古近纪是塔里木盆地由海向陆转化的时期, 库姆格列木群为典型的宽浅型湖泊沉积(邵龙义等, 2006), 北部为南天山构造带, 南部为塔北隆起。陆相宽浅盐湖的沉积环境从边缘至中心可依次划分为: 冲积扇、砂坪、干泥坪、膏泥坪、膏坪和盐盘(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 库车坳陷库姆格列木群沉积相空间组合关系(据Hardie et al., 1978; 有修改)Fig.2 Spatial association of sedimentary facies of the Kumgeliemu Group in Kuqa Depression(modified from Hardie et al., 1978)

以库车河剖面库姆格列木群为例, 探讨各类沉积环境的岩相组合特征。(1)冲积扇相: 冲积扇主要分布在库车坳陷北部以及西北部造山带附近, 为山区河流进入盆地迅速堆积下来的粗碎屑沉积物, 水体能量大, 主要发育中厚层砾岩— 含砾粗砂岩, 岩石分选较差, 磨圆度一般, 受到北部、东部淡水注入, 陆源碎屑丰富; (2)砂坪相: 砂坪相相对远离山前带, 由于地势平缓, 水体能量变小, 主要岩性为细砂岩、含砾砂岩, 岩石粒度逐渐变细; (3)干泥坪相: 进一步远离山前地带, 位于地下水位之上, 主要发育纯泥岩, 不含石膏等结核; (4)膏泥坪相: 位于地下水位附近, 由于地势平缓, 湖岸线来回波动, 以膏质泥岩沉积为主; (5)膏坪相: 盐湖发育早中期, 受强烈蒸发作用的影响, 湖水达到石膏岩沉淀饱和度, 大面积沉积石膏岩; (6)盐盘相: 盐湖发育晚期, 湖水达到石盐沉淀饱和度, 沉积大套盐岩, 主要发育于湖盆中心, 受周缘山体物源的影响小。若湖水水位较高, 湖岸线迁移至山前附近, 则亦有可能发育三角洲相。

盆缘东部库车河剖面库姆格列木群整体发育红棕色砾岩、含砾粗砂岩、砂岩、泥岩以及白色石膏岩。根据岩相组合特征, 划分出3个Ⅲ 级沉积旋回(图 3)。第1个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₁主要发育紫红色砾岩、泥岩和厚层石膏岩, 进一步分为3个Ⅳ 级旋回。其中底部发育2个Ⅳ 级旋回, 主要发育砾岩、泥岩, 为Ⅰ ₁的低水位期, 以冲积扇沉积为主, 向上砾岩多含灰质, 代表水进体系域, 此次水进持续时间较为持久, 沉积大套的石膏岩。第2个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₂主要发育棕红色砂岩、泥岩、白色石膏岩, 进一步分为3个Ⅳ 级旋回。第1个Ⅳ 级旋回为三角洲进积体系, 相当于Ⅰ ₂的低位域。第2个Ⅳ 级旋回主要发育石膏岩及泥岩, 泥质膏岩为水进体系域, 此次湖进较快速。第3个Ⅳ 级旋回为河流— 三角洲沉积相, 从下到上以砂岩— 灰质泥岩— 石膏岩指示湖进, 泥岩— 砂岩指示湖退。第3个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₃序列从下到上为细砂岩— 泥岩— 石膏岩— 粉砂岩, 可进一步细分为3个Ⅳ 级旋回, 其中砂坪— 泥坪代表水进体系域, 膏泥坪— 泥坪— 砂坪为水退体系域。

图 3

Fig.3

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	图 3 库车坳陷库姆格列木群及同期地层野外剖面Ⅲ 级和Ⅳ 级旋回对比Fig.3 Stratigraphic correlation of third and fourth-order cycle comparison of field profiles and the Kumugeliemu Group in Kuqa Depression

