准噶尔盆地西北缘三叠系地层格架的建立——来自岩性、地震、测井及地化方面的证据

何 苗, 李廷栋*, 张利伟, 姚建新, 游国庆, 耿树方, 吴小军

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037; 2)河南理工大学资源环境学院, 河南焦作 454000; 3)中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 新疆克拉玛依 834000

准噶尔盆地西北缘三叠系地层格架的建立
——来自岩性、地震、测井及地化方面的证据

何 苗1), 李廷栋1)*, 张利伟2), 姚建新1), 游国庆1), 耿树方1), 吴小军3)

1)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037; 2)河南理工大学资源环境学院, 河南焦作 454000; 3)中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院, 新疆克拉玛依 834000

准噶尔盆地西北缘三叠系一直是我国重要的油气攻关层位, 然而其地层发育情况却长期存在争议,尤其是精细层位划分以及内部是否存在不整合界面的问题。本次研究结合了前人研究成果、岩性、测井、地震资料, 并以野外露头研究为基础, 通过对深底沟—大侏罗沟、花园沟、黑油山沟、吐孜沟、水库沟5条野外剖面的考察, 识别出各类标志层以及J/T、T/C、T3/T2、T2k2/T2k1、S6/S7界线, 认为三叠系内部并不缺失S2、S3(砂组, 位于T2k2), 并可区分出此二层位, 随即建立起多个野外剖面的时空对应关系; 此外, 本次研究还通过不同岩性岩石测井响应特征将下三叠统划分为3段6砂组, 将上三叠统划分为3段7砂组, 将中三叠统则更细划分为2段7砂组14小层, 并通过元素地层学方法对层位进行了局部检验。

准噶尔; 克拉玛依; 三叠系; 地层; 界线; 测井; 地震; 元素

准噶尔盆地是晚古生代至中、新生代多旋回叠合盆地(Xiao et al., 2008; Metcalfe et al., 2009; Han et al., 2010; Chen et al., 2011; Yang et al., 2012; Choulet et al., 2013), 发育石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪、白垩纪、第三纪和第四纪地层。盆地中央地层平缓, 具稳定地块特征, 西北缘发育大型逆冲断裂带(陶国亮等, 2006; 陈奋雄等, 2012)。本次研究地区为准噶尔盆地西北缘, 其西北部与扎伊尔山相邻, 东南部以玛湖凹陷、沙漠边缘为界(图1a)。盆地西北缘基底为石炭系, 研究区露头整体呈近西南—东北走向的条带状(图1b)。本次研究对克拉玛依市以北的深底沟—大侏罗沟、花园沟、黑油山沟、水库沟和吐孜沟5条野外剖面进行了考察(图1b),并以克拉玛依油田取芯井及地震资料为依据(图1c)进行三叠系地层格架研究。

早在20世纪90年代, 准噶尔盆地三叠纪地层就有了统一的划分方案(新疆油气区石油地质志编写组, 1993; 新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993),但由于条件和技术限制, 对区域地层方面的研究尚欠细致(丘东洲等, 1993; 新疆油气区石油地质志编写组, 1993), 并认为中三叠统内不存在不整合面(刘顺生等, 1999)。21世纪以来随着该区钻井数量和地震资料的增多, 区域地层及沉积环境研究进一步深入(苏维强等, 2005; 徐怀民等, 2006; 胡文瑄等, 2006; 王郑库等, 2007; 蔚远江等, 2007; 孙靖等, 2008; 鲜本忠等, 2008; 樊文阔等, 2010; 吴志雄等, 2011; 郭璇等, 2012; 向坤鹏等, 2013), 对中三叠统的划分甚至可以达到单砂层级别或3～5级层序(苏维强等, 2005; 鲜本忠等, 2008; 丁艳等, 2011; 顾兴明等, 2011; 陈丽华等, 2012; 吴胜和等, 2012; 何苗等, 2014)。可是从近年的诸多成果中发现, 前人在研究中少有结合野外露头, 并且大多仅针对西北缘某一小区块而非整个西北缘地区, 在研究层位上也局限于某一个统、段而非整个三叠系; 同时地层划分中的地球化学依据挖掘极少。许多专家将西北缘三叠系各个统进行了精细划分, 通常以S1、S2等表示各个砂组, 以S11、S12等表示砂组进一步划分的各个小层; 此外, 对于西北缘三叠系底部地层以及内部S2、S3层位缺失与否的问题缺乏有力依据。本次研究以野外露头为主, 以测井、地震、地化为辅,综合建立了准噶尔盆地西北缘三叠纪地层格架, 并对以上问题进行了研究与探讨。

