阜康凹陷下侏羅統物源變化對博格達山隆升的響應

關鍵詞 阜康凹陷；博格達山；下侏羅統；物源分析；沉積體系

0 引言

準噶爾盆地是中國西北部重要的大型含油氣盆地，阜康凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷東部，是盆地最重要的生烴凹陷之一[1?5]。目前對阜康凹陷東部侏羅系的物源研究主要集中在中、上侏羅統[6?10]，下侏羅統物源研究較少且尚存爭議，核心問題在于除了克拉美麗山和北天山兩大物源體系之外，下侏羅統八道灣組和三工河組是否存在東南部博格達山物源輸入，其影響程度和范圍等還不明確。部分學者[5，11?13]認為研究區下侏羅統可能不發育博格達山物源，但也有部分學者[14?16]揭示了部分博格達山物源體系存在的證據。隨著研究區油氣勘探的不斷深入，厘清下侏羅統物源特征，對于劃定有利勘探區帶和尋找地層巖性圈閉等至關重要。此外，物源體系特征是盆山耦合分析的基礎，對巖相古地理、沉積體系和區域構造演化研究等具有重要的意義。本次研究利用研究區鉆井及野外典型剖面實物資料，通過古流向、碎屑組分、重礦物和陰極發光等綜合分析，探討了阜康凹陷中東部下侏羅統的物源區母巖性質及物源方向，分析了博格達山隆起對研究區沉積發育的影響，以期為盆地油氣勘探開發提供相應支撐。

1 區域地質背景

阜康凹陷位于準噶爾盆地腹部中央坳陷處，是盆地內次級構造單元之一（圖1）。研究區位于阜康凹陷中東部，其東部與北三臺凸起帶相鄰，西與阜康凹陷西部相接，南至阜康斷裂帶，北接白家海凸起（圖1）。準噶爾盆地經歷了海西期至喜山期的多期次構造疊加，構造特征較為復雜。海西運動導致盆地早期沉積具有明顯的分割性特征，北三臺凸起與白家海凸起開始隆升，吉木薩爾凹陷與東道海子凹陷開始形成；燕山運動及隨后的喜馬拉雅構造運動導致盆地開始向北逐漸抬升，最終形成了構造上南低北高、沉積上南厚北薄的特征[17?18]。

研究區地層從老到新依次發育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系和新近系及第四系。下侏羅統八道灣組可分為八一段、八二段和八三段（圖1），與下伏三疊系呈區域不整合接觸，主要為一套灰綠色礫巖、砂巖、泥巖夾煤層。三工河組包括三一段、三二段和三三段，其底部含礫，以泥巖和粉砂巖為主，上部發育一套中砂巖與泥巖夾礫巖。阜康凹陷油氣資源豐富，具有良好的成藏條件，歷經半個多世紀的油氣勘探，已經發現了一批高產油氣田[17，19]。目前，阜康凹陷侏羅系油氣勘探重點層主要集中在中、上侏羅統，對下侏羅統的油氣地質認識還較為薄弱，已不能滿足當前勘探需要，在盆地整體南傾的構造背景下，其物源體系的研究對下一步油氣勘探具有重要的指導意義。

2 物源分析

2.1 碎屑組分特征

碎屑巖組分和結構特征能夠直接反映源區特征和沉積構造背景。通常，隨著搬運距離的增大，巖石中穩定礦物含量也越高，不穩定礦物含量逐漸減少[20?22]。因此，可以依據碎屑組分特征判斷物源方向。根據目標層位樣品的石英、長石和巖屑含量統計結果，應用Dickinson碎屑三角圖解[23]，對源區構造背景進行了分析。

選取研究區內及周緣郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面以及水西溝剖面和巖心較為齊全的D2井進行了碎屑組分特征分析，采樣位置見圖2。結果顯示樣品碎屑成分以石英、長石以及巖屑為主，而且巖屑含量最高，石英次之，詳細統計見表1。

