準噶爾盆地西北緣二疊紀原型盆地分析

張元元，曾宇軻，唐文斌

北京大學地球與空間科學學院造山帶和地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871

0 引言

準噶爾盆地是中國西北地區重要的大型疊合型含油氣盆地之一[1]，其大地構造位置上位于西伯利亞板塊、哈薩克斯坦板塊和塔里木板塊三大板塊交匯關鍵部位。準噶爾盆地處于中亞造山帶的西南緣，伴隨著古亞洲洋的消減，演化歷史復雜，經歷了從古生代碰撞成盆、斷陷、坳陷、和再生前陸盆地階段[2-5]。由于古亞洲洋在新疆北部閉合方式及閉合時限存在較大爭議[6-9]，導致準噶爾盆地晚古生代的盆地屬性和構造演化存在較大分歧。尤其是二疊紀為晚古生代大陸拼合和中、新生代陸內盆山體轉換的重要時期，也是認識晚古生代造山如何向陸內體制轉換的重要研究階段[10]。準噶爾盆地二疊紀的研究仍存在爭議，特別是原型盆地性質，究竟是前陸盆地還是陸內伸展斷陷，嚴重制約了準噶爾盆地油氣勘探的發展。

準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷是準噶爾盆地重要的生烴凹陷之一，主力烴源巖是下二疊統風城組的中—高成熟度堿湖優質烴源巖，是瑪湖凹陷常規—非常規油氣有序共生與全油氣系統形成的物質基礎[11]。發育于準噶爾西北緣扎伊爾山和哈拉阿拉特山山前的以紅—車(紅淺—車排子)、克—百(克拉瑪依—百口泉)、烏—夏(烏爾禾—夏子街)斷裂帶為代表的構造帶，是影響和控制準噶爾盆地西北緣油氣成藏的關鍵要素之一。準西北緣構造帶被認為形成于古生代晚期—中生代早期的前陸沖斷帶[12-13]，因此盆地屬性為前陸盆地[14]；有研究認為此構造帶是發生在二疊紀斷陷階段和侏羅紀坳陷階段之間的具右行走滑特征的走滑轉換擠壓構造[15-17]，晚二疊—早三疊世造成瑪湖凹陷的構造反轉[17-18]。構造帶性質及盆地屬性認識的不同直接決定了勘探目標和方向的分歧，在一定程度上制約了瑪湖凹陷深層油氣的勘探部署和遠景評價。準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷二疊紀構造背景及盆地屬性，是制約盆地油氣勘探的關鍵要素之一，對探究烴源巖發育與富集因素和成藏機理有重要的意義。本文從構造、沉積、物源及古地理重建等方面，綜合分析準噶爾盆地西北緣二疊系原型盆地屬性，明確二疊紀盆地演化過程。

1 區域地質背景

準噶爾盆地是我國重要的大型含油氣盆地之一，位于顯生宙最大的增生型造山帶—中亞造山帶的西南緣(圖1a)，因構造位置特殊，位于中亞造山帶哈薩克斯坦構造域和蒙古—圖瓦構造域的連接部位，被認為是研究中亞造山帶古生代構造演化的關鍵部位[6,9]。準噶爾盆地的形成演化是與古亞洲洋在北疆地區的俯沖消減密切相關。西準噶爾地區出露眾多蛇綠巖帶，包括達拉布特、白堿灘、巴爾雷克、唐巴勒、瑪依勒等多處蛇綠巖帶，是解剖造山帶演化的關鍵證據。達拉布特和白堿灘蛇綠巖帶是區內最顯著的北東向構造帶(圖1b)，與準噶爾盆地西北緣基本平行。兩條蛇綠巖帶兩側均發育石炭系，主體上由海相復理石到濱淺海相沉積，再到陸相沉積，為一套水體向上變淺的沉積層序。并且在石炭系底部發育區域范圍內可以對比連接的熔積巖層系(圖1b)，同上覆的石炭系構成一個穩定的沉積層序，被認為是西準噶爾地區自泥盆紀末期保留的殘余洋盆在石炭紀被逐漸充填的洋盆充填層序[18]。瑪湖凹陷正是在西準噶爾地區殘余洋盆古生界基底上發育的。西準噶爾地區在晚石炭世—二疊紀出現大量的后碰撞“A”型花崗巖和中基性巖墻群[19-20]，與整個北疆地區的造山后伸展背景相一致。二疊系在西準噶爾地區缺失，三疊系至白堊系不整合覆蓋在石炭系之上。