1 岩石学依据

准噶尔盆地西北缘井下大多缺失二叠系, 露头上缺失整个二叠系和下三叠统, 三叠系井下地层厚150～200 m, 最厚约1000 m。通常将底层划分至段以下的砂组S1、S4等, 以及小层S11、S12等。野外露头观测发现, 西北缘三叠系直接超覆于石炭系之上呈角度不整合接触(图2a), 并以石炭系顶部薄层风化壳泥岩作为稳定标志层(图2b), 上覆为S7多套厚层块状砂砾岩、砾岩。中三叠统S1通常发育一套中-厚层砂砾岩或粗砂岩, 顶部发育含菱铁矿泥岩(图2c)。白碱滩组以大套的湖泊泥岩与侏罗系灰白色细砾岩相区分(图2d, e, f)。取芯井中同样也可以找到上/中三叠统、克拉玛依组上/下段的区分证据,即为上三叠统白碱滩组底部少量的含砾砂岩与中三叠统克拉玛依组顶部砂质泥岩之间界线(图2g), 以及克拉玛依组上段与下段之间厚层砂砾岩到砂质泥岩过渡形成的冲刷-充填构造(图2h, i)。

图1 准噶尔盆地西北缘地质图Fig. 1 Geological map of the northwest margin of Junggar Basin

图2 准噶尔盆地西北缘三叠系地层界线Fig. 2 Significant stratigraphic boundaries on Triassic outcrops on the northwest margin of Junggar Basin

图3 准噶尔盆地西北缘三叠系克拉玛依组S2及S3野外露头Fig. 3 Outcrop of Triassic S2and S3, the northwest margin of Junggar Basin

研究同时认为S1与下部地层呈整合接触, 三叠系内部不缺失S2、S3, 其中S2以泥岩为主, 夹有少量粉细砂岩, 且泥岩中含有大量炭屑和植物碎屑(图3a, b, c), 有些是植物茎叶, 初步推测可能是松柏类; S3以泥岩为主, 夹有砂、砾岩, 岩性较S2粗,泥岩中无炭屑和植物碎屑, 可含钙质(图3d, e, f)。

露头剖面以深底沟—大侏罗沟发育最全, 花园沟、黑油山沟和吐孜沟缺失克拉玛依组下段, 水库沟仅可见克拉玛依组下段。通过对5条剖面进行横向追踪而建立起的野外露头岩石地层格架表明, 三叠系底部为一规模较大不整合面, 其上多覆盖厚层风化壳泥岩。克拉玛依组下段沉积多套砂砾岩及粗砂岩与泥岩的互层, 砂砾岩多呈块状或可见大型层理, 泥岩中可含有少量植物碎屑; 克拉玛依组上段S5为砾、砂、泥互层沉积物, 可见交错层理和植物碎屑, S4多为粗砂岩与泥岩互层, 岩性较S5略粗;而S3、S2砂泥岩为主, 并以含大量植物碎屑与否相区分; S1以砂砾岩为主, 顶部为夹菱铁矿泥岩。白碱滩组一段(T3b1)稳定沉积大套质较纯的滨浅湖泥岩,白碱滩组二段(T3b2)和三段(T3b3)为细砂岩与泥岩薄互层沉积, 其顶部泥岩与侏罗系底部砾石构成大型冲刷-充填构造(图4), 作为三叠系/侏罗系稳定标志层。

