准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系物源及其演化特征

王 柯, 高崇龙, 王 剑, 刘 明, 罗正江, 陈海峰,刘 可, 任 影, 邓 毅

1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江 大庆 163318 2.东北石油大学非常规油气研究院，黑龙江 大庆 163318 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

0 引言

准噶尔盆地作为我国西部一重要的含油气盆地，中深层油气储量丰富[1-3]。随着勘探进程的深入，准噶尔盆地南缘(准南)逐渐成为勘探热点地区。自2008年以来，中国石油持续勘探侏罗系—白垩系有利圈闭，先后钻探西湖1井、独山1井、大丰1井和高探1井，均见良好油气显示[4-5]。而准南东段紧邻博格达山，处于盆山交界地带，侏罗系—白垩系构造演化及地层发育特征十分复杂[6]，由于前期资料相对匮乏，使得目前油气勘探程度仍然较低，特别是有关侏罗系—白垩系储层沉积背景尚存在争议[6-8]。物源分析对于明确含油气盆地储层成因及展布特征具有重要意义，同时在恢复源区构造背景、沉积物搬运路径和沉积盆地充填历史等方面具有非常重要的作用[9-11]。目前众多学者已采用诸如重矿物法、碎屑岩类分析法、沉积学法、裂变径迹法、地球化学和同位素研究方法等多种方法对不同类型沉积盆地的物源条件进行过针对性探讨，并取得了一系列重要进展[9, 12-18]。但就准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系地层而言，前人对其物源研究较少，相关报道和认识仍存在一定的局限性。具体而言，主要体现在以下几个方面：前期相关研究多基于局部野外露头剖面资料，而缺乏重点井位资料相互论证补充[7,19]；仅采用较为单一的资料如重矿物组合特征进行物源分析，可能会对物源研究成果有所影响[8]；前人仅对目的层中某一地层组进行了物源分析，未将侏罗系—白垩系物源体系作为一个整体进行研究，导致其物源研究连续性存在不足[11,20]。

据此，本次研究充分利用准噶尔盆地南缘东段15口取心井、3条野外露头剖面及相关分析化验资料，应用砂岩碎屑成分、砾岩砾石成分、重矿物类型及组合、古水流特征及地层岩性比例特征等多种物源分析方法，对准南东段侏罗系—白垩系沉积物源特征及其演化进行系统研究。并在此基础上结合区域构造背景等相关研究成果，深入探讨准噶尔盆地南缘东段盆山耦合关系及其沉积背景。旨在揭示准噶尔盆地南缘沉积构造演化历史，以期对南缘东段侏罗系—白垩系油气储层进行精细预测。

1 区域地质背景

准噶尔盆地南缘位于准噶尔盆地与天山造山带的结合部位，北接昌吉凹陷，南邻天山，西至四棵树凹陷，东邻准噶尔盆地东部隆起[21]，整体表现出南北分带、上下分层的特点。而根据构造样式及构造演化的差异性，可将准噶尔盆地南缘划分为东、中、西三段[8,22]。其中东段主要指乌鲁木齐以东至博格达山前的构造区域(图1)，内部主要发育阜康断裂带，构造条件较为复杂[6,27]。

准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系主要发育下侏罗统八道湾组( J1b)、三工河组(J1s)，中侏罗统西山窑组(J2x)、头屯河组(J2t)，上侏罗统齐古组(J3q)、喀拉扎组(J3k)，以及下白垩统清水河组(K1q)。其中：下侏罗统八道湾组、三工河组以泥岩沉积为主[23,28]；中侏罗统西山窑组及头屯河组以泥岩、砂岩为主，且呈现出砂—泥岩薄互层特征[5]；上侏罗统齐古组、喀拉扎组主要以砂砾岩、泥岩沉积为主[8]；而下白垩统清水河组底部发育底砾岩，向上则以灰绿色、棕红色泥岩沉积为主[5]。此外，准南东段还发育有石炭系、二叠系及三叠系，而在石炭系内部凝灰岩大量发育。值得注意的是，博格达山出露地层主要为石炭系及二叠系，基岩岩性以凝灰(质)岩为主。而东部隆起区的克拉美丽山及南部天山基岩岩性则以岩浆岩和变质岩为主[8, 24-25,29-30]。

