新疆天山南北两侧大型叠合盆地石炭纪的连通性
康 德 江
(大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆，163712)
摘 要：对新疆天山南北两侧的大型复杂叠合盆地经过综合整理、分析地化、地球物理和古生物等发现，由于双峰式岩系、含强不相容元素的玄武岩存在，以及航磁异常，推测准噶尔盆地的基底性质应该属于陆壳或以陆壳为主体，其年代应该至少不晚于前寒武纪。结合巨厚的中石炭统沉积、深水耕作迹的存在以及古地貌的变迁等证据，推测准噶尔盆地在石炭纪应该是与塔里木等周边盆地大体相连，两者至少在石炭纪时期是相互联通的，具有相似的沉积环境，应该具有较类似的沉积物质基础。综合考虑油气成藏要素可知，噶尔盆地石炭系地层能够具有与塔里木盆地石炭系相近的生烃能力，具有较强的生排烃及储集能力，油气蕴藏潜力巨大，可以作为深层油气勘探的潜在接替层位。
关键词：叠合盆地；石炭系；连通性；基底；准噶尔盆地
中图分类号：TE121.3+1 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2009)04-1139-07
Carboniferous connexity of large scale superimposed basin on both sides of Xinjiang Tianshan Mountains
KANG De-jiang
(Exploration and Development Research Institute, Daqing Oilfield Company Ltd, CNPC, Daqing 163712, China)
Abstract: Based on the large scale superimposed basin on the both sides of Xinjiang Tianshan mountains, the geochemistry, geography and paleontology were studied. The results show that because of double peak petrographic series, existence of basalt containing antipathic elements and aeromagnetic anomaly, the floor or the mainbody characteristic of Junggar basin should be continental crust and its period is not later than Precambrian. Combined with much evidences, such as gigantic thickness deposition of middle Carboniferous series, existence of farming and palaeogeomorpholoic variance the content argued Junggar basin and Tarim basin should be connected on the whole in Carboniferous. And at the same time, they should have similar depositional environment, therefore, they have the homologous depositional matter foundation. Considering the hydrocarbon accumulation elements synthetically, Carboniferous stratum in Junggar basin may have the generation potential of hydrocarbon like that in Tarim basin. It has better capacity of generation and preservation and also shows the enormous potentials of oil-gas reservoir. Carboniferous stratum in Junggar basin can become the potential vicarious stratum as the deep layer exploration.
