准噶尔盆地所属的古亚洲洋构造域处在晚古生代古亚洲洋逐渐消亡、洋壳消减、陆壳尚未完全形成的转换时期, 地壳活动性强烈, 火山活动频繁。火山岩地层的分布约占整个盆地面积的三分之二。

对于准噶尔盆地晚古生代火山活动时期的构造背景与沉积环境, 前人已做了大量的研究, 如：Windley et al.(2007)、Abrajevitch et al.(2008)和Choulet et al.(2012) 等从中亚造山带的演化入手研究了准噶尔盆地的构造背景；王方正等(2002)、赵霞等(2008)和吴小奇等(2009)从地球化学角度对准噶尔盆地五彩湾、陆梁等地区的构造环境进行了研究；吴晓智等(2008)和靳军等(2009)对整个准噶尔盆地甚至整个北疆地区石炭系的沉积环境进行了分析等。但是, 针对火山机构分布的研究多局限于准噶尔盆地内的局部区域(如, 李军, 2008；周路等, 2008；雷天柱等, 2008), 全盆范围的研究则多针对于火山岩的分布(如, 吴晓智等, 2008；何登发等, 2010), 尚没有针对整个准噶尔盆地范围内火山机构特征、分布及其发育环境的研究。

近年来, 对准噶尔盆地西北缘断裂带、东准噶尔陆东-五彩湾克拉美丽等地区上古生界火山岩油气勘探取得的大量突破表明, 石炭-二叠系火山岩已成为准噶尔盆地油气勘探的重要目标层。火山机构是岩浆出露地表的通道, 其规模、分布特征对于研究火山岩和火山岩储层具有重要的指导作用。本次研究从收集前人在准噶尔盆地及其邻区露头和地震勘探报道的火山机构入手, 结合野外考察, 系统地总结了全盆范围内火山机构的分布特征, 并结合前人相关火山活动期间的沉积环境、火山岩年龄和地球化学特征的研究, 对火山活动期间的构造环境进行了分析。这项工作为准噶尔盆地火山岩油气区的地震、测井分析提供依据和参考模型。

准噶尔地块位于中亚造山带中部, 是中亚哈萨克山弯构造的最东段, 为西伯利亚-哈萨克斯坦板块和天山所界限, 传统上划分为东、西准噶尔地块和准噶尔盆地(图 1；Chen and Jahn, 2004；Shen et al., 2009；Zhang et al., 2009；Long et al., 2012；Yang et al., 2011)。晚古生代准噶尔洋向哈萨克斯坦活动边缘俯冲形成了若干增生楔和岩浆弧(Windley et al., 2007；Abrajevitch et al., 2008；Choulet et al., 2012), 准噶尔盆地构造体制出现重大转折, 盆内沉积在石炭纪出现了从海相到陆相的转变(Chen and Jahn, 2004；Zhang et al., 2009c)。

图 1

Fig. 1

图 1 准噶尔地块地质简图(据Xiao et al., 2011修改) Fig. 1 Simplified geological map of the Junggar terrane in northern Xinjiang, NW China (after Xiao et al., 2011)

准噶尔盆地是典型的叠合盆地, 主要经历了古生代末期岛弧增生、陆块拼合、中生代初热点型伸展, 以及新生代南缘前陆盆地发育三大构造演化阶段。对于盆地构造基底的认识目前尚不统一, 主要观点包括：古老结晶基底(彭希龄, 1994)、洋壳或含有微陆块的洋壳(肖序常等, 1992)、受晚古生代岩浆作用强烈改造的前寒武纪结晶基底(韩宝福等, 1999)、晚古生代火山岩及少量页岩、凝灰岩(Zheng et al., 2007)。古生代时, 准噶尔盆地基底周围经历了多期小洋盆演化, 并在该区保留了相应蛇绿岩套(陈发景等, 2005), 包括：唐巴勒(晚寒武-早奥陶世)、玛依内(志留纪)、达拉布特、卡拉麦里(早-中泥盆世)、阿尔曼太(中-晚泥盆世) 和北天山巴音沟(早石炭世)。石炭纪中后期, 准噶尔盆地经历了造山期后裂陷槽的开启-闭合阶段(肖序常等, 1992)。二叠纪开始, 准噶尔盆地已形成独立盆地(张朝军, 2005), 并进入了陆内盆地发育阶段, 陈发景等(2005)通过沉积旋回的研究将其分为：早二叠世裂谷, 二叠世中期裂谷期后弱伸展坳陷, 晚期弱缩短挠曲坳陷, 早三叠世-晚三叠世早期弱伸展坳陷, 晚三叠世晚期弱缩短挠曲坳陷, 早、中侏罗世弱伸展坳陷, 中、晚侏罗世小型陆内前陆坳陷, 早白垩世稳定大陆内坳陷, 晚白垩世弱缩短挠曲坳陷, 古近纪稳定大陆内坳陷。在准噶尔盆地南缘, 受喜山运动影响, 发育有新近系-第四系早更新世陆内前陆盆地(He et al., 2008)。