2 物源特征

2.1 砂岩碎屑成分

砂岩的碎屑成分明显受到物源区母岩类型的影响，其内部石英、长石和岩屑含量不仅可反映母岩岩石类型，还可以反映其沉积期距离物源区的远近[11,31]。南缘东段侏罗系—白垩系15口取心井及3条野外露头剖面的砂岩样品薄片统计分析结果表明：砂岩类型主要为长石质岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑砂岩(图2a)。砂岩以富岩屑为主要特征，岩屑体积分数最大可达80%，而石英和长石体积分数相对偏低，因此砂岩成分成熟度低，成分成熟度平均值为0.10～0.33(表1)。上述砂岩整体较低的成分成熟度反映了南缘东段侏罗系—白垩系沉积期距物源区较近的特点。此外，侏罗系—白垩系砂岩Dickinson Qt-F-L判别图解[35]显示侏罗系—白垩系砂岩沉积物源区以火山弧和再循环造山带为特征，并且落入火山弧物源区和再循环造山带物源区的样品点体积分数相当，仅有极少数样品点落入大陆块物源区(图2b)。由此可见，研究区侏罗系—白垩系各组地层沉积期物源区母岩成因较为多样。

a. 准南东段构造位置图；b. 准南地层发育特征图。据文献[23-26]修改。

a. 准南东段侏罗系--白垩系岩石类型图解，据文献[32]；b.准南东段侏罗系--白垩系Dickinson Qt-F-L判别图解，据文献[35],部分数据引自文献[36]。Q. 单晶石英；F. 单晶长石；R. 岩屑；Qt. 单晶和多晶石英；L. 不稳定岩屑。

表1 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系储层骨架碎屑成分、重矿物类型及相关分析参数特征

2.2 砾岩砾石成分

砾岩主要为近物源沉积，其砾石成分不仅可直接反映物源区母岩岩性，而且其成分变化还可以反映不同成因岩性母岩可能发生的隆升和剥蚀事件[9,37-38]。准南东段野外剖面及钻井砾岩砾石成分统计结果表明：八道湾组、西山窑组和头屯河组砾岩砾石成分均以沉积岩系砾石为主(包括泥岩、粉砂岩、砂岩等)，且沉积岩系砾石平均体积分数占60%以上(图3，表2)。上述现象说明准南东段在八道湾组至头屯河组沉积期主要受控于沉积岩为母岩类型的物源区，与图2所反映的物源区类型结论一致。特别地，由于凝灰岩砾石基本来源于石炭系，因此砾岩砾石成分中凝灰岩砾石体积分数的高低，可反映石炭系被抬升剥蚀的剧烈程度。具体而言，凝灰岩砾石体积分数越高，则反映构造作用造成的石炭系隆升剥蚀程度越大。由图3可见，准南东段八道湾组凝灰岩砾石体积分数较低，西山窑组至头屯河组凝灰岩砾石体积分数由高变低，反映了中侏罗世早期石炭系沉积地层存在一次抬升，使得其遭受剥蚀供源。结晶变质岩系砾石成分体积分数的高低，可以反映岩浆岩及与构造有关的变质岩山体供源强度大小，即天山及克拉美丽山供源强度的大小[39]。另外，图3中准南东段八道湾组结晶变质岩系成分砾石体积分数最高，而西山窑组和头屯河组结晶变质岩系砾石体积分数逐渐降低，说明中侏罗世天山及克拉美丽山对准南东段供源能力有所减弱。