圖1 準噶爾西北緣地質簡圖(據陳石等[17]修改)Fig.1 Schematic geological map of west Junggar (modified from CHEN S et al[17])

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，是準噶爾盆地重要的生烴凹陷之一，呈北東—南西走向，與烏—夏斷裂帶以及克—百斷裂帶相鄰(圖1b)。瑪湖凹陷地層發育比較全，充填了二疊紀—新生代的陸相沉積序列，沉積中心厚度超過8000 m。二疊系到三疊系自下而上包括佳木河組、風城組，夏子街組、下烏爾禾組，上烏爾禾組，百口泉組，克拉瑪依組和白堿灘組(圖2)。瑪湖凹陷主要發育二疊系佳木河組、風城組、下烏爾禾組及石炭系4套有效烴源巖，其中以風城組烴源巖為主[11]。多年的研究和勘探表明，克—百和烏—夏斷裂帶控制著凹陷內二疊系—三疊系的傾斜和剝蝕以及油氣成藏[21]。佳木河組主要由瑪湖凹陷西斜坡的扇三角洲泥質和砂質礫巖組成，向盆地中心過渡為湖相泥巖和砂巖，東斜坡發育河流相砂巖和泥巖。風城組縱向上主要由扇三角洲泥質和砂質礫巖過渡為湖相白云質泥巖和濁流沉積夾層。沉積中心發育的堿湖沉積是瑪湖凹陷最重要的烴源巖層系，并且具有頁巖油勘探潛力[11]。夏子街組和下烏爾禾組主要由瑪湖凹陷邊緣的扇三角洲礫巖和粗砂巖，以及凹陷中心的湖相砂巖、泥巖和礫巖夾層組成。上烏爾禾組主要由扇三角洲砂礫巖和頂部的湖相泥巖夾層組成。百口泉組主要由扇三角洲泥質、砂質礫巖以及泥巖夾層組成。上烏爾禾組和百口泉組是瑪湖凹陷主要的儲集層[22]。克拉瑪依組主要由河道砂體和湖相泥巖組成。白堿灘組由下部的湖相泥巖，逐漸過渡到頂部的辮狀河三角洲沉積。克拉瑪依組和白堿灘組形成瑪湖凹陷的區域蓋層。瑪湖凹陷主要發育三期不整合：石炭系和二疊系之間的角度不整合、二疊系與三疊系之間的削截不整合、三疊系和侏羅系之間的超覆不整合[23]。

圖2 瑪湖凹陷二疊系—三疊系巖石地層框架概述(據TANG W B等[23]修改)。SB，層序界面；MFS，最大湖泛面；RST，湖退體系域；TST，湖侵體系域Fig.2 Stratigraphic framework of the Permian to Triassic basin infill from the west to the east slope in the Mahu sag (modified from TANG W B et al[23]).SB, sequence boundary; MFS, maximum flooding surface; RST, regressive system tract; TST, transgressive systems tract

2 二疊系構造特征

瑪湖凹陷獲取的大量鉆井和地球物理數據較完整地保存了不同構造演化階段的地質記錄。垂直于烏夏斷裂帶，橫貫瑪湖凹陷的剖面(圖3)中，受斷裂帶控制，晚古生界地層由西北緣向凹陷內部傾斜，中生界地層相對緩傾，向構造帶之上逐層超覆。近垂直的主斷裂和卷入前侏羅系的高角度分支斷層形成了一個花狀構造,變形分布在狹窄區域內。在逆沖分支斷裂兩側，下盤佳木河組和風城組地層厚于上盤，指示早期正斷屬性。早二疊世具有半地塹結構。從西向東，二疊系地層整體上呈現逐漸減薄的現象，并且被下三疊統不整合覆蓋。地層厚度展布特征和半地塹結構指示下二疊統佳木河組和風城組主要受控于早二疊世的邊界正斷層。早二疊世活動的邊界正斷層在晚二疊世—早三疊世再活化發生構造反轉，并且以右旋走滑為特征[21]。此外，上二疊統上烏爾禾組在烏夏斷裂帶缺失，并且與下三疊統百口泉組呈削截不整合接觸。

