准噶尔盆地南缘晚白垩世东沟组沉积充填特征及环境分析

张云飞 刘淑文 刘云华 夏昭德 高晓峰 查显峰 范媛媛

摘   要：通过野外实地调查、沉积岩石学、岩相学、粒度分析和C-O同位素等研究手段，查明东沟组沉积特征和沉积环境。准噶尔盆地南缘晚白垩世东沟组为一套陆上碎屑沉积，岩石颜色主要为砖红色，岩性以砾岩、砂岩和粉砂岩为主，沉积环境为辫状河沉积。河床亚相水动力较强，沉积较多粗碎屑物质，泛滥平原亚相水动力较弱，多沉积细碎屑物质，物源来自再旋回造山带和晚古生代岩浆弧。东沟组砾岩多集中分布在东沟组中部，该时期北天山抬升较快，剥蚀搬运较多粗碎屑物，东沟组岩石在温度较高条件下固结成岩。准噶尔盆地南缘晚白垩世东沟组沉积填充特征及环境分析，为研究晚白垩世沉积演化特征提供了依据，并为准噶尔盆地与北天山盆山耦合关系提供了翔实资料。

关键词：准噶尔盆地南缘;晚白垩世;东沟组;地层特征;沉积环境;辫状河相

东沟组主要分布于准噶尔盆地南缘昌吉-沙湾县之间的天山山前第一排构造或单斜带上，南安集海以西缺失，在乌鲁木齐市以东，主要分布于阜康县水磨河以西、古牧地构造西南翼[1]。白垩纪晚期全球气候发生大规模变化，准噶尔盆地南缘整体变得炎热干燥[2]。东沟组位于上白垩统，处于白垩系和古近系分界处，以砖红色碎屑沉积为主。沉积相类型以冲积扇和辫状河沉积为主，为干旱的陆上氧化环境[3-7]。晚白垩世准噶尔盆地构造活动相对活跃，沉积于该时期的东沟组仅发育于盆地南缘，由西南向东北超覆沉积，南缘中部较厚，东西部部分缺失[7-9]。

本文对该区域东沟组岩石学特征、沉积结构、构造等进行总结，划分沉积相，确定沉积环境。为研究准噶尔盆地南缘晚白垩世沉积演化特征提供依据，并为研究盆山耦合带提供了翔实资料。

1  地质背景

研究区位于准噶尔盆地南缘，北天山山前冲断带，经历海西运动、印支运动、燕山运动和喜山运动多期构造变形改造和叠加（图1）[10]。准噶尔盆地南缘山前以喜马拉雅期为主的多旋回山前凹陷，属北天山山前坳陷冲断带，为一大型持续沉积坳陷，经多期构造运动。受燕山期和喜山期两幕构造运动影响，尤其是喜马拉雅末期构造运动影响，主要以挤压变形为主，褶皱、断裂较发育。北天山向北挤压推覆，使准噶尔盆地南缘在平面构造带上具南北分带、东西分段特征，垂向上构造变形具一定差异性[11-13]。构造特征在平面上具东西性，分为西段、中段和东段，分别以奎屯东断裂和乌鲁木齐为界[9]。研究区主要位于中段，区内广泛发育侏罗系、白垩系、古近—新近系和第四系，构造线呈近EW向或NWW向展布[9]。

2  剖面特征

研究区内东沟组主要分布在昌吉南侧呼图壁河沿岸和齐古背斜两侧，呈NWW向展布。野外调查及遥感影像上以砖红色砾岩、砂岩和粉砂岩为主。雀儿沟发育有出露较好的东沟组，东沟组底部出露有砖红色砂岩。下伏地层为胜金口组青灰色粉砂岩和红褐色泥岩，二者呈角度不整合接触，缺失连木沁组;上覆地层为安集海河组青灰色粉砂岩和红褐色粉砂质泥岩，二者为平行不整合接触，缺失紫泥泉子组。据野外实测剖面数据，绘制准噶尔盆地南缘雀儿沟东沟组实测剖面图（图2）。