图3 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系部分地层砾岩砾石成分特征

表2 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系各地层砾岩砾石各成分平均体积分数

2.3 重矿物类型及组合特征

不同类型的母岩经风化破坏后会产生不同的重矿物组合，因此可以利用重矿物及其组合类型来判别母岩性质及来源[40-41]。通过对准南东段侏罗系—白垩系15口井及3条野外露头剖面砂岩样品重矿物资料分析，共可鉴定出20余种重矿物，主要包括石榴石、锆石、电气石、金红石、白钛石、磁铁矿、钛铁矿等。

为了进一步厘清准南东段侏罗系—白垩系物源区母岩类型及潜在物源分区，本次研究采用聚类分析的方法对重矿物资料进行分析。聚类分析是多元统计中的一种数学分类方法。其实质是根据样本或变量之间的相似程度或亲疏关系把它们逐步分类的方法，聚类分析又分为R型聚类分析和Q型聚类分析[42-43]。R型聚类分析是研究变量之间的相关关系，即把同一样本中的不同变量进行比较,确定不同变量间的亲疏关系,进而对变量进行分类；Q型聚类分析是研究样本间的相互关系，是把不同样本中的同一变量进行比较，通过确定样本间的相似程度而对样本进行分类[44]。通过分别对准南东段15口井、3条野外剖面共计320个侏罗系—白垩系各组地层样品发育的陆源重矿物类型及体积分数进行R型聚类分析，得到各组地层重矿物树型聚类图谱(图4)。由图4可知，准南东段侏罗系—白垩系各组地层重矿物组合类型大致可区分为4大类(表3)：沉积岩类(包含火山碎屑岩等)，以重晶石、绿泥石、榍石、电气石、磷灰石和锆石等为主[56]；变质岩类，以石榴石、绿帘石、磁铁矿和钛铁矿等为主[8,56]；中酸性岩浆岩类，以锆石、电气石、磷灰石、黑云母、白钛石和钛铁矿等为主[11,56]；基性岩浆岩类，以(钛)磁铁矿、铬铁矿、钛铁矿和白钛石等为主[8,57]。由此可见准南东段侏罗系—白垩系沉积期源区条件较为复杂，这一复杂性与研究区南部的天山和博格达山及东北部的克拉美丽山母岩类型形成较好的对应关系(表3)。

除了通过R型聚类分析作为定性分析方法分析重矿物母岩类型外，还可利用Q型聚类方法对研究区不同井同一层位重矿物类型及体积分数的亲疏关系进行判别，从而确定南缘东段可能的潜在物源分区。由于西山窑组和清水河组所获井位资料较少，所以难以形成Q型聚类分析，但其重矿物组合特征仍可表现出物源分区特征(图5)。由图5可知，侏罗系—白垩系沉积期可存在多支潜在物源体系。其中，早侏罗世--中侏罗世早期可能存在南北两支物源体系，两支潜在物源体系重矿物均以较稳定的钛铁矿和白钛石为主(图5a,b，c)。可见，其重矿物成熟度较高；反映了早侏罗世--中侏罗世早期研究区距离物源区较远，推测两支物源体系分别受控于天山和克拉美丽山[58]；此外，头屯河组沉积期存在3个潜在物源体系，混源现象显著(图5d)，且头屯河组、齐古组及喀拉扎组部分重矿物组合中不稳定重矿物含量显著增大，主要以不稳定重矿物绿帘石为主(图5d,e)。绿帘石一般广泛分布于变质岩中，而绿帘石含量的增加，反映变质岩基底的隆升、剥蚀剧烈，从而造成山体的隆升改造作用加强。由此推测，头屯组至喀拉扎组沉积期，紧邻准南东段的博格达山不断隆升为研究区供源，反映了此过程中研究区近物源沉积的特点。

