东天山博格达地区石炭系构造-地层划分及成盆背景分析

2022-10-26何登发侯烁钦孙天鸽

现代地质 2022年5期

樊丹,李涤,何登发,侯烁钦,孙天鸽,杨浩,甄宇

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083;2.海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083)

0 引言

中亚造山带(CAOB)是全球规模最大的显生宙增生造山带，是在古亚洲洋俯冲、消减、闭合过程中由大量增生杂岩、岩浆弧、弧相关盆地、蛇绿岩、海山以及大陆碎片等构成的复杂拼贴体[1]。天山造山带位于中亚造山带南部，记录了古亚洲洋演化与最终消亡历史，被认为是认识中亚造山带结构演化、理解增生造山作用方式和过程的最佳选区[2-5]。石炭纪是天山地区构造古地理格局演变的关键转折期，该时期古亚洲洋及分支洋盆相继闭合，以岛弧-盆地系统的发育拼合以及广泛沉积地层与岩浆活动为特征[6-9]。尽管目前在天山地区石炭纪构造演化特征及构造古地理格局研究方面取得了显著进展，但有关东天山石炭纪弧-盆系统演化尚未达成共识，尤其对于博格达山石炭纪构造属性及其演化阶段始终存在争议[10-11]。一些学者基于钙碱性中-基性岩浆岩的存在提出博格达山为石炭纪岛弧，是卡拉麦里洋或北天山洋向吐哈地体之下俯冲的结果[9, 12-15]；另一些学者则强调博格达山发育石炭纪双峰式火山岩，从而认为其为板片俯冲或地幔柱相关裂谷盆地[16-17]。此外，目前有关博格达石炭纪裂谷盆地演化历程尚不明确，形成了持续[18]、幕式[19]活动或多阶段[20-22]演化等差异认识。上述分歧导致了对天山地区石炭纪构造古地理格局和增生造山过程的不同理解，同时也影响了博格达山相邻盆地深层油气地质条件的评价。

博格达山石炭系受到后期构造活动的多次改造，其原始地层及相关构造遭受了不同程度的破坏或肢解，形成了现今复杂的地质结构，仅立足于露头区的结构构造研究较为困难；相比之下，博格达山相邻两侧的准噶尔盆地和吐哈盆地石炭系地质记录则保存相对完好。以往对于博格达山石炭纪构造研究主要借助于露头区岩浆岩分析，始终缺乏相邻盆地地质约束以及盆-山相结合的整体性认识。近年来，随着野外地质调查和深层油气勘探工作的深入开展，相继在博格达地区建立了石炭系露头和钻井地层序列[23-25]，并在准噶尔盆地和吐哈盆地完成了多条高精度地震剖面的采集，为整体认识博格达地区石炭纪构造-沉积格局的演替提供了重要基础。本文综合利用露头和最新钻井、地震资料及相关年代学统计结果，在建立博格达山及两侧盆地年代地层序列的基础上，通过开展盆地地质结构刻画、盆-山尺度地层格架对比来厘定石炭系主要不整合面，并结合岩浆时空分布特征，划分构造-地层层序，从而揭示博格达地区石炭纪盆地演化阶段；结合不同时期构造沉降特征和岩浆岩成因来探讨博格达地区石炭纪成盆背景，为进一步明确博格达地区石炭纪构造属性及演化阶段提供新的依据。

1 区域地质概况

天山造山带位于中亚造山带南缘，夹持于塔里木克拉通和准噶尔地体之间。沿乌鲁木齐—库尔勒公路(乌库公路)可将其划分为西天山和东天山两个部分。东天山主体由吐哈地体构成，其南、北分别以北天山和卡拉麦里缝合带为界与中天山地体和野马泉地体相接。吐哈地体通常被认为是具有前寒武纪古老基底的陆块[26]，可能与准噶尔地体共同作为哈萨克斯坦板块的一部分，但也有学者认为吐哈地体主要由新生地壳构成[9]。该地体之上大部分地区被吐哈盆地所覆盖，其盆地周缘广泛分布石炭纪地层及岩浆岩。沿北天山和卡拉麦里缝合带均有石炭纪蛇绿混杂岩发育，其形成时代分别为344～325 Ma[27-28]和351～330 Ma[29-30]，表明吐哈地体南北两侧洋盆至少在早石炭世仍然存在。最新研究结果表明卡拉麦里洋和北天山洋可能分别闭合于石炭纪中期(330～320 Ma)[31]和晚石炭世晚期(310～302 Ma)[31]。

