哈山及周缘二叠系风城组沉积环境及沉积相发育特征

李学良，张奎华，林会喜，张关龙，侯读杰，王圣柱

(1.中国地质大学(北京) 能源学院/海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083；2.中国石化股份胜利油田分公司 勘探开发研究院，山东 东营 257000)

准噶尔盆地西北缘二叠系风城组是石油开发重要的勘探层系。目前，中石油在研究区已取得了很好的勘探成果,上报探明及控制石油地质储量2亿多吨。近年来,中石化在哈山及周缘的二叠系风城组勘探中又获得了重大油气发现，表明风城组在玛湖凹陷北部仍具有较大的勘探前景[1-3]。在勘探过程中,二叠系风城组表现出复杂的岩性特征,既有碎屑岩,也有火山岩和云质岩。风城组沉积时的沉积环境及发育哪些沉积相等问题未得到深入研究，严重制约了研究区进一步的勘探评价工作。对此，本研究从岩石学入手,利用碳氧同位素、X衍射以及地球化学特征等手段分析二叠系风城组沉积时的沉积环境,并根据岩性、沉积构造等沉积相标志划分了研究区风城组形成时的相类型,对研究区下步有利储层预测和勘探部署具有重要的指导意义。

1 概 况

1.1 区域构造特征

研究区位于准西北缘哈拉阿拉特山—乌夏地区,隶属于准噶尔盆地西部隆起,呈北东南西向的狭长带状展布,南宽,北窄。西以扎伊尔山为界,北部以哈拉阿拉特山并为界,南临玛湖凹陷,东接陆梁隆起(见图1)。

根据前人研究,准噶尔盆地在晚石炭世—二叠纪处于前陆盆地构造-沉积演化阶段,二叠系沉积期,准噶尔盆地由石炭纪伸展构造环境转化为挤压构造环境;其中，早二叠世风城组沉积时盆地处于前陆盆地间歇期,同时伴随短暂松弛伸展引起的火山活动[4-6]。

图1 哈山及周缘地区构造纲要图Fig.1 Structure sketch map of Hashan and its adjacent areas

1.2 地层发育特征

二叠系风城组主要分布在哈山、乌夏及玛湖凹陷地区。哈山地区风城组岩性主要为含灰或灰质泥岩、泥质粉砂岩和薄层粉砂岩及少量细砂岩的互层,其中在东北部有钻井钻遇凝灰岩等火山碎屑岩。乌夏地区主要为深灰、灰黑色凝灰质白云岩、白云质泥岩、泥质白云岩夹砂岩、粉砂岩,发现有孔虫、棘皮动物化石残片和藻类等化石。南部靠近凹陷中心处地区发育频繁互层的碱盐沉积,主要为天然碱盐类。

2 岩石学特征

研究区内，风城组岩石类型和成分复杂多样,包括陆源碎屑岩(砂岩、粉砂岩)、泥岩、硅质岩、碳酸盐岩、火山碎屑岩、火山熔岩等均有不同程度的发育，主体发育粒度较细的云化凝灰岩(含云凝灰岩或白云质凝灰岩)、云化泥岩(含云泥岩或白云质泥岩)、凝灰质云岩、泥质云岩等。此外，沉积中心地区发育厚层盐质泥岩和碱盐沉积。

2.1 岩 盐

研究区已发现的盐类矿物主要包括常见的盐类矿物(石盐、硬石膏、天然碱)外，还发育特殊盐类矿物(硅硼钠石和碳酸钠钙石)。其中，石盐和硬石膏主要呈漂浮状分布在云泥岩中,或者分布在晶间孔之中,不成层,整体来看，在整个盐类矿物中所占含量较少(见图2)。

图2 哈山及周缘主要盐类矿物发育特征Fig.2 Characteristics of saline minerals in Hashan and its adjacent areas

硅硼钠石作为一种自生矿物,其成因通常与凝灰质岩层和碱性咸化湖水有关；硅硼钠石集合体通常与沸石和自生长石伴生,多是沸石在硼的活化度较高时的蚀变产物[7-8]。

碳酸钠钙石的晶体一般为数厘米厚的夹层或呈似斑状结构漂浮于云泥岩之中或凝灰质云泥岩中。晶体呈板柱状或纤维状,无色或白色,滴盐酸产生剧烈气泡,茜素红可将其染成红色,干涉色较高(见图2c)。其成因可以看成是单斜纳钙石(Na2CO3·CaCO3·5H2O)先脱水形成钙水碱(Na2CO3·CaCO3·2H2O)，最终完全脱水形成碳酸钠钙石。

