塔里木盆地小海子剖面沉積特征及演化

郭春濤， 陳繼福

(1.山西工程技術(shù)學(xué)院地質(zhì)與環(huán)境工程系， 陽泉 045000; 2.山西大同大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院， 大同 037003)

上泥盆統(tǒng)-石炭系一直是塔里木盆地勘探的重點，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多油氣藏，如哈德遜、塔中4、巴楚等。前人對這套地層開展了大量研究[1-6]，但仍然存在許多問題尚未得到解決，如地層的穿時性、沉積環(huán)境的多解性等[2,6-12]，這些問題嚴(yán)重制約了勘探進(jìn)展。巴楚地區(qū)小海子剖面是沙漠腹地唯一有泥盆系、石炭系出露的地區(qū)，同時也是塔里木盆地石炭系地層出露最全最好的地區(qū)，雖然前人對該剖面進(jìn)行了眾多的詳細(xì)研究，但仍存在沉積環(huán)境多解[1,8-11]，沉積演化不清[1,8-11]等問題。為此，在詳細(xì)的剖面實勘基礎(chǔ)上，重點對地層產(chǎn)出狀態(tài)、巖性展布、沉積構(gòu)造的發(fā)育、古水流特征、古生物特征等進(jìn)行了研究，并結(jié)合重點層段取樣、室內(nèi)巖礦測試，厘定了小海子剖面發(fā)育的沉積環(huán)境類型，明確了該地區(qū)不發(fā)育潮坪環(huán)境，不存在較厚的河流或三角洲沉積[1,8-11]，在低位域時期潟湖顯著發(fā)育，指出小海子剖面部分層段存在不同程度的混積特征，并將其劃分為4個演化階段，有助于在盆地范圍內(nèi)對該套地層環(huán)境、演化的解析，為對盆地北緣晚泥盆世-石炭紀(jì)板塊作用、構(gòu)造變革的探討提供科學(xué)參考。

1 地質(zhì)背景

巴楚小海子剖面位于塔里木盆地中央隆起西部的巴楚隆起，距巴楚縣城40 km。巴楚隆起是一個由斷裂控制的活動古隆起，北東與阿瓦提凹陷相接，東臨塔中低隆起，東南與塘古巴斯坳陷相鄰，西南—南部與麥蓋提斜坡相連，北西與柯坪斷隆相鄰。區(qū)內(nèi)地層大部分為第四系所覆蓋，僅在小海子水庫附近出露志留系、泥盆系、石炭系及下二疊統(tǒng)[1](圖1)。

圖1 巴楚縣小海子剖面地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch of Xiaohaizi Section in Bachu County

2 沉積地層

巴楚隆起在寒武-奧陶紀(jì)已經(jīng)初具規(guī)模[13]。晚泥盆世塔里木盆地發(fā)育最后一次大規(guī)模海侵[2,6]，沉積了上泥盆統(tǒng)-石炭系。自下而上可分為東河塘組、甘木里克組、巴楚組、卡拉沙依組、小海子組(圖2)，巴楚組可進(jìn)一步細(xì)分為下泥巖段、生屑灰?guī)r段、中泥巖段、標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段，卡拉沙依組可進(jìn)一步細(xì)分為上泥巖段、砂泥巖段、含灰?guī)r段。從區(qū)域構(gòu)造演化上來講，上泥盆統(tǒng)-石炭系巴楚小海子剖面可分為1個二級層序、6個三級層序[8-11]。

