準噶爾盆地西緣下侏羅統玄武巖地球化學特征及其地質意義

高山林

(中國石化 油田勘探開發事業部，北京 100728)

準噶爾盆地是中國西北地區大型的含油氣盆地，侏羅系是主要的含油氣層系。目前對準噶爾侏羅紀原型盆地類型的觀點主要有：古造山帶復活期前陸坳陷繼承發展盆地[1]、張性盆地[2-3]、早—中侏羅世克拉通內盆地[4]及陸內坳陷盆地[5]等觀點，爭議頗多。

準噶爾盆地西緣侏羅系火山巖早在20世紀60年代地質調查中就已發現，地點為45°32′22″N，84°42′32″E附近(圖1)，主要對火山巖的分布范圍、時代、宏觀特征進行了描述[6]。依據火山巖地層接觸關系和Ar-Ar法測年認為，其形成于早侏羅世中晚期普林斯巴—托阿爾期，但有關其地球化學特征及盆地構造演化方面的研究鮮見報道。本文通過對準噶爾盆地西緣的侏羅系堿性玄武巖的地球化學特征分析，結合野外及石油地球物理解釋成果等資料，進一步證實了侏羅紀早期準噶爾原型盆地為伸展性盆地，并結合西北地區其他盆地的侏羅系火山巖資料，對其區域構造和石油地質意義進行了探討。

圖1 準噶爾盆地構造單元劃分及采樣位置

1 玄武巖的野外特征和巖石學特征

準噶爾盆地西緣火山巖底部為下侏羅統八道灣組砂礫巖，上覆為中侏羅統三工河組灰綠色粗—細粉砂巖；巖石以灰、灰黃色、紫灰色、黃褐色為主，肉眼觀察具杏仁狀構造，“杏仁體”大小相差懸殊，從1～10 cm均有，一般2～5 cm，最大可達11 cm，局部含量可高達20%，并具一定的定向排列，充填方解石和玉髓。

該火山巖鏡下定名為杏仁狀橄欖玄武巖，具有杏仁狀構造和間隱、間粒結構。巖石中拉長石含量最高可達50%，半自形板條狀，大小0.08～0.1 mm，發育聚片雙晶，具環帶構造，無定向雜亂分布；含鈦普通輝石25%，呈淡紫色細柱狀、粒狀，大小0.08～0.1 mm，較均勻分布于斜長石格架間。基性玻璃質含量18%，分布于斜長石間隙中；蝕變橄欖石5%，粒柱狀，0.1～0.7 mm，部分被皂石、伊丁石交代，稀疏分布于斜長石格架間。少量鈦鐵礦，呈細長板片狀，稀疏分布。

2 地球化學特征

西準噶爾玄武巖有一定程度的風化，杏仁體均有一定程度的蝕變，發生不同程度的綠泥石化，為此從所采的15個樣品中選取了8個較新鮮、且含杏仁體少的樣品進行了巖石化學成分測試。測試工作在中國科學院地質與地球物理研究所完成，其中主量元素采用熒光光譜法測定，分析誤差(相對于標準值)一般小于1%，微量元素和稀土元素由ICP-MS分析測試，分析誤差小于5%。從分析結果來看，燒失量相對高，因此本文主要以不活動元素含量、比值及其相互關系來討論巖石的類型、成因。

2.1 主量元素

西準噶爾侏羅系火山巖8個樣品的主量元素含量變化不大(表1)，w(SiO2)在44.95% ～51.8%，w(TiO2)為2.25%～2.57%，w(Al2O3)為13.31%～14.38%；里特曼指數(σ)為2.66～13.33，平均6.02；高鈉，Na2O含量高于K2O，w(Na2O)/w(K2O)比值為1.91～3.34，平均2.36，大部分氧化物變化范圍較窄。在Nb/Y-Zr/TiO2圖解中，所有樣品均落入了堿性玄武巖區域(圖2)[7]。MgO、FeO+Fe2O3、TiO2等主量元素與SiO2變化關系不明顯，暗示該巖石結晶分異作用不強。巖石與正常的大洋中脊玄武巖相比明顯富鐵，同時P2O5(0.49%～0.55%)和TiO2(2.25%～2.57%)的含量高，和與俯沖消減作用有關的低鈦玄武質巖石明顯不同；具有相對低的SiO2、相對高的Na2O，同時w(P2O5)/w(Al2O3)低，變化范圍很窄(0.036～0.041)，表明該玄武巖漿應是部分熔融的產物[8]。