郝家溝—頭屯河剖面下侏羅統成分成熟度較低，巖屑極為豐富（含量介于74%～77%），其次是單晶石英（含量介于18%～22%），多晶石英（含量介于5%～6%）以燧石和變質石英巖屑為主，并且以燧石居多；在非穩定隱晶巖屑中，火成巖屑較為豐富（含量介于49%～59%），并以酸性噴出巖巖屑為主；變質巖和沉積巖巖屑含量較少（含量介于12%～20%）。三工河剖面碎屑成分成熟度也較低，巖屑含量介于53%～70%，除不穩定巖屑外，主要是單晶石英（含量介于19%～27%），多晶石英（含量介于5%～11%）以燧石和變質石英巖屑為主；在非穩定隱晶巖屑中，火成巖屑含量介于33%～48%，以中酸性噴出巖巖屑為主，含基性噴出巖巖屑；沉積巖巖屑較少（含量介于3%～5%）。水西溝剖面中巖屑同樣富集（含量介于52%～83%），成分成熟度較低，石英以單晶石英為主（含量介于15%～38%），多晶石英（含量介于2%～8%）以燧石和變質石英巖屑為主；在非穩定隱晶巖屑中，火成巖屑含量介于30%～55%，以中酸性噴出巖巖屑為主，含基性噴出巖巖屑；沉積巖巖屑含量較少（含量介于3%～8%），變質巖巖屑含量中等（含量介于8%～18%）。

研究區內D2井目的層成分成熟度依然不高，巖屑含量介于60%～76%，碎屑顆粒中除不穩定巖屑外，單晶石英含量介于16%～33%，多晶石英含量為8%～12%，以變質石英巖屑為主；相對于野外剖面樣品，長石含量有所增加（含量介于11%～18%），在非穩定隱晶巖屑中，火成巖屑含量介于31%～45%，以噴出巖巖屑為主；沉積巖巖屑含量少（含量介于3%～8%）。

應用Dickinson（1985）碎屑三角圖進行投點，得到了Qm-F-Lt以及Qp-Lv-Ls碎屑成分三角圖（圖3）。Qm-F-Lt圖解顯示三工河剖面八道灣組及三工河組的石英含量變化不大（20%～30%），但長石含量差異較大（0～19%），且巖屑含量較高（50%～70%）。水西溝剖面八道灣組及三工河組各樣品石英含量（16%～40%）和長石含量（0～19%）變化均較大，且巖屑含量較高（40%～80%）。樣品點主要集中在再旋回造山帶范圍內，少數具有巖漿弧背景。Qp-Lv-Ls圖解還顯示樣品具有島弧造山帶背景。整體上，研究區下侏羅統物源區構造背景以再旋回造山帶和島弧造山帶等為主。

2.2 古水流方向

古水流和古斜坡方向是物源研究的基礎數據[24?26]，可通過分析沉積組構和沉積構造的實測數據恢復。前積層理、波痕和礫石排列等與古水流方向密切相關，是判斷古流向最直接的證據[26]。在野外調查過程中，所觀察到的部分前積紋層及其所指示的古水流方向如圖4所示。通常，如果地層傾角較小，則前積層的產狀和地層的原始產狀較為一致；如果地層傾角較大，則須對古流向進行修正，此過程通常使用赤平投影法，來獲取地層初始時前積層的產狀，從而進行古流向的判斷[26]。本次研究的巖層出露傾角普遍較大，所以通過赤平投影法對剖面古流向進行復原，并根據所恢復的古流向繪制玫瑰花圖，再結合剖面位置以及前人研究[13，16，27?28]得到了研究區古流向分析圖（圖5，6）。

八道灣組古水流分析揭示其物源包含北北東、南東以及南西三個方向，分別指示克拉美麗山、博格達山以及北天山物源體系。依據玫瑰花圖，發現了北北東方向以及南南西方向的古水流，證實了克拉美麗山物源體系與北天山物源體系的存在，同時還存在東南方向的古水流，揭示了博格達山物源體系的存在，且為博格達山在該期已在東部發生隆升提供了證據。三工河組古流向較八道灣組皆有所偏轉，博格達山南部古水流由南西方向偏轉為南向，北緣古水流由北西向偏轉為北東向。推測八道灣組沉積時期部分物源輸入來自博格達山東緣，而三工河組物源輸入更有可能來自西部隆起，由此導致了三工河組古水流方向較八道灣組偏轉的結果，進一步推斷三工河組沉積時期博格達山西部地形較八道灣組沉積時期要高，并能夠為研究區提供物源。

2.3 重礦物特征

分別對郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面、水西溝剖面樣品及研究區內鉆井巖心的實測重礦物類型數據進行了統計分析（圖7，8）。

