新疆博格达地区中二叠世—早三叠世构造-气候-沉积演化及耦合机制*

史燕青 王 剑 张国一 刘 明 向鹏飞 杨志波 季汉成

1 中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249 2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249 3 中国石油新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000 4 中国石油吉林油田勘探开发研究院，吉林松原 138000

古气候的变化对沉积环境以及沉积体系变化影响巨大，从全球范围来看，二叠纪至三叠纪是盘古超大陆聚合的关键时期，大量研究表明晚二叠纪和早三叠纪经历了地球历史上一些最显著的气候变化事件(Trappe, 2000； Sunetal.， 2018)。准噶尔盆地博格达地区特殊的构造位置使得其二叠纪—三叠纪构造演化及沉积环境演替成为了国内外研究热点，尤其博格达山的隆升过程及其与两侧盆地的耦合关系备受关注。博格达山是在晚古生代裂谷或火山弧基础上发展起来的重要陆内造山带，然而其初始隆升时限和对区域沉积环境的控制还存在巨大争议(方世虎等，2007;Tangetal.， 2014;Chenetal.， 2015;Wangetal.， 2017, 2018b)。在晚石炭世，北疆地区基本结束了大洋的闭合和地块的拼合(Hanetal.， 2010)，而中生代准噶尔盆地全面进入陆内演化阶段，二叠纪到三叠纪是准噶尔盆地构造演化的关键时期，同时二叠系和三叠系也是准噶尔盆地和吐鲁番盆地的有利烃源岩层和油气储集层。因此对这一时期的构造-沉积演化的研究不仅对区域构造意义重大，同时对油气勘探具有重要的指导作用。博格达地区在二叠系—三叠系内部存在中、上二叠统之间的角度不整合，并且沉积环境也存在着突变(Xiaoetal.， 2010;刘冬冬等，2013)。认为这一角度不整合形成和沉积环境变化的原因，主要包括北天山在晚二叠世的隆升(Tangetal.， 2014)、气候的干旱化导致的湖盆萎缩(Liuetal.， 2017)以及博格达山的初始隆升(Wangetal.， 2018b; Shietal.， 2020)等。

本研究以博格达山北缘的中二叠统—下三叠统为研究对象，基于野外露头、钻井岩心、测井和地震资料等，通过沉积学、构造地质学、地球化学、地球物理等多学科方法交叉，对博格达地区行了详细的沉积相、古气候条件分析，重建博格达地区的沉积体系演化和古气候变化，来探讨中二叠世—早三叠世构造-气候-沉积三者的耦合机制。此研究将更深入了解博格达山、天山和区域盆地之间的构造联系，不仅对于丰富中亚造山带古生代—中生代构造演化的研究具有重要的理论意义，还可以为准噶尔盆地东南缘油气资源勘探提供新的思路，具有重要的理论和社会经济意义。

图 1 新疆博格达地区地理位置及井位分布Fig.1 Geographical location and drilling wells distribution of Bogda area, Xinjiang

1 地质背景

准噶尔盆地位于西伯利亚克拉通和塔里木克拉通之间，盆地北邻阿尔泰造山带，西接哈萨克斯坦板块，南靠天山造山带和博格达山，填充了石炭系至第四系巨厚的海相和陆相沉积地层(Hendrixetal.， 1994;Sengör and Natal′in, 1996; Jahn，2004;Charvetetal.， 2007;Windleyetal.， 2007；Hanetal.， 2010)。准噶尔盆地南缘受控于天山造山带，以乌鲁木齐为界，准噶尔盆地南缘和天山构造带可以划分为西段和东段，西段属于北天山山前冲断带，沿北西西方向延伸，是一个多期叠加的构造带，最新的构造运动来自印度—欧亚板块碰撞远程效应，造成北天山的再次复活造山，在准噶尔盆地南缘形成再生前陆盆地(Shuetal.， 2003;Xiaoetal.， 2008;Jolivetetal.， 2010;Wangetal.， 2011;Li，2012;李忠等，2012;Wangetal.， 2018a)；而准噶尔盆地南缘的东段，构造特征相对复杂，博格达山作为东天山的支脉，呈近东西向的弧形展布，与北天山在乌鲁木齐附近交汇；同时博格达山作为分水岭，将北部的准噶尔盆地和南部的柴窝堡凹陷—吐哈盆地分隔开来(图 1-a)。

