周天琪 ，吳朝東 ，袁波，史忠奎，王家林，朱文，周彥希 ，姜晰 ，趙進雍，王軍，馬健

（1. 北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室，北京 100871；2. 北京大學石油與天然氣研究中心，北京 100871；3. 新疆油田公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所，新疆烏魯木齊 830000；4. 北京大學地球與空間科學學院遙感與地理信息系統(tǒng)研究所，北京 100871；5. 中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；6. 中國石化勝利油田分公司新疆勘探項目管理部，山東東營 257000）

0 引言

準噶爾盆地南緣（以下簡稱“準南”）油氣資源豐富，其中準南侏羅系具有多物源、多沉積體系的特點。作為準噶爾盆地重要的含煤及油氣烴源巖層，準南侏羅系集中了全盆 1/3（30.7%）的原油資源和近一半（45.7%）的天然氣資源，但是目前探明率非常低，因此具有巨大的油氣資源勘探潛力[1-3]。眾多學者對準南侏羅系沉積環(huán)境以及物源演化進行了研究，但幾乎所有學者僅依靠單條剖面或幾口鉆井對局部物源系統(tǒng)進行恢復，進而導致對于主要物源區(qū)演化過程認識差別較大，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①侏羅紀，控制準南西部的主要物源目前尚未明確：有學者認為物源主要來自扎伊爾山或天山[1-2]，也有學者認為二者同時供應物源[3-6]；②準南中部天山山前侏羅系沉積環(huán)境認識尚未統(tǒng)一[7-14]；③博格達山隆升是侏羅系物源格局改變的節(jié)點，其具體隆升時間存在兩種主要觀點：早—中侏羅世[9,15-16]以及侏羅紀末—白堊紀初[17-20]。表明準南地區(qū)侏羅紀源匯系統(tǒng)演化與沉積充填過程有待深入研究。

重礦物組合在源-匯系統(tǒng)分析中應用廣泛[21]，目前已有部分學者利用少量重礦物樣品識別準南侏羅系單一物源的母巖特征以及演化規(guī)律[2,22-24]，而對于大量重礦物組合恢復多物源演化過程所使用的具體方法有待深入探討。重礦物組合分析通常采用層次聚類法得到重礦物種類變化趨勢，進而確定不同物源區(qū)的影響范圍及分布特點。但是，層次聚類法在物源分析上還存在諸多不足：①沒有考慮樣品的空間分布，常出現(xiàn)與事實認識不符的情況；②聚類結(jié)果中重礦物組合類別過多，造成母巖類型分析不清，尤其是主要物源、次要物源很難區(qū)分開來；③聚類結(jié)果部分類別不具有確切的物源特征。為解決以上問題，本文在聚類結(jié)果的基礎上，考慮樣品的空間分布特征，結(jié)合潛在物源區(qū)的母巖類型，篩選典型重礦物樣品作為訓練樣品，基于隨機森林分類法（Random Forest Classification）[25]得到更為合理的重礦物組合類別。

1 區(qū)域地質(zhì)背景及潛在物源區(qū)

準南地區(qū)西起新疆精河縣，東至木壘縣大石頭一帶，南至北天山，北到烏伊公路。主要分為準南西部、準南中部以及準南東部3個部分[3]。其中準南西部主要包括車排子凸起南部、四棵樹凹陷；準南中部包括齊古斷褶帶以及昌吉凹陷南部；準南東部則是由阜康凹陷西南部（阜東斜坡帶）、阜康斷褶帶以及吉木薩爾凹陷南部3個二級構(gòu)造單元組成[3]（見圖1）。

