準(zhǔn)噶爾盆地西北緣沖斷構(gòu)造特征及其成因

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣沖斷構(gòu)造特征及其成因

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣是中國最富有的氣候資源之一。在2疊紀(jì)和中生代地層中發(fā)現(xiàn)了klama、白堿性灘、白口泉、烏爾營、豐城、夏子街等氣田。與這些油氣田密切相關(guān)的是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣發(fā)育的一組沖斷構(gòu)造,但對這組沖斷構(gòu)造性質(zhì)的認(rèn)識與解釋仍有較大的分歧。在沖斷時間上,一種觀點認(rèn)為西北緣沖斷構(gòu)造發(fā)生在石炭紀(jì)到三疊紀(jì);另一種觀點認(rèn)為沖斷構(gòu)造應(yīng)始于三疊紀(jì)末期,并在侏羅紀(jì)繼承性活動,白堊紀(jì)之后沖斷活動基本停止;還有少數(shù)學(xué)者認(rèn)為構(gòu)造活動可能發(fā)生在新生代。在沖斷性質(zhì)上,有學(xué)者認(rèn)為沖斷構(gòu)造為高角度逆沖斷裂;還有學(xué)者認(rèn)為沖斷構(gòu)造應(yīng)屬于薄皮構(gòu)造的大型疊瓦狀前陸沖斷推覆系統(tǒng)[1,10,11,12,13,14,1,10,11,12,13,14]。而Allen等認(rèn)為盆地性質(zhì)應(yīng)屬走滑拉分盆地?？傊?學(xué)術(shù)界對這組沖斷構(gòu)造的沖斷時間和沖斷性質(zhì),以及與之相關(guān)的盆地屬性問題存在激烈的爭論。這組沖斷構(gòu)造的研究與西北緣地區(qū)油氣資源密切相關(guān),它將對準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)今后的油氣勘探與開發(fā)工作起到重要的指導(dǎo)作用。1斷裂體系及構(gòu)造準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)發(fā)育扎伊爾山和哈拉阿拉特山,東至夏子街,西至奎屯。周緣山區(qū)斷裂非常發(fā)育,主要為兩條重要的北東向走滑斷裂,即達拉布特斷裂和巴爾雷克斷裂。在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣覆蓋區(qū),發(fā)育呈北東-南西向展布的沖斷構(gòu)造帶,主要由克—百斷裂帶與烏—夏斷裂帶組成(圖1)。據(jù)統(tǒng)計,西北緣沖斷帶內(nèi)發(fā)育較大斷層共計35條,絕大多數(shù)為逆沖斷層,偶見小規(guī)模正斷層。西北緣還發(fā)育有部分起調(diào)節(jié)作用的走滑斷層。在平面上,斷裂帶由多條近平行斷層構(gòu)成,斷層具扭曲現(xiàn)象,總體上呈“S”形或者反“S”形結(jié)構(gòu)。斷裂帶首尾相接,向盆地外凸,呈弧形展布。沖斷構(gòu)造的形態(tài)在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣從扎伊爾山前到哈拉阿拉特山前的大部分地區(qū)廣泛發(fā)育。沖斷帶中的斷裂延伸長度變化很大,有些斷裂很短,延伸長度只有幾千米,而有些斷裂延伸很長,長度超過30km,如克拉瑪依北斷裂、白百斷裂和百烏斷裂等。這些特征在衛(wèi)星遙感圖像及地球物理場上清晰可見。在剖面上(圖2),沖斷特征明顯,呈傾向大致北西的凹面向上弧形,斷層傾角為40～50°,斷層組合樣式上為典型的單沖型疊瓦狀沖斷組合。基底地層被卷入,可見石炭系地層自北西向南東沖斷。西北緣沖斷構(gòu)造帶切穿二疊系、三疊系地層,大部分地區(qū)被侏羅系地層所覆蓋。在哈拉阿拉特山附近區(qū)域,逆沖斷層在地表出露,表現(xiàn)為下石炭統(tǒng)中—基性夾酸性噴發(fā)巖逆沖到上石炭統(tǒng)砂巖和粉砂巖之上。