博格达山周缘中二叠统芦草沟组与红雁池组沉积特征及演化

王越，林会喜，张奎华，张关龙，汪誉新，白仲才

1.胜利石油管理局博士后科研工作站，山东东营 257000

2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015

0 引言

在准噶尔盆地南缘二叠系芦草沟组是重要的烃源岩发育层段，在博格达山周缘广泛发育厚层泥页岩和油页岩，与芦草沟组内部的碎屑岩、碳酸盐岩以及上覆红雁池组的碎屑岩构成了良好的生储组合，为研究区重要的油气勘探目标。前人针对芦草沟组的研究主要集中在层序地层[1-2]、油页岩地化特征[3-4]、白云岩成因[5-6]和沉积特征[7-9]等方面，对于红雁池组的研究主要集中在层序地层[10]、沉积特征[11]及储层特征[12]等方面。彭雪峰等[2]将芦草沟组划分为滨湖、浅湖和半深湖—深湖亚相，进一步分为砂质滩坝、泥质滩坝、碳酸盐滩坝和生物礁四种微相。冯烁等[7]认为博格达山周缘芦草沟组主要发育三角洲和湖泊。王正和等[8]认为芦草沟组从滨湖、浅湖到半深湖—深湖均有发育，红雁池组主要发育辫状河三角洲前缘。李红[11]认为研究区芦草沟组与红雁池组为湖侵到湖退的沉积过程，其中芦草沟组发育扇三角洲、滨浅湖和半深湖，红雁池组发育冲积扇、扇三角洲和滨浅湖。综上所述，关于芦草沟组与红雁池组的沉积相认识存在多种观点，其主要原因是人们在研究过程中受勘探程度和地质资料的分布所限制。

本文在充分调研前人研究成果和详细踏勘博格达山周缘二叠系露头剖面的基础上，通过对锅底坑、水西沟、红雁池和西大龙口四条剖面的芦草沟组与红雁池组进行详细观察和精细测量，结合柴窝堡凹陷内的钻测井、岩芯资料，对该区的地层特征和沉积特征进行重新分析，并进一步探讨了沉积演化特征，为博格达山周缘地区的油气勘探提供依据和基础资料。

1 研究区概况

研究区位于准噶尔盆地南部博格达山的周缘地区，包括柴窝堡凹陷(图1)。在早中二叠世博格达山尚未隆升[13]，研究区自下而上发育了石人子沟组(P1s)、塔什库拉组(P1t)、乌拉泊组(P2w)、井井子沟组(P2j)、芦草沟组(P2l)和红雁池组(P2h)。在晚二叠世博格达山发生隆升[14]，研究区发育泉子街组(P3q)、梧桐沟组(P3w)与锅底坑组(P3g)。

2 地层特征

2.1 地层接触关系

井井子沟组为芦草沟组下伏地层，主要发育厚层深灰色泥岩、粉砂质泥岩夹薄层灰质细砂岩(图2a，b)，芦草沟组下部主要发育厚层灰色砾岩(图2c)夹深灰色泥岩，底部可见轻微的冲刷面。井井子沟组与芦草沟组形成于深水沉积环境，二者之间未见暴露沉积，为连续沉积的地层。在观察多个露头剖面的基础上，结合钻井资料认为芦草沟组与红雁池组是连续沉积的地层(图3a，b)。

图1 研究区位置、地质剖面、井位分布及地层划分Fig.1 Location, geological section, well location distribution and the stratigraphic division of the studying area

图2 博格达地区中二叠统芦草沟组与红雁池组地层特征Fig.2 Stratigraphic characteristics of the middle Permain Lucaogou Formation and Hongyanchi Formation in Bogda region

