准噶尔盆地西北缘吐孜阿克内沟沉积特征

阿克丹·斯坎迪尔，姚宗全*，曹天儒，韩宗来，杜飞，杨凡凡

(1.新疆大学地质与矿业工程学院,乌鲁木齐 830047；2.中亚地质矿产信息集成自治区重点实验室，乌鲁木齐 830047)

准噶尔盆地作为最具勘探潜力的含油气盆地之一，一直以来是地质工作者研究的热点。准噶尔盆地西北缘是一个有着丰富油气资源的复式油气聚集区，油气产层较多，其中中三叠统克拉玛依上亚组为非常规资源主力储集层[1-2]。油砂是重要的非常规石油资源之一[3]，国外对于油砂矿已经进行了详细的勘察，在中国油砂矿还有待仔细研究[4]。由于中国对石油资源的需求量日益增大，已有的石油资源不能满足需求，所以研究人员意识到了油砂资源的重要性[5]。因此，油砂资源的勘察已经成为石油研究中不可或缺的一部分。

吐孜阿克内沟是准噶尔盆地西北缘的油砂出露点之一，前人对准噶尔西北缘克上组沉积特征研究较多，焦养泉等[6]认为克拉玛依露头区侏罗世八道湾组第一旋回发育冲积扇-辫状河过渡型沉积体系，第二、第三、第四、第五旋回发育辫状河沉积体系。顾兴明等[7]认为，吐孜阿克内沟克拉玛依上组发育辫状三角洲沉积体系。王郑库等[8]认为研究区克拉玛依上亚组主要为灰绿色-浅灰色泥岩、细粉砂岩、中细砂岩、含砾砂岩和砂砾岩，发育冲积扇沉积体系。综上所述，在前人的研究中，对于吐孜阿克内沟克上亚组是发育扇三角洲还是辫状河三角洲沉积相没有统一的认识，因此，在总结前人研究方法的基础上[9-10]，现从野外露头第一手资料入手，利用露头的直观性来划分地层，以精准的工程测量点和密集的实测剖面控制为基础，以及对岩石相类型和结构构造的划分，剖析吐孜阿克内克拉玛依上亚组沉积相，进而建立相应的沉积模式，以期对克拉玛依上亚组发育的油砂储集有利相带和丰富的油气资源勘探开发提供一定的指导和有效预测。

1 区域地概况

准噶尔盆地西北缘在构造上处于三大板块之间(塔里木板块、哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块)[11-12]。研究区受多期复杂构造作用，断裂十分发育[13]，因受强烈构造活动，区内沉积类型丰富多样。三叠系中三叠统上克拉玛依组物源供给大部分来源于西部的扎伊尔山系露头区，地层出露较齐全，整体以低角度向东南倾斜，古水流指向自北偏东[14](图1)。地理行政区域上位于北纬45°39′41″，东经84°46′54″，克拉玛依市西5 km处。由于吐孜阿克内沟克拉玛依上亚组地层露头剖面出露较好，沉积现象丰富，是研究三叠系克拉玛依上亚组沉积环境的良好载体和理想观测窗口，从而为研究提供了最基本的保障。

图1 研究区位置、地层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of location and stratum in the study area

吐孜阿克内沟剖面出露的地层主要为石炭系、三叠系、侏罗系(图2)。石炭系与三叠系呈角度不整合接触；三叠系只出露上克拉玛依组，白碱滩组被剥蚀缺失，三叠系与侏罗系呈平行不整合接触。侏罗系八道湾组地层连续，出露较厚；三工河组出露较薄，只有大约10 m的厚度，详细地划分出地层界限，对于确定相起着至关重要的作用。

图2 研究区野外踏勘信手剖面图Fig.2 Profile of field survey in the study area

1.1 石炭系与三叠系克拉玛依上亚组界线

石炭系为花岗闪长岩，风化后形成土黄色砂粒[图3(a)、图3(d)]，顶部发育红色风化壳与上覆克拉玛依上亚组呈角度不整合接触。在三叠系与石炭系不整合面之下发育风化壳，主要由红色黏土层、土黄色淀积层和滤积层组成。