3 沉積環(huán)境

通過詳細(xì)的野外實地勘測小海子剖面，在仔細(xì)觀察野外地層產(chǎn)出狀態(tài)、巖性展布等基礎(chǔ)上，重點對地層的接觸關(guān)系、沉積構(gòu)造的發(fā)育、古水流特征[14]、古生物特征等進(jìn)行研究，并對重點層段進(jìn)行取樣，結(jié)合室內(nèi)薄片鑒定、碎屑組分分析、重礦物分析[14]、粒度分析等化驗資料，以沉積特征和指相標(biāo)志為主要依據(jù)，認(rèn)為小海子剖面發(fā)育多種沉積環(huán)境，如濱岸、開闊臺地、蒸發(fā)臺地、潟湖、局限臺地等[2,4,5,8-11]，其中東河塘組、含礫砂巖段以濱岸相為主，下泥巖段、中泥巖段、上泥巖段以潟湖相為主，生屑灰?guī)r段以開闊臺地為主，標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段、小海子組以局限臺地為主，含灰?guī)r段、砂泥巖段以蒸發(fā)臺地為主(圖2)。沉積環(huán)境研究結(jié)果明確了該地區(qū)不發(fā)育潮坪環(huán)境，也不存在較厚的河流或三角洲沉積[1,8-11]，在低位域時期潟湖顯著發(fā)育。同時，也指出小海子剖面部分層段存在不同程度的混積特征，這可能有助于物源、儲層的進(jìn)一步探究。

3.1 濱岸相

泥盆紀(jì)晚期，塔里木盆地發(fā)育一次大規(guī)模的、由西而東的海侵[2,6]，在盆地中西部超覆沉積了東河砂巖，厚度0～100 m。地震剖面上其底界為大型角度不整合[6]，在盆地不同地區(qū)與下伏不同時代地層接觸。在研究區(qū)下伏地層為中下泥盆統(tǒng)克茲爾塔格組，如圖2、圖3(a)所示，頂界與含礫砂巖段呈平行不整合-微角度不整合接觸。

圖2 巴楚小海子剖面柱狀圖Fig.2 Column of Xiaohaizi Section in Bachu County

在盆地范圍內(nèi)，東河砂巖主要為灰白色純凈石英砂巖、細(xì)砂巖、含礫砂巖[2,6,8]，巖性致密堅硬，部分地區(qū)夾有少量薄層泥巖或條帶。砂巖成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度均很高。顯微鏡下，砂巖組分以單晶石英為主，如圖4(a)所示，長石含量極少，顆粒呈次圓-次棱角狀、圓狀。巖屑極少。沉積構(gòu)造豐富，主要發(fā)育斜層理[圖3(b)]、沖洗交錯層理[圖3(c)]、槽狀交錯層理、平行層理、遞變層理和波痕等，可見流水線理和剝離線理，反映波浪作用強(qiáng)烈[8]。粒度累積概率曲線上表現(xiàn)為三段式或兩段式，如圖5(a)、表1所示，為典型的浪控濱岸相沉積體[2,6]。

圖3 巴楚小海子剖面主要巖性、構(gòu)造Fig.3 Main lithology and structure of Xiaohaizi Section in Bachu Country

東河塘組之上為含礫砂巖段，巖性主要為細(xì)砂巖、石英砂巖、含礫砂巖、粉砂巖等，厚度數(shù)十米，局部夾泥質(zhì)粉砂巖，并含有0～0.6 m的底礫巖，向上發(fā)育濱岸礫巖[圖3(f)]，礫石成分單一，主要為石英礫石。分選、磨圓均好，成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度高[圖4(b)]。含礫砂巖段的沉積特征、環(huán)境與東河砂巖相似，但顆粒更粗，粒度曲線主要表現(xiàn)為跳躍組分的一段式[圖5(b)、表1]，反映沉積水體能量更強(qiáng)。為典型的濱岸相沉積。

3.2 開闊臺地相

研究區(qū)生屑灰?guī)r段主要為開闊臺地沉積。巖性主要為泥晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r，夾泥巖、粉砂巖，波浪作用較強(qiáng)[圖3(i)]。生物碎屑異常發(fā)育，生物種類較多，見介形蟲、苔蘚、腕足類、腹足類和棘皮化石或碎屑[1,5]?？梢姴y層理[圖3(j)]、透鏡層理[圖3(k)]、生物擾動構(gòu)造等。厚度10～20 m。