表 1 准噶尔盆地及周缘地区地层划分对比 (据新疆维吾尔自治区地质矿产局，1993，1999；修改)Table1 Stratigraphic division and correlation of Junggar Basin and its adjacent areas(modified from Bureau of Geology and Mineral Resources of Xiangjiang Uygur Autonomous Region, 1993, 1999)

准噶尔盆地发育了较完整的古生界至中生界，在不同的地区，区调填图和油气勘探中所采用的地层命名有所差别(表 1)。本次研究基于博格达山前晚古生界到中生界野外露头和准噶尔盆地南缘东部阜康凹陷、吉木萨尔凹陷的60余口钻井资料(图 1-b)，以中二叠统平地泉组、上二叠统梧桐沟组和下三叠统韭菜园子组3个层系开展沉积相分析(表 1)，恢复博格达地区中二叠世到早三叠世的沉积演化过程。此外，平地泉组是博格达地区中二叠统的上部地层，20世纪70年代填图过程中又被称为红雁池组，南缘西部红雁池组即对应于南缘东部平地泉组。3套地层接触关系一致，中二叠统平地泉组和上二叠统梧桐沟组之间为不整合接触(刘冬冬等，2013)，而梧桐沟组和下三叠统韭菜园子组之间为整合接触。

2 中二叠世—早三叠世沉积体系及演化

2.1 沉积体系类型

通过对博格达山前中二叠统至下三叠统露头及凹陷内典型取心井岩心观察和描述，结合测井响应特征，明确研究区中二叠统平地泉组、上二叠统梧桐沟组、下三叠统韭菜园子组分别发育辫状河三角洲—湖泊、冲积扇、扇三角洲—湖泊沉积体系。

2.1.1 辫状河三角洲—湖泊沉积体系

中二叠统平地泉组是准噶尔盆地南缘油气勘探的重要烃源岩层系，在山前岩性较细，常见厚层碳质页岩、泥灰岩、含黄铁矿砂岩等，常发育浪成波痕、水平层理等沉积构造，均指示湖相沉积环境(图 2-a至2-c)。在吉木萨尔凹陷和阜东斜坡地区，平地泉组的岩性较博格达山山前有所变化，常见砾岩、含砾砂岩和砂岩，夹有中细砂岩、粉砂岩、泥岩和煤层，在阜康凹陷东斜坡和吉木萨尔凹陷中北部地区，发育平行层理、交错层理、冲刷面、软沉积物变形构造等(图 2-d，2-e)。凹陷内辫状河三角洲平原亚相常见，电测曲线上河道沉积呈现钟形和箱形，录井可见含砾砂岩、灰绿色砂岩、泥岩互层，反映辫状河道和越岸沉积交替出现，水动力变化较快，多期河流冲刷的特点(图 3-a)。辫状河三角洲前缘亚相大多发育在阜康凹陷和吉木萨尔凹陷的南部，岩性以灰色、灰绿色含砾砂岩、粗砂岩、中细砂岩为主，发育平行层理、交错层理等，常见冲刷构造，可划分为水下分流河道、分流间湾、河口坝和远砂坝等微相(图 3-b)。

平地泉组在凹陷北部的J29和J173井区主要发育辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积，到J172-J18-J23井区地层向南明显增厚，发育滨浅湖—半深湖—深湖沉积，泥岩含量增大(图 4)。结合平地泉组在博格达山前吉木萨尔地区发育的厚层碳质页岩、灰岩、泥灰岩等湖相沉积产物，认为博格达山北部地区的中二叠统平地泉组发育由北向南展布的辫状河三角洲—湖泊沉积体系(图 4)。

2.1.2 冲积扇沉积体系

上二叠统梧桐沟组在野外出露于博格达山北缘吉木萨尔附近，以大套的砾岩为典型特征，砾石直径1～10icm，成分复杂，分选较差，次棱角—次圆状，杂基含量高，无明显层理构造，杂乱堆积，表现出典型的冲积扇沉积特征(图 2-f)。梧桐沟组在阜康凹陷和吉木萨尔凹陷井下及露头有类似的岩性特征，以红褐色砾岩和杂色砾岩为主，反映为暴露的氧化环境，砾石分选差，杂乱或直立排列(图 2-g，2-h)，为泥石流快速堆积而成。沉积构造单一，主要为大规模的块状构造，岩心上可见冲刷面，局部发育叠瓦状构造、平行层理和板状交错层理。