图3 研究区地层界限Fig.3 Stratigraphic boundary of the study area

1.2 三叠系克拉玛依上亚组与侏罗系八道湾组界线

克拉玛依上亚组岩性以灰黑色含砾粗砂岩、粗砂、灰绿、深灰色泥岩和砂泥岩为主，层内夹薄层砂岩，在某些区域可见黑色碳质泥岩、薄层煤线，并发育油砂岩。顶部发育大量油砂，发育灰白色中厚层砂岩、含砾砂岩夹碳质泥岩、薄煤层及深灰、灰绿色泥岩、粉细砂岩。克拉玛依上亚组表面被上覆地层八道湾组脱落的砾石覆盖。八道湾组超覆在克拉玛依上亚组之上，底部为灰黑色细砾岩，向上渐变为砂岩，顶部为泥岩，并可见煤层。与克拉玛依上亚组呈不整合接触[图3(f)]。

2 沉积相标志

2.1 构造背景

准噶尔盆地西北缘存在巨型断裂带，该断裂带位于西准噶尔褶皱山系和准噶尔地块两者之间。北面始于德伦山，南面延长至艾比湖附近，在总体上呈现出自北东方向到南西方向的条带状展布，旁侧分别与玛湖凹陷、昌吉凹陷和四棵树凹陷相邻[15-17]。在晚古生代，准噶尔-吐鲁番板块的洋壳向哈萨克斯坦板块发生俯冲、消减作用从而发生碰撞作用，导致西北缘成为前陆型沉积凹陷。以上碰撞作用使车排子-红山嘴-夏子街地区的巨型逆掩推覆构造形成[18-19]，受海西、印之、燕山持续活动的影响，整个三叠系超覆于海西晚期构造活动形成的边缘隆起上，广泛发育扇三角洲、冲积扇等砾质粗碎屑沉积[20-23]。此次研究对象位于准噶尔盆地西北缘克拉玛依吐孜阿克内沟露头区，此露头区位于该区西南部的小西湖境内，邻近山区盆地边缘，地势较陡，褶皱构造和断裂构造发育，碎屑供给充足，为克拉玛依上亚组发育滨浅湖扇三角洲沉积环境提供了必要地质构造条件。

2.2 岩性特征

克拉玛依上亚组主要以岩屑砂岩为主(图4)，岩屑砂岩中主要为花岗质酸性岩浆岩屑，岩屑含量较高，平均可达67.4%，石英含量占比约13.7%，岩石中的填隙物含量约占31.1%，胶结物含量约占29.3%，杂基含量约占1.8%，主要以泥质和钙质胶结为主，可见吐孜阿克内沟上亚组中砂岩主要是岩屑砂岩，岩石成分熟度普遍较低，砂岩稳定性较差，以颗粒支撑为主，杂基支撑较少，反映出距离物源较近，整体呈现扇三角洲近源快速沉积特点。

图4 研究区砂岩碎屑分类三角图[7]Fig.4 Triangle of sandstone clastic classification in the study area[7]

3 沉积相类型及粒度特征

沉积构造的垂向序列或岩相组合反映沉积环境的垂向演化[24]，结合沉积特征和岩相组合分析，证明克拉玛依上亚组是滨浅湖吉尔伯型扇三角洲沉积作用的结果。根据研究区实测剖面的观察描述结果，将克拉玛依上亚组沉积构造划分为10种岩相(表1)，不同岩相组合反映不同的沉积亚环境(图5、图6)。

图6 吉尔伯特型扇三角洲沉积特征及沉积序列Fig.6 Sedimentary characteristics and sequence of Gilbert type Fan Delta

表1 准噶尔盆地西北缘吐孜阿克内沟克拉玛依上亚组岩相特征图Table 1 Lithofacies characteristics of upper Karamay Formation in Tuzi Akeneigou,northwestern Junggar Basin

3.1 扇三角洲平原(顶积层)

该亚相其分布范围包括扇端至湖岸线之间的近湖平原地带，平面形态呈扇形，为扇三角洲沉积体的陆上主体部分，以冲积扇为物源供给，以陆上辫状河沉积为主，受地形原因及水动力作用，研究区扇三角洲平原具有重力流和牵引流的双重成因特征，进一步细分出辫状河道与和河道间微相。

3.1.1 辫状河道砾岩和砂砾岩微相

辫状河道沉积与河道间为扇三角洲平原主要微相沉积。因近物源、陡坡降，故该微相岩性上表现为粒度较粗，分选磨圆较差，其结构和构造具有在明显的动荡环境下，能量不稳定的重力流的沉积特征，岩石杂基含量高，沉积能量较高，沉积物由杂基支撑的灰色砾岩构成，发育块状构造。研究区块状构造由粒径为2～50 mm的砾石组成，层理性较弱，分选磨圆较差，整体呈弱正粒序[图5(a)]，杂基支撑的灰黑色细砾岩[图5(b)]，杂基含量高达50%，夹杂黑色泥炭，指示了水下还原环境。