2.4 古水流流向特征

准南东段侏罗系—白垩系古水流数据主要来源于博格达山前3条野外地质剖面(铁厂沟剖面、三工河剖面、白杨沟剖面)和柴窝堡盆地内剖面[8, 51,59]。由图6可知，早侏罗世八道湾组—三工河组沉积期准南东段以自北向南古流向为主，但仍存在少量自南向北古水流数据(图6a,b)，反映了该时期研究区古水流主要受控于北部克拉美丽山物源体系。西山窑组至头屯河组沉积期准南东段除存在自北向南古水流外，还存在部分北西向古水流数据(图6c,d)，反映了该时期博格达山开始隆升并出露水面，进而在一定程度上改变了古水流方向。八道湾组至头屯河组沉积期柴窝堡盆地内部古水流方向以自南向北为主，反映了其主要受控于南部天山物源体系。齐古组沉积期准南东段多发育北西向或自东向西的古水流(图6e)，说明博格达山隆升对古水流方向影响程度加大，并作为一明显物源区对古水流方向起到主导作用；此外，齐古组沉积期还有自北向南方向，以及南东向或南西向的古水流方向(图6e)，反映了晚侏罗世早期博格达山的隆升，将准南东段与柴窝堡盆地阻隔开来，从而改变了古水流方向。下白垩统清水河组沉积期研究区以自南向北古水流为主，还存在少量自东向西的古水流数据(图6f)，反映了博格达山的全面隆升并作为主体物源区而对南缘东段沉积古水流方向起到决定性作用。

表3 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系储层重矿物组合特征及潜在源区

2.5 地层岩性比例特征

地层岩性比例特征可反映盆地内部距源区远近的沉积充填特征，一般而言距离源区越远地层内细粒泥岩和粉砂岩含量越大。本次研究在对准南东段侏罗系—白垩系各组地层内部钻井资料进行岩性比例的计算与统计后，再对各井间数据进行对比分析。

研究区八道湾组和三工河组各钻井中岩性比例以泥岩、粉砂岩体积分数最高(图7a)，反映了沉积期以细粒湖相沉积为主；西山窑组—头屯河组—齐古组沉积期，研究区各井中不同岩性体积分数变化并不明显，仍以泥岩为主(图7b,c,d)，反映了中侏罗世至晚侏罗世早期博格达山体仅部分出露水面，主体尚未大规模隆升，剥蚀并不剧烈，因此并未供给明显的砾级及砂级碎屑；准南东段在喀拉扎组沉积期相较于齐古组沉积期，沉积地层存在一个以泥岩体积分数为主向以砂岩体积分数为主的转变过程(图7d,e)，说明博格达山主体持续隆升且剧烈剥蚀，使得其可提供大量的粗粒碎屑沉积物；清水河组沉积期研究区各钻井砾岩及砂岩体积分数大幅度增加(图7f)，反映了博格达山隆起加大，并作为优势物源区大规模供给物源，这与上述古水流流向特征所得结论一致。

3 物源演化及沉积背景

准噶尔盆地南缘东段是盆地东部与博格达山接壤地区，多期构造运动叠加造成这一地区盆山演化关系复杂、物源体系多样的特点。石炭系沉积期，受中天山地体俯冲碰撞的影响(即天山中期运动)，准噶尔地体和吐哈地体发生拼接。并且由于准噶尔盆地东部库普岛弧和将军庙古陆的碰撞作用，使得克拉美丽山开始造山运动[60-62]。准噶尔盆地南缘东段形成主要在二叠纪，沉积环境逐渐由海相沉积向陆相沉积转变[63]。相比而言，早二叠世准噶尔盆地东北部山系(克拉美丽山)隆起较强烈，而南缘山系隆起较晚[63-64]。三叠系沉积期南缘东段断裂活动减弱，进入相对统一的填平补齐阶段，气候逐渐变得湿润，并且湖水范围不断扩大[30, 65-66]。

