岩、粉砂质页岩, 且夹有白云岩、白云质灰岩, 其沉积环境可能为潟湖或障壁岛。但由于还没有发现典型的指相化石, 故对于芦草沟组的沉积环境(海相与陆相之争)还需更为细致的研究。

红雁池组(P2h)底部为褐色细砾岩; 下部主要为绿色块状砂岩夹薄层泥岩、砂砾岩、泥灰岩; 中部为绿色块状泥质粉砂岩夹砾岩、砂质灰岩, 含瓣鳃类及鱼化石; 上部主要为黑色薄层含炭质粉砂质泥岩夹泥质粉砂岩。整体上, 红雁池组以滨浅湖沉积为主, 底部可能发育1期小规模的冲积扇。

仓房沟群(P3-T1ch)(可分为下仓房沟群和上仓房沟群)出露较差, 但通过乌鲁木齐柴窝堡附近的岩心观察可以发现:下仓房沟群以灰色砾岩夹含砾砂岩、含砾粉砂质泥岩为特征, 颗粒很粗, 分选和磨圆极差, 具有典型的冲积扇特征( 图 5-f)。上仓房沟群则以灰褐色砂质页岩、泥岩和砂岩为主, 夹薄层细砾岩, 整体上为滨浅湖沉积。

小泉沟群(T2+3xq)主要岩性为砾岩、砂岩和泥岩, 野外砂砾岩发育, 砾岩颗粒支撑, 砂岩呈透镜状分布于砾岩中, 同时可见紫红色和灰绿色泥岩。从野外特征看为典型的辫状河河道沉积, 其中砾岩为河床滞留沉积, 砂岩为心滩沉积, 泥岩为泛滥平原沉积( 图 5-g)。但岩心观察显示, 小泉沟群主要由灰黄色砾岩及硬砂岩组成, 夹灰黑色泥岩、炭质页岩和煤线, 应属内陆湖泊沉积。因此, 野外所观察的露头应为盆地边缘相沉积, 向盆地内部逐渐过渡为湖相沉积。

2.4 吉木萨尔地区

吉木萨尔地区位于准噶尔盆地南缘东部( 图 1)。该区二叠系— 三叠系出露齐全( 图 2), 自下而上依次为:芦草沟组(P2l)、泉子街组(P3q)、梧桐沟组(P3w)、韭菜园子组(T1j)、烧房沟组(T1s)、克拉玛依组(T2k)和黄山街组(T3hs)。

芦草沟组(P2l)以灰黑色页岩、粉砂质泥岩和泥岩为主, 部分地区见灰黑色页岩(页理发育)、白云岩和白云质灰岩, 整体上表现为潟湖相(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1999)或湖相(李婧婧, 2009)沉积。

泉子街组(P3q)野外露头上可见深灰色粉砂质泥岩、暗红色砂岩、灰色砾岩, 上部以砾岩为主, 夹有砂岩透镜体和泥岩层, 砾岩分选差、呈次圆状— 次棱角状、颗粒支撑( 图 6-a)。总体上, 泉子街组表现为辫状河沉积。但由于覆盖, 可能底部泥岩、粉砂岩、细砂岩被覆盖或剥蚀。根据瓦尔特相律(Blatt et al., 1972), 文中认为泉子街组整体上为扇三角洲的沉积环境, 野外主要出露的是扇三角洲平原的砾质辫状河沉积。

梧桐沟组(P3w)与泉子街组(P3q)类似。下部主要为深灰色中薄层粉砂岩与灰黑色薄层页岩互层, 中部为一套泥岩, 总体上, 中下部为扇三角洲前缘和前扇三角洲沉积。上部为一套砂岩、含砾砂岩和砾岩, 呈向上变粗的沉积序列, 砾岩较粗、分选差、呈次圆状— 次棱角状、颗粒支撑, 为扇三角洲平原的近源砾质辫状河沉积( 图 6-b)。因此, 梧桐沟组也是扇三角洲沉积。

图6 准噶尔盆地南缘吉木萨尔和后峡地区二叠系— 三叠系典型沉积构造和沉积环境野外照片Fig.6 Photographs showing typical types of sedimentary structures and environments of the Permian-Triassic in Jimusaer and Houxia areas, southern Junggar Basin

韭菜园子组(T1j)主要为暗红色砂质泥岩夹灰色含砾砂岩和砂岩, 砂岩的分选和磨圆均较差, 可见大型槽状交错层理和底部冲刷充填构造, 整体上还是辫状河河道沉积。然而, 由于露头覆盖, 加上可能的水动力条件和古地形变化, 野外很难观察到完整的沉积序列。因此, 韭菜园子组整体上为河流三角洲沉积, 野外可见典型的辫状河道和冲积平原沉积。

