玛湖凹陷百口泉组粗碎屑粒度特征与环境指示意义

姚宗全， 于兴河， 皇甫致远， 黄丁杰， 高 阳， 王 进，孙 乐， 瞿建华， 刘新宇

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 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； 3. 中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000 )

玛湖凹陷百口泉组粗碎屑粒度特征与环境指示意义

姚宗全1， 于兴河1， 皇甫致远1， 黄丁杰1， 高 阳1， 王 进1，孙 乐1， 瞿建华2， 刘新宇3

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2. 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； 3. 中国石油塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000 )

现有粒度分析方法难以表征玛湖凹陷百口泉组粗碎屑粒度特征。在岩心观察和沉积相分析基础上，结合薄片分析，建立玛湖凹陷百口泉组粗碎屑粒度概率累积曲线，以及粗粒碎屑沉积环境的弗里德曼模式图，确定概率累积曲线和流体性质关系。结果表明，研究区粒度概率累积曲线可分为6类，分别对应碎屑水道、辫状水道、辫状分支水道、水下分流河道、河口坝和前扇三角洲沉积微相环境；随着流体性质由富砾碎屑流—颗粒流—富砂碎屑流—洪流—牵引流，粒度概率累积曲线依次出现宽缓上拱式—低斜多跳一悬式—直线式—低斜两段式—两跳一悬三段式—低斜三段式—典型两段式；随着流体由碎屑流逐渐向牵引流过渡，曲线斜率逐渐增大。该研究结果可为以粗碎屑为主的储层区块沉积环境研究提供参考。

粒度特征； 弗里德曼离散； 环境指示； 粗碎屑； 百口泉组； 玛湖凹陷

0 引言

可通过粒度参数表征沉积物颗粒大小，粒度分布受到物源供给、搬运距离、水动力条件及坡度等因素制约。沉积物及其质量分数以粒度分析为依据[1]，粒度分析广泛应用于物源追踪[2-3]、沉积物趋势运移[4-8]及沉积环境划分[9-12]等方面。目前，粒度分析主要集中应用于海域表层[13-14]、潟湖表层[15]、第四系黄土[16-17]，以及深水沉积[18]和沼泽演化[19]等沉积特征的判识。在油气综合评价方面，沉积物粒度分析主要应用于细粒碎屑岩[12,18-20]，对粗粒碎屑岩研究相对较少[20-22]。对细粒碎屑岩沉积，Visher G S研究现代和古代不同沉积环境的砂岩结构，总结潮流、冲洗、回流、浊流和波浪等不同流体，以及潮道、深水、风成沙丘等不同沉积环境的典型概率累积曲线，并应用曲线特征对未知物源沉积环境进行判别[23]；袁静等应用粒度概率曲线特征，总结三角洲、扇三角洲、湖泊、滩坝、风暴岩和湖底扇等陆源碎屑环境的粒度曲线特征[24]；丁喜桂等将粒度分析应用于海洋环境，分析海底地质属性[1]。

粒度概率累积曲线对于水动力条件变化的反映较为灵敏[7]。玛湖凹陷百口泉组的粒度概率累积曲线类型复杂多样。根据该区粒度概率累积曲线形态(如直线段数目、跨度、斜率等)，采用筛析法分析玛湖凹陷百口泉组取心井粒度资料，绘制研究区粒度概率累积曲线，结合粒度参数资料，参考Visher G S对不同沉积环境的典型概率累积曲线的认识[23]，分析各类曲线与水动力条件的对应关系，将研究区粒度概率累积曲线分为6种基本曲线类型，分析百口泉组粗碎屑沉积物粒度分布与搬运方式之间的关系及其水动力环境，为百口泉组的沉积环境研究提供依据，为丰富粗粒碎屑岩沉积相判别提供参考。

1 区域地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，西靠乌夏断裂带，南接中拐凸起，东抵达巴松凸起和夏盐凸起，北达石英滩凸起与英西凹陷(见图1)，东西横跨50 km，南北长约为100 km，面积约为5 000 km2。准噶尔盆地西北缘三叠纪表现为前陆盆地性质[25]，伴随区域构造运动，形成一系列逆掩推覆体和逆冲断裂[26-27]，为玛湖凹陷提供丰富的物源。