小海子剖面生屑灰?guī)r段純凈灰?guī)r較少，多為混積型碳酸鹽巖[15-16]，如圖4(d)所示，碳酸鹽顆粒或灰泥占80%～95%，陸源碎屑含5%～20%，可分為含泥灰?guī)r和含砂灰?guī)r。

CC為鈣質(zhì)碎屑(顆粒)； TC為陸源碎屑(顆粒)

3.3 局限臺地相

研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段呈現(xiàn)頂?shù)诪榛規(guī)r、中間為砂泥巖，與盆地井下的巖性特征基本一致。下部發(fā)育礫屑灰?guī)r、砂屑灰?guī)r，其中礫屑、砂屑分選磨圓均很好，如圖3(n)所示，反映出局部高能環(huán)境。中部夾有5 m左右的砂巖，如圖3(m)所示，粒度曲線主要表現(xiàn)為跳躍組分的一段式，如圖5(d)、表1所示，反映局部高能環(huán)境。上部巖性主要為顆粒灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥巖，夾少量的石膏條帶和白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，厚度約20 m，灰?guī)r與泥巖呈薄互層，如圖3(o)所示，化石含量增多，主要為藻類、蠕蟲類等，并保存完整[1,5]，反映水體能量較小。為典型的局限臺地沉積。

圖5 巴楚小海子剖面砂巖粒度分布曲線Fig.5 Sandstone grain size distribution curve of Xiaohaizi Section in Bachu Area

研究區(qū)小海子組巖性主要為泥晶灰?guī)r、微晶灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等，部分地層夾有少量泥晶白云質(zhì)灰?guī)r、泥晶白云巖，厚度約50 m?；^多且保存完好，主要有藻類、介形蟲、苔蘚、腕足類等[1,5]，反映靠陸、低能的沉積環(huán)境，整體為局限臺地相環(huán)境[5,8,11]。

局限臺地環(huán)境受陸源物質(zhì)影響較為明顯，普遍發(fā)育混積型碳酸鹽巖[15-16]。這些混積巖多為間斷混合，主要出現(xiàn)在事件突變沉積作用下的局限臺地[15-16]?；旆e巖中陸源碎屑以石英為主，分選中-好，磨圓中-好(圖4)，多為陸源再沉積石英[15-16]。

3.4 蒸發(fā)臺地相

蒸發(fā)臺地相僅分布于巴楚及附近地區(qū)的卡拉沙依組[1]。小海子剖面蒸發(fā)臺地相主要為砂泥巖段、含灰?guī)r段，巖性以厚層石膏、膏質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖、膏質(zhì)泥巖、泥粉晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)泥巖為主，夾灰褐色泥巖、粉砂巖[圖3(p)]，反映了當(dāng)時干熱的氣候和蒸發(fā)臺地的環(huán)境?？傮w呈塊狀構(gòu)造，部分層段發(fā)育透鏡狀、波狀、脈狀層理和鳥眼構(gòu)造，生物擾動和潛穴較多，干裂、帳篷構(gòu)造可見[1,5]，生物化石稀少，代表潮上暴露環(huán)境。

3.5 潟湖

研究區(qū)潟湖相主要發(fā)育于下泥巖段、中泥巖段、上泥巖段。下泥巖段巖性主要為粉砂巖、泥巖、膏巖、灰?guī)r等，如圖3(h)所示，反映整體水體較淺、能量較低。本層下部為薄層石膏和灰?guī)r，中上部主要為細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖夾膏巖。砂巖顆粒分選磨圓一般，成分成熟度、結(jié)構(gòu)成熟度一般，概率累積曲線中跳躍組分均為斜率不同的兩段，如圖5(c)、表1所示。發(fā)育水平層理、塊狀層理、脈狀層理、小型沖刷面、干裂構(gòu)造等。

表1 巴楚小海子剖面砂巖樣品各組分所占比例Table 1 Proportion of sandstone samples of Xiaohaizi Section in Bachu Area