結果顯示，八道灣組重礦物以磁鐵礦為主，含量幾乎都在70％以上。郝家溝—頭屯河剖面與其余剖面以及鉆井巖心樣品實測重礦物類型均有較大的差異，其褐鐵礦含量遠大于其余剖面以及鉆井巖心樣品，由此判斷其物源與其余剖面以及研究區不一致。博格達山前三工河剖面以及水西溝剖面，重礦物類型及含量都基本相同，指示其可能受同一源區控制。三工河剖面與研究區內鉆井巖心樣品重礦物含量的對比顯示，其重礦物類型基本相同，以磁鐵礦、鋯石、磷灰石為主，但鉆井巖心樣品中角閃石的含量較高。重礦物類型的異同說明有相同物源區存在，此物源區推斷為博格達山物源區，也受不同的疊加物源輸入影響，推斷為克拉美麗山物源區的影響。三工河組重礦物類型對比圖顯示，郝家溝—頭屯河剖面與其余剖面及鉆井巖心樣品的重礦物類型差別依然較大，說明其物源區與其余剖面及研究區的物源區存在較大差異，據此推斷郝家溝—頭屯河剖面以北天山物源為主。三工河剖面與鉆井巖心樣品中的重礦物含量基本一致，但存在微小差異，進一步證明了研究區下侏羅統以克拉美麗山為主要物源區，以博格達山為次要物源區的觀點。

2.4 重礦物ZTR 指數特征

ZTR指數法是重礦物組合分析法的一種，是鋯石、電氣石以及石榴石總含量與透明礦物總含量之比，通常隨ZTR指數增大，沉積區與物源區的距離也逐漸增大[13]。本次研究分別對郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面、水西溝剖面樣品及研究區內鉆井巖心樣品進行了重礦物組合特征分析，并通過在室內對數據的計算與處理繪制了ZTR 指數平面氣泡圖（圖9）。

根據ZTR平面氣泡圖，八道灣組ZTR值主要在北北西方向上存在增加趨勢，說明此時研究區物源來自東南方向。由于進行巖心觀察時，八道灣組層位顯示較短，諸多鉆井缺乏八道灣組巖心，所以八道灣組數據較少，但根據前人研究[13，29]，此時研究區主要是克拉美麗山物源。三工河組ZTR值主要在北西以及南西兩個方向存在增加趨勢，說明此時在南東以及北東方向存在兩個物源區，推斷為博格達山以及克拉美麗山物源區。此結論與前文古流向研究所得結論相一致。

2.5 重礦物R 型聚類

聚類分析又稱簇分析或群分析，是根據樣本或變量之間的相關度以及相似性把樣本或變量進行相似分類的方法[30]。根據研究目的和對象的不同，聚類分析可分為Q型和R型兩類。Q型聚類分析是對樣本的分類，是通過同一變量把不同樣本聯系起來，并對這一相同變量進行對比分析，研究樣本之間的相關性，完成對不同樣本的相似劃分；R型聚類分析是對變量的分類，是對相同樣本間的差異變量部分進行對比分析，從而確定變量之間相似程度，并在此基礎上完成對不同變量的分類[31]。

本次研究分別對郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面、水西溝剖面樣品以及研究區內鉆井巖心實測重礦物數據進行了R型聚類分析（圖10，11）。結果顯示，重礦物在D2井共有4種重礦物組合：①輝石、板鈦礦、石榴石、藍晶石、榍石、綠簾石；②鋯石、電氣石；③褐鐵礦、錫石；④磷灰石、云母。依據①推斷D2井物源區所存在的母巖類型為高級變質巖、基性火山巖；其余組合類型表示其母巖類型主要為酸性火山巖。在D6井共有3種重礦物組合：①錫石、板鈦礦、石榴石、電氣石、藍晶石、榍石、褐鐵礦；②綠簾石、輝石；③磷灰石、云母。其中，①組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖、高級變質巖；②組合類型所象征的母巖類型主要為基性火山巖、高級變質巖；③組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖。在D7井共有4種重礦物組合：①錫石、板鈦礦、電氣石、石榴石、藍晶石；②綠簾石、輝石、角閃石；③磁鐵礦、云母；④褐鐵礦、榍石。其中，①組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖、高級變質巖；②組合類型所象征的母巖類型主要為高級變質巖；③和④組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖。在D15井共有3種重礦物組合：①電氣石、褐鐵礦、石榴石、藍晶石、榍石、綠簾石；②鋯石、磷灰石；③角閃石、錫石。其中，①組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖、高級變質巖；②和③組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖。在D701井共有4種重礦物組合：①輝石、板鈦礦、石榴石、藍晶石、錫石、電氣石；②褐鐵礦、云母；③綠簾石、榍石；④磷灰石、磁鐵礦。其中，①組合類型所象征的母巖類型主要為高級變質巖、酸性火山巖、基性火山巖；②和④組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖；③組合類型所象征的母巖類型主要為酸性火山巖、高級變質巖。

