塔里木盆地北部三叠系“二元”层序结构特征及演化模式①

吴嘉鹏 陆金波 王英民 万丽芬 周兴海 夏广胜

(1．中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249;2．中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249;3．恒泰艾普石油天然气技术服务股份有限公司 北京 100084;4．中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司研究院 上海 200120;5．中国石油化工集团国际石油勘探开发有限公司 北京 100083)

前陆盆地由于蕴含着丰富的油气资源，其沉积充填、构造演化等是地质学研究的热点，近年来国内先后在库车、塔西南、准噶尔南缘、川西等前陆盆地油气勘探已获得突破或重要进展［1］，层序地层学理论在前陆盆地油气勘探过程中发挥着重要的作用。随着油气勘探的逐步进行，前陆盆地层序地层方面的研究也取得了很大的进展，但是，研究还处于起步阶段［2］。由于前陆盆地的挤压应力背景，其沉积充填、层序叠置样式等与典型被动大陆边缘盆地有差异［2］，也与规模小、物源近、相带窄、内部构造分异大的陆相断陷沉积盆地不同［3，4］。因此对前陆盆地地层层序结构、主控因素等的研究，可以揭示前陆盆地的沉积、构造演化规律，为油气资源勘探提供理论依据。

本文综合利用露头、岩芯及测井等资料，通过库车坳陷与塔北隆起区的地层对比，建立了塔里木盆地北部层序地层格架，并对塔里木北部库车坳陷及塔北隆起地区层序结构进行分析，探讨其特殊的“上粗下细”的“二元”层序结构特征及其主控因素，并在此基础上建立了塔北三叠系的层序发育模式。

1 区域地质特征

塔里木盆地受北部天山、南部昆仑山的影响，是一个多旋回叠合复合型盆地［5～8］。古生代末期塔里木板块成为欧亚大陆板块的南边缘，南部为古特提斯洋和羌塘地块。塔里木南缘特提斯洋在三叠纪向北强烈俯冲，三叠纪末羌塘地块与塔里木板块发生碰撞。整个三叠纪，塔里木板块受南缘板块活动而处于挤压状态，在这样的构造背景下，塔里木盆地进入前陆盆地演化阶段［5］。本次研究区主要是盆地北缘前陆构造特征明显的库车坳陷及其南侧的台盆区。

由于不同地区所受构造应力不尽相同，因此造成库车坳陷、塔北隆起等地区的沉积充填特征有一定区别。李维峰等［9］早在1995年研究发现，塔里木盆地库车坳陷三叠系发育辫状河三角洲沉积;并通过进一步研究，发现该层系还发育有冲积扇、扇三角洲、湖泊等沉积［10］;纪云龙等［11］通过研究发现，库车坳陷三叠系靠近北部山前发育大套冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲沉积，向坳陷中心有辫状河三角洲及湖泊沉积;根据野外露头、钻井等资料，贾进华和薛良清［12］认为库车坳陷三叠系为冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲及湖泊相沉积。

图1 塔里木盆地北部构造单元分布图Fig．1 Tectonic elements distribution of northern Tarim Basin

前人对位于塔北隆起上的阿克库勒凸起三叠系沉积研究较多，通过综合利用地震、钻测井、岩芯等资料，结合镜下观察、粒度分析等手段，研究发现该地区主要发育辫状河相［13，14］、辫状河三角洲相［13～17］、滨浅湖［13～16］、深湖—半深湖相［13～16］，也有湖底扇沉积发育［13，15，16，18，19］，但规模不大，分布范围较为局限。前人经研究发现塔北—塔中地区的主要沉积相类型包括:辫状河三角洲相［20～23］、湖泊相(包括滨浅湖及深湖—半深湖相)［20，22～24］及扇三角洲相［20～22，24］，偶见湖底扇［21］发育。

由上述可知，库车坳陷三叠系主要发育冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲及湖泊沉积组合，靠近天山山前主要是发育冲积扇等近物源的扇体沉积，近坳陷中心主要是辫状河三角洲及湖泊沉积;塔北隆起区主要为辫状河、辫状河三角洲及湖泊沉积，深湖沉积中偶见湖底扇。

