北天山依林黑比尔根断裂带充填物地球化学特征及构造指示意义.pdf

第30卷第5期油气地质与采收率Vol.30，No.52023年9月Petroleum Geology and Recovery EfficiencySep.2023引用格式：马骥.北天山依林黑比尔根断裂带充填物地球化学特征及构造指示意义J.油气地质与采收率，2023，30（5）：49-56.MA Ji.Geochemical characteristics and tectonic significance of fillings of Yilin Heibiergen Fault Zone in Northern Tianshan MountainJ.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2023，30（5）：49-56.北天山依林黑比尔根断裂带充填物地球化学特征及构造指示意义马 骥（中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257015）摘要：基于玛纳斯河剖面、后峡剖面和达坂城剖面典型断裂（带）围岩样品的矿物学和地球化学测试结果，分析不同走向断裂带充填物的稀土元素地球化学分布与差异，研究和评价北天山依林黑比尔根断裂带充填物的来源以及构造环境。结果表明：研究区依林黑比尔根断裂带附近断裂带充填物脉体与全岩的稀土元素特征十分相似，表现为轻稀土元素的相对富集。近EW向断裂带充填物主要位于板块汇聚边界，形成时间较早，来源于地壳深部，是深部岩浆热液作用的结果；NESW向断裂带充填物主要来源于板块汇聚边缘以及陆内碰撞构造环境，形成时间相对较晚，是地壳浅部活动的产物。关键词：稀土元素；断裂带充填物；构造指示；依林黑比尔根断裂带文章编号：1009-9603（2023）05-0049-08DOI：10.13673/j.pgre.202203010中图分类号：TE122.2文献标识码：AGeochemical characteristics and tectonic significance of fillings ofYilin Heibiergen Fault Zone in Northern Tianshan MountainMA Ji（Exploration and Development Research Institute，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong Province，257015，China）Abstract：The rock samples of the typical faults（zones）of Manasi River profile，Houxia profile，and Dabancheng profile were examined in terms of their mineralogical and geochemical components.On this basis，the geochemical distribution and differences inthe rare earth elements were analyzed for the fault zone fillings of different trends，and the source and tectonic environment of thefillings of Yilin Heibiergen Fault Zone were studied and assessed.The results showed that the characteristics of the veins of faultzone fillings near Yilin Heibiergen Fault Zone in the study area are similar to those of the rare earth elements of whole rock，demonstrating the relative accumulation of light rare earth elements.The fillings of the nearly EW-trending fault zone came from the