准噶尔盆地南缘侏罗系重矿物特征及其物源指示意义

周天琪 ，吴朝东 ，袁波，史忠奎，王家林，朱文，周彦希 ，姜晰 ，赵进雍，王军，马健

（1. 北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871；2. 北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871；3. 新疆油田公司勘探开发研究院地球物理研究所，新疆乌鲁木齐 830000；4. 北京大学地球与空间科学学院遥感与地理信息系统研究所，北京 100871；5. 中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；6. 中国石化胜利油田分公司新疆勘探项目管理部，山东东营 257000）

0 引言

准噶尔盆地南缘（以下简称“准南”）油气资源丰富，其中准南侏罗系具有多物源、多沉积体系的特点。作为准噶尔盆地重要的含煤及油气烃源岩层，准南侏罗系集中了全盆 1/3（30.7%）的原油资源和近一半（45.7%）的天然气资源，但是目前探明率非常低，因此具有巨大的油气资源勘探潜力[1-3]。众多学者对准南侏罗系沉积环境以及物源演化进行了研究，但几乎所有学者仅依靠单条剖面或几口钻井对局部物源系统进行恢复，进而导致对于主要物源区演化过程认识差别较大，主要体现在以下几方面：①侏罗纪，控制准南西部的主要物源目前尚未明确：有学者认为物源主要来自扎伊尔山或天山[1-2]，也有学者认为二者同时供应物源[3-6]；②准南中部天山山前侏罗系沉积环境认识尚未统一[7-14]；③博格达山隆升是侏罗系物源格局改变的节点，其具体隆升时间存在两种主要观点：早—中侏罗世[9,15-16]以及侏罗纪末—白垩纪初[17-20]。表明准南地区侏罗纪源汇系统演化与沉积充填过程有待深入研究。

重矿物组合在源-汇系统分析中应用广泛[21]，目前已有部分学者利用少量重矿物样品识别准南侏罗系单一物源的母岩特征以及演化规律[2,22-24]，而对于大量重矿物组合恢复多物源演化过程所使用的具体方法有待深入探讨。重矿物组合分析通常采用层次聚类法得到重矿物种类变化趋势，进而确定不同物源区的影响范围及分布特点。但是，层次聚类法在物源分析上还存在诸多不足：①没有考虑样品的空间分布，常出现与事实认识不符的情况；②聚类结果中重矿物组合类别过多，造成母岩类型分析不清，尤其是主要物源、次要物源很难区分开来；③聚类结果部分类别不具有确切的物源特征。为解决以上问题，本文在聚类结果的基础上，考虑样品的空间分布特征，结合潜在物源区的母岩类型，筛选典型重矿物样品作为训练样品，基于随机森林分类法（Random Forest Classification）[25]得到更为合理的重矿物组合类别。

1 区域地质背景及潜在物源区

准南地区西起新疆精河县，东至木垒县大石头一带，南至北天山，北到乌伊公路。主要分为准南西部、准南中部以及准南东部3个部分[3]。其中准南西部主要包括车排子凸起南部、四棵树凹陷；准南中部包括齐古断褶带以及昌吉凹陷南部；准南东部则是由阜康凹陷西南部（阜东斜坡带）、阜康断褶带以及吉木萨尔凹陷南部3个二级构造单元组成[3]（见图1）。

准南侏罗系发育齐全，由下至上依次为下侏罗统八道湾组和三工河组、中侏罗统西山窑组和头屯河组、上侏罗统齐古组和喀拉扎组（见图2）。基于对准南 5条剖面进行实测（见图3），发现准南侏罗系西部、中部以及东部的沉积特征与岩性组合具有明显差异。八道湾组沉积时期，准南西部南缘以及准南中部均发育冲积扇-辫状河三角洲平原，由于物源不断后退，三角洲平原逐渐演化为三角洲前缘；准南东部发育滨湖沉积，其中厚煤层发育于滨湖沼泽之上。三工河组沉积时期全盆范围内发生湖侵[26-27]，整个准南沉积环境为滨-浅湖，泥岩厚度自西向东增加，此时沉积中心位于博格达山北缘[3]。西山窑组沉积时期，准南东部虽然同样发育曲流河三角洲前缘，但是其河口坝厚度与规模远不如准南中部。头屯河组沉积时期，准南整体发育浅水辫状河三角洲，其中准南西部南缘发育滨湖沉积，而北缘发育辫状河三角洲；准南中部发育辫状河三角洲，向上逐渐转化为滨浅湖。齐古组沉积时期，准南西部北缘主要发育辫状河三角洲沉积，而南缘与准南中部主要发育宽浅氧化湖盆的滨岸沉积-曲流河三角洲前缘[7,28]。

