塔里木盆地库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统物源特征及其地质意义

2020-03-26许兴斌王昌勇刘满仓林世国李德江高志勇

地球科学与环境学报 2020年2期

许兴斌，王昌勇*，刘满仓，林世国，李德江，高志勇

(1. 成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 610059； 2. 中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊 065007； 3. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083)

0 引言

图1 塔里木盆地库车坳陷东部构造概况Fig.1 Structural Profile of the Eastern Kuqa Depression in Tarim Basin

库车坳陷位于塔里木盆地东北部拜城—阳霞一带(图1)，构造位置北邻南天山造山带，南靠塔北隆起，为一个经历了多期次构造运动改造、以中—新生代沉积为主的复合前陆盆地[1-5]，包括“五带三凹”共8个二级构造单元。库车坳陷东部主要包括吐格尔明背斜带、东秋里塔格构造带、迪北斜坡带、依奇克里克背斜带和阳霞凹陷(大部分)等5个三级构造单元。晚三叠世—中侏罗世，库车坳陷东部主要发育辫状河三角洲-湖泊沉积体系，局部发育扇三角洲[6-12]。上三叠统塔里奇克组(T3t)主要为一套灰色砾岩、含砾砂岩、砂岩、灰色泥岩、灰黑色碳质泥岩及煤层互层；下侏罗统阿合组(J1a)主要为一套厚—巨厚层灰色和浅灰色含砾粗砂岩、粗砂岩、中砂岩及细砂岩夹薄—中层泥岩；下侏罗统阳霞组(J1y)主要为一套薄—厚层浅灰色砾岩、含砾粗砂岩、中砂岩夹薄层碳质泥岩、粉砂质泥岩及泥岩；中侏罗统克孜勒努尔组(J2kz)主要为一套煤层、碳质泥岩、泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与细—中砂岩互层。

天山山脉横贯中国西北部和中亚地区，东西长2 500 km，南北宽几百千米，是世界上最重要的造山带之一，主要由塔里木陆块、中天山岛弧与准噶尔陆块古生代拼合形成。目前，位于中国境内的南天山主要由NEE向哈尔克山和那拉提山、NWW向虎拉山和额尔宾山等组成，出露古生代未变质或浅变质的沉积岩、蛇绿岩、岩浆侵入体和火山岩，以及中—新生代沉积盆地。前人研究认为早—中侏罗世库车坳陷东部物源主要来自南天山物源区[13]，以塔里木盆地边缘再旋回造山带沉积岩母岩为主[14-15]，兼有低—高级变质岩、酸性岩浆岩、岛弧及洋岛玄武岩[16]，但对于侏罗纪盆地东南部或南部是否已经成为一个主要的物源供应区存在较大争议，库车坳陷侏罗系可能受到来自东南部物源的影响[17-22]。

三叠纪/侏罗纪之交是印支晚幕重要的构造活动时期。本文通过对上三叠统—中侏罗统30件砂岩样品进行岩石薄片、阴极发光和重矿物分析，并结合沉积构造及地震解释成果，对塔里木盆地库车坳陷东部三叠系—侏罗系物源体系及其演化进行详细分析，并探讨物源方向和母岩性质，以期对天山造山带构造演化史及岩相古地理恢复提供参考。

1 岩矿组分特征

不同岩石类型通常具有不同的岩矿组分特征。虽然母岩风化产物在搬运和沉积过程中会不断发生机械分异和化学分异作用，但通过对砂岩、砾岩中碎屑组分分析，仍然可以追溯物源信息，特别是根据岩屑类型和重矿物组合特征可以推测甚至确定母岩类型。

1.1 岩屑类型

砂岩中岩屑是母岩物理风化不彻底的产物，基本保持了母岩结构，能够直接指示母岩类型[23]。塔里木盆地库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统砂岩成分成熟度较低，主要为长石岩屑砂岩及岩屑砂岩，总体具有较高的岩屑含量，砂岩中常见花岗岩岩屑[图2(a)]、变质石英岩岩屑[图2(b)、(c)、(e)]、片岩岩屑[图2(c)]、碳酸盐岩岩屑[图2(c)]、石英片岩岩屑[图2(d)]、粉砂岩岩屑[图2(e)]、花岗片麻岩岩屑[图2(f)]、石英粉砂岩岩屑[图2(g)]、泥岩岩屑[图2(h)]、千枚岩岩屑[图2(i)]等。