deepcrust and formed relatively early，which were mainly at the convergence boundary of the plates and resulted from the hydrothermalprocess of hypo magma.The fillings of the NE-SW trending fault zone，formed relatively late，were developed at the convergenceedge of plates and in the tectonic environment of intra-continental collisions，which were the results of shallow crust activities.Key words：rare earth element；fault zone filling；tectonic significance；Yilin Heibiergen Fault Zone断裂中的热液流体易发生矿物沉淀形成石英或者方解石脉体，是研究其流体来源、演化、形成环境的最佳对象。断裂带充填物中的稀土元素具有非常高的稳定性，在板块碰撞边界、造山带、断裂活动强烈的区域，经变质作用或一定的热液蚀变作用之后，其多种微量和稀土元素的分配模式不容易发生改变，因此可以用来判断断裂带充填物的系列和起源1-9。目前稀土元素已被广泛用来研究多种地质作用的过程，包括岩浆作用、地质作用以及热液作用等，在不同相态中稀土元素的分布模式为定量研究岩浆作用奠定了基石。前人应用依林黑比尔根断裂带不同组系断裂收稿日期：2022-03-25。作者简介：马骥（1985），男，河南南阳人，高级工程师，硕士，从事石油与天然气地质勘探工作。E-mail：。基金项目：中国石化股份有限公司课题“准噶尔盆地及周缘矿权战略选区及评价研究”（P21086-4）。50 油气地质与采收率2023年9月带充填物的岩石组成、矿物成份、地球化学元素分布等对断裂带中充填脉体的形成环境、岩浆活动期次以及流体的来源、运移等方面进行了大量研究工作10-11。然而，通过对比断裂带充填脉体的地球化学微量元素组成、不同组系断裂带充填物的来源，发现对断裂带发育构造背景的研究相对较少，该断裂带发育的构造背景以及流体来源仍缺乏系统阐述和明确认识4-5。为此，针对北天山依林黑比尔根断裂带NWSW和近EW向断裂带的充填物进行地球化学测试，结合稀土元素定量化分配模式16-18，阐述不同组系断裂带中的流体来源以及形成环境，进而明确依林黑比尔根断裂带发育的构造背景。1区域地质背景依林黑比尔根断裂带位于天山北缘、准噶尔盆地南缘（图1）。天山造山带南邻塔里木盆地，北接准噶尔盆地，是中亚造山带的重要组成部分，被南北2条缝合带分为南天山、中天山和北天山3个部分，是世界上规模巨大的造山带之一，主要呈近EW向或NWW向屹立在新疆中部19。受多期构造运动影响，经历了中晚志留世从S向N的逆冲推覆韧性剪切变形（增生）、晚石炭世沿EW方向的右旋走滑韧性变形（陆-陆碰撞）和新生代喜马拉雅期的印度板块与欧亚板块碰撞，远程挤压效应引发再生前陆盆地变形，其造山作用具有从E向W逐渐迁移的特点。依林黑比尔根断裂带为近EW向的大型右旋走滑韧性剪切带。在区域构造挤压运动及多期构造活动的影响下，依林黑比尔根断裂带主要发育NWSW向和近EW向2种断裂。结合野外踏勘结果，梳理北天山依林黑比尔根断裂带的断裂体系以及不同尺度断裂发育情况，认为北天山依林黑比尔根断裂带主要以南倾断裂为主，北倾断裂次之，西倾断裂较少，早期大断裂常呈弧形展布（图2）。将板块缝合带、地壳拼接带、控盆断裂以及大型逆掩推覆断裂定为一级断裂；连接一级断裂、与一级断裂近似平行伴生或派生斜交且延伸在100 km之内的断裂定为二级断裂；主断裂的派生断裂杂乱无序，且常常起到调节主断裂以及背斜之间位移的作用，将其定为三级断裂。依林黑比尔根断裂带整体表现为一个由南向北逆冲的前展式活动带，南部主断裂最先形成，北部主断裂形成相对较晚。研究区反转断裂主要发育在早二叠世裂陷盆地阶段，在喜马拉雅期发生大规模逆冲。2断裂带充填物测试及分析2.1 实验样品及仪器样品取自玛纳斯剖面、后峡剖面以及达坂城剖面典型逆冲断裂带中充填物以及对应的围岩样品，地层主要是石炭系前峡组、二叠系阿尔巴萨依组以及侏罗系头屯河组、西山窑组、三工河组、八道湾组。