图1 准噶尔盆地南缘构造纲要及研究区位置图

图2 准南侏罗系综合柱状图

根据古地貌以及沉积环境特征，准南地区潜在的物源区可能有西北缘的扎伊尔山、南部的北天山与中天山、东部的博格达山及东北部的卡拉麦里山。主要物源特征以及其对应的重矿物组合已列入表1。

2 基于层次聚类-随机森林分类法的重矿物组合分类

2.1 层次聚类-随机森林分类方法介绍

区别于层次聚类，随机森林分类是一种监督分类方法，其本质是以多个决策树为基础的集成分类器，主要包括训练和分类两个过程（见图4）。训练过程是首先从原始样本集中有放回地抽取多个不同的子样本集[29]，然而对于每个子样本集，采用CART（Classification and Regression Trees）算法训练决策树，最后所有决策树组成随机森林；分类过程则是首先得到待分类样品在不同决策树上的分类结果，再通过众数投票得到最终结果[25]。大量研究表明随机森林分类精度高，抗异常值能力强，能够处理具有高维特征的样品分类任务[30-32]，这些特点为准确识别样品的重矿物组合类别提供了可能。

2.2 层次聚类-随机森林分类实验设计

通过比较准南侏罗系2 418个样品的25种重矿物含量，本文首先对准南地区侏罗系不同层位的样品分别进行Q型聚类（即对样本聚类，使相似特征的样本聚集在一起，差异大的分离开），聚类结果采用热点图表示（见图5）。聚类结果存在重矿物组分相近、但来自多个汇水区的样品聚为一类的情况。例如，图5b绿框所示类别汇聚了四棵树凹陷、齐古断褶带以及阜康断褶带的样品，不具有典型物源指示意义。

图3 准南侏罗系野外剖面柱状图（N：古流向数量）

表1 准南侏罗系潜在物源区母岩特征

在聚类分析的基础上，本文挑选了具有典型物源特征的样品训练随机森林分类模型。首先挑选出与潜在物源区母岩具有相似重矿物组合的样品，通过样品所在位置、古水流方向以及常-微量元素含量分析其主要物源，若以上特征能有效指示其物源来源，说明该样品可作为指示某物源区的典型重矿物组合样本。例如图5a中B3类中的样品1（位于石场剖面八道湾组），其重矿物组合为白钛矿+锆石+石榴石+电气石；同时，古水流方向指向北—北东方向（见图3），其微量元素图解（见图6）指示其物源属于长英质-中—酸性火山岩，故样品1可作为指示北—中天山物源区的样品。基于以上原则，本文以25种重矿物含量为特征，以聚类的重矿物组合编号为类别（见图5），构造训练样品。参照随机森林分类参数设置方法[32]设置树个数为200，随机抽取的特征个数为总特征个数的平方根，训练随机森林模型，进而对准南侏罗系全部样品进行分类，得到重矿物组合类别。

图4 基于层次聚类-随机森林分类的重矿物组合分类流程图

为了检验随机森林分类效果，本文选取准南地区中—西部八道湾组的层次聚类和随机森林分类结果做对比分析。随机森林方法以给定的训练样品为依据，去除了聚类结果中不合理的类别，凸显了准南西部与准南中部不同的两种重矿物组合：可以看出准南西部重矿物组合为钛铁矿+锆石+石榴石（以绿色和蓝色饼状图为主，见图7），而准南中部重矿物组合主要为白钛矿+磁铁矿+锆石+石榴石+电气石+磷灰石（以粉色、黄色以及橘色饼状图为主，见图7），二者明显来自于不同的物源区；而层次聚类结果中重矿物组合分布散乱，不具有明显规律。总之，在重矿物分析中，样品的特征较多给层次聚类造成了困难。相比之下，随机森林适用于处理具有高维特征的样品，可以有效避免样品误差造成的影响，适用于重矿物组合分类。

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图6 微量元素物源类型判别图解（PAAS：后太古宙澳大利亚页岩；UC：上地壳[42]）

为了有效地识别物源方向，本文计算了每口井中不同重矿物组合类别的百分比值，并在平面图上创建了重矿物组合的饼图（见图7），根据不同重矿物组合的位置及其在各井中的百分比值确定母岩类型，得到以下结果（见表2）。

