准噶尔盆地南缘冲断带侏罗系喀拉扎组沉积特征

司学强，袁波，彭博，冀冬生，郭华军，唐雪颖，窦洋，李亚哲

（1.中国石油 杭州地质研究院，杭州 310023；2.中国石油 新疆油田分公司 勘探开发研究院 地球物理研究所，乌鲁木齐 830013）

准噶尔盆地南缘冲断带属于典型的叠加型再生前陆冲断带[1-5]，可分为四棵树凹陷、齐古断褶带、霍玛吐背斜带和阜康断裂带4 个次级构造单元。南缘冲断带油气资源丰富，前期探明的油气主要集中在下白垩统吐谷鲁群之上的中—浅层，近2 年在四棵树凹陷高探1井和霍玛吐背斜带呼探1井白垩系清水河组获重大勘探突破，证实了南缘冲断带深层具备良好的油气勘探前景。但清水河组砂岩储集层较薄，埋藏深度大，有利砂体预测难度较大[6]。前人关于准噶尔盆地南缘沉积特征的研究多集中于齐古断褶带的中—下侏罗统[7-11]，针对上侏罗统喀拉扎组的研究较少[12]。笔者利用露头剖面和钻井，对南缘冲断带喀拉扎组的沉积相标志、沉积相类型及砂体纵横向展布特征进行了研究，并建立了沉积模式，旨在对准噶尔盆地南缘冲断带深层油气勘探有所裨益。

1 地质背景

准噶尔盆地经历了海西、印支、燕山、喜马拉雅等多期构造运动，是典型的多期次叠合盆地，研究区位于准噶尔盆地南缘冲断带。在早—中侏罗世，准噶尔盆地南缘为弱伸展坳陷；中侏罗世晚期—晚侏罗世，随着北天山和车排子—莫索湾地区的持续隆起，研究区成为小型陆内前陆坳陷[13-14]。喀拉扎组沉积期，在齐古断褶带中—东段、霍玛吐背斜带和阜康断裂带沉积了厚层碎屑岩，到晚侏罗世末期，以霍玛吐背斜带为中心的前陆坳陷周边开始抬升，喀拉扎组遭受剥蚀[15]，残留的喀拉扎组主要分布在齐古断褶带和霍玛吐背斜带中—东段，分布面积约为11 000 km2（图1）。在白垩纪，南缘为一个沉积坳陷。新生代齐古断褶带、阜康断裂带剧烈抬升，喀拉扎组出露地表；在霍玛吐背斜带，喀拉扎组则持续埋藏，现今埋深超过7 000 m。在露头剖面上，齐古断褶带中段喀拉扎组厚度为150～240 m；向东逐渐加厚，至齐古断褶带东段的头屯河地区，厚度为400～500 m；头屯河地区向东地层又减薄，至阜康断裂带的水磨河剖面，喀拉扎组又减薄至160 m 左右，整体呈中间厚，东、西两侧薄的态势。钻井揭示，霍玛吐背斜带及阜康断裂带北侧覆盖区喀拉扎组厚度为200～400 m，与下伏齐古组呈整合接触，与上覆下白垩统清水河组呈角度不整合接触。

图1 准噶尔盆地南缘构造单元和喀拉扎组及其重矿物分布Fig.1.Distribution of tectonic units,Kalazha formation and heavy minerals on the southern margin of Junggar basin

2 沉积相标志

2.1 岩石特征

研究区喀拉扎组均为沉积碎屑岩，包括砂砾岩、中—粗砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩及泥岩，露头剖面岩性以砂砾岩和中—细砂岩为主。在齐古断褶带一线天剖面以西，岩性主要为褐色砂砾岩夹薄层砂质泥岩，砂砾岩厚度占地层总厚度的80%～90%；一线天剖面喀拉扎组中—下部为褐灰色含砾中—细砂岩，上部为褐色砂砾岩，砂砾岩占地层厚度的50%～60%；一线天剖面以东，岩性由以褐色砂砾岩为主逐渐过渡为以灰色砂岩为主，至头屯河剖面则整体变为灰色中—细砂岩；头屯河剖面以东，砂砾岩含量又有所增加，至阜康断裂带水磨河剖面，褐色砂砾岩厚度占总厚度的20%～30%。由西至东，在喀拉扎组砂砾岩中，砾石直径由大变小，在齐古断褶带中段，砂砾岩中较大砾石直径一般为4～8 cm，向东逐渐变为2～4 cm。