盆缘西部小库孜拜沟剖面与库姆格列木群对应的地层为塔拉克组与小库孜拜组, 塔拉克组下部岩性主要为紫红色钙质砂砾岩与云质粉砂岩、云岩互层, 上部为石膏岩、云岩、灰质泥岩互层, 小库孜拜组岩性主要表现为黄红、灰绿色粉砂质泥岩、钙质泥岩与泥质膏岩、膏质泥岩互层(王招明, 2004)。小库孜拜沟剖面塔拉克组与小库孜拜组亦可整体分为3个Ⅲ 级旋回。第1个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₁可以细划分为3个Ⅳ 级旋回, 前2个Ⅳ 级旋回冲积扇发育, 相当于Ⅰ ₁的低水位期, 为一套砾岩夹粉砂岩, 第3个Ⅳ 级旋回为膏坪相— 膏泥坪相组合, 沉积大套石膏岩, 其中灰色砂屑泥晶白云岩发育时为水位最高期。第2个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₂可以划分3个Ⅳ 级旋回, 其中第1个Ⅳ 级旋回主要发育中— 厚层状含灰粉砂质泥岩、灰质泥岩夹石膏岩, 以河流相沉积为主, 第2个Ⅳ 级旋回由泥岩到砂岩, 粒径变粗, 砾石分选性较差, 表明此次水进较迅速。第3个Ⅳ 级旋回持续时间较长, 石膏岩多为灰色, 此时为水位最高时。第3个Ⅲ 级沉积旋回Ⅰ ₃也可以划分3个Ⅳ 级旋回, 为灰质砂岩— 灰质泥岩的岩性组合。

尽管库车坳陷东部地区和西部地区野外剖面厚度相差较大, 但三级旋回整体对应良好, 四级旋回对比也较好, 共同经历了2次大规模的湖进事件以及4次小规模的湖进事件(图 3), 说明2者沉积于1个统一大湖盆内。东部的库车河剖面与西部的小库孜拜沟剖面Ⅰ ₁旋回底部均发育大量的砂砾岩, 该时期为低水位期, 以冲积扇相为主。低水位期过后, Ⅰ ₁旋回顶部, 库车坳陷开始1次大范围的湖进, 小库孜拜沟剖面发育大量石膏岩, 发育的沉积相为膏坪、膏泥坪、半深湖。库车河剖面开始发育泥岩、石膏岩, 主要发育的沉积相为泥坪、膏坪, 在Ⅰ ₁旋回中小库孜拜沟剖面出现灰色泥晶白云岩, 为还原环境, 说明西部的水位比东部的高。

在Ⅰ ₂旋回中, 小库孜拜沟剖面底部发育大量的砂岩、泥岩, 主要发育砂坪, 干泥坪沉积相, 库车河剖面底部发育大量砾岩, 以冲积扇沉积相为主, 说明此时2个剖面物源都以周缘山体河流为主。小库孜拜沟剖面在第2个Ⅳ 级旋回开始发育大量泥岩以及砂岩, 干泥坪、砂坪沉积相发育, 库车河剖面开始出现大量纯石膏岩、泥岩以及砂岩, 沉积相由膏泥坪到砂坪, 说明此时库车坳陷经历1次快速的湖进。在Ⅰ ₂旋回顶部小库孜拜沟剖面开始发育石膏岩, 泥岩, 可以观察到灰— 深灰色页岩以及泥灰岩, 库车河剖面三角洲沉积相发育, 发育灰绿色灰质泥岩, 此时2个剖面都有经历1次较大范围的湖进。

Ⅰ ₃沉积旋回中, 库车河剖面和小库孜拜沟剖面岩性变化具有一致性, 库车河剖面岩性变化规律大致为石膏岩— 泥岩— 石膏岩— 泥岩— 石膏岩— 泥岩— 砂岩, 小库孜拜沟剖面岩性变化规律大致为砂岩— 泥岩— 砂岩— 含膏泥岩— 泥岩— 含膏泥岩— 砂质泥岩, 2个剖面都有经历3次小范围的湖进和湖退。