单个样品长度为610 cm，宽度为46 cm，主图1北天山依林黑比尔根断裂带分布示意Fig.1Distribution of Yilin Heibiergen Fault Zone in Northern Tianshan Mountain第30卷第5期马骥.北天山依林黑比尔根断裂带充填物地球化学特征及构造指示意义 51 要包括方解石、石英等矿物。已有研究结果表明，八道湾组主要发育黄绿、灰绿色砂岩，粉砂岩互层夹泥岩；三工河组主要发育黄灰、绿灰色粉砂岩；西山窑组发育灰绿、黄绿色砂岩、粉砂岩、泥岩夹砾岩；头屯河组主要发育灰绿、黄绿色泥岩，粉砂岩，砂岩；阿尔巴萨依组主要发育灰紫、紫红色安山玢岩、霏细斑岩；前峡组主要为灰绿、灰黑色薄层碳质凝灰质粉砂岩，凝灰岩。镜下铸体薄片观测显示断裂带充填矿物主要以方解石胶结物为主，偶见石英颗粒，且以细-中晶结构为主（图3）。本次样品微量元素实验测试主要由核工业北京地质研究院分析测试中心完成，实验仪器是NexION300D等离子体质谱仪，测试温度为23，湿度为 40%。断裂带充填方解石脉体以及断裂带内部围岩全岩微量元素主要包括Li，Be，Sc，V，Cr，Co等44种。在野外裂缝识别以及区域断裂分布的基础图2北天山依林黑比尔根断裂带周缘地区断裂体系平面分布Fig.2Layout of fault system in peripheral regions of Yilin Heibiergen Fault Zone in Northern Tianshan MountainaNESW向断裂，泥晶结构，主要为细粉屑-泥屑的内碎屑颗粒，方解石强胶结，主要为细-中晶结构，且可见方解石脉体；b片状-粒状变晶结构，块状构造，由石英组成，受重结晶作用的影响，石英颗粒粒度差别较大，石英拉长定向分布，石英变质片麻岩；c方解石，菱形解理，聚片双晶缝呈五彩条纹；d泥晶灰岩，几乎由半径为0.0010.004 mm的灰泥组成，可见方解石脉体；e方解石，可见菱形解理，多期次生长，裂缝发育；f粉晶白云岩，白云化作用后，形成粗细不等的晶粒结构，自形程度差，晶间孔不发育，部分孔洞与裂缝中有方解石胶结物图3北天山依林黑比尔根断裂带充填物镜下特征Fig.3Fillings of Yilin Heibiergen Fault Zone under microscope 52 油气地质与采收率2023年9月上，优选12块方解石脉体的新鲜小块（充填物质量超过10 g），用于微量元素分析；选择15块断裂带内部围岩样品，用于全岩微量元素分析，具体样品参数如表1所示。2.2 稀土元素地球化学分布稀土元素具有非常高的稳定性20。依林黑比尔根不同走向断裂带的方解石脉体样品以及全岩样品稀土元素分析结果显示，稀土元素总量平均为表1北天山断裂带方解石脉体及全岩样品参数Table1Parameters of calcite vein and whole rock samples of fault zones in Northern Tianshan Mountain样品编号123456789101112131415161718192021222324252627样品来源断裂，P1a断裂带附近脉体断裂断裂带东西向脉体充填物质擦痕处脉体小断裂脉体硅质脉体硅质脉体断裂凝灰岩凝灰岩凝灰岩钠长斑岩钙质砂岩钙质砂岩细砂岩细砂岩凝灰质砂岩凝灰质砾岩斜长斑岩蛇绿岩蛇绿岩斜长斑岩凝灰质砂岩取样位置纬度4349 164234 064236 284349 164317 464220 324220 284234 064233 404310 004319 004221 034324 104322 164322 24320 504311 234311 134236 574236 574235 544235 234233 104231 184228 144227 24223 23经度8547 048831 588833 518547 038821 168826 358826 358831 588832 328829 208820 308826 498712 388712 218712 108712 9876 56876 538836 78836 78833 318832 478832 198831 178831 398832 88830 