在活動強度上,烏—夏斷裂帶活動最強,沖斷距離最大可達10km,垂直斷距最大可達1400m,克—百斷裂帶活動較弱。斷裂帶的活動強度表現(xiàn)出向西南減弱的特點。2從北緣到中生代盆地的構(gòu)造屬性2.1層序界面pse準(zhǔn)噶爾盆地西北緣古生代主要沉積泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層,中生代和新生代地層發(fā)育較為齊全。其中二疊紀(jì)地層分為5組(圖3),厚度為2000～2500m,分別是下二疊統(tǒng)佳木河組(約540m)和風(fēng)城組(約390m),中二疊統(tǒng)夏子街組(約480m)和下烏爾禾組(約660m),以及上二疊統(tǒng)上烏爾禾組(約270m)。二疊系主要在瑪湖凹陷內(nèi)大量沉積。佳木河組(P1j)以火山巖和火山碎屑巖為主,同時發(fā)育碎屑巖?；鹕綆r主要包括基性幔源玄武巖和安山巖、凝灰?guī)r、英安巖及流紋巖等,以層狀產(chǎn)出。火山碎屑巖包括火山角礫巖、凝灰?guī)r等。碎屑巖包括砂礫巖、泥巖和砂巖等。剖面上,地層由老到新,由下到上,火山巖含量減少,碎屑巖含量增多,兩種巖性交互出現(xiàn)。佳木河組底部發(fā)育火山巖,上部發(fā)育火山巖、火山碎屑巖與碎屑巖互層。該組地層內(nèi)發(fā)現(xiàn)植物化石。風(fēng)城組(P1f)主要發(fā)育白云巖化灰?guī)r、碎屑巖等,包括泥質(zhì)白云巖、白云巖夾白云質(zhì)凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)白云巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等,還有部分的凝灰?guī)r及硅質(zhì)泥巖發(fā)育。泥質(zhì)白云巖呈薄層狀夾于泥巖、白云質(zhì)泥巖、硅質(zhì)泥巖中;泥質(zhì)巖中有條帶狀白云石分布,白云石晶粒大小不一,分布不均。泥質(zhì)白云巖或白云質(zhì)泥巖中陸源碎屑物質(zhì)較多,如石英、鉀長石等,粘土礦物為蒙脫石、綠泥石。風(fēng)城組主要為淺湖相沉積,扇體相沉積。夏子街組(P2x)沉積物較粗,內(nèi)含孢粉化石。主要以碎屑巖為主,發(fā)育砂礫巖、含礫砂泥巖,礫巖中礫石分選差,顆粒支撐。礫巖成分多為火山巖塊,還包括一些細粒的碎屑巖如粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖等。砂層發(fā)育洪積層理、大型斜層理等,具沖蝕構(gòu)造,發(fā)育沖刷面。該組巖相變化快,為扇三角洲相,河流相,淺湖相沉積。下烏爾禾組(P2w)主要發(fā)育砂礫巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖和粉砂巖等。組內(nèi)發(fā)育薄煤層、植物碎屑、炭屑、孢粉等。下烏爾禾組內(nèi)沉積物粒度由下到上由細逐漸變粗的組合較為常見。組內(nèi)砂泥巖薄互層,發(fā)育沖刷面、各種交錯層理和牽引流沉積構(gòu)造。以河流相、扇三角洲相和淺湖相沉積為主,其中河道沉積、片流沉積廣泛分布。上烏爾禾組(P3w)發(fā)育礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖等,礫巖成分較雜。巖相穩(wěn)定,砂礫巖層厚度較大,膠結(jié)物以鈣質(zhì)膠結(jié)為主,碎屑含量高,石英、長石含量低,成熟度低,分選磨圓變化大,垂向上沉積物由粗變細。層理類型多,發(fā)育水平層理、塊狀層理、波狀層理、洪積層理等。沉積相為扇體相、河流相以及半深湖—深湖相。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系沉積旋回特征明顯,中期旋回包含多次正旋回和反旋回沉積,并具有正—正、正—反和反—正的旋回組合樣式;長期旋回上,沉積總體呈粒度向上逐漸變細的正旋回沉積(圖3)。