準南侏羅系發(fā)育齊全，由下至上依次為下侏羅統(tǒng)八道灣組和三工河組、中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組、上侏羅統(tǒng)齊古組和喀拉扎組（見圖2）?；趯誓?5條剖面進行實測（見圖3），發(fā)現(xiàn)準南侏羅系西部、中部以及東部的沉積特征與巖性組合具有明顯差異。八道灣組沉積時期，準南西部南緣以及準南中部均發(fā)育沖積扇-辮狀河三角洲平原，由于物源不斷后退，三角洲平原逐漸演化為三角洲前緣；準南東部發(fā)育濱湖沉積，其中厚煤層發(fā)育于濱湖沼澤之上。三工河組沉積時期全盆范圍內(nèi)發(fā)生湖侵[26-27]，整個準南沉積環(huán)境為濱-淺湖，泥巖厚度自西向東增加，此時沉積中心位于博格達山北緣[3]。西山窯組沉積時期，準南東部雖然同樣發(fā)育曲流河三角洲前緣，但是其河口壩厚度與規(guī)模遠不如準南中部。頭屯河組沉積時期，準南整體發(fā)育淺水辮狀河三角洲，其中準南西部南緣發(fā)育濱湖沉積，而北緣發(fā)育辮狀河三角洲；準南中部發(fā)育辮狀河三角洲，向上逐漸轉(zhuǎn)化為濱淺湖。齊古組沉積時期，準南西部北緣主要發(fā)育辮狀河三角洲沉積，而南緣與準南中部主要發(fā)育寬淺氧化湖盆的濱岸沉積-曲流河三角洲前緣[7,28]。

圖1 準噶爾盆地南緣構(gòu)造綱要及研究區(qū)位置圖

圖2 準南侏羅系綜合柱狀圖

根據(jù)古地貌以及沉積環(huán)境特征，準南地區(qū)潛在的物源區(qū)可能有西北緣的扎伊爾山、南部的北天山與中天山、東部的博格達山及東北部的卡拉麥里山。主要物源特征以及其對應的重礦物組合已列入表1。

2 基于層次聚類-隨機森林分類法的重礦物組合分類

2.1 層次聚類-隨機森林分類方法介紹

區(qū)別于層次聚類，隨機森林分類是一種監(jiān)督分類方法，其本質(zhì)是以多個決策樹為基礎的集成分類器，主要包括訓練和分類兩個過程（見圖4）。訓練過程是首先從原始樣本集中有放回地抽取多個不同的子樣本集[29]，然而對于每個子樣本集，采用CART（Classification and Regression Trees）算法訓練決策樹，最后所有決策樹組成隨機森林；分類過程則是首先得到待分類樣品在不同決策樹上的分類結(jié)果，再通過眾數(shù)投票得到最終結(jié)果[25]。大量研究表明隨機森林分類精度高，抗異常值能力強，能夠處理具有高維特征的樣品分類任務[30-32]，這些特點為準確識別樣品的重礦物組合類別提供了可能。

2.2 層次聚類-隨機森林分類實驗設計

通過比較準南侏羅系2 418個樣品的25種重礦物含量，本文首先對準南地區(qū)侏羅系不同層位的樣品分別進行Q型聚類（即對樣本聚類，使相似特征的樣本聚集在一起，差異大的分離開），聚類結(jié)果采用熱點圖表示（見圖5）。聚類結(jié)果存在重礦物組分相近、但來自多個匯水區(qū)的樣品聚為一類的情況。例如，圖5b綠框所示類別匯聚了四棵樹凹陷、齊古斷褶帶以及阜康斷褶帶的樣品，不具有典型物源指示意義。

圖3 準南侏羅系野外剖面柱狀圖（N：古流向數(shù)量）

表1 準南侏羅系潛在物源區(qū)母巖特征

在聚類分析的基礎上，本文挑選了具有典型物源特征的樣品訓練隨機森林分類模型。首先挑選出與潛在物源區(qū)母巖具有相似重礦物組合的樣品，通過樣品所在位置、古水流方向以及常-微量元素含量分析其主要物源，若以上特征能有效指示其物源來源，說明該樣品可作為指示某物源區(qū)的典型重礦物組合樣本。例如圖5a中B3類中的樣品1（位于石場剖面八道灣組），其重礦物組合為白鈦礦+鋯石+石榴石+電氣石；同時，古水流方向指向北—北東方向（見圖3），其微量元素圖解（見圖6）指示其物源屬于長英質(zhì)-中—酸性火山巖，故樣品1可作為指示北—中天山物源區(qū)的樣品?；谝陨显瓌t，本文以25種重礦物含量為特征，以聚類的重礦物組合編號為類別（見圖5），構(gòu)造訓練樣品。參照隨機森林分類參數(shù)設置方法[32]設置樹個數(shù)為200，隨機抽取的特征個數(shù)為總特征個數(shù)的平方根，訓練隨機森林模型，進而對準南侏羅系全部樣品進行分類，得到重礦物組合類別。