因此，梧桐沟组整体主要发育冲积扇沉积，在单井上可以识别出泥石流沉积、河道沉积、漫流沉积等微相，在垂向上交替出现(图 3-c)；沉积早期，底部发育泥石流、辫状水道沉积，辫状水道砂体厚度超过20im，沉积晚期冲积扇整体向北部扩张，发育辫状水道砂体，连续性较好(图 5)。地层厚度由南向北逐渐增大，与平地泉组正好相反。

a—波痕，红雁池剖面中二叠统红雁池组；b—厚层碳质泥岩，柴窝堡剖面中二叠统红雁池组；c—含黄铁矿砂岩，乌鲁木齐剖面中二叠统红雁池组；d—冲刷面，中二叠统平地泉组；e—软沉积物变形，中二叠统平地泉组；f—砾岩，博格达山北缘上二叠统梧桐沟组；g—B19井，2058.32im，砾岩，上二叠统梧桐沟组；h—B84井，2694.13im，凝灰质角砾岩，上二叠统梧桐沟组；i—定向排列砾石，吉木萨尔西大龙口剖面下三叠统韭菜园子组；j—砾岩，F19井，2675.25im，下三叠统韭菜园子组；k—冲刷构造，B53井，2345.07im，下三叠统韭菜园 子组；l—平行层理，XQ9井，2599.54im，下三叠统韭菜园子组；m—泥裂冲刷，XQ11井，3137.89im图 2 新疆博格达地区中二叠统平地泉组(红雁池组)—下三叠统韭菜园子组岩石类型及沉积构造Fig.2 Rock types and sedimentary structures of the middle Permian Pingdiquan(Hongyanchi) Formation-lower Triassic Jiucaiyuanzi Formation in Bogda area， Xinjiang

图 3 新疆博格达地区中二叠统平地泉组—下三叠统韭菜园子组钻井沉积相划分Fig.3 Sedimentary facies of the middle Permian Pingdiquan Formation-lower Triassic Jiucaiyuanzi Formation on drilling wells in Bogda area， Xinjiang

图 4 新疆博格达地区吉木萨尔凹陷中二叠统平地泉组连井沉积相剖面Fig.4 Sedimentary facies distribution of well section of the middle Permian Pingdiquan Formation in Jimsar sag，Bogda area， Xinjiang

图 5 新疆博格达地区吉木萨尔上二叠统凹陷梧桐沟组连井沉积相剖面Fig.5 Sedimentary facies distribution of well section of the upper Permian Wutonggou Formation in Jimsar sag，Bogda area, Xinjiang

2.1.3 扇三角洲—湖泊沉积体系

下三叠统韭菜园子组与上二叠统梧桐沟组岩性组合整体相似，但粒径普遍较细，磨圆度好，以砂岩和砂砾岩为主，砾石多呈叠瓦状排列(图 2-i)。常见平行层理、交错层理、冲刷面等，偶见水平层理，杂色砾岩伴随冲刷构造，为典型河道沉积(图 2-j至2-l)，另外可见泥裂冲刷(图 2-m)，主要发育扇三角洲—湖泊沉积体系。扇三角洲平原亚相包括垂向上重复叠置的辫状分流河道和漫滩沼泽沉积微相，辫状分流河道发育厚层颗粒支撑的砾岩、含砾砂岩，成分成熟度较低，分选中等或较差，可见砾石叠瓦状排列。漫滩沼泽一般为粉砂岩、泥岩和细砂岩的互层，发育交错纹理和干裂构造(图 3-d)。扇三角洲前缘亚相是韭菜园子组的沉积主体，发育紫红色、灰绿色互层粗砂岩、细粉砂岩和泥岩等，可见水平层理、波状层理和生物扰动构造。其中水下分流河道砂岩颜色以还原色为主，发育含砾粗砂岩和砂岩互层，以中、小型交错层理为主，分选中等，偶见脉状或波状层理(图 3-e)。凹陷中南部主体发育扇三角洲前缘沉积，多期水下分流河道垂向叠加，地层由南向北逐渐增厚；在凹陷东北部J29井，韭菜园子组发育厚层的暗色泥岩，表现为湖相沉积(图 6)。

