新疆昌吉南部侏罗系头屯河组物源与沉积环境分析

罗居德，刘云华，夏昭德，汪帮耀，范媛媛

长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 710054

0 前言

准噶尔盆地是中国西北地区典型的再生前陆盆地，油气资源丰富，具有良好的勘探前景，其中侏罗系头屯河组是重要的含油气层系［1-4］.许多学者对准南侏罗系地层的沉积相进行了大量研究并取得巨大成果，普遍认为侏罗系主要发育河流相、三角洲相、湖泊相及少量的冲积相［5-13］.前人研究表明头屯河组在准噶尔盆地广泛分布，沉积相丰富，沉积体系多样：东部主要发育辫状河三角洲相、辫状河相、湖泊相［11，14-18］；中部2、4区块发育曲流河相-曲流河三角洲相-湖泊相沉积体系［19-20］；腹部石南地区发育辫状河三角洲相［21-22］；南缘发育辫状河相、曲流河相、辫状河三角洲相、扇三角洲相、湖泊相等［7-8，10-11，23-27］.

前人虽对准噶尔盆地头屯河组进行大量研究，但多数研究成果的空间范围与时间尺度较大，或针对单一的沉积特征进行论述，加之陆相沉积横向变化大，三屯河至呼图壁河一带头屯河组沉积相研究较少.因此，笔者通过野外数条路线与实测剖面，结合粒度分析方法，确定三屯河至呼图壁河一带的头屯河组沉积相，并通过C、O同位素数据确定成岩环境，运用多碎屑三角端元分析法，结合碎屑锆石年代学研究讨论沉积物源，以期为区域油气勘查工作提供参考.

1 区域地质概述

1.1 区域地质背景

新疆昌吉南部地区位于准噶尔盆地南缘（图1），东部为阜康凹陷与阜康断裂带，西部为四棵树凹陷，发育于北天山山前冲断带（图1a）.早泥盆世至晚石炭世，南天山洋向北俯冲导致塔里木克拉通与伊犁克拉通发生由东向西的剪刀式碰撞；北天山洋向南俯冲，北天山岛弧与伊犁-中天山在晚石炭世发生碰撞，碰撞后，天山开始转变为碰撞后伸展环境，准噶尔盆地在此伸展环境下，进入陆缘裂陷盆地阶段［28-29］；中生代时期，准噶尔盆地全面进入陆内拗陷阶段［6，30-34］，三叠纪—早侏罗世，天山遭受强烈侵蚀进入准平原化，为准南侏罗纪沉积提供了良好的物源［34-36］.现今的准南主要受新生代印度-欧亚板块碰撞的影响，天山强烈隆起，在准南发育从南到北的三排背斜带，形成再生前陆盆地［31，36-41］.

图1 研究区实测地质简图及大地构造位置Fig.1 Surveyed geological map and tectonic location of the study area

1.2 地层剖面描述

头屯河组（J2t）位于PM6剖面中部（图1b），三屯河以西，呼图壁河以东.剖面总方位25°，起点坐标：X＝15483681，Y＝4840882；终点坐标：X＝15485575，Y＝4845383.剖面长度5 495 m，头屯河组总厚为782.1 m.研究区头屯河组与上覆地层齐古组（J3q）、下伏地层西山窑组（J2x）均呈整合接触关系（图2）.剖面叙述如下.

图2 中侏罗统头屯河组剖面图Fig.2 Profile of Middle Jurassic Toutunhe Formation

2 沉积相标志

2.1 岩性标志

新疆昌吉南部地区头屯河组主要岩石组合为一套稳定的青灰色、灰绿色粉砂岩-砂岩-含砾砂岩-砾岩和紫红色、红褐色、灰绿色粉砂质泥岩为主的岩石组合，由底到顶整体变细，局部变粗.偶见薄层状膏盐（出露宽度为3～5 mm）.部分含砾砂岩和砾岩为灰白色，砂岩为黄绿色.砾岩中砾石多呈次圆状—次棱角状，分选差，最大粒径为30 mm，最小为2 mm，砾石由底到顶粒径变小，砾岩中发育核膜构造.含砾砂岩中发育大量铁质结核（4～12 mm）.16件砂岩样品岩矿鉴定（图3）显示：剖面中下部为长石砂岩（图4a、b、c），上部为长石岩屑砂岩（图4d、f），岩屑以流纹岩、安山岩为主，少量玄武岩、凝灰岩、千枚岩、细砂岩、黏土岩等，部分砂岩含海绿石；碎屑磨圆整体一般，次棱角状、次圆状均常见；分选整体较好，局部分选一般；填隙物主要为黏土质杂基及硅质、铁质胶结物等，多属颗粒支撑，胶结类型以接触式为主，孔隙式次之.

