準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶侏羅系喀拉扎組沉積特征

司學(xué)強(qiáng)，袁波，彭博，冀冬生，郭華軍，唐雪穎，竇洋，李亞哲

（1.中國(guó)石油 杭州地質(zhì)研究院，杭州 310023；2.中國(guó)石油 新疆油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院 地球物理研究所，烏魯木齊 830013）

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶屬于典型的疊加型再生前陸沖斷帶[1-5]，可分為四棵樹(shù)凹陷、齊古斷褶帶、霍瑪吐背斜帶和阜康斷裂帶4 個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。南緣沖斷帶油氣資源豐富，前期探明的油氣主要集中在下白堊統(tǒng)吐谷魯群之上的中—淺層，近2 年在四棵樹(shù)凹陷高探1井和霍瑪吐背斜帶呼探1井白堊系清水河組獲重大勘探突破，證實(shí)了南緣沖斷帶深層具備良好的油氣勘探前景。但清水河組砂巖儲(chǔ)集層較薄，埋藏深度大，有利砂體預(yù)測(cè)難度較大[6]。前人關(guān)于準(zhǔn)噶爾盆地南緣沉積特征的研究多集中于齊古斷褶帶的中—下侏羅統(tǒng)[7-11]，針對(duì)上侏羅統(tǒng)喀拉扎組的研究較少[12]。筆者利用露頭剖面和鉆井，對(duì)南緣沖斷帶喀拉扎組的沉積相標(biāo)志、沉積相類型及砂體縱橫向展布特征進(jìn)行了研究，并建立了沉積模式，旨在對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶深層油氣勘探有所裨益。

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地經(jīng)歷了海西、印支、燕山、喜馬拉雅等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是典型的多期次疊合盆地，研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶。在早—中侏羅世，準(zhǔn)噶爾盆地南緣為弱伸展坳陷；中侏羅世晚期—晚侏羅世，隨著北天山和車排子—莫索灣地區(qū)的持續(xù)隆起，研究區(qū)成為小型陸內(nèi)前陸坳陷[13-14]?？M沉積期，在齊古斷褶帶中—東段、霍瑪吐背斜帶和阜康斷裂帶沉積了厚層碎屑巖，到晚侏羅世末期，以霍瑪吐背斜帶為中心的前陸坳陷周邊開(kāi)始抬升，喀拉扎組遭受剝蝕[15]，殘留的喀拉扎組主要分布在齊古斷褶帶和霍瑪吐背斜帶中—東段，分布面積約為11 000 km2（圖1）。在白堊紀(jì)，南緣為一個(gè)沉積坳陷。新生代齊古斷褶帶、阜康斷裂帶劇烈抬升，喀拉扎組出露地表；在霍瑪吐背斜帶，喀拉扎組則持續(xù)埋藏，現(xiàn)今埋深超過(guò)7 000 m。在露頭剖面上，齊古斷褶帶中段喀拉扎組厚度為150～240 m；向東逐漸加厚，至齊古斷褶帶東段的頭屯河地區(qū)，厚度為400～500 m；頭屯河地區(qū)向東地層又減薄，至阜康斷裂帶的水磨河剖面，喀拉扎組又減薄至160 m 左右，整體呈中間厚，東、西兩側(cè)薄的態(tài)勢(shì)。鉆井揭示，霍瑪吐背斜帶及阜康斷裂帶北側(cè)覆蓋區(qū)喀拉扎組厚度為200～400 m，與下伏齊古組呈整合接觸，與上覆下白堊統(tǒng)清水河組呈角度不整合接觸。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣構(gòu)造單元和喀拉扎組及其重礦物分布Fig.1.Distribution of tectonic units,Kalazha formation and heavy minerals on the southern margin of Junggar basin