图 6 新疆博格达地区吉木萨尔凹陷下三叠统韭菜园子组联井沉积相剖面Fig.6 Sedimentary facies distribution of well section of the lower Triassic Jiucaiyuanzi Formation in Jimsar sag，Bogda area,Xinjiang

2.2 沉积体系演化

综合博格达地区山前露头和准噶尔盆地中发育的中二叠统平地泉组、上二叠统梧桐沟组和下三叠统韭菜园子组岩性组合、沉积构造等特征，认为中二叠世末期平地泉组沉积期，在现今的博格达山及其以北地区，由北向南发育辫状河三角洲—湖泊沉积体系，博格达地区为湖盆沉积中心；至晚二叠世梧桐沟组沉积期，沉积环境发生显著改变，在博格达山及北部地区由南向北发育冲积扇沉积，并且沉积相的展布、水流方向和物源方向都较中二叠世发生了改变，前人对红雁池和吉木萨尔地区野外露头上、中二叠统到晚二叠统的古水流系统测量，也显示了水流方向的倒转(Greeneetal.， 2001；Wangetal.， 2018b)；到早三叠世，区域的沉积环境基本继承了晚二叠世，但是水体有明显加深，发育了由南向北展布的扇三角洲—湖泊沉积体系，湖盆的位置发育在现今的吉木萨尔凹陷北部地区(图 7)。

图 7 新疆博格达地区中二叠世—早三叠世沉积环境演化模式Fig.7 Sedimentary environment evolution pattern of the middle Permian-early Triassic in Bogda area, Xinjiang

3 中二叠世—早三叠世古气候演化

实验结果显示，中二叠统平地泉组CIA平均值为59.37，PIA平均值为71.86，化学风化程度为弱—中等；上二叠统梧桐沟组CIA平均值为66.5，PIA平均值为76.2，化学风化程度为中等；而下三叠统韭菜园子组CIA平均值为72.14，PIA平均值为85.39，较中二叠统和下三叠统有显著的升高，化学风化程度为中等—强。用A-CN-K三元图同样可以对化学风化进行评估，其中A=Al2O3(mol%)， CN=CaO*+Na2O(mol%)， K=K2O(mol%)。 化学风化最终产生高岭石、 三水铝矿、 绿泥石等富铝黏土矿物，即化学组分随着化学风化的增强程度趋向于A-CN-K三角图解中的A角。当钾交代作用较弱时，风化趋势线与A-CN这条边平行；反之，如果钾交代作用比较强，样品点的风化趋势线会向右偏离，不再平行于A-CN边。在A-CN-K三元图中可见，从中二叠统平地泉组到上二叠统梧桐沟组和下三叠统韭菜园子组，样品的化学风化程度逐渐升高，尤其韭菜园子组风化程度最强，大部分样品落点趋势线呈平行于A-CN边界，表明钾交代作用较弱(图 8)，同时也排除了成岩期钾交代作用对实验数据的影响。

图 8 新疆博格达地区中二叠统平地泉组—下三叠统 韭菜园子组A-CN-K 三元图Fig.8 Ternary diagram of A-CN-K of the middle Permian Pingdiquan Formation-lower Triassic Jiucaiyuanzi Formation in Bogda area,Xinjiang

表 3 新疆博格达地区F10井中二叠统—下三叠统泥岩元素含量及比值变化(n=16)Table3 Elements content and their ratios of mudstone of the middle Permian-lower Triassic in Well F10， Bogda area, Xinjiang(n=16)

图 9 新疆博格达地区中二叠统—下三叠统气候指数垂向变化(F10井)Fig.9 Vertical variation of climatic indicators of the middle Permian-lower Triassic(Well F10) in Bogda area， Xinjiang