图1 中亚造山带构造纲要图[8,23](a)和东天山地区主要构造单元[8](b)(岩浆岩年龄数据来自文献[8]及其统计结果)Fig.1 Tectonic outline of the Central Asian Orogenic Belt[8,23] (a) and major tectonic units in the East Tianshan area[8](b)(age data of the magmatic rocks from ref.[8])

博格达山位于东天山北部，夹持于准噶尔盆地和吐哈盆地之间，大致以恰勒坎地区为界分为东、西两段。博格达山南北两侧的盆-山过渡位置均表现为向盆地方向的逆冲推覆构造[32-33]，该山脉主体出露石炭系海相火山-沉积岩系，自下而上包括下石炭统七角井组(C1q)、上石炭统柳树沟组(C2l)、祁家沟组(C2qj)和奥尔吐组(C2ao)。下石炭统七角井组为一套浅海-滨海相火山-碎屑岩建造，上石炭统柳树沟组是由玄武岩、流纹岩、凝灰质砂岩夹灰岩组成的一套浅海-滨海相火山-碎屑岩建造[34-35]。博格达山石炭系经历强烈的构造变形，总体表现为冲断褶皱特征，其上被二叠系地层不整合覆盖[8,15]。此外，博格达山石炭纪岩浆活动强烈，除地层中大量火山岩外[6,33,36]，还发育一些中基性岩脉和花岗岩侵入体[21,24]。这些岩浆岩主要以钙碱性为主，目前已在博格达山东段七角井和大石头地区识别出342～340 Ma[21]、319 Ma[37]、306 Ma[36]等多期石炭纪双峰式火山岩。

2 博格达山及两侧盆地石炭系地层特征

2.1 博格达山石炭系地层序列

图2 博格达山石炭系年代-地层层序Fig.2 Carboniferous geochrono-stratigraphic sequence of the Bogda Mountain

目前针对博格达山石炭系七角井组、柳树沟组、祁家沟组和奥尔吐组露头地层开展了大量野外地质调查、剖面实测与定年工作[24-34]，为建立博格达山石炭系地层序列提供了重要基础。下石炭统七角井组主要分布在博格达山东段七角井地区，该组总体分为上、下两段。下段为玄武岩、流纹岩夹少量砂岩、凝灰质砂岩的火山岩建造，上段则为厚层砂岩、砂泥岩互层产出的碎屑岩建造。七角井组为一套浅海-滨海相火山-碎屑岩沉积，具典型“下粗上细”岩石序列结构特征(图2)。根据该组底部玄武岩和顶部安山岩锆石U-Pb年龄结果，可将七角井组形成时代约束为347～326 Ma[6,38]。上石炭统柳树沟组与七角井组呈不整合接触[34]，它在整个博格达山分布广泛，其下段为一套浅海相中-酸性火山岩、火山碎屑岩，上段主要为泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等碎屑岩沉积，该组形成时代大致可限定在319～310 Ma[23,37]。此外，柳树沟组碎屑岩与火山岩的发育程度在博格达山东、西两段有所差异，东段以碎屑岩为主，而西段火山熔岩及火山角砾岩则更为发育。上覆祁家沟组整合或不整合覆盖在柳树沟组之上(图2(a))，并与其上的奥尔吐组整合接触(图2(b))。祁家沟组和奥尔吐组在博格达山分布较为广泛，主要沿山脉南北两侧展布。祁家沟组底部发育浅海相碳酸盐岩，向上为滨浅海相砂砾岩、泥质粉砂岩夹少量玄武岩和流纹岩，顶部为大套碳酸盐岩。王银喜等获得流纹岩Rb-Sr同位素年龄为(306.7±2.3) Ma[36]。奥尔吐组主要为一套细粒沉积岩夹薄层灰岩及少量中酸性火山岩，局部地区发育巨厚层粉砂质泥岩，所测得的英安岩和流纹岩形成时代介于305～301 Ma[23,39]。