R型聚類分析樹狀圖揭示郝家溝—頭屯河剖面共有2種重礦物組合：①褐鐵礦、角閃石、黃鐵礦；②磁鐵礦、錫石。推斷郝家溝—頭屯河剖面物源區母巖類型主要為酸性火山巖。在三工河剖面共有2種重礦物組合：①褐鐵礦、黃鐵礦；②角閃石、錫石。推斷三工河剖面物源區的主要母巖類型為酸性火山巖。在水西溝剖面有1種重礦物組合：褐鐵礦、角閃石、黃鐵礦、錫石，推斷水西溝剖面物源區的主要母巖類型同樣為酸性火山巖。

依據對研究區內及周緣郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面以及水西溝剖面和研究區內5口鉆井巖心的R型聚類分析，確定了研究區母巖類型以酸性火山巖、基性火山巖以及高級變質巖源巖為主。結合準南侏羅系潛在物源區母巖特征（表2），與研究區存在的三大潛在物源區基本一致，即克拉美麗山物源區、北天山物源區以及博格達山物源區。

2.6 陰極發光特征

陰極發光是物源分析的有效手段之一，它是由于電子束的轟擊，從而使電能轉化為光能所產生的現象[32]。因為造巖礦物源區的不同而產生不同的陰極發光特征，據此可以判斷母巖性質和巖石成因等。在碎屑巖中，由于巖屑和長石的不穩定，通常選用石英進行陰極發光特征研究，進而分析物源特征。由于各晶體之間微量元素存在差異以及石英的多樣化成因，導致陰極發光實驗中的石英表現出不同的色彩特征，這更使得通過陰極發光下石英發光的不同色彩特征來推斷其形成環境成為可能[33?35]。表3反映了石英陰極發光特征與源巖類型的關系。

選取研究區內及周緣郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面以及水西溝剖面和研究區內D2井進行了陰極發光特征分析（圖12）。結果顯示，陰極發光薄片中石英以藍色和藍紫色為主，少量石英顏色呈現為褐紅色至紅色，局部存在不發光石英。以藍色或藍紫色陰極發光特征為主的石英指示其源巖是火山巖、深成巖；以褐紅色陰極發光為主則指示變質火山巖、變質石英巖源區；而不發光石英主要來自沉積巖源區。因此，石英陰極發光特征揭示的源區性質與前述R型聚類分析中所得結論一致。

3 討論

通過對阜康凹陷中東部下侏羅統八道灣組和三工河組碎屑組分、古水流、重礦物特征及石英陰極發光等綜合分析，認為研究區下侏羅統受控于北部、南部和東南物源體系，其中，以北部和東南部物源體系的影響最大。在前人研究過程中，呂嶸[37]、孫海寧等[38]以及方世虎等[39]認為下侏羅統物源區以造山帶為主，而且物源區距沉積區較遠。通過對研究區周緣郝家溝—頭屯河剖面、三工河剖面及水西溝剖面和D2井進行碎屑組分特征分析，同樣認為造山帶為其主要物源區。古水流分析中所得到的博格達山東部在八道灣組沉積期已開始隆升的認識，也符合上述物源區離沉積區較遠的觀點。古水流分析表明在下侏羅統沉積時期博格達山已經從東部開始隆起，并能夠為研究區提供部分物源輸入，但此時研究區的主物源區依然是克拉美麗山，此時印支運動的影響，加劇了東北部地區的構造抬升，導致克拉美麗山強烈隆起，并成為研究區的主要物質來源。此外，張琴等[16]通過地層傾角測井以及地震相分析等手段，也證實了東南方向古水流的存在，說明此時博格達山已經初步隆起。由于博格達山作為天山重要支脈分隔了準噶爾盆地和吐哈盆地，所以博格達山的隆起對于吐哈盆地同樣擁有重要意義，除準噶爾盆地南部以外，吐哈盆地北部的相關分析也為博格達山的隆起時間提供了證據。前人[40?41]在吐哈盆地北部地區發現二疊紀—早侏羅世古水流方向由北轉向南，表明二疊紀—早侏羅世期間博格達山發生了初始隆升。喻春輝等[42]也證實了博格達山兩側下侏羅統古水流差異的存在，并由此推斷吐哈盆地和準噶爾盆地在早侏羅世或更早時期便已經分開。與二疊紀—三疊紀沉積體系相比，早中侏羅世吐哈盆地內反映的是湖成平原環境[43]，同樣表明博格達山此時已經隆起。宋承文[44]對吐哈盆地北部山前帶下侏羅統三工河組和八道灣組進行了巖石學特征分析，認為其物源來自盆地北部。Hendrix[45]依據在博格達山南北兩側的侏羅紀樣品中放射狀燧石比例的增加，判斷此時吐哈盆地已與準噶爾盆地南部分離。以上這些發現，均證實了博格達山在早侏羅世已經開始隆起。