2.2 微量元素和稀土元素

西準噶爾侏羅系玄武巖的稀土元素含量差別不大(表2)，稀土總量中等，輕稀土元素富集，重稀土元素虧損，輕重稀土元素分異明顯，LREE為(84.27～95.77)×10-6，HREE為(15.28～17.08)×10-6，LREE /HREE 為5.42～5.71；(La/Yb)N為7.55～9.0，(Ce/Yb)N為6.23～7.51，稀土元素分餾明顯; (La/Sm)N為1.78～1.97，(Gd/Yb)N為3.03～3.71，表明了重稀土的分餾作用高于輕稀土的分餾作用；δEu在0.91～0.95 ，銪為弱的負異常，反映存在不明顯的斜長石的分離結晶。

表1 西準噶爾侏羅系玄武巖主量元素分析

Table 1 Major elements in Jurassic basalt, western Junggar Basin%

主量元素樣品Tgx-1Tgx-2Tgx-3Tgx-4Tgx-5Tgx-6Tgx-7Tgx-8SiO245.7450.1948.3751.8047.8250.6948.3144.95TiO22.252.342.282.402.432.412.572.42Al2O313.3113.8013.5214.3414.0314.1914.3813.32FeO12.356.379.633.908.926.084.0011.60Fe2O35.546.785.997.035.835.8010.487.00MnO0.210.140.210.140.230.130.190.26MgO3.004.763.514.513.025.622.712.78CaO7.337.097.487.277.837.698.037.60Na2O3.503.763.543.603.613.483.663.35K2O1.601.661.451.681.371.041.841.75P2O50.520.510.490.520.550.520.530.55LOI6.173.484.673.065.062.773.555.55合計101.52100.88101.14100.25100.7100.42100.25101.13

表2 西準噶爾侏羅系玄武巖的微量、稀土元素分析結果

Table 2 Trace and rare earth element compositionof Jurassic basalt, western Junggar Basin(μg·g-1)

微量、稀土元素樣品Tgx-1Tgx-2Tgx-3Tgx-4Tgx-5Tgx-6Tgx-7Tgx-8Cr132.7126.9117.0131.5132.6136.8129.0120.4Co54.035.435.744.432.635.858.048.0Ni166.179.990.3109.660.187.8162.5108.9Cu30.233.133.336.635.134.539.337.4Ga20.820.219.521.220.821.121.620.4Rb27.028.219.828.813.811.923.321.7Sr483458481505517585590523Y19.118.918.520.020.620.421.521.9Zr163.3164.9158.0170.2172.3181.1179.5179.2Nb35.435.134.037.236.939.341.140.1Ba372310370328381406399394Hf4.184.264.384.734.434.564.984.66Ta2.082.132.002.182.112.242.392.25Pb1.661.611.741.811.881.992.122.02Th2.2322.252.3452.4912.422.4942.7412.692U0.6140.5390.5520.6190.5800.6290.7320.819La16.1216.4416.4818.2918.5017.6017.7817.29Ce34.4435.2035.5239.2039.7037.9638.5336.89Pr4.644.714.785.245.255.125.175.03Nd21.4821.5721.4024.1823.8722.9423.6322.38Sm5.835.955.676.356.476.145.975.66Eu1.771.821.781.931.981.951.891.83Gd5.885.995.866.386.556.286.206.01Tb0.8180.8440.8500.9150.9140.8620.9110.880Dy4.244.394.224.674.704.524.614.42Ho0.7500.8070.7220.8120.8310.8040.8330.873Er1.781.861.901.972.061.882.102.11Tm0.2250.2460.2370.2450.2690.2520.2560.273Yb1.381.421.361.481.531.401.521.64Lu0.2030.1930.1910.2160.2280.2010.2240.226ΣREE99.55101.44100.96111.88112.85107.91109.62105.50δEu0.910.920.940.920.920.950.940.95

圖2 西準噶爾地區侏羅系玄武巖Nb/Y-Zr/TiO2圖解據參考文獻[7]修改。

稀土配分顯示為強烈右傾的輕稀土富集型模式(圖3)，這種模式多出現于大陸拉斑玄武巖和洋島玄武巖(OIB)中，與洋中脊玄武巖(MORB)相比，大陸溢流玄武巖幾乎不出現REE平坦或虧損模式[9]。在La/Sm-La圖解中，玄武巖大部分樣品表現為正相關性，少部分表現為明顯分離結晶作用，說明巖漿的形成以部分熔融為主，但也存在一定的分離結晶作用。

