伊犁盆地南缘侏罗系高分辨率层序格架下沉积演化

李 勇， 江文剑， 王 超

(1.核工业二八〇研究所，四川 广汉 618300；2. 东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌 330013；3.东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌 330013； 4. 中石化华北石油工程有限公司，河南 郑州 450000; 5. 成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059)

伊犁盆地是位于中国西部天山造山带中的裂陷-拗陷复合型盆地(张国伟等，1999)，也是我国重要的能源型盆地，其侏罗系地层中蕴藏着丰富砂岩型铀矿和煤炭资源。在油气勘探领域，尽管前人研究表明，二叠系湖相泥岩和中下侏罗统的煤系泥岩可以作为良好的烃源岩层，侏罗系广泛分布在伊犁盆地南缘沉积厚度较大的砂岩中，可以形成较好储集层(谢其锋等，2014；苗建宇等，2004；熊利平等，1999)，但是相比于邻区的吐哈、焉耆、塔里木、准噶尔等盆地，伊犁盆地侏罗系地层的油气勘探一直未取得实质性的进展(刘海娟等，2011；王峻等，2006)，因此加强伊犁盆地基础地质研究将有助于下一步油气勘探。笔者以伊犁盆地南缘苏阿苏沟剖面为研究对象，对其中下侏罗统地层进行高分辨率层序地层划分，在层序格架下，分析沉积体系的分布规律及沉积充填演化特征，其研究成果为后期进行油气勘探提供参考。

1 地质背景

伊犁盆地位于我国新疆西北部的伊犁哈萨克族自治州境内，面积约为2.85万km2(韩效忠等，2008；侯明才等，2016)。在大地构造上，属于伊犁-中天山微地块，夹持于准噶尔和塔里木板块之间，呈现狭长三角形撒向中亚地区。伊犁盆地具有与塔里木地块相似基底，主要由前震旦纪结晶基底、震旦纪-寒武纪初始盖层基底和早古生代褶皱基底组成(张国伟等，1999)。晚古生代后伊犁盆地的形成则受南天山洋和北天山洋构造演化所控制，逐渐由大陆岛弧环境转变碰撞后陆内裂谷环境(Wang et al.，2010;Han et al.，2011)。进入侏罗纪后，受古特提斯洋关闭和新特提斯洋打开的影响，伊犁盆地处于盆地断陷扩张时期，沉积厚度大，范围广。该时期也是盆地沉积型矿产形成时期 (韩绍阳等2008；李胜祥等，2006)。研究剖面位于伊犁盆地南缘的苏阿苏沟(图1)，该剖面出露的地层主要为中下侏罗统的八道湾组、三工河组和西山窑组(刘家铎等，2002，2003；田景春等，2002)。

2 高分辨率层序界面识别及划分

高分辨率层序地层学的不同级次基准面旋回界面标志是不相同的，长期旋回(LSC)界面标志主要是不整合面、大型冲刷面、岩相突变面、古暴露面等；中期旋回(MSC)界面主要在剖面岩性、岩相的转换面，界面特征主要表现为不连续暴露面、水面的侵蚀冲刷面和与之相对应的整合面为界；短期旋回(SSC)界面主要表现为多个韵律式叠覆的退积-进积式沉积组合，或连续叠加的退积式和进积式沉积相组合中的转换面，冲刷面面积较小，相似岩性和岩相组合的分界面(郑荣才等，2010)。依据上述层序界面识别特征(表1)，将研究区苏阿苏沟剖面中下侏罗统划分为4个长期旋回：八道湾组下段为第1个长期旋回(LSC1)，八道湾组上段和三工河组为第2个长期旋回(LSC2)，西山窑组下段和中段为第3个长期旋回(LSC3)，西山窑上段与零星头屯河组为第4个长期旋回(LSC4)。本剖面头屯河组还可划分7个中期旋回和15个短期旋回(图2)。

表1 高分辨层序地层不同级次基准面旋回界面标志

层序界面主要为不整合面，冲刷面和岩性转换面。层序界面具体特征为：①SB1界面是呈整合接触的三叠统小泉沟群与下侏罗统八道湾组的界面，层序界面为岩相突变面和大型冲刷面，SB1界面之上为八道湾组灰白色厚层块状砾岩，界面之下为中上三叠统小泉沟群的紫红色、紫黑色砂质泥岩。②SB8界面为中侏罗统西山窑组和新近系的分界面，两者呈不整合接触。在区域上，SB8界面应该为中侏罗统西山窑组和头屯河组的分界面，但是本剖面头屯河组、西山窑组上段与新近系呈不整合接触。③SB2、SB3、SB5、SB6、SB7界面为砂体河道的侵蚀面和岩性突变面；SB4界面以沉积间断面或与之整合界面为界(田景春等，2002；李宝庆等，2014)。