总结起来，在博格达地区，在中二叠世和晚二叠世为半干旱—干旱的气候条件，在二叠纪—三叠纪之交由干旱—半干旱演化为湿润—半湿润气候，气候逐渐变得湿润温暖(图 9)。这一结论也和准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷获取的晚二叠世—中三叠世气候演化结果一致(黄云飞等，2017)。二叠纪、三叠纪之交的气候变化也是全球研究的焦点，有学者研究提出，晚二叠世末期西伯利亚的火山喷发带来大量的玄武岩，导致二氧化碳的释放、迅速的全球变暖和酸雨，促使大陆风化作用的迅速增强。大陆风化作用的增强使得陆地向海洋输送了过多的营养物质，导致海水富营养化、缺氧、酸化和生态紊乱，最终导致二叠纪末的生物大灭绝(Sunetal.， 2018)。同时全球古地理的研究也显示，晚二叠世，准噶尔地块处于北纬40°附近，靠近海洋，受古特提斯洋暖流影响，推测对区域古气候逐渐变为温暖、湿润起重要作用(李江海和姜洪福，2013)。

4 中二叠世—早三叠世沉积-构造-气候耦合机制

准噶尔盆地东南缘晚古生代的沉积-构造-气候演化过程，长期是国内外研究的焦点。尤其博格达地区在晚古生代的构造属性问题，是长期争议的热点。目前，越来越多的证据显示，博格达地区在早二叠世存在1个石炭纪基底上发育的裂谷。这些证据包括：博格达地区发育早二叠世的双峰式岩浆岩(Chenetal.， 2011)；博格达山晚石炭世到早二叠世岩浆活动从钙碱性向碱性的转化(Wangetal.， 2009;Walietal.， 2018)；准噶尔盆地中广泛发育的早二叠世地堑和半地堑(Qiuetal.， 2008)，这也在吉木萨尔凹陷中南北方向的地震剖面中有所体现(图 10)；在下二叠统中，还常见滑塌构造、风暴沉积、凝灰岩和灰岩、白云岩、砂岩的混合沉积等现象(舒良树和朱文斌，2005；Wangetal.， 2018a)。上述研究表明晚古生代地层沉积在1个逐渐加深的并且伴随有岩浆活动的裂谷盆地当中。

图 10 新疆博格达地区吉木萨尔凹陷地层展布剖面 (剖面位置见图 1，图中层面为地层的底界)Fig.10 Stratigraphic distribution profile of Jimsar sag， Bogda area, Xinjiang(profile location inFig.1)

在吉木萨尔凹陷南北走向的地震剖面上可见，中二叠统构造层呈现拗陷形态叠置到下二叠统的断陷沉积之上，地层的沉积厚度从吉木萨尔凹陷向博格达山逐渐增大，表明中二叠统的沉积中心不是在吉木萨尔凹陷，而是继承了早二叠世的裂谷，处于南部的博格达山地区(图 10)。中二叠统芦草沟组，广泛发育了泥页岩、白云岩和灰岩沉积，被普遍认为是湖相沉积环境，本研究对于中二叠世晚期沉积的平地泉组、上二叠统平地泉组进行系统的沉积相恢复显示，在博格达北部地区，该组发育1个由北向南展布的辫状河三角洲—湖泊沉积体系，这一结论也完全吻合区域构造背景。而从气候条件看，准噶尔盆地东南缘在中二叠世处于半干旱—干旱的条件(图 9)，在这样的气候条件下，中二叠世的湖盆具有较大的蒸发量，这也和中二叠统芦草沟组表现出来的咸化湖盆沉积特征相符(马克等，2017)。

CTS—南天山；NTS—北天山；CWD—柴窝堡凹陷图 11 新疆博格达地区中二叠世—早三叠世构造-古地理综合演化模式Fig.11 Tectono-palaeogeographic evolution pattern of the middle Permian-early Triassic in Bogda area, Xinjiang

