库车拗陷侏罗系物源-古水流体系特征及其研究意义

2021-06-14范亚楠王昌勇高志勇冯佳睿刘满仓林世国

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年3期

范亚楠, 王昌勇, 高志勇, 冯佳睿, 刘满仓, 林世国

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学) ,成都 610059； 2.中国石油勘探开发研究院石油地质实验研究中心，北京 100083)

物源及古水流体系研究是岩相古地理恢复的重要内容，物源区母岩风化产物经过流水的搬运最终堆积到邻近盆地中，盆地内充填的陆源碎屑物质包含了大量母岩信息，并记录了丰富的地球动力学信息[1]，因此对盆内陆源碎屑组分进行分析，可以为确定母岩性质、了解物源区构造背景提供可靠依据[2]。现代河流-三角洲沉积物调查研究表明：不同河流流域及其三角洲沉积物具有不同的岩矿组合特征[3]，因此盆地内陆源碎屑沉积物岩矿组合的差异可以反映不同古水流体系的影响。

库车拗陷侏罗系物源主要来自南天山[4]，库车拗陷物源(源)-古水流(渠)-沉积体系(汇)主要受南天山构造活动控制。塔里木块体北缘东部石炭系已具有再旋回混合造山带的物源构造属性，但直到晚石炭世南天山洋关闭，塔里木块体北缘西部仍未明显造山[5]。晚二叠世，随着南天山洋俯冲消减、碰撞闭合，与塔里木盆地表现为陆内挤压盆地-碰撞造山带耦合，在早三叠世开始大规模碰撞造山运动[6-12]。南天山造山带是一个复合造山带，由多个不同时代、不同成因的地质体组合而成[13]，是哈萨克斯坦板块和塔里木板块相互挤压作用的结果[14-16]，南天山的初始隆升即具有分带性。李忠等[17]认为中生代以来南天山物源总体具“再旋回造山带”特征，其物源演化分为5期，其中，中三叠世-中侏罗世构造活动较弱，发育高成熟度的“锆石-金红石-电气石”重矿物组合[17-18]，但黄山街组、塔里奇克组及中-下侏罗统冲积扇和扇三角洲的发育[19-20]，表明中三叠世-中侏罗世南天山局部地区可能仍然存在强烈的构造活动。本文主要通过阴极发光及重矿物分析，对库车拗陷侏罗系碎屑组分特征及物源演化进行研究，对侏罗纪南天山-库车拗陷物源及古水流体系进行恢复，探讨库车拗陷侏罗系碎屑组分对南天山构造演化的响应，为库车拗陷盆地原型恢复及油气勘探提供支撑。

1 地质概况

天山山脉位于塔里木盆地北部，走向大致呈近东西向或北西西向。天山山脉发育从元古界-新生界的全部地层[21-23](图1)，其中，元古界主要为变质岩，下古生界主要发育海相火山岩及沉积岩，上古生界以发育海陆过渡相的火山岩及沉积岩为特征，中生界、新生界则主要发育陆相陆源碎屑岩[24-25]。库车拗陷总体呈一个北东东向延伸的狭长拗陷，北临南天山造山带，南靠塔北隆起带，受多期次构造运动改造形成了现今库车拗陷“五带三凹” 的构造格局，其中燕山期和喜马拉雅期两幕构造运动的影响最强烈[26-31]。库车拗陷侏罗系与下伏上三叠统塔里奇克组呈平行不整合接触[32]，自下而上依次发育阿合组、阳霞组、克孜勒努尔组、恰克马克组及齐古组，中-上侏罗统遭受不同程度的剥蚀、与下白垩统亚格列木组主要呈平行不整合或微角度不整合接触。库车拗陷侏罗系总体呈下粗上细的特征，其中：下侏罗统阿合组(J1a)主要为一套辫状河及辫状河三角洲沉积，局部发育少量湖泊及扇三角洲沉积，以发育厚层灰色砾岩、含砾砂岩及砂岩为特征，泥岩及粉砂岩较少；下侏罗统阳霞组(J1y)主要为辫状河三角洲沉积，岩石类型与阿合组相似，但剖面上粒度一般较阿合组细、炭质泥岩及煤层较为发育；中侏罗统克孜勒努尔组(J2kz)主要发育曲流河三角洲-湖泊沉积体系，以砂岩、粉砂岩与暗色泥岩及煤层互层为特征；中侏罗统恰克马克组(J2q)以广泛发育的浅湖沉积为主，主要为灰绿色泥岩夹薄层粉砂岩，泥岩颜色的变化反映气候由暖湿逐渐向干热过渡；上侏罗统齐古组(J3q)主要为一套红褐色三角洲-浅湖沉积，红褐色泥岩反映库车拗陷已完全进入干热气候条件[33]。大量岩矿分析结果表明，库车拗陷侏罗系物源复杂，囊括了变质岩、火山岩及沉积岩母岩[4,23,34-35]。