北疆地区共发现、识别出晚古生代火山机构145处, 其中, 32处位于周缘, 113处位于准噶尔及三塘湖盆内(图 2；新疆维吾尔自治区地矿局, 1992a, b；杨忆和沈远超, 1992；新疆维吾尔自治区地方志编纂委会, 1997, 2002；邢秀娟, 2004；张超等, 2005；朱志新等, 2005；雷天柱等, 2008；李军, 2008；周路等, 2008；王绪龙等, 2010；曹积新, 2010；李社平, 2011)。

图 2

Fig. 2

图 2 北疆火山机构与石炭系-下二叠统火山岩分布图 火山岩分布据吴晓智等, 2009.火山分布据新疆维吾尔自治区地矿局, 1992a, b；杨忆和沈远超, 1992；新疆维吾尔自治区地方志编纂委会, 1997, 2002；邢秀娟, 2004；张超等, 2005；朱志新等, 2005；雷天柱等, 2008；李军, 2008；周路等, 2008；王绪龙等, 2010；曹积新, 2010；李社平, 2011 Fig. 2 Map showing the distribution of volcanoes and Carboniferous-Lower Permian volcanic rocks in northern Xinjiang Volcanic rocks after Wu et al., 2009. Volcanoes after BGMRX, 1992a, b; Yang and Shen, 1992; LCEBX, 1997, 2002; Xing, 2004; Zhang et al., 2005; Zhu et al., 2005; Lei et al., 2008; Li, 2008; Zhou et al., 2008; Wang et al., 2010; Cao, 2010; Li, 2011

准噶尔地区晚古生代火山机构经历长期风化、剥蚀, 其中埋藏区火山机构又被后期沉积所覆盖, 均难以保存火山机构完整的外貌特征。一般而言, 野外古火山机构多通过寻找火山口、火山通道进行识别, 最为常见的识别方法包括：1) 通过火山机构的残留地貌特征来识别, 如正地貌, 放射状、环状水系或断裂等；2) 通过火山岩相的变化趋势来识别, 通常距离火山口或火山通道由远及近依次分布火山沉积相(常见沉凝灰岩、沉角砾岩), 溢流相(常见玄武岩、安山岩), 爆发相(常见凝灰岩、火山角砾岩、火山集块岩), 近火山口相(常见闪长岩、辉绿岩) 以及火山通道相(常见柱状节理)；3) 通过特征岩性识别, 如隐爆角砾岩, 常位于火山机构下部火山口附近, 属于火山通道相, 是野外识别火山通道的主要标志, 东准噶尔地区火山机构多出露隐爆角砾岩(谭佳奕等, 2010)。

埋藏火山机构的识别一般通过三种地震学方法(刘洪林等, 2008；邵锐等, 2011)：1) 地震相干分析技术及地震切片, 火山机构的特殊地震反射特征导致在层相干切片上显示出杂乱细碎的反射特征, 而向外的火山灰堆积和溢流岩浆分布区的地震特征则比较连续, 为较强相位的反射, 火山地层倾角大, 波峰波谷变化频率很高, 同相轴显得很窄, 呈密集状分布, 由此可识别火山机构；2) 属性及属性分析, 火山形态整体呈丘形, 火山岩层多以火山口为中心对称倾斜, 对于保存较好的火山机构, 两侧倾斜的方位是完全相反的, 由此可识别火山机构；3) 根据构造趋势面分析技术识别火山机构, 为研究区目的层段从深到浅的各向异性切片, 从各向异性切片上可以直观地看出从火山根部到火山口的火山演化过程。