盐湖中心下泥岩段、膏盐岩段、中泥岩段对应第1个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₁, 盐岩段中下部对应第2个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₂, 盐岩段上部和上泥岩段对应第3个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₃。下泥岩段中主要发育泥岩, 夹有砂岩, 由于受到古地貌的影响, 下泥岩段的厚度变化较大, 位于古隆起的井下泥岩段厚度较小, 为Ⅰ ₁旋回的水进期沉积, 湖盆边缘三角洲沉积相发育, 水位较低, 膏盐岩段为Ⅰ ₁旋回的水进体系域, 主要发育石膏岩, 盐岩, 碳酸盐岩, 与海侵作用有关, 湖盆边缘湖水水位波动较大, 发育泥质膏岩、膏质泥岩。中泥岩段为Ⅰ ₁旋回的最顶部, 中泥岩段的厚度由于构造作用的影响呈现西薄东厚的特征。盐岩段的中下部主要发育有盐质泥岩、盐岩, 对应第2个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₂, 盐岩段受到后期构造作用影响, 厚度变化极大, 盐质泥岩对应水进期。盐岩段上部和上泥岩段对应第3个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₃, 此时湖盆中心为盐湖, 受蒸发作用影响, 湖水水位较低, 湖盆边缘发育砂泥坪(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 库车坳陷库姆格列木群沉积时期湖盆中心与边缘沉积旋回对比Fig.4 Comparison of sedimentary cycles between center and edge of basin during the sedimentary period of Kumugeliemu Group in Kuqa Depression

湖盆中心与湖盆边缘剖面Ⅲ 级旋回对应良好。在受海侵影响前, 湖盆中心沉积泥岩, 与湖盆边缘砂砾岩对应, 此时湖盆水位最高。在海侵以及温暖湿润气候的共同影响下, 湖盆中心先沉积大套石膏岩, 湖盆边缘水位波动较大, 发育泥质膏岩与之对应, 随后湖盆中心盐度逐渐变高, 沉积盐质泥岩, 主要发育盐泥坪沉积相, 此时湖盆边缘发育石膏岩。后期在干旱气候持续影响下, 湖水进一步蒸发, 此时湖盆水位达到最低, 沉积大套盐岩, 与此同时, 湖盆边缘发育冲积扇、砂泥坪沉积相(图 5)。

图 5

Fig.5

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	图 5 库车坳陷库姆格列木群沉积序列Fig.5 Sedimentary sequence of the Kumugeliemu Group in Kuqa Depression

精确沉积年龄的确定有利于了解陆地沉积时期的海侵和气候背景。早期古生物学表明库姆格列木群沉积于晚古新世— 早始新世(张一勇和詹家祯, 1991; 何承全等, 2009; 祝幼华等, 2012)。为获得精确的沉积年龄, 郑民和孟自芳(2007)通过古地磁测试方法得出库姆格列木群的沉积时间为38.0~60.5 Ma。张志亮等(2013)以克拉苏河剖面为重点研究对象, 综合判断后将库姆格列木群的沉积时间定为33~41.5 Ma。张涛(2014)综合利用孢粉组合以及古生物资料, 确定库姆格列木群的沉积时间为38~42.2 Ma。为了更好地限定南天山前陆盆地新生代沉积年龄, Zhang等(2015)再次对克拉苏河剖面古地磁数据进行了分析, 将库姆格列木群的沉积年龄限制在46~54 Ma。