图1 研究区位置图Fig.1 Tectonic location and simplified geological map in the study area (A)库车拗陷构造单元分区(据王招明[21]修改)； (B)天山地区构造背景、取样点及地震剖面位置(据高俊等[22]、李双建等[23]修改)

2 碎屑组分特征及演化

本次用于碎屑组分分析的样品主要来源于克拉苏河、米斯布拉克、黑英山、库车河、克孜勒努尔沟、吐格尔明30团、吐格尔明29团等野外剖面及塔里木油田侏罗系钻井岩心，其中米斯布拉克、克孜勒努尔沟及吐格尔明30团剖面地层出露相对连续，因此作为重点剖面进行了系统密集采样和分析。

库车拗陷侏罗系主要发育岩屑砂岩及长石岩屑砂岩[4,20]，长石含量总体较高，碎屑中常见中-低级变质岩、陆源碎屑岩、花岗岩及花岗片麻岩、黑云母等，局部富含碳酸盐岩屑，成分成熟度较低[4]，总体反映近源搬运、快速堆积的搬运-沉积历史。岩石薄片和阴极发光分析结果表明，库车拗陷侏罗系砂岩中长石遭受了不同程度的溶蚀和蚀变，其现今石英(Q)、长石(F)、岩屑(R)的含量已不能代表原始物质组成中Q、F、R的相对含量，故不宜用于物源分析；而溶蚀作用对砂岩中石英阴极发光特征和重矿物组合特征影响较小，因此本次研究主要根据砂岩中重矿物特征及石英阴极发光特征对母岩性质及物源演化进行分析。

重矿物在砂岩中含量虽然不高，但对指示母岩类型具有特殊意义[36-38]。花岗岩母岩风化产物富含榍石及锆石，绿帘石、绿泥石及石榴石等重矿物主要来自变质岩母岩风化作用，沉积岩母岩风化产物则可能具有相对较高的锆石、电气石和金红石含量[39-41]。库车拗陷侏罗系砂岩中重矿物以石榴石、锆石、磁铁矿、白钛矿及赤褐铁矿为主，电气石、金红石、绿泥石及绿帘石含量一般较低(图2)。侏罗系不同层位石榴石平均摩尔分数(x)一般为13.8%～31.0%，有自下而上逐渐升高的趋势；锆石平均摩尔分数为8.5%～29.0%，下侏罗统含量较高；电气石平均摩尔分数为1.9%～6.9%；磁铁矿平均摩尔分数差别较大，为4.7%～37.9%；赤褐铁矿平均摩尔分数差别也较大，为3.4%～20.7%；下-中侏罗统白钛矿平均摩尔分数较高，一般为21.3%～26.0%，但恰克马克组白钛矿平均摩尔分数仅6.9%(表1)。大量重矿物分析结果表明库车拗陷侏罗系物源主要是岩浆岩和变质岩母岩，少量是沉积岩母岩。

图2 南天山-库车拗陷地区侏罗系砂岩重矿物特征及石英阴极发光特性对比Fig.2 Comparison of the Jurassic heavy minerals from sandstone and quartz cathodoluminescence characteristics in the southern Tianshan-Kuqa Depression area

表1 库车拗陷侏罗系重矿物平均含量(摩尔分数/%)Table 1 Average mole fraction of Jurassic heavy minerals from Kuqa Depression

不同来源的石英具有不同的发光特性，来自深成岩的石英通常发蓝色或蓝紫色光、变质岩母岩来源的石英主要发褐色或棕褐色光、沉积岩母岩来源的石英大部分不发光[42-44]，因此根据石英阴极发光特征追溯母岩性质是一种可靠的方法[45]。本次研究主要采用计点法对视域中不同阴极发光性的石英数量进行了统计，结果显示库车拗陷侏罗系砂岩中碎屑石英主要发蓝色-蓝紫色光或棕色-棕褐色光，少量石英不发光(图2)。石英的阴极发光特性印证了库车拗陷侏罗系陆源碎屑主要来自岩浆岩和变质岩母岩、少量来自沉积岩母岩的认识，与基于岩石薄片分析和重矿物分析得出的结论一致。