對西北緣大量鉆井?dāng)?shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明從二疊紀(jì)到三疊紀(jì)西北緣地區(qū)沉降速率較大,可達42m/Ma;沉降曲線具有由陡變緩,曲率從大變小的兩段式特征(圖4)。地溫梯度和地?zé)岱矫?在后期構(gòu)造運動導(dǎo)致西北緣地溫梯度背景值較低的情況下,西北緣二疊紀(jì)古地溫梯度卻可以高達36～46℃/km。全盆地在二疊紀(jì)也具有高地溫梯度的特征。準(zhǔn)噶爾盆地的大地?zé)崃髦岛芨?在二疊紀(jì)達到68mW/m2,在部分地區(qū)可以高達110.8mW/m2。上述沉積特征及地?zé)嶙C據(jù)表明西北緣地區(qū)二疊紀(jì)處于伸展背景中,發(fā)育斷陷型盆地。2.2北緣中生代沉積物體系的分析2.2.1旋回型旋回序組西北緣地區(qū)三疊系自下而上發(fā)育百口泉組、克拉瑪依組、白堿灘組沉積。百口泉組主要沉積在瑪湖凹陷內(nèi),克拉瑪依組沉積范圍擴大到西北緣沖斷覆蓋區(qū),而白堿灘組一直到周緣山區(qū)還有發(fā)育。百口泉組(T1b)巖性以棕紅色礫巖、砂礫巖、泥巖為主,雜質(zhì)含量較高,成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低。顆粒多為火山巖及變質(zhì)巖,長石含量多。沖積扇相、河湖三角洲相和水下扇相沉積總體構(gòu)成向上變細的退積型旋回序列。百口泉組以沖積環(huán)境為特征,發(fā)育夏子街沖積扇群和百口泉沖積扇群?？死斠澜M(T2k)以灰色礫巖、砂礫巖、砂巖和泥質(zhì)砂巖沉積為主,發(fā)育粒序?qū)永怼⑵叫袑永?、透鏡狀層理等。克拉瑪依組主要為沖積扇、扇三角洲、水下扇、三角洲和濱淺湖相混合沉積,具多旋回結(jié)構(gòu)。白堿灘組(T3b)野外露頭上也稱之為白礫山組,主要為雜色礫巖,灰色、灰綠色雜色砂巖,泥巖、砂質(zhì)泥巖互層,底部以灰白色的含礫石英長石質(zhì)砂巖、細礫巖為主,向上為黃褐色、灰白色、黃綠色的砂礫巖和砂質(zhì)泥巖。特別在白堿灘組上段發(fā)育巖性較細的沉積,其特征是以深灰色泥巖中夾薄層砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖為主,具粒序?qū)永怼０讐A灘組為最大湖侵期,為湖泊相或者湖底扇相沉積,以巨厚濱淺湖相沉積為主,其次是沖積扇、扇三角洲沉積,但規(guī)模不大?？傮w上呈向上變粗的旋回序列。2.2.2道灣組煤質(zhì)特征西北緣地區(qū)廣泛發(fā)育侏羅系。本區(qū)侏羅系包括上、中、下三統(tǒng):下統(tǒng)發(fā)育八道灣組和三工河組,厚度約有150m;中統(tǒng)發(fā)育西山窯組和頭屯河組,厚度約400m;上統(tǒng)發(fā)育齊古組,厚度約60m。八道灣組(J1b)巖性以礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖的不均勻互層為主,中夾煤線。沿走向巖性變化較大。八道灣組上部以砂巖、礫巖為主,色調(diào)上以灰綠色、灰黃和紅褐色為主,厚度40～125m。八道灣組下部以泥巖為主,最底部有10～25m厚的底礫巖,礫石主要為石英巖、泥巖、粉砂巖、中-酸性凝灰?guī)r及硅質(zhì)巖,含少量瑪瑙、蛋白石等,礫石分選中等,礫徑約2～5cm,磨圓度良好,膠結(jié)物為砂泥質(zhì)及少量鈣質(zhì),呈基底式和接觸式膠結(jié)。八道灣組內(nèi)部韻律明顯,一般以礫巖或者砂礫巖開始,向上過渡為砂巖、泥巖,最后以碳質(zhì)泥巖、煤線和煤層結(jié)束,非常有規(guī)律地組成一個接一個的小旋回,每個旋回的厚度約為20～30m。八道灣組為河流湖泊沼澤相沉積。由于河流遷移,河床相、河漫灘相、沼澤相在剖面上交替出現(xiàn),從而呈現(xiàn)明顯的韻律。