辫状河道砾岩和砂砾岩微相具明显冲刷充填构造。阵发性恶性洪流过后，整体水动力趋于稳定，经过河流二次侵蚀和淘洗，岩性以棕褐色细砾岩、砂砾岩和颗粒支撑的砂岩为主的粗碎屑发育，分布均匀，河道中发育高角度板状交错层理和细粒块状构造，可见冲刷面，河道砂体厚度较厚，可达数十米，均为纵向沙坝和横向沙坝沉积而成。垂向层序表现为下粗上细的正韵律。主要岩相组合为Gm-St-Sh-Gm-Sh。

3.1.2 辫状河河道间微相

河道间沉积物多为泥质粉细砂岩、紫红色和杂色泥岩，厚度达60 cm，观察到底部砾石上面发育代表氧化标志的铁质结核以及黄色泥土中包裹发育的石膏，伴生石膏晶体印痕析出，长20～35 cm，厚3～5 cm，隔层发育，可见泥裂和植物碎屑化石[图5(c)～图5(f)]，表明湖平面相对较浅，沉积期干旱炎热，风化和蒸发作用强烈。主要岩相组合为Sh-Fh-M1-Fh-M1。

3.2 扇三角洲前缘(前积层)

该亚相处在湖平面与浪基面两者之间的浅水区域，是扇三角洲的水下沉积主体，物源供给以冲积扇为主，是入湖水流、波浪和潮汐多种因素共同相互作用地带，发育面积范围较大砂砾岩体，亦称过渡带[25]。扇三角洲是河湖共同作用形成的最具特色地带，研究区扇三角洲前缘以河控型为主，识别出水下分流河道、水下分流河道间、前缘砂坝3个沉积微相。

3.2.1 水下分流河道微相

水下分流河道为研究区滨浅湖吉尔伯特型扇三角洲前缘的主要微相沉积。主要由含砾粗砂岩(1～0.5 mm)和棕褐色中砂岩(0.5～0.25 mm)组成，粒度较粗，可见少量中细砂岩(0.25～0.1 mm)发育，主要为硅质砂岩，分选磨圆一般，颗粒大部分为次棱状，并以颗粒支撑为主，具下粗上细的正韵律垂向层序。粒度变化向盆地方向变细，砂层中发育大量的高角度板状交错层理(厚度为0.8 m)和槽状交错层理(厚度为0.5 m)。槽状交错层理粒度分选磨圆较好，层理清晰，多为同心槽[图5(m)]，层系底界可见冲刷面[图5(i)、图5(j)]，表现出粗碎屑沉积物对下伏细粒沉积物的侵蚀动力特征，代表着河道下切并迁移，底部常见泥砾和滞留砾石。局部砾石可见定向排列分布，层内可见小型冲刷面和滞留砾石、泥砾发育较多，水道末端砂体，粒度较细，淘洗充分，物性较好，可作为油气勘探开发的有利储集体。主要岩相组合为Gm-St-Spl2-Sm。

3.2.2 水下分流河道间微相

研究区河道间沉积以砂泥岩互层，细粒悬浮沉积为主，可见泥质粉砂岩透镜体，夹薄层菱铁矿，发育细粒块状构造和水平层理，为水下分流水道漫溢产物。主要岩相组合为Sh-Fh-M1-Sh。

3.2.3 前缘沙坝微相

研究区前缘砂坝主要由砂砾岩和砂岩组成，具吉尔伯特型沉积特征，砂砾岩单层厚度一般不小于1.5 m，其底部与下伏地层呈现突变式接触，砾石多以叠瓦状排列为主，多数呈现向下变细的反旋回层序特点，也可出现层内粒度多次粗细相间变化的特点，发育楔状交错层理和高角度板状交错层理，其中高角度板状交错层理岩性为灰白色厚层状粗砂岩，底部可见滞留砾石[图5(g)、图5(h)]，多为下粗上细的正韵律垂向层序。随着入湖流速减弱，因惯性作用向盆地方向滑移，砾质前积层逐渐演变为砂质前积层，砂层顶底部或表现为渐变式，或表现出向上为细—粗—细的垂向层序，受水体能量影响，向前发育厚度较薄铁质胶结的前缘席状砂，进而向底积层缓慢过渡。主要岩相组合为M1-Gf-St-Sm-Gp-M1-Fh。