侏罗系沉积前库车拗陷遭受强烈抬升和剥蚀[32]，元古界-三叠系所有地层均能向侏罗系提供物源。南天山地区地层由老到新依次发育变质岩-碳酸盐岩-岩浆岩-陆源碎屑岩，理论上物源区母岩剥蚀序列依次为陆源碎屑岩-岩浆岩-碳酸盐岩-变质岩，即：在库车拗陷区最先沉积来自陆源碎屑岩的碎屑组分，然后沉积来自岩浆岩的碎屑组分，最后沉积来自变质岩的碎屑物质。

通过对库车拗陷北部山前带米斯布拉克、克孜勒努尔沟及吐格尔明30团3条野外剖面侏罗系系统采样、进行重矿物和阴极发光分析，发现侏罗系物源纵向上的演化并未呈现极为规律的变化，自下而上，侏罗系砂岩中阴极发光呈褐色-棕褐色的石英与蓝色-蓝紫色的石英相对含量出现多次此消彼长的变化趋势，但不发光的石英主要出现在阿合组及阳霞组(图2)。

侏罗系重矿物组合的变化也呈现出类似的特征。其中米斯布拉克剖面、克孜勒努尔沟剖面阿合组中部、阳霞组中部及恰克马克组下部均出现了多次磁铁矿及白钛矿异常增多的现象；吐格尔明30团剖面阿合组中部、阳霞组下部及恰克马克组下部亦有磁铁矿及白钛矿异常增多的特征(图2)，库车拗陷侏罗系砂岩中重矿物组合的这一纵向变化趋势表明，当时母岩区有大量较新的火山岩被不断卷入造山带并提供物源。

3 古水流特征

古水流体系是源-渠-汇系统中重要的环节，古水流体系的恢复主要涵盖古河流流向和影响范围两个方面。古流向主要可以根据指向构造及地震反射特征进行恢复，而古河流的影响范围则可以通过盆地内沉积的碎屑组分特征加以确定。

前积纹层倾向通常是判断古流向最好的标志。从前人的研究和本次野外剖面观察的结果来看，库车拗陷北部山前带野外剖面侏罗系砂、砾岩中前积纹层较为少见，但不同规模的槽状交错层理及侧积交错层理大量发育(图3)，主要为古河道侧向迁移的产物，侧积纹层倾向通常垂直于河流流向[46]。

克拉苏河剖面，克孜勒努尔组发育中型侧积层理及槽状交错层理。侧积层理顶部通常被代表高能水动力环境的平行层理切割(图3-A)；槽状交错层理“U”形槽切割明显，为多期水道砂体冲刷而成，单期水道砂体内部可见“S”形侧积纹层(图3-B)。从侧积层理及槽状交错层理产状判断，克拉苏河地区克孜勒努尔组沉积时期古河道主要沿近南北向展布(图4)。

米斯布拉克剖面阿合组主要为一套含砾粗砂岩及砂质细砾岩，发育大量大型槽状交错层理及侧积层理(图3-C)；阳霞组砂岩粒度稍细，发育小型槽状交错层理(图3-D)。该剖面侏罗系地层倾角为80°以上，根据地层走向及露头上出露的层理和纹层特征判断，该区早侏罗世河流主要呈近南北向展布(图4)。

库车河剖面，克孜勒努尔组及阿合组砂岩中主要发育中型槽状交错层理(图3-E)，局部可见下切水道，根据水道延伸方向确定早-中侏罗世该地区河流主要沿北东-南西向流动(图4)。

克孜勒努尔沟剖面，阿合组砂岩中发育侧积形成的大型板状交错层理(图3-F)，阳霞组砂岩中可见前积纹层(图3-G)。该剖面地层产状近于直立，根据阿合组中发育的槽状交错层理中的侧积纹层倾向，结合阳霞组砂岩内部发育的前积纹层，推测其古水流为自北向南流动(图4)。

吐格尔明30团剖面，阿合组厚层砂岩中发育大型侧积交错层理(图3-H)及槽状交错层理(图3-I)，恰克马克组及齐古组内部发育槽状交错层理(图3-J)，从露头层理及纹层特征判断，吐格尔明30团侏罗系沉积时期河流主要呈北西-南东向—北东-南西向延伸(图4)。

吐格尔明29团剖面，阳霞组砂、砾岩中发育大量的小型-大型槽状交错层理(图3-K)，露头大多垂直或斜交于古水流方向，“U”形槽(同期河道砂体)内部可见明显的侧积现象(图3-L)，据此推测阳霞组沉积时期吐格尔明29团附近河流主要呈近南北向或北西-南东向流动(图4)。