3 准南侏罗系物源演化分析

本次物源演化研究主要采用重矿物组合分析、ZTR指数分析、古水流方向分析、碎屑锆石年龄分析以及微量元素分析等方法，对准南侏罗系由西向东10条野外剖面以及 152口钻井的沉积环境以及物源特征开展了综合研究。

3.1 重矿物组合与物源分析

基于层次聚类-随机森林分类法，不同的重矿物组合对于指示物源区具有一定意义。下侏罗统—西山窑组的重矿物成分相似，以稳定重矿物为主，重矿物组合主要有 3种：①钛铁矿+锆石+石榴石、②白钛矿+锆石+石榴石+磁铁矿+磷灰石+电气石+少量绿帘石、③白钛矿+钛铁矿+锆石+石榴石（见图7中红圈、黄圈以及蓝圈部分）。

组合①主要分布于四棵树凹陷，说明母岩类型为基性岩浆岩+中—酸性岩浆岩，重矿物组成与扎伊尔山以及博格达山相似（见表1），说明此时扎伊尔山为物源区之一；组合②主要分布于齐古断褶带，白钛矿含量较高指示其物源母岩中存在低—中级变质岩，对比表1后认为该重矿物组合指示北天山—中天山为主要物源；组合③主要分布于博格达山前，物源组成相对较为复杂，其物源可能来自于博格达山、天山系统或卡拉麦里山。

头屯河组到齐古组的不稳定矿物含量急速上升，北天山—博格达山山前出现大量绿帘石+磁铁矿（见图7中绿圈），指示在中—晚侏罗世博格达山—北天山发生隆升。

综上，准南下侏罗统的碎屑成分可能来自北天山—中天山、扎伊尔山以及卡拉麦里山，西山窑组沉积末期博格达山开始隆升，而头屯河组沉积时期博格达山已成为准南主要物源之一。

3.2 ZTR指数与物源分析

图7 准南侏罗系重矿物分布情况

稳定重矿物含量指数常用来反映碎屑岩的成熟度以及物源方向，其中ZTR指数是锆石、电气石以及石榴石总含量与透明矿物总含量之比[52]，而ZTR指数变大通常代表逐渐远离物源区的过程，反之亦然。本文挑选了侏罗系248个重矿物组合进行ZTR值垂向与空间上的变化比较。通过ZTR平面气泡图可知（见图8），早侏罗世四棵树凹陷ZTR值主要存在南南东方向以及北东方向两种增加趋势，说明此时存在北西方向以及南部两个物源区；齐古断褶带ZTR值呈向北增加，说明此时南部物源正在向北供给碎屑物质；而阜康断裂带ZTR值存在南东向以及北东向增加趋势（见图8），与博格达北缘存在南—北双向古水流相对应，由此可推断准南存在南部北天山—中天山以及北部卡拉麦里山物源。与绿帘石-磁铁矿含量增加相对应，从西山窑组开始齐古断褶带及阜康断裂带ZTR值急剧下降同样指示北天山—博格达山在头屯河组沉积时期发生隆升。ZTR垂向分布图中（见图9），准南地区下侏罗统整体ZTR值不断变大，指示早侏罗世物源普遍发生后退；西山窑组沉积时期，ZTR值开始变小，说明物源区再次前进；除四棵树凹陷外，准南地区头屯河组的ZTR值均急剧下降，指示北天山—博格达山隆升对于准南地区西部影响较小，扎伊尔山虽然发生隆升[53]，但是幅度不大。ZTR值变化趋势证实了早侏罗世除北天山—中天山、扎伊尔山外，卡拉麦里山同样为准南地区提供物源。

表2 准南重矿物组合分布情况

图8 准南侏罗系ZTR指数空间分布图

图9 准南侏罗系各地区ZTR指数垂相分布

3.3 古水流方向与物源分析

大量古水流方向是判断物源方向的重要依据之一。通过测量5条剖面的古水流方向（见图3），结合前人古流向统计工作[9,16,53-54]，早侏罗世—西山窑组沉积时期，四棵树凹陷以及齐古断褶带古流向主要向北，说明北天山—中天山为主要物源区；同时，阜康断裂带同时出现南、南东向古流向，再次印证卡拉麦里山正在为准南地区提供物源。从中侏罗世开始，四棵树凹陷北部开始出现向南的古流向，说明来自于扎伊尔山的碎屑物质含量正在增加；此外，博格达山北缘西山窑组沉积时期向北的古流向逐渐增多，揭示博格达山可能开始隆升[16]。古流向数据验证了重矿物组合所得到的初步认识，并进一步确认了卡拉麦里物源存在。