中泥巖段沉積時，相對海平面逐漸下降，以潟湖相薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r為主[圖3(l)]，夾膏巖層，發(fā)育水平層理、斜層理、小型交錯層理、脈狀層理、透鏡狀層理等。上泥巖段沉積時，相對海平面逐漸下降，以潟湖相泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，夾灰?guī)r、膏巖、白云巖，發(fā)育水平層理、斜層理、鳥眼構(gòu)造、干裂等。

泥巖段廣泛發(fā)育混積型碎屑巖[圖4(c)、圖4(e)、圖4(g)]，多以原地混合為主，即生物原地死亡后或由非生物成因帶入的碳酸鹽產(chǎn)生的混積[15-16]。陸源碎屑以泥質(zhì)、粉砂質(zhì)為主，碳酸鹽多以灰泥為主，碳酸鹽顆粒或灰泥占5%～25%，陸源碎屑含75%～95%(圖4)。碎屑顆粒大多分選、磨圓一般，成熟度比東河砂巖、含礫砂巖段明顯降低。

4 沉積演化

受周緣古大洋俯沖閉合影響，塔里木盆地自晚奧陶世-志留紀(jì)開始整體抬升[13]，沉積環(huán)境由海相逐漸變?yōu)楹ｊ戇^渡相、陸相。經(jīng)過長時間的剝蝕夷平后，晚泥盆世-早石炭世盆地整體呈東高西低、周緣高中間低的古地理格局，并在塔西南與周緣洋盆溝通。

縱向上，研究區(qū)沉積環(huán)境呈現(xiàn)濱岸、臺地、潟湖交替出現(xiàn)，巖性呈現(xiàn)灰?guī)r、白云巖、砂巖、泥巖重復(fù)出現(xiàn)，構(gòu)成典型的混積巖系和混積巖層。依據(jù)沉積環(huán)境、巖性及組合，研究區(qū)呈現(xiàn)4個沉積階段。地層縱向上的沉積演化受物源、構(gòu)造、古地理格局等多方面的影響[14]，其不僅能反映物源區(qū)的變遷，還能對大規(guī)模的塊體運(yùn)動做出指示，對古地理重建也有重要影響。前人雖然對該剖面進(jìn)行了大量研究[1,8-11]，但關(guān)于沉積演化過程的研究尚鮮見報道。本研究結(jié)果將有助于對該剖面沉積過程的解析，更有益于對塔里木盆地北緣晚泥盆世-石炭紀(jì)板塊作用、構(gòu)造變革的探討[14]。

4.1 碎屑巖沉積階段

前人研究表明，泥盆紀(jì)之前巴楚隆起受構(gòu)造掀斜作用影響，已經(jīng)局部隆升[13]。晚泥盆世東河塘組、含礫砂巖段的沉積面貌與之前的構(gòu)造格局具有繼承性。古地理格局控制了該階段的沉積特征。

東河砂巖沉積早期海水自塔西南侵入塔里木克拉通內(nèi)坳陷[6]，中晚期海岸線已逐漸推進(jìn)到現(xiàn)今東河砂巖尖滅線附近。在較高較陡的局部隆起區(qū)，如巴楚隆起，海岸線長期滯留，沉積了以前濱-臨濱亞相為主的細(xì)砂巖。由于波浪的反復(fù)顛選，沉積物分選較好，形成結(jié)構(gòu)成熟度、成分成熟度均非常高的純凈的均質(zhì)砂巖。

東河塘組沉積之后，研究區(qū)經(jīng)歷了短時間的剝蝕[圖3(e)]，底部發(fā)育古土壤層[8]，之后海平面迅速上升。在盆地范圍內(nèi)含礫砂巖段主要為一套細(xì)砂巖、含礫砂巖等，局部地區(qū)可能有泥巖。在盆地不同地區(qū)，含礫砂巖段的沉積環(huán)境可能有所差別，如塔中地區(qū)還分布有河流、三角洲沉積。