剖面基准面旋回结构特征主要表现为：①长期旋回中LSC1主要为C1型(以上升半旋回为主的不完全对称型)；LSC2、LSC3和LSC4为C2型(上升与下降半旋回近完全对称型)；②中期旋回中，八道湾组(MSC1、MSC2和MSC3)为A型(向上变“深”非对称型)和C1型；三工河组为(MSC4)为C3型(以下降半旋回为主的不完全对称型)；西山窑组(MSC5、MSC6 和MSC7)为C2型。

3 沉积演化

3.1 沉积相标志

3.1.1 岩石学特征

研究区主要岩屑砂岩，岩屑石英砂岩，岩屑杂砂岩、少量的岩屑长石砂岩(图3，江文剑等，2018)。碎屑颗粒主要以岩屑为主，含量为24%～56%，成分主要为硅质岩岩屑、细粉砂岩屑和泥岩岩屑，少量的中酸性火山岩屑；石英含量为33%～68%，长石含量3%～10%。填隙物主要为杂基和钙质胶结物，其含量约占10%～20%。颗粒以次圆状为主，分选性较差，孔隙式胶结，结构成熟度和成分成熟度均较低，物源搬运距离较近。

3.1.2 沉积构造特征

研究区沉积构造主要有冲刷面构造，块状层理、粒序层理、交错层理、水平层理和平行层理(图4)。

冲刷面构造：见于八道湾组和西山窑组之中(图4A，B)，一般是流水在细粒沉积物表面冲刷、侵蚀而形成的凹凸不平的平面。

块状层理和粒序层理：见于八道湾组底部砂砾岩中，砾石1～4 cm，棱角-次棱角状，具重力流成因(图4C，I)。八道湾组底部的砂体中多数具有正粒序，垂向上砾岩-含砾砂岩-粗砂-细砂岩，为典型的河道沉积。

交错层理：主要见于八道湾组上段和西山窑组中下部，岩性以中厚层状中-粗砂岩为主，大量在扇三角洲、辫状河道和河道砂坝中出现，多见板状交错层理和槽状交错层，层系0.1～0.4 m(图4E，F，G)。

水平层理和平行层理：在三工河组扇三角洲前缘和辫状河三角洲前缘砂泥岩互层中(图4J，D，H)。

3.1.3 剖面岩石组合特征

通过对野外露头剖面观察和实测，八道湾组底部为一套厚度较大的块状层理砾岩，之上为槽状或板状交错层理中粗砂岩，顶部可见粉砂岩、泥岩。其砾岩的颜色通常为褐红色，砾石1～4 cm，棱角-次棱角状，冲刷现象明显，有起伏不平的冲刷面，为河道的滞留沉积。中部的砂体可见大型槽状或板状交错层理、平行层理，为辫状河河道沉积特征。顶部的砂泥互层，为河道间漫滩沉积特征，厚度不大(图5A)。西山窑组：底部为块状或大型槽状、板状交错层理的含砾砂岩、粗砂岩，中部为具有板状或平行层理中细砂岩，顶部为具水平层理粉砂岩、泥岩。主要表现为三角洲平原或前缘沉积特征(图5B)。三工河组位于前三角洲或者水下分流河道间的泥岩和砂岩互层，可见平行层理或波纹层理(图5C)。

3.1.4 粒度特征分析

为了判断砂体的沉积环境和水动力条件，研究选取野外露头砂岩样品，进行粒度分析。其中在粒级较粗的岩石样品中(如含砾粗砂岩)，以多峰为主，而在中细砂粒级的样品中以双峰为主(江文剑，2017)。从图6可以看出，粒度分布直方图以多峰和双峰为主，粒度变化很大(-1～4 mm)，表明分选性较差。通过概率累计曲线图综合分析认为，主要有以下两种类型：

(1)三段式：分布在粗的碎屑岩中，比如八道湾组的粗粒碎屑岩，位于沉积旋回底部(图6A)，由3条直线相交而成，且滚动组分含量较高(>60%)，线段的斜率较缓，表明分选差，其沉积时坡度较陡(姜在兴，2002)。然而西山窑组的粗粒碎屑岩(主要位于沉积旋回底部)，虽然也呈三段式，既滚-跳-悬，但粒度变细，区间变窄，且滚动组分含量较低(>45%，图6B)，斜率变陡，说明分选性比较好，滚动颗粒组分变少。