2 沉積相標(biāo)志

2.1 巖石特征

研究區(qū)喀拉扎組均為沉積碎屑巖，包括砂礫巖、中—粗砂巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖，露頭剖面巖性以砂礫巖和中—細(xì)砂巖為主。在齊古斷褶帶一線天剖面以西，巖性主要為褐色砂礫巖夾薄層砂質(zhì)泥巖，砂礫巖厚度占地層總厚度的80%～90%；一線天剖面喀拉扎組中—下部為褐灰色含礫中—細(xì)砂巖，上部為褐色砂礫巖，砂礫巖占地層厚度的50%～60%；一線天剖面以東，巖性由以褐色砂礫巖為主逐漸過(guò)渡為以灰色砂巖為主，至頭屯河剖面則整體變?yōu)榛疑小?xì)砂巖；頭屯河剖面以東，砂礫巖含量又有所增加，至阜康斷裂帶水磨河剖面，褐色砂礫巖厚度占總厚度的20%～30%。由西至東，在喀拉扎組砂礫巖中，礫石直徑由大變小，在齊古斷褶帶中段，砂礫巖中較大礫石直徑一般為4～8 cm，向東逐漸變?yōu)?～4 cm。

喀拉扎組砂礫巖結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低。礫石多呈棱角狀，大小不一，分選磨圓均較差，砂礫巖泥質(zhì)含量高。在頭屯河剖面，以中—細(xì)砂巖為主，砂巖的碎屑顆粒磨圓中等—好，粒度均一，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度明顯高于砂礫巖。

2.2 沉積構(gòu)造

碎屑巖中的沉積構(gòu)造，特別是物理成因的原生沉積構(gòu)造，最能反映沉積物形成過(guò)程中的水動(dòng)力條件，是分析和判斷沉積相的最重要標(biāo)志[16-17]。研究區(qū)喀拉扎組鉆井取心少，僅長(zhǎng)山1井取心2.46 m，且破碎嚴(yán)重，沉積構(gòu)造通過(guò)露頭剖面來(lái)識(shí)別，主要見(jiàn)有層理構(gòu)造、侵蝕構(gòu)造和暴露構(gòu)造。

塊狀層理主要發(fā)育在厚層砂礫巖中，礫石、砂質(zhì)和泥質(zhì)混雜沉積，單層厚度40～80 cm，是重力流沉積的典型標(biāo)志（圖2a），多出現(xiàn)在沖積扇的扇根亞相和扇中亞相中。粒序?qū)永碇饕卣鳛樯凹?jí)細(xì)粒碎屑顆粒分布于整個(gè)層段，不規(guī)則礫石由下至上含量逐漸降低，礫石直徑逐漸減?。▓D2b），單層厚度20～80 cm，主要出現(xiàn)在沖積扇的扇中亞相。韻律層理主要由近于平行的數(shù)十厘米的不等厚砂礫巖與砂質(zhì)泥巖互層形成，整體厚度1～3 m（圖2c），受季節(jié)性水流控制，常發(fā)育在沖積扇的扇中亞相和扇端亞相。平行層理主要發(fā)育在砂巖中，紋層厚度1～10 cm 不等，局部呈薄板狀，偶見(jiàn)剝離線理，巖相厚度變化大，幾米到十幾米不等（圖2d），常見(jiàn)于各類三角洲前緣水下分流河道微相。槽狀交錯(cuò)層理多為不對(duì)稱槽狀層理，高度為5～10 cm，紋層由粒度變化而顯現(xiàn)，多見(jiàn)于中—粗砂巖或砂礫巖中，厚度一般為0.5～5.0 m（圖2e），常發(fā)育在各類三角洲的分流河道微相中。露頭剖面中常見(jiàn)到侵蝕構(gòu)造，粗砂巖、砂礫巖的底面與下伏地層呈凹凸不平的侵蝕接觸，沖刷面之上常含礫石和泥礫，與下伏地層特征差異明顯（圖2f），侵蝕構(gòu)造是各類河道沉積的標(biāo)志。研究區(qū)的暴露構(gòu)造主要為干裂，褐色薄層泥巖中形成的干裂縫被后期的細(xì)粒碎屑物質(zhì)充填，泥巖層頂面上呈網(wǎng)狀的干裂紋（圖2g），剖面上可見(jiàn)到被灰色砂質(zhì)所充填的細(xì)長(zhǎng)“V”形構(gòu)造（圖2h），是沖積扇相較常見(jiàn)的一種沉積構(gòu)造。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎組沉積構(gòu)造特征Fig.2.Sedimentary and structural features of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