库姆格列木群发育海相化石Potamides spp., Natica sp., Ampullina sp., Newtoniella sp.等, 为中亚盐湖链的最东支, 形成时间较晚, 属于干旱气候背景下断续海侵的产物(雍天寿和单金榜, 1986; 陈荣林, 1996; 曹养同等, 2016)。根据全球海平面升降变化(Miller et al., 2020), 结合古生物学、地球化学等证据综合判断, 认为Ⅰ ₁旋回沉积时期可能为54-51 Ma, 在此阶段全球海平面波动较大, 有过2次上升, 同时期塔西南阿尔塔什组的³⁴S值介于16.4‰ ~19.1‰ 之间, 塔北地区塔拉克组石膏的³⁴S值介于16.5‰ ~17.9‰ 之间, 与同时期海水的³⁴S值相接近(孙宏伟, 2014; 徐洋等, 2018), 并且在塔拉克剖面的石膏层中能观察到生物夹层, 发现孢粉: Schizaeoisporites longus, S.laevigatiformis, Cyathidites minor等, 在最后1个Ⅳ 级旋回石膏岩层中发现有海相双壳类化石(王招明, 2004), 并夹有薄层灰绿色泥灰岩, 为海侵留下的证据, 指示该时期湖平面上升与海侵有关, 海水从塔西南坳陷经阿克苏一带, 流入库车坳陷, 海侵表现为间断性。全球海平面于54-51 Ma后在Ⅰ ₂旋回又经历了2次较大升高(51-48 Ma), 在该旋回生物层中发现有丰富的腹足类及双壳类化石, 腹足类如C. praovus wensuensis, C. cinctus等, 介形类如Neocyprideis galba, N. sp.(王招明, 2004), 说明在Ⅰ ₂沉积期间海平面的2次上升亦与海侵有关。Ⅰ ₃旋回沉积期间, 全球海平面在48 Ma后持续下降, 未达到51-48 Ma的高度, 且在沉积物中没有发现海侵留下的痕迹, 说明该阶段没有发生过海侵(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 库车坳陷库姆格列木群沉积时期全球气候和海平面变化特征(据Miller et al., 2020; 有修改)Fig.6 Global climatic and eustatic changes during the deposition of the Kumugeliemu Group in Kuqa Depression(modified from Miller et al., 2020)

如前所述, Ⅰ ₁旋回沉积于54-51 Ma时期, Warren(2016)在蒸发岩专著中强调, 陆缘盆地蒸发岩主要发育于温室气候模式下, 与库姆格列木群亦发育于始新世温室气候期对应较好。EECO(Early Eocene Climatic Optimum)发生于51-53 Ma期间, 在此阶段温度显著增加, 碳同位素出现负偏, 降雨量显著增加。在高纬度地区, 气候最为湿润, 并且氧同位素值较高, 随着纬度变低, 湿润度降低(Hyland et al., 2018; Westerhold et al., 2018; Van Dijk et al., 2020)。同时, 博孜901井、克深132井的Mg/Ca值都较低, 低值指示温湿气候, Ca元素含量在逐渐减小, 表明水体流动变快, 在沉积物中不易析出, 陆源碎屑输入变多, Ti、Al元素含量在Ⅰ ₁旋回逐渐增加, 表明陆源碎屑输入变多, 表明温暖潮湿的气候背景(图 7; 图 8)(马宝林和王琪, 1997; 谭红兵和于升松, 1999; 刘子涵等, 2022)。此外, 在库姆格列木群下部发现腹足类: Potamides angustsa, 介形类Nucleoclina longillipita, 通过研究发现蕨类植物孢子异常发育, 以Polypodiaceoisporites, Ephedripites-Paricisporites-Quercoidites孢粉组合为主并发现轮藻化石: Sphaerochara chainensis, S. primorskensis等(胡兰英, 1982; 张一勇, 1995; 李玉英, 2007), 在塔西南与塔北地区同时期地层中的δ ¹³C、δ ¹⁸O都有记录到该时期炎热潮湿的气候(Qin et al., 2023)。说明Ⅰ ₁旋回的古气候以温暖潮湿为主。

图 7

Fig.7

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	图 7 库车坳陷克深132井库姆格列木群元素含量变化趋势Fig.7 Trend of element content of Well Keshen 132 of the Kumgeliemu Group in Kuqa Depression

图 8

Fig.8

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	图 8 库车坳陷博孜901井库姆格列木群元素含量变化趋势Fig.8 Trend chart of element content of Well Bozi 901 of the Kumgeliemu Group in Kuqa Depression

