前人对扎河坝坳陷的蛇绿岩带^{[1, 2, 3, 4]}、花岗岩和玄武岩类等^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}研究较多, 而对岩浆活动期后的沉积环境研究较少。一方面是由于该区火成岩类分布较广, 而中新生代以来基本处于隆起剥蚀阶段, 仅在局部有沉积; 另一方面是由于对地层年代的认识存在偏差, 包括1971年编制的1:20万地质图(恰库尔图幅)等研究成果曾长期将扎河坝坳陷火成岩和沉积岩分别划分为中石炭统巴塔玛依内山组和苏都库鲁克组。近年来针对扎河坝坳陷的锆石测年和古生物化石鉴定等分析认为扎河坝坳陷最新火成岩时代为二叠纪, 其上的沉积岩时代为晚二叠世^{[15, 16]}。本文以扎河坝坳陷地质调查井新富地1井岩芯资料为研究对象, 结合野外露头资料, 针对上二叠统泥岩、粉砂岩等进行微量元素地球化学研究, 恢复其沉积古环境, 从而为开展该区晚二叠世构造-沉积演化研究奠定基础。

中亚造山带地处亚洲大陆中心, 周围被西伯利亚板块、俄罗斯克拉通、塔里木板块和华北克拉通所围限(图1(a)), 是全球显生宙陆壳增生与陆内改造作用最显著的地区。在10亿a来的陆壳演化过程中, 经历了陆缘增生、后碰撞和陆内造山作用3个阶段, 完备的大陆演化过程以及丰富的矿产和能源资源使中亚造山带成为研究大陆演化过程及其成矿机理的天然实验室^{[9, 17, 18, 19, 20]}。

图1

Fig.1

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	图1 准噶尔盆地及研究区大地构造位置[13, 14, 15, 16, 23]Fig.1 Tectonic location of Junggar Basin and the study area[13, 14, 15, 16, 23]

阿尔泰造山带位于中亚造山带腹部, 南与准噶尔盆地相邻, 北进入蒙古、俄罗斯和哈萨克斯坦境内(图1(b)), 是晚古生代西伯利亚板块和哈萨克斯坦— 准噶尔板块碰撞形成的^{[17, 21, 22]}。

福津盆地扎河坝坳陷位于阿尔泰造山带与准噶尔盆地之间, 属于中亚造山带(CAOB)的一部分(图1), 自早古生代以来经历了准噶尔洋盆阶段、洋壳俯冲阶段、碰撞阶段、后碰撞阶段和板内阶段, 形成了强烈的岩浆活动和复杂的构造演化特征, 是研究中亚造山带演化过程的热点地区。

扎河坝坳陷也是矿产资源勘探工作者研究的重点地区。区内蕴含了丰富的煤炭资源, 以及金、铜、铬、铁等多金属成矿带。近年来, 中国石油天然气集团有限公司(下称“ 中石油” )在扎河坝坳陷实施的富浅1井在石炭系取到含油岩芯, 富参1井岩屑录井有3层见荧光显示, 4层见气测异常, 而且在扎河坝坳陷地表见到了油苗^[24], 证实该区具有一定的油气勘探潜力。

扎河坝坳陷南侧发育扎河坝— 阿尔曼泰蛇绿混杂岩带, 北侧为泥盆系、石炭系构成的阿尔泰山前冲断带, 冲断带北侧为额尔齐斯构造混杂带(图2)。额尔齐斯构造混杂带为哈萨克斯坦— 准噶尔板块与西伯利亚板块之间的边界, 主要组成为泥盆纪— 早石炭世的蛇绿混杂岩^[25]。扎河坝— 阿尔曼泰蛇绿混杂带形成年龄主要为460~500 Ma^[26]。扎河坝坳陷主要出露二叠系, 大部分地区被第四系覆盖。

图2

Fig.2

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	图2 扎河坝坳陷及周缘地质图[15]Fig.2 Geological map of Zhaheba Depression and its surrounding areas[15]