喀拉扎组砂砾岩结构成熟度和成分成熟度均较低。砾石多呈棱角状，大小不一，分选磨圆均较差，砂砾岩泥质含量高。在头屯河剖面，以中—细砂岩为主，砂岩的碎屑颗粒磨圆中等—好，粒度均一，结构成熟度和成分成熟度明显高于砂砾岩。

2.2 沉积构造

碎屑岩中的沉积构造，特别是物理成因的原生沉积构造，最能反映沉积物形成过程中的水动力条件，是分析和判断沉积相的最重要标志[16-17]。研究区喀拉扎组钻井取心少，仅长山1井取心2.46 m，且破碎严重，沉积构造通过露头剖面来识别，主要见有层理构造、侵蚀构造和暴露构造。

块状层理主要发育在厚层砂砾岩中，砾石、砂质和泥质混杂沉积，单层厚度40～80 cm，是重力流沉积的典型标志（图2a），多出现在冲积扇的扇根亚相和扇中亚相中。粒序层理主要特征为砂级细粒碎屑颗粒分布于整个层段，不规则砾石由下至上含量逐渐降低，砾石直径逐渐减小（图2b），单层厚度20～80 cm，主要出现在冲积扇的扇中亚相。韵律层理主要由近于平行的数十厘米的不等厚砂砾岩与砂质泥岩互层形成，整体厚度1～3 m（图2c），受季节性水流控制，常发育在冲积扇的扇中亚相和扇端亚相。平行层理主要发育在砂岩中，纹层厚度1～10 cm 不等，局部呈薄板状，偶见剥离线理，岩相厚度变化大，几米到十几米不等（图2d），常见于各类三角洲前缘水下分流河道微相。槽状交错层理多为不对称槽状层理，高度为5～10 cm，纹层由粒度变化而显现，多见于中—粗砂岩或砂砾岩中，厚度一般为0.5～5.0 m（图2e），常发育在各类三角洲的分流河道微相中。露头剖面中常见到侵蚀构造，粗砂岩、砂砾岩的底面与下伏地层呈凹凸不平的侵蚀接触，冲刷面之上常含砾石和泥砾，与下伏地层特征差异明显（图2f），侵蚀构造是各类河道沉积的标志。研究区的暴露构造主要为干裂，褐色薄层泥岩中形成的干裂缝被后期的细粒碎屑物质充填，泥岩层顶面上呈网状的干裂纹（图2g），剖面上可见到被灰色砂质所充填的细长“V”形构造（图2h），是冲积扇相较常见的一种沉积构造。

图2 准噶尔盆地南缘喀拉扎组沉积构造特征Fig.2.Sedimentary and structural features of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

2.3 微量元素

沉积岩中某些微量元素的含量或几种微量元素的含量比值与沉积环境密切相关，且受后生成岩作用的影响较小，因此，可以用来推断沉积时的古环境，反演沉积时期的地质条件[18]。经过测定，南缘4 条露头剖面、长山1井和大丰1井泥岩及粉—细砂岩样品的V/（V+Ni）为0.20～0.70，V/Cr 为0.02～1.32（表1），与反映氧化还原特性的指标进行对比[19]，喀拉扎组沉积时期水体应该较浅，气候相对干燥，属于较强的氧化环境。

表1 准噶尔盆地南缘喀拉扎组特征微量元素统计Table 1.Statistics of trace elements in Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