圖4 基于層次聚類-隨機森林分類的重礦物組合分類流程圖

為了檢驗隨機森林分類效果，本文選取準南地區(qū)中—西部八道灣組的層次聚類和隨機森林分類結(jié)果做對比分析。隨機森林方法以給定的訓練樣品為依據(jù)，去除了聚類結(jié)果中不合理的類別，凸顯了準南西部與準南中部不同的兩種重礦物組合：可以看出準南西部重礦物組合為鈦鐵礦+鋯石+石榴石（以綠色和藍色餅狀圖為主，見圖7），而準南中部重礦物組合主要為白鈦礦+磁鐵礦+鋯石+石榴石+電氣石+磷灰石（以粉色、黃色以及橘色餅狀圖為主，見圖7），二者明顯來自于不同的物源區(qū)；而層次聚類結(jié)果中重礦物組合分布散亂，不具有明顯規(guī)律。總之，在重礦物分析中，樣品的特征較多給層次聚類造成了困難。相比之下，隨機森林適用于處理具有高維特征的樣品，可以有效避免樣品誤差造成的影響，適用于重礦物組合分類。

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圖6 微量元素物源類型判別圖解（PAAS：后太古宙澳大利亞頁巖；UC：上地殼[42]）

為了有效地識別物源方向，本文計算了每口井中不同重礦物組合類別的百分比值，并在平面圖上創(chuàng)建了重礦物組合的餅圖（見圖7），根據(jù)不同重礦物組合的位置及其在各井中的百分比值確定母巖類型，得到以下結(jié)果（見表2）。

3 準南侏羅系物源演化分析

本次物源演化研究主要采用重礦物組合分析、ZTR指數(shù)分析、古水流方向分析、碎屑鋯石年齡分析以及微量元素分析等方法，對準南侏羅系由西向東10條野外剖面以及 152口鉆井的沉積環(huán)境以及物源特征開展了綜合研究。

3.1 重礦物組合與物源分析

基于層次聚類-隨機森林分類法，不同的重礦物組合對于指示物源區(qū)具有一定意義。下侏羅統(tǒng)—西山窯組的重礦物成分相似，以穩(wěn)定重礦物為主，重礦物組合主要有 3種：①鈦鐵礦+鋯石+石榴石、②白鈦礦+鋯石+石榴石+磁鐵礦+磷灰石+電氣石+少量綠簾石、③白鈦礦+鈦鐵礦+鋯石+石榴石（見圖7中紅圈、黃圈以及藍圈部分）。

組合①主要分布于四棵樹凹陷，說明母巖類型為基性巖漿巖+中—酸性巖漿巖，重礦物組成與扎伊爾山以及博格達山相似（見表1），說明此時扎伊爾山為物源區(qū)之一；組合②主要分布于齊古斷褶帶，白鈦礦含量較高指示其物源母巖中存在低—中級變質(zhì)巖，對比表1后認為該重礦物組合指示北天山—中天山為主要物源；組合③主要分布于博格達山前，物源組成相對較為復雜，其物源可能來自于博格達山、天山系統(tǒng)或卡拉麥里山。

頭屯河組到齊古組的不穩(wěn)定礦物含量急速上升，北天山—博格達山山前出現(xiàn)大量綠簾石+磁鐵礦（見圖7中綠圈），指示在中—晚侏羅世博格達山—北天山發(fā)生隆升。

綜上，準南下侏羅統(tǒng)的碎屑成分可能來自北天山—中天山、扎伊爾山以及卡拉麥里山，西山窯組沉積末期博格達山開始隆升，而頭屯河組沉積時期博格達山已成為準南主要物源之一。