天然碱在碳酸盐型水中才能沉淀,且随着湖水蒸发作用的进行,其pH值大于9且不断增大,沉积在非海相环境中[9-10]。在研究区内，其主要成层分布,往往与云泥岩互层产出,呈现块状产出特征,碱盐较为纯净,不含泥质,多为白色(见图2a，e)。此外，在镜下薄片中观察,仍能见到碱盐似树枝状漂浮在云泥岩之中；在接近盆地边缘的夏76井,同样发现簇状生长的碱类物质存在(见图2e),其硬度小于5.5,镜下鉴定具有高级白的干涉色特征(见图2a)。据前人研究成果可知，较为纯净的白色碱盐层多发生在浅盐湖的水下直接沉淀,这与个别块状碱盐层段顶部发现的小型交错层理是相一致的。簇状生长的碱类物质,其晶体多呈长的放射状向上生长,底部有一个平缓的基地；当湖水接近干涸,只有几厘米深的时候，其生长在湖底或者是生长在长久性盐湖周围的接近干涸的干盐湖湖岸,这与接近盆地边缘夏76井处发现的簇状生长的碱类物质是一致的。

2.2 云质岩

云质岩在研究区内普遍发育,根据岩心、镜下岩石组构特征,可将区内云质岩划分为6种产状,3种成因(见表1)。

从表1中可以看出,研究区云质岩的主要成因有3种:准同生成因;经埋藏成岩作用;后期热液作用。粉细晶白云岩多是在早期泥粉晶准同生白云岩的基础上，经后期埋藏成岩作用形成,且泥粉晶白云岩在研究区普遍发育。因此，确定研究区内云质岩主要形成于一个强烈蒸发的环境下。

2.3 含灰质细粒碎屑岩

含灰质细粒碎屑岩主要指分布于哈山地区的含灰或灰质泥岩类和粉、细砂岩类(见表2)。岩石中发育泥灰岩和粉砂质泥岩组成的纹层,反映水体环境较为安静；纹层之间层理缝比较发育,但多被后期亮晶方解石胶结充填。同时，在含灰粉砂质泥岩中存在粉砂岩的团块,究其成因反映了相对较浅的水深;同时可见灰质粉砂岩之间充填泥灰质和亮晶方解石胶结。总体来看，哈山地区细碎屑岩整体灰质成分含量较高。

表1 哈山及周缘风城组不同类型云质岩特征Tab.1 Characteristics of different types of dolomite in Hashan and its adjacent areas

表2 哈山地区灰质细粒碎屑岩岩性特征Tab.2 Lithologic characteristics of tuffaceous fine clastic rocks in Hashan area

3 沉积环境

关于研究区风城组沉积环境的探讨,争议由来已久。尤兴第(1985)、尹路(2013)根据研究区发育的葛万藻棘皮、有孔虫、腕足类等海相生物化石,以及海绿石、Sr/Ba及B含量等认为，风城地区属于残留海和局限泻湖的沉积相;而冯建伟(2009)、朱世发(2013)等依据岩心、岩相、地层厚度变化规律等认为，风城沉积区为咸化湖泊沉积。此外,关于风城地区盐岩的发育,蒋宜勤等(2012)提出了“深水湖盆热液喷流含盐火山-沉积建造”这一理论[11-14]。

前人关于微量元素含量或比值以及特征矿物、生物化石在判别沉积环境上的应用多限于常见海陆相沉积环境。然而，研究区风城组沉积时,伴随着强烈的火山活动,发育火山岩以及一些特征性的矿物岩石组合,同时广泛发育云质岩及大量的碱盐。研究区复杂的岩性组合决定了其沉积环境的特殊性,因此在利用微量元素和特征矿物分析沉积环境时,还需要综合考虑多种因素。

3.1 碳氧同位素分析

前人的研究成果证实,对碳酸盐岩中碳、氧稳定同位素的分析可以恢复古流体的盐度,并能够解读古气候条件和沉积物成岩过程[15-17]。基于碳、氧同位素,可以计算出盐度值,并根据经验统计,认为盐度值小于120时,指示淡水环境;大于120时,为海相(或咸水)环境。