3.3 前扇三角洲(底积层)

该亚相位于扇三角洲前缘入湖，向下与陆架泥或深水湖沉积衔接过渡斜坡地带，因处于安静低能的环境下故没有明显的岩性界线。前三角洲沉积特点和沉积物的分布深受盆地边缘构造特征影响。它是扇三角洲沉积体系中粒度最细、分布最广、沉积最厚的沉积区，属静水悬浮沉积，可见水平层理，岩性以细砂和粉细砂岩为主[图5(n)]，可见黑褐色炭质页岩[图5(o)]。

研究区前扇三角洲亚相共识别划分为1个微相，前扇三角洲泥，即前扇三角洲细粒沉积，位于扇三角洲的最前缘与湖泊相过渡地带，粒度极细，岩性以深灰色泥岩、页岩和油页岩发育为主，夹少量薄层泥质粉砂岩以及细砂岩互层出现，可见煤线，分选较好，发育水平层理，可见粉砂质透镜体夹层，说明水动力极为稳定。其沉积相稳定，分布范围较广，延伸较远，呈弱韵律。主要岩相组合为M1-Sh-Fh-M1。

3.4 典型露头剖面成因解释

克拉玛依上亚组露头出露处，为一典型吉尔伯特型扇三角洲沉积模式露头，具典型吉尔伯特型扇三角洲“三层结构”，下部发育底积层(图6中的照片D)，中部发育前积层(图6中的照片B和照片C)，上部发育顶积层(图6中的照片A)。底积层为早期的暗色滨浅湖泥等细粒沉积，层状分布，以悬浮负载随水流向湖盆中心搬运迁移，搬运距离较远，故沉积区范围较广，沉积厚度较大。随着大量推移质载荷在河口区快速堆积，因受重力作用和荷载压力过大，便从坝顶向下崩落，最终形成由粗粒沉积物组成的前积层，垂向上粒度变粗，厚度向上变大，颜色变浅，发育板状交错层理。顶积层为冲积扇下游河道迁移形成，大量砾石堆积，槽状交错层理发育。从而使得扇三角洲整体呈向上变粗的反粒序。

3.5 粒度特征

粒度分布作为判别沉积环境及水动力条件的分析的重要物理标志，可较好地反映出沉积物形成时的水动力条件及能量。通过对研究区概率累计曲线分析，共划分出3个主要类型(图7)。

图7 概率累积曲线Fig.7 Cumulative probability curve

扇三角洲平原辫状河道沉积物概率粒度累计曲线表现为一段式，无明显截点显示，斜率为0.6～0.9，分布广，粒间跨度大，为单一悬浮总体，总体表现为分选差，粒度粗的特征，为水动力强劲条件下的重力流沉积。扇三角洲前缘水下分流河道和前缘砂坝，概率累计曲线主要为跳跃、悬浮两段式，跳跃总体含量较高，达50%～70%，S截点为-4Φ～3Φ(Φ为粒径)，斜率为0.9～1.6，分选磨圆中等，反映出水动力减弱，具明显的河道沉积特征。前扇三角洲泥粒度较细，分选磨圆极好，累计曲线由高斜率的滚动总体、次高斜率的跳跃总体和地斜率的悬浮总体三段式组成，整体呈现高斜率的沉积特征，S截点约为6Φ，为牵引流的典型特征。

3.6 沉积成因解释

典型剖面选自克拉玛依上亚组上部位置(图8)，剖面整体以与上伏八道湾组底部砾岩的为顶界，呈不整合接触，并以底部的紫黑色碳质泥岩为底界，地层总厚度约18 m。总体来看，克拉玛依上亚组露头剖面沙地比达0.6，该剖面共识别划分出9个单砂层，除9号砂层，其余砂层多数从右到左变薄，砂层之间被浅灰、紫红色泥岩和粉砂质泥岩分隔，底部以灰紫色、紫红色、杂色泥岩和油页岩为主，可见泥裂和结核，发育多次粗细相间的韵律，中部砂体岩性以灰褐色含砾粗砂岩、粗砂岩以及中砂岩为主的粗碎屑为主，表现出正韵律，河道底部可见滞留砾石、泥砾，层内可见冲刷面，槽状交错层理与高角度板状交错层理发育，中部砂层夹深灰色泥岩发育，可见水平层理，呈弱韵律。

图8 沉积断面剖面图[7]Fig.8 Sedimentary section[7]