在西大龙口剖面红雁池组与泉子街组为角度不整合接触(图2d)，红雁池组以滨浅湖相的灰绿色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主。泉子街组为冲积扇沉积，发育棕红色砾岩(图2e)、泥岩以及大量的油页岩砾石(图2f)，其母岩为芦草沟组上部的泥页岩(图2g)。在水西沟剖面泉子街组与红雁池组存在沉积相变(图2h)。红雁池组发育滨浅湖相的灰绿色砂岩、泥岩夹薄层灰岩(图2i)，灰岩含有油质沥青(图2j)，表明油气沿着不整合面发生了运移。泉子街组为曲流河沉积，河道以灰绿色含砾粗砂岩为主，发育槽状交错层理、板状交错层理(图2k)，侧积现象明显，并夹有薄层泥岩(图2l)；泛滥平原发育棕红色粉砂质泥岩、泥岩。地层接触关系及沉积相变表明在晚二叠世博格达山隆升导致芦草沟组与红雁池组遭受剥蚀。

2.2 地层特征及划分

研究区钻测井资料和露头剖面表明柴窝堡凹陷内芦草沟组与红雁池组保留相对完整，在博格达山山前地层剥蚀较为严重，不同地区残留厚度不一(图1)。锅底坑剖面芦草沟组顶底界面可见，根据岩性特征将其自下而上划分为一段、二段、三段，一段主要发育灰色砾岩、含砾砂岩与中粗砂岩，夹有深灰色泥岩；二段以砾岩、灰岩和泥岩互层为主；三段主要发育厚层泥页岩、泥岩，夹有薄层灰岩。在博格达山北缘白杨沟剖面、水西沟剖面、西大龙口剖面芦草沟组仅出露上部泥页岩层段，在小龙口剖面地层出露较完整。

柴窝堡凹陷内C5井红雁池组保留完整，自下而上划分为一段、二段、三段，一段以灰色泥岩、粉砂岩夹灰色砂砾岩为特征；二段主要发育灰色砂砾岩，夹有薄层灰色泥岩；三段以棕红色泥岩、灰色泥质砂岩为主，夹有灰色砂砾岩。在水西沟剖面红雁池组残留有一段和二段，一段发育灰绿色砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩与灰绿色、深灰色泥岩，二段发育灰绿色中细砂岩夹灰绿色泥岩、灰岩。通过分析芦草沟组、红雁池组与上下地层的岩性特征和接触关系，认为芦草沟组与红雁池组构成了一个三级旋回，相当于一个三级层序[10]，两个组分别对应五个四级旋回(图3a，b)。

3 沉积相类型

3.1 芦草沟组沉积相类型

3.1.1 近岸水下扇

近岸水下扇主要在柴窝堡凹陷内发育，通过对露头与岩芯进行综合研究识别出中扇和外扇两个亚相。

(1) 中扇

近岸水下扇中扇由沟道和沟道间两个微相构成，沟道为主体沉积(图4a，b)。沟道由多期次的砂砾岩体在垂向上叠合构成，呈底凸顶平的外部几何形态，最厚可达7.5 m(图4a)。沟道以灰色中砾岩、细砾岩为主，夹有少量的含砾粗砂岩，主要发育块状层理(图4c，d)和粒序层理(图4e)。砾岩以火山岩砾石和变质岩砾石为主，粒径主要分布在0.5～3 cm之间，最大可达5 cm(图4d)，多为高角度不稳定状杂乱堆积，呈次棱角状、次圆状，分选较差。沟道间总体为水动力相对较弱的沉积环境，主要以深灰色的粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩为主(图4b)。

(2) 外扇

近岸水下扇外扇由沟道和沟道间两个微相构成，沟道间为主体沉积(图4f)。沟道砂砾岩体呈底凸顶平的外部几何形态，最厚可达3.5 m，主要由灰色含中砾细砾岩(图4g)和灰色细砾岩(图4h)构成，夹有少量的中粗砂岩(图4i)。砾岩和砂岩以块状层理为主，碎屑颗粒呈棱角状、次棱角状，分选较差，结构成熟度和成分成熟度均较低，为近源快速堆积的产物。沟道间主要以深灰色的粉砂质泥岩、泥岩和含砾泥岩为主，可见砾石呈分散漂浮状分布于泥岩中，呈棱角状、次棱角状(图4j)。在锅底坑剖面芦草沟组二段近岸水下扇外扇发育砾岩、砂岩、泥岩与灰岩(图2a、图4k)，灰岩主要由咸化沉积背景下[15]化学结晶形成的泥晶方解石构成，与粉砂质泥岩、泥岩等均为弱水动力条件下形成的岩石，也属于沟道间沉积。由于锅底坑地区在二叠纪存在频繁的风暴事件[16]，泥晶灰岩在半固结或固结状态下常受其影响形成砂屑灰岩和砾屑灰岩(图4l)。