3.2 ZTR指數(shù)與物源分析

圖7 準南侏羅系重礦物分布情況

穩(wěn)定重礦物含量指數(shù)常用來反映碎屑巖的成熟度以及物源方向，其中ZTR指數(shù)是鋯石、電氣石以及石榴石總含量與透明礦物總含量之比[52]，而ZTR指數(shù)變大通常代表逐漸遠離物源區(qū)的過程，反之亦然。本文挑選了侏羅系248個重礦物組合進行ZTR值垂向與空間上的變化比較。通過ZTR平面氣泡圖可知（見圖8），早侏羅世四棵樹凹陷ZTR值主要存在南南東方向以及北東方向兩種增加趨勢，說明此時存在北西方向以及南部兩個物源區(qū)；齊古斷褶帶ZTR值呈向北增加，說明此時南部物源正在向北供給碎屑物質(zhì)；而阜康斷裂帶ZTR值存在南東向以及北東向增加趨勢（見圖8），與博格達北緣存在南—北雙向古水流相對應，由此可推斷準南存在南部北天山—中天山以及北部卡拉麥里山物源。與綠簾石-磁鐵礦含量增加相對應，從西山窯組開始齊古斷褶帶及阜康斷裂帶ZTR值急劇下降同樣指示北天山—博格達山在頭屯河組沉積時期發(fā)生隆升。ZTR垂向分布圖中（見圖9），準南地區(qū)下侏羅統(tǒng)整體ZTR值不斷變大，指示早侏羅世物源普遍發(fā)生后退；西山窯組沉積時期，ZTR值開始變小，說明物源區(qū)再次前進；除四棵樹凹陷外，準南地區(qū)頭屯河組的ZTR值均急劇下降，指示北天山—博格達山隆升對于準南地區(qū)西部影響較小，扎伊爾山雖然發(fā)生隆升[53]，但是幅度不大。ZTR值變化趨勢證實了早侏羅世除北天山—中天山、扎伊爾山外，卡拉麥里山同樣為準南地區(qū)提供物源。

表2 準南重礦物組合分布情況

圖8 準南侏羅系ZTR指數(shù)空間分布圖

圖9 準南侏羅系各地區(qū)ZTR指數(shù)垂相分布

3.3 古水流方向與物源分析

大量古水流方向是判斷物源方向的重要依據(jù)之一。通過測量5條剖面的古水流方向（見圖3），結(jié)合前人古流向統(tǒng)計工作[9,16,53-54]，早侏羅世—西山窯組沉積時期，四棵樹凹陷以及齊古斷褶帶古流向主要向北，說明北天山—中天山為主要物源區(qū)；同時，阜康斷裂帶同時出現(xiàn)南、南東向古流向，再次印證卡拉麥里山正在為準南地區(qū)提供物源。從中侏羅世開始，四棵樹凹陷北部開始出現(xiàn)向南的古流向，說明來自于扎伊爾山的碎屑物質(zhì)含量正在增加；此外，博格達山北緣西山窯組沉積時期向北的古流向逐漸增多，揭示博格達山可能開始隆升[16]。古流向數(shù)據(jù)驗證了重礦物組合所得到的初步認識，并進一步確認了卡拉麥里物源存在。

3.4 碎屑鋯石年齡與物源分析

近年來，為了對準南侏羅紀源-匯系統(tǒng)進行深入研究，前人積累了大量侏羅系碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)[16,26,47,55]。通過對比準南侏羅系碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)與潛在物源區(qū)的巖漿巖以及變質(zhì)巖年齡（數(shù)據(jù)來源詳見表1），發(fā)現(xiàn)南緣中部侏羅系碎屑鋯石年齡主要包括北天山上古生界中—酸性巖漿巖（250～320 Ma）以及中天山寒武系—泥盆系巖漿巖或變質(zhì)巖（380～485 Ma），八道灣組至西山窯組碎屑鋯石的單峰年齡峰值由 300 Ma轉(zhuǎn)移至396 Ma說明物源由北天山轉(zhuǎn)移至中天山[47]，而頭屯河組以及齊古組的碎屑鋯石年齡再次以230～320 Ma為主（見圖10），說明此時物源已回到北天山，這與ZTR垂向變化趨勢一致。此外，準南東部八道灣組碎屑鋯石具有485～520 Ma蛇綠巖年齡，這是卡拉麥里山獨有的蛇綠巖年齡可能來源于古生代地層的再旋回部分，同時博格達北緣大量向南的古水流向也證明了準南存在卡拉麥里山的物源；從西山窯組開始，準南地區(qū)東部沉積物的鋯石年齡為485～520 Ma的樣品數(shù)在不斷減少，主要以早古生代中—酸性火山巖的年齡為主；同時，鋯石年齡小于230 Ma的樣品數(shù)逐漸增多，說明此時博格達山已經(jīng)開始隆升（見圖10）。