2.2 准噶尔盆地和吐哈盆地石炭系地层序列

博格达山两侧分别与准噶尔盆地东部隆起和吐哈盆地吐鲁番坳陷相邻。准噶尔盆地东部隆起石炭系地层与其北部卡拉麦里山相一致。前人已在卡拉麦里山建立下石炭统滴水泉组(360～351 Ma)、松喀尔苏组(350～330 Ma)、双井子组(330～320 Ma)和上石炭统巴塔玛依内山组(320～300 Ma)年代地层序列[40]。然而，目前盆地钻井仅钻遇下石炭统松喀尔苏组、双井子组和上石炭统巴塔玛依内山组和石钱滩组(图3)。下石炭统松喀尔苏组在准噶尔盆地家5、阜26、桐3等多口钻井均有钻遇，揭示该组岩性主要为安山岩、玄武岩、火山角砾岩夹凝灰岩，最新测得桐3井安山岩U-Pb年龄为(331.0±4.0) Ma[40]和家5井2 616.3 m安山岩U-Pb年龄为(337.8±3.8) Ma[50]。家1井揭示双井子组具有凝灰质砂岩与凝灰质泥岩互层的特征，而阜24、阜26和城1钻遇的双井子组主要为粉砂岩、泥岩及少量安山岩。何登发等测得城1井双井子组底部安山岩锆石U-Pb年龄为(325.9±4.6) Ma(另文发表)。上石炭统巴塔玛依内山组在东部隆起古城1、城1、吉3301等大量石炭系钻井普遍钻遇，主要为一套安山岩、玄武岩、凝灰岩、火山角砾岩夹少量泥岩和煤层，其中测得的凝灰岩年龄介于316.9～307.7 Ma之间(另文发表)。城1井和古参1井揭示上石炭统石钱滩组为一套砂岩与泥岩互层夹少量流纹岩的火山-沉积序列，其中流纹岩年龄为(300.7±3.0) Ma(另文发表)。综合来看，准噶尔盆地下石炭统松喀尔苏组(338～331 Ma)、双井子组(330～323 Ma)、上石炭统巴塔玛依内山组(317～307 Ma)、石钱滩组(306～300 Ma)等各组的形成时代与卡拉麦里地区相一致[8]。

图3 准噶尔盆地石炭系年代-地层层序(图中火山岩年龄另文发表)Fig.3 Carboniferous stratigraphic sequence for the Junggar Basin

图4 吐哈盆地石炭系年代-地层层序(图中火山岩年龄另文发表)Fig.4 Carboniferous stratigraphic sequence for the Tuha Basin

前人已在吐哈盆地南缘觉罗塔格山建立了下石炭统小热泉子组(348～331 Ma)、雅满苏组(330～323 Ma)和上石炭统白鱼山组(323～320 Ma)、底坎尔组(319～306 Ma)、苏穆克组(305～300 Ma)年代地层序列[35,41]。相比之下，吐哈盆地目前钻遇的石炭系地层主要为下石炭统雅满苏组和上石炭统底坎儿组、苏穆克组(图4)。下石炭统雅满苏组仅在科1井钻遇，岩性以凝灰质砂岩、凝灰岩为主，测得其2 314 m凝灰岩U-Pb年龄为(325.8±2.8) Ma(另文发表)。艾1井底坎尔组下段为凝灰岩、凝灰质砂砾岩夹泥岩，上段岩性主要为灰岩与炭质泥岩互层。鲁南1井揭示底坎尔组下段为凝灰质砂岩夹玄武岩，中段为厚层碳酸盐岩，上段为凝灰质砂岩与凝灰质泥岩互层。孙天鸽测得艾参1井4 154.18 m凝灰质泥岩U-Pb年龄为(316.5±3.0) Ma[51]。艾1井苏穆克组下段为厚层凝灰质砂岩、凝灰质泥岩，上段岩性以凝灰质泥岩、凝灰岩夹凝灰质砂岩为主。鲁南1井揭示苏穆克组为一套凝灰质砂岩与凝灰质泥岩互层。测得艾1井和鲁南1井凝灰岩U-Pb年龄分别为(309.2±2.7) Ma(另文发表)和(303.9±3.8) Ma[51]。这些新的年代学结果显示吐哈盆地石炭系与其南缘觉罗塔格山具有较好的对比关系。