Ⅰ ₂旋回中, 博孜901井、克深132井P元素含量明显富集, 克深132井的Mg/Ca值与Sr/Ba值都较高(图 7; 图 8; 图 9), 两者同时说明该阶段气候较为干旱(许丽等, 2016; 王淑丽等, 2019)。通过孢粉组合的研究得出生物组合主要为亚热带及亚热带— 热带植被, 麻黄类含量较高, 同样反映出较为干旱的气候(王得林, 2000)。此时气候有可能受到行星风系的控制下变为干旱(苗运法等, 2008)。在野外剖面可观察到沉积厚层蒸发岩, 但蒸发岩总与碎屑岩交互沉积, 反映出炎热干旱的背景下, 并存在有周期性湿润的时期(贾进华, 2002; 曹养同等, 2010), 因此判断Ⅰ ₂旋回阶段古气候以干旱炎热为主, 夹有多期次短暂的湿润期。

图 9

Fig.9

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	图 9 库车坳陷库姆格列姆群不同层段元素比值交会图Fig.9 Cross plots of element ratios of the Kumugeliemu Group in Kuqa Depression

Ⅰ ₃旋回(48-46 Ma)中, 克深132井的V/(V+Ni)值与Fe/Mn值较高(图 9), 临夏、西宁、柴达木盆地等多个盆地的赤铁矿记录到的硅酸盐风化强度表明在约47 Ma附近气候受全球气候变冷的影响下开始变冷(冯展涛, 2022), 同时该阶段不受海侵的影响, 来自副特提斯洋的水汽输入较少, 因此推断Ⅰ ₃旋回阶段库车坳陷气候逐渐变冷变干。

成盐环境可以不为单一的特定环境, 可以是海湾、潟湖、内陆湖等, 也可以为陆地上与海有通道半封闭的陆缘盆地, 成盐物质既可以来源于海水、亦可来源于大气降水, 通过本次研究, 发现不同沉积旋回中受海侵影响程度的不同, 成盐物质来源略有不同。

第1个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₁, 湖盆中心发育冲积扇— 河流相— 湖泊相沉积组合, 在盆缘库车河剖面表现为2个冲积扇和1个膏坪相Ⅳ 级旋回沉积(图 3), 说明在海侵发生前物质来源主要来自大气降水。后期在断续海侵的影响下, 库车坳陷由内陆内流盆地转变为与海有联系的陆缘盆地。湖盆中心沉积1套石膏岩— 盐岩— 碳酸盐岩的岩性组合, 湖盆边缘也可观察到大套的石膏岩。第1次海平面上升对应博孜901井底部石膏岩— 盐岩的形成, 第2次海平面上升对应底部云岩— 灰岩— 石膏岩的沉积, 此次海侵导致原先咸化的水体先发生淡化, 发育1套碳酸盐岩, 随后逐渐蒸发浓缩, 沉积石膏岩(图 6)。

第2个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₂, 湖盆中心以沉积盐岩夹泥岩为主, 部分井还发育有石膏岩, 并不发育碳酸盐岩, 为冲积扇— 河流相— 湖泊相沉积组合。在湖盆边缘库车河剖面依次发育冲积扇、膏坪相和扇三角洲3个Ⅳ 级旋回, 盆缘西部小库孜拜沟剖面依次发育砂坪、泥坪和膏坪相的Ⅳ 级旋回(图 3), 反映了湖水水位整体升高的趋势。如前所述, 该旋回同样受到了海侵的影响, 但该旋回小库孜拜组石膏的 δ ³⁴S 值在12‰ 左右, 均低于15‰ , 低于当时海相沉积石膏 δ ³⁴S 的值, 在库姆格列木群盐岩段的 δ ³⁴S 及⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值分别为11.250‰ ~14.375‰ , 0.7100~0.7108, 均指示海陆过渡相(章振国等, 2010; 王凡等, 2022), 且该旋回不发育碳酸盐岩, 没有发育正常的海侵— 海退沉积模式, 该套厚层盐岩的Br× 10³/Cl极低, 不能用正常的海水蒸发沉积模式解释(谭红兵等, 2005)。说明该旋回盐类的沉积不仅受海侵影响, 同样受到大气降水的影响。由于天山褶皱带不断隆起, 库车坳陷也相应抬高, 致使库车坳陷逐渐由潟湖转变为了盐湖, 海水可能以地下水的方式输送到库车坳陷, 大套盐岩的沉积受海水与大气降水混合的影响。