圖3 橫貫瑪湖凹陷地震剖面結構圖(據唐勇等[21], TANG W B et al[23]修改)，剖面位置見圖1Fig.3 Seismic profiles cross the Mahu sag showing the features of structures and stratigraphic infilling (modified from TANG Y et al[21],TANG W B et al[23]), See the location in Fig.1

二疊紀構造活動同時被記錄在凹陷內的沉積地層內，尤其是在下二疊統風城組內發育大量的軟沉積物變形構造。軟沉積物變形構造涵蓋了從塑性、塑性—脆性和脆性一系列變形構造，主要包括微褶皺和包卷層理、負載構造、塑性—脆性混合變形構造、微斷層、碎屑角礫巖、香腸構造和沉積巖脈等(圖4)。這些軟沉積物變形構造層系在凹陷內具有橫向連續性和垂向重復性的特征，所以在連井地層剖面中進行相似軟沉積物變形構造層對比。Tang 等[24]厘定出11個軟沉積變形構造層系，變形構造層1出現在風一段火山巖夾層之間的淺湖砂巖和粉砂巖中。變形構造層2-11出現在風二段深湖-堿湖相中，3～5,7層可能與熱液活動相關。地震觸發的液化變形構造主要集中出現在風二段，同沉積間歇性的地震活動可能是風城組軟沉積物變形構造的主要觸發機制。因此，軟沉積物變形構造是邊界正斷層活動的沉積響應。

圖4 瑪湖凹陷風城組巖心中的微觀變形特征(a) 泥巖包卷層理；(b) 白云質泥巖的逆沖斷層；(c) 泥巖微褶皺、微斷層和香腸構造；(d) 泥巖負載構造和微褶皺；(e) 白云質泥巖中的微褶皺和碎屑角礫巖；(f) 泥巖中的碳酸鹽巖角礫Fig.4 Core photographs showing microstructures in the Fengcheng Formation in Mahu sag (a) Convolute lamination in mudstone and carbonate; (b) Reverse microfaults in dolomitic mudstone; (c) Upright folds in mudstone and carbonate (top),microfault and boudinage structure in carbonate (base).(d) Fold and load structure in mudstone; (e) Carbonate breccias near the base and folds in laminated dolomitic mudstone at the top; (f)Carbonate clasts in mudstone with tear structure

3 二疊系沉積充填特征

在對瑪湖凹陷40余口鉆井的巖心序列進行詳細觀察和描述的基礎上，在瑪湖凹陷二疊系—三疊系識別出16種巖相[23]，主要與牽引流搬運機制相關(包括河道和片流沉積)；另外少數的非牽引流搬運機制，包括碎屑流、堿湖內源沉積和火山活動。根據不同的巖相組合，劃分出扇三角洲、河流三角洲以及湖泊沉積體系。一些相同的巖相可以在扇三角洲、河流三角洲以及湖泊環境中，以不同的沉積過程形成。基于二維地震剖面解釋識別的層序界面，通過單井和連井沉積相對比以及相關錄測井資料，識別了兩個區域性最大湖泛面(MFS)，并將瑪湖凹陷的二疊紀—三疊紀沉積充填序列劃分為兩個受構造控制的二級T-R層序(圖2)。二疊系，三疊系和侏羅系底界的三個區域可追蹤的不整合層序界面(SB)(圖3)，分別代表二級湖侵—湖退層序地層的界面。層序界面1(SB1)是石炭系和二疊系之間的區域性角度不整合。層序界面2(SB2)位于下三疊統百口泉組底部，為區域性削截不整合。層序界面3(SB3)位于侏羅系底界，為區域性超覆不整合。