在不同沉积环境下, 沉积物中不同元素存在不同的分解、运移和富集规律, 最终导致沉积地层中不同元素含量的差异化特征。因此, 可以通过分析沉积物中环境敏感性元素含量或比值来反演沉积古环境特征^{[27, 28, 29]}。

对新富地1井岩芯样品进行了微量元素测定, 结果见表1、表2。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 新富地1井岩芯样品相关微量元素含量 Tab.1 Trace element contents of the core samples in well Xinfudi 1 编号 采样深 度/m wB/(μ g· g-1) Cu Sr Ba Th U XF-01 63 59.10 241.23 303.72 5.48 1.78 XF-02 98 54.71 291.17 488.83 6.30 2.11 XF-03 126 47.41 433.03 757.37 6.84 3.09 XF-18 157 59.95 438.67 767.64 7.22 2.24 XF-06 190 51.48 459.03 755.88 7.46 2.87 XF-07 254 70.64 533.95 786.94 6.96 2.78 XF-16 269 53.97 480.93 711.88 7.79 3.02 XF-08 283 42.22 239.13 533.24 7.77 2.29 XF-09 300 14.90 67.14 89.73 2.16 0.71

表1 新富地1井岩芯样品相关微量元素含量 Tab.1 Trace element contents of the core samples in well Xinfudi 1

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 新富地1井岩芯样品微量元素计算结果 Tab.2 Calculation results of trace elements in core samples of well Xinfudi 1 样品编号 深度/m 岩性 δ U=U/[0.5× (Th/3+U)] Th/U Sr/Ba Sr/Cu XF-01 63 灰黑色砂质泥岩 0.987 3.079 0.794 4.082 XF-02 98 灰黑色泥质粉砂岩 1.002 2.986 0.596 5.322 XF-03 126 灰色粉砂岩 1.151 2.214 0.572 9.134 XF-18 157 泥岩 0.964 3.223 0.571 7.317 XF-06 190 灰黑色含炭泥岩 1.072 2.599 0.607 8.917 XF-07 254 灰黑色泥质粉砂岩 1.090 2.504 0.679 7.559 XF-16 269 含炭粉砂质泥岩 1.075 2.579 0.676 8.911 XF-08 283 煤层 0.939 3.393 0.448 5.664 XF-09 300 煤层 0.993 3.042 0.748 4.506 平均值 1.030 2.846 0.632 6.823

表2 新富地1井岩芯样品微量元素计算结果 Tab.2 Calculation results of trace elements in core samples of well Xinfudi 1

3.1 Sr/Ba比值

Sr/Ba比值是判别古盐度的标志之一。原理是水体中Sr的迁移能力和SrSO₄的溶解度远大于Ba和BaSO₄, 当咸水与淡水混合时, 淡水中的Ba²⁺与咸水中的S O42-结合形成BaSO₄沉淀物, 而SrSO₄溶解度较大, 可以继续运移到咸水中央, 继而通过其他方式沉淀下来。因此, 随着水体咸度增加, Sr/Ba比值是增加的, 据此可以推断古沉积盐度。淡水沉积物Sr/Ba比值通常小于1, 咸水沉积物Sr/Ba比值一般大于1。

扎河坝坳陷中的新富地1井上二叠统沉积物中Sr/Ba比值皆小于1, 这说明其沉积环境为淡水环境(图6)。

图6

Fig.6

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	图6 新富地1井上二叠统岩芯样品Sr/Ba比值变化Fig.6 Sr/Ba ratio variation of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

3.2 Sr/Cu比值

Sr/Cu比值对古气候的变化非常敏感。前人研究认为Sr为喜干型元素, 而Cu为喜湿型元素。一般情况下, Sr/Cu比值介于1~10指示了温暖湿润的古气候条件, 大于10则指示干旱炎热的古气候环境。新富地1井岩芯样品Sr/Cu比值均在1~10之间(图7), 指示当时扎河坝坳陷处于温暖湿润的古气候条件, 有利于成煤植物的大量繁殖。