該玄武巖相對富集Sr、Rb、Ba、Th、Ta、Nb、Ce，虧損Y、Lu和Yb等元素(圖4)，與典型的大陸溢流玄武巖富集除Y、Yb等之外的所有不相容元素的配分模式類似。玄武巖表現出明顯的Sr虧損，為低壓斜長石結晶分離作用的結果。富集高場強元素Nb、Ta，明顯不同于俯沖帶島弧型玄武巖的“TNT”特征。Ba/La=17.94～23.05，低于島弧火山巖Ba/La比值(>30)[11]；La/Nb為0.43～0.51，與島弧玄武巖La/Nb>1具有明顯差別。島弧玄武巖Zr含量小于130×10-6，Zr/Y比值小于4，而大陸玄武巖，不管是否遭受地殼或巖石圈混染，它們的Zr含量均大于70×10-6，Zr/Y比值均大于3[12]。本區玄武巖Zr含量為(158～179.5)×10-6，Zr/Y為8.17～8.88，顯示了大陸鈣堿性玄武巖的特征；在Hf-Th-Ta圖解(圖5)和Zr/Y-Zr圖解中均顯示板內玄武巖的特征。

圖3 西準噶爾侏羅系玄武巖稀土配分模式球粒隕石標準化值據參考文獻[10] 。

圖4 西準噶爾侏羅系玄武巖原始地幔標準化的微量元素蛛網圖原始地幔標準化值據參考文獻[13]。

圖5 西準噶爾侏羅系玄武巖Hf-Th-Ta圖解[15]

3 玄武巖巖漿源區地球化學性質

大洋玄武巖的研究發現MORB和OIB的Nb/U值高而均一(47±10)[13-15]，而大陸地殼的Nb/U值通常很低(約9.7)[16]。本區玄武巖的Nb值高為35.1～41.1 μg/g，而U的含量均很低，多小于0.8，表明沒有顯著的地殼混染。一般來說，巖漿同化地殼的過程中K2O/Na2O的值和不相容元素(Sr、Ba)會明顯地升高[16]。本區的K2O/Na2O值與Sr、Ba等不相容元素含量無明顯的正相關關系，同時本區較高的Nb含量和較低的La/Nb值(小于0.55)也表明地殼物質的加入并不顯著。分離結晶作用可導致巖漿中主要氧化物的變化，但大離子親石元素的比值一般不受其影響。如本區玄武巖的Ce/Pb在18.2～21.9之間，遠遠大于下地殼巖石的Ce/Pb比值3.3，與MORB的Ce/Pb值(25±5)接近，也暗示著該玄武巖漿受地殼混染程度很低，沒有明顯的陸殼混染現象。Ce/Y-Th/Nb圖解也表明其成分更接近富集型地幔低程度部分熔融產生的母巖漿，而無明顯的后期混染。

西準噶爾玄武巖Nb/Ta比值為16.5～17.8，平均17.2，Zr/Hf比值為36.01～39.1，平均37.87，分別與原始地幔(Nb/Ta=17.5±2.0；Zr/Hf=36.27)相近并略高于原始地幔[17]，遠大于大陸地殼的平均值(Nb/Ta=12～13；Zr/Hf=11)。Zr/Nb-La/Nb和Ba/La-Ba/Nb比值圖上，火山巖基本都落在具有OIB特征區域內及其附近，表明以虧損地幔為主。Th/Ta=1.06～1.19，Ta/Hf=0.46～0.5；Th/Hf-Ta/Hf判別圖上(圖6)投點落在地幔熱柱玄武巖區[18]。非地幔柱成因的玄武巖Nb含量小于10 μg/g，而與地幔柱有關的玄武巖含量總是大于10 μg/g[19]，本區的玄武巖Nb含量遠遠大于10 μg/g，表明該玄武巖的形成可能與地幔柱活動有關。玄武巖中較低的Ce/Yb比值說明有較高的熔融程度或尖晶石為主要殘留相(薄巖石圈)，而較高的Ce/Yb比值說明有較低的熔融程度或石榴石為主要殘留相(厚巖石圈)。本區玄武巖的Ce/Yb比值較高，為24.7～27.1，說明玄武巖形成的深度較大，可能為石榴石穩定區。

4 玄武巖形成的地球動力學環境與地質意義

地幔柱假說較好地解釋了夏威夷群島等島鏈的成因，對于大陸玄武巖的地幔柱成因與動力學研究近年來也取得了長足的進展[17,19-20]。本區玄武巖微量元素高場強元素比值接近原始地幔，具有OIB型配分和地幔柱的成因環境，但并非直接由原始地幔巖漿直接形成，而是軟流圈地幔上涌導致深部部分熔融的結果。

圖6 西準噶爾侏羅系玄武巖Th/Hf-Ta/Hf圖解[18]

Ⅰ.板塊發散邊緣；Ⅱ1.大洋島弧玄武巖區；Ⅱ2.陸源島弧及火山弧玄武巖區；Ⅲ.大洋板內洋島、海山玄武巖及T-MORB、E-MORB；Ⅳ1.陸內裂谷及陸源裂谷拉斑玄武巖區；Ⅳ2.陸內裂谷堿性玄武巖；Ⅳ3.大陸拉張帶(初始裂谷)玄武巖；Ⅴ.地幔熱柱玄武巖

