塔里木盆地西北缘震旦系沉积物源分析及对盆地属性的制约

陈汉林，黄伟康，李 勇，章凤奇，吴鸿翔，杨志林，黄少英，杨树锋

(1.浙江大学 地球科学学院，杭州 310027；2.教育部含油气盆地构造研究中心，杭州 310027；3.中国石油 塔里木油田公司 勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

新元古代是全球大地构造演化中一个十分重要的阶段，经历了罗迪尼亚(Rodinia)超大陆聚合和裂解过程。作为我国三个最主要的克拉通盆地之一的塔里木盆地，其新元古代发育了南华系和震旦系沉积体系，纪录了大量新元古代盆地构造属性和板块动力学信息。塔里木盆地也是中国陆上面积最大的含油气沉积盆地，油气资源丰富[1]。随着全球克拉通盆地深层古老层系油气的不断发现，震旦系已成为油气勘探的重要新领域[2-5]。2020年1月在塔里木盆地北部轮探1井超深层(8 200 m以下)的下寒武统吾松格尔组和震旦系奇格布拉克组的油气勘探获得重大发现[6]，显示出塔里木盆地震旦系等深层古老层系具有巨大的油气资源勘探潜力。塔里木盆地震旦系已经成为塔里木克拉通盆地深层油气勘探的重点层系。

对震旦纪盆地的构造属性，前人从不同角度进行了研究和探讨。根据阿克苏地区地层序列和沉积充填特征，提出塔里木北缘震旦纪经历了从大陆裂谷盆地到被动大陆边缘盆地的演化[7]；阿克苏地区震旦系玄武岩研究表明其形成于陆内或板内裂谷环境，指示震旦纪盆地是大陆裂谷成因[8-9]；另一些学者[10-15]基于震旦系岩性序列、沉积建造特点和碎屑物源分析认为是被动大陆边缘盆地；对比南华纪盆地沉积特点和空间发育分布规律，认为震旦纪发育坳陷盆地[16]；根据南华纪和震旦纪盆地构造变形分析认为，震旦纪盆地为继承性裂谷盆地[17]。

为了进一步分析揭示塔里木震旦纪盆地的构造属性，笔者以位于塔里木盆地西北缘阿克苏—乌什地区的什艾日克剖面(图1)[18-19]为研究对象，开展震旦系沉积学特征和基于碎屑锆石年代学的沉积物源分析，探讨震旦系盆地的构造属性。

1 震旦系发育特征

阿克苏—乌什地区震旦系由苏盖特布拉克组和奇格布拉克组组成。

苏盖特布拉克组(Z1s)沉积特征整体下粗上细，早期沉积以陆相为主，逐渐过渡为海相，一般分为上、下2个亚组。下亚组属强氧化环境的碎屑沉积，岩性主要为紫红色中薄层状中细砂岩、粉砂岩和粉砂质页岩，底部为暗紫红色块状砾岩，富含微古植物化石；上亚组为弱还原环境的碳酸岩—细碎屑岩沉积，主要为灰绿色、黄灰色页岩及细砂岩、粉砂岩，夹竹叶状灰岩、砂质灰岩和钙质白云岩，下部夹细砾岩，富含微古植物化石及少量叠层石等。本组不整合覆盖于下伏冰碛岩之上，冰碛岩缺失时可直接覆盖于巧恩布拉克群或超覆于更古老的阿克苏群之上，与上覆地层整合接触。

奇格布拉克组(Z2q)是震旦系最上部的岩石地层单元，主要为一套滨海—浅海相的浅灰色中厚层状白云岩(下部夹砂岩)，近顶部常见有晶洞或溶洞状白云岩、砂质白云岩，富含叠层石、核形石和微古植物化石。厚度均较稳定，一般为141～195 m[20]。本组下部与苏盖特布拉克组为连续过渡关系，通常以底部第一层碳酸盐岩稳定层出现为界；上部与下寒武统玉尔吐斯组为平行不整合接触，顶部常见晶洞状白云岩，与上覆层之间存在一层微弱的侵蚀面。

2 什艾日克剖面震旦系沉积充填特征

什艾日克剖面位于阿克苏市阿依库勒镇西北约15 km处(图1)，剖面岩层倾向主要为南东方向，主要出露基底阿克苏群、震旦系苏盖特布拉克组及奇格布拉克组、寒武系和奥陶系，剖面十分连续，露头清晰新鲜。