图7

Fig.7

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	图7 新富地1井上二叠统岩芯样品Sr/Cu比值变化Fig.7 Sr/Cu ratio variation of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

3.3 δ U及Th/U比

Th和U在还原环境下化学性质相似, 而在氧化环境下具有很大的差异性^[30]。在自然环境下, Th只有+4价一种价态, 而且不易溶解。U在强还原环境下为+4价, 也不溶于水, 极易在沉积岩中富集; 而在氧化环境下, U为+6价态, 易溶于水, 导致沉积岩中缺失U。因此, 根据这种差异可以判断沉积水体氧化还原条件。一种是δ U法, δ U=U/[0.5× (Th/3+U)], δ U大于1指示还原环境, δ U小于1则指示氧化环境^{[31, 32, 33]}。另外一种是Th/U比值法, 0< Th/U< 2指示还原环境。

新富地1井岩芯样品Th/U比值在2.2~3.4(图8), 算术平均值为2.8, 指示较弱的氧化环境, 更偏向中性环境。δ U介于0.93~1.15, 算术平均值为1.03, 指示在正常的氧化环境和弱还原环境之间变化, 偏弱还原环境。

图8

Fig.8

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	图8 新富地1井上二叠统岩芯样品Th/U和δ U值变化Fig.8 Th/U ratio and δ U value variations of the Upper Permian core samples in well Xinfudi 1

综合Th/U和δ U值判断, 扎河坝坳陷晚二叠世沉积水体环境介于氧化环境和还原环境之间, 偏弱还原环境。

(1)古亚洲洋是显生宙时期位于西伯利亚和中朝— 塔里木克拉通之间的EW向展布的古大洋, 新疆北部的准噶尔洋是其演化的阶段性产物, 是其北部的重要分支。前人研究认为准噶尔洋晚二叠世处于后碰撞阶段, 会形成陆相火山-沉积体系^[34]。本文的研究结果证实了扎河坝地区经历了晚二叠世早期火山活动, 晚二叠世后期火山活动减弱, 转而进入陆相淡水沉积环境。

(2)晚二叠世早期, 扎河坝坳陷仍延续了强烈的岩浆活动, 形成了一系列凝灰岩、玄武岩、玄武玢岩等火山岩。已有研究表明这些火山岩(原上石炭统巴塔玛依内山组)与俯冲消减作用相关^[35], 也就是说, 准噶尔洋闭合过程中俯冲消减的时限可能延续到了晚二叠世早期, 并于晚二叠世后期完全闭合, 此时东准噶尔一系列岛弧地体与西伯利亚板块最终拼贴在一起。

(3)晚二叠世后期, 扎河坝坳陷岩浆活动减弱, 并稳定沉降接受沉积。沉积环境为温暖湿润的淡水环境, 成煤植物大量生长, 构造活动减弱。这与其西南邻区乌伦古坳陷缺失二叠系沉积形成了鲜明的对比, 指示了当时的古地理隆凹格局。

(1)通过新富地1井岩芯样品微量元素计算分析, 得出Sr/Ba比值皆小于1, 表明扎河坝坳陷晚二叠世沉积环境为淡水环境。

(2)样品Sr/Cu比值为1~10, 表明古气候条件为温暖湿润气候, 有利于成煤植物大量繁殖。

(3)综合Th/U和δ U值分析认为, 扎河坝坳陷晚二叠世沉积水体介于氧化环境和还原环境之间, 偏弱还原环境。

(4)扎河坝坳陷晚二叠世经历了火山活动和陆相淡水沉积2个阶段, 印证了准噶尔洋由俯冲消减向陆内阶段转换的过程, 对恢复该区构造演化及沉积古地理特征研究具有重要意义。