本文在研究区内选取了具有代表性的48块碳酸盐岩样品,通过对碳酸盐岩的碳、氧稳定同位素进行测试分析,恢复风城组沉积时期的水体盐度[12-13]。

表3 哈山及周缘风城组样品测试同位素及盐度值Tab.3 Isotopic and salinity values of Fengcheng samples in Hashan and its adjacent areas

续表3

从表3可以看出,在48个样品中,只有两个样品的盐度值小于120,表明了风城组沉积时期处于咸水环境之中。

3.2 X衍射分析

研究区风城组岩性复杂多变,具有大量云质岩沉积，而云质岩多以泥粉晶细粒沉积为主,同时伴随有大量的细粒陆源碎屑颗粒及其他自生矿物。通过对样品进行X衍射分析,可以从总体上判别地层的沉积环境。

从区内样品的X衍射分析结果可以看出,作为石英与长石含量之和的陆源碎屑岩总质量含量占到56.68%,作为方解石与白云石含量之和的碳酸盐为主的化学岩沉积总质量含量占到32.68%(见图3)。因此，风城组沉积时研究区是一个以陆源碎屑沉积为主的环境，同时伴随着相对强烈的化学岩沉积,整体上具有碎屑岩和化学岩混积沉积的特点。

3.3 烃源岩地化特征分析

油气地球化学可以有效地判别沉积环境和生烃来源。如利用三环萜烷标志绿藻,新胆甾烷用来标志硅藻;利用正构烷和异构烷信息可以判别各种生源的贡献[15-16]。

根据研究区内风城组烃源岩的地化特征分析,规则甾烷的分布C27甾烷含量很低,C28甾烷含量比较高(明显高于C27甾烷)；C29通常含量最高,但部分样品中C28甾烷含量最高(主要由硅藻提供)。另外,正构烷烃主峰碳数分布在较低的碳数部:C15，C17，C19反映了低等藻类中原生烃类的分布特点。

总体来看,风城组富含β-胡萝卜烷、伽马腊烷,且整体具有明显的植烷优势,反应原始有机质沉积于咸水—超咸水强还原环境,水生生物主要为硅藻和蓝绿藻的藻类生物(见图4)。

图4 哈山地区灰色泥岩色谱图(HQ6，P1f3，1 630～1 660 m) Fig.4 Chromatogram map of gray mudstone in Hashan area

4 沉积相特征

根据上述岩石学特征,结合岩心观察、薄片鉴定、录井岩性及颜色特征分析可知，研究区风城组沉积时期主要发育辫状河三角洲和碱性盐湖沉积相。

4.1 辫状河三角洲

研究区辫状河三角洲主体发育于西北部哈拉阿拉特山前的断裂带区域,并向斜坡带和湖泊区延伸。

根据岩性、沉积构造等沉积相标志分析,研究区内辫状河三角洲相可进一步划分为辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘(见图5)。

4.1.1 辫状河三角洲平原 区内辫状河三角洲平原常见板状交错层理、板状斜层理和递变层理及冲刷充填构造,辫状河道间泛滥平原主要为红综色泥岩,岩性主要为砂砾岩、粗砂岩、细砾岩夹褐色泥岩、砂质泥岩。

4.1.2 辫状河三角洲前缘 区内岩性主要为灰色、绿灰色不等粒砂岩,分选较好,无暴露构造, 发育水平层理、小型交错层理及季节性韵律层理,并见碳屑、植物碎片等。河口砂坝、远砂坝微相岩性以浅灰色及灰色粉砂岩为主,间夹灰色泥质粉砂岩,分选中等—好，发育平行层理和小型交错层理的反韵律;水下分流河道间岩性为灰色、绿灰色不等粒砂岩以及泥质砂岩,见不等粒砂岩与棕色泥岩的互层。

4.2 碱性盐湖

盐湖是一种咸化水体,通常是指湖水含盐大于海水平均盐度的湖泊[18-19]。根据研究区内钻井资料分析,可进一步将研究区沉积环境划分为滨湖、浅湖、半深湖、深湖4个亚相(见图5)。

4.2.1 滨湖亚相 该亚相常见水平层理、小型交错层理及季节性韵律层理,并见碳屑、植物碎片等。岩性主要为浅灰色泥岩夹薄层红棕色泥岩(见图5g),同时见薄层细砂岩、粉砂岩。