4.2 混積階段Ⅰ

巴楚組基本繼承了之前的古地理特征。隨著海平面的緩慢上升，水體能量較小，同時碳酸鹽巖的生產(chǎn)速率加快，主要沉積細(xì)碎屑巖、碳酸鹽巖，形成混積臺地和混積潟湖，部分層段夾有少量的泥粉晶白云巖。在不同的沉積時期，巖性稍有差別，下泥巖段、中泥巖段、上泥巖段以混積型碎屑巖為主，夾有部分灰?guī)r和白云巖，而標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段、生屑灰?guī)r段則以混積型碳酸鹽巖為主，夾部分細(xì)碎屑巖[圖3(k)，圖4(d)，圖4(f)]，可能主要由碳酸鹽巖產(chǎn)率和陸源供給而定。在整個塔里木盆地，該時期的混積沉積廣泛發(fā)育，如塔北地區(qū)的阿參1井-阿滿1井-哈得5井-草1井一線以北，巴楚地區(qū)的小海子剖面及巴2井-群4井一線以北。

4.3 膏巖階段

卡拉沙依組沉積時，受巴楚運(yùn)動的影響[17]，巴楚隆起及周緣持續(xù)抬升，巴楚地區(qū)相對海平面逐漸下降，形成一套以膏巖為主，夾白云巖、灰?guī)r、泥巖的巨厚層狀蒸發(fā)臺地相沉積。由于巴楚運(yùn)動的影響范圍有限，塔里木盆地其他地區(qū)該時期構(gòu)造格局整體穩(wěn)定，因此巴楚地區(qū)與其他地區(qū)差別較大。據(jù)鉆井和地震資料顯示，與發(fā)育200多米膏巖層的小海子剖面不同，塔北地區(qū)主要為一套碎屑巖層，巖性為細(xì)砂巖、泥巖，局部夾有礫巖，厚度在300～500 m，為一套三角洲、潮坪沉積[5,8-9]；塔中地區(qū)也主要為一套碎屑巖，部分層段夾有碳酸鹽巖，厚度約100 m，為一套河流、三角洲、潮坪沉積[5,8,10]。

石炭紀(jì)晚期，隨著南天山洋的逐漸閉合[18]，塔里木盆地自東而西逐漸抬升，盆地東部由淺海相逐漸變?yōu)殛懴?，部分地區(qū)缺失含灰?guī)r段、砂泥巖段。而在盆地西部，卡拉沙依組大多較完整。

4.4 混積階段Ⅱ

石炭紀(jì)晚期隨著海平面逐漸上升，塔里木盆地西部發(fā)育一次小規(guī)模的海侵，沉積了以混積型碳酸鹽巖為主、夾混積型碎屑巖的小海子組[15-16]，沉積范圍較小，主要分布在盆地西部[11]。該時期塔里木盆地西北緣柯坪地區(qū)沉積一套深海相的索格當(dāng)它烏組或別根他烏組，巖性主要為灰色、灰黑色泥巖、粉砂巖等[19]。塔里木盆地西南緣沉積一套開闊臺地相為主的阿孜干組，巖性主要為泥晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r夾石英砂巖。巴楚地區(qū)沉積于其他地區(qū)明顯不同，更多體現(xiàn)了受周緣隆起、化學(xué)沉積雙重影響的特征。石炭紀(jì)末期，隨著洋盆閉合影響范圍的擴(kuò)大，小海子組沉積范圍進(jìn)一步縮小，巴楚地區(qū)逐漸變?yōu)閯兾g區(qū)。

5 結(jié)論

(1)以沉積特征和指相標(biāo)志為主要依據(jù)，認(rèn)為小海子剖面發(fā)育多種沉積環(huán)境，如濱岸、開闊臺地、蒸發(fā)臺地、潟湖、局限臺地等。

(2)依據(jù)沉積環(huán)境、巖性及組合，研究區(qū)自下而上呈現(xiàn)出碎屑巖、混積Ⅰ、膏巖、混積Ⅱ等四個不同的演化階段。