Question

乌鲁木齐后峡地区侏罗系沉积特征、剥露过程及中新生代盆山关系讨论

Answer 1

晚新生代以来，印度-欧亚板块碰撞的远程效应强烈改造了天山地区（Tapponnier et al.，1979；Avouac et al.，1993；Hendrix et al.，1992；1994；1995；Sobel et al.，1997；Yin et al.，1998；Burchfiel et al.，1999；Bullen et al.，2001；郭令智等，1992），天山再次活跃形成陆内造山带，并在其两侧形成再生前陆盆地（Lu et al.，1994；贾承造等，1997，2003）。天山南北缘前陆冲断带区精细构造分析，为石油天然气勘探提供了坚实的地质基础（卢华复等，1999，2000；汪新等，2002）。现有研究和油气勘探表明，天山两侧前陆冲断带油气源区与中生代煤系地层关系密切（贾承造等，1997，2003），但对天山及邻区中生代特别是侏罗纪盆地面貌和盆山关系还有不同认识（Graham et al.，1993；贾承造等，1997，2003；吴朝东等，2004）。作为联系从古生代碰撞造山到新生代陆内再造山的关键阶段，中生代天山构造属性及其与邻区盆地关系的确定，对分析天山造山带的构造演化及其相邻盆地油气勘探具有重要意义。

后峡是天山北缘乌鲁木齐附近的一个小型山间坳陷（图1-2-24），坳陷内侏罗系出露较好，也是一个重要煤炭基地（图1-2-25）。本节在系统分析后峡地区侏罗系沉积特征和剥露过程的基础上，提出中新生代盆山关系的新认识。

一、后峡侏罗系沉积特征

天山北缘准噶尔盆地侏罗系自下而上划分6个组：下侏罗统的八道湾组（J₁b）、三工河组（J₁s），中侏罗统的西山窑组（J₂x）、头屯河组（J₂t），上侏罗统的齐古组（J₃q）、喀拉扎组（J₃k）。八道湾组在后峡地区出露较全（图1-2-25），总体结构为上、下两套含煤地层，中部为湖相或湖泊-三角洲相暗色泥岩夹薄层砂岩。三工河组总体上以湖泊-三角洲相沉积为主体，无工业煤层。西山窑组为一套湖沼相的煤系地层，煤层比较发育，厚煤层普遍集中在中下部，上部为多层薄煤层或煤线。主要岩性为灰色、深灰、灰绿色泥岩、粉砂岩与黄绿、浅灰、灰白色砂岩或含砾岩互层，夹灰黑色碳质泥岩、煤层及菱状矿，底部一般为灰白色或浅灰色厚层一块状砂岩或砂砾岩，局部地区为杂色砾岩，底界岩性标志明显。头屯河组在乌鲁木齐以西头屯河地区出露齐全，下段岩性主要为河流相的黄绿、灰绿色砂砾岩与杂色泥岩、细、粉砂岩不等厚度互层；上段为灰绿、灰、深灰色泥岩、细砂岩、粉砂岩夹泥灰岩、钙质砂岩，底部附近尚夹碳质泥岩或煤线，上部夹紫红、褐红色泥岩、粉砂岩条。在后峡地区，头屯河组只在山顶有几十米的残留。齐古组为一套红色碎屑岩夹少量凝灰岩、凝灰质砂岩沉积。喀拉扎组为山麓河流相的灰褐色砾岩夹褐色泥岩及砾状砂岩。齐古组和喀拉扎组在后峡地区没有出露。为了便于比较，图1-2-26 给出了后峡盆地南北缘侏罗系柱状剖面及沉积层序特征，从中可以看出，后峡南缘八道湾组（J₁b）底部发育较厚的冲积扇相沉积，八道湾组（J₁b）厚度也较北缘大。