3  岩石学特征

3.1  岩石类型

东沟组岩石主要以砖红色为主，夹青灰、红褐色和少量黄褐色，岩性主要为砾岩、砂岩和粉砂岩，夹泥岩，含有钙质结核，部分砾岩和砂岩呈透镜状分布（图3）。下部主要为长石岩屑砂岩，碎屑粒度0.05～0.25 mm，分选中等。碎屑多呈棱角-次棱角状，磨圆差，石英、长石和岩屑各占总成分的30%左右，填隙物主要为粘土质杂基，少量钙质胶结物，颗粒支撑，接触式胶结;上部主要为岩屑砂岩，碎屑粒度0.1～0.25 mm，分选中等，碎屑多呈次棱角状，磨圆中等，石英、长石和岩屑分别占总成分的20%±、5%±、65%±，填隙物主要为钙质胶结物，杂基支撑，基底式胶结。砂岩中发育平行层理和斜层理。砾岩砾石分布较杂乱（图3-e，h），少量砾石中有弱的定向排列，粒径2～20 mm，碎屑物质分选中等，磨圆一般，次棱角-次圆状，填隙物为钙质胶结，由方解石组成，呈他形粒状，杂基支撑。粉砂岩主要为陆源碎屑和粘土质（图3-i），陆源碎屑由石英、长石、岩屑、黑云母、白云母组成，磨圆较差，呈次棱角状-次圆状，为0.005～0.05 mm，杂乱分布。粉砂岩和泥岩中发育水平层理。

东沟组砾岩中砾石成分主要为岩浆岩和沉积岩，变质岩极少，在总砾石中占比分别为59%±、39%±、2%±。岩浆岩主要为花岗斑岩和凝灰岩（图3-j，k）;沉积岩主要为粉砂岩、砂岩、少量硅质岩和灰岩（图3-l）。砂岩中石英含量较低，小于30%，单晶石英含量大于多晶石英;长石含量变化较大，为5%～30%;岩屑含量占碎屑颗粒成分的57%～72%，主要以火山岩岩屑为主，约占总岩屑的55%～77%，次为沉积岩岩屑，占总岩屑的22%～43%，变质岩岩屑极少。物源区主要为再旋回造山带和岩浆弧（图4）。

3.2  沉积结构

碎屑的分选、磨圆、胶结类型是对结构的综合反映，碎屑颗粒粒度分析可判断砂岩中颗粒粒度的差异性[16-18]，反映沉积的水动力条件。为此，对东沟组砂岩进行粒度分析，表1为东沟组砂岩粒度分析数据。从表中可看出，砂岩平均粒径（Mz）为粒度分布集中趋势范围，反映沉积过程中介质的平均动能，如水动力的强弱[19-20]。东沟组砂岩平均粒径为1.97～4.10 Φ，平均3.04 Φ。该值越小，反映沉积物颗粒粒径越大，代表沉积时水动力条件越强，东沟组砂岩整体粒度较粗。标准偏差（σ1）表示沉积物分选性的好坏，可反映沉积环境[16-17]。东沟组砂岩标准偏差（σ1）为0.54～1.07，平均0.83，0.71≤σ1≤1.00，代表分選中等[21]。砂岩样品平均粒径（Mz）和标准偏差（σ1）具负相关性，粒径越粗，沉积物颗粒分选性越差。样品偏度（SK1）均大于0，具正偏态特征，说明沉积物以粗组分为主。

3.3  沉积构造

准噶尔盆地南缘野外剖面沉积类型丰富，保存较完整，对该地区沉积相和沉积环境的识别具重要作用（图5）。砾岩中少量砾石具弱的定向排列，砾岩底部有冲刷面。砂岩中主要发育平行层理、斜层理和楔形交错层理。粉砂岩和泥岩主要发育水平层理。部分较粗的碎屑岩以透镜体方式存在于较细碎屑岩中，如砂岩或砾岩透镜体。

4  C-O同位素分析

沉积岩氧同位素组成一般与原始碎屑物质和自生沉积矿物含量有关[22]。东沟组灰岩和钙质砂岩、砾岩胶结物中方解石的δ13C变化为-8.3‰～

-4.5‰，平均-5.78‰，碳主要来源于淡水。

古盐度  基斯通过对δ13CV-PDB和δ18OV-PDB数值分析，提出使用方程式区分咸水和淡水碳酸盐岩[23]：

Z=2.048×（δ13CV-PDB+50）+0.498

×（δ18OV-PDB+50）…（1）

由表2可知，东沟组样品中Z值为104.97～114.73，小于120，表明当时主要为大气淡水成岩环境[24]。

古温度  水体温度对δ18O影响较大，盐度不变时，δ18O与温度呈负相关，运用古温度计算修正公式初步计算[25-26]：

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

…（2）

东沟组样品成岩时期古温度为29.46 ℃～57.74 ℃，反映当时成岩温度较高。通过此公式计算出的结果可能与当时实际情况有误差，仅大体反映成岩温度。东沟组岩石是在温度较高的条件下固结成岩的。