综合以上现象可以推测出克拉玛依上亚组为滨浅湖吉尔伯特型扇三角洲沉积，上部地层主要为一套辫状河道与河道间-水下分流河道-前缘沙坝-前三角洲泥沉积序列发育。从下到上看砂体厚度先逐渐增厚后逐渐减薄，层理规模先增后降，粒度先粗后细，形成了一套进积-退积旋回的叠加样式，反映出基准面先降后升，物源供给先增后减，沉积速率与可容纳空间变化速率的比值呈先升后降的变化趋势。水下分流河道的砂砾岩经过河水与湖水的双重淘洗，其疏导性与物性都较其他微相更好，可作为有利储集体，而河道间沉积发育的粉砂岩和泥岩其疏导性与物性均最差，层间发育较连续，且分布相对稳定，可以有效阻挡底水突进和层间边底水的互相转化，也可作为盖层形成良好的封闭环境。

3.7 沉积模式

相序的递变演化规律普遍受地质构造、物源供给、湖平面升降、古气候和古地貌等多种因素联合控制，而非孤立存在[26]。在通过对研究区野外露头分析，并结合室内图件相结合及空间展布等相结合的基础上建立了符合本研究区的沉积模式(图9)。

图9 沉积模式图Fig.9 Sedimentary model

研究区在中三叠世早期-中期为物源供给区域，进入中三叠世晚期，开始沉降并接受沉积，但彼时由于地形起伏较大的原因，呈现填平补齐的特征[27]，故地形高度相差较大，盆地边缘部分斜坡较陡，靠近物源，以晚三叠世的冲积扇为主的物源供给充足，受断陷构造作用，扇三角洲发育个数呈现小而多的特点，延伸距离较远，为河控为主的建设性三角洲，其平面形态呈朵状展布，其水道形态以树枝状展布，诸多沉积现象表明，受古气候和古构造的综合演化，克上组沉积时期气候干旱，湖泊蒸发量较大，由于蒸发量大于供给量，致使湖平面下降。

垂向层序上，研究区整体上为常见的三层结构，即顶积层、前积层和底基层，由于三角洲向蓄水盆地推进且物源较充足，故剖面上发育明显的向上变粗的反旋回叠加沉积序列，从下向上依次为前三角洲泥带—三角洲前缘带—三角洲平原带，剖面上进积到湖盆的沉积物粒度从砾岩到粉砂和泥均有，只因当轴状喷射流与低能稳定的湖水互相混合作用发生空间的立体混合作用从而促进细粒沉积物以悬浮的搬运方式沉积，整体为一个湖退，砂体不断推进的过程；顶积层以发育结核、泥裂和高角度板状交错层理为主，前积层以发育高角度板状交错层理、楔状交错层理和槽状交错层理为主，底积层以发育水平层理为主；沉积构造以重力流沉积和牵引流构造共同作用为主。

4 结论

(1)吐孜阿克内沟发育丰富的油砂，油砂岩为岩屑砂岩，油砂岩的成分成熟度低，结构成熟度中等。

(2)利用露头直观性厘清出石炭系、克拉玛依上亚组与侏罗系八道湾组地层界限各地层组之间的界线及接触关系。

(3)以岩相划分与沉积特征分析为基础，结合沉积构造及动力学解释总结出Gm-St-Sh-Gm-Sh、Sh-Fh-M1-Fh-M1、Gm-St-Spl2-Sm、Sh-Fh-M1-Sh、M1-Gf-St-Sm-Gp-M1-Fh、M1-Sh-Fh-M1共6种典型沉积序列分别代表辫状河道和河道间、水下分流河道、水下分流河道间、前缘沙坝、前三角洲泥等不同的沉积微相环境。水下分流河道经过河流和湖水的双重淘洗，物性较好，可作为有利储集体。

(4)粒度分析可得，辫状河道粒度曲线为单一悬浮体，扇三角洲前缘水下分流河道和前缘沙坝，概率累计曲线主要表现为跳跃、悬浮两段式，前扇三角洲泥粒度较细，概率累计曲线由高斜率的滚动总体、次高斜率的跳跃总体和地斜率的悬浮总体三段式组成，整体呈现高斜率的沉积特征。

(5)以精确的工程测量点和密集的实测剖面控制为基础，以克拉玛依上部露头剖面为主划分出9个单砂层(均含油)并进行砂体精细刻画，划分出滨浅湖吉尔比特型扇三角洲沉积微相并进行成因解释，最终建立克拉玛依上亚组滨浅湖吉尔伯特型扇三角洲沉积演化模式。