图1-2-24 乌鲁木齐附近天山北缘中新生界出露与磷灰石裂变径迹年龄样品分布图

1—第四系；2—第三系；3—白垩系；4—侏罗系；5—三叠系；6—二叠系；7—石炭纪及前石炭纪；8—蛇绿岩；9—主要断层；★—AFT取样位置与样品编号

图1-2-25 后峡地区地质图

1—泥盆系；2—石炭系；3—八道湾组；4—三工河组；5—西山窑组；6—头屯河组；7—第四系；8—逆冲断层；9—正断层；★—AFT取样位置

图1-2-26 后峡南北缘沉积层序及古流向图

古流向是确定物源区及盆地对比分析的有效方法。野外主要利用斜层理、不对称波痕、叠瓦状排列的砾石用来判断古流向，分别对后峡南缘、北缘与头屯河侏罗系剖面的古流向数据进行了统计，每个点测量20几个数据。后峡剖面南北缘早、中侏罗世的古流向均向北（图1-2-26），表明至少在早、中侏罗世时期，后峡不是一个独立的沉积盆地，是与准噶尔南缘头屯河地区相连的同一盆地。从沉积层序对比看（图1-2-26），后峡南缘发育厚层冲积扇为代表的边缘相沉积，应靠近盆地的边缘，也就是说早、中侏罗世时期准噶尔南缘沉积盆地的南部边缘至少在后峡地区，比现今看到的范围和规模要大得多。现今看到的后峡残留山间坳陷，是后期构造的分隔所致。

二、后峡地区侏罗系剥露过程分析

（一）煤岩R_o分析

后峡山间坳陷侏罗系下侏罗统的八道湾组（J₁b）和中侏罗统的西山窑组（J₂x）发育较好的煤层，也是主要开采目的层。为了了解侏罗系埋藏程度和出露过程，对西山窑组（J₂x）煤样进行了镜质体反射率（R_o）分析，并同时对所采煤样顶板或者底板砂岩对比分析了裂变径迹年龄（表1-2-11）。从表1-2-11可以看出多数煤层的镜质体反射率（R_o）在0.7左右，参照R_o与T_max的关系（Barker，et al.，1986；李荣西等，2001；王良书等，2003）计算得到T_max为105～115℃（表1-2-11），表明后峡地区的西山窑煤层演化程度较高，但还没有达到磷灰石裂变径迹完全退火温度（115～120℃）。按照地温梯度为35℃/km计算（邱楠生等，2002），样品之上至少还有3km的地层覆盖。野外勘查发现，西山窑组之上只残留有几十米的头屯河组，煤岩样品之上现今残余侏罗系覆盖厚度不足500m，表明其上至少发生2.5km以上的剥蚀。

表1-2-11 后峡地区侏罗系煤样镜质体反射率（R_o）分析与对应磷灰石裂变径迹分析数据

注：R_o测试在中国矿大（北京）完成；AFT详细数据见表1-2-12。

（二）裂变径迹年代学证据

裂变径迹法（Fission Track Dating，简称FT）是20世纪60年代开始应用到地质学上的一种同位素定年方法，是确定岩石低温（小于（110±10）℃）热历史的一项技术（Green et al.，1989；Gunnell，2000；张志诚等，2004）。裂变径迹法除可以简单给出年龄外，更为重要的是径迹退火作用的研究，可以给出地质体的热历史信息，从而使裂变径迹年龄更有地质意义。天山中、新生代构造活动，前人研究已经积累了部分定年资料（杨庚等，1995；Sobel et al.，1997；王彦斌等，2000；Dumitru et al.，2001；郭召杰等，2005）。

本书磷灰石裂变径迹年龄的测试是在中国科学院高能物理研究所完成，流程方法与文献基本一致（Dumitru et al.，2001；张志诚等，2004）。径迹长度分析中，每个样品中测量100条水平、狭窄的径迹（如果有100条的话），测定年龄时每个样品任意选取20个左右质量好的颗粒进行测年（假设有足够的颗粒）。按照惯例，年龄及平均径迹长度的统计误差为±1σ，但在进行地质解释时考虑±2σ的误差。样品位置如图1-2-24所示，磷灰石裂变径迹年龄分析结果见表1-2-12，裂变径迹单颗粒年龄放射图见图1-2-27。