2 塔里木盆地北部三叠系层序分析

通过对库车坳陷和台盆区的地层对比，发现库车坳陷的库车河露头下三叠统俄霍布拉克组与台盆区柯吐尔组相当，均发现有 Limatulasporites-Huabeisporites-Taeni-aesporites-Lundbladispora 化 石 组 合［25］。库车河剖面中三叠统克拉玛依群与台盆区阿克库勒组相对应，分别发现了中三叠世植物化石组合Tersiellaradozenko-Aipteridium kuqaense［26］和 孢 粉 化 石Assererospora-Punctatisporites。库车坳陷黄山街组孢粉化石组合Aratrisporites-Chordasporites-Cyclogranisporites-Alisporites与台盆区哈拉哈塘组孢粉化石组合Alisporites-Cyc-logranisporites-Dictyophyllidites有很好的对比性。台盆区上三叠统沉积的孢粉化石中，未发现与塔里奇克组相对应的孢粉及化石组合Minutosaccus-Quadra-ceculina-Osmundacidites-Piceaepollenites，这说明台盆区可能缺失该时期的沉积。

本文将分别利用位于库车坳陷北部的库车河三叠系露头及塔北隆起区典型井的岩性、测井等方面的资料，建立层序地层格架，分析三叠系不同层序岩性组合及沉积相等方面的变化特征，剖析塔北地区三叠系的层序结构特征及成因。

2．1 库车河三叠系剖面层序分析

库车河三叠系剖面位于库车坳陷北部的单斜地带(图1)，该剖面地层出露良好，界面清楚，化石丰富，是一套陆相碎屑岩沉积，总厚度约1 900 m。利用露头上的岩性组合、沉积构造等，研究库车坳陷沉积环境、地层界面的不整合特征，进而进行层序的划分及特征的分析。

同一盆地不同构造演化阶段发育的沉积地层，代表了特定应力场下的盆地充填，将其称之为层序组，其相当于二级层序。通过对剖面特征的观察与分析，在库车坳陷三叠系内识别出了共4个层序组(TSQS)，并细分为10个三级层序(TSQ1～TSQ10)(图2)。由于长时间的暴露、风化侵蚀及冲刷等作用，陆相地层的层序界面在露头上多表现为沉积相的转换面、古土壤层、底砾层或者冲刷面等。库车河露头观察表明，仅TSQ3、TSQ6和TSQ9与下伏层序之间发育明显的削截面(图3)，而其他层序之间的接触关系，更多表现为粗粒碎屑岩对下伏细粒碎屑岩的冲蚀面，这意味着仅界面SB3(图3a)、SB6(图3b)和SB9与大规模的构造运动相关，认为其为各个层序组的界面(图 2，3)。

TSQ1和TSQ2层序底部发育大套砾岩沉积，沉积物粒度粗、成分杂、分选差，主要为泥石流沉积;向上砾石含量降低，顶部发育杂色、红褐色泥岩，反映环境能量降低(图2)。综合判断其沉积属冲积扇环境，由下而上，由扇根向扇中过渡。与之相比，TSQ3和TSQ4以扇三角洲、辫状河的大套砂砾岩和湖泊环境下的暗色泥岩为特征。层序下部发育河道充填沉积，岩性主要为灰色、灰白色含砾粗砂岩、中砂岩;层序上部则主要发育大套的泥岩沉积，顶部受后期层序截削，侵蚀接触关系明显(图2)。层序构成具有“下粗上细”的构型特征。TSQ5～TSQ8下部为灰白色砂砾岩，上部为暗色泥岩(图2)。相对早期层序，该阶段沉积层序内部泥岩段厚度增加，泥岩的颜色也更深，反映了湖泊环境水体较早期有所增加。TSQ9～TSQ10内部，泥岩厚度减小，局部出现煤层(图2)。