28断裂走向/（）21514210921524510567245298290245447353192108100118264123495218621561421断裂走向NESW向NWSE向近EW向NWSW向NWSW向近EW向NWSW向NWSW向近EW向近EW向NWSW向NWSW向NWSW向NWSW向NWSW向近EW向近EW向近EW向近EW向近SN向NWSW向近EW向NWSW向NWSW向NWSW向NWSW向NWSW向备注方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体方解石脉体断层破碎带逆冲断层取样断裂碎裂岩东侧断裂带反冲断层断裂带取样节理充填断层带断裂带取样断裂带断裂充填取样断裂充填石英充填断裂带小断层11.159 510-6，La/Yb值平均为48.748；不同走向断裂带的充填脉体微量元素含量差异较大21-26，稀土元素总量变化较大，近EW向断裂带充填物的稀土元素总量为2.47810-6 15.58110-6，NESW向为1.75110-627.40210-6。对15块断裂带围岩全岩的44种微量元素测试结果分析发现，微量元素总量平均为 583.8610-6，La/Yb值平均为 20.11。不同走向断裂带充填物全岩微量元素含量差异较大，稀土元素总量变化较大，近 EW 向断裂带充填物全岩稀土元素总量为16.3410-61 387.0410-6，NESW向为21.9910-62 201.7410-6。微量元素方面，本区断裂带充填物整体表现出大离子亲石元素的富集。3断裂带充填物特征分析3.1 断裂带充填物来源前人针对碳酸盐岩孔洞、裂缝、断裂带等充填物特征等已做过大量工作，主要包括扫描电镜、稀土元素、碳-氧同位素、微量元素等，不同期次充填物第30卷第5期马骥.北天山依林黑比尔根断裂带充填物地球化学特征及构造指示意义 53 以及不同环境的充填物微量元素分布差异较大27-33。研究区基于近EW和NESW向断裂带的充填脉体以及全岩的微量和稀土元素绘制球粒陨石标准化多元素分配曲线，确定不同走向断裂带充填脉体的来源。由图4可知，近EW向断裂带充填脉体表现为亏损轻稀土，SmN/LaN平均值为0.263；逐步亏损重稀土，LuN/GdN平均值为 0.116；Th元素为显著正异常，Th为2.66；Nb元素为较弱负异常，Nb为0.9；La 和 Eu 元素均为较弱正异常，其值分别为1.563和0.632；整体为轻稀土元素相对富集的左倾特征。NESW向断裂带充填物为La元素为显著正异常，La为3.501；Eu元素为较弱负异常，Eu 为0.228；整体表现为轻稀土元素相对富集的左倾特征，且含量变化较大。以上分析结果表明，近EW向断裂带的充填物受早期岩浆活动影响较大，可能会出现酸性岩浆岩、玄武岩和安山质岩石；NESW向断裂带（或者近SN向断裂带）充填过程经部分熔融，斜长石是其分离结晶的斑晶，受到地壳浅部地层水的作用，最后形成断裂带充填物，近EW向断裂带形成时间早于NESW向断裂带。另外，由图 5可知，近 EW 向断裂带充填物 Nb元素为显著负异常，Nb为0.594；Eu元素为显著正异常，Eu 为3.24；整体表现为轻稀土元素含量变化较大，重稀土元素含量较低，包括 Nb 谷和 Eu 峰。NESW 向断裂带充填物整体表现为轻稀土元素图4北天山依林黑比尔根断裂带脉体球粒陨石标准化多元素分配曲线Fig.4Standard multi-element allocation curves of veins/chondrites in Yilin Heibiergen Fault Zone in Northern Tianshan Mountain图5北天山依林黑比尔根断裂带全岩球粒陨石标准化多元素分配曲线Fig.5Standard multi-element allocation curves of whole rock/chondrites in YilinHeibiergen Fault Zone in Northern Tianshan Mountain含量较高、重稀土元素含量变化不大的特点，Nb元素为显著负异常，Nb 为0.489；La元素为显著正异常，La 为 7.419；具有 Nb，Ce谷和 Th，La峰。以上分析结果表明，近 EW 向断裂带的充填物和 NESW向断裂带的充填物具有不同来源，近EW向断裂带形成时期早于NESW向断裂带，这主要与地壳深部的岩浆活动有关，NESW向断裂带充填物主要来自于地壳浅部。