图1 塔里木克拉通及邻区构造格局(a)，塔西北阿克苏—乌什地区地质简图(b,c)分别修改自文献[18]和[19]。Fig.1 Tectonic pattern of the Tarim Craton and its adjacent areas (a) and simplified geological map of Aksu and Ush areas in northwestern Tarim (b,c)

阿克苏群未见底，岩性主要为灰色粉砂质硅质片岩、泥质片岩，片理倾向大体为北北西向，可见紫红色花岗伟晶岩脉侵入(图2a)；因构造作用局部岩层发育褶皱变形，晚期岩脉也发生了褶皱变形，故推测变形事件与侵入事件应是两期事件，而上覆苏盖特布拉克组均未经历这两期事件。苏盖特布拉克组与下伏的阿克苏群呈不整合接触(图2b)。

什艾日克剖面的苏盖特布拉克组厚约325 m，为滨岸相沉积，与上覆奇格布拉克组连续过渡。苏盖特布拉克组的岩性可以分为上、中、下3段。底部为一套厚层状—中厚层状紫红色底砾岩(图2b)，砾石成分主要有花岗伟晶岩砾(图2d)，少量片岩砾(图2c)，再往上以燧石为主。花岗伟晶岩砾上文说到可能来源于侵入到阿克苏群片岩中的花岗伟晶岩脉，属于近源的阿克苏群的剥蚀；砾石横向分布不稳定，呈透镜状，直径0.5～8 cm不等，磨圆较差。下段下部为紫红色中厚层—中薄层砂砾岩、粗砂岩(图2e)，上部粒度变细，主要为紫红色中薄层状细砂岩夹薄层状粉砂岩、泥岩(图2f)。中段主要为紫红色中薄层状中细砂岩与薄层状细砂岩、粉砂岩不等厚互层沉积，形成多个下粗上细的沉积旋回，平行层理、交错层理(图2g)极为发育，局部发育粒序层理，泥质粉砂岩中可见水平层理。上段颜色有所变化，主体为黄红色中层状—中薄层状细砂岩与粉砂岩互层沉积(图2h)，总体粒度有变细的趋势，发育平行层理，砂岩表层常见溶蚀孔洞；顶部出现一层厚层状白云岩，发育晶洞，是苏盖特布拉克组与奇格布拉克组的界线(图3a)。综上所述，什艾日克剖面苏盖特布拉克组整体为滨岸相沉积(图4)。

图2 塔里木盆地西北缘什艾日克剖面震旦系苏盖特布拉克组野外照片Fig.2 Field photos of Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

奇格布拉克组厚约160 m，分为上下2段。下段为青灰色白云岩与灰绿色砂岩互层沉积(图3b)，白云岩中可见叠层石发育(图3c，e)，灰绿色砂岩发育多层韵律，具有鲍马序列的特点(图3d)。上段主要为中厚层状—块状白云岩(图3f)，最大层厚可达22 m，可见水平层理发育。上覆寒武系玉尔吐斯组为黑色泥岩，与奇格布拉克组灰色白云岩呈平行不整合接触。这些沉积特征表明什艾日克剖面奇格布拉克组总体为局限台地相沉积(图4)。

图4 塔里木盆地西北缘什艾日克剖面震旦系综合柱状图Fig.4 Stratigraphic histogram of Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

3 样品特征及测试方法

样品17SARK-01，17SARK-03，17SARK-05分别采自什艾日克剖面苏盖特布拉克组下段、中段、上段。位置(GPS)分别为40.990 77°N，79.986 81°E；40.990 16°N，79.989 33°E；40.988 51°N，79.989 87°E。均为紫红色细砂岩，其中样品17SARK-03石英含量较高。

什艾日克剖面样品的锆石单矿物分选和制靶在廊坊市尚艺地质服务有限公司完成，分离锆石采用标准密度法和磁学方法。LA-ICP-MS锆石U-Pb定年及锆石透、反射在南京师范大学地理科学学院激光烧蚀电感耦合等离子体质谱实验室完

成。测试使用Agilent 7700XICP-MS仪器耦合到CETAC Teledyne Analyte 193 nm激光微探针获得锆石U-Pb定年数据。实验中采用氦气作为剥蚀物质载气，激光光束直径为32 μm，激光频率为6 Hz，激光强度为50 Mj。同位素分析采用标准锆石91500外标进行校正，元素含量测定应用NIST SRM610玻璃作为外标，Si29作为内标元素进行校正。每完成5～6个测点的样品测定，测试标样91500两次。测样方式为单点激光剥蚀，每完成两组样品测定加测标样清湖(Qinghu)一次，来检查91500标样的稳定性。锆石定年中Pb同位素比值、U-Pb年龄数据处理采用IGORPro(Ver6.22)软件，年龄采用Isoplot(Ver4.15)程序进行计算。