3.1.2 湖泊

芦草沟组三段沉积时期，湖泊相在博格达山周缘广泛分布，主要以半深湖—深湖亚相为主。在红雁池剖面主要发育厚层深灰色泥页岩(图5a)，夹有薄层状、透镜状泥晶灰岩(图5b)和泥晶白云岩(图5c)，厚度一般为0.2～0.5 m。在西大龙口剖面主要发育厚层深灰色泥页岩(图5d)，夹有薄层灰质粉砂岩(图5e)，厚度分布在0.1～0.4 m之间，以块状层理为主。在水西沟剖面主要发育深灰色泥页岩、油页岩(图5f)夹薄层灰岩、白云岩和灰质粉砂岩(图2b)。

图3 博格达山周缘中二叠统芦草沟组与红雁池组地层沉积综合柱状图Fig.3 Comprehensive stratigraphic and sedimentary column of the middle Permain Lucaogou Formation and Hongyanchi Formation on the periphery of Bogda Mountain

图4 博格达山周缘芦草沟组近岸水下扇沉积特征Fig.4 The nearshore subaqueous fan sedimentary characteristics of Lucaogou Formation on the periphery of Bogda Mountain

图5 博格达山周缘芦草沟组湖泊沉积特征Fig.5 The lake sedimentary characteristics of Lucaogou Formation on the periphery of Bogda Mountain

3.2 红雁池组沉积相类型

3.2.1 扇三角洲

扇三角洲可划分为扇三角洲平原和扇三角洲前缘，其中扇三角洲前缘在研究区广泛分布。

(1) 扇三角洲平原

扇三角洲平原主要由分流河道和分流间湾两个微相构成(图6a)。分流河道以灰色中砾岩、细砾岩为主，主要发育块状层理(图6b)和粒序层理(图6c)。砾岩以火山岩和变质岩砾石为主，粒径主要分布在0.2～2 cm之间，最大可达3 cm(图6b)，呈次棱角状、次圆状，分选较差。在分流河道中可见砾石呈略定向排列(图6b)，多为稳定状堆积(图6c)，为沉积过程中牵引流作用的结果。分流间湾以棕红色泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主，夹有薄层灰绿色粉砂质泥岩、泥岩(图6a)。

(2) 扇三角洲前缘

扇三角洲前缘主要由水下分流河道和水下分流间湾两个微相构成。水下分流河道砂砾岩体呈底凸顶平的外部几何形态，厚度一般为2～5 m，以灰绿色细砾岩(图6d)、含砾粗砂岩、粗砂岩(图6e)和中砂岩为主，可见植物茎干化石(图6f)。水下分流河道主要发育槽状交错层理(图6d，e)，层系宽度一般为2.0～3.5 m，高度一般为0.1～0.4 m。水下分流间湾以深灰色、灰绿色粉砂质泥岩、泥岩为主，夹有薄层灰绿色粉砂岩(图2a)。

图6 博格达山周缘红雁池组扇三角洲沉积特征Fig.6 The fan delta sedimentary characteristics of Hongyanchi Formation on the periphery of Bogda Mountain

3.2.2 湖泊

湖泊相在博格达山周缘分布范围较小，以滨浅湖亚相为主，半深湖—深湖亚相在博格达山北缘局部地区可见。滨浅湖主要发育棕红色、灰绿色的泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩(图7a)，夹有灰岩结核或薄层的灰岩条带(图7b)。半深湖—深湖主要发育深灰色泥页岩夹薄层的粉砂岩。