Key words: superimposed basin; carboniferous; connexity; floor; Junggar basin
新疆地域辽阔，约占全国陆地面积的1/6；沉积盆地众多，其中含油气远景盆地25个，可供勘探面积约9×105 km2。准噶尔盆地与塔里木盆地是新疆三大沉积盆地中的2个最重要的大型叠合盆地，分布于天山南北两侧。其中，准噶尔盆地位于新疆北部，处于亚洲大陆的中心地带，夹持于阿尔泰山和东、西准噶尔界山、天山山脉之间，是大致呈三角形的内陆盆地，面积约为13×104 km2。盆地在目前的勘探开发中较主要的油气贡献层位是侏罗系、二叠系和三叠系，作为盆地基底出现的石炭纪地层勘探程度和已有的油气显示都较薄弱。因此，是否可以将石炭纪系火山岩地层作为未来的接替层位，是否有望在石炭纪系进行勘探，有待深入研究。相比较而言，在与其相邻以天山分割的塔里木盆地在石炭纪系地层发现了大规模的油气产量，在塔中地区发现了CⅠ~CⅢ 3个油气层，其中有相当多的油气高产井，显示了广阔的勘探前景。既然2个大型叠合盆地相邻出现，所处的区域地理位置和所受到的区域大地构造运动也较相似，尽管后期在天山的分割作用下，两者处于完全不同的沉积演化环境，但如果在石炭纪时期两者是联通的，也就是说，两者处于近似相同的沉积构造演化环境，那么，其具有的生烃能力也应该近似，在准噶尔盆地石炭系也应存在较强的勘探潜力。
1 准噶尔盆地的基底性质
准噶尔盆地是我国西部含油气区的1个大型叠合盆地。它是在叠合了中晚元古代到老第三纪等多种类型盆地的基础上发展而来的，叠合面积约为14.5×104 km2，叠合沉积岩最大厚度达12~15 km。据目前的勘探程度，大多数研究者认为后期的盆地发展基本上是以石炭系地层作为基底，但是，关于盆地基底性质和时代是长期以来尚未解决。若要考虑石炭系的连通性问题，首先必须了解其发展基础。
关于准噶尔块体的基底性质，一些学者持有截然相反的观点[1-20]。其主要表现为准噶尔盆地基底是洋壳还是陆壳的争论(表1)。综合地化、地球物理和古生物的资料，笔者认为，准噶尔盆地的基底性质应该属于陆壳，其年代应该至少不晚于前寒武纪。据地球化学的元素分布，顾联兴等[7]在东部的博格达地区的剖面中，发现了双峰式岩系内存在大量酸性火山岩，且火山岩富含强不相容元素。这些不相容元素表明该岩系不是形成于洋岛或洋内弧环境。双峰式火山岩是指在火山岩TAS分类图上(图1)[7])，火山岩的SiO2含量为55%~64%时出现明显的间断，因而是典型的双峰式岩系。根据微量元素的原始地幔标准化曲线变化范围，准噶尔盆地东部的博格达地区玄武岩均属强不相容元素富集型，并具有Nb和Ti的适度亏损，这与许多地区大陆拉斑玄武岩具有Nb和Ti负异常的特征相一致，同时表明本区玄武岩岩浆可能受到陆壳物质的一定混染，说明原有陆壳很可能存在。此外，通过对博格达玄武岩构造环境的判别(图2[7])，所测得的玄武岩Zr/Y－Zr投影点基本上都落在了板内玄武岩的区域范围内，这也表明采样地区应该属于陆壳的形成环境。在航磁测量方面，准噶尔盆地自西北缘至盆地东部的大部地区，有变化平缓的较大型正异常体[21]，这种平缓的异常只有在基底存在古结晶体的情况下才能表现出来，同时也说明存在寒武系古老地壳基底。可是，对于平缓异常周边的异常突变和混乱的条状带，根据盆地构造运动和火山活动史可以推测，在中晚石炭世，盆地先后经历了来自东北缘的西伯利亚板块、西北缘的哈萨克斯坦板块以及南部的塔里木地体的俯冲碰撞，使得大量的中－基性岩浆直接上升至地表，形成了后期的火山岩体的覆盖，同时，对原有的古老地壳基底进行了一定程度的改造。由于岩浆中含有大量的金属元素，使得地体磁性发生改变，因此，相应导致其周边的线性磁异常很发育，所以，周边磁力异常应该是后期晚古生代后碰撞幔源岩浆的强烈改造形成的，范围大都局限于盆地的周边地区。另外，在东准噶尔地区发现了强烈混合岩化的19亿a前的古老地壳，说明基底陆壳确实存在[22]。同时，彭希龄[22]在克拉美丽断裂带上采到了前寒武系底部的小壳化石管壳类sachites.SP。这也说明准噶尔盆地以陆壳为基底，否则，不可能出现寒武系古生物化石。中石炭统沉积序列见图3[22]。
表1 准噶尔盆地基底性质观点分类
Table 1 Viewpoint classification of basement character of Junggar basin