第3个Ⅲ 级旋回Ⅰ ₃, 在此阶段没有发生海侵, 物质来源应为大气降水。湖盆不发育厚层蒸发岩, 主要表现为沉积厚层泥岩和膏质泥岩, 与此同时, 兰州盆地的野城狐组、西宁盆地的洪沟组都有类似的沉积特征(岳乐平等, 2003; Fang et al., 2019), 为典型的干盐湖沉积特征, 干盐湖的发育与全球海平面下降有关。

库姆格列木群沉积时处于温室气候背景下, 在温室气候条件下, 两极缺乏永久性冰川, 海底扩张速率增加, 大陆自由空间增加, 与此同时, 全球海平面波动频率和幅度远较冰室气候小, 以每10万年5~10 m升降为主(Warren, 2016)。该类波动既保证了陆缘盆地在海平面下降时与外海有效隔离, 亦保证了海平面上升时盐类物质源源不断供应(Warren, 2016)。库姆格列木群含盐层系岩相组合特征, 在不同Ⅲ 级旋回内显著不同, 说明除了受海侵影响外, 可能与早始新世气候变化有关。

库姆格列木群在Ⅰ ₁旋回中, 海水在温室气候影响下逐渐浓缩, 湖盆中心盐度逐渐升高, 沉积碳酸盐岩— 石膏岩— 盐岩的岩性组合, 与此同时, 在湖盆边缘发育大套石膏岩。同时期不同纬度地区的蒸发岩都受到温室气候的影响, 如江汉盆地新沟嘴组, 东营凹陷沙河街组发育的蒸发岩(Zuo et al., 2020; Fan et al., 2022), 到了后期气候逐渐变得潮湿温暖, 大气降水输入的增加使湖盆水体的盐度逐渐降低, 无法达到石膏岩、盐岩的析出条件, 于是在湖盆中心沉积薄层碳酸盐岩, 在后期湿润气候进一步的影响下, 湖盆水体盐度已达不到蒸发岩沉淀条件, 在湖盆中心表现为发育大套的泥岩, 盆缘则表现为泥岩与膏质泥岩互层, 沉积相由膏坪转变为膏泥坪。

在Ⅰ ₂旋回中, 气候总体干旱, 并存在多期次短暂的湿润期。具体表现为, 受干旱气候的影响, 湖盆中心水体不断蒸发, 盐度变高, 发育厚层盐岩, 在湖盆边缘同时也沉积多个石膏层, 在整体炎热的背景下夹杂多期次短暂的湿润期, 使得湖盆水体盐度不断变化, 在短暂的湿润期气候条件下, 在湖盆中心沉积多个盐质泥岩层, 在湖盆边缘小库孜拜沟剖面Ⅳ 级旋回中可见黄红色泥岩与灰绿色砂岩互层, 在库车河剖面可见砖红色泥岩与灰绿色灰质泥岩互层。该旋回气候较为波动, 导致湖盆水体的盐度不断波动, 出现了盐岩与盐质泥岩互层的现象。

在Ⅰ ₃旋回中, 由于气候变冷且较为干旱, 同时湖盆中的盐类物质较少, 湖盆水体蒸发量不足以达到蒸发岩析出的条件, 仅沉积厚层红棕色泥岩与盐质泥岩, 在湖盆边缘则表现为厚层的膏质泥岩以及泥岩。在野外剖面上多以干泥坪、膏泥坪沉积相为主。