在准噶尔盆地周缘共报道火山机构32处, 主要集中于博罗科努山、博格达山、托里金矿带、哈巴河以及克拉美丽山, 此外吐哈盆地南部还有一些火山机构呈“V”型分布。准噶尔盆地周缘发现的火山机构涵盖破火山口、火山穹窿、层状火山、锥状火山等多种(残余) 火山机构类型。

破火山口包括爆发破火山口和塌陷破火山口两类, 分布数量较多, 常具有以下特征：①破火山口形态多为圆形或椭圆形中心下凹的盆地；②面积1~5km²；③破火山口内出露的火山岩及火山碎屑岩呈环形分布；④内部岩层产状平缓, 并向中心倾斜, 外围产状变陡；⑤常有1个或数个火山通道, 但多被充填, 火山颈具有环带状构造；⑥破火山口在平面上呈圆形、椭圆形或环形磁异常；⑦破火山口内的火山碎屑岩常发育强烈的围岩蚀变, 并且分带；⑧塌陷破火山口内分布有塌陷角砾岩。研究区内主要破火山口实例以托里县哈图-灰绿山-满硐山-红旗金矿一线及查干诺尔出露的火山机构为代表。

准噶尔盆地周缘火山穹窿以黑尖山特征最为突出：①岩层呈环状分布, 向外倾斜；②顶部倾角平缓, 一般为10°~20°, 向边部逐渐变陡；③在穹窿顶部中央一般存在1个到几个火山通道, 但多被充填, 通道直径约1km左右；④在通道周围存在断续环状分布的火山角砾岩。此外, 阿奇山地区的红山爆发岩钟也是一种火山穹窿构造。

准噶尔盆地周缘古火山机构大多经历严重的风化剥蚀, 很多都只保留了火山通道与火山颈, 因此火山通道与火山颈是本区内最为常见的古火山机构, 其特征包括①多位于破火山口中心或火山穹窿顶部；②形态上多为圆形、椭圆形或近圆形；③直径一般200~500m, 但几十米与近千米的也有发现；④通道周围环形、放射状裂隙分布；⑤通道四周常有蚀变带；⑥岩体柱状节理发育, 某些可见斑状构造和流动构造；⑦岩体与围岩接触带陡立。

大石头火山是野外火山通道的典型代表, 位于木垒县大石头村西北2.5km处, 所属地层为上石炭统缪林托凯陶山组。火山机构直径约1.5km, 岩性以安山岩、安山质火山碎屑岩为主, 在平面上由内向外依次为：溢流相(层状安山岩)、爆发相(火山角砾岩)、爆发相(集块岩) 和次火山口相(辉绿岩)(图 3)；火山口中心直径约100m, 高差30m。在火山口的中心位置, 侵入相辉绿岩与爆发相火山集块岩的组合有效指示了该处火山通道的存在。

图 3

Fig. 3

图 3 大石头火山野外照片(a, c-f) 及遥感图像(b) Fig. 3 Field photographs (a, c-f) and satellite image (b) of Dashitou volcano

通过野外调查、文献调研和地震解译, 在准噶尔盆地盆内共识别出火山机构85处, 主要分布在西北缘克百断裂带和盆地腹部的四处凹陷(三南凹陷、东道海子凹陷、滴水泉凹陷和五彩湾凹陷) 及七处凸起(白家海凸起、石西凸起、夏盐凸起、三个泉凸起、滴北凸起、滴南凸起和北三台凸起)(图 4)。

图 4

Fig. 4

图 4 准噶尔盆地内部火山机构-断裂分布图(断裂、构造单元据周路等, 2009；火山机构分布出处同图 2) BJH-白家海凸起；BST-北三台凸起；DB-滴北凸起；DN-滴南凸起；SGQ-三个泉凸起；SX-石西凸起；XY-夏盐凸起；DDHZ-东道海子凹陷；DSQ-滴水泉凹陷；SN-三南凹陷；WCW-五彩湾凹陷 Fig. 4 Distribution map of the volcanoes and faults in Junggar Basin (faults and tectonic units from Zhou et al., 2009; source of volcanoes see Fig. 2) BJH-Baijiahai uplift; BST-Beisantai uplift; DB-Dibei uplift; DN-Dinan uplift; SGQ-Sangequan uplift; SX-Shixi uplift; XY-Xiayan uplift; DDHZ-Dongdaohaizi depression; DSQ-Dishuiquan depression; SN-Sannan depression; WCW-Wucaiwan depression