3 博格达地区石炭纪岩浆岩时-空分布特征

博格达地区石炭纪岩浆岩遍布博格达山及其两侧的准噶尔盆地和吐哈盆地，主要以火山喷出岩的形式产出，并伴随发育基性岩脉和少量花岗岩类侵入体(图1(b))。博格达山火山岩包括玄武岩、流纹岩和安山岩，主要分布在博格达山东部大石头、七角井等地区的石炭系七角井组和柳树沟组，岩浆活动的年龄统计结果显示其大致可分为347～326 Ma[6,36,42-43]和319～306 Ma[13,23,37,44-45]两个时期。相比之下，侵入岩大多分布在博格达山西部三个山地区及中部大河沿地区。从目前定年结果来看，辉绿岩和辉长岩岩脉主要形成于333～322 Ma和314～305 Ma[7,46-47]。博格达山两侧的准噶尔盆地和吐哈盆地的石炭系火山岩主要包括安山岩、玄武岩及少量流纹岩(图5和图6)。准噶尔盆地火山岩发育在松喀尔苏组和巴塔玛依内山组，以古城1、城1、阜26和阜24最具代表，它们的形成时代主要为338～331 Ma和317～307 Ma。吐哈盆地火山岩目前主要在艾1、鲁南1和鲁南2井的底坎尔组有所钻遇，时代为319～304 Ma。

总体来看，博格达山及两侧盆地岩浆活动期次具有相似的特征，整体划分为早、晚石炭世两期(图7)。早石炭世岩浆活动在博格达山东段及相邻盆地有相似的形成时代，分别介于347～326 Ma和338～331 Ma之间。晚石炭世岩浆活动在整个博格达地区具有广泛分布、持续发育的特点，博格达山主要集中在319～305 Ma，而准噶尔盆地和吐哈盆地晚石炭世岩浆活动峰期分别为315～310 Ma和310～308 Ma。

4 博格达地区石炭系不整合发育特征

野外地质调查结果显示博格达山石炭系发育柳树沟组与七角井组(C2l/C1q)、祁家沟组与柳树沟组(C2qj/C2l)、二叠系与奥尔吐组(P/C2ao)等多个不整合。柳树沟组与七角井组之间和二叠系与奥尔吐组之间不整合均为角度不整合，而祁家沟组与柳树沟组之间不整合在博格达山东段主要表现为平行不整合特征，向西逐渐过渡为整合接触。

为了明确博格达地区石炭系不整合的发育与分布特征，本文进一步利用盆地钻井和地震资料开展了博格达山两侧盆地石炭系地质结构分析。通过以城1井和科1井地震合成记录和井震层位标定为基础的地震剖面解释，识别刻画了准噶尔盆地和吐哈盆地石炭系相关不整合面及断裂构造样式。准噶尔盆地过城1井地震剖面(A-A′)显示：下石炭统底部与下伏地层之间存在明显的不整合界面(图5(b))，其上、下地层产状不一致，下伏地层顶部呈削截反射特征，并被松喀尔苏组以角度不整合覆盖。类似的角度不整合在下石炭统双井子组与上石炭统巴塔玛依内山组之间以及石炭系顶部均可识别。值得注意的是，松喀尔苏组地层明显被断层所切割，断面附近有地层加厚的特征，反映该组沉积期伸展断陷特征。同时，断陷内地层具有沿断面掀斜的特点(图5(b))，表明在晚石炭世沉积前经历了构造反转。相似的地质结构特征在吐哈盆地中也有所体现。过科1井地震剖面(B-B′)显示：下石炭统雅满苏组与下伏地层、上石炭统与下石炭统雅满苏组均呈明显的削截不整合接触关系(图6(b))。另外，在盆地内部下石炭统雅满苏组和盆地边缘上石炭统内同样可识别出早、晚石炭世断陷及其后期掀斜特征。