3 沉积相特征及分布规律

3.1 物源分析

重矿物组合类型及其分布是碎屑岩物源分析的重要依据。研究区喀拉扎组重矿物主要有磁铁矿、褐铁矿、钛铁矿、绿帘石、锆石、石榴石、电气石、白钛矿等（表2）。研究区喀拉扎组重矿物组合有3 种类型：第一类以褐铁矿和磁铁矿为主，含少量白钛矿、石榴石和锆石，主要分布在齐古断褶带中段，物源母岩主要为中—基性火山岩和非石英质变质岩；第二类以钛铁矿和石榴石为主，含少量磁铁矿、白钛矿、锆石和绿帘石，主要分布在齐古断褶带东段的头屯河地区，物源母岩主要为中—基性火山岩和石英质变质岩；第三类以绿帘石和锆石为主，含少量磁铁矿、石榴石和钛铁矿，主要分布在阜康断裂带，物源母岩主要为中—基性火山岩和非石英质变质岩。综上所述，准噶尔盆地南缘喀拉扎组物源主要来自3 个方向，且头屯河地区以南的物源区提供的碎屑物更利于优质储集层的形成。

表2 准噶尔盆地南缘露头剖面喀拉扎组主要重矿物含量统计 %Table 2.Statistics of heavy mineral content on outcrop sections of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin %

3.2 沉积相类型

根据岩石特征、沉积构造及微量元素，研究区喀拉扎组主要发育冲积扇和辫状河三角洲2 种沉积相。其中冲积扇主要发育在齐古断褶带中段，辫状河三角洲主要分布在齐古断褶带东段和阜康断裂带。

3.2.1 冲积扇

冲积扇可分为扇根、扇中和扇端3 个亚相，按沉积类型可分为重力流沉积和牵引流沉积，其中重力流主要为泥石流，而牵引流沉积可划分为河道沉积、漫流沉积和筛积[20]。齐古断褶带中段喀拉扎组露头剖面的沉积物主要为牵引流沉积物，泥石流沉积物较少，按相带划分主要属于扇中亚相。

泥石流沉积物分选极差，以砾、砂和泥混杂沉积为主。准噶尔盆地南缘冲断带露头剖面上，喀拉扎组中泥石流沉积较少，可见到2 种类型：第一种，混杂沉积物中的砾石主要为砂岩砾石，磨圆较好，砾石直径较大，一般为20～50 cm（图3a）；第二种，混杂沉积物中的砾石主要为棱角状凝灰岩砾石，砾石直径为5～20 cm（图3b）。这2 种泥石流沉积岩层厚度一般为0.5～2.0 m，常夹在成层性较好的漫流沉积层之间，属于扇中亚相。

喀拉扎组露头剖面中的河道沉积物主要由砾石和砂组成，分选较差，砾石多呈棱角状，一般发育块状层理或槽状交错层理，单层厚度较薄，一般为0.2～1.0 m，常呈现多层叠置的结构，可形成厚度较大的砂砾岩层（图3c）。研究认为，露头剖面中的河道沉积多属于扇中亚相。

在准噶尔盆地南缘冲断带露头剖面上，喀拉扎组发育2 种类型的漫流沉积：第一种为块状层理或者粒序层理的砂砾岩，砾石直径为2～6 cm，局部可见直径超过10 cm 的砾石，单层厚度为20～40 cm，常见多层叠置（图3d）；第二种为砂质泥岩，单层厚度为10～30 cm，多与第一种漫流沉积交替出现，整体具韵律层理（图3e）。砂质泥岩层常发育干裂缝，被后期砂质碎屑充填，在剖面上可见到“V”形的砂质充填条带（图2g，图2h）。

图3 准噶尔盆地南缘喀拉扎组冲积扇相沉积特征Fig.3.Sedimentary characteristics of alluvial fans in Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