图3 头屯河组砂岩样品岩性分类三角图（底图据文献［42］）Fig.3 Lithologic classification diagram for sandstone samples of Toutunhe Formation（After Reference［42］）

图4 中侏罗统头屯河组砂岩显微特征（正交偏光）Fig.4 Microphotographs of sandstones from Middle Jurassic Toutunhe Formation（under cross-polarized light）

2.2 颜色标志

研究区头屯河组的碎屑岩颜色多为青灰色、灰绿色、紫红色、红褐色等.剖面下部以青灰色、灰绿色为主，推测这一阶段沉积物长时间处于弱氧化弱还原环境；剖面上部为红褐色、紫红色与灰绿色交替出现，反映湖水升降频繁.

2.3 原生沉积构造标志

研究区头屯河组常见的沉积构造有平行层理、水平层理、交错层理、楔状层理、波状层理和冲刷面等.

（1）冲刷面构造（图5f）.冲刷面主要出现在水下分流河道微相中，头屯河组砂岩表面的凹坑被细小的砾石充填形成冲刷面.

（2）层理构造

平行层理：常发育在头屯河组砂岩中，形成于平坦层面、急流高能环境.

水平层理（图5e）：常发育于头屯河组粉砂岩、泥岩中，一般形成于稳定的水动力条件.

交错层理（图5a、b）：在区头屯河组砂岩、粉砂岩中广泛发育，层理内部的细纹层之间相互交错或者切割，并与层面相切.一般形成于单向流动、能量较低的介质环境中.

楔形层理（图5c）：单层砂岩呈楔状，细纹层相互交错，形成楔形层理，常见于头屯河组砂岩中.

斜层理（图5d）：常发育在头屯河组细砂岩中，一般形成在单向流动的搬运介质中，沉积物单向堆积而形成与层面斜交的层理.

图5 头屯河组典型沉积构造Fig.5 Typical sedimentary structures of Toutunhe Formation

波状层理：头屯河组砂岩中可见，但剖面中出现较少，其特点是单层内部细纹层呈波状起伏，波状纹层呈断续近平行排列.一般形成于震荡的流动介质中，导致沉积物呈波状堆积.

2.4 粒度分布标志

样品采集位置见图2，样品编号对应相应的层位.粒度分析方法采用岩石薄片粒度图像分析，得出粒度参数（表1）和粒度曲线（图6）.

图6 昌吉地区头屯河组砂岩粒度曲线图Fig.6 Granularity curves for sandstones of Toutunhe Formation in Changji area

表1 头屯河组砂岩粒度参数表Table 1 Grain size parameters for sandstones of Toutunhe Formation

标准偏差（σ1）可表示沉积物分选程度，依据前人标准［42］，样品σ1范围在0.46～0.64之间，总体来看分选较好；偏态（SK1）可以判别粒度分布的不对称程度，除VI-78-1b号样品偏度为-0.11的负偏态外，其余均处在0.1～0.14之间的正偏态，表明粗组分沉积物偏多；峰度（KG）是衡量粒度频率曲线尖锐程度的指标，样品峰度在1～1.33之间，其尖锐程度处于中等—尖锐之间；砂岩样品频率曲线多呈多峰不对称曲线；概率值累计曲线以跳跃和悬浮总体为主，其中跳跃次总体占主体；C值代表了水动力开始搬运沉积物的最大能量，变化范围在140.1～1 609μm；M值代表了平均能量，为74.5～741.5μm，水动力由底到顶整体呈变弱趋势，局部变强.综合分析粒度参数认为样品以河砂为主，显示河流沉积环境，仅VI-113-1b显示为滨湖砂特征.