層序1的湖侵體系域1(TST1)以層序界面1(SB1)為底界和最大湖泛面(MFS1)為頂界，該體系域以粒序向上變細的退積序列為特征。湖侵體系域1(TST1)由下二疊統佳木河組和風城組組成，由底部的扇三角洲向頂部堿湖沉積過渡。該體系域的地層厚度展布顯示沉積中心沿斷裂帶分布，集中出現在瑪湖凹陷西斜坡。佳木河組主要以加積序列為特征，由湖盆邊緣的扇三角洲前緣向湖盆中心逐漸過渡為湖相沉積。風城組主要發育退積序列，以扇三角洲退積、湖盆擴張和沉積堿湖烴源巖為特征。湖退體系域(RST1)分別以MFS1為底界和SB2為頂界，湖退體系域(RST1)由夏子街組、下烏爾禾組和上烏爾禾組組成。垂向上，以進積和粒度向上變粗的沉積序列為特征，由底部湖相泥巖向頂部的扇三角洲前緣砂礫巖過渡。在瑪湖凹陷西斜坡，風城組的湖相泥巖被中—晚二疊世的扇三角洲和湖相沉積物超覆，以進積和加積為主；在瑪湖凹陷東斜坡，夏子街組辮狀河三角洲不整合超覆于石炭系之上，逐漸過渡到下烏爾禾組的扇三角洲沉積。平面上，夏子街組和下烏爾禾組表現為湖盆萎縮，扇三角洲進積。上烏爾禾組的沉積范圍進一步發生萎縮，退覆式扇三角洲和湖泊相局限分布于瑪湖凹陷西南緣。

層序2的湖侵體系域2(TST2)以SB2為底界，以MFS2為頂界，下切侵蝕湖退體系域(RST1)。TRT2以退積、向上變細的沉積序列為特征，從下至上依次發育粗粒扇三角洲前緣、河流三角洲和湖泊相。下三疊統百口泉組主要發育多個退覆式扇三角洲，并且不整合超覆在中—上二疊統下烏爾禾組和上烏爾禾組之上。克拉瑪依組主要發育超覆的“河流型”扇三角洲，湖盆發生擴張。湖退體系域2(RST2)以上三疊統白堿灘組底部的深湖相逐漸過渡為頂部的辮狀河三角洲為特征，垂向上呈向上變粗的進積序列；平面上，則表現為湖盆萎縮，辮狀河三角洲進積為特征。湖退體系域2的頂部在局部地區遭受剝蝕。

4 二疊紀物源分析及古地理重建

瑪湖凹陷二疊紀—早三疊世砂巖主要為棱角狀—次棱角狀，分選較差的火山巖屑、沉積巖屑和碎屑礦物顆粒組成，成分成熟度和結構成熟度較低，指示近源沉積，因此西準噶爾山系是準噶爾盆地西北緣的主要潛在物源區。碎屑鋯石數據[23]指示西準噶爾地塊中部的扎伊爾山是佳木河組的主要物源區。兩個環形沉積中心分別位于扎伊爾山(～1700 m)和哈拉阿拉特山前(～1000 m) (圖5a)。扇三角洲沿瑪湖凹陷西斜坡的正斷層分布，向湖盆過渡為湖泊相。瑪湖凹陷東斜坡發育河流三角洲。風城組沉積期為主要的湖泊擴張期，沉積中心受控于瑪湖凹陷西斜坡的正斷層(～1250 m) (圖5b)。碎屑鋯石數據[23]指示西準噶爾中部的扎伊爾山仍是主要的物源供給區，東部的陸梁凸起為次要物源區。東西斜坡分別由河流三角洲前緣和扇三角洲前緣向湖盆中心過渡到湖相沉積。

夏子街組沉積期，沉積中心由西斜坡遷移至瑪湖凹陷中央以及哈拉阿拉特山前坡折帶[25](圖5c)。碎屑鋯石年代學[23]顯示主要物源區為西準噶爾中部的扎伊爾山，次要物源區為西準噶爾南部的瑪依勒山和新疆北部的古生代島弧。在瑪湖凹陷西斜坡的扇三角洲超覆在風城組湖相泥巖之上。瑪湖凹陷東斜坡發育河流三角洲，不整合超覆于石炭系之上。