3.4 碎屑锆石年龄与物源分析

近年来，为了对准南侏罗纪源-汇系统进行深入研究，前人积累了大量侏罗系碎屑锆石年龄数据[16,26,47,55]。通过对比准南侏罗系碎屑锆石年龄数据与潜在物源区的岩浆岩以及变质岩年龄（数据来源详见表1），发现南缘中部侏罗系碎屑锆石年龄主要包括北天山上古生界中—酸性岩浆岩（250～320 Ma）以及中天山寒武系—泥盆系岩浆岩或变质岩（380～485 Ma），八道湾组至西山窑组碎屑锆石的单峰年龄峰值由 300 Ma转移至396 Ma说明物源由北天山转移至中天山[47]，而头屯河组以及齐古组的碎屑锆石年龄再次以230～320 Ma为主（见图10），说明此时物源已回到北天山，这与ZTR垂向变化趋势一致。此外，准南东部八道湾组碎屑锆石具有485～520 Ma蛇绿岩年龄，这是卡拉麦里山独有的蛇绿岩年龄可能来源于古生代地层的再旋回部分，同时博格达北缘大量向南的古水流向也证明了准南存在卡拉麦里山的物源；从西山窑组开始，准南地区东部沉积物的锆石年龄为485～520 Ma的样品数在不断减少，主要以早古生代中—酸性火山岩的年龄为主；同时，锆石年龄小于230 Ma的样品数逐渐增多，说明此时博格达山已经开始隆升（见图10）。

3.5 微量元素与物源分析

由于惰性元素可以反映物源区以及构造背景的特征，所以本文将部分惰性元素的含量比值作为源-汇区特征对比的依据。本文共挑选了准南侏罗系93个样品进行微量元素测试，并利用镧（La）/钍（Th）、铪（Hf）、钴（Co）/钍（Th）以及镧（La）/钪（Sc）比值进行物源区判断[42]。通过图6可以看出，早侏罗世物源主要为酸性-长英质岩浆岩，再次印证北天山—中天山在早侏罗世是准南的重要物源；自西山窑组沉积时期开始，阜康断裂带开始出现长英质与玄武质混合的物源成分，这与博格达山北缘二叠系样品具有相同的物质组成[42]，说明准南地区存在博格达山晚古生代双峰式火山岩来源。

综上，早侏罗世天山遭受持续剥蚀去顶，北天山—中天山对准南侏罗系起主要控制作用，扎伊尔山以及卡拉麦里山此时也在为准南提供物源，厚层滨湖沼泽相沉积地层指示博格达山属于汇水区（见图11）。此时，沉积物供给速率与盆地沉降速率基本相等，主要以稳定拗陷沉降作用为主，为弱伸展构造环境下的稳定拗陷型盆地[3]。

西山窑组沉积末期，天山结束了早侏罗世的准平原化，主物源区由中天山回到北天山，博格达山开始小幅度隆升；头屯河组—齐古组沉积时期，博格达山成为准南的重要物源之一，其隆升与拉萨板块-羌塘板块相撞有关[56]，导致喀拉扎组沉积时期出现巨厚层的喀拉扎砾岩，此时湖盆开始萎缩，准噶尔盆地开始转化为压扭型盆地[53-54]。

图10 潜在物源区与准南侏罗系碎屑锆石年龄对比图（N—样品数量，个；n—锆石颗粒数量，个；物源区数据详见表1）

4 准南不同汇水区物源综合分析

4.1 准南西部

准南西部主要由四棵树凹陷以及车排子南部组成（见图1）。早侏罗世到西山窑组沉积时期，准南西部的重矿物组合主要以白钛矿+锆石+石榴石+电气石+磷灰石等稳定重矿物为主，以钛铁矿为标志的重矿物组合仅存在于四棵树凹陷与车排子凸起接壤处（见图7）；此时，四棵树凹陷的古流向也多指向北方，微量元素也指示此时物源来自中—酸性长英质岩浆岩。以上证据表明，北天山—中天山是准南西部的主要物源区，扎伊尔山此时为准南西部的次要物源。头屯河组—齐古组沉积时期，以钛铁矿为主的重矿物组合分布范围逐渐向南延伸，四棵树凹陷北部开始发育大规模辫状河三角洲，而四棵树凹陷南部头屯河组沉积粒度较细；所以，头屯河组—齐古组沉积时期，准南西部的主要物源区由北天山转移至主扎伊尔山，而北天山隆升对四棵树凹陷造成的影响并不大（见图11）。