4 碎屑锆石U-Pb年龄分析结果

样品17SARK-01为细砂岩。总共选取100个锆石颗粒进行测试，其中有97个点为谐和年龄，且谐和度普遍在95%以上，在谐和曲线图上均落于谐和线上(图5)。该样品测试的锆石Th/U比值范围为0.03～4.05，只有1颗锆石的Th/U比值在0.03～0.10，可能为变质锆石；有10个测试点Th/U比值在0.10～0.40；90%的锆石Th/U比值在0.40～4.05，表明测试样品的锆石为岩浆成因锆石。样品17SARK-01谐和年龄最大的锆石分析点为(3 262±25) Ma，最小的锆石年龄为(753±21) Ma，锆石年龄分布有4个主要的年龄峰：～797，～1 964，～2 305，～2 603 Ma(图6)。该样品中年龄最大的锆石年龄范围在3 262～3 138 Ma，为古太古代的年龄。

样品17SARK-03为石英砂岩。总共选取103个锆石颗粒进行测试，其中有99组为谐和年龄，且谐和度普遍在95%以上，在谐和曲线图上均落于谐和线上(图5)。该样品测试的锆石Th/U比值范围为0.07～4.54，只有1颗锆石的Th/U比值在0.07～0.10，可能为变质锆石；有18个测试点锆石Th/U比值在0.10～0.40；大部分锆石Th/U比值在0.40～4.54，表明测试样品的锆石为岩浆成因锆石。样品17SARK-03谐和年龄最大的锆石分析点为(2 365±40) Ma，最小的锆石年龄为(613±14) Ma，锆石年龄分布有5个主要的年龄峰：～621，～740，～1 840，～1 989，～2 305 Ma(图6)。3颗最年轻的谐和锆石年龄平均值为623 Ma，指示其最大沉积年龄。

样品17SARK-05为石英细砂岩。总共选取100个锆石颗粒进行测试，其中有97组为谐和年龄，且谐和度普遍在95%以上，在谐和曲线图上均落于谐和线上(图5)。该样品测试的锆石Th/U比值范围为0.014～2.62，有3颗锆石的Th/U比值在0.014～0.10，可能为变质锆石；有16个测试点锆石Th/U比值在0.10～0.40；大部分锆石Th/U比值在0.40～2.62，表明测试样品的锆石为岩浆成因锆石。样品17SARK-05谐和年龄最大的锆石分析点为(2 665±29) Ma，最小的锆石年龄为(612±13) Ma，锆石年龄分布有6个主要的年龄峰：～616，～736，～1 781，～1 864，～2 019，～2 335 Ma(图6)。2颗最年轻的谐和锆石年龄平均值为618 Ma，指示其最大沉积年龄。

图5 塔里木盆地西北缘什艾日克剖面震旦系苏盖特布拉克组沉积岩碎屑锆石U-Pb年龄谐和曲线Fig.5 U-Pb concordia plots for detrital zircons of sedimentary rocks from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

图6 塔里木盆地西北缘什艾日克剖面震旦系苏盖特布拉克组沉积岩碎屑锆石U-Pb年龄谱图Fig.6 U-Pb age spectrum for detrital zircons of sedimentary rocks from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin

5 讨论

5.1 苏盖特布拉克组物源特征

对比3个苏盖特布拉克组碎屑锆石年龄谱，发现年龄分布总体较为相似，但也有一定的差异性，总体表现为5个年龄组(表1)。

表1 塔里木盆地西北缘什艾日克剖面震旦系苏盖特布拉克组碎屑锆石年龄谱峰值特征Table 1 Peak age characteristics of detrital zircons from Sinian Sugetebrak Formation in Shiaireke section, northwestern margin of Tarim Basin Ma