2.3 微量元素

沉積巖中某些微量元素的含量或幾種微量元素的含量比值與沉積環(huán)境密切相關(guān)，且受后生成巖作用的影響較小，因此，可以用來(lái)推斷沉積時(shí)的古環(huán)境，反演沉積時(shí)期的地質(zhì)條件[18]。經(jīng)過(guò)測(cè)定，南緣4 條露頭剖面、長(zhǎng)山1井和大豐1井泥巖及粉—細(xì)砂巖樣品的V/（V+Ni）為0.20～0.70，V/Cr 為0.02～1.32（表1），與反映氧化還原特性的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比[19]，喀拉扎組沉積時(shí)期水體應(yīng)該較淺，氣候相對(duì)干燥，屬于較強(qiáng)的氧化環(huán)境。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎組特征微量元素統(tǒng)計(jì)Table 1.Statistics of trace elements in Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

3 沉積相特征及分布規(guī)律

3.1 物源分析

重礦物組合類型及其分布是碎屑巖物源分析的重要依據(jù)。研究區(qū)喀拉扎組重礦物主要有磁鐵礦、褐鐵礦、鈦鐵礦、綠簾石、鋯石、石榴石、電氣石、白鈦礦等（表2）。研究區(qū)喀拉扎組重礦物組合有3 種類型：第一類以褐鐵礦和磁鐵礦為主，含少量白鈦礦、石榴石和鋯石，主要分布在齊古斷褶帶中段，物源母巖主要為中—基性火山巖和非石英質(zhì)變質(zhì)巖；第二類以鈦鐵礦和石榴石為主，含少量磁鐵礦、白鈦礦、鋯石和綠簾石，主要分布在齊古斷褶帶東段的頭屯河地區(qū)，物源母巖主要為中—基性火山巖和石英質(zhì)變質(zhì)巖；第三類以綠簾石和鋯石為主，含少量磁鐵礦、石榴石和鈦鐵礦，主要分布在阜康斷裂帶，物源母巖主要為中—基性火山巖和非石英質(zhì)變質(zhì)巖。綜上所述，準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎組物源主要來(lái)自3 個(gè)方向，且頭屯河地區(qū)以南的物源區(qū)提供的碎屑物更利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層的形成。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣露頭剖面喀拉扎組主要重礦物含量統(tǒng)計(jì) %Table 2.Statistics of heavy mineral content on outcrop sections of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin %

3.2 沉積相類型

根據(jù)巖石特征、沉積構(gòu)造及微量元素，研究區(qū)喀拉扎組主要發(fā)育沖積扇和辮狀河三角洲2 種沉積相。其中沖積扇主要發(fā)育在齊古斷褶帶中段，辮狀河三角洲主要分布在齊古斷褶帶東段和阜康斷裂帶。

3.2.1 沖積扇

沖積扇可分為扇根、扇中和扇端3 個(gè)亞相，按沉積類型可分為重力流沉積和牽引流沉積，其中重力流主要為泥石流，而牽引流沉積可劃分為河道沉積、漫流沉積和篩積[20]。齊古斷褶帶中段喀拉扎組露頭剖面的沉積物主要為牽引流沉積物，泥石流沉積物較少，按相帶劃分主要屬于扇中亞相。

泥石流沉積物分選極差，以礫、砂和泥混雜沉積為主。準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶露頭剖面上，喀拉扎組中泥石流沉積較少，可見(jiàn)到2 種類型：第一種，混雜沉積物中的礫石主要為砂巖礫石，磨圓較好，礫石直徑較大，一般為20～50 cm（圖3a）；第二種，混雜沉積物中的礫石主要為棱角狀凝灰?guī)r礫石，礫石直徑為5～20 cm（圖3b）。這2 種泥石流沉積巖層厚度一般為0.5～2.0 m，常夾在成層性較好的漫流沉積層之間，屬于扇中亞相。