图1 玛湖凹陷构造单元划分与构造位置Fig.1 Structural subdivisions and location in the Mahu sag

该地区海西运动晚期，由于准噶尔—吐鲁番板块洋壳在晚古生代向哈萨克斯坦板块俯冲、消减，致使西北缘成为碰撞隆起带和前陆型海相沉积盆地[28-29]。晚二叠世至三叠纪，随着海水退却，研究区继承性发育成前陆型陆相盆地[30]。在持续性的构造隆升作用下，西北缘扎伊尔山和哈拉阿拉特山为玛湖凹陷提供充足的物源，并在凹陷西环带形成近源粗粒扇三角洲群；在凹陷的东部，由夏盐凸起提供物源形成扇三角洲[31-32]。三叠系百口泉组是研究区主要目的层，其地层厚度为40～150 m，与下伏二叠系乌尔禾组为区域不整合接触，与上覆克拉玛依组整合接触[33]。

根据岩心观察，结合研究区沉积体系特征和构造背景，研究区百口泉组为近源粗粒扇三角洲(见图2-3)。碎屑水道和辫状水道构成扇三角洲平原亚相，两者测井响应特征相似，为中—高幅、锯齿状，前者以箱型为主，后者以钟型为主；岩心表现为碎屑水道混杂堆积，分选较差，发育冲刷充填构造，砾岩呈楔状的厚层块状构造(见图3)；在微观上，碎屑水道主要由棱角—次棱角、基质支撑的粗砾岩组成(见图4(a))；流体性质为洪流—富砾碎屑流—颗粒流，而辫状水道以中粗砾岩为主，发育透镜状砂体斜层理、槽状交错层理及递变层理，砾岩多为次棱角状—次圆状，基质支撑(见图4(b))，流体性质为富砾碎屑流—富砂碎屑流，水动力能量较之减弱。扇三角洲前缘亚相为研究区主要油气储集相带，根据砾岩的分带性，可以分为前缘外带和前缘内带。辫状分支水道为前缘内带辫状水道的水下延伸，岩性以灰绿色砾岩为主，分选、磨圆一般，可见大型槽状交错层理，测井响应为厚层钟型(见图3)，铸体薄片显示颗粒支撑(见图4(c))，流体性质为洪流—颗粒流—牵引流；辫状分支水道进一步向前延伸为前缘外带水下分流河道，河道分叉频繁，弯曲度增加；岩性以中细砾岩为主，分选、磨圆较好，槽状交错层理最为发育；电阻率曲线为箱型和钟型的复合型(见图3)，分选、磨圆较好(见图4(d))，流体性质为富砂碎屑流—牵引流，水动力能量减弱。研究区河口坝(见图3)发育流体性质由牵引流—洪流—富砾碎屑流的细砾岩沉积，电测曲线似漏斗型，分选、磨圆较好，同级颗粒支撑，反映能量有增强趋势。前扇三角洲以深灰色泥岩为主，电阻率曲线为低幅平直型(见图3)。玛湖斜坡区百口泉组整体形成以“窄平原相，宽缓前缘相”为特征的平面展布形态，且扇三角洲搬运机制复杂，水动力条件变化快[34-36]。

图2 研究区百口泉组二段沉积相Fig.2 Sedimentary face of the second member of Baikouquan formation in the study area

2 粒度概率累积曲线特征

粒度概率累积曲线是沉积学中分析沉积物形成水动力条件，判断沉积环境的重要工具。以研究区沉积相带划分和沉积相综合柱状图为依据，结合岩心观察和测井响应，分析研究区扇三角洲各微相的粒度概率累积曲线特征。

2.1 扇三角洲平原亚相

2.1.1 宽缓上拱式

曲线中各总体分异不明显，粒度相对较粗且分布范围广，分选很差，形态呈略向上凸的弧形，倾角斜率为0.25～0.30(14.036°～16.699°)(见图5(a))。该类曲线反映碎屑流沉积作用，其搬运物质几乎呈悬浮状，水介质能量极强。垂向上碎屑流能量较小，携带的沉积物粒度逐渐变细，沉积物无规律排列，水动力条件复杂。共生的粗砾岩为碎屑水道典型标志。该类曲线代表扇三角洲平原以冲积扇为特征的碎屑水道微相沉积环境，反映动荡环境中能量不稳定的重力流沉积特征[21,37]。