图11 准南侏罗纪物源演化示意图

4.2 准南中部

准南中部主要由齐古断褶带、昌吉凹陷南部组成（见图1）。其重矿物组合在早侏罗世—西山窑组沉积时期以白钛矿+锆石+石榴石+电气石+磷灰石为主，说明物源主要来源于晚古生代的中—酸性火山岩以及中—低级变质岩，指示主要碎屑供给来自于北天山—中天山。此外，早侏罗世ZTR值不断增加，而到西山窑组沉积时期小幅度降低以及锆石年龄的变化同样说明了主要物源由北天山退至中天山又回到北天山的过程（见图10）。头屯河组—齐古组沉积时期，绿帘石以及磁铁矿的增加以及ZTR指数的降低均指示准南中部主要受到北天山隆升的影响；此时锆石年龄以 230～320 Ma为主（见图10），说明主要物源为北天山早古生代的中—酸性岩浆岩。所以，准南中部侏罗系主要物源由北天山转移至中天山，最终在晚侏罗世重新回到北天山。

4.3 准南东部

准南东部由阜康断裂带、阜东斜坡带以及吉木萨尔凹陷南部组成（见图1）。早侏罗世重矿物种类主要为白钛矿+钛铁矿+锆石+石榴石，同时ZTR值不断增大；此外，准南东部八道湾组除了具有与北天山晚古生代中—酸性岩浆岩相似年龄外，还出现了 485～520 Ma独特的蛇绿岩年龄（见图10）。以上证据说明准南东部早侏罗世存在南北双物源体系：分别为南部北天山—中天山以及北部卡拉麦里山，二者并无主次之分；而阜康断裂带存在南北双向古流证实了以上推测（见图3）。西山窑组沉积时期，全区广泛发育曲流河三角洲前缘-滨湖相，重矿物组合仍继承早侏罗世的基本矿物类型，值得注意的是博格达山北缘绿帘石+磁铁矿含量升高。与此同时，博格达山北缘向南的古流向逐渐减少，以及ZTR略微下降皆指示博格达山在西山窑组已经开始隆升，但还不足以成为准南东部的主要物源区。头屯河组到齐古组沉积时期，绿帘石、磁铁矿含量持续增高，ZTR值急速下降，说明博格达山继续隆升并成为准南东部的主要物源区，早古生代的锆石年龄含量降低指示卡拉麦里山的物源减少。

5 结论

本文应用随机森林重矿物分类方法，并结合重矿物ZTR指数计算、沉积环境描述、锆石年龄分析、古流向统计以及微量元素分析，共识别出准南侏罗系存在5个主要物源区以及3个主要汇水区：

准南侏罗系 5个主要物源区分别为北天山、中天山、扎伊尔山、卡拉麦里山以及博格达山。早侏罗世准南地区主要物源逐渐由北天山转移至中天山，部分物源来自于扎伊尔山以及卡拉麦里山，此时博格达山仍为汇水区；西山窑组沉积时期主要物源区由中天山退回北天山，博格达山开始隆升；头屯河组—齐古组沉积时期，博格达山进一步隆升，成为准南主要物源区之一，同时北天山、卡拉麦里山以及扎伊尔山仍为准南地区提供物源。

准南侏罗纪共划分为 3个汇水区：准南西部、准南中部以及准南东部。准南西部具有双物源特征，在早侏罗世物源主要来自北天山，而中—晚侏罗世主要物源区转移至扎伊尔山。准南中部早侏罗世由于湖侵作用物源区由北天山后退至中天山，西山窑组主物源区又逐渐从中天山回至北天山，头屯河组以及晚侏罗世均以北天山为主要物源区。准南东部早侏罗世物源主要来自卡拉麦里山以及中天山，少量来自北天山；西山窑组沉积时期博格达山开始隆升并提供少量物源，至头屯河组时继续隆升并成为主要物源区，少量物源来自中天山；随博格达山进一步隆升，齐古组时物源主要来自博格达山，卡拉麦里山与中天山为次要物源。