準噶爾盆地南緣晚白堊世東溝組沉積充填特征及環境分析

張云飛 劉淑文 劉云華 夏昭德 高曉峰 查顯峰 范媛媛

摘? ?要：通過野外實地調查、沉積巖石學、巖相學、粒度分析和C-O同位素等研究手段，查明東溝組沉積特征和沉積環境。準噶爾盆地南緣晚白堊世東溝組為一套陸上碎屑沉積，巖石顏色主要為磚紅色，巖性以礫巖、砂巖和粉砂巖為主，沉積環境為辮狀河沉積。河床亞相水動力較強，沉積較多粗碎屑物質，泛濫平原亞相水動力較弱，多沉積細碎屑物質，物源來自再旋回造山帶和晚古生代巖漿弧。東溝組礫巖多集中分布在東溝組中部，該時期北天山抬升較快，剝蝕搬運較多粗碎屑物，東溝組巖石在溫度較高條件下固結成巖。準噶爾盆地南緣晚白堊世東溝組沉積填充特征及環境分析，為研究晚白堊世沉積演化特征提供了依據，并為準噶爾盆地與北天山盆山耦合關系提供了翔實資料。

關鍵詞：準噶爾盆地南緣;晚白堊世;東溝組;地層特征;沉積環境;辮狀河相

東溝組主要分布于準噶爾盆地南緣昌吉-沙灣縣之間的天山山前第一排構造或單斜帶上，南安集海以西缺失，在烏魯木齊市以東，主要分布于阜康縣水磨河以西、古牧地構造西南翼[1]。白堊紀晚期全球氣候發生大規模變化，準噶爾盆地南緣整體變得炎熱干燥[2]。東溝組位于上白堊統，處于白堊系和古近系分界處，以磚紅色碎屑沉積為主。沉積相類型以沖積扇和辮狀河沉積為主，為干旱的陸上氧化環境[3-7]。晚白堊世準噶爾盆地構造活動相對活躍，沉積于該時期的東溝組僅發育于盆地南緣，由西南向東北超覆沉積，南緣中部較厚，東西部部分缺失[7-9]。

本文對該區域東溝組巖石學特征、沉積結構、構造等進行總結，劃分沉積相，確定沉積環境。為研究準噶爾盆地南緣晚白堊世沉積演化特征提供依據，并為研究盆山耦合帶提供了翔實資料。

1? 地質背景

研究區位于準噶爾盆地南緣，北天山山前沖斷帶，經歷海西運動、印支運動、燕山運動和喜山運動多期構造變形改造和疊加（圖1）[10]。準噶爾盆地南緣山前以喜馬拉雅期為主的多旋回山前凹陷，屬北天山山前坳陷沖斷帶，為一大型持續沉積坳陷，經多期構造運動。受燕山期和喜山期兩幕構造運動影響，尤其是喜馬拉雅末期構造運動影響，主要以擠壓變形為主，褶皺、斷裂較發育。北天山向北擠壓推覆，使準噶爾盆地南緣在平面構造帶上具南北分帶、東西分段特征，垂向上構造變形具一定差異性[11-13]。構造特征在平面上具東西性，分為西段、中段和東段，分別以奎屯東斷裂和烏魯木齊為界[9]。研究區主要位于中段，區內廣泛發育侏羅系、白堊系、古近—新近系和第四系，構造線呈近EW向或NWW向展布[9]。

2? 剖面特征

研究區內東溝組主要分布在昌吉南側呼圖壁河沿岸和齊古背斜兩側，呈NWW向展布。野外調查及遙感影像上以磚紅色礫巖、砂巖和粉砂巖為主。雀兒溝發育有出露較好的東溝組，東溝組底部出露有磚紅色砂巖。下伏地層為勝金口組青灰色粉砂巖和紅褐色泥巖，二者呈角度不整合接觸，缺失連木沁組;上覆地層為安集海河組青灰色粉砂巖和紅褐色粉砂質泥巖，二者為平行不整合接觸，缺失紫泥泉子組。據野外實測剖面數據，繪制準噶爾盆地南緣雀兒溝東溝組實測剖面圖（圖2）。