在阿克苏—乌什地区虽未发现早于元古代的岩石，但是塔里木克拉通北缘已广泛记录到年龄在2 700～2 300和2 100～1 800 Ma的岩浆岩或者变质岩。苏盖特布拉克组碎屑锆石年龄谱存在2个早期的峰值，约2 600和2 300 Ma，这2个年龄峰值可能与广泛分布的新太古代—早古元古代岩石单元有关。近十年来，库尔勒—库鲁克塔格地区已发现了丰富的新太古代—早古元古代的岩石：TTG片麻岩[207Pb/206Pb年龄加权平均值分别为(2 516±6)，(2 575±13)，(2 460±3) Ma][21]、片麻状花岗岩[207Pb/206Pb年龄加权平均值(2 469±12) Ma)][22]、库尔勒正片麻岩(年龄2 370 Ma)[23]、英云闪长岩[年龄(2 601±21) Ma]、奥长花岗岩[年龄(2 640±61) Ma]、钾长花岗岩[年龄(2 534±19) Ma)][24]、黑云母角闪片麻岩[原岩年龄(2 391±73) Ma][25]、库尔勒正片麻岩[207Pb/206Pb年龄加权平均值(2 293±16) Ma]、角闪岩(207Pb/206Pb年龄加权平均值2 710～2 740 Ma)[26-27]。因此，本研究中2 600和2 300 Ma峰值年龄的锆石很可能来源于与库尔勒—库鲁克塔格地区的新太古代—早古元古代岩石相同的塔里木克拉通内部新太古代—早古元古代基底。

峰值3由3个次一级的年龄峰值构成，其年龄约为2 000～1 800 Ma。塔里木盆地北缘在2 100～1 800 Ma期间具有广泛的岩浆作用和变质作用，被解释为与哥伦比亚超大陆的聚合有关[26]。近年来在库尔勒—库鲁克塔格地区，报道了大量古元古代中期的岩浆岩和变质岩，包括(1 916±36) Ma的变质辉长岩[28]，结晶年龄为(1 915±13) Ma的花岗岩[29]，结晶年龄为(1 944±19) Ma的花岗闪长岩和(1 934±13) Ma的片麻状石英闪长岩[30]，结晶年龄为1930～1940 Ma、变质年龄为1910～1920 Ma的花岗岩类岩石[31]以及各种片麻岩和片岩[25-26，32]。此外，该地区几乎所有较老的岩石都在1 930～1 790 Ma期间发生了强烈的变质作用[12，25-27，31，33]，其锆石具有均匀的内部结构，可能与变质作用相关，而这些变质岩可能是2 000～1 800 Ma年龄的锆石的来源。因此，塔里木克拉通古元古代(2 100～1 800 Ma)基底也为阿克苏地区的震旦系提供了碎屑物质。

对于峰值4(约790～730 Ma)的碎屑锆石，其Th/U比值基本大于0.4，说明锆石是岩浆成因。塔里木克拉通北部有大量的新元古代岩浆岩，其中发现了丰富的850～730 Ma裂谷相关岩浆岩[8，22，24，34-42]，以及743～727Ma的火山岩[43-44]。例如，库鲁克塔格地区花岗岩、花岗闪长岩、镁铁质岩脉和超镁铁质侵入体的年龄范围为770～830 Ma[34-35]；库鲁克塔格地区发现埃达克质深成岩体的U-Pb年龄为(790±3)和(798±3) Ma[36]。结合前人工作，峰值4的碎屑锆石大都具有明显的振荡环带，说明其为岩浆成因；多数呈自形形态，说明搬运距离相对较短。笔者认为峰值4的碎屑锆石可能来源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷岩浆作用形成的岩浆岩。

苏盖特布拉克组碎屑锆石最年轻的峰值是峰值5(约620 Ma)。在塔里木盆地北缘同样也发现了大量这个时间段的岩浆岩，库尔勒基性岩脉的SHRIMP U-Pb锆石年龄为650～630 Ma[37]；库鲁克塔格地区特瑞艾肯和汉格尔乔克组之间的一层火山灰的U-Pb锆石年龄为615 Ma[38]。此外，该年龄峰值与塔里木盆地北部的钾长花岗岩[18]、过铝质花岗岩[45]和镁铁质岩墙[42]的侵入年龄基本一致。而且，在塔里木盆地西北缘苏盖特布拉克剖面的苏盖特布拉克组内部的玄武岩中获得了2个加权平均年龄(615.2±4.8)和(614.4±9.1) Ma[8]。通过前面的分析我们可以初步认为，苏盖特布拉克组的地层沉积年龄大致在615 Ma左右，而年龄峰值5的620 Ma左右碎屑锆石峰值年龄与地层的年龄基本一致。因此，笔者认为620 Ma的年龄峰值5应该是苏盖特布拉克组沉积时的岩浆作用在地层中的记录，这一年龄的锆石直接来自于同期岩浆作用。