图3 南天山山前带侏罗系指向构造特征Fig.3 The characteristics of Jurassic directional structures in the southern Tianshan piedmont (A)含砾粗砂岩，发育中型侧积层理，侧积层理顶部被代表高能水动力环境的平行层理切割，克拉苏河剖面,J2kz; (B) 含砾粗砂岩，可见“S”形侧积纹层，克拉苏河剖面,J2kz; (C)含砾粗砂岩及砂质细砾岩，发育大型槽状交错层理，米斯布拉克剖面,J1a; (D)细砂岩，发育小型槽状交错层理，米斯布拉克剖面,J1y; (E)含砾粗砂岩及砂质细砾岩，发育中型槽状交错层理，库车河剖面,J1a; (F)含砾粗砂岩，发育大型板状交错层理，克孜勒努尔沟剖面,J1a; (G)细砂岩，发育前积纹层，克孜勒努尔沟剖面,J1y; (H)含砾粗砂岩，发育大型侧积交错层理，吐格尔明30团剖面,J1a; (I)含砾粗砂岩，发育大型槽状交错层理，吐格尔明30团剖面,J1a; (J)中砂岩，发育槽状交错层理，吐格尔明30团剖面, J2q和J3q; (K)含砾粗砂岩及砂质细砾岩，发育大型槽状交错层理，吐格尔明29团,J1y; (L)含砾粗砂岩，“U” 形槽(同期河道砂体)内部可见明显的侧积现象，吐格尔明29团, J1y

通过对迪北三维地震资料解释，在侏罗系内部识别出多期近南北向展布的古河道，结合侏罗系地层主要向北或北东向上超的特征(图4)，可作为该区侏罗纪古水流呈近南北向流动的佐证[4]。

图4 库车拗陷侏罗系古流向剖面变化特征(据沉积构造确定)Fig.4 The characteristics of profile variation of Jurassic paleocurrent in Kuqa Depression

4 讨论

4.1 古水流体系分析

按照源-渠-汇理论，地表径流流经不同物源区，所携沉积物必然具有表征母岩性质的岩矿组合(图5)，因此，综合重矿物、岩屑组合及阴极发光分析成果、古流向等可对古水流体系(流域)进行恢复，并已在现代河流及三角洲沉积物中得到验证[3]。

图5 母岩区-水系-拗陷带“源-渠-汇”模式图Fig.5 The model showing the “source-river and canal-sink” of the water system-depression zone in the parent rock area

本次研究，主要根据南天山山前带-库车拗陷侏罗系不同沉积时期重矿物组合特征、石英阴极发光特征，结合古流向平面变化特征，对南天山山前带-库车拗陷侏罗纪古水流体系进行恢复，结果表明当时该区域至少存在4～5个相对独立的水流体系(或者称之为“流域”)。不同沉积时期，古水流流经的区域和影响的范围存在明显的差异。

阿合组沉积时期，迪探1井以东的库车拗陷东部地区，至少存在4个古水流体系，即至少存在4条相对独立的主要河流并各自发育三角洲沉积体系(重矿物组合和石英阴极发光特征明显不同)，而迪探1井以西的拗陷区可能受同一水流体系影响(具有相似的重矿物组合和石英阴极发光特征)，反映这一时期南天山东段构造活动较为频繁且强烈，造就了多个相对独立的水系，而南天山西段构造相对稳定、地形平缓，水流体系相对单一(图6-A)。

阳霞组沉积时期，库车河以东的拗陷地区，可划分出至少3个相对独立的物源-水流系统。其中库车河-克孜勒努尔沟一带、克孜1井-吐格尔明30团、吐格尔明29团-吐东2井一带各自受控于相对独立的河流体系，克拉苏河-米斯布拉克一带则为另一河流体系控制(图6-B)。需要说明的是，吐格尔明29团剖面阳霞组以发育大量含砾粗砂岩及砂质细砾岩而明显有别于其西侧4.5 km处30团剖面阳霞组特征(30团阳霞组主要发育细-粗砂岩)，因此可以确定该时期29团与30团的位置分别受不同水流体系控制。从该沉积时期古水流体系的分布特征来看，阳霞组沉积时期南天山东段构造活动仍然强于西段，但天山构造抬升有逐渐向西迁移的特征。