冰达坂南乌拉斯台的两个花岗岩样品（WK18-2、19-1）裂变径迹组合年龄是早白垩世，裂变径迹长度较长，同时含有较多的短径迹（表1-2-12，图1-2-27），表明样品经历了部分退火过程。乌鲁木齐以西的头屯河地区侏罗系-新近系共取样8个（HJ02-01～WK43-2）（表1-2-12，图1-2-27），径迹长度分布范围较大［（13.4±1.4）～（11.1±1.7）］μm，裂变径迹组合年龄主要是晚侏罗世-早白垩世年龄［（118.6±10.6）～（169.4±12.3）Ma］，主要记录的是源区冷却年龄，但t⁃T 曲线模拟也显示出晚新生代的快速隆升过程（郭召杰等，2005）。

后峡地区的侏罗系有6个分析样品（WK28-1～HX13-06），裂变径迹组合年龄主要显示晚白垩世［（83.7±6.9）～（68.4±4.6）Ma］和渐新世年龄［（37±3.0）Ma］，裂变径迹年龄均小于地层沉积年龄，裂变径迹长度差异较大，表明地层沉积后发生了退火作用，但均没有完全退火（表1-2-12，图1-2-27）。4个有 R_o标定的侏罗系样品采用 Ketcham等（1999）退火模型进行t⁃T曲线模拟（图1-2-28），结果表明后峡地区中侏罗统砂岩自晚白垩世（90Ma左右）开始发生缓慢剥蚀隆升，但中新世以来（主要是10Ma以来）发生快速隆升。从图中还可以看出，自南向北快速隆升的时限逐渐变新，可能与冲断构造从南向北的扩展有关。

上述裂变径迹分析结果与天山山前生长地层显示的前陆冲断构造发育时限是一致的，方世虎等（2004a）研究表明，分隔后峡山间坳陷和山前盆地的卡拉扎背斜形成年龄在10Ma左右，也就是说原属同一个侏罗纪盆地的后峡坳陷与头屯河地区分隔开来的时间在10Ma前后。

三、讨论与结论

（一）讨论

关于中生代天山构造属性和地貌特征的认识，仍存在不同观点。一种观点认为，天山在中生代发育有分隔南北盆地的显著正地形，天山两侧的侏罗纪盆地是碰撞后继承性盆地（Graham et al.，1993；Hendrix，et al.，1992，1994，1995），进而表明天山及其邻区当时仍为区域性挤压背景。另一种观点认为天山山脉在中生代基本不存在或者地形起伏不大（方世虎等，2004 b；吴朝东等，2004），夷平作用已经使古生代天山造山带接近准平原状态，而侏罗纪盆地是以伸展为主的断陷盆地，但对侏罗纪盆地范围和盆山关系，仍缺乏明确的认识。在天山两侧新生代前陆冲断带油气勘探中，作为主要烃源岩的侏罗系煤系地层的原始分布状况，是对今后勘探具有重要意义的问题（贾承造等，2003）。

表1-2-12 乌鲁木齐-冰达坂南部乌拉斯台剖面磷灰石裂变径迹分析数据表

注：No（n）：测量的磷灰石颗粒数；ρ_d：标准径迹密度（×10⁵/cm²）；ρ_s：自发径迹密度（×10⁵/cm²）；Ns：自发径迹数；ρ_i：外部探测器中的诱发径迹密度（×10⁵/cm²）；Ni：诱发径迹数；γ_Si为ρ_s和ρ_i线性相关系数；P（%）：检验概率；T±1σ：裂变径迹组合年龄（Pooled age）；L（μm）（N）：裂变径迹长度（单位μm，N为测量径迹条数）。WK样品年龄计算采用CN5标准玻璃，ξ_CN5=410±10，而HX和HJ样品ξ_CN5=357.8±6.9。