3? 巖石學特征

3.1? 巖石類型

東溝組巖石主要以磚紅色為主，夾青灰、紅褐色和少量黃褐色，巖性主要為礫巖、砂巖和粉砂巖，夾泥巖，含有鈣質結核，部分礫巖和砂巖呈透鏡狀分布（圖3）。下部主要為長石巖屑砂巖，碎屑粒度0.05～0.25 mm，分選中等。碎屑多呈棱角-次棱角狀，磨圓差，石英、長石和巖屑各占總成分的30%左右，填隙物主要為粘土質雜基，少量鈣質膠結物，顆粒支撐，接觸式膠結;上部主要為巖屑砂巖，碎屑粒度0.1～0.25 mm，分選中等，碎屑多呈次棱角狀，磨圓中等，石英、長石和巖屑分別占總成分的20%±、5%±、65%±，填隙物主要為鈣質膠結物，雜基支撐，基底式膠結。砂巖中發育平行層理和斜層理。礫巖礫石分布較雜亂（圖3-e，h），少量礫石中有弱的定向排列，粒徑2～20 mm，碎屑物質分選中等，磨圓一般，次棱角-次圓狀，填隙物為鈣質膠結，由方解石組成，呈他形粒狀，雜基支撐。粉砂巖主要為陸源碎屑和粘土質（圖3-i），陸源碎屑由石英、長石、巖屑、黑云母、白云母組成，磨圓較差，呈次棱角狀-次圓狀，為0.005～0.05 mm，雜亂分布。粉砂巖和泥巖中發育水平層理。

東溝組礫巖中礫石成分主要為巖漿巖和沉積巖，變質巖極少，在總礫石中占比分別為59%±、39%±、2%±。巖漿巖主要為花崗斑巖和凝灰巖（圖3-j，k）;沉積巖主要為粉砂巖、砂巖、少量硅質巖和灰巖（圖3-l）。砂巖中石英含量較低，小于30%，單晶石英含量大于多晶石英;長石含量變化較大，為5%～30%;巖屑含量占碎屑顆粒成分的57%～72%，主要以火山巖巖屑為主，約占總巖屑的55%～77%，次為沉積巖巖屑，占總巖屑的22%～43%，變質巖巖屑極少。物源區主要為再旋回造山帶和巖漿弧（圖4）。

3.2? 沉積結構

碎屑的分選、磨圓、膠結類型是對結構的綜合反映，碎屑顆粒粒度分析可判斷砂巖中顆粒粒度的差異性[16-18]，反映沉積的水動力條件。為此，對東溝組砂巖進行粒度分析，表1為東溝組砂巖粒度分析數據。從表中可看出，砂巖平均粒徑（Mz）為粒度分布集中趨勢范圍，反映沉積過程中介質的平均動能，如水動力的強弱[19-20]。東溝組砂巖平均粒徑為1.97～4.10 Φ，平均3.04 Φ。該值越小，反映沉積物顆粒粒徑越大，代表沉積時水動力條件越強，東溝組砂巖整體粒度較粗。標準偏差（σ1）表示沉積物分選性的好壞，可反映沉積環境[16-17]。東溝組砂巖標準偏差（σ1）為0.54～1.07，平均0.83，0.71≤σ1≤1.00，代表分選中等[21]。砂巖樣品平均粒徑（Mz）和標準偏差（σ1）具負相關性，粒徑越粗，沉積物顆粒分選性越差。樣品偏度（SK1）均大于0，具正偏態特征，說明沉積物以粗組分為主。

3.3? 沉積構造

準噶爾盆地南緣野外剖面沉積類型豐富，保存較完整，對該地區沉積相和沉積環境的識別具重要作用（圖5）。礫巖中少量礫石具弱的定向排列，礫巖底部有沖刷面。砂巖中主要發育平行層理、斜層理和楔形交錯層理。粉砂巖和泥巖主要發育水平層理。部分較粗的碎屑巖以透鏡體方式存在于較細碎屑巖中，如砂巖或礫巖透鏡體。