3 沉积相类型与特征

通过野外路线观察与实测剖面资料（图7），综合分析头屯河组相标志，认为新疆昌吉南部地区头屯河组主要发育辫状河三角洲前缘亚相以及滨浅湖亚相，具体微相特征如下.

图7 昌吉地区头屯河组柱状图Fig.7 Lithological column of Toutunhe Formation in Changji area

3.1 水下分流河道微相

此相为辫状河三角洲前缘沉积的主体，约占剖面厚度的43.37%.主要岩性为灰白色、浅青灰色、灰绿色砾岩，含砾砂岩，中、粗砂岩，细砂岩次之，常呈下粗上细的韵律层.砂岩填隙物中杂基含量极少，多呈颗粒支撑结构.地层以中厚层状为主，薄层少见，交错层理最为发育，也可见平行层理、波状层理及冲刷面等构造.

3.2 分流河道间微相

该微相发育于水下分流河道之间，沉积物较细，水动力条件相对较弱，约占剖面厚度的18.64%.主要岩性为黄绿色-青灰色粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩以及少量中、细砂岩.水平层理、平行层理、斜层理较为发育.地层以中薄层状为主，厚层状较少，可见透镜状砂岩，是受水下分流河道改道侵蚀而成.

3.3 滨浅湖亚相

滨湖沉积位于湖盆边缘，接近水面，氧化作用强烈；浅湖沉积水位较滨湖沉积深，沉积环境处于弱氧化—弱还原环境.发育于剖面99—104、112—120层，约占剖面厚度的37.99%.主要岩性为紫红色-红褐色粉砂质泥岩、砂岩，以及浅灰绿色-灰绿色-黄绿色含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩等，水平层理、交错层理发育.地层以中厚层状为主，薄层极少见.

4 成岩环境与物源

4.1 成岩环境分析

对研究区头屯河组砂岩中5件样品做了C、O同位素分析（表2）.除Ⅵ-98-1b样品未检测到碳酸盐外，其余样品13CV-PDB值均在-9‰～-17.3‰之间，平均-13.275‰；18OV-PDB值均在-14.2‰～-16.2‰之间，平均-15.425‰；18OV-SMOW值均在-14.2‰～-16.3‰之间，平均-15.05‰.数据整体规律性不强.

表2 头屯河组砂岩C、O同位素分析Table 2 C and O isotope analysis of sandstones from Toutunhe Formation

依据Keith等［43］提出的古盐度计算公式，得出头屯河组样品中古盐度Z值为83.802～101.7964，平均92.431，且均小于120，认为砂岩样品形成于受大气淡水影响的成岩环境.将样品Z值与13CV-PDB值投点于图8，结果表明二者相关性很高：13CV-PDB越高，古盐度越高.

图8 13CV-PDB-Z值与成岩环境的关系（底图据文献［46］）Fig.8 Relationship between 13CV-PDB-Z value and diagenetic environment（After Reference［46］）

运用Shackleton等［44］提出的古温度公式，通常假定古海水的O同位素组成与现代海水相同，δ18OV-SMOW＝0，得出埋深压实的成岩温度范围为99.26～114.1℃，平均108.310℃.前人得出北天山山前拗陷的地温梯度平均为17.1℃/km［45］，按地表温度25℃计算，埋深在4.34～5.23 km之间，平均4.87 km.

4.2 物源分析

前人提出通过多碎屑矿物作Dickinson图解来判别物源区构造背景［47-48］，此前也有许多学者将此方法运用到准噶尔盆地沉积地层中［49-51］.笔者统计研究区内16件砂岩样品中碎屑颗粒，并作多碎屑矿物三角图（图9）.结果表明区内砂岩成分成熟度较低，长石与岩屑含量高，其中以火山岩在岩屑中占比最大；石英含量不高，以单晶为主，多晶石英含量普遍很低，碎屑成分三角图显示头屯河组物源主要为隆升基底、岛弧造山带.Qm-F-Lt三角图显示，104、109、112、113层位的样品岩屑含量增加，致使物源显示为混合物源区.