图4 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系沉积各类型重矿物体积分数R型聚类图

图5 准噶尔盆地南缘东段下组合侏罗系—白垩系各井发育重矿物类型比例及重矿物体积分数Q型聚类图

数据引自文献[16,29,45-46]。

准南东段晚三叠世受到周缘山体挤压抬升作用的影响，使得三叠系遭受剥蚀，造成其与八道湾组之间的区域不整合接触关系[7,67]。由图8可见，八道湾组厚度较为均匀，且整体大于三工河组厚度，揭示了南缘东段在早侏罗世早期构造背景稳定，但三工河组沉积期研究区东部构造不稳定，存在局部抬升剥蚀现象，使得三工河组向东出现剥蚀尖灭(图8)。而八道湾组砾岩中凝灰岩砾石成分与中侏罗统各组地层相比体积分数较小，甚至可以忽略不计(图3，表2)，反映了早侏罗世博格达山尚未隆升，石炭系凝灰岩地层尚未因此遭受剥蚀。此外，重矿物组合特征(图4)揭示，早侏罗世物源主要受控于沉积岩系和岩浆岩系山体，而下侏罗统沉积期存在两支潜在物源体系(图5a,b)。准南东段下侏罗统沉积期古水流方向以自北向南为主(图6a,b)，而泥岩沉积体积分数大(图7a)，反映了研究区以细粒湖相沉积为主。因此推断早侏罗世准南东段受南部(天山)和北部(克拉美丽山)物源体系的共同影响，上述两支物源体系在侏罗纪—白垩纪持续对准南东段供给物源碎屑(图9)，但早侏罗世北部物源供源能力相对较强(图9a,b)。下侏罗统ZTR和ZTR整体优于中上侏罗统(表1，图10)，反映了准南东段在早侏罗世距源区距离相对较远(图9a,b，图11 a,b)。

图7 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系不同井各组地层岩性比例特征

图9 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系各沉积期物源沉积体系演化特征

中侏罗统沉积期为准噶尔盆地南缘东段构造背景发生重大转变时期，受控于燕山运动，博格达山逐渐隆升出露水面而参与供源。从区域连井地层展布特征来看(图8)，南缘东段西山窑组厚度变化较大并在东部存在明显的超覆尖灭特征，但头屯河组变化相对较小。上述特征反映了西山窑组沉积期研究区东部存在抬升剥蚀过程。此外，中侏罗统砾岩中凝灰岩砾石体积分数较八道湾组有所增加，但结晶变质岩系砾石体积分数逐渐降低(图3，表2)。上述现象揭示了博格达山在中侏罗世开始隆升使得这一区域的石炭系凝灰岩地层出露水面并开始遭受剥蚀。相比而言，天山、克拉美丽山结晶变质岩系物源体系对准南东段供源强度逐渐减弱。而南缘东段头屯河组沉积期存在3支潜在物源体系(图5d)。且西山窑组和头屯河组沉积期古水流方向仍以自北向南为主，且自南向北古流向减少(图6c,d)，反映了博格达山的部分隆升改变了古水流方向。但值得注意的是，与下侏罗统相比，中侏罗统砂、砾岩体积分数尚未明显增加(图7b,c)，反映了博格达山仅部分出露水面，未能使其遭受大量剥蚀而供给砂、砾级碎屑。因此综合推断中侏罗世南缘东段整体受天山、克拉美丽山和博格达山物源体系影响，混源现象显著，且博格达山处于不断隆升状态，对准南东段的供源能力不断提高(图9c,d，图11 c,d)。特别地，中侏罗统ZTR及SCHM较下侏罗统均有所下降(表1，图10)，揭示了研究区距离物源区距离缩短，南缘东段周缘沉积边界发生萎缩(图9c,d，图11 c,d)。