3.2.3 滩坝

滩坝主要在博格达山东北缘红雁池组二段和三段发育，以滩砂沉积为主，在垂向上表现为砂岩与粉砂质泥岩、泥岩的频繁互层，进积式沉积序列(图7c)和退积式沉积序列(图7d)均有发育。依据前人对滩坝沉积划分微相的方法[17-18]，将研究区滩砂亚相划分为滩脊和滩脊间两个微相。滩脊以灰绿色薄层中砂岩、细砂岩和粉砂岩为主(图2b)，砂体呈双凸型(图7c)或底平顶凸透镜状(图7d)，厚度分布在0.2～0.6 m之间，主要发育波状交错层理(图7e)和浪成沙纹层理(图7f)。滩脊间水动力条件较弱，主要发育灰绿色、棕红色粉砂质泥岩与泥岩，厚度一般为0.2～1 m。

图7 博格达山周缘红雁池组湖泊和滩坝沉积特征Fig.7 The lake and sand bar and beach sedimentary characteristics of Hongyanchi Formation on the periphery of Bogda Mountain

4 沉积相分布与沉积演化

博格达山周缘地区在中二叠世处于准噶尔盆地的断陷一侧[19]，伊林黑比尔根山(简称“伊山”)为主要物源区[11]。芦草沟组为湖盆的扩张期，准噶尔盆地与吐哈盆地水体相通形成统一的沉积体系[20]，伊山以北主要发育近岸水下扇和半深湖—深湖。在芦草沟组一段沉积时期，伊山供给碎屑物质的能力较强，在柴窝堡凹陷内近岸水下扇中扇广泛分布，外扇主要分布在博格达山南缘的山前地区，半深湖—深湖主要分布在现今博格达山及其以北地区(图8)。在芦草沟组二段沉积时期湖侵规模变大，物源供给能力减弱，近岸水下扇扇体向湖盆边缘收缩，半深湖—深湖范围扩大。芦草沟组三段沉积时期，湖侵规模达到最大，研究区广泛发育厚层深灰色泥页岩、油页岩，为有利烃源岩发育段。

红雁池组沉积时期，博格达山周缘地区相对湖平面下降，主要发育扇三角洲、滩坝和滨浅湖。在红雁池组一段沉积时期，柴窝堡凹陷以及博格达山东北缘地区主要发育扇三角洲前缘，在白杨沟剖面发育半深湖—深湖和滩坝。在红雁池组二段沉积时期，柴窝堡凹陷仍以扇三角洲前缘沉积为主，在博格达山北缘白杨沟剖面、小龙口剖面及水西沟剖面主要发育滨浅湖和滩坝。在红雁池组三段沉积时期，扇三角洲砂砾岩体继续向湖盆方向推进，柴窝堡凹陷过渡为扇三角洲平原。总体分析，芦草沟组至红雁池组为一个湖侵到湖退的沉积过程。

5 结论

(1) 芦草沟组与红雁池组自下而上均可划分为一段、二段和三段，两个组的地层在柴窝堡凹陷内保留相对完整，而在博格达山山前地层剥蚀较严重，不同地区残留厚度不一。

(2) 研究区芦草沟组发育近岸水下扇和湖泊相，近岸水下扇主要发育中扇和外扇，湖泊以半深湖—深湖为主。红雁池组主要发育扇三角洲、滩坝和湖泊相，扇三角洲以扇三角洲前缘水下分流河道和水下分流间湾为主，滩坝主要为滩砂沉积，湖泊以滨浅湖为主。

(3) 芦草沟组至红雁池组为一个湖侵到湖退的沉积过程。芦草沟组一段、二段沉积时期，物源供给能力较强，近岸水下扇在柴窝堡凹陷内分布较广，半深湖—深湖相分布在现今博格达山及其以北地区；芦草沟组三段沉积时期，湖侵规模达到最大，半深湖—深湖在研究区广泛分布。红雁池组沉积时期相对湖平面下降，红雁池组一段、二段以扇三角洲前缘沉积为主，博格达山北缘以滩坝和滨浅湖为主；红雁池组三段湖退规模达到最大，主要发育扇三角洲平原。

图8 博格达地区中二叠统芦草沟组与红雁池组沉积相对比Fig.8 The sedimentary facies correlation of the middle Permain Lucaogou Formation and Hongyanchi Formation in the Bogda region

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