下烏爾禾組沉積期，古地貌研究顯示東北緣為高地貌區，西南緣為低地貌區，古地貌控制了古水系分布，沉積中心由瑪湖凹陷的東北緣向西南緣遷移 (圖5d)。該時期主要發育“河流型”扇三角洲沉積，東斜坡由夏子街組時期的河流三角洲過渡為了扇三角洲。此時瑪湖凹陷周緣的隆起區為主要物源區，包括西準噶爾中部、南部和北部，以及陸梁凸起。

上烏爾禾組主要發育沖積扇—扇三角洲，局限分布在中拐凸起和瑪湖凹陷西南緣，在北東緣為沉積間斷。沉積中心(～260 m)由瑪湖凹陷西南緣遷移至中拐凸起 (圖5e)。與下烏爾禾組進行對比，該時期沉積格局發生了顛覆性變化。碎屑鋯石U-Pb年代學顯示[23]，西準噶爾地塊中部的扎伊爾山是主要物源區；北部的博什庫爾—成吉思弧和扎瑪爾—薩烏爾弧和南部的瑪依勒山為次要物源區，并且供給量顯著增加。

圖5 瑪湖凹陷二疊紀—早三疊世古地理演化和殘余地層厚度展布圖(據TANG W B等[23]修改)Fig.5 Permian to early Triassic paleogeography and isopach maps of the Mahu Sag (modified from TANG W B et al[23])

下三疊統百口泉組沖積扇—扇三角洲沿走滑斷裂帶分布，在瑪湖凹陷東北緣重新接受沉積。沉積中心進一步向西南方向遷移，次級沉積中心位于瑪湖凹陷東北緣 (圖5f)。物源區與上烏爾禾組時期類似，西準噶爾中部的扎伊爾山是主要物源區；新疆北部的古生代島弧和西準噶爾南部的瑪依勒山為次要物源區，來源于西準噶爾南部的陸源碎屑物質供給量顯著增加。

5 準噶爾盆地西北緣二疊紀原型盆地屬性及構造演化

二疊紀是準噶爾盆地發展的重要時期，盆地主體進入陸相或海陸交互沉積演化階段，是海陸轉換的重要時期。準噶爾盆地周邊自早二疊世起幾乎全部隆起成陸，盆地內起伏不平，形成坳隆相間的構造格局。基于構造、沉積、物源、古地理等綜合研究，佳木河組和風城組沉積中心和扇三角洲沿邊界正斷層分布，湖侵序列(TST1)由扇三角洲逐漸過渡到了深湖環境，具有半地塹結構，均指示準噶爾西北緣瑪湖凹陷早二疊世為斷陷盆地。

大多數陸相斷陷盆地的初始演化階段，通常由于地殼伸展減薄而發生機械沉降，在隨后的演化過程中，由于地殼伸展的結束而導致熱梯度逐漸降低，由機械沉降逐漸演變為區域熱沉降。基于陸內斷陷盆地不同構造演化階段的沉降機制，對二疊紀—早三疊世瑪湖凹陷進行了構造演化階段劃分(圖6)：(1)早二疊世為同斷陷機械沉降階段；(2)中二疊世為后斷陷熱沉降階段；(3)晚二疊世—早三疊世為構造反轉階段。

早二疊世湖侵體系域1(TST1)記錄佳木河組和風城組湖侵序列由扇三角洲逐漸過渡到了深湖環境，該階段構造機械沉降速率大于沉積速率。在垂向上，由底部的扇三角洲向上過渡淺湖沉積；在平面上，扇三角洲和沉積中心沿北東—南西向的邊界正斷層展布(圖6a)，局部沉積堿湖烴源巖。風城組的軟沉積物變形構造層是同斷陷階段的沉積響應。此外，早二疊世瑪湖凹陷為同斷陷期的解釋得到了其他區域證據的支持。西準噶爾以及鄰近區域的雙峰式火山巖和基性侵入巖墻年代學(310～255 Ma)與斷陷盆地的巖漿活動特征吻合。基于瑪湖凹陷二疊紀成熟有機質的熱流值計算，早二疊世的峰值為85 mW/m2，中—晚二疊世逐漸降低[26]。埋藏史恢復也指示快速構造沉降集中在早二疊世[27]。