露头剖面中偶见筛积物。观音沟剖面可见透镜状筛积体，由直径2～5 cm 的砾石组成，砾石间充填砂质沉积物，受胶结作用影响，岩层整体较致密（图3f）。

3.2.2 辫状河三角洲

辫状河三角洲可分为辫状河三角洲平原、辫状河三角洲前缘和前三角洲3 个亚相，其中辫状河三角洲前缘砂体可成为重要的油气储集体[21]。

依据沉积特征，在准噶尔盆地南缘冲断带喀拉扎组露头剖面上，辫状河三角洲主要分布在齐古断褶带东段和阜康断裂带，以辫状河三角洲前缘亚相为主。头屯河剖面喀拉扎组主要岩性为细砂岩和中砂岩，砂岩分选和磨圆较好，累计厚度为480 m，主要由大型水下分流河道砂体叠置而成。单一河道沉积层厚度为2～20 m，发育平行层理、板状交错层理和槽状交错层理。河道沉积层序中部的中—细砂岩物性最好，是较好的储集层。在水磨河剖面，喀拉扎组下部主要为砂岩，上部逐渐出现砂砾岩层，说明早期以辫状河三角洲前缘沉积为主，晚期开始向辫状河三角洲平原过渡。而大丰1 井钻遇220 m 的喀拉扎组，主要为灰色细砂岩、含砾细砂岩夹薄层灰色粉砂质泥岩，自下而上可分为4 个沉积旋回，为多个辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体叠置而成（图4）。

图4 准噶尔盆地南缘大丰1井喀拉扎组沉积相Fig.4.Sedimentary facies of Kalazha formation in Well Dafeng-1 on the southern margin of Junggar basin

3.3 纵向变化规律

准噶尔盆地南缘冲断带上侏罗统齐古组是一套深褐色泥岩夹透镜状中—细砂岩，是曲流河相沉积的产物[9]，而喀拉扎组的岩性和岩相均发生了变化，为巨厚层砂砾岩和砂岩，主要为冲积扇和辫状河三角洲沉积。依据多条南缘露头剖面观测结果，喀拉扎组为一个进积序列，自下而上可分为4 个沉积旋回。在冲积扇发育区，喀拉扎组下部2 个沉积旋回常发育泥质漫流沉积层，说明露头区处于近扇端位置；上部2 个沉积旋回则以砂砾岩漫流沉积层为主，基本不含泥质漫流沉积物，处于扇中亚相的主体部位。在一线天剖面，喀拉扎组下部2 个沉积旋回为砂岩，向上演变为砂砾岩；在水磨河剖面，下部2 个沉积旋回以砂岩沉积为主，顶部则出现多套砂砾岩层。以上沉积特征表明，喀拉扎组整体为一个进积的沉积序列（图5）。下白垩统清水河组沉积期湖平面快速上升，南缘地区沉积了薄层底砾岩，随后则以湖相泥岩沉积为主。

3.4 平面分布特征

由重矿物组合分布和沉积相类型分析可知，研究区喀拉扎组发育2种沉积相类型，分布在3个区域，由西至东分别是齐古断褶带中段的冲积扇—辫状河三角洲相、齐古断褶带东段辫状河三角洲相和阜康断裂带的辫状河三角洲相。

在齐古断褶带中段露头区，主要发育冲积扇的扇中亚相，根据砂砾岩厚度和剖面上的相标志，可分出3 个冲积扇主体发育区，自西向东分别是观音沟扇体、清水河扇体和雀尔沟扇体，主扇体东西宽度为15～25 km，砂砾岩厚度为180～240 m，主扇体之间区域砂砾岩厚度约150 m。冲积扇的扇中亚相主要发育砂砾岩漫流沉积，累计厚度为150～180 m。由于盆地内部钻井少，且喀拉扎组埋深大，地震资料不能有效刻画冲积扇向盆地内的延伸范围。呼探1 井钻揭的喀拉扎组以含砾砂岩为主，岩性明显变细，因此推测冲积扇相向盆地内部逐步过渡为辫状河三角洲相，3 个冲积扇主体在盆地内部均演化为辫状河三角洲沉积，在霍玛吐背斜带形成了大面积的砂岩分布（图6）。

图6 准噶尔盆地南缘喀拉扎组沉积模式Fig.6.Sedimentary model of Kalazha formation on the southern margin of Junggar basin