(2)两段式：分布在中砂-细砂粒级中，由2条直线段相交，表明滚动次组分很低，跳跃和悬浮次总体比较发育(>50%，图6C，D)，具备河流和三角洲河道沉积特征。与三段式相比，粒度分布曲线变窄，曲线斜率变陡，分选性变好(姜在兴，2002)。其八道湾组和西山窑组中细砂岩均表现为两段式。

在细砂粒级中，粒度区间跨度不大(一般为2～4 mm)，斜率变陡，说明分选变好，缺少滚动次总体，主要为跳跃次总体和悬浮次总体(图6E，F)，表现为次级河道或天然堤沉积特征(江文剑，2017)。

3.2 沉积相特征

在总结前人研究成果的基础上，根据相标志及剖面露头的研究，共识别出3种主要的沉积相类型，分别为扇三角洲相、湖泊相和辫状河三角洲相。

3.2.1 扇三角洲相

研究区扇三角洲位于八道湾组中，可细分为3个亚相：扇三角洲平原、扇三角洲前缘及前扇三角洲。

扇三角洲平原亚相：常在八道湾组底部出现，在山前或陡崖带附近沉积形成，由粗砾岩、含砾粗砂岩及粗砂岩组成，分选性和磨圆度较差，砾径1～4 cm，局部可大于10 cm，常见砾石的叠瓦状构造，块状层理，可见泥石流沉积的递变层理(图4C，I)，砂砾岩底部见冲刷-充填构造。单砂体中见交错层理和平行层理，砾岩层和砂岩层多呈互层状，呈杂色或红色，零星可见煤层。

扇三角洲前缘亚相：岩性较粗，由灰色、褐灰色中-厚层状含砾砂岩、中-细粒砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩组成。砾石呈次棱角-次圆状，分选性磨圆度较好，砂体中可见大中型槽状、板状等交错层理(图4E)，分流间湾微相可见深灰色泥岩夹薄层状粉砂岩。

前扇三角洲亚相：主要由八道湾组上部暗色及深灰色泥岩、细砂岩组成。偶见薄层状粉砂岩和粉砂质泥岩的透镜体，水动力条件较弱，与湖相泥岩难以区分。

3.2.2 湖泊相

根据露头岩性、沉积构造和剖面结构及水动力条件，可将研究区湖泊相划分为滨-浅湖亚相和半深湖亚相(谭万仓，2008)。研究区三工河组细砂岩、泥岩位于湖泊相。

滨-浅湖亚相：灰黑色、褐灰色泥岩夹薄层状细砂岩、粉砂岩和薄层煤层或煤线组成，局部泥岩和煤线呈互层状。

半深湖亚相：岩性为一套深灰色、灰黑色泥岩，水平层理(图4J)，与前三角洲亚相细粒沉积物难分开。

3.2.3 辫状河三角州相

研究区辫状河三角洲相位于西山窑组，按岩石组合、剖面结构及层理特征等，可进一步划分为辫状河三角洲平原、前缘及前三角洲3个主要亚相。

辫状河三角洲平原亚相：该亚相是辫状河三角洲水上部分，位于西山窑组中上部，可以细分为辫状河道和河漫流沼泽两个微相。辫状河道中砂体为杂色、红褐色厚层状砾岩、含砾粗砂岩及中粗砂岩，大中型交错层理(图4F)，分选性较好，剖面结构呈正韵律，底部常为冲刷侵蚀界面(图4A，B)。河漫流沼泽微相的岩性以暗色泥质粉砂岩、碳质泥岩和薄层状煤层组成。

辫状河三角洲前缘亚相：该亚相属于辫状河三角洲水下延伸部分，根据沉积特征可进一步划分为水下分流河道，河口坝、前缘席状砂及河道间湾等沉积微相，水下分流河道岩性为暗色泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩及互层状的前缘席状砂(图4H)等，多见水平层理和平行层理。