晚海西期是准噶尔盆地石炭系断裂主要发育期, 盆地石炭系多数断裂均发育在该构造期(曲国胜等, 2008；周路等, 2009), 但此期断裂多数在后期又发生了活动, 仅在海西期发育而后期不再活动的断裂主要分布在盆地腹部(周路等, 2009)。盆内火山机构分布区大致耦合于断裂分布区, 具有沿着NE和近E-W两个方向的断裂展布的趋势, 断裂交汇部位, 火山机构最为发育(图 4)。

由于后期改造, 石炭系火山岩普遍遭受剥蚀, 且发生强烈变形和风化淋滤改造, 在目前深层地震资料条件下, 难以识别出完整的火山机构。盆内不同区域发育的火山机构具有各自的特征, 可归纳为以下四类。

(1) 准西北缘爆发相、火山通道相主要分布在克百断裂带一带, 大体反映了火山机构的位置, 火山岩性以安山岩-凝灰岩、玄武岩为主, 亦沿断裂带分布, 远离断裂带方向火山岩逐渐被沉积岩代替(李军, 2008；张家政, 2009)。(2) 北三台凸起火山机构由地震相反映出的具有长期继承活动特点的火山通道相所揭示, 石炭系井下钻遇岩性主要为火山岩和碎屑岩, 火山岩岩性主要为绿色安山岩、安山质火山角砾岩, 灰色凝灰岩、沉凝灰岩, 蛋青色玄武岩、玄武质火山角砾岩, 紫色英安岩, 肉红色流纹岩、流纹质火山角砾岩；碎屑岩主要为黄色凝灰质砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩不等厚互层(周路等, 2008)。(3) 陆西地区实测得到7处火山机构(雷天柱等, 2008), 火山岩在石炭系-下二叠统大面积出现, 整体上以碱性岩为主, 由西北角的基性逐渐向南东过渡为中酸性, 火山岩岩相呈北东-南西向的条带状分布, 西北部以喷溢相的基性火山岩为主, 向东南依次过渡为爆发相火山岩、喷溢相中性火山岩, 向北西方向再次出现了爆发相火山岩, 该地区东南角是喷溢相的中酸性火山岩(孙国强等, 2010)。(4) 滴南凸起上一系列纵、横向叠置的火山岩体, 主要沿滴水泉北断裂和滴水泉断裂呈串珠状分布, 火山口常位于EW向与NE向基底断裂交汇处, 由此推测火山机构多表现为沿断裂的裂隙式喷发, 常经历多次喷发, 形成多期次火山岩序列(王绪龙等, 2010)。

以现有文献资料为基础, 对准噶尔盆地, 东、西准噶尔及三塘湖盆地火山岩年龄进行了调研, 火山岩年龄主要集中在405~390Ma (东准噶尔缺乏此期火山记录), 和360~275Ma两个阶段(图 5、表 1), 反映准噶尔区域在晚古生代中早期存在两期火山活动。准噶尔、三塘湖盆地最老的火山岩出现于准噶尔盆地, 为392Ma, 对应上述两期火山活动的第一期；340~320Ma, 300~295Ma为准噶尔盆内火山年龄集中阶段, 分别大致等时于西准噶尔、东准噶尔I型花岗岩年龄, 且较早一期火山活动时间不晚于西准噶尔埃达克岩浆、赞岐岩年龄, 显示火山岩可能主要发育于西准噶尔、东准噶尔岛弧俯冲时期。

图 5

Fig. 5

图 5 准噶尔盆地及邻近地区火山岩测年年龄分布图 火山岩年龄出处见表 1.蛇绿岩年龄据Hu et al., 2000；Chen and Jahn, 2004；Xiao et al., 2008；Chen et al., 2010；Geng et al., 2011；Yang et al., 2012.埃达克岩浆活动期和赞岐岩年龄据尹继元等, 2009 Fig. 5 Age distribution of the volcanic rocks in Jungger Basin Ages of the volcanic rocks see Table 1. Ophiolites' ages after Hu et al., 2000; Chen and Jahn, 2004; Xiao et al., 2008; Chen et al., 2010; Geng et al., 2011; Yang et al., 2012. Ages of the associated rock and sanukite after Yin et al., 2009