2.1.2 低斜多跳一悬式

多跳一悬式曲线形态的最大特点是多直线段组成的台阶状(见图5(b))。大多数颗粒大于-3.5Φ，跳跃总体为10%～60%，斜率为0.14～0.23(7.970°～12.953°)，分选较差，与悬浮总体交截点的粒度为-0.5～0Φ，反映富砾碎屑流沉积特征；悬浮总体为40%～85%，斜率为0.42～0.50(22.782°～26.565°)，分选较好，表明水动力能量减弱，携带的碎屑物质变细。由分选较差的跳跃总体到分选较好的悬浮总体，反映流体由富砾碎屑流过渡为富砂碎屑流；基质支撑，反映砾石颗粒较碎屑水道细、成分复杂、杂乱分布、砾石颗粒呈次棱角-次圆状的辫状水道沉积环境；冲刷面的出现反映洪水的频繁冲刷和充填过程。与东营凹陷盐22块沙四上亚段砂砾岩沉积辫状沟道微相的粒度概率累积曲线非常相似[23]。

图3 研究区夏94井沉积相综合柱状图

2.2 扇三角洲前缘亚相

2.2.1 直线式

曲线主要表现为一条斜率较小的单段式直线，悬浮总体占整个粒度分布的大部分，反映分选一般、快速堆积的洪流搬运方式。岩性以中细砾岩为主，多级颗粒支撑，发育块状层理。在粒度曲线上，悬浮总体为10%～85%，斜率为0.28～0.35(15.642°～19.29°)(见图6(a))。

2.2.2 低斜两段式

曲线由悬浮总体和跳跃总体组成(见图6(b))，与直线式相比，曲线斜率在粗尾部分增大，在-3.0Φ附近斜率明显变缓，对应洪流向牵引流的转化。曲线跳跃组分占5%～60%，斜率为0.82～0.87(39.352°～41.023°)，与悬浮总体的截点在-2.7～-3.2Φ之间，悬浮总体占10%～40%，斜率为0.32(18.000°)。粒度概率累积曲线从直线式到低斜两段式的演化，表明辫状分支水道的流体性质从洪流向稳定牵引流转化的过程。

2.3 扇三角洲前缘—前扇三角洲亚相

2.3.1 两跳一悬三段式

(1)高斜两跳一悬三段式(见图7(a))。粒度区间为-5.0～1.0Φ，滚动组分不发育，以跳跃组分为主，质量分数达90%。跳跃组分由两部分组成，粗粒跳跃总体质量分数为1%～35%，斜率为1.23(50.889°)，分选较好，与细粒跳跃总体截点在-3.5Φ，斜率为0.48(25.641°)，分选中等，质量分数在30%～50%。悬浮总体与跳跃总体截点为-1.5～0.5Φ，悬浮总体质量分数小于10%，分选一般。

图4 研究区储层显微结构特征Fig.4 The reservoir microstructure in the study area

图5 研究区扇三角洲平原亚相粒度概率累积曲线组合特征

图6 研究区扇三角洲前缘亚相粒度概率累积曲线组合特征

(2)低斜两跳一悬三段式(见图7(a))。粒度分布区间为-4.5～1.0Φ，跳跃组分质量分数为20%～60%。由粗粒和细粒构成，其中粗粒跳跃组分质量分数为5%～20%，粗截点为-2.5Φ，斜率为0.22(12.407°)；细粒跳跃组分质量分数为15%～40%，斜率为0.83(39.693°)，分选一般，悬浮组分质量分数为5%～40%，斜率为0.29(16.172°)，细截点为-1.0Φ，分选差，与跳跃总体截点为-1.5～-1.0Φ。

高斜和低斜两跳一悬三段式粒度概率累积曲线特征反映高能量、迁移快的辫状分支水道携带沉积物入湖后，受湖盆多向、多组水流影响，并继续搬运沉积下来的水下分流河道砂砾岩相。该沉积环境中，河道由宽变窄，水道不断分叉，形成水下分流河道；随水流能量减弱，冲刷充填而改道，沉积相中沉积物纵横向差异性很大。有别于以直线式和低斜两段式为主的辫状分支水道沉积[37]。