对库车河三叠系剖面分析表明，每一个三级层序岩性上均具有“下粗上细”的“二元”结构特征。其中，将层序下部的粗粒沉积划分为低位体系域，而上部细粒沉积统称为湖侵—高位体系域。

图2 塔里木盆地库车河三叠系剖面层序综合柱状图(露头位置见图1)Fig．2 Composite stratigraphic column of Triassic in Kuqa River of Tarim Basin(outcrop location in Fig．1)

图3 库车河三叠系剖面层序组界面特征Fig．3 Triassic sequence set boundary characteristics of Kuqa River

2．2 塔北隆起区三叠系层序分析

GP5井位于顺托果勒低隆起与库车坳陷区之间的东西向基底隆起即塔北隆起上(图1)，结合测井以及岩性等资料，在该井三叠系内共识别出了TSQ1～TSQ5共5个三级层序。其中TSQ1～TSQ2对应下三叠统柯吐尔组(T1k)，TSQ3～TSQ4对应中三叠统阿克库勒组(T2a)，TSQ5对应上三叠统哈拉哈塘组(T3h)(图4)。通过台盆区与库车坳陷地层对比分析可知，塔北地区三叠系TSQ1～TSQ5与库车坳陷TSQ1～TSQ5对应，塔北地区缺失与库车坳陷TSQ6～TSQ10可对比的地层。纵观GP5井层序结构特征，发现其与库车坳陷层序结构特征类似，岩性上也具有“下粗上细”的二分特征(图4)。

GP5井的TSQ1、TSQ2主要以滨浅湖—半深湖的沉积环境为主。低位体系域发育滨浅湖砂坝沉积，TSQ1的湖侵—高位体系域以半深湖泥岩沉积为主，TSQ2的湖侵—高位体系域以滨浅湖泥岩沉积为主(图4)。受物源供给的影响，TSQ3～TSQ4的低位域的粗粒碎屑岩厚度较小，为辫状河三角洲和半深湖—深湖沉积(图4)。与前面两个层序相比，TSQ3和TSQ4低位体系域粗粒碎屑岩厚度增加。这说明由TSQS1到 TSQS2时期，GP5井区物源更加充足。TSQ5时期，沉积环境为辫状河三角洲和半深湖—深湖环境，但其厚度比早期三级层序大，湖侵体系域和高位体系域的区分也不明显(图4)。

图4 GP5井三叠系层序地层柱状图(井位位置见图1)Fig．4 Stratigraphic column of Triassic in Well GP5(well location in Fig．1)

通过对库车河剖面和塔北隆起区GP5井层序结构的分析，表明在挤压作用明显的塔里木盆地北部地区即库车前陆坳陷及塔北隆起区，三叠系层序结构具有明显的“下粗上细”的“二元”结构特征。每个层序分为低位体系域与湖侵—高位体系域，其中低位体系域发育辫状河河道或辫状河三角洲粗粒碎屑岩沉积，而湖侵和高位体系域沉积特征相似，主要发育湖相细碎屑沉积，以泥质为主。前人对台盆区三叠系层序进行研究，也发现了类似规律，三叠系的每个层序低位域沉积了辫状河三角洲、扇三角洲等粗粒沉积，湖侵—高位体系域多为半深湖—深湖等较细粒沉积物［22］。

塔里木盆地三叠系南北向地层对比所显示出的“下粗上细”层序结构，主要分布在库车坳陷和靠近塔北隆起的地区;而远离塔北隆起地区则表现为正常的三分层序特征(图5)，例如在远离塔北隆起区的顺托果勒低隆起上SHUN1井(图5)的层序结构，与库车坳陷及塔北隆起区的GP5井具有较大的差异，其层序结构表现为正常的“粗—细—粗”的特征。在沉积物构成上，库车坳陷扇体发育明显;塔北地区则以辫状河河道充填及辫状河三角洲沉积为主(图5)。这种不同地区层序结构及沉积相类型的差异，与三叠纪塔里木盆地的幕式挤压活动密切相关。