图5 准噶尔盆地城1井石炭系地层序列(a)及过城1井地震-地质结构剖面特征(b) Fig.5 Carboniferous stratigraphic sequence of the Well Cheng1 in the Junggar Basin(a) and Well Cheng1-related seismic geological structure profile(b)AnC.前石炭系；C1sj.下石炭统双井子组；C2b.上石炭统巴塔玛依内山组；C2sh.上石炭统石钱滩组；P.二叠系；J.侏罗系； N.第三系

5 讨论

5.1 博格达地区石炭系构造-地层及成盆演化阶段

如前文所述，博格达山露头石炭系以下石炭统七角井组火山岩序列、上石炭统柳树沟组火山岩序列、祁家沟组和奥尔吐组沉积岩序列为特征。其中，下石炭统七角井组火山岩序列与准噶尔盆地下石炭统松喀尔苏组和双井子组在岩石组成和时代上均具有较好的一致性。对于上石炭统来说，博格达山与相邻两侧盆地也大致吻合，包括下部火山岩为主序列(即柳树沟组与巴塔玛依内山组/底坎儿组)和上部的沉积岩为主序列(即祁家沟组和奥尔吐组与石钱滩组和苏穆克组)。博格达山七角井组和柳树沟组时限分别为347～326 Ma和319～310 Ma，二者存在明显的时间间隔(约7 Ma)，这与博格达山露头区所观察到的七角井组和柳树沟组之间存在角度不整合相一致。本次研究进一步揭示该不整合在博格达山两侧盆地均有记录，具体体现在准噶尔盆地上石炭统巴塔玛依内山组和下石炭统双井子组以及吐哈盆地上石炭统与下石炭统雅满苏组之间的削截不整合。尽管博格达山局部地区上石炭统柳树沟组和祁家沟组存在平行不整合关系，但年代地层格架显示这两个组的形成时代接近，分别为319～310 Ma和310～306 Ma，几乎不存在时间跨度。同时，两侧盆地中二者相当地层之间(如准噶尔盆地石钱滩组与巴塔玛依内山组、吐哈盆地苏慕克组与底坎儿组)未见明显的构造不整合关系。此外，博格达山及两侧盆地普遍发育二叠系与上石炭统角度不整合[24,48](图5、图6)，更重要的是两侧盆地内部石炭系底部均存在发育角度不整合界面(图5、图6)。综上所述，从博格达山及两侧盆地石炭系相关不整合的区域对比结果来看，博格达地区发育下石炭统底部(C1/AnC)、上石炭统与下石炭统之间(C2/C1)、上石炭统底部(P/C2)3个主要不整合面，由此可将博格达地区石炭系划分为上、下石炭统两个构造层。这一划分结果也得到了岩浆活动和构造沉降曲线特征的支持。博格达地区岩浆活动包括早、晚石炭世两个峰期(图7)，构造沉降曲线显示出早石炭世(347～330 Ma)和晚石炭世(319～306 Ma)两次快速沉降(图8)。因此，博格达地区石炭纪盆地经历了早、晚石炭世两个成盆阶段。

图6 吐哈盆地科1井石炭系地层序列(a)及过科1井地震-地质结构剖面特征(b)Fig. 6 Carboniferous stratigraphic sequence of the Well Ke1 in the Tuha Basin(a) and Well Ke1-related seismic geological structure profile(b)AnC.前石炭系；C1y.下石炭统雅满苏组；C2.上石炭统；T2-3.中-上三叠统；J1.下侏罗统；J1b.下侏罗统八道湾组；J1x.下侏罗统西山窑组

图7 博格达地区盆-山石炭系年代-地层格架Fig.7 Basin-orogen-scaled Carboniferous geochronolo-stratigraphic framework in the Bogda area

图8 不同成因类型盆地构造沉降曲线特征[49](a)和博格达地区石炭纪盆地构造沉降曲线特征(b) Fig.8 Characteristics of tectonic subsidence in the different mechanisms basins[49] (a) and characteristics of Carboniferoustectonic subsidence in the Bogda area(b)