5  沉积相和沉积环境分析

5.1  沉积相

结合野外实测剖面岩性组合、沉积构造和沉积序列，将研究区晚白垩世东沟组沉积相划分为辫状河相沉积，进一步划分为河床沉积和泛滥平原沉积两个亚相（图6）：①河床沉积亚相。岩性主要为砾岩、含砾砂岩和砂岩等粗碎屑，底部有冲刷面，碎屑粒度较大，分选性较差，具河床滞留沉积，少量砾岩和含砾砂岩呈透镜状产出，砾石具弱的定向排列。向上为心滩，由底至顶为砾岩、含砾砂岩、砂岩，少量粉砂岩和泥岩，见斜层理、平行层理;②泛滥平原沉积亚相。岩性主要为粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩等细碎屑沉积物，发育水平层理，从下至上粒度逐渐减小。

5.2  沉积环境

东沟组岩石颜色以砖红色为主，为典型陆上红色地层，代表干燥炎热的氧化环境[1]。东沟组中砾岩钙质胶接物占比较高，钙质结核较发育，反映当时沉积环境为炎热气候。由于气候炎热干燥，河流一般为季节性河流[27]。水流增大时，水动力增强，沉积物以砾岩和砂岩等粗组分为主;水流减弱时，水动力减弱，沉积物以粉砂岩和泥岩等细组分为主，形成砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩的多期旋回。盆地南缘东沟组沉积时期，沉积环境未发生较大变化，天山的隆升使剥蚀搬运的碎屑物质粒度不同，形成多期旋回。

晚白垩世准噶尔盆地东沟组分布不广泛，仅分布在南缘，其他区域缺失，说明当时准噶尔盆地构造活动较强烈[28]。晚白垩—始新世，北天山隆升主要位于头屯河和乌库公路后峡地区[1]。东沟组中沉积有较多砾岩且层位较厚，砂岩粒度分析证明当时水动力较强，反映当时北天山隆升速率较快。天山的隆升使准噶尔盆地湖盆范围缩小。研究区处于前陆盆地，沉积环境由早白垩世滨浅湖相转为晚白垩世辫状河相，属陆相冲积环境。

5.3  物源分析

该区物源主要来自再旋回造山带和岩浆弧（图4）。由于天山地区中生代不存在岩浆弧，岩浆弧应为天山地区晚古生代岩浆弧。东沟组砾岩中砾石成分有花岗斑岩、凝灰岩、砂岩、粉砂岩、灰岩、硅质岩等。据李忠划分的砾石成分及天山的主要物源归属[29]，东沟组砾石中花岗岩物源归属为前石炭系或前中生界结晶基底，中基性火山岩、砂岩和粉砂岩物源归属为石炭—二叠系和中生界盖层。据万静萍建立的冲积扇沉积中砾石直径与搬运距离关系式[30]：H=69.7-26.3 lnG，（H——搬运距离，km;G——平均砾石直径，cm），野外多个砾岩层砾石统计得出平均粒径为2.12 cm，计算出搬运距离为49.9 km。由于东沟组物源来自北天山，通过北天山地层展布，将其与砾石搬运距离将结合，认为花岗斑岩可能来自天格尔地区[31];凝灰岩可能来自下石炭统齐尔古斯套组和上石炭统前峡组;砂岩和粉砂岩可能来自二叠—下三叠统仓房沟群和中—上三叠统小泉沟群;灰岩可能来自上泥盆统天格尔组;硅质岩可能来自下石炭统齐尔古斯套组和上石炭统前峡组[32]。

6  结论

（1） 准噶尔盆地南缘东沟组岩石颜色主要以磚红色为主，夹青灰、红褐色和少量黄褐色。岩性主要为砾岩、砂岩和粉砂岩，夹泥岩，含有钙质结核。砂岩碎屑的结构和成分成熟度低，反映沉积地层离物源较近。

（2） 准噶尔盆地南缘东沟组沉积相主要为辫状河沉积，可进一步划分为河床沉积和泛滥平原沉积两个亚相，沉积构造主要有河床滞留沉积、冲刷面、水平层理、平行层理、交错层理。

（3） 准噶尔盆地南缘雀儿沟东沟组沉积环境为炎热干燥的陆上氧化环境，是在温度较高条件下固结成岩。物源区主要为再旋回造山带和晚古生代岩浆弧，具体可能是来自上泥盆统天格尔组的灰岩，下石炭统齐尔古斯套组的凝灰岩、硅质岩，上石炭统前峡组的凝灰岩、硅质岩和二叠系、三叠系的砂岩、粉砂岩，天格尔地区的花岗斑岩。

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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