喀拉扎組露頭剖面中的河道沉積物主要由礫石和砂組成，分選較差，礫石多呈棱角狀，一般發(fā)育塊狀層理或槽狀交錯(cuò)層理，單層厚度較薄，一般為0.2～1.0 m，常呈現(xiàn)多層疊置的結(jié)構(gòu)，可形成厚度較大的砂礫巖層（圖3c）。研究認(rèn)為，露頭剖面中的河道沉積多屬于扇中亞相。

在準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶露頭剖面上，喀拉扎組發(fā)育2 種類型的漫流沉積：第一種為塊狀層理或者粒序?qū)永淼纳暗[巖，礫石直徑為2～6 cm，局部可見(jiàn)直徑超過(guò)10 cm 的礫石，單層厚度為20～40 cm，常見(jiàn)多層疊置（圖3d）；第二種為砂質(zhì)泥巖，單層厚度為10～30 cm，多與第一種漫流沉積交替出現(xiàn)，整體具韻律層理（圖3e）。砂質(zhì)泥巖層常發(fā)育干裂縫，被后期砂質(zhì)碎屑充填，在剖面上可見(jiàn)到“V”形的砂質(zhì)充填條帶（圖2g，圖2h）。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎組沖積扇相沉積特征Fig.3.Sedimentary characteristics of alluvial fans in Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

露頭剖面中偶見(jiàn)篩積物。觀音溝剖面可見(jiàn)透鏡狀篩積體，由直徑2～5 cm 的礫石組成，礫石間充填砂質(zhì)沉積物，受膠結(jié)作用影響，巖層整體較致密（圖3f）。

3.2.2 辮狀河三角洲

辮狀河三角洲可分為辮狀河三角洲平原、辮狀河三角洲前緣和前三角洲3 個(gè)亞相，其中辮狀河三角洲前緣砂體可成為重要的油氣儲(chǔ)集體[21]。

依據(jù)沉積特征，在準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶喀拉扎組露頭剖面上，辮狀河三角洲主要分布在齊古斷褶帶東段和阜康斷裂帶，以辮狀河三角洲前緣亞相為主。頭屯河剖面喀拉扎組主要巖性為細(xì)砂巖和中砂巖，砂巖分選和磨圓較好，累計(jì)厚度為480 m，主要由大型水下分流河道砂體疊置而成。單一河道沉積層厚度為2～20 m，發(fā)育平行層理、板狀交錯(cuò)層理和槽狀交錯(cuò)層理。河道沉積層序中部的中—細(xì)砂巖物性最好，是較好的儲(chǔ)集層。在水磨河剖面，喀拉扎組下部主要為砂巖，上部逐漸出現(xiàn)砂礫巖層，說(shuō)明早期以辮狀河三角洲前緣沉積為主，晚期開(kāi)始向辮狀河三角洲平原過(guò)渡。而大豐1 井鉆遇220 m 的喀拉扎組，主要為灰色細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖夾薄層灰色粉砂質(zhì)泥巖，自下而上可分為4 個(gè)沉積旋回，為多個(gè)辮狀河三角洲前緣水下分流河道砂體疊置而成（圖4）。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣大豐1井喀拉扎組沉積相Fig.4.Sedimentary facies of Kalazha formation in Well Dafeng-1 on the southern margin of Junggar basin