○, □—七角井地区的偏基性和偏酸性岩石；●, ■—祁家沟-天池地区的偏基性和偏酸性岩石；虚线为碱性与亚碱性火山岩系分界线
图1 博格达地区中下石炭统火山岩TAS分类图
Fig.1 TAS plots of lower and middle Carboniferous volcanic rocks from Bogda belt
WPB—板内玄武岩；MORB—洋中脊玄武岩；
IAB—岛弧玄武岩；“B107”等代表博格达山前取样编号
图2 博格达玄武岩Zr/Y－Zr构造环境判别图解
Fig.2 Plots of Bogda basalts on tectonic environment discrimination diagram
上述结果表明，准噶尔盆地的基底性质应该属于陆壳，这一点与塔里木盆地是相同的。在这个具有共同性质的基底上，若石炭纪时期两者是联通的，则其发育的各种演化方式也应该相近，具有生烃的潜力也会有一定程度的相似。因此，陆壳的基底性质为对天山南北两侧的两大叠合盆地进行类比提供了前提。
2 两大盆地的连通性
任何沉积盆地都具有生成油气的能力，主要是因为其接受了具有向后期转化为烃类能力的沉积物质。小的盆地如凹陷，由于面积较小，构造变动相对一致，受到后期各种影响的相同，所以，生烃潜力相似；大的盆地如复杂的叠合盆地，由于空间范围大，各个二级甚至三级构造带的构造演化、沉积充填和后期影响都不尽相同，因此，在横向上的生烃能力不尽相同，变化甚至很大。所以，是否具有统一的沉积环境，接收的物质是否近似，对于判定其是否具有相近的生烃潜力具有重要意义。而对于研究区，统一的沉积环境具体表现为当时两大沉积盆地是否由海水连通，是否具有近似一致的海洋或海陆交互的沉积体系。
2.1 沉积作用
沉积作用是沉积盆地充填物性质的直接体现，相同的沉积作用使得盆地具有相似的沉积产物，为后期生烃奠定了相近的物质基础。在南北向穿越天山的独库公路里程碑43~46 km处，见有正常的200余m厚的中石炭统地层，在东西相距100余km的范围内，中石炭统具有十分近似的沉积特征，如沉积厚度近似[23]。可以推测，此时的天山山脉还并没有隆升抬出水面，而且此时的天山山脉处应该具有一定深度的稳定沉积环境，至少在中石炭世时期，天山仍然处于一种海洋正常沉积的裂槽环境，而且环境较稳定，否则，不可能有数百米厚的稳定沉积物出现。所以，推测在没有天山分割的条件下，两大沉积盆地是以半深海环境沟通的。在独库剖面中还可以观察到明显的复理石建造(图3[23])，综合该剖面垂向序列特征可以看出，其不具有极为稳定的深海平原垂向层序，又不具有陆坡环境中的那些滑塌层、碎屑流以及上扇所具有的各种沉积物类型，因而，是一种由陆坡下部向深海平原过渡的半深海区为主的沉积产物。这也从另一个侧面表明该时期天山地带是连通的海水环境。
图3 中石炭统沉积序列简图
Fig.3 Sketch of sendimentary sequence of middle carboniferous
2.2 古生物
在穿越天山南北向的独库剖面中，在沉积地层中发现了Cosmorhaphe耕作迹。这种耕作迹往往产于水深大于2 km的深海沉积物中的古生物化石。此外，还发现了zoophycos化合。这种化石也是生活在水深大于1 km的环境当中[22]。这2种生物的生活环境已经由深海钻探所证实，应该与相应水深的半深海的浊流环境有关，这也同样说明两大沉积盆地以海水相连通具有很大可能性。此外，根据郭福祥[24]的研究结果，准噶尔盆地至塔里木盆地，其内部的海洋古生物及遗迹在石炭－二叠纪具有按纬度分界并逐渐过渡的特点。可以推得在石炭纪准准噶尔和塔里木板块之间尚有宽达1~2 km的大洋。因此，可以说明此时的两板块是通过海水联系在一起的，都具有十分相近的海洋沉积环境。
2.3 古地理面貌
整个西北地区的石炭纪古地理条件同样可以反映并印证海水沟通两大盆地的状态。在早石炭世时期[25] (图4(a))，西北地区的海水分布面积广阔，准噶尔盆地和塔里木盆地及其周边地区都存在滨－浅海相至深海相的沉积体系，且两大盆地内部也大部分被海水所覆盖，此时的天山山脉地区为广阔的半深海水域。至晚石炭世[25](图4(b))，由于盆地周边地区先后遭受到西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块的碰撞挤压，使得北部地区抬升，水体向南部退却，塔里木盆地由于印度洋板块向北俯冲碰撞的远程效应，致使其大面积抬升，腹部地区部分出露地表，但在2个盆地中间仍然是以海水相沟通，尽管面积有所减小，部分地区出现水陆往复交替的现象，但其整体上表现为海域连通，主体仍然是以海水相联系在一起的。因此，可以说，塔里木盆地与准噶尔盆地在石炭纪时期基本上是以海相沉积为主，处于大体相似的海相沉积环境，二者应该具有相似的生烃能力。