該組地層厚度整體上具由西到東逐漸增大的趨勢。三工河組(J1s)為一套雜色砂巖與泥巖的不均勻互層,夾有細粒巖、粉砂巖、泥灰?guī)r和菱鐵礦層。菱鐵礦呈薄透鏡體狀,一般厚3～5cm。該組以土黃色、黃綠色夾土紅色砂礫巖與粉砂巖的互層沉積為特征,不含煤線。另外,該組還含有淺黃色、黃褐色,磨圓度較好的含瑪瑙礫巖層,有時可見硅化木,偶見疊錐灰?guī)r。該組整體上厚度由東至西逐漸減少。三工河組以濱淺湖—半深湖、湖泊三角洲及小型扇三角洲和沖積扇體系為主。西山窯組(J2x)為一套陸相含煤建造,底部有一層明顯的標(biāo)志層煤線。主要巖性為綠灰色、黃綠色和土黃色砂巖、粉砂巖、泥巖互層夾褐煤和菱鐵礦沉積為主,韻律頻繁,單個旋回的厚度約為20～30m。該組發(fā)育有數(shù)十層厚度為1～3m的煤層,煤質(zhì)較好。西山窯組以辮狀河、辮狀河三角洲、湖泊及扇體沉積為主。頭屯河組(J2t)為紅色粗碎屑含煤沉積,底部巖性較粗,以黃綠色砂礫巖夾雜色細粉砂巖及泥質(zhì)條帶為特征;中下部主要為灰綠色砂巖、泥巖、泥灰?guī)r夾炭質(zhì)泥巖,偶見煤線;上部為灰綠色粉砂巖、泥巖互層夾雜色泥質(zhì)條帶。整體上呈現(xiàn)下細上粗的反旋回沉積序列。頭屯河組為河流、三角洲、扇三角洲、沖積扇及濱淺湖相沉積。該組在地質(zhì)歷史中曾經(jīng)遭受過嚴(yán)重的剝蝕,所以地層厚度變化較大。齊古組(J3q)巖性為一套雜色粗碎屑巖,主要為棕紅色、紅褐色泥巖、粉砂巖夾紫灰色、灰色泥質(zhì)砂巖以及薄層凝灰質(zhì)砂巖,厚度變化較大,為50～150m,具交錯層理、砂巖透鏡體等。它是一套以河流相、泛濫平原及湖泊相為主的沉積。2.2.3吐谷魯組底部礫巖白堊紀(jì)發(fā)育下白堊統(tǒng)吐谷魯組(K1tg)。吐谷魯組以凝灰?guī)r、砂巖和泥巖為主,含有少量石英巖和花崗巖,厚度變化較大。吐谷魯組底部存在一套灰綠、黃灰、淺灰色底礫巖,礫石成分復(fù)雜,礫石大小不均,分選性差,磨圓度差,礫徑為0.5～4cm,膠結(jié)物為泥質(zhì)、粉砂質(zhì),膠結(jié)類型為基底式。礫巖中夾有少量粗砂巖透鏡體,礫巖沿走向可相變成砂巖和粗砂巖。該組發(fā)育塊狀層理、交錯層理、平行層理等,主要是沖積扇、辮狀河、河道和水下三角洲相沉積。2.3侏羅系地層的分布中生代三疊系自下而上整體上是湖侵過程,為一套水進沉積,至白堿灘組頂部沉積水體開始變淺。經(jīng)歷了沖積扇—辮狀河—扇三角洲—濱淺湖—辮狀河三角洲的沉積演化旋回。侏羅系從西山窯組到頭屯河組再到齊古組,沉積物由暗色變?yōu)榫G、紅色的雜色沉積,最終變?yōu)榧t色基調(diào),沉積相從河流相到三角洲相,再到濱淺湖相。吐谷魯組碎屑巖的碎屑粒度總體上自下而上可分為兩個大的韻律旋回,表現(xiàn)為粗—細—粗—細的特征,反映當(dāng)時沉積過程中湖水經(jīng)歷了淺—深—淺—深的變化。克拉瑪依附近地區(qū)的侏羅系為八道灣組、三工河組、西山窯組和齊古組。侏羅紀(jì)地層較為平緩(圖1a、b),傾角為10°左右,沒有明顯的大規(guī)模褶皺與變形,這表明在侏羅紀(jì)及之后的長期地質(zhì)歷史時期內(nèi),沒有明顯的強烈構(gòu)造改造。下侏羅統(tǒng)超覆不整合于晚三疊世地層之上,中侏羅統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)整合接觸,上侏羅統(tǒng)超覆不整合于中侏羅統(tǒng)之上。這種現(xiàn)象在區(qū)域上是普遍存在的。特別要指出的是,徐新等在克拉瑪依西南10～15km的西蚊子溝山麓地段發(fā)現(xiàn)了早侏羅世的堿性玄武巖,其40Ar/39Ar年齡是(192.7±1.3)Ma,這表明侏羅紀(jì)盆地處于板內(nèi)伸展?fàn)顟B(tài)。