图9 新疆昌吉南部头屯河组砂岩碎屑组分与物源类型三角图解（底图据文献［46-48］）Fig.9 Triangle diagrams of sandstone detrital components and source types of Toutunhe Formation in southern Changji，Xinjiang（After References［46-48］）

5 讨论

侏罗纪时期，准噶尔盆地处于陆内拗陷阶段，天山山脉已被剥蚀到一个较低的高度，天山及准南的构造活动较为平稳或减弱.三叠纪至早侏罗世，天山遭受强烈侵蚀进入准平原化，为南北麓盆地提供了良好的物源［30-36，52］.前人通过大量研究表明，准南在头屯河沉积时期古水流方向绝大多数由南向北［8，24，28，39，53］，佐证了天山为准南重要的物源区.再结合Dickinson图解推测物源可能是天山中部3种源岩：晚石炭世碰撞后火山岩、与俯冲有关的岩浆岩和基底岩系、晚泥盆世和晚石炭世与俯冲有关的岛弧火山岩［28］.

准南早—中侏罗世处于温暖湿润气候［5-6］，研究区头屯河组剖面下部发育青灰色、灰绿色粉砂岩、砂岩、含砾砂岩、砾岩，上部交替出现紫红色、红褐色粉砂质泥岩等，表明头屯河组沉积期保持温暖湿润气候，在后期显示为干旱与温暖湿润气候交替出现［8］.晚侏罗世开始气候逐渐干旱［6］.研究区头屯河组发育辫状河三角洲相-滨湖亚相-浅湖亚相的沉积体系［7，9］.在头屯河组早期，气候条件较为干旱，研究区整体上发育辫状河三角洲相［8，23］，其中以水下分流河道微相最为发育.头屯河组中期，研究区发生较小的湖水上侵，致使沉积相由三角洲相向滨浅湖亚相转变.头屯河组晚期该地区发生大范围的湖水下降与上侵事件［11］，导致研究区辫状河三角洲相与湖泊相交替出现，并在末期最终形成了广泛的湖泊相.

新疆昌吉南部地区沉积相的演化受多种因素影响，从研究区侏罗系各组地层特征来看，八道湾组沉积时期，岩石颜色主要呈青灰色和灰绿色；三工河组沉积时期，岩石颜色呈青灰色、灰绿色以及土黄色等，反映侏罗世早期准南发生大规模的湖侵，气候湿润［6-7，13］；西山窑组岩石颜色则逐渐偏向红褐色、砖红色、浅红色，且含黑色煤层，部分泥质岩和砂岩为灰绿色、白色等，但整体颜色为红色调；而头屯河组岩石颜色以青灰色、灰绿色和紫红色、红褐色为主，表明中侏罗世是湖退期，是气候由湿润转向干旱的过渡阶段［6］；齐古组地层则可分为上、下两段，下段红绿相间，主要为紫红色、泥质岩、灰绿色粉砂质岩以及浅灰绿色砂岩，上段主要为砖红色、紫红色粉砂质泥岩、泥质岩、细砂岩以及灰绿色粉砂岩和浅灰绿色砂岩；喀拉扎组的岩石则又逐渐以浅灰绿色砾岩为主，显示的沉积环境为干旱型冲积扇相［5］.整体来看，侏罗系沉积环境逐渐由干旱型气候转变为潮湿型后又变为干旱型，基准面经历了低—高—低的变化，对应的湖平面先涨后降［5-6，11，13］.

6 结论

（1）侏罗系头屯河组主要发育辫状河三角洲前缘亚相以及滨浅湖亚相，三角洲相还可以细分出水下分流河道、分流河道间两个微相，具有辫状河三角洲相-滨湖亚相-浅湖亚相的沉积相沉积体系.头屯河组沉积期气候向温暖湿润发展，并在后期显示为干旱与温暖湿润气候交替出现，该时期发生多次湖水上侵及下降的变化，导致三角洲相与湖泊相交替出现.

（2）研究区头屯河组砂岩主要形成于大气淡水成岩环境，并埋深在4.34～5.23 km之间成岩.

（3）头屯河组物源主要来自隆升基底、岛弧造山带，具体由天山中部晚泥盆世和晚石炭世碰撞后火山岩、与俯冲有关的岩浆岩和基底岩、岛弧火山岩组成.