与中二叠世相比，博格达地区晚二叠世的沉积环境发生突然改变，上二叠统梧桐沟组发育大套的红色砾岩、粗砂岩，沉积相分析也显示博格达山北缘地区在晚二叠世发育由南向北的冲积扇沉积(图 7)，中二叠世物源方向也发生反转。在地震剖面上可见，博格达山前上二叠统之前的地层发生了强烈的褶皱和逆冲变形，地层抬升剥蚀，上被上二叠统覆盖，相比较中二叠统，上二叠统和下三叠统的总体厚度，从博格达山前向吉木萨尔凹陷逐渐增大，与中二叠统正好相反，表明沉积中心迅速从博格达山迁移到博格达山前地区(图 10)，标志着博格达山在中二叠世末期到晚二叠世初期发生了强烈隆升。对博格达山南北缘基于碎屑锆石U-Pb年代学的物源对比分析表明，在中二叠世，博格达山南北缘地层的物源相同，而到早三叠世，博格达山南北缘的地层物源不同，其中南缘地层有明显的中天山物质输入，而在北缘地层中没有中天山物质输入(Shietal.， 2020)，证明了博格达山在晚二叠世已经隆升为高地，阻隔了中天山物质向博格达山北缘的搬运。而气候分析的结果显示，这一时间内，区域上的气候变化不大，CIA、PIA指数、Sr/Cu值显示出微弱的向湿润条件的迁移特征(图 9)。这一结论表明，准噶尔盆地东南缘在中二叠世末期到晚二叠世初期的区域不整合以及沉积环境的转变，主要受控于博格达山的隆升事件，而不是有些学者提出的干旱气候导致的湖盆萎缩(Liuetal.，2017)。

自晚二叠世中期开始到整个早三叠世，所有的风化指数和微量元素比值表现出很好的一致性，均显示气候条件从干旱—半干旱逐渐向半湿润—湿润条件转变，尤其在二叠纪与三叠纪界限表现出强烈的气候湿润化和温度的升高(图 9)。这样的气候条件变化，和沉积相的恢复结果非常吻合，从晚二叠世到早三叠世，博格达山的北缘从由南向北的冲积扇沉积演替为从南向北的扇三角洲—湖泊沉积体系，表明博格达山体的强烈剥蚀和山前湖盆面积的扩大和水体的加深，扇体入湖形成扇三角洲—湖泊沉积体系(图 7)。

综合岩相古地理恢复、古气候条件分析和地震剖面地层结构分析，结合区域研究成果，本研究建立了准噶尔盆地东南缘博格达地区自中二叠世到早三叠世的沉积-构造-气候演化和耦合模式： 博格达地区在早二叠世以博格达山现今所在的位置为核心发育裂谷和断陷湖盆，中二叠世继承了早二叠世的裂谷环境，以博格达山为中心，发育拗陷背景下的咸化湖盆，并且区域上火山活动活跃，气候条件在当时为半干旱—干旱，在中二叠世后期，湖盆范围有所萎缩，相应地围绕着博格达山为中心的湖盆，发育辫状河三角洲—湖泊沉积体系(图 11-a)。在晚二叠世初期，由于区域构造环境的调整，博格达山发生强烈隆升，导致博格达山为中心的湖盆的消亡，相应地，在山前发育冲积扇沉积，沉积物源方向也发生转变(图 11-b)。自晚二叠世中期至早三叠世，区域上的气候条件逐渐趋于湿润，气温逐渐升高，大量的降雨导致博格达山体的强烈剥蚀，山前凹陷的湖盆面积逐渐扩大，在博格达山前形成扇三角洲—湖泊沉积体系(图 11-c)。

5 结论

1)系统的沉积相分析表明，准噶尔盆地东南缘博格达山北部地区，中二叠统平地泉组发育由北向南延伸的辫状河三角洲—湖泊沉积体系；上二叠统梧桐沟组发育由南向北展布的冲积扇沉积体系；下三叠统韭菜园子组发育由南向北展布的扇三角洲—湖泊沉积体系。在中二叠世之后沉积环境和物源方向发生了突变。

2)化学风化指数以及微量元素比值的测试分析表明，从中二叠世至早三叠世气候逐渐趋于温暖、潮湿，化学风化作用逐渐增强。

3)博格达地区在中二叠世继承了早二叠世裂谷背景，在干旱—半干旱的气候条件下发育辫状河三角洲—湖泊沉积体系；晚二叠世初期，博格达发生了强烈隆升，导致早期湖盆消亡并在博格达北坡山前发育冲积扇，古气候由半干旱变化为半湿润；自晚二叠世中期开始至早三叠世，区域构造环境相对稳定，逐渐趋于温暖湿润的古气候对区域风化程度和沉积条件起主要控制作用，博格达山体遭受强烈风化剥蚀，北侧沉积湖盆面积逐渐扩大，形成扇三角洲—湖泊沉积体系。