岩屑组合特征表明晚三叠世—中侏罗世库车坳陷东部物源区母岩组成较为复杂，包括侵入岩、低—中级变质岩及沉积岩，具有造山带混入的特征。研究区上三叠统—中侏罗统砂岩中岩屑组合在横向和纵向上变化具有一定规律性:碳酸盐岩岩屑在西部库车河一带较高，而在研究区其余地区含量较低；上三叠统塔里奇克组、下侏罗统阿合组及阳霞组陆源碎屑岩岩屑含量较高，中侏罗统克孜勒努尔组及恰克马克组(J2q)陆源碎屑岩岩屑含量较低；变质岩岩屑、黑云母及岩浆岩岩屑自下而上有逐渐增多的趋势(图3)。岩屑组合在纵向上的演化整体反映了母岩由新到老逐渐剥蚀的规律，而同期沉积中岩屑组合在横向上的不同则反映了物源区母岩类型的差异，表明晚三叠世—中侏罗世物源区构造活动具有分段性和异时性的特点。

1.2 重矿物组合

HGY为花岗岩岩屑;BZSHY为变质石英岩岩屑;PY为片岩岩屑;GX为钙屑;SHPY为石英片岩岩屑;FSY为粉砂岩岩屑;HGPMY为花岗片麻岩岩屑;SHFSY为石英粉砂岩岩屑;NY为泥岩岩屑;QMY为千枚岩岩屑图2 上三叠统—中侏罗统主要岩屑类型Fig.2 Main Lithic Types of Upper Triassic-Middle Jurassic

碎屑岩中重矿物含量(质量分数，下同)虽然一般不超过1%，但在物源分析中有广泛应用[24-25]。不同母岩风化产物通常具有不同的重矿物组合。其中，花岗岩风化产物通常以锆石和榍石为主；变质岩风化产物以石榴子石、绿帘石、金红石和电气石等为主；而沉积岩风化产物中锆石含量通常较高[26-30]。不同重矿物在稳定性方面存在较大差异，因此，稳定重矿物相对含量的变化规律是追溯物源方向的有效途径。

重矿物含量分析结果(表1)表明，库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统砂岩中锆石、电气石、石榴子石、磁铁矿及白钛矿等重矿物分布最为普遍,平均含量最高。其中，锆石平均含量为22.8%，最高含量为49.7%；电气石平均含量为4.3%，最高含量为13.5%；石榴子石平均含量为23.9%，最高含量为72.0%；磁铁矿平均含量为10.9%，最高含量为70.0%；白钛矿平均含量为20.1%，最高可达59.0%；赤褐铁矿、绿帘石、板钛矿、蓝晶石、榍石、辉石、金红石、锡石和锐钛矿平均含量分别为9.6%、0.1%、0.3%、0.0%、0.4%、0.0%、0.9%、1.9%和1.1%。上三叠统—中侏罗统砂岩主要重矿物类型反映其物源主要受变质岩和岩浆岩母岩区影响，高含量的石榴子石与元古代变质岩母岩有关，而白钛矿及磁铁矿主要与石炭系火山岩有关[31]。

1.2.1 垂向演化特征

库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统重矿物组合自下而上呈规律性演化。以库车河和克孜勒努尔沟剖面为例，从塔里奇克组至阳霞组，砂岩中锆石相对含量逐渐减少，而磁铁矿及白钛矿相对含量则逐渐升高(图3)，表明自下而上沉积岩物源减少,岩浆岩物源增加；克孜1井和吐格尔明30团剖面从塔里奇克组至恰克马克组，砂岩中锆石相对含量亦逐渐减少，而石榴子石相对含量逐渐升高(图3)，表明自下而上沉积岩物源减少,变质岩物源增加。

图3 上三叠统—中侏罗统岩屑类型及重矿物组合演化特征Fig.3 Evolution Characteristics of Lithic Types and Heavy Mineral Assemblages in Upper Triassic-Middle Jurassic

图4 上三叠统—中侏罗统重矿物组合分区Fig.4 Subdivisions of Heavy Mineral Assemblages in Upper Triassic-Middle Jurassic

Q1为不发光石英；Q2为棕色—褐色发光石英；Q3为蓝紫色发光石英图5 砂岩显微照片和阴极发光图像Fig.5 Microscope Photos and CL Images of Sandstones