烧房沟组(T1s)底部以泥岩和粉砂岩为主, 向上逐渐过渡为灰绿色细砂岩和粗砂岩, 顶部为砾岩夹灰岩、泥岩透镜体。上部粗砂岩中发育交错层理。总体上粒度较扇三角洲细, 表现为河流三角洲的沉积特征。

克拉玛依组(T2k)底部为含玛瑙砾岩。下部为黄褐色砂岩夹泥岩、粉砂岩。中部为灰绿色泥岩、粉砂岩夹长石岩屑砂岩, 上部夹层较多, 含植物化石。上部为灰绿色长石岩屑砂岩与泥岩、粉砂岩不均匀互层, 夹1层安山岩, 含植物化石。总体上也表现为滨浅湖沉积。

黄山街组(T3hs)主要为浅灰色泥岩、泥质粉砂岩夹细砂岩, 底部夹碳质泥岩、含硅化木。整体上粒度较克拉玛依组细, 且颜色以深灰色和灰绿色为主, 说明该时期水体变深, 沉积环境虽然以滨浅湖为主, 但部分时期可能已是半深湖。

2.5 后峡地区 后峡地区位于乌鲁木齐南部( 图 1)。该区地层结构复杂, 主要出露的地层为芦草沟组(P2l)和小泉沟群(T3xq)( 图 2; 图6), 两者之间为明显的不整合接触关系( 图 6-e, 6-f, 6-g)。

芦草沟组(P2l)下部主要为一套砂岩、含砾砂岩、砾岩, 砂岩中发育大型交错层理( 图 6-c), 砾岩分选差、次棱角状、成分成熟度低。向上岩性变为砂砾岩、砾岩夹泥岩, 砾石分选极差、呈次棱角状— 棱角状、颗粒之间以基质支撑为主、成分成熟度也较低。根据岩性组合和沉积构造分析, 芦草沟组下部总体上表现为不规则的向上变粗的沉积序列, 主要为扇三角洲前缘河道和扇三角洲平原沉积( 图 6-d)。芦草沟组上部主要为泥岩、粉砂岩和细砂岩, 沉积构造少见, 总体上为滨浅湖沉积。

小泉沟群(T3xq)下部为灰色泥岩、砂质泥岩与粉砂岩; 上部以深灰色泥岩为主, 夹薄层砂质泥岩。垂向上表现为向上变细的沉积序列, 沉积环境为滨湖, 并逐渐向浅湖环境过渡。同时, 也说明晚三叠世准噶尔盆地南缘发生湖侵, 盆地边界已到达后峡地区。

另外, 该区发育中二叠统芦草沟组— 上三叠统小泉沟群和上三叠统小泉沟群— 下侏罗统八道湾组2个不整合界面( 图 6-e, 6-f, 6-g)。对于二叠系— 三叠系之间的不整合, 国内外地质学者提出了不同的观点(刘冬冬等, 2013), 分别将其作为三叠纪洋盆闭合的标志(Xiao et al., 2008)、晚二叠世区域挤压的证据(Wartes et al., 2002)、超覆不整合(廖卓庭等, 2011)或二叠纪伸展断陷后形成的沉积不整合(苏春乾等, 2006a; 刘冬冬等, 2013)。文中认为该不整合应是冲断隆升造成的, 而非伸展断陷形成(苏春乾等, 2006a; 刘冬冬等, 2013), 因为伸展环境很难造成区域上上二叠统— 下三叠统近千米的地层缺失。该不整合的形成是由于晚二叠世北天山发生冲断隆升导致上二叠统至中三叠统遭受剥蚀造成的, 直到晚三叠世, 该地区由于湖泛才开始接受沉积。

3 二叠纪— 三叠纪原型盆地性质

由于后期改造强烈, 加之深部钻井资料较少, 近几十年来很少有学者对准噶尔盆地南缘二叠纪— 三叠纪的原型盆地性质进行系统的研究。但是二叠纪— 三叠纪原型盆地的认识对该地区的研究具有重要的意义:一方面, 二叠纪— 三叠纪盆地属性的讨论可以为盆地演化阶段的划分提供证据; 另一方面, 二叠纪— 三叠纪盆地演化是认识中新生代盆山体制的基础。根据笔者近年来在准噶尔盆地南缘的研究资料, 采用刘池洋等(2015)的全球构造动力环境和沉积盆地分类方案, 初步探讨准噶尔盆地二叠纪— 三叠纪的原型盆地性质。