3 塔北三叠系层序结构成因分析

我国西部的焉耆、准噶尔等多个压性盆地中，均发育有典型的“二元”层序结构［27，28］，其形成是与西部压性盆地独特的幕式性构造活动密切相关的［27］。沉积作用与大地构造背景关系密切，盆地充填是对构造作用的直接响应，它不仅控制着沉积物的沉积体系类型和内部沉积构成，还控制着地层的旋回性［29］。

幕式挤压活动具有“长期积蓄，短期释放”的特征。盆地基底在挤压作用下发生黏弹性变化，既可以发生一定程度的塑性及弹性形变，也可以当应力超过挠曲极限时发生破裂。因此，当应力在基底弹性变形允许的范围内时，挤压应力使其挠曲变形强度不断增加，该过程是一个缓慢的应力积蓄过程，经历的地质时期较长。当应力强度突然超出基底弹性变化范围时发生破裂，应力突然释放，早期长期遭受挤压而发生挠曲变形的基底在较短地质时期内迅速反弹。盆地基底应力积累与释放的过程，恰似现今地震活动，长时间的应力积蓄在短时间的地震事件中瞬间释放。

图5 库车河剖面三叠系和台盆区连井沉积剖面图(剖面位置见图1)Fig．5 Well log cross section showing the sedimentary facies in outcrops of Trassic in Kuqa River and platform-basin region(cross section location in Fig．1)

图6 可容空间的两种变化模式Fig．6 Two changing mechanisms of the accommodation

在幕式挤压活动下盆地可容空间的变化规律，与典型的海相盆地层序的海平面控制机制有很大不同。因为海平面变化控制的可容空间大小随着海平面的波动而逐渐的增加或减小，具有“正弦式”的曲线变化特征(图6a);而在幕式挤压作用的控制下，陆相沉积盆地其可容空间的变化则具有“脉冲式”的变化特征(图6b)。前期盆地遭受缓慢挤压，盆地的可容空间在较长的地质时期内逐渐增加;当挤压应力积累到一定程度时，盆地基底破裂后迅速回弹，盆地可容空间也在短时间内迅速减小，从而形成了“脉冲式”的可容空间变化特征。

全球构造运动往往是幕式或间歇式的，板内陆相盆地的形成和演化直接受控于幕式构造运动，这种构造运动在造山带通过相应的构造形迹显示，而在沉积盆地是通过沉积充填显示，即形成幕式层序地层［29，30］。多幕逆冲挤压和松弛后稳定沉降成耦合的作用过程是构成体系域“二元”结构的主要机制，这一幕式过程导致其湖平面变化不具备周期渐变旋回，使层序构成出现“二元”的突变特征［28］。在地质历史时期，正是幕式构造旋回控制幕式层序地层［29］。图7示意了幕式构造运动下层序的发育过程。在前一幕构造运动的宁静期，湖盆水体较浅，部分地区遭受侵蚀作用，形成层序界面，发育低位域粗碎屑岩沉积(图7a);挤压初期，物源供给增加，可容空间的增加速率缓慢，因此继续发育低位体系域的粗碎屑岩沉积(图7b);随着挤压作用的持续增加，湖盆水体逐渐加深，进入湖侵体系域发育阶段，可容空间的增加量超过沉积物补给量，滨岸退积上超，粗粒碎屑岩沉积主要发育在湖盆边缘，而盆地主体则以半深湖—深湖的细粒碎屑岩沉积为主(图7c);当应力强度超过基底岩石挠曲形变上限后发生破裂，应力突然释放，湖平面快速下降，可容空间由“脉冲”尖端的极大值快速减小(图6b)，即由高位体系域向低位体系域过渡的时期相对短暂，以至在高位体系域时期内尚未形成相应规模的粗碎屑岩沉积，湖平面便迅速降低，进入了下一期层序低位体系域演化阶段(图7d)。

4 塔北三叠系层序发育模式

一级构造运动起因于板块相互作用或软流圈的热动力作用，它制约着沉积盆地的形成、演化和消亡，它们在地层中的沉积响应是构造层序;而二级构造运动以沉积盆地演变过程中的沉降速率变化为特征，而板块间脉动式俯冲或碰撞，相应地导致板内盆地间歇式沉降，即为沉积速率幕式变化的成因之一［29］。