3.3 縱向變化規(guī)律

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶上侏羅統(tǒng)齊古組是一套深褐色泥巖夾透鏡狀中—細(xì)砂巖，是曲流河相沉積的產(chǎn)物[9]，而喀拉扎組的巖性和巖相均發(fā)生了變化，為巨厚層砂礫巖和砂巖，主要為沖積扇和辮狀河三角洲沉積。依據(jù)多條南緣露頭剖面觀測(cè)結(jié)果，喀拉扎組為一個(gè)進(jìn)積序列，自下而上可分為4 個(gè)沉積旋回。在沖積扇發(fā)育區(qū)，喀拉扎組下部2 個(gè)沉積旋回常發(fā)育泥質(zhì)漫流沉積層，說(shuō)明露頭區(qū)處于近扇端位置；上部2 個(gè)沉積旋回則以砂礫巖漫流沉積層為主，基本不含泥質(zhì)漫流沉積物，處于扇中亞相的主體部位。在一線天剖面，喀拉扎組下部2 個(gè)沉積旋回為砂巖，向上演變?yōu)樯暗[巖；在水磨河剖面，下部2 個(gè)沉積旋回以砂巖沉積為主，頂部則出現(xiàn)多套砂礫巖層。以上沉積特征表明，喀拉扎組整體為一個(gè)進(jìn)積的沉積序列（圖5）。下白堊統(tǒng)清水河組沉積期湖平面快速上升，南緣地區(qū)沉積了薄層底礫巖，隨后則以湖相泥巖沉積為主。

3.4 平面分布特征

由重礦物組合分布和沉積相類型分析可知，研究區(qū)喀拉扎組發(fā)育2種沉積相類型，分布在3個(gè)區(qū)域，由西至東分別是齊古斷褶帶中段的沖積扇—辮狀河三角洲相、齊古斷褶帶東段辮狀河三角洲相和阜康斷裂帶的辮狀河三角洲相。

在齊古斷褶帶中段露頭區(qū)，主要發(fā)育沖積扇的扇中亞相，根據(jù)砂礫巖厚度和剖面上的相標(biāo)志，可分出3 個(gè)沖積扇主體發(fā)育區(qū)，自西向東分別是觀音溝扇體、清水河扇體和雀爾溝扇體，主扇體東西寬度為15～25 km，砂礫巖厚度為180～240 m，主扇體之間區(qū)域砂礫巖厚度約150 m。沖積扇的扇中亞相主要發(fā)育砂礫巖漫流沉積，累計(jì)厚度為150～180 m。由于盆地內(nèi)部鉆井少，且喀拉扎組埋深大，地震資料不能有效刻畫沖積扇向盆地內(nèi)的延伸范圍。呼探1 井鉆揭的喀拉扎組以含礫砂巖為主，巖性明顯變細(xì)，因此推測(cè)沖積扇相向盆地內(nèi)部逐步過(guò)渡為辮狀河三角洲相，3 個(gè)沖積扇主體在盆地內(nèi)部均演化為辮狀河三角洲沉積，在霍瑪吐背斜帶形成了大面積的砂巖分布（圖6）。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地南緣喀拉扎組沉積模式Fig.6.Sedimentary model of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

齊古斷褶帶東段露頭區(qū)喀拉扎組發(fā)育大型辮狀河三角洲，頭屯河剖面位于辮狀河三角洲的前緣亞相區(qū)，其物源區(qū)位于頭屯河剖面以南。由露頭剖面的沉積特征可確定，該辮狀河三角洲西部邊界位于一線天剖面附近，東部邊界位于烏魯木齊市附近，東西寬約50 km。該辮狀河三角洲向盆地內(nèi)部延伸較遠(yuǎn)，可延伸至大豐1 井以北地區(qū)，大豐1 井喀拉扎組鉆遇的220 m 砂巖和含礫砂巖，仍屬于該辮狀河三角洲前緣亞相。由此確定該辮狀河三角洲規(guī)模較大，其前緣亞相在盆地內(nèi)部可形成巨厚的砂巖儲(chǔ)集層（圖6）。

阜康斷裂帶發(fā)育自博格達(dá)山向北西展布的辮狀河三角洲，東西向橫跨長(zhǎng)山1 井—牧7 井—九運(yùn)1 井一帶，其中牧7 井位于辮狀河三角洲前緣主體部位，砂巖厚度達(dá)400 m，向東、西兩側(cè)砂體減薄，長(zhǎng)山1 井和九運(yùn)1井砂體厚度分別為200 m和300 m。