图1-2-27 乌鲁木齐-冰达坂剖面单颗粒年龄放射图和裂变径迹长度分布图

［放射图中标示出了中值年龄，和样品形成年龄（粗短线），标有M 者为适宜热模拟］

图1-2-28 后峡地区部分样品的模拟t-T曲线图

［采用Ketcham等（1999）模型］

Acceptable Fit—可接受的模拟结果；Good Fit—符合良好的模拟结果；Path Modeled—符合较好的t⁃T曲线；Constraint—限制条件；裂变径迹长度图中的曲线是与模拟结果相符的理想裂变径迹长度分布曲线

后峡地区侏罗系沉积特征研究表明，现今的后峡坳陷在侏罗纪时期不是一个独立的盆地，其古流向数据表明南北缘古水流均指向北，因此该坳陷当时应该是与准噶尔南缘侏罗纪盆地相连的。沉积层序分析显示，后峡南缘侏罗系底部发育较厚的冲积扇相沉积（图1-2-26），应该接近原型盆地的边缘，而在现今天山南北两侧前陆地区一般看不到侏罗系边缘相沉积（吴朝东等，2004）。这表明侏罗纪时期盆地范围比现今所见要大，现山前地区仅是侏罗系盆地沉积的部分残留。从后峡地区与准噶尔南缘看，侏罗系原始沉积范围已经跨越了古生代的板块缝合边界（如图1-2-24中巴音沟蛇绿岩带为代表的缝合带），因此侏罗纪盆地不应该是古生代碰撞后的继承性盆地（Graham et al.，1993）。从野外考察和图1-2-24中还可以看到，在后峡以南的冰达坂附近、巴音布鲁克地区、玉希莫勒盖达坂附近等均有含煤层的侏罗系沉积，表明当时上述地区应该处于相近的煤沼环境（吴朝东等，2004），因此不会存在与现今规模相近的天山山脉，天山及其邻近地区基本处于准平原化。但上述各点侏罗系原始沉积范围，以及是否与南北两侧的侏罗纪盆地相连，还值得进一步研究。

后峡坳陷是由于后期构造作用与天山北缘侏罗系分隔开来的，本书后峡地区煤样的镜质体反射率（R_o）分析表明，中侏罗统西山窑组（J₂x）之上至少有3km厚的沉积覆盖，也就是说后期至少经过2.5km以上的剥露才使得煤层出露地表。准噶尔南缘的研究表明，虽然中生代至古近纪天山地区也经历了不同类型的构造变动，但中生界-古近系沉积基本完整、连续协调，之间没有明显的角度不整合（方世虎等，2004a，b；吴朝东等，2004），表明这期间构造活动的强度和幅度远比新生代晚期的陆内造山阶段弱。前陆冲断带中生长地层表明，天山北缘第一排冲断构造形成于10Ma 前后（方世虎等，2004 a）。本书裂变径迹年代学研究表明，后峡地区西山窑组（J₂x）在100～60Ma间埋深达到最大，而后开始缓慢隆升，晚新生代以来（10Ma）快速隆升。我们认为，正是天山晚新生代以来的快速隆升与前陆冲断构造作用，分隔了后峡坳陷与天山北缘侏罗系，形成了现今的构造面貌。

（二）结论

1）沉积学研究和古流向测量表明，后峡地区侏罗系沉积时不是一个独立的盆地，而是与天山北缘相连的同一盆地，但更近于盆地的南缘，发育了很好的边缘相层序，当时侏罗纪盆地沉积范围比现今天山北缘侏罗系出露范围大。

2）晚新生代（10Ma）以来天山的快速隆升和前陆冲断构造，分隔了后峡坳陷与天山北缘侏罗系，后峡地区经历了近2.5km的去顶剥露过程。

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（郭召杰，吴朝东，张志诚，王美娜，方世虎）