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 准噶尔盆地及其邻近地区火山岩年龄列表 Table 1 Ages of the volcanic rocks in Jungger Basin and its adjacent areas 位置 岩性 测年方法 年龄(Ma) 数据来源 西准萨吾尔哈尔加乌组 粗玄岩 40Ar-39Ar 296.7 (total age) 周涛发等, 2006 西准萨吾尔地区 英安岩 40Ar-39Ar 283±2 (坪年龄) 谭绿贵等, 2007 西准萨吾尔地区 玄武岩 40Ar-39Ar 281.2±3.0 (加权平均年龄) 谭绿贵等, 2007 西准萨吾尔地区 流纹岩 40Ar-39Ar 280±2 (坪年龄) 谭绿贵等, 2007 克拉玛依西蚊子沟 玄武岩 40Ar-39Ar 192.7±1.3 (坪年龄) 徐新等, 2008 西准Boshchekul-钦吉兹火山弧, Saier岩体 霏细岩 LA MC ICPMS 405±4 Chen et al., 2010 西准白碱滩 凝灰岩 LA MC ICPMS 400±5 Xiao et al., 2011 西准苏鲁克乔克 辉长岩 LA MC ICPMS 391±6 Yang et al., 2012 西准包古图地区 凝灰岩 LA MC ICPMS 357.5±5.4 郭丽爽等, 2010 西准 安山岩 LA MC ICPMS 344±3 Geng et al., 2011 准噶尔东部大黑山地区出露的姜巴斯套组 晶屑凝灰岩 LA MC ICPMS 339.4±1.9 樊婷婷等, 2011 准噶尔东部大黑山地区出露的姜巴斯套组 晶屑凝灰岩 LA MC ICPMS 336.3±2.6 樊婷婷等, 2011 西准包古图地区 凝灰岩 LA MC ICPMS 336.3±2.5 郭丽爽等, 2010 西准 英安岩 LA MC ICPMS 336±3 Geng et al., 2011 西准帐篷沟 角斑岩 LA MC ICPMS 336±4 Xiao et al., 2011 西准野鸭沟 凝灰岩 LA MC ICPMS 334.9 (平均值) Zhang et al., 2011 西准帐篷沟 流纹岩 LA MC ICPMS 332±9 Xiao et al., 2011 西准包古图地区 凝灰岩 LA MC ICPMS 332.1±3.0 郭丽爽等, 2010 西准 玄武岩 LA MC ICPMS 331±9 Geng et al., 2011 陆梁隆起西段英1井 火山角砾岩、 沉火山碎屑组合 LA MC ICPMS 329.5±3.2 白国娟等, 2009 西准白碱滩 流纹岩 LA MC ICPMS 323±5 Xiao et al., 2011 西准白碱滩 流纹岩 LA MC ICPMS 315±4 Xiao et al., 2011 西准野鸭沟 凝灰岩 LA MC ICPMS 308±7 Zhang et al., 2011 准噶尔盆地北部哈尔加乌组 粗面岩 LA MC ICPMS 297.3±3.6 白国娟等, 2009 克拉美丽地区贝勒库都克一带火山岩 火山岩 Rb-Sr 339±9 杨高学等, 2010 陆梁隆起地区火山岩 玄武岩、玄武安山岩、 粗面玄武岩、流纹岩 Rb-Sr 323 王方正等, 2002 陆梁隆起地区火山岩 玄武岩、流纹岩 Rb-Sr 295 王方正等, 2002 陆梁隆起东部三参3井所钻巴塔玛依内山组 玄武岩 SHRIMP 392.0±1.7 苏玉平等, 2010 陆东-五彩湾地区巴塔玛依内山组 粗面安山岩 SHRIMP 350.0±6.3 谭佳奕等, 2009 东准大石头地区原缪林托凯陶山组 安山岩 SHRIMP 345.6±7.1 谭佳奕等, 2010 觉罗塔格山东部扇山头附近的阿奇山组上部 流纹英安岩 SHRIMP 341.7±2.7 苏春乾等, 2009 西准包古图金矿 蚀变凝灰岩 SHRIMP 342.6 安芳和朱永峰, 2009 陆梁隆起东部三参2井所钻巴塔玛依内山组 玄武岩 SHRIMP 339.2±2.7 苏玉平等, 2010 西准包古图金矿 蚀变凝灰岩 SHRIMP 336.5 安芳和朱永峰, 2009 西准包古图金矿 蚀变凝灰岩 SHRIMP 328.4 安芳和朱永峰, 2009 西准宝贝金矿 酸性凝灰岩 SHRIMP 328.1±1.8 安芳和朱永峰, 2009 三塘湖盆地淖毛湖以北 沙依苏北山附近哈尔加乌组 安山岩 SHRIMP 319.6±9.8 陈石等, 2009 陆梁隆起东部三参1井所钻巴塔玛依内山组 玄武岩 SHRIMP 300.4±1.3 苏玉平等, 2010 东准噶尔扎河坝地区 流纹岩 SHRIMP 275.6±2.8 张元元等, 2009