(a) 早石炭世；(b) 晚石炭世
图4 新疆北部地区石炭世沉积相分布图
Fig.4 Carboniferous paleogeographic map of northwest China
综上所述，可推测在石炭纪，准噶尔盆地应该是与塔里木等周边盆地整体相连，在局部地区存在分割的海相环境，其中存在海水的往复交替，至二叠纪，两大盆地才正式开始分开，形成独立发展的两大系统。因此，两者至少在石炭纪时期是相互连通的，具有相似的沉积环境，应该具有较类似的沉积物质基础。
3 准噶尔盆地石炭系的勘探前景
中国西部叠合盆地都具有复杂的内部结构，我国40%以上的剩余油气资源分布在我国西部的复杂叠合盆地，勘探潜力巨大。基础理论研究结果表明，中国西部复杂叠合盆地具有构造演化历史复杂、含油气系统复合和混合现象普遍，多期生排烃并多期运聚散，目的层埋深大，油气成藏机理复杂的油气地质特征，使得油气勘探难度较高。随着准噶尔盆地勘探程度的日益提高，勘探逐步由西北缘转向了腹部，由中浅层向深层发展。石炭系作为深层勘探的接替层位，由于沉积环境的连通和相似，决定了其应该具有与塔里木盆地石炭系地层相似的生烃能力。塔里木盆地在石炭系发现的大规模油气藏预示着在准噶尔盆地石炭系地层中发现大规模油气藏的可能性极大。
此外，由于石炭系地层为火山岩与碎屑岩的互层，火山岩在后期的改造过程中形成了大量的次生孔洞和裂缝，这些都为油气在石炭系内部聚集成藏提供了有效的储集空间。同时，在盆地频繁的构造运动中，在不同地区形成了不同规模的剥蚀区域。不同地区的二级构造带，其剥蚀程度相差很大，使得在不同地区石炭系可以分别与上覆的不同层位如二叠纪、三叠纪、侏罗纪甚至白垩纪地层都有接触，存在明显的不整合面。这些大规模不整合的发育，为油气在石炭系地层上部的运移和储存提供了非常有利的输导通道和储集空间。此外，石炭系自身顶部的火山岩体和碳酸盐岩的封盖，以及上覆地层中巨厚泥质岩的保存，如二叠系风城组泥岩、佳木河组泥岩以及三叠系的白碱滩组泥岩，这些泥岩本身所具有的生烃能力产生的烃浓度封闭作用，进一步增强了盖层的封闭性，使得石炭系内部油气资源被保存。
从石炭系整体的资源蕴藏量看(图5)，与二叠系、侏罗系等中浅层烃源岩的生烃能力相比，石炭系的主要烃源岩滴水泉组烃源岩有机质含量较小，但通过分析单位质量烃源岩的有机质含量可知，滴水泉组的丰度位居10套生烃层位的第3位，仅次于侏罗系西山窑组和八道湾组，烃源岩有机碳丰度达40 kg/t，可见，石炭系烃源岩具有相当强的生烃能力，具有生成大规模油气的物质基础。此外，由于盆地强烈的挤压抬升运动，使得石炭系在正向构造的隆起部位与上覆地层的不同生烃层位相接触，在不整合面和裂缝等输导体系的沟通下，盆地石炭系地层能够接受来自不同源岩的油气供给，这更加增大了石炭系地层内部聚集油气量的规模。
(a) 有机碳质量；(b) 有机碳丰度
图5 准噶尔盆地石炭系烃源岩有机碳含量及丰度柱状图
Fig.5 Organic carbon content and abundance of Carboniferous source rock in Junggar basin
可见，推测准噶尔盆地石炭系地层能够具有与塔里木盆地石炭系相近的生烃能力，具有较强的生排烃及储集能力，可以作为深层油气勘探的潜在接替层位。
4 结 论
a. 准噶尔盆地的基底性质应该属于陆壳或以陆壳为主体，其年代应该至少不晚于前寒武纪。
b. 推测准噶尔盆地在石炭纪应该是与塔里木等周边盆地大体相连，两者至少在石炭纪时期是相互连通的，具有相似的沉积环境，应该具有较类似的沉积物质基础。
c. 噶尔盆地石炭系地层能够具有与塔里木盆地石炭系相近的生烃能力，具有较强的生排烃及储集能力，油气蕴藏潜力巨大，可以作为深层油气勘探的潜在接替层位。
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收稿日期：2008-08-25；修回日期：2008-11-15
基金项目：国家“973”重点基础研究项目(2006CB202308)
通信作者：康德江(1978-)，男，黑龙江大庆人，博士，从事油气藏的形成与保存及油气资源评价等研究；电话：010-89733707；E-mail: kdj78721@163.com