齐古断褶带东段露头区喀拉扎组发育大型辫状河三角洲，头屯河剖面位于辫状河三角洲的前缘亚相区，其物源区位于头屯河剖面以南。由露头剖面的沉积特征可确定，该辫状河三角洲西部边界位于一线天剖面附近，东部边界位于乌鲁木齐市附近，东西宽约50 km。该辫状河三角洲向盆地内部延伸较远，可延伸至大丰1 井以北地区，大丰1 井喀拉扎组钻遇的220 m 砂岩和含砾砂岩，仍属于该辫状河三角洲前缘亚相。由此确定该辫状河三角洲规模较大，其前缘亚相在盆地内部可形成巨厚的砂岩储集层（图6）。

阜康断裂带发育自博格达山向北西展布的辫状河三角洲，东西向横跨长山1 井—牧7 井—九运1 井一带，其中牧7 井位于辫状河三角洲前缘主体部位，砂岩厚度达400 m，向东、西两侧砂体减薄，长山1 井和九运1井砂体厚度分别为200 m和300 m。

4 沉积模式

准噶尔盆地南缘冲断带喀拉扎组沉积模式的建立必须结合构造活动和沉积环境，天山的隆升可分为4 个阶段[22-23]，其中对南缘冲断带喀拉扎组沉积影响最大的是第二阶段，即晚侏罗世北天山隆升阶段。该阶段隆升的北天山位于齐古断褶带以南，呈北西西—南东东走向，自西向东逐步隆升；博格达山隆升规模和幅度小于北天山西段。北天山西段和博格达山并未完全拼接在一起，两者之间存在一个宽阔的汇水地带，即现今的头屯河地区。依据头屯河剖面上的相标志推测，在喀拉扎组沉积时期，该地区处于辫状河三角洲前缘亚相，物源区位于该地区以南更远的地方。

在造山活动的影响下，南缘冲断带喀拉扎组发育了2 种沉积相类型，形成了3 大沉积体系。自西向东分别为齐古断褶带中段以北天山为物源的冲积扇-辫状河三角洲沉积体系、东段头屯河地区的大型辫状河三角洲沉积体系和阜康断裂带以博格达山为物源的辫状河三角洲沉积体系（图6）。3 个沉积体系汇向霍玛吐背斜带沉积区，形成了巨厚的砂岩储集层。

5 油气地质意义

准噶尔盆地南缘冲断带油气资源量大，油气发现主要集中在中—浅层古近系紫泥泉子组，深层的油气发现仅限于储集层较薄的下白垩统清水河组[24]。南缘喀拉扎组发育的3 个大型沉积体系，在盆地内部形成了厚度超过200 m 的巨厚砂岩，特别是辫状河三角洲前缘沉积形成的砂体分选好，分布面积广，具备形成深层大规模有效储集层的潜力。大丰1 井喀拉扎组埋深超过7 000 m，岩屑样品测得孔隙度7%～9%，说明储集层仍是有效的。另外，南缘冲断带深层发育多个大型背斜构造[25]，喀拉扎组巨厚砂岩与多个背斜构造相匹配，且下伏的中—下侏罗统的烃源岩已经进入高成熟阶段，因此，这些厚层砂岩与构造相匹配的区带是南缘冲断带深层油气勘探的重要区带。

6 结论

（1）准噶尔盆地南缘冲断带喀拉扎组以巨厚层砂砾岩、砂岩沉积为主，残余地层分布主要分布在霍玛吐背斜带中东段和齐古断褶带；依据岩石特征、沉积构造、微量元素等沉积相标志确定喀拉扎组发育冲积扇相和辫状河三角洲相。

（2）南缘喀拉扎组纵向上表现为进积沉积序列，平面上发育3 个大型沉积体系，自西至东分别是齐古断褶带中段的冲积扇—辫状河三角洲沉积体系、齐古断褶带东段头屯河地区和阜康断裂带地区的辫状河三角洲沉积体系。盆地内部形成的巨厚砂岩储集层与多个深层大型背斜构造相匹配，喀拉扎组可成为南缘深层油气勘探的重要目的层。