表 1 准噶尔盆地及其邻近地区火山岩年龄列表 Table 1 Ages of the volcanic rocks in Jungger Basin and its adjacent areas

自早石炭世至晚石炭世, 北疆地区的沉积环境表现为海域逐渐减小、水深逐渐变浅、陆地面积逐渐增加(吴晓智等, 2008；靳军等, 2009)。与之相对应, 准噶尔盆地泥盆系-下石炭统以海相喷发火山岩为主, 火山活动主要集中于准噶尔盆地腹部泻湖-陆表海环境及盆地西北缘深海环境(图 6上)。在三塘湖盆地纸房地区下石炭统、火烧山油田白碱沟巴塔玛依内山组等均可见珍珠岩, 且在后一地区可见玄武安山质火山岩直接覆盖在黑色页岩之上, 显示这些地区火山活动应处于水下, 支持了上述观点。上石炭统-二叠系以陆相喷发火山岩为主, 火山活动主要集中于准噶尔盆地腹部的西北部和东南部陆上区域、西北缘海陆交互环境以及三塘湖断陷盆地内(图 6下)。综上, 准噶尔盆地及邻区晚古生代盆内和周边的火山喷发环境具有自水下向水上、深水向浅水、陆缘向陆内转换的变化趋势。

图 6

Fig. 6

图 6 北疆早石炭世(上)、晚石炭世(下) 沉积环境-火山分布图(沉积环境据吴晓智等, 2008；靳军等, 2009；火山机构分布出处同图 2) Fig. 6 Maps showing the distribution of volcanoes and Lithofacies paleogeography of Early Carboniferous (above) and Late Carboniferous (below) in northern Xinjiang (sedimentary environment after Wu et al., 2008; Jin et al., 2009. source of volcanoes see Fig. 2)

(1) 北疆地区共发现、识别出晚古生代火山机构145处；

(2) 准噶尔盆地周缘共报道火山机构32处, 主要集中于博罗科努山、博格达山、托里金矿带、哈巴河以及克拉美丽山, 涵盖破火山口、火山穹窿、火山通道(火山颈) 等多种火山机构类型, 大石头火山为火山通道的典型代表；

(3) 在准噶尔盆地内部共报道、识别出火山机构85处, 大部分由地震识别, 主要分布在西北缘克百断裂带和盆地腹部的四处凹陷(三南凹陷、东道海子凹陷、滴水泉凹陷和五彩湾凹陷) 及七处凸起(白家海凸起、石西凸起、夏盐凸起、三个泉凸起、滴北凸起、滴南凸起和北三台凸起)；这些火山机构分布主要受海西期断裂系控制, 火山机构分布区大致耦合于断裂分布区, 具有沿着NE和近E-W两个方向的断裂展布的趋势, 断裂交汇部位, 火山机构最为发育；

(4) 340~320Ma, 300~295Ma为准噶尔盆内火山年龄集中阶段, 分别大致等时于西准噶尔、东准噶尔I型花岗岩年龄, 且较早一期火山活动时间不晚于西准噶尔埃达克岩浆、赞岐岩年龄, 显示火山岩可能主要发育于西准噶尔、东准噶尔岛弧俯冲时期；

(5) 准噶尔盆地晚古生代火山活动具有自水下向水上、深水向浅水、陆缘向陆内转换的喷发环境变化趋势。