图10 准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系各地层重矿物ZTR和SCHM变化特征

a. 八道湾组；b. 三工河组；c. 西山窑组；d. 头屯河组；e. 齐古组；f. 清水河组。NTS. 北天山；CWD. 柴窝堡凹陷。

晚侏罗世准噶尔盆地南缘东段地层受到周缘山体挤压抬升作用影响，盆地沉积边界由南向北推进[68]。从区域连井地层剖面可见齐古组和喀拉扎组整体展布呈现较为一致特征，地层厚度分布相对均匀(图8)，沉积构造背景相对稳定。而根据南缘东段上侏罗统各组重矿物Q型聚类分析结果推测沉积期存在3支潜在物源体系(图5d)，即仍存在混源现象。此外，喀拉扎组较齐古组砂、砾岩比例明显增大(图7e)，并且齐古组沉积时期古流向特征显示研究区南部各部位均存在自北向南的古水流(图6e)，反映了博格达山主体持续隆升且剧烈剥蚀，使得其可提供大量的粗粒碎屑沉积物并开始主导研究区的古水流方向。值得注意的是，齐古组ZTR和SCHM较头屯河组沉积时期存在一明显的降低(表1，图10)，反映了南缘东段沉积边界在晚侏罗世相较于中侏罗世已明显缩短。综上可推断晚侏罗世博格达山隆升规模持续加大，且已经成为准南东段主要物源区(图9e，图11e)。

下白垩统清水河组沉积期，整个准噶尔盆地南缘沉积中心向盆内迁移，南缘整体呈现出均匀沉降接受沉积的特征[68]。由区域连井剖面(图8)可见，清水河组厚度分布相对均匀，研究区整体构造较稳定。但相比于侏罗系，下白垩统清水河组内部砂砾岩大量发育(图7f)，可见博格达山隆升幅度和规模加大，剥蚀剧烈，并向研究区供给大量砂级和砾级相对粗粒碎屑。此外，古流向特征显示研究区存在以自南向北为主的古水流，而柴窝堡盆地内部古水流以自北向南为主(图6f)，反映了研究区和柴窝堡盆地沉积古水流方向主要受控于规模较大的博格达山。值得注意的是，清水河组ZTR和SCHM较齐古组存在一明显的增大现象(表1，图10)，揭示了准南东段沉积边界在早白垩世相较于晚侏罗世有所扩张。综合推断早白垩世博格达山体持续隆升并达鼎盛，并且将柴窝堡盆地与准南东段发生分隔，从而成为南缘东段优势物源区(图9f，图11f)。

4 结论

1)准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系砂岩成分成熟度低，岩屑体积分数高，整体反映近物源沉积特点，且物源区背景以火山弧和再循环造山带为特征。相比于下侏罗统，中侏罗统砾岩内部凝灰岩砾石体积分数显著升高，因此在中侏罗世石炭系沉积地层存在一次抬升，使得其遭受剥蚀供源。

2)准噶尔盆地南缘东段侏罗系—白垩系重矿物组合显示沉积期源区条件较为复杂，既存在沉积岩系母岩类型也发育结晶变质岩系母岩类型。且早、中侏罗世南缘东段物源体系受控于天山、克拉美丽山和尚未规模隆升的博格达山，而晚侏罗世至早白垩世物源体系主要受控于博格达山。

3)早中侏罗世研究区主要发育自北向南的古水流，反映物源体系主要受控于北部的克拉美丽山。而晚侏罗世至早白垩世古水流多出现自南向北方向，揭示了研究区物源体系受控于博格达山。且早侏罗世至晚侏罗世早期南缘东段主要以细粒沉积为主，这一时期研究区距源区相对较远。晚侏罗世晚期至早白垩世早期，博格达山持续隆升使其遭受强烈剥蚀而可供给大量粗粒碎屑。

4)整体而言，早侏罗世南缘东段沉积边界距现今边界最远，物源体系主要受控于克拉美丽山和天山，沉积构造背景相对稳定。而中侏罗世博格达山开始隆升并部分出露水面，开始向研究区供给物源，但天山和克拉美丽山物源体系供源能力有所减弱。晚侏罗世至早白垩世早期博格达山强烈隆升达规模最大，成为准南东段优势物源区。