2 地震学依据

盆地西北缘次级断裂发育, 大多数断裂如3034井断裂、北黑油山断裂和克拉玛依断裂呈北东—南西向, 也有少数近正北—正南向断裂, 地层自南东—北西逐渐减薄(图5), 顺物源方向, 越靠近盆地中心, 地震反射同相轴越趋于平缓, 越靠近边缘同相轴频率越高。

通过对克拉玛依油田一三区顺物源方向连井剖面进行井震联合标定(图5), 三叠系底部与石炭系具明显的剥蚀现象, 且存在地层削截与上超关系,代表区域性侵蚀间断或无沉积型间断(张琴等, 2001;李德江等, 2007), 同时反映岩相变化(Anselmetti et al., 2006)。三叠系地震反射振幅整体较强, 顺物源方向同相轴连续性总体有变好趋势, 上超现象广泛可见。其中石炭系火山岩同相轴显示出高频、波状-乱岗状地震相特征, 振幅较强; 中三叠统下部呈中-高频、亚平行-波状-乱岗状地震相特征, 振幅强-中等; 上部呈中频、平行-亚平行地震相特征, 振幅中等强度; 上三叠统同相轴连续性最强多表现为低频、平行反射特征, 振幅相对较弱。三叠系顶界与侏罗系八道湾组之间的分界面是由1-2个连续强相位组成, 全区分布稳定, 而三叠系反射波组顶面有2个低频相位组成(砂泥岩互层发育), 二者易于识别, 表现为上超或削截现象(图5)。

3 测井学依据

不同岩石组合具备不同的地层真电阻率(RT)以及声波时差(AC)地下响应特征, 结合野外露头以及岩心资料, 可以建立起准噶尔盆地三叠纪地层岩性-电性对应关系(图6)。由于准噶尔盆地西北缘靠近玛湖凹陷一带井下有下三叠统发育, 且对下三叠统的划分争议相对较少, 根据准噶尔盆地西北缘三叠系钻井资料(李德江等, 2005; 朱世发等, 2010), 将下三叠统百口泉组划分为3段6砂层组, 中三叠统克拉玛依组划分为2段7砂层组14砂层, 上三叠统白碱滩组划分为3段7砂层组。百口泉组一段(T1b1)和二段(T1b2)曲线多呈高幅值箱形, 百口泉组三段(T1b3)和克拉玛依组下段(T2k1)S7下部高低幅值交替增多, 为高幅值箱形到尖峰状过渡的类型; S7上部幅值低-中等, 曲线呈指状-钟形, S6下部为中-高幅值箱形-尖峰状曲线, 上部突变为低幅值指状; 克拉玛依组上段(T2k2)S5、S4曲线高低幅值交替最为频繁,多呈中幅值尖峰状, S3和S2曲线呈低-中幅值指状-钟形, 少呈尖峰状, S1曲线幅度增大, 为稳定的中-高幅值尖峰状-箱状; 白碱滩组一段(T3b1)曲线幅值为三叠系最低, 呈轻微变化的指状, 白碱滩组二段(T3b2)和三段(T3b3)曲线均表现为低-中幅值交替出现的类型(图6)。

综合岩性-电性特征分析得到, 从底部到顶部,早三叠世地层岩性粗, 多为棕红、紫红色砂砾岩,测井曲线多呈高幅值箱型, 砾石成分复杂; 中三叠世地层底部岩性继承了早三叠世的特点, 也表现为较粗的砂砾岩和砾岩, 颜色变为还原色灰绿色-灰色, 曲线多呈高幅值箱型-尖峰状; 中三叠世地层中部岩性逐渐变细, 为多套砂泥岩互层, 泥质含量增多, 测井曲线多呈钟形-指状; 中三叠世地层上部岩性又开始变粗为细砾和粗砂, 但没有早三叠世层厚,测井曲线呈尖峰状-钟形; 晚三叠世地层下部以大套的黄色泥岩为中晚三叠世地层明显的分界线, 到上部为少许砂泥岩互层偶夹砾岩, 其顶部泥岩与侏罗世的高幅值箱状厚层砾岩及含煤岩层呈过渡衔接。

4 地球化学依据

图4 准噶尔盆地西北缘多剖面地层对比Fig. 4 Stratigraphic correlation of outcrop profiles, the northwest margin of Junggar Basin