4? C-O同位素分析

沉積巖氧同位素組成一般與原始碎屑物質和自生沉積礦物含量有關[22]。東溝組灰巖和鈣質砂巖、礫巖膠結物中方解石的δ13C變化為-8.3‰～

-4.5‰，平均-5.78‰，碳主要來源于淡水。

古鹽度? 基斯通過對δ13CV-PDB和δ18OV-PDB數值分析，提出使用方程式區分咸水和淡水碳酸鹽巖[23]：

Z=2.048×（δ13CV-PDB+50）+0.498

×（δ18OV-PDB+50）…（1）

由表2可知，東溝組樣品中Z值為104.97～114.73，小于120，表明當時主要為大氣淡水成巖環境[24]。

古溫度? 水體溫度對δ18O影響較大，鹽度不變時，δ18O與溫度呈負相關，運用古溫度計算修正公式初步計算[25-26]：

T=16.9-4.38×（δ18O校正+2.8）+0.1×（δ18O校正+2.8）2

…（2）

東溝組樣品成巖時期古溫度為29.46 ℃～57.74 ℃，反映當時成巖溫度較高。通過此公式計算出的結果可能與當時實際情況有誤差，僅大體反映成巖溫度。東溝組巖石是在溫度較高的條件下固結成巖的。

5? 沉積相和沉積環境分析

5.1? 沉積相

結合野外實測剖面巖性組合、沉積構造和沉積序列，將研究區晚白堊世東溝組沉積相劃分為辮狀河相沉積，進一步劃分為河床沉積和泛濫平原沉積兩個亞相（圖6）：①河床沉積亞相。巖性主要為礫巖、含礫砂巖和砂巖等粗碎屑，底部有沖刷面，碎屑粒度較大，分選性較差，具河床滯留沉積，少量礫巖和含礫砂巖呈透鏡狀產出，礫石具弱的定向排列。向上為心灘，由底至頂為礫巖、含礫砂巖、砂巖，少量粉砂巖和泥巖，見斜層理、平行層理;②泛濫平原沉積亞相。巖性主要為粉砂巖、泥質粉砂巖、粉砂質泥巖和泥巖等細碎屑沉積物，發育水平層理，從下至上粒度逐漸減小。

5.2? 沉積環境

東溝組巖石顏色以磚紅色為主，為典型陸上紅色地層，代表干燥炎熱的氧化環境[1]。東溝組中礫巖鈣質膠接物占比較高，鈣質結核較發育，反映當時沉積環境為炎熱氣候。由于氣候炎熱干燥，河流一般為季節性河流[27]。水流增大時，水動力增強，沉積物以礫巖和砂巖等粗組分為主;水流減弱時，水動力減弱，沉積物以粉砂巖和泥巖等細組分為主，形成礫巖、砂巖、粉砂巖和泥巖的多期旋回。盆地南緣東溝組沉積時期，沉積環境未發生較大變化，天山的隆升使剝蝕搬運的碎屑物質粒度不同，形成多期旋回。

晚白堊世準噶爾盆地東溝組分布不廣泛，僅分布在南緣，其他區域缺失，說明當時準噶爾盆地構造活動較強烈[28]。晚白堊—始新世，北天山隆升主要位于頭屯河和烏庫公路后峽地區[1]。東溝組中沉積有較多礫巖且層位較厚，砂巖粒度分析證明當時水動力較強，反映當時北天山隆升速率較快。天山的隆升使準噶爾盆地湖盆范圍縮小。研究區處于前陸盆地，沉積環境由早白堊世濱淺湖相轉為晚白堊世辮狀河相，屬陸相沖積環境。