3.5 微量元素與物源分析

由于惰性元素可以反映物源區(qū)以及構(gòu)造背景的特征，所以本文將部分惰性元素的含量比值作為源-匯區(qū)特征對比的依據(jù)。本文共挑選了準南侏羅系93個樣品進行微量元素測試，并利用鑭（La）/釷（Th）、鉿（Hf）、鈷（Co）/釷（Th）以及鑭（La）/鈧（Sc）比值進行物源區(qū)判斷[42]。通過圖6可以看出，早侏羅世物源主要為酸性-長英質(zhì)巖漿巖，再次印證北天山—中天山在早侏羅世是準南的重要物源；自西山窯組沉積時期開始，阜康斷裂帶開始出現(xiàn)長英質(zhì)與玄武質(zhì)混合的物源成分，這與博格達山北緣二疊系樣品具有相同的物質(zhì)組成[42]，說明準南地區(qū)存在博格達山晚古生代雙峰式火山巖來源。

綜上，早侏羅世天山遭受持續(xù)剝蝕去頂，北天山—中天山對準南侏羅系起主要控制作用，扎伊爾山以及卡拉麥里山此時也在為準南提供物源，厚層濱湖沼澤相沉積地層指示博格達山屬于匯水區(qū)（見圖11）。此時，沉積物供給速率與盆地沉降速率基本相等，主要以穩(wěn)定拗陷沉降作用為主，為弱伸展構(gòu)造環(huán)境下的穩(wěn)定拗陷型盆地[3]。

西山窯組沉積末期，天山結(jié)束了早侏羅世的準平原化，主物源區(qū)由中天山回到北天山，博格達山開始小幅度隆升；頭屯河組—齊古組沉積時期，博格達山成為準南的重要物源之一，其隆升與拉薩板塊-羌塘板塊相撞有關[56]，導致喀拉扎組沉積時期出現(xiàn)巨厚層的喀拉扎礫巖，此時湖盆開始萎縮，準噶爾盆地開始轉(zhuǎn)化為壓扭型盆地[53-54]。

圖10 潛在物源區(qū)與準南侏羅系碎屑鋯石年齡對比圖（N—樣品數(shù)量，個；n—鋯石顆粒數(shù)量，個；物源區(qū)數(shù)據(jù)詳見表1）

4 準南不同匯水區(qū)物源綜合分析

4.1 準南西部

準南西部主要由四棵樹凹陷以及車排子南部組成（見圖1）。早侏羅世到西山窯組沉積時期，準南西部的重礦物組合主要以白鈦礦+鋯石+石榴石+電氣石+磷灰石等穩(wěn)定重礦物為主，以鈦鐵礦為標志的重礦物組合僅存在于四棵樹凹陷與車排子凸起接壤處（見圖7）；此時，四棵樹凹陷的古流向也多指向北方，微量元素也指示此時物源來自中—酸性長英質(zhì)巖漿巖。以上證據(jù)表明，北天山—中天山是準南西部的主要物源區(qū)，扎伊爾山此時為準南西部的次要物源。頭屯河組—齊古組沉積時期，以鈦鐵礦為主的重礦物組合分布范圍逐漸向南延伸，四棵樹凹陷北部開始發(fā)育大規(guī)模辮狀河三角洲，而四棵樹凹陷南部頭屯河組沉積粒度較細；所以，頭屯河組—齊古組沉積時期，準南西部的主要物源區(qū)由北天山轉(zhuǎn)移至主扎伊爾山，而北天山隆升對四棵樹凹陷造成的影響并不大（見圖11）。