4 沉積模式

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶喀拉扎組沉積模式的建立必須結(jié)合構(gòu)造活動(dòng)和沉積環(huán)境，天山的隆升可分為4 個(gè)階段[22-23]，其中對(duì)南緣沖斷帶喀拉扎組沉積影響最大的是第二階段，即晚侏羅世北天山隆升階段。該階段隆升的北天山位于齊古斷褶帶以南，呈北西西—南東東走向，自西向東逐步隆升；博格達(dá)山隆升規(guī)模和幅度小于北天山西段。北天山西段和博格達(dá)山并未完全拼接在一起，兩者之間存在一個(gè)寬闊的匯水地帶，即現(xiàn)今的頭屯河地區(qū)。依據(jù)頭屯河剖面上的相標(biāo)志推測(cè)，在喀拉扎組沉積時(shí)期，該地區(qū)處于辮狀河三角洲前緣亞相，物源區(qū)位于該地區(qū)以南更遠(yuǎn)的地方。

在造山活動(dòng)的影響下，南緣沖斷帶喀拉扎組發(fā)育了2 種沉積相類型，形成了3 大沉積體系。自西向東分別為齊古斷褶帶中段以北天山為物源的沖積扇-辮狀河三角洲沉積體系、東段頭屯河地區(qū)的大型辮狀河三角洲沉積體系和阜康斷裂帶以博格達(dá)山為物源的辮狀河三角洲沉積體系（圖6）。3 個(gè)沉積體系匯向霍瑪吐背斜帶沉積區(qū)，形成了巨厚的砂巖儲(chǔ)集層。

5 油氣地質(zhì)意義

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶油氣資源量大，油氣發(fā)現(xiàn)主要集中在中—淺層古近系紫泥泉子組，深層的油氣發(fā)現(xiàn)僅限于儲(chǔ)集層較薄的下白堊統(tǒng)清水河組[24]。南緣喀拉扎組發(fā)育的3 個(gè)大型沉積體系，在盆地內(nèi)部形成了厚度超過(guò)200 m 的巨厚砂巖，特別是辮狀河三角洲前緣沉積形成的砂體分選好，分布面積廣，具備形成深層大規(guī)模有效儲(chǔ)集層的潛力。大豐1 井喀拉扎組埋深超過(guò)7 000 m，巖屑樣品測(cè)得孔隙度7%～9%，說(shuō)明儲(chǔ)集層仍是有效的。另外，南緣沖斷帶深層發(fā)育多個(gè)大型背斜構(gòu)造[25]，喀拉扎組巨厚砂巖與多個(gè)背斜構(gòu)造相匹配，且下伏的中—下侏羅統(tǒng)的烴源巖已經(jīng)進(jìn)入高成熟階段，因此，這些厚層砂巖與構(gòu)造相匹配的區(qū)帶是南緣沖斷帶深層油氣勘探的重要區(qū)帶。

6 結(jié)論

（1）準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶喀拉扎組以巨厚層砂礫巖、砂巖沉積為主，殘余地層分布主要分布在霍瑪吐背斜帶中東段和齊古斷褶帶；依據(jù)巖石特征、沉積構(gòu)造、微量元素等沉積相標(biāo)志確定喀拉扎組發(fā)育沖積扇相和辮狀河三角洲相。

（2）南緣喀拉扎組縱向上表現(xiàn)為進(jìn)積沉積序列，平面上發(fā)育3 個(gè)大型沉積體系，自西至東分別是齊古斷褶帶中段的沖積扇—辮狀河三角洲沉積體系、齊古斷褶帶東段頭屯河地區(qū)和阜康斷裂帶地區(qū)的辮狀河三角洲沉積體系。盆地內(nèi)部形成的巨厚砂巖儲(chǔ)集層與多個(gè)深層大型背斜構(gòu)造相匹配，喀拉扎組可成為南緣深層油氣勘探的重要目的層。