2.3.2 低斜三段式

粒度概率累积曲线上斜率较低，包括低斜率0.47(25.174°)、低质量分数(小于5%)的滚动总体，和低质量分数(5%～15%)的悬浮总体，粗截点为-0.5～0Φ，细截点为2.6Φ(见图7(b))。反映研究区以牵引流为特征、能量相对较低的沉积物河口坝微相快速堆积环境[37]。由于水动力不稳定，且河流作用和波浪作用存在强弱差异，导致不同地区河口坝的粒度概率累积曲线特征的响应存在差别[38-39]。

2.3.3 典型两段式

粒度概率累积曲线粒径为1.0～7.0Φ(见图7(c))。跳跃总体质量分数为6%～70%，斜率为1.43(55.035°)，分选好；悬浮总体质量分数为10%～30%，斜率为0.31(17.223°)，与跳跃总体的截点在2.4～2.7Φ之间。反映位于扇三角洲前缘端部与湖相过渡的前扇三角洲泥岩环境。整体上，粒度细，分选好，水动力进一步减弱，与东营凹陷盐家地区沙四上亚段扇缘沉积类似[40]。

3 粒度参数特征

粒度参数的组合对沉积环境的响应有很强的敏感性[41]，分析克拉玛依油田的粒度参数资料，它具有明显的划相指标特征[42]。粒度概率累积曲线的峰型可以反映粗粒碎屑的分布特征和颗粒分选。分析百口泉组105块样品粒度，将碎屑岩颗粒直径d换算为2的几何级数粒径Φ(Φ=-log2d)。根据弗里德曼离散识别模式[43- 44]，利用标准偏差(i)和偏度(SK)组合对研究区沉积环境进行分析，所有点落在弗里德曼分界线右上部，并且较有规律地分布在标准偏差为1.0～3.2、偏度为-0.40～0.80(见图8)内。粗粒沉积与河流、细粒三角洲沉积环境相比，具有粒度分布范围更广、分选更差的特点[45](图中投点位置越往右上角，沉积物粒度分布越粗、分选越差)，并进一步划分为6个区，对应6个微相带。

图7 研究区扇三角洲前缘—前扇三角洲亚相粒度概率累积曲线组合特征

图8 研究区标准偏差(i)与偏度(SK)的弗里德曼离散图Fig.8 The Frieman discrete plot of skewness and standard deviation in the study area

(1)碎屑水道区。标准偏差为2.4～2.6，偏度为0.30～0.45。由于不同粒径的砾石漂浮在基质中，频率曲线的峰型为低矮多峰型，表明分选差、粒度粗的碎屑水道沉积物来自同一物源，但在不同的水动力作用下、按不同的比例沉积而成[20](见图8-9(a))。

(2)辫状水道区。标准偏差为2.2～2.4，偏度为0.25～0.35。与碎屑水道区相比，粒度明显变细，分选变好。粒度中值为-3.5Φ。辫状水道流体由富砾碎屑流过渡为富砂碎屑流，频率曲线的峰型为多峰态，从左到右，峰态依次变小，表明粒径逐渐变小(见图8—9(b))。

(3)辫状分支水道区。标准偏差为2.2～2.3，偏度为0.20～0.35。分选一般，粒度分布主要以中细砾岩为主，频率曲线的峰型为单峰型(见图8—9(c))。

(4)水下分流河道区。标准偏差为1.7～2.1，偏度为0.25～0.40。与辫状分支水道类似，只是粒度更细。频率曲线的峰型为单峰正态型，粒度组成高度集中于峰型中间的细砾岩与粗砂岩级，峰型两端的粗砾和中砂的含量较低(见图8-9(d))。

(5)河口坝区。标准偏差与辫状分支水道曲线接近，主要集中于2.1～2.2，但偏度比辫状分支水道大，为0.30～0.50，频率曲线的峰型为单峰态(见图8-9(e))。