1.2.2 分区特征

库车坳陷东部不同沉积时期重矿物组合在平面上具有明显的分区性。塔里奇克组沉积时期，研究区东部砂岩中重矿物以较高含量的锆石、磁铁矿及白钛矿为特征，砂岩中几乎不含石榴子石[图4(a)]，说明这一沉积时期研究区东部主要受沉积岩及岩浆岩母岩区影响，母岩中变质岩所占比例极少。阿合组沉积时期，研究区砂岩中普遍开始出现较多的石榴子石，特别是研究区东部阳霞地区砂岩中重矿物以石榴子石为主，其余地区石榴子石含量稍低，但仍然具有较高含量的锆石、白钛矿及磁铁矿[图4(b)]。阳霞组沉积时期，研究区砂岩中重矿物分区特征总体与阿合组沉积时期相似，东部阳霞一带仍然是石榴子石相对高含量区[图4(c)]。克孜勒努尔组沉积时期，研究区砂岩中重矿物组合发生重大变化，吐格尔明30团剖面以西地区石榴子石含量明显升高，而东部阳霞一带则以较高含量的磁铁矿为特征[图4(d)]。

1.3 阴极发光特征

利用石英阴极发光性的差异进行物源区分析是非常有效的技术方法[32]。其中，来自变质岩母岩区的石英主要为褐色及棕褐色发光；来自岩浆岩母岩区的石英主要为蓝色或蓝紫色发光；来自沉积岩母岩区的石英一般不发光[33-35]。库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统砂岩中石英阴极发光特征较为丰富，既有蓝色、蓝紫色发光石英，也有褐色及棕褐色发光石英，同时还有少量不发光石英(图5)。研究区上三叠统—中侏罗统砂岩中石英阴极发光特征在纵向上具有明显的规律性。以依南2井为例，塔里奇克组及阿合组早期沉积的砂岩中含有较多不发光石英，阿合组中—晚期及阳霞组早—中期沉积的砂岩中石英虽然有少量不发光或者褐色发光，但总体以蓝紫色发光为主，阳霞组晚期及克孜勒努尔组沉积的砂岩中石英主要为褐色或棕褐色发光[图6(a)]。与依南2井相似，研究区上三叠统—中侏罗统石英阴极发光特征也具有相似的演化特征，即自下而上不发光石英含量逐渐减少直至消失，蓝紫色发光石英含量先增多后减少，褐色—棕褐色发光石英含量逐渐增多[图6(b)]。

统计结果表明：塔里奇克组沉积时期，研究区砂岩中石英虽然以蓝紫色及棕褐色发光为主，但通常仍有较多的石英不发光[图7(a)]；阿合组沉积时期，褐色—棕褐色发光石英含量明显增多，但总体仍以蓝色—蓝紫色发光石英为主，不发光石英含量极低[图7(b)]；阳霞组及克孜勒努尔组沉积时期，除库车河以西地区仍以蓝紫色发光石英为主外，研究区大部分地区砂岩中的石英以褐色—棕褐色发光为主[图7(c)、(d)]。

石英阴极发光纵向演化特征表明：研究区晚三叠世受较多沉积岩母岩影响；早侏罗世物源区岩浆岩母岩影响增强，沉积岩母岩影响减弱；而中侏罗世岩浆岩母岩的影响减弱，变质岩母岩影响逐渐增强。

2 物源方向

库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统砂岩中重矿物组合及石英阴极发光特征在平面上表现出明显的东西分异特点，而基本没有明显的南北分异特点，反映了物源方向以SN向为主(图4、7)。米斯布拉克、库车河、克孜勒努尔沟、吐格尔明30团及29团等剖面塔里奇克组、阿合组、阳霞组及克孜勒努尔组砂岩中前积纹层总体倾向南部[图8(a)～(d)]，表明这一沉积时期研究区主要受自北向南流动的水系控制。

饼图由统计石英蓝紫色发光、棕褐色发光及不发光颗粒数所得图6 依南2井及上三叠统—中侏罗统石英阴极发光分析Fig.6 CL Analyses of Quartz in Well Yinan2 and Upper Triassic-Middle Jurassic

地震反射特征对识别地质体、反映物源方向十分有效[36-38]。库车坳陷东部侏罗系内部发育的古河道及前积结构能够指示物源方向。古河道形态上通常表现为下伏地层的“U”形削蚀下切，河道内部往往具有双上超的充填特征。这种古河道反射特征在迪北三维Trace方向(即近EW向)阿合组和阳霞组内部较为常见，表明下切河道具有沿近SN向分布的特征。同时，地震解释成果发现，研究区侏罗系主要沿SN向或SSW向上超或下超[图8(e)]，也从侧面印证了物源具有沿SN向搬运的特点。

综合砂岩重矿物组合及石英阴极发光分区、指向构造及地震相标志等研究成果，可以确定库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统主要受北部南天山造山带物源影响和控制。