克孜勒努尔组沉积时期，南天山山前带-库车拗陷总体继承了阳霞组沉积时期古水流体系的特征(图6-C)，但吐格尔明29团阳霞组的岩矿组分所反映的古水流明显异于邻区，推测该时期吐格尔明29团所在物源区发生过强烈构造活动，导致物源-水系-沉积物系统发生重大变迁。

图6 侏罗纪南天山-库车拗陷古水流体系分布图Fig.6 Distribution map of Jurassic paleocurrent system in southern Tianshan and Kuqa depression

4.2 构造演化分析

金红石、锆石、电气石3种矿物占透明重矿物的比率，常作为重矿物稳定系数(即ZTR指数)，用来表示重矿物的成熟度[47-48]，因此ZTR指数可以作为指示沉积物搬运距离的指标。库车拗陷侏罗系砂岩ZTR指数一般较低，总体反映较短的搬运距离和沉积历史。

从指向构造发育情况来看，米斯布拉克、克孜勒努尔沟及吐格尔明30团3条野外剖面侏罗系物源较为稳定，即主要来自其北部南天山山脉的岩浆岩和变质岩。假使物源区构造稳定，由于河流的溯源侵蚀，沉积物搬运距离将不断加大，理论上将导致盆地内沉积物ZTR指数逐渐升高。而大量重矿物分析结果表明：库车拗陷侏罗系砂岩ZTR指数自下而上出现了多次明显的降低，显然为强烈的构造挤压导致母岩的快速剥蚀和母岩风化产物搬运距离缩短所致(图2)。

吐格尔明30团阿合组底部砂岩ZTR指数较上三叠统塔里奇克组砂岩有明显降低，表明其所对应的南天山地区在早侏罗世初发生了强烈的构造活动，阳霞组沉积中期、克孜勒努尔组及恰克马克组沉积时期再次发生多期强烈构造活动；克孜勒努尔沟塔里奇克组砂岩较低的ZTR指数表明晚三叠世该区所对应的南天山物源区构造活动强烈，但阿合组下部较高的ZTR指数表明早侏罗世初期其物源区构造相对稳定、ZTR指数有逐渐升高的趋势，阿合组沉积中期、阳霞组及恰克马克组沉积时期亦有构造活动的指示；米斯布拉克剖面下-中侏罗统砂岩中ZTR指数总体呈由高变低、复变高的趋势，表明其物源区先后经历了相对稳定-构造活跃-相对稳定的演化过程，ZTR指数纵向上的变化特征指示早-中侏罗世其物源区发生过多期强烈的构造挤压和抬升(图2)，反映南天山山前带-库车拗陷侏罗系物源区表现为由北向南、由远及近的迁移趋势[49]。

中生代以来天山主要存在4期隆升，即：T3-J1小范围隆升、J3-K1大范围隆升、K2-E2小范围隆升、N1-Q全面隆升[49]，天山南、北构造隆升时间存在明显的差异[50]。前人大多认为南天山在早-中侏罗世构造相对稳定[17-18,23,49-57]，南天山造山带在新近纪出现东、西差异隆升[57]；而最新研究表明南天山造山带侏罗纪构造隆升即已明显具有东、西分异的特点[4]。

从重矿物组合、石英阴极发光特征及ZTR指数的纵向演化特征来看，侏罗纪特别是早-中侏罗世南天山构造并不稳定，先后发生了多期强烈的构造挤压和隆升。同时，南天山山前带不同位置ZTR指数及岩矿组合变化趋势的不同步，表明南天山构造活动具有明显的分段性，构造活动具有明显的东早、西晚的特点。库车河剖面侏罗系-白垩系自下而上古流向呈现逆时针旋转的特点，暗示南天山的隆升具有自东向西逐渐过渡的特征[50]。根据二维地震资料解释的4条近横跨库车拗陷的南北向构造演化剖面显示：剖面1(吐格尔明-阳霞-牙哈构造带)、剖面2(迪北-东秋-牙哈构造带)及剖面3(克拉苏-西秋东构造带)在侏罗系沉积前即已进入强烈的挤压背景(图7-A、B、C)，而剖面4(克拉苏-西秋-英买构造带[58])在侏罗系沉积前、甚至到古近系库姆格列木群沉积期仍处于拉张背景(图7-D)，表明中生代库车拗陷南北向的构造挤压具有东早西晚的特点，南天山东段隆升时间早、西段隆升时间晚，南天山构造隆升的分段性控制了物源及古水流体系的分带性。

图7 南天山山前带-库车拗陷中、东部剖面构造演化特征Fig.7 Profile showing structural evolution characteristics in the middle and eastern sections of south Tianshan piedmont and Kuqa Depression剖面位置见图1