研究區的母巖類型主要為火山巖以及深成巖，而陳哲夫等[46]也認為博格達山幾乎完全由鎂鐵質火山巖和相關的深成巖組成。重礦物聚類分析顯示母巖以酸性噴出巖為主，其次是基性噴出巖，也與準南侏羅系潛在物源區母巖類型相符合。ZTR平面氣泡圖更是直觀地顯示了東南博格達山物源體系的存在。同樣，在博格達山南側吐哈盆地北部山前帶重礦物分析結果也與此認識一致，管彧照等[47]開展了吐哈盆地北部重礦物組合平面特征分析，認為吐哈盆地北緣博格達山在早侏羅世便已隆起并遭受剝蝕。吳青鵬等[48]對吐哈盆地內臺北凹陷西部侏羅系沉積相的研究，也證實了博格達山在早侏羅世就已開始向盆地內提供物源。樊太亮[49]采用重礦物ZTR指數以及地震剖面分析等方法展開研究，認為吐哈盆地北部山前帶中下侏羅統主要受北物源控制。田兵[50]根據重礦物組合關系及發育規律，認為吐哈盆地山前帶中下侏羅統沉積物發育兩大物源體系，北部博格達山物源體系便是其中之一，且作為近端物源存在。李陽[51]也曾運用重礦物分析和砂巖百分含量分析方法，揭示了吐哈盆地北部山前帶的巴喀地區下侏羅統沉積時期物源和古水流方向是由北向南的。

本次研究還通過統計準噶爾盆地內相關鉆井砂地比數據，結合前人研究資料，繪制了研究區八道灣組和三工河組沉積相平面展布圖（圖13）。從前人研究[52?53]可知，八道灣組自下而上主要發育三角洲—湖泊—三角洲相；三工河組自下而上主要發育三角洲—湖泊相。八道灣組沉積時期，克拉美麗山的隆起為研究區持續提供物質來源，三角洲沉積大幅向盆地推進，砂體發育好，連片性強，厚度較大，沉積微相以分流河道為主，從東北向西南呈條帶狀流入研究區，砂地比值高，而在分流河道間，砂巖含量低，砂地比值同樣較低。此時，克拉美麗山物源體系是研究區最主要的物質來源，博格達山物源體系只對研究區產生些微影響。八道灣組沉積之后，三工河組開始大規模的湖侵，克拉美麗山物源供應持續減弱，濱淺湖相帶面積擴大，三角洲相面積縮小。此時，博格達山逐漸隆起，其對研究區的物源供應逐漸增強，三角洲砂體發育好，連片性強。盡管如此，但克拉美麗山物源體系對研究區沉積的影響仍然較大，但伴隨博格達山的逐漸隆起，兩大物源體系形成相互對峙、消長的格局。

4 結論

（1） 準噶爾盆地阜康凹陷中東部早侏羅世主要物源區為再旋回造山帶以及島弧造山帶，其母巖類型主要為酸性火山巖、基性火山巖以及高級變質巖。

（2） 研究區下侏羅統八道灣組沉積期以克拉美麗山物源輸入為主，南部北天山及博格達山影響程度有限；至三工河組沉積期，由于博格達山自東向西構造隆升的加劇，其物源供應能力逐漸增強，此時，在東北部物源繼承性輸入基礎上，還疊加了來自東南的博格達山的分支物源，使其具有顯著的多物源疊加特征。

（3） 阜康凹陷下侏羅統物源方向與物源特征的變化，與區域構造演化過程密切相關，較為清晰地響應了博格達山在早侏羅世自東向西、由慢及快的隆升過程。

（4） 準噶爾盆地阜康凹陷以構造南傾為主，下侏羅統多物源體系的發育，尤其是東南向物源的疊加輸入，有利于在南部斜坡帶發育上傾尖滅型地層巖性圈閉，對于下侏羅統油氣勘探開發具有重要的指示意義。