3 母岩区性质

印支运动导致塔里木盆地遭受了剧烈影响，同时导致了上三叠统—下侏罗统研究区沉积环境的巨大变化[39-44]；中三叠统及其以下地层均具有向上三叠统—中侏罗统提供物源的潜力。库车坳陷东部元古界—中奥陶统主要为变质岩地层，主要发育片岩、片麻岩，少量为大理岩；上奥陶统—下二叠统主要发育碳酸盐岩，含少量碎屑岩；中—上二叠统主要发育火山岩，常与碎屑岩呈互层状产出，局部夹少量碳酸盐岩；三叠系主要发育碎屑岩[45-46]。自下而上，库车坳陷东部总体呈变质岩→碳酸盐岩→火山岩→碎屑岩的分布规律。

塔里奇克组沉积时期，研究区砂岩中含较多的陆源碎屑岩及碳酸盐岩岩屑，同时含少量变质岩、岩浆岩岩屑及黑云母；砂岩重矿物组合中锆石及铁矿含量较高，石榴子石含量较低[图3和图4(a)]。结合其砂岩中不发光石英含量较高的特征[图6(b)和图7(c)、(d)]，推测该沉积时期物源区母岩以沉积岩及岩浆岩为主，母岩可能为上奥陶统—上三叠统早期沉积。

阿合组及阳霞组沉积时期，研究区砂岩中仍含较多的陆源碎屑岩岩屑，并且变质岩岩屑、岩浆岩岩屑及黑云母含量有增高的趋势，砂岩重矿物组合中石榴子石含量较高[图3和图4(b)、(c)]。结合砂岩中不发光石英含量极低、蓝紫色及棕褐色发光石英为主的特征[图6和图7(a)、(b)]，推测该沉积时期物源区三叠系母岩基本剥蚀殆尽，母岩可能主要为二叠系及其之下地层，以岩浆岩及变质岩为主。

克孜勒努尔组沉积时期，研究区砂岩中变质岩岩屑含量增多，砂岩重矿物组合中石榴子石含量很高[图3和图4(d)]。结合砂岩中石英以蓝紫色及棕褐色发光为主的特征[图6和图7(d)]，推测母岩可能仍然主要为二叠系及其之下地层，但随着母岩的不断剥蚀，元古界母岩供给逐渐增多。

库车坳陷东部上三叠统—中侏罗统物源演化特征总体反映了物源区母岩由新到老的一般剥蚀规律，但物源组分特别是砂岩重矿物组合在纵向上及平面上的变化，仍然反映了不同时期物源区构造活动的差异性。相较于上三叠统塔里奇克组砂岩中石榴子石含量极低的特征，下侏罗统阿合组砂岩大部分已经具有较高的石榴子石含量，表明晚三叠世/早侏罗世之交母岩区(即南天山造山带)明显受印支运动晚幕构造抬升影响，导致元古界变质岩卷入造山带为侏罗系提供物源。阿合组/塔里奇克组分界在库车坳陷东部虽然仅表现为冲刷，甚至是整合接触，但上、下两套地层之间明显存在一次区域性构造隆升事件。上三叠统塔里奇克组沉积时期，研究区砂岩重矿物组合总体较为相似[图4(a)]，但从下侏罗统阿合组沉积时期开始，研究区砂岩重矿物组合开始呈现明显的东西分异特点，即下侏罗统阿合组及阳霞组沉积时期，研究区吐格尔明30团剖面以东地区率先具有较高的石榴子石含量[图4(b)、(c)]，而研究区吐格尔明30团剖面以西的中、西部地区到中侏罗统克孜勒努尔组沉积时期才具有高石榴子石含量的特征[图4(d)]。

南天山是一个由多个不同时代不同成因的地质体拼合而成的复杂造山带[47-53]，在三叠纪已进入大规模后碰撞造山带[54-61]，其后碰撞作用开始的时限约为266 Ma，其中为研究区提供物源的南天山造山带中段后碰撞作用结束暨大规模夷平作用开始时间约为186 Ma[61]。本次研究表明：库车坳陷东部下—中侏罗统重矿物分区位于吐格尔明30团剖面附近，大致对应于南天山造山带中段哈尔克山与虎拉山衔接带[47]，哈尔克山主要为吐格尔明30团剖面以西提供物源，而吐格尔明30团剖面以东主要受虎拉山及额尔宾山物源区控制。从上三叠统—中侏罗统砂岩重矿物组合的变化规律来看，晚三叠世库车坳陷东部南天山造山带还处于整体抬升时期，而从早侏罗世开始，南天山造山带构造活动开始出现分段性，东段(虎拉山及额尔宾山)可能比西段(哈尔克山)具有更早的隆升时间和更快的隆升-剥蚀速率。