库车前陆坳陷北邻天山造山带，受天山冲断作用影响，发育挠曲沉降(图1)，挤压挠曲作用在空间上影响范围可能超过塔北隆起并影响到隆后坳陷区域。何登发等［7］认为隆后坳陷沉降受两种作用控制:一是前缘隆起的冲断作用的影响;二是热冷却均衡调整作用。在远离前缘隆起的盆地腹部，受周缘造山带逆冲挤压作用的影响很小，因此其沉降主要受热冷却均衡调整作用的控制。并且，在前陆盆地层序发育过程中，一次挤压构造事件末期的回弹隆升和下一期逆冲挤压引起的构造变形控制了层序界面的形成［31］(图 7a)。

一期挤压作用结束之后，前陆坳陷、前缘隆起进入迅速回弹演化阶段。临近造山带及前缘隆起区回弹明显，早期层序暴露于水面之上，发生侵蚀作用，从而形成层序界面(图7a)，低位体系域开始发育。挤压初始期，应力缓慢集中，前陆坳陷及隆后坳陷开始发生挠曲沉降。由于挤压初始期，挠曲沉降作用形成的可容空间较小，而物源供给相对充足，物源供给速率与可容空间增量比值较高，延续强烈回弹期低位体系域沉积特征，发育进积型的冲积扇、扇三角洲和辫状河三角洲为主的沉积组合(图7b)，这与库车坳陷下白垩统卡普沙良群底部的砾质粗碎屑沉积体成因一致［32］。随着挤压作用的持续，湖盆水体上升，可容空间增加，库车前陆坳陷和隆后坳陷出现半深湖—深湖沉积(图7c)。挤压活动高峰期之后，应力迅速释放，进入了构造平静期，湖平面迅速降低，高位体系域发育的时间较短，因此，前陆坳陷和隆后坳陷的高位体系域沉积环境仍以半深湖—深湖为主，其沉积特征与湖侵体系域相似，发育半深湖—深湖暗色泥岩沉积(图 7d)。

远离前缘隆起的盆地腹部地区，受均衡沉降机制的控制，其湖平面的变化接近“正弦式”变化特征(图6a)，因此，高位体系域湖平面下降时期，会沉积粗粒沉积物，在其层序结构上表现出“粗—细—粗”的变化特征。

5 “二元”层序结构的油气意义

受前陆盆地脉冲式挤压作用的控制影响作用，塔北三叠系发育了特色的“下粗上细”的“二元”层序结构，层序的低位体系域主要为扇三角洲、辫状河、辫状河三角洲等粗粒沉积体，而层序上部的湖侵—高位体系域则主要为深湖—半深湖的细粒沉积体，在垂向上构成了极好的生储盖组合。层序顶部的细粒沉积物既可以作为良好的盖层，也可以为烃源岩;层序底部的粗粒沉积物则为良好的储层［13，17，20］。因此，在塔北地区除了构造油气藏外，每个层序底部可能发育的岩性油气藏［20］及构造—岩性油气藏也是重要的油气藏类型。

图7 塔里木盆地三叠纪层序“二元”结构成因机制及层序发育模式图Fig．7 Formation mechanism of“Dual feature”sequence architecture and sequence evolution model of Triassic in Tarim Basin

6 结论

陆相沉积盆地层序地层发育控制因素复杂，其中构造作用对盆地的沉积充填具有主导性的控制作用。塔里木盆地三叠纪时期受周缘挤压环境的影响，进入前陆盆地演化阶段，盆地北缘发育冲积扇、辫状河、辫状河三角及湖泊沉积组合，其层序结构为“下粗上细”的“二元”结构特征。层序发育受幕式挤压作用控制。在挤压型盆地发育过程中，应力积蓄是一个漫长的地质过程，而应力释放则是相对短暂的地质过程。在构造平静期及挤压初期形成层序界面和低位体系域，应力积蓄期发育湖侵体系域，应力释放期发育高位体系域。由于高位体系域发育的持续时间短暂，难以形成有效地质记录，从而形成低位域以粗粒沉积为主，湖侵—高位域以细粒沉积为主的“二元”层序结构。特殊的层序结构在纵向上形成了较好的生储盖组合，塔北地区岩性油气藏及构造—岩性油气藏是重要的油气藏类型。