5.3? 物源分析

該區物源主要來自再旋回造山帶和巖漿弧（圖4）。由于天山地區中生代不存在巖漿弧，巖漿弧應為天山地區晚古生代巖漿弧。東溝組礫巖中礫石成分有花崗斑巖、凝灰巖、砂巖、粉砂巖、灰巖、硅質巖等。據李忠劃分的礫石成分及天山的主要物源歸屬[29]，東溝組礫石中花崗巖物源歸屬為前石炭系或前中生界結晶基底，中基性火山巖、砂巖和粉砂巖物源歸屬為石炭—二疊系和中生界蓋層。據萬靜萍建立的沖積扇沉積中礫石直徑與搬運距離關系式[30]：H=69.7-26.3 lnG，（H——搬運距離，km;G——平均礫石直徑，cm），野外多個礫巖層礫石統計得出平均粒徑為2.12 cm，計算出搬運距離為49.9 km。由于東溝組物源來自北天山，通過北天山地層展布，將其與礫石搬運距離將結合，認為花崗斑巖可能來自天格爾地區[31];凝灰巖可能來自下石炭統齊爾古斯套組和上石炭統前峽組;砂巖和粉砂巖可能來自二疊—下三疊統倉房溝群和中—上三疊統小泉溝群;灰巖可能來自上泥盆統天格爾組;硅質巖可能來自下石炭統齊爾古斯套組和上石炭統前峽組[32]。

6? 結論

（1） 準噶爾盆地南緣東溝組巖石顏色主要以磚紅色為主，夾青灰、紅褐色和少量黃褐色。巖性主要為礫巖、砂巖和粉砂巖，夾泥巖，含有鈣質結核。砂巖碎屑的結構和成分成熟度低，反映沉積地層離物源較近。

（2） 準噶爾盆地南緣東溝組沉積相主要為辮狀河沉積，可進一步劃分為河床沉積和泛濫平原沉積兩個亞相，沉積構造主要有河床滯留沉積、沖刷面、水平層理、平行層理、交錯層理。

（3） 準噶爾盆地南緣雀兒溝東溝組沉積環境為炎熱干燥的陸上氧化環境，是在溫度較高條件下固結成巖。物源區主要為再旋回造山帶和晚古生代巖漿弧，具體可能是來自上泥盆統天格爾組的灰巖，下石炭統齊爾古斯套組的凝灰巖、硅質巖，上石炭統前峽組的凝灰巖、硅質巖和二疊系、三疊系的砂巖、粉砂巖，天格爾地區的花崗斑巖。

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Sedimentary Filling Characteristics and Environmental Analysis of Late Cretaceous Donggou Formation in Southern Margin of Junggar Basin

Zhang Yunfei1， Liu Shuwen1， Liu Yunhua1， Xia Zhaode1， Gao Xiaofeng2， Zha Xianfeng2，Fan Yuanyuan1

（School of Earth Science and Resources， Chang'an University， Xi'an， Shaanxi， 710054， China; Xi'an Center

of China Geological Survey， Xi'an， Shaanxi， 710054， China）

Abstract： Through field investigation， sedimentary petrology， lithofacies， grain size analysis and C-O isotope， the sedimentary characteristics and sedimentary environment of Donggou Formation are identified. The Late Cretaceous Donggou Formation in the southern margin of Junggar Basin is a set of onshore clastic deposits. The rock color is mainly brick red. The lithologies are mainly conglomerate， sandstone and siltstone. The sedimentary environment is braided river deposits. The river bed subfacies has strong hydrodynamic force and more coarse clastic materials. The flood plain subfacies has weak hydrodynamic force and more fine clastic materials. The provenances are recycled orogenic belt and Late Paleozoic magmatic arc. The conglomerates of the Donggou Formation are mostly concentrated in the middle of the Donggou Formation， indicating that the northern Tianshan uplifted rapidly during this period， and eroded and transported more coarse clastic materials. The rocks of Donggou Formation are consolidated under high temperature. Sedimentary filling characteristics and environmental analysis of the Late Cretaceous Donggou Formation in the southern margin of Junggar Basin provide a basis for studying the sedimentary evolution characteristics of Late Cretaceous and detailed data for the coupling relationship between Junggar Basin and North Tianshan Basin.

Keywords：? Southern margin of Junggar Basin; Late Cretaceous; Donggou Formation; Stratigraphic characteristics; Sedimentary environment; Braided river facies