Fig.6 Th/Hf-Ta/Hf diagram of Jurassic basalt, western Junggar Basin

準噶爾盆地侏羅系一直被認為是坳陷型盆地，近年來隨著盆地腹部勘探目的層向侏羅系及其以下轉變，精細地震解釋發現盆地內中下侏羅統地層中存在著眾多正斷層，形成大小不同的弱伸展斷陷，控制著侏羅系烴源巖的發育。在準噶爾盆地腹部及西北緣地區受基底性質、先期區域斷裂的影響，侏羅系伸展斷層斷距不一、傾角大小不同，活動時間可從早侏羅世至中侏羅統三工河組沉積期，在盆地邊緣或緩或陡，在盆地腹部如莫索灣地區、夏鹽凸起、阜東斜坡區多數傾角較大甚至近乎直立(圖7)，有利于溝通二疊系烴源巖，促成了油氣藏縱向多層系疊置、平面上多類型成帶分布，已為莫索灣、石西油田、北三臺油田所證實。

西北地區，無論是大型的塔里木、準噶爾、柴達木盆地，還是小型的敦煌、潮水盆地等，野外和井下的侏羅系火山巖地球化學分析均表明存在著早中侏羅世同沉積伸展作用，如克拉瑪依市以東的幾個鉆孔發現侏羅系火山巖，其同位素年齡170～190 Ma[6]；安西—敦煌地區托格、多壩溝和蘆草溝等地發育中侏羅統堿性玄武巖[21]，潮水盆地侏羅系橄欖玄武巖、柴達木盆地侏羅系輝綠巖[22]、東昆侖地區發育同位素年齡為(193 ± 0.9) Ma(U-Pb鋯石)的基性巖墻群[23]及雙峰式火山巖[24]等，火山巖的分布大多位于盆地邊緣或腹部大型基底斷裂的交會處，地球化學特征與大陸裂谷玄武巖相似，為張性盆地的產物。火山巖時代和地震解釋表明，吐哈、準噶爾盆地及東昆侖山間盆地早侏羅世(170～190 Ma)伸展作用較為明顯，而北山地區在中侏羅世(175～165 Ma)較為強烈，總體上具有西早東晚、南早北晚的趨勢，也造就了盆地烴源巖分布層位、成藏組合差異的基礎。

圖7 準噶爾盆地阜東斜坡區過董18井三維層拉平地震剖面示斷層性質變化測線位置見圖1。

早、中侏羅世，區域性的構造背景決定了西北地區板內伸展構造環境。班公湖—怒江洋的俯沖發生在早、中侏羅世，東北緣的蒙古—鄂霍茨克洋開始向西伯利亞大陸方向俯沖，俯沖作用誘發了地幔柱的升降活動，引起地幔巖漿的底辟作用，導致軟流圈界面的上升和巖石圈減薄，在大型斷裂交會部位，首先形成地幔熱點和巖漿上升以充填因拉張而減薄的空間，形成強烈的盆地沉降區，也為盆地的侏羅系烴源巖發育提供了動力學條件。在準噶爾盆地南部、吐哈盆地、敦煌盆地、潮水盆地和雅布賴盆地等均已發現了來自于侏羅系烴源巖的油氣，在白堊系和第三系地層覆蓋區，尤其是中小型盆地殘留凹陷中可以發育巖性或構造—巖性復合原生油氣藏(如吐哈盆地中北部、雅布賴盆地中部、柴達木盆地北緣等)，在盆緣帶油氣沿不整合面運移形成的白堊系和第三系次生地層巖性油氣藏也是重要的勘探領域(如準噶爾盆地四棵樹凹陷北部、柴北緣第三系)。

5 結論

(1)西準噶爾地區中下侏羅統玄武巖為堿性橄欖玄武巖，其地球化學研究表明，玄武巖形成于大陸板內伸展構造背景，巖石稀土總量高，輕稀土強烈富集，富集大離子親石元素和高場強元素，具有OIB型微量元素配分模式，源于較為均一的虧損型地幔源區。

(2)侏羅系裂谷型玄武巖在西北地區眾多盆地中均有發育，主要位于大型的斷裂交會處和深大斷裂帶，可能受區域性軟流圈界面的上升和巖石圈的減薄所控制，為盆地伸展作用提供了動力學條件。西北地區盆地伸展作用具有西早東晚、南早北晚的趨勢，伸展盆地結構和發育時期決定了侏羅系良好烴源巖的空間分布，為以侏羅系為源巖的不同類型油氣藏形成奠定了良好的物質基礎。