5.2 塔里木西北缘震旦纪盆地属性

关于塔里木南华纪和震旦纪的盆地性质，前人先后对塔里木东北缘、西北缘、西南缘以及盆地区等从不同角度开展了诸多研究，取得了很多重要认识。新元古代晚期的南华纪是盆地构造伸展的重要时期，盆地结构上具有地堑和半地堑结构[17,46-47]，地层沉积厚度大、横向变化快[16，46]，而且普遍发育火山岩夹层[39，48]，因此，南华纪盆地具有典型大陆裂谷盆地特点[10，39，46，48-51]。对于震旦纪盆地的构造属性，先后有学者提出了大陆裂谷[8-9]、从大陆裂谷盆地到被动大陆边缘盆地[7]、被动大陆边缘盆地[11，42]、从克拉通内坳陷盆地到被动陆缘盆地[15]、继承性裂谷盆地[17]等不同认识。

塔里木盆地内部地震资料表明，新元古代裂谷序列具有典型的裂谷期和坳陷期双重构造特征[46，52]。从地震剖面解析，新元古界可以识别出典型的地堑等裂谷盆地结构，南华系具有明显的断陷盆地结构，震旦系则具有坳陷的特点(图7)。从野外实测剖面来看，塔里木盆地南华—震旦系具有大陆裂谷建造特征，南华系从西方山组到尤尔美那克组，发育裂陷作用控制下的快速充填的浊积岩沉积建造，记录了多期冰川作用形成的冰水相沉积；震旦系从苏盖特布拉克组到奇格布拉克组，由碎屑岩建造转变为海相碳酸盐岩建造，这与盆地从裂陷盆地到坳陷盆地演化的持续沉降过程相吻合。

图7 塔里木盆地MX10-556地震测线剖面结构Fig.7 Structure along seismic profile MX10-556 in Tarim Basin

从前文碎屑锆石物源分析可以发现，塔里木盆地西北缘苏盖特布拉克组的沉积物源都是来自塔里木克拉通本身，年龄峰值1，2和3的碎屑锆石来自塔里木克拉通内部新太古代—中元古代基底，年龄峰值4的碎屑锆石可能来源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷岩浆作用形成的岩浆岩，而年龄峰值5的锆石是直接来自地层沉积时的岩浆作用。西北缘苏盖特布拉克组的沉积物源只有塔里木克拉通本身的物源，没有塔里木克拉通之外(如碰撞造山带、活动大陆边缘等)的沉积物源，这一特征可以排除苏盖特布拉克组沉积时的盆地性质不是与会聚板块边界有关的盆地。

结合地震剖面所具有断陷—坳陷的结构特征、南华系快速充填的浊积岩沉积建造、震旦系由碎屑岩建造转变为海相碳酸盐岩建造、震旦系苏盖特布拉克组沉积同期的岩浆作用存在，笔者认为塔里木盆地西北缘震旦系经历了裂谷性盆地的断—坳转换阶段和坳陷阶段。

6 结论

(1)什艾日克剖面震旦系具有碎屑岩建造向海相碳酸盐岩建造转换的特征。苏盖特布拉克组整体为滨岸相碎屑岩沉积，下部为中厚层—中薄层砂砾岩、粗砂岩，向上总体逐渐变细，至上部为中层状—中薄层状细砂岩与粉砂岩互层沉积；奇格布拉克组总体为局限台地相沉积，下段为白云岩与砂岩互层沉积，上段为中厚层状—块状白云岩。

(2)什艾日克剖面震旦系苏盖特布拉克组碎屑锆石年龄存在约2 600，2 300，2 000～1 800，790～730和620 Ma5个年龄峰值，其中2 600，2 300和2 000～1 800 Ma年龄峰值的碎屑锆石来自于塔里木克拉通内部新太古代—中元古代基底，790～730 Ma年龄峰值的碎屑锆石可能来源于塔里木盆地新元古代晚期的裂谷岩浆作用形成的岩浆岩，而620 Ma年龄峰值的锆石是直接来自地层沉积时的裂谷岩浆作用，这些特征表明碎屑物质可能来源于塔里木盆地北缘本身。

(3)结合地震剖面所具有断陷—坳陷的结构特征、南华系快速充填的浊积岩沉积建造、震旦系由碎屑岩建造转变为海相碳酸盐岩建造、震旦系苏盖特布拉克组沉积同期的岩浆作用存在，认为塔里木盆地西北缘震旦系经历了裂谷性盆地的断—坳转换阶段和坳陷阶段。