图5 准噶尔盆地西北缘克拉玛依油田井震联合标定Fig. 5 Seismic profile combining wells of Karamay Oilfield, the northwest margin of Junggar Basin

在生物地层学和其他地层学方法的分辨率都有限的地区, 利用化学地层方法进行地层研究, 可以极大地提高划分和对比的精度(Huff et al., 1992; Mahoney et al., 2000; 刘疆等, 2008)。本次研究以深底沟—大侏罗沟为例, 将所采26件泥岩样品粉碎至200目(共30件样品, 其中4件为砂岩)于中国地质科学院国家地质实验测试中心, 对8项微量元素Li、Co、Cs、Be、Ni、Ga、In、Cu进行分析测试。分析采用等离子质谱仪(PE300D), 方法采用DZ/T0223—2001(电感耦合等离子体质谱)方法, 仪器精密度＜5%, 样品结果与推荐值相对误差＜10%(杨兴莲等, 2007)。从微量元素含量变化曲线中可以看出, 最底部S7微量元素含量比较稳定, 曲线平缓且起伏较小, 克拉玛依组上段/下段有一个微量元素含量突变界线, 上段高富集的微量元素曲线幅度在下段骤减; 克拉玛依组上段S4、S5微量元素含量起伏较大, 可能与频繁的砂泥岩互层有关,导致某些泥岩中微量元素比较容易富集; S2、S3微量元素除了Li、Co、Cs和Cu局部富集以外, 其余元素富集情况不明显; 白碱滩组泥岩较纯大部分微量元素含量减少, 其中含有植物碎屑的样品由于有机质含量高导致微量元素再次富集(图7)。

图6 准噶尔盆地西北缘地层发育特征Fig. 6 Strata characteristics of the northwest margin of Junggar Basin

5 讨论与结论

准噶尔盆地西北缘三叠纪地层一直是新疆油田勘探开发研究院的重点攻关层位, 但一直以来我国对于中国西部准噶尔盆地西北缘的研究大多数都是以“寻找油气”为目的, 对三叠系地层沉积特征进行的研究, 极少真正深入系统的进行地层界线与地层发育特点的基础地质研究。通过近十多年来研究成果总结发现, 前人大多仅依靠井下资料进行层位划分的研究, 认为西北缘中三叠统克拉玛依组上段很可有缺失, 或S2、S3(砂组, 位于T2k2)仅局部可见。在油田一直以来的研究中, 利用不同种类岩层测井响应特征预测不同时代地层发育特征已经成为一个比较成熟的方法, 但由于测井解释具有多解性,加上准噶尔盆地西北缘地层自近玛湖凹陷到边缘处逐渐减薄并相继出现层位缺失(新疆维吾尔自治区地质矿产局, 1993; 孙靖等, 2008), 导致盆地三叠系整体的精细地层划分与对比存在一定难度。另外S2、S3层位发育表现为无规律的砂泥岩互层, 在横向上岩性的显示并不太稳定, 因此单从油田小区块中的测井曲线中进行S2、S3层位的识别反而并不太容易。又由于S2、S3层位太薄(小于10 m), 地震反射分辨率有限, 根据地震反射原理来划分薄层砂体更显得不可靠(郭璇等, 2012); 而根据不同层位岩样中微量元素含量变化进行层系界面划分与对比是早期地层学研究公认的有效方法, 但由于研究区采样条件限制因此具有一定局限性。尽管如此, 地震和地化仍然可以作为检验分层的重要依据。

图7 准噶尔盆地西北缘三叠系深底沟—大侏罗沟元素地层特征Fig. 7 Element and strata characteristics of Triassic on Shendigou-Dazhuluogou, the northwest margin of Junggar Basin

本次研究总结前人成果, 并结合多种方法, 互相验证, 综合对准噶尔盆地西北缘三叠纪地层进行地层格架研究, 并得出了以下新认识:

1)在露头、岩心和测井上识别出各类标志层以及J/T、T/C、T3/T2、T2k2/T2k1、S6/S7界线, 认为克拉玛依组上段不缺失S2、S3层位, 即盆地西北缘三叠系内没有出现过不整合或大的侵蚀间断, S2、S3可以含大量植物化石与否相区分。

2)通过对准噶尔盆地西北缘三叠系5条剖面的野外露头实测, 尤其是对花园沟、黑油山沟和吐孜沟中三叠统克拉玛依组上段的考察, 建立起露头上5条剖面的区域地层对比格架, 并结合测井及地震资料, 对区域三叠纪地层进行了补充和完善, 对下中上三叠统分别进行了更加细致的划分, 从而建立起早三叠世到晚三叠世的岩性、电性变化以及两者对应关系。

3)通过对研究区三叠系地震剖面的观察发现,地震反射振幅整体较强, 顺物源方向同相轴连续性总体有变好趋势, 上超现象广泛可见。岩性-测井特征变化说明三叠纪由早期的氧化环境逐渐过渡为晚期的还原环境, 曲线幅度也由砾岩、砂砾岩的高幅值箱状过渡为砂泥岩互层、泥岩为主的低幅值锯齿状、指状, 反映了地壳逐渐趋于稳定沉积的过程。

4)以深底沟—大侏罗沟为重点剖面, 利用元素地层学方法对地层划分进行了局部验证, 结果表明,克拉玛依组上/下段之间存在突变界面, 砂泥岩频繁互层和较多的植物碎屑有可能导致微量元素在局部层位岩石中发生富集。

致谢: 感谢中国地质科学院国家地质实验测试中心对地球化学样品的处理工作！感谢中国地质科学院地质研究所宋天锐研究员对本文提出的意见和建议！

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The Construction of Triassic Stratigraphic Framework of the Northwest Margin of Junggar Basin Based on the Evidence from Lithology, Logging, Seismic Survey and Geochemistry

HE Miao1), LI Ting-dong1)*, ZHANG Li-wei2), YAO Jian-xin1), YOU Guo-qing1), GENG Shu-fang1), WU Xiao-jun3)
1) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
2) Institute of Resources & Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454000;
3) Exploitation & Development Research Institute of Xinjiang Petroleum Corporation, PetroChina, Karamay, Xinjiang 834000

Triassic strata on the northwest margin of Junggar Basin constitute one of the most significant oil and gas strata in China. However, there has long existed much controversy concerning the development state of the strata, especially the subdivision of inner small strata and the existence or nonexistence of the unconformity. In combination with previous results, lithology, logging and seismic data, on the basis of outcrop research, and according to the field investigation along five profiles of Shendigou–Dazhuluogou, Huayuangou, Heiyoushangou, Tuzigou, and Shuikugou, the authors identified the marker beds and boundaries of J/T, T/C, T3/T2, T2k2/T2k1and S6/S7. It is held that there is no hiatus in Triassic, and S2and S3can be distinguished according to outcrop characteristics. On such a basis, the Triassic stratigraphic framework is set up. Furthermore, the Lower Triassic is subdivided into 3 members and 6 sand groups, the Upper Triassic is subdivided into 3 members and 7 sand groups, and the Middle Triassic is further subdivided into 2 members, 7 sand groups and 14 small strata by analyzing the logging data. Also, the strata is partly verified according to the method of elementary stratigraphy.

Junggar; Karamay; Triassic; strata; boundary; logging; seismic survey; element

P534.51; P539.2

A

10.3975/cagsb.2015.02.03

www.cagsbulletin.com www.地球学报.com

本文由国家科技重大专项“全国油气基础地质研究与编图”(编号: 2011ZX05043-005)和中国地质调查局基础地质综合研究项目“西太平洋大陆边缘深部过程与成矿作用研究”(编号: 1212011120181)联合资助。

2014-05-31; 改回日期: 2014-06-25。责任编辑: 张改侠。

何苗, 女, 1988年生。博士研究生。主要从事沉积学及油气勘探研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。E-mail: peachlike1988@foxmail.com。

*通讯作者: 李廷栋, 男, 1930年生。中国科学院院士。主要从事区域地质学、大地构造学研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。E-mail: litdong@163.com。