5.2 博格达地区石炭纪成盆背景

图9 博格达山石炭纪岩浆岩构造环境判别图解Fig.9 Tectonic discrimination diagrams for the Carboniferous magmatic rocks(a)Zr/Y-Zr图解；(b)Th/Yb-Nb/Yb图解；石炭纪岩浆岩年龄数据及微量元素来自文献[8]及其统计结果；MORB.洋中脊玄武岩；N-MORB.正常型洋中脊玄武岩；E-MORB.富集型洋中脊玄武岩

尽管前人针对博格达地区石炭纪构造演化开展了大量火山岩成因研究，但对于博格达山石炭纪构造属性始终存在岛弧[9,12-15]和裂谷[16-17]的争论。如前文所述，博格达地区石炭系以火山-沉积序列为特征，总体可划分为上、下石炭统两个构造-地层单元。每个单元均具有“下部火山岩层、上部沉积岩层”的层序特征，从物质组成上与以火山建造为主的岛弧有所差异，更反映为盆地建造特征。博格达山两侧盆地地震-地质结构剖面显示博格达地区发育早、晚石炭世断陷构造(图5、图6)，指示该时期构造体制以伸展作用为主。此外，上、下石炭统构造层均表现为下部火山-碎屑沉积建造和上部碎屑岩-碳酸盐岩沉积建造特征，并且每个构造层充填序列泥质岩石比例向上增大，反映水体逐渐加深的沉积环境演变特点，与伸展断陷盆地充填演化特征一致。另外，博格达地区早、晚石炭世构造沉降曲线均呈上凹型(图8)，并且具有从火山岩层到沉积岩层构造沉降速率增大的特征，表明每个构造层可能经历了从断陷到坳陷的演化。这样的构造沉降特征与典型裂谷盆地相似，支持石炭纪博格达为裂谷的观点。另外，从目前博格达山已报道的石炭纪中-基性岩浆岩主微量元素数据统计分析结果来看：早、晚石炭世样品均具有相对高的Zr含量(45.37×10-6～446×10-6)和Zr/Y比值(1.63～9.25)，在Zr/Y-Zr图解中大多落入板内玄武岩区域，少量落入岛弧和MORB区域(图9(a))；同时这些中-基性岩样品具有相对高的Th/Yb(0.09～1.96)和Nb/Yb(0.45～6.10)比值，在Th/Yb-Nb/Yb图解上全部落入岛弧区域，并总体展现向板内富集的趋势(图9(b))。这些结果显示博格达地区石炭纪中-基性岩兼具裂谷和岛弧岩浆岩的特征，表明博格达石炭纪裂谷可能形成于俯冲构造背景。进一步结合其钙碱性系列特征以及双峰式火山岩组合的存在，综合认为石炭纪博格达为弧后裂陷盆地，并经历了早、晚石炭世两阶段裂陷作用。

目前大多认为博格达石炭纪裂陷作用可能与卡拉麦里洋或北天山洋俯冲相关。然而，深反射剖面显示卡拉麦里洋石炭纪消减表现为北倾的单向俯冲模式，不具备形成博格达裂陷的条件。相反，北天山洋在该时期处于向吐哈地体之下俯冲的状态，并且吐哈地体南缘岛弧岩浆岩的时-空迁移特征指示北天山洋俯冲板片在早、晚石炭世(～350 Ma和～320 Ma)发生了两次板片回撤[8]，这在时间上与博格达两阶段裂陷相吻合，表明北天山洋板片回撤控制了博格达地区伸展构造作用以及弧后裂陷盆地的形成。另外，考虑到最新研究结果将卡拉麦里洋和北天山洋的闭合时限分别限定于早石炭世末[31]和晚石炭世晚期[8]，笔者认为吐哈地体与野马泉地体和中天山地体的相继碰撞所导致的区域挤压可能是博格达石炭系两阶段裂陷晚期反转的主控因素。综上所述，博格达地区石炭纪经历了两个伸展-聚敛旋回演化阶段，北天山洋板片俯冲后撤引起了博格达早、晚石炭世弧后裂陷盆地的发育，吐哈地体周缘洋盆闭合与地体碰撞事件造成了两阶段裂陷盆地的挤压反转。