以乌鲁木齐为界, 南缘西部又可以分为两段。乌鲁木齐以西为西段, 以东为东段。根据准南西段和东段的地层对比和沉积环境分析( 图 2; 表2), 结合前人火山岩岩石学、地球化学等方面的研究成果(顾连兴等, 2000, 2001; 王银喜等, 2006; 夏林圻等, 2008; 王金荣等, 2010; 汪晓伟和崔方磊, 2015; 汪晓伟等, 2015), 认为准南石炭系— 三叠系在准南西段和东段均具有由海相向陆相转变的特点, 但是西段和东段转换时间存在差异, 而且两者的俯冲系统、洋盆闭合时间可能也存在差异( 图 7; Xiao et al., 2008; Han et al., 2010)。

东段以乌鲁木齐地区为代表, 其石炭纪主要发育的是半深海相的碳酸盐沉积, 并伴随大量“ 双峰式” 火山岩喷发(顾连兴等, 2000; 王银喜等, 2006; 王金荣等, 2010; 汪晓伟和崔方磊, 2015; 汪晓伟等, 2015)。因此, 石炭纪准南东段应为裂谷盆地, 但其形成机制和成因还需进一步研究。而西段洋盆则在石炭纪逐渐闭合, 并于二叠纪进入陆内演化阶段, 因此在石炭纪准南西段应为海岸带附近的沉积, 为残留洋盆地( 图 7-a; 图8)。

由于该区西段下二叠统被埋藏, 因此沉积环境难以确定, 但根据前人的火山岩地球化学研究和区域构造分析成果, 早二叠世准南西段已进入后碰撞伸展阶段, 开始陆内盆地的演化(方世虎等, 2006; 韩宝福等, 2006, 2010; Han et al., 2010; 王金荣等, 2010)。而准南东段下二叠统出露齐全, 石人子沟组和塔什库拉组内部可见同沉积断裂以及伸展垮塌变形构造( 图 6-h; 舒良树等, 2005; 郭威等, 2011), 且其属滨浅海相的细粒碎屑岩沉积, 加之大量拉斑玄武岩的发育(舒良树等, 2005), 表明早二叠世准南东段为陆内裂陷盆地( 图 7-b; 图8; 方世虎等, 2006)。

图7 准噶尔盆地南缘及北天山石炭纪— 二叠纪盆地演化示意图Fig.7 Sketch map showing basin evolution of the Carboniferous-Permian in southern Junggar Basin and North Tianshan

中二叠世, 准南仍以滨浅海相发育为特征, 但其沉积速率明显加快, 沉积厚度变大, 海水相对加深, 而且沉积环境相对稳定。乌拉泊组和井井子沟组内部也未发现同沉积断裂或变形构造, 表明该时期盆地可能以垂直升降运动为主, 盆地性质转变为以热力沉降为主的陆内拗陷盆地( 图 7-c; 图8)。

图8 准噶尔盆地南缘及北天山二叠纪— 三叠纪构造演化模式Fig.8 Tectonic evolution model of the Permian-Triassic in southern Junggar Basin and North Tianshan

晚二叠世, 准南普遍发育冲积扇沉积( 表 2)。上二叠统泉子街组与中二叠统红雁池组呈角度不整合接触, 且沉积环境发生突变, 说明该时期北天山发生了快速隆升, 转变为隆起带, 由此准南结束了晚石炭世— 中二叠世的伸展活动( 图 7-d; 图8; Wartes et al., 2002)。该时期准南为陆内压陷盆地。

早三叠世, 区域沉积序列整体呈现出下粗上细的特点, 沉积环境也由冲积扇、河流三角洲逐渐转变为滨浅湖, 说明在晚二叠世北天山冲断隆升后, 准南又进入稳定发展阶段, 但可能仍然存在一定的挤压。该时期的盆地性质可能为弱挤压的陆内压陷盆地( 图 8), 并逐渐向稳定的陆内拗陷盆地过渡。

中晚三叠世, 小泉沟群分布范围较大, 盆地边界位于后峡一带, 在盆地南缘多处可见其超覆于石炭系— 二叠系之上( 图 2; 白斌, 2008)。沉积环境以滨浅湖— 半深湖为主, 水深进一步加大, 而且沉积速率和厚度也明显加大, 沉积环境也相对稳定, 说明中晚三叠世盆地范围较早三叠世明显扩大, 沉积盆地性质为稳定的陆内拗陷盆地( 图 8)。

综上所述, 晚石炭世准南西段为残留洋盆地, 准南东段为裂谷盆地; 早二叠世, 准南进入裂陷盆地演化阶段; 中二叠世, 准南转变为以热力沉降为主的拗陷盆地; 晚二叠世, 北天山发生快速冲断, 形成陆内压陷盆地; 早三叠世, 北天山冲断结束, 沉积盆地可能为以弱挤压为特征的陆内压陷盆地; 中晚三叠世, 沉积盆地范围进一步扩大, 沉积速率加快, 整体上表现为陆内拗陷盆地的特征。

4 二叠纪— 三叠纪构造-沉积演化

综上分析, 文中认为准噶尔盆地南缘在二叠纪— 三叠纪主要经历了以下4个演化阶段:

1)晚石炭世— 中二叠世 准南西段的北天山洋在晚石炭世基本闭合(韩宝福等, 2006, 2010; Han et al., 2010; Chen et al., 2011; 廖卓庭等, 2011; 刘冬冬等, 2012; Yang et al., 2013), 仅在部分地区表现为残留海盆的特征, 以石场地区阿尔巴萨依组海岸带附近的火山碎屑岩沉积为代表; 而东段的博格达地区晚石炭世为裂谷盆地( 图 7-b; 王金荣等, 2010), 沉积了一套半深海相— 浅海相的碳酸盐岩, 并伴随大量海相“ 双峰式” 火山岩喷发。早二叠世, 准南西段洋盆闭合, 后碰撞伸展形成裂陷盆地; 东段裂谷盆地也逐渐消减, 并转换为弱伸展裂陷盆地; 整体上西段和东段均以滨浅海相的细粒碎屑岩沉积为主。由此, 准南整体进入陆内演化时期(方世虎等, 2006)。中二叠世, 在继承早二叠世区域性地壳伸展作用的基础上, 在准南和博格达地区形成了一个拗陷型的沉积盆地, 快速沉积了一套厚度巨大的碎屑岩, 且经历了由海相到湖相的演变过程。该期盆地构造活动弱, 盆地性质稳定, 沉积速率大, 以地壳垂直升降运动为主, 表现为陆内拗陷盆地的特征。因此, 晚石炭世准南处于挤压向伸展转换期, 早二叠世准南进入后碰撞伸展阶段, 中二叠世以拗陷沉降为主( 图 8)。

2)晚二叠世 受海西运动的影响, 北天山发生了快速的冲断隆升, 山前以冲积扇或扇三角洲发育为特征。准南西段由于快速冲断, 导致北天山山前中下二叠统普遍缺失或被埋藏(图 2; 表2)。与此同时, 北天山被强烈剥蚀, 发育冲积扇相。因此, 晚二叠世为挤压冲断和剥蚀阶段。

3)早三叠世 准南冲断结束, 处在相对稳定的发展阶段, 沉积了一套以滨浅湖相为主的细粒沉积物。同时, 北天山被削高补低, 发生类准平原化过程, 其物源也到达中天山地区(未发表数据)。

4)中晚三叠世 沉积盆地的范围进一步扩大, 沉积了一套以滨浅湖— 半深湖相为主的小泉沟群, 其超覆于石炭系— 二叠系之上( 图 2; 白斌, 2008)。由于持续湖侵, 北天山继续被削高补低, 物源区与沉积区的高差也趋于一致, 准平原化达到最大, 准南甚至整个准噶尔盆地进入统一的内陆湖泊演化阶段。该阶段以热力沉降的拗陷盆地为主。

综上所述, 准噶尔盆地南缘在二叠纪— 三叠纪经历了多期次的伸展— 挤压环境的转换, 相应地, 沉积盆地性质也发生了多次转变( 图 8)。同时, 准南西段前二叠纪以北天山洋壳的俯冲为主, 而准南东段博格达裂谷的形成可能与古亚洲洋壳向南俯冲有关(顾连兴等, 2001), 两者在乌鲁木齐附近相交并发生转换( 图 7)。因此, 准南西段和东段处在不同的前二叠纪俯冲系统(碰撞时代不同, “ 东早西晚” )可能是造成二叠纪— 三叠纪其沉积特征具有明显差异的主要原因。

5 结论

1)采用综合沉积学方法对准噶尔盆地南缘二叠系— 三叠系沉积相进行了系统的分析, 从区域上厘定了不同时期的沉积环境。

2)晚石炭世准南西段为残留洋盆地, 准南东段为裂谷盆地; 早二叠世准南均为陆内裂陷盆地; 中二叠世转变为拗陷盆地; 晚二叠世为一个陆内压陷盆地; 早三叠世可能是以弱挤压为特征的陆内压陷盆地; 中晚三叠世表现为陆内拗陷盆地的特征。

3)准南在二叠纪— 三叠纪经历了多期次的伸展— 挤压环境转换, 沉积盆地性质也发生了多次转变, 其构造-沉积演化可划分为4个阶段:晚石炭世— 中二叠世为后碰撞伸展阶段, 晚二叠世为挤压冲断阶段, 早三叠世为弱挤压的压陷和削高补低阶段, 中晚三叠世为稳定拗陷和准平原化阶段。

致谢 论文在形成过程中得到了北京大学李绪涛老师的良好建议, 田伟副教授对本研究给予了重要指导, 野外工作得到了北京大学周天琪、马健、王熠哲等诸多支持与帮助。在此一并深致谢意!

(责任编辑 张西娟)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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