(6)前扇三角洲区。标准偏差为1.2～1.6，偏度为0.50～0.60。频率曲线的峰型为单峰型(见图8-9(f))。

分析6种沉积微相环境粒度参数，标准偏差和偏度随着搬运距离的增大而逐渐变小，即分选变好；各沉积曲线之间的接触关系以混合过渡为主，且共生关系密切。

图9 研究区粒度频率曲线Fig.9 The frequency cumulative grain size curve in the study area

4 粒度概率累积曲线的演化与环境指示意义

玛湖凹陷在三叠纪期间承受挤压和扭压应力，形成同沉积断裂。断裂活动控制扇体的分布规律：在断裂持续活动区域，扇体叠置分布；在断裂推进活动区域，扇体不断由盆缘向盆地中心方向进积；在断裂后退活动区域，扇体发生退覆式迁移[46]，形成玛湖凹陷整体退积、局部进积的沉积格局。扇三角洲具有突发性洪流和常态水流交替作用[33]，在山洪爆发期，大量受风化剥蚀的碎屑物质从山间流出并被携带入湖，随着搬运距离的逐渐增大，湖盆地形坡度逐渐变缓，流体能量逐渐减弱，颗粒按照粒径大小先后发生卸载，颗粒间流体的相对密度逐渐增大，流体密度逐渐降低，流体性质为富砾碎屑流—颗粒流—富砂碎屑流—洪流—牵引流[34-35,47]，相应的粒度概率累积曲线为宽缓上拱式—低斜多跳一悬式—直线式—低斜两段式—两跳一悬三段式—低斜三段式—典型两段式。随着流体逐渐向牵引流演化，曲线的斜率逐渐增大(见图10)。

在绘制沉积相平面图基础上，结合典型单井沉积相特征、铸体薄片观察及研究区粒度特征，建立能够反映研究区沉积微相和岩心相相匹配的沉积相综合模式图(见图11)。随着扇体向湖推进，重力流作用逐渐减弱，牵引流作用逐渐增强；测井相为中—高幅箱型—中—高幅钟型—厚层钟型—箱型和钟型复合型—低幅平直型；沉积构造为混杂堆积—块状层理—大型板状、槽状交错层理—小型板状、槽状交错层理—水平层理；粒度概率累积曲线的变化为直线段逐渐变少，粗截点和细截点值变小，斜率逐渐增大。综上所述，玛湖凹陷百口泉组粗碎屑沉积环境从扇三角洲平原到前扇三角洲能量逐渐减弱，粒度逐渐变小，分选逐渐变好。

图10 研究区粒度概率类型演化(箭头方向指示沉积物搬运距离逐渐增大)Fig.10 The type evolution of the probability cumulative grain size curve patterns in the sudy area

图11 研究区沉积相综合模式Fig.11 The comprehensive sedimentary faces in the study area

5 结论

(1)玛湖凹陷百口泉组扇三角洲平原亚相以碎屑流沉积为主，粒度概率累积曲线为宽缓上拱式和低斜多跳一悬式。扇三角洲前缘亚相以洪流和牵引流为主，其中辫状分支水道的粒度概率累积曲线以直线式和低斜两段式为主；水下分流河道的粒度概率累积曲线为两跳一悬三段式，根据斜率不同分为低斜两跳一悬三段式和高斜两跳一悬三段式；河口坝的粒度概率累积曲线为低斜三段式；前扇三角洲的粒度概率累积曲线为典型两段式。

(2)百口泉组105块样品资料，建立研究区粗粒碎屑沉积环境的弗里德曼判别模式图，并与碎屑水道、辫状水道、辫状分支水道、水下分流河道、河口坝及前扇三角洲6个微相建立对应关系。

(3)洪水期，大量的碎屑物质被携带入湖，随着搬运距离渐远，流体性质为富砾碎屑流—颗粒流—富砂碎屑流—洪流—牵引流；对应粒度概率累积曲线为宽缓上拱式—低斜多跳一悬式—直线式—低斜两段式—两跳一悬三段式—低斜三段式—典型两段式。随着流体由碎屑流逐渐向牵引流演化，曲线的斜率逐渐增大。

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2016-11-21；编辑：张兆虹

国家自然科学基金项目(41472091)

姚宗全(1989-)，男，博士研究生，主要从事沉积储层方面的研究。

于兴河，E-mail: billyu@cugb.edu.cn

TE122.2

A

2095-4107(2017)02-0062-12

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.02.007