前辫状三角洲亚相岩性主要为暗色泥岩、泥质粉砂岩，粉砂岩，颜色较深，亚相与浅湖泥呈过渡关系， 与半深湖相沉积粉砂岩和泥岩二者难以区分。

4 构造演化阶段控制下的层序结构与沉积演化特征

伊犁盆地作为天山造山带中裂陷-坳陷复合型的山间盆地，其地层层序结构特征及古环境演化受到盆地构造性质和周缘造山带活动的影响(张国伟等，1999)。石炭纪末期(约300 Ma)，南天山洋已经闭合，伊犁-中天山微地块与塔里木板块碰撞拼接在一起，伊犁盆地及周缘逐渐由岛弧环境转变为陆-陆碰撞后陆内裂谷环境(高山林等，2015；朱永峰等，2006)。二叠纪末，受古特提斯洋关闭的影响，伊犁盆地周缘造山带开始形成，如南缘察布查尔山(恰普恰勒山)发生严重褶皱变形，发生逆冲抬升而成山体，控制着盆地中-新生代沉积(张国伟等，1999)。进入侏罗纪以后，受印支期古特提斯洋关闭和新特提斯洋打开的影响，中国西部地区和中亚均处于盆地扩展断陷时期，在这样的大地构造背景下，伊犁盆地南缘察布查尔山体因南侧昭苏盆地断陷作用，在早侏罗世(180～200 Ma)发生了一次快速的隆升作用(韩效忠等，2008；陈正乐等，2008)，随后盆地处于拉伸伸展的构造应力环境中，发生裂陷作用。之后，南缘察布查尔山进入了相对较稳定的陆内剥蚀阶段，盆地相应进入较稳定的断陷湖盆准平原化环境(张国伟等，1999；车自成等，1996；于海峰等，2011)。侏罗纪时期，伊犁盆地主要经历了3期裂陷阶段。

(1)初期裂陷扩张阶段(MSC1- MSC3时期)。该时期处于湖盆扩张初期，基准面开始上升，但相对湖平面仍处于较低的位置，可容纳空间有限。同时，盆地断陷作用强烈，伊犁盆地与周缘山体形成明显地形高差，沉积物供给充沛，陆上及湖岸处沉积物储存能力不足，该时期主要为扇三角洲，岩性为粗碎屑砂砾岩。短期旋回叠加式样以A型(向上变“深”非对称型)和C1(以上升半旋回为主的不完全对型)为主，旋回底部界面主要为大型冲刷面。

(2)中期深陷鼎盛阶段(MSC4时期)。该时期为湖泛期，湖盆的湖域范围最大时期，基准面上升至最高点，可容纳空间最大，沉积物供给不足，近物源区靠山地断崖一侧沉积粗粒碎屑岩，在研究区沉积只有较细粒碎屑物，形成最大湖泛面，可见暗色及灰黑色粉砂砂岩、泥岩。表现为以下降半旋回的不完全对称，以C3(以下降半旋回为主的不完全对称型旋回)为主，界面为无沉积间断面(“饥饿面”)或连续沉积整合面(江文剑，2017)。

(3)晚期抬升萎缩阶段(MSC5-MSC7时期)。该时期为湖退期，盆地开始向物源区后退，基准面开始下降，湖泊逐渐收缩，伴随着相对湖平面下降，湖面范围开始变小，可容空间减小，沉积体系整体向湖盆方向迁移，物源供给增大，沉积物搬运能力增强，底部沉积一些粗粒碎屑物，如砂砾岩等(郑荣才等，2010)，辫状河三角洲沉积，旋回叠加式样表现为以近似对称C2(上升与下降半旋回近完全对称型)为主，冲刷面为主旋回叠加界面，其余的为相关整合面沉积为主(江文剑，2017)。到了中侏罗统晚期，湖盆消失，在局部地区头屯河组河流相披覆沉积。

5 结论

(1)结合前人研究成果，伊犁盆地南缘中下侏罗统苏阿苏沟剖面共识别出了4个长期旋回，7个中期旋回和15个短期旋回。其中长期旋回(LSC1)在八道湾组中下部，(LSC2)在八道湾组上部及三工河组，(LSC3)和(LSC4)在西山窑组，中期旋回(MSC1- MSC3)在八道湾组，以A型和C1型为主的旋回叠加式样；中期旋回(MSC4)在三工河组，以C3型旋回叠加为主; 3个中期旋回(MSC5-MSC7)在西山窑组，以C2型旋回。

(2)研究区形成一套以扇三角洲-湖泊-辫状河三角洲为主的沉积体系，其中八道湾组扇三角洲沉积；三工河组湖泊相及滨-浅湖、半深湖2个亚相；西山窑组辫状河三角洲相沉积，可划分为辫状河三角洲平原，辫状河三角洲前缘及前三角洲三个沉积亚相；

(3)侏罗纪时期，伊犁盆地经历了一个断陷湖盆完整构造升降旋回，可划分为初期裂陷扩张期，中期深陷鼎盛期，晚期抬升萎缩期等3个构造旋回阶段，而每个构造演化阶段则控制了该阶段沉积演化和层序结构特征。