圖11 準南侏羅紀物源演化示意圖

4.2 準南中部

準南中部主要由齊古斷褶帶、昌吉凹陷南部組成（見圖1）。其重礦物組合在早侏羅世—西山窯組沉積時期以白鈦礦+鋯石+石榴石+電氣石+磷灰石為主，說明物源主要來源于晚古生代的中—酸性火山巖以及中—低級變質(zhì)巖，指示主要碎屑供給來自于北天山—中天山。此外，早侏羅世ZTR值不斷增加，而到西山窯組沉積時期小幅度降低以及鋯石年齡的變化同樣說明了主要物源由北天山退至中天山又回到北天山的過程（見圖10）。頭屯河組—齊古組沉積時期，綠簾石以及磁鐵礦的增加以及ZTR指數(shù)的降低均指示準南中部主要受到北天山隆升的影響；此時鋯石年齡以 230～320 Ma為主（見圖10），說明主要物源為北天山早古生代的中—酸性巖漿巖。所以，準南中部侏羅系主要物源由北天山轉(zhuǎn)移至中天山，最終在晚侏羅世重新回到北天山。

4.3 準南東部

準南東部由阜康斷裂帶、阜東斜坡帶以及吉木薩爾凹陷南部組成（見圖1）。早侏羅世重礦物種類主要為白鈦礦+鈦鐵礦+鋯石+石榴石，同時ZTR值不斷增大；此外，準南東部八道灣組除了具有與北天山晚古生代中—酸性巖漿巖相似年齡外，還出現(xiàn)了 485～520 Ma獨特的蛇綠巖年齡（見圖10）。以上證據(jù)說明準南東部早侏羅世存在南北雙物源體系：分別為南部北天山—中天山以及北部卡拉麥里山，二者并無主次之分；而阜康斷裂帶存在南北雙向古流證實了以上推測（見圖3）。西山窯組沉積時期，全區(qū)廣泛發(fā)育曲流河三角洲前緣-濱湖相，重礦物組合仍繼承早侏羅世的基本礦物類型，值得注意的是博格達山北緣綠簾石+磁鐵礦含量升高。與此同時，博格達山北緣向南的古流向逐漸減少，以及ZTR略微下降皆指示博格達山在西山窯組已經(jīng)開始隆升，但還不足以成為準南東部的主要物源區(qū)。頭屯河組到齊古組沉積時期，綠簾石、磁鐵礦含量持續(xù)增高，ZTR值急速下降，說明博格達山繼續(xù)隆升并成為準南東部的主要物源區(qū)，早古生代的鋯石年齡含量降低指示卡拉麥里山的物源減少。

5 結(jié)論

本文應用隨機森林重礦物分類方法，并結(jié)合重礦物ZTR指數(shù)計算、沉積環(huán)境描述、鋯石年齡分析、古流向統(tǒng)計以及微量元素分析，共識別出準南侏羅系存在5個主要物源區(qū)以及3個主要匯水區(qū)：

準南侏羅系 5個主要物源區(qū)分別為北天山、中天山、扎伊爾山、卡拉麥里山以及博格達山。早侏羅世準南地區(qū)主要物源逐漸由北天山轉(zhuǎn)移至中天山，部分物源來自于扎伊爾山以及卡拉麥里山，此時博格達山仍為匯水區(qū)；西山窯組沉積時期主要物源區(qū)由中天山退回北天山，博格達山開始隆升；頭屯河組—齊古組沉積時期，博格達山進一步隆升，成為準南主要物源區(qū)之一，同時北天山、卡拉麥里山以及扎伊爾山仍為準南地區(qū)提供物源。

準南侏羅紀共劃分為 3個匯水區(qū)：準南西部、準南中部以及準南東部。準南西部具有雙物源特征，在早侏羅世物源主要來自北天山，而中—晚侏羅世主要物源區(qū)轉(zhuǎn)移至扎伊爾山。準南中部早侏羅世由于湖侵作用物源區(qū)由北天山后退至中天山，西山窯組主物源區(qū)又逐漸從中天山回至北天山，頭屯河組以及晚侏羅世均以北天山為主要物源區(qū)。準南東部早侏羅世物源主要來自卡拉麥里山以及中天山，少量來自北天山；西山窯組沉積時期博格達山開始隆升并提供少量物源，至頭屯河組時繼續(xù)隆升并成為主要物源區(qū)，少量物源來自中天山；隨博格達山進一步隆升，齊古組時物源主要來自博格達山，卡拉麥里山與中天山為次要物源。