3.2 构造环境判别基于岩浆岩微量元素指标判别构造环境的方法多种多样，目前应用范围较广的方法包括Th-Nb-Zr判别法、Ti-Zr-Y图解法、Ti-Zr图解法、La/Zr-Nb/Zr图解法、Nb/Th-Nb以及Th/Yb-Ta/Yb图解法等，均具有较为可靠且有效的成果31-34。构造环境判别图解显示（图6a），近EW向断裂带的充填脉体以及全岩样品投点主要落入大陆板内区域，部分落入板 54 油气地质与采收率2023年9月图6基于断裂带充填物的构造环境判别Fig.6Identification of tectonic environment basedon fillings of fault zone块汇聚边缘区域。而近NESW向断裂带的充填脉体以及全岩样品主要投点于大陆板内和板块汇聚边缘区域。并且，2种断裂带的全岩样品几乎都落入陆陆碰撞带区域，而充填脉体的样品则较为分散，多种构造区域均有涉及。在基于花岗岩的构造环境判别图解中（图6b），大部分样品的微量元素组成与来自火山弧和同碰撞花岗岩相似，少部分近NESW 向断裂带的全岩样品落入洋中脊花岗岩区域。来自天山北缘断裂带附近的不同走向断裂带充填脉体的样品均显示位于板块汇聚边界以及大陆板块内碰撞环境，表明北天山断裂带中充填物的形成主要与陆内碰撞或者板块边界碰撞环境下的热液活动相关。晚古生代北天山为受裂陷作用影响的构造环境35-36，其内部发育大量控制二叠系分布的基底断层，尽管受后期构造变形叠加影响，断层仍保持着近EW向分布的高角度特征；晚侏罗世在区域构造挤压应力作用下发育大量 NESW向断裂，少量NWSE向断裂，切割程度相对较浅；新近纪则受印度板块和欧亚板块强烈造山作用影响，天山造山带急剧隆升，北天山准噶尔盆地南缘在区域构造挤压应力作用下，最终形成现今的断裂格局。4结论北天山依林黑比尔根近EW向断裂带充填脉体以及全岩稀土元素特征与NESW向断裂差别较大，充填物来源亦不相同。近EW向断裂带充填物Nb元素为显著负异常，Nb为0.594；Eu元素为显著正异常，Eu 为3.24；来源于地壳深部岩浆活动，受早期岩浆活动影响较大。NESW向断裂带（或者近SN向断裂带）充填物经历部分熔融，受地壳浅部地层水作用。近EW向断裂的形成时间早于NESW向断裂。北天山依林黑比尔根断裂带形成的构造环境属于板块汇聚边界以及大陆板块内碰撞环境，天山断裂带充填物主要与陆内碰撞或者板块边界碰撞环境的热液活动有关。参考文献1 秦国省，胡文瑞，邹存友，等.基准面旋回对冲积扇沉积演化及储层质量的控制作用以百口泉油田百21井区百口泉组为例 J.油气地质与采收率，2018，25（3）：1-10.QIN Guosheng，HU Wenrui，ZOU Cunyou，et al.Effects of base-level cycles on alluvial fan evolution and reservoir quality：acase study of the Baikouquan Formation in Bai21 Block，Baikouquan Oilfield J.Petroleum Geology and Recovery Efficiency，2018，25（3）：1-10.2 高宇慧，李思远，巴忠臣，等.准噶尔盆地红172井区石炭系火山岩储层裂缝特征及定量预测 J.大庆石油地质与开发，2021，40（2）：30-41.GAO Yuhui，LI Siyuan，BA Zhongchen，et al.Characteristics andquantitative prediction of Carboniferous volcanic reservoir fractures in Well Block Hong-172 of Junggar BasinJ.PetroleumGeology&Oilfield Development in Daqing，2021，40（2）：30-41.3 梅俭.输导断裂主要特征部位及其对油气运移的控制 J.大庆石油地质与开发，2020，39（1）：35-40.MEI Jian.Main characteristic parts of the transporting fault andtheir controls on the hydrocarbon migrations J.Petroleum 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