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22 吕雪雁，朱筱敏，申银民，等．塔里木盆地台盆区三叠系层序地层研究和有利勘探区预测［J］．石油勘探与开发，2002，29(1):32-35［Lü Xueyan，Zhu Xiaomin，Shen Yinmin，et al．The Triassic sequence stratigraphy and the prediction of the favourable exploration targets in Tarim Basin［J］．Petroleum Exploration and Development，2002，29(1):32-35］

23 陈旭，董玉文，陈红汉，等．塔里木盆地台盆区三叠系三级层序界面和体系域界面的识别与应用［J］．沉积学报，2011，29(5):917-925［Chen Xu，Dong Yuwen，Chen Honghan，et al．Identification and application of sequence boundaries and system tract bounaries for the Triassic of Tarim Basin［J］．Acta Sedimentologica Sinica，2011，29(5):917-925］

24 赵恩宏．英买力地区三叠系沉积特征与沉积相分布研究［D］．成都:西南石油大学，2006［Zhao Enhong．Study on depositional characteristics and sedimentary facies distribution of Triassic in Yingmaili area［D］．Chengdu:Southwest Petroleum University，2006］

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26 张希明，王恕一．塔里木盆地北部三叠系辫状三角洲砂体储层非均质性研究——以阿克库勒—达里亚地区为例［J］．石油实验地质，1997，9(3):201-208［Zhang Ximing，Wang Shuyi．A study on the heterogeneity of sand body reservoirs in Triassic braided delta，northern Tarim Basin:exemplified by Akekule-Deliya region［J］．Experimental Petroleum Geology，1997，9(3):201-208］

27 姜华，王华，陆永潮，等．压性盆地层序结构的二元性特征研究——以焉耆盆地博湖坳陷侏罗系为例［J］．地质学报，2009，83(6):847-854［Jiang Hua，Wang Hua，Lu Yongchao，et al．Dual features of sequence structures in compressional basin:An example from Jurassic Bohu depression of Yanqi Basin［J］．Acta Geologica Sinica，2009，83(6):847-854］

28 李丕龙，冯建辉，陆永潮，等．准噶尔盆地构造沉积与成藏［M］．北京:地 质 出 版 社，2010:74-89［Li Pilong，Feng Jianhui，Lu Yongchao，et al．Tectonic Evolution，Sedimentation and Pool-forming Mechanism in Junnggar Basin［M］．Beijing:Geological Publishing House，2010:74-89］

29 解习农，程守田，陆永潮．陆相盆地幕式构造旋回与层序构成［J］．地球科学，1996，21(1):27-33［Xie Xinong，Cheng Shoutian，Lu Yongchao．Episodic tectonic cycles and internal architectures of sequences in continental Basin［J］．Earth Science，1996，21(1):27-33］

30 Galloway W E．Genetic stratigraphic sequences in basin analysis I:architecture and genesis of flooding surface bounded depositional units［J］．AAPG Bulletin，1989，73(2):125-142

31 周新源．前陆盆地油气分布规律［M］．北京:石油工业出版社，2002:48-55［Zhou Xinyuan．The Distribution Rules of Oil and Gas in the Foreland Basins［M］．Beijing:Petroleum Industry Press，2002:48-55］

32 王家豪，王华，陈红汉，等．一幕完整的前陆盆地构造演化的地层记录:库车坳陷下白垩统［J］．地质科技情报，2006，25(6):31-36［Wang Jiahao，Wang Hua，Chen Honghan，et al．Stratigraphic record in a whole episode of foreland basin tectonic evolution:the lower Cretaceous in Kuqa depression［J］．Geological Science and Technology Information，2006，25(6):31-36］