圖6 瑪湖凹陷二疊紀—早三疊世盆地演化模式圖。(a) 早二疊世同斷陷階段 (P1j-P1f)；(b) 中二疊世后斷陷階段 (P2x-P2w)；(c) 晚二疊世—早三疊世構造反轉階段 (P3w-T1b)Fig.6 Simplified dynamic model of the Mahu sag during Permian to early Triassic.(a) Syn-rift stage (P1j-P1f); (b) Post-rift stage (P2x-P2w); (c) Tectonic inversion (P3w-T1b)

中二疊世湖退體系域1(RST1)夏子街組和下烏爾禾組的沉積環境由湖泊向扇三角洲過渡，以發育扇三角洲和河流三角洲進積為特征，并且沉積中心向瑪湖凹陷中心遷移，具有準夷平化的特征，沉積范圍擴張，湖泊萎縮，指示該階段巖石圈逐漸發生冷卻，在區域上發生熱沉降。同時，該時期地層展布較穩定，邊界正斷層活動的停止，主要是以熱沉降為主，盆內熱流值降低，沉積物的供給速率逐漸超過構造沉降速率，充填湖退沉積序列。

晚二疊世—早三疊世，沉積中心由中二疊世的瑪湖凹陷中央向東南緣發生遷移，扇三角洲沿紅車斷裂帶和克百斷裂帶，局限分布在中拐凸起以及瑪湖凹陷的西南緣，湖盆進一步發生萎縮，并且在瑪湖凹陷東北緣出現沉積間斷。與早—中二疊世相比，晚二疊世上烏爾禾組的沉積環境和物源體系均出現了顛覆性變化，標志著構造反轉的啟動。三疊系削截不整合于二疊系之上，造成二疊系的抬升和傾斜。這期反轉可能是西準噶爾和準噶爾盆地相對于成吉思汗弧在晚二疊世發生逆時針旋轉的結果[28]，形成了克—百和烏—夏右行走滑逆沖帶。這期走滑活動造成了瑪湖凹陷的構造反轉，其側向擠壓伴生逆沖斷層和褶皺形成以斷塊、鼻狀構造、斷背斜和雁行式排列的背斜等類型為主的構造圈閉，而瑪湖斜坡帶中二疊系和中生界齊全，構造變形微弱，發育多期不整合，地層超覆明顯，形成大量的地層巖性圈閉。這些圈閉在晚三疊世基本定型，與瑪湖凹陷的生排烴過程有較好的配置關系，是準噶爾盆地西北緣油氣成藏的關鍵因素[17]。

準噶爾盆地西北緣二疊紀原型盆地類型與中亞造山帶西南緣晚古生代增生造山后伸展作用密切相關。瑪湖凹陷二疊紀斷陷盆地的初始軸向位置被認為主要受控于西準噶爾厚地殼和瑪湖凹陷薄地殼交匯位置石炭紀先前斷裂帶的再活化[29]。晚石炭世準噶爾盆地下部地殼總體厚度較薄，但“A”型花崗巖的侵位、冷卻和抬升，加固了西準噶爾地區。早二疊世額爾齊斯左旋走滑剪切帶和北天山右旋走滑斷裂帶之間為區域張性應力場，兩條斷裂帶不同的走滑量導致了準噶爾盆地下部地殼的進一步減薄和石炭紀先前斷裂帶的再活化。中亞造山帶西南緣早二疊世形成的一系列陸內斷陷盆地[30]，可能具有類似的動力學機制。

6 結論

(1)準噶爾盆地西北緣二疊紀不同階段的原型盆地屬性是控制沉積物展布、古地理演化和油氣聚集的主控因素。

(2)二疊紀—早三疊世瑪湖凹陷主要經歷了早二疊世為同斷陷機械沉降階段，中二疊世為后斷陷熱沉降階段，及晚二疊世—早三疊世為構造反轉階段。構造反轉形成的克—百和烏—夏右行走滑逆沖帶，是準噶爾盆地西北緣油氣成藏的關鍵因素。

(3)西準噶爾厚地殼和瑪湖凹陷薄地殼交界位置石炭紀先前斷裂帶的再活化決定了早二疊世瑪湖凹陷初始斷陷盆地的軸向位置，這與中亞造山帶西南緣增生造山后的伸展作用密切相關。