4.2.2 浅湖亚相 其岩性主要为灰色(灰黑色)含灰(灰质)泥岩、砂质泥岩夹薄层粉砂岩。研究区常见水平层理,偶见波状层理,见季节性韵律纹层(粉砂质与灰泥岩组成),同时可见水下收缩缝的形成(见图5h，i)。前人研究表明,水体盐度越高越有利于水下收缩缝的形成,这与本地区咸化的背景是一致的[20]。

4.2.3 半深湖亚相 在风城组沉积时期，由于湖盆水体扩大,广泛发育暗色湖相云泥岩,岩性总体上为灰黑色、绿灰色云质泥岩或泥质云岩的薄互层。常见水平层理发育,多见季节性韵律,可见到还原环境下的黄铁矿(见图5b，c，e，f)。同时发育滑塌变形构造,即已沉积的沉积层在重力作用下发生运动和位移所产生的各种同生变形构造,显示了沉积时具有一定的坡度。

4.2.4 深湖亚相 其主要为细粒云质泥岩、盐质泥岩和天然碱盐层的周期性沉积。在湖平面萎缩到最小时,可见天然碱盐层顶部发育小型交错层理,灰黑色盐质泥岩中岩盐晶体向上逐渐增多。岩性主要为盐岩与云泥岩互层,盐岩地层包括纯净块状盐岩和盐质泥岩(见图5d)。其中，细粒云质泥岩显示块状层理,不见任何层理,缺乏化石,反映了水体安静,还原程度较强。

4.3 沉积演化特征

研究区风城组沉积具有一定的继承性,沉积相主要包括辫状河三角洲和碱性盐湖,局部地区发育火山岩。从风一段到风三段整体反映了一个湖水逐渐扩大再缩小的过程(见图6)。

4.3.1 风一段沉积相展布特征 其继承了佳木河火山活动的特点,在风城、夏子街地区，风一段底部火山岩发育,整个深湖沉盐区面积较小,主要以半深湖云质岩和滨浅湖沉积为主。其中， 玛湖东坡三角洲进积到夏71井区附近,北部哈山地区物源并没有进积至哈深2井等地区，反映了整个湖盆东部和西部地区物源供给较强。

图5 哈山及周缘风城组沉积相标志Fig.5 Sedimentary facies signs of Fengcheng formation in Hashan and its adjacent areas

4.3.2 风二段沉积相展布特征 其火山活动有所减弱,主要集中于夏子街地区,深湖区湖水和碱盐沉积面积扩大,半深湖云质岩沉积扩展到哈山地区。北部哈山地区,物源没有明显变化,东西两侧物源明显后退,可能与前陆盆地活动宁静期相对应。

4.3.3 风三段沉积相展布特征 其火山活动明显减弱,主要分布在风城部分地区,湖水面积严重收缩,深湖碱盐和半深湖云质岩沉积范围明显缩小,盆地边缘辫状河三角洲进积明显,反映了构造逆冲期的到来。其中，来自哈山方向的物源明显进积到风古4井区，反映风三段沉积时期哈山地区构造活动的明显加剧。

总体上看,在哈山地区，盆地边缘为粗碎屑砂砾岩夹洪泛平原泥岩,之后向湖盆方向变为含灰或灰质泥岩、泥质粉砂岩等细粒沉积,靠近湖盆中心的乌夏地区主要为细粒云质岩沉积,沉积中心沉积厚层天然碱盐类。从纵向上看，自下而上，沉积具粗—细—粗的岩性变化规律,总体上反映风城组由于构造抬升—沉降—抬升的次级构造演化,导致水体下降—上升—下降的湖平面变化,形成垂向上退积—进积的沉积充填序列。

5 结 论

研究区内二叠系风城组发育多种物源的岩性,包括陆源碎屑岩、云质岩、火山碎屑岩、碱盐沉积等；主体发育粒度较细的云化凝灰岩(含云凝灰岩或白云质凝灰岩)、云化泥岩(含云泥岩或白云质泥岩)、凝灰质云岩、泥质云岩等,此外沉积中心发育厚层盐质泥岩和碱盐沉积。总体来看，风城组主要沉积于咸水—超咸水强还原环境,并在初期伴随有一定的火山活动。沉积相主要为辫状河三角洲和碱湖沉积,从风一段到风三段整体反映了一个湖水逐渐扩大再缩小的过程。

图6 哈山及周缘风城组沉积相发育模式图Fig.6 Models of sedimentary facies of Fengcheng formation in Hashan and its adjacent areas