從西北緣及鄰區(qū)中生代三疊系、侏羅系地層的分布范圍看,三疊系中、下三疊統(tǒng)繼承了二疊系沉積發(fā)育的范圍,在瑪湖凹陷內(nèi)大量發(fā)育;而上三疊統(tǒng)白堿灘組在西北緣山區(qū)鐵廠溝巖體西側(cè)阿克塔木一帶還有分布,這套地層應(yīng)該是三疊紀(jì)沉積盆地的邊緣(圖1a)。在夏子街的布爾津煤礦與和布克賽爾的套瓦契一帶仍然分布有大量侏羅系地層。早侏羅世玄武巖的發(fā)現(xiàn),三疊系到侏羅系的超覆不整合關(guān)系以及較為寬廣的侏羅系分布范圍,均充分表明西北緣地區(qū)三疊紀(jì)到侏羅紀(jì)盆地規(guī)模逐漸擴大,盆地處于伸展?fàn)顟B(tài)。3西北緣急診結(jié)構(gòu)的開口時間和性質(zhì)3.1巖漿-構(gòu)造巖墻群目前在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣造山帶中發(fā)育多期次肢解蛇綠巖帶,主要包括達拉布特帶、瑪依勒帶、巴爾魯克帶、唐巴勒帶、白堿灘帶。這些鎂鐵超鎂鐵巖塊混雜在奧陶紀(jì)到石炭紀(jì)的不同巖層中。很多學(xué)者對西北緣發(fā)育的鎂鐵-超鎂鐵巖帶在時間和空間分帶上還存在分歧,但根據(jù)最新的鋯石SHRIMP定年結(jié)果,這些鎂鐵-超鎂鐵巖帶的形成年齡均在332Ma以前,反映了早石炭世早期之前的洋陸格局。西北緣地區(qū)發(fā)育大量巖基狀花崗巖侵入體,它們是后碰撞階段構(gòu)造-巖漿活動的產(chǎn)物?；◢弾r未變形,并且切穿早期發(fā)育的鎂鐵-超鎂鐵巖帶,如阿克巴斯套花崗巖體切穿北東-南西向展布的達拉布特鎂鐵-超鎂鐵巖帶。韓寶福等發(fā)表了西北緣地區(qū)花崗巖精確鋯石SHRIMP年齡(圖1),其范圍是314～276Ma。在后碰撞花崗巖中發(fā)育有密集排列的中基性巖墻群,巖性以輝長巖、輝綠巖和閃長玢巖、石英閃長玢巖為主。巖墻的長度和寬度變化很大,但走向穩(wěn)定。根據(jù)基性巖墻群的K-Ar測年和40Ar/39Ar測年結(jié)果,巖墻群的年齡為265～255Ma,記錄了西北緣地區(qū)在這一時間段內(nèi)處于伸展期。鎂鐵-超鎂鐵巖帶的年齡限定了西北緣地區(qū)332Ma以前的洋陸格局,花崗巖及其中發(fā)育巖墻群的年齡限定了西北緣地區(qū)至少在314Ma以前洋盆關(guān)閉,在314～255Ma中處于后造山期的伸展?fàn)顟B(tài),伸展期不可能發(fā)育大規(guī)模沖斷構(gòu)造。3.2晚三疊世地層沖斷-成礦作用西北緣三疊系出露較少,僅在克拉瑪依市西北山麓一帶和鐵廠溝巖體西側(cè)阿克塔木一帶呈狹長帶狀分布,出露厚度約70m(圖1a)。根據(jù)巖性組合和古生物組合,認(rèn)為這套地層為上三疊統(tǒng)白礫山組沉積1。西北緣多處見到晚三疊世地層角度不整合于花崗巖之上。晚三疊世白堿灘組發(fā)育一套底礫巖,其底部砂礫巖巖性厚度穩(wěn)定。底礫巖的礫石成分以花崗巖為主,膠結(jié)物為長石質(zhì)膠結(jié)為主,顏色為灰白色。在穿越西北緣的北西-南東剖面上(圖2),石炭系地層向上沖斷,沖斷構(gòu)造被晚三疊紀(jì)所發(fā)育的不整合所覆蓋。據(jù)此可以推定,存在一期構(gòu)造事件將古生代晚期形成的花崗巖抬升至地表并剝蝕,然后被晚三疊世地層不整合覆蓋。這期構(gòu)造運動與剖面上的沖斷構(gòu)造時限一致。因此,西北緣沖斷構(gòu)造應(yīng)該發(fā)育在花崗巖形成時間與晚三疊世地層形成時間之間。綜合準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)年代學(xué)限定和地層接觸關(guān)系,筆者認(rèn)為沖斷構(gòu)造的活動時間應(yīng)該限定在晚二疊世到早三疊世之間,最晚不超過晚三疊世。3.3西北緣早-晚三疊世之構(gòu)造格局準(zhǔn)噶爾西北緣多處被肢解的蛇綠巖的形成年齡限定了石炭紀(jì)之前的洋陸格局,大量后碰撞花崗巖及其中發(fā)育的巖墻群年齡限定了西北緣地區(qū)314～255Ma的伸展?fàn)顟B(tài)。瑪湖凹陷地區(qū)