前陆盆地坡折带对沉积相的控制作用：以准噶尔盆地西北缘玛湖凹陷三工河组为例

王辉，侯文锋，李婷，石勇

(中国石油新疆油田分公司采油二厂，新疆克拉玛依，834000)

坡折带是盆地边缘地形明显变陡的地带，可以划分为构造坡折带和沉积坡折带[1-3]。构造坡折带是由于构造长期活动引起地形坡度发生明显变化的地带，形成构造坡折带的构造活动包括断裂和挠曲[4-6]。坡折带对沉积和储层具有明显的控制作用，李相博等[7-10]认为我国东部断陷盆地沉积受到多阶坡折带的控制，但是该类由正断层形成的坡折带不利于沉积物向盆地的搬运，断层间的调节带是沉积物搬运的主要通道。由于控凹断裂活动具有幕式性，由其控制的岩性、沉积相类型和展布变化较大，并呈现出幕式性，体现了断裂坡折带对沉积的控制作用[11-12]。学者们广泛研究的构造坡折带均由正断层形成，如珠江口盆地珠一凹陷诸洼陷边界断裂均为正断层形成的坡折带，王英民等[6,10]根据边界断裂演化，把这些正断层活动阶段划分为初始断陷期、快速断陷期和断陷萎缩期等，不同构造活动阶段中沉积相类型和展布特征存在显著差异。李相博等[7-12]研究的坡折带均是由正断层形成的构造坡折带，目前没发现对于逆断层控制的坡折带的研究。这种由逆断层控制的构造坡折带在准噶尔盆地西部斜坡带广泛存在，其不仅影响了三工河组沉积相、储层特征，而且控制着油气藏的类型和分布。

准噶尔盆地西北缘三工河组油气资源丰富，区内20 余口井现工业油气流。目前，人们对该组沉积相和储层特征的研究较少，尤其是对沉积相和储层控制因素的研究更少。朱筱敏等[13-15]认为三工河组储层形成于扇三角洲相和近岸水下扇相，但这与研究区三工河组岩性及沉积韵律相矛盾，本文作者利用研究区大量的测井资料、岩心资料、地震资料和分析测试资料，分析三工河组沉积相特征、逆断层坡折带形成机理、坡折带对沉积相和储层的控制作用等，这对研究区三工河组下步油气勘探具有一定的指导意义。

1 地质背景

1.1 构造特征

准噶尔盆地构造活动较复杂，整体经历了成盆阶段(晚石炭世碰撞)、挠曲阶段(石炭纪末期—早二叠世压陷)、拗陷阶段(三叠纪—白垩纪挠曲)以及拗陷—沉降阶段(燕山期)[16-19]。三叠纪早期准噶尔盆地北部古老的阿尔泰造山带重新活动，形成叠瓦状向盆内俯冲的断阶带，逆冲推覆作用导致准噶尔盆地西北缘向东挤压，形成挠曲前陆盆地。三叠纪末期盆地整体抬升，形成了三叠系与侏罗系之间的区域不整合面。因此，侏罗系沉积初期，准噶尔盆地西北缘仍然保留了前陆盆地的古地貌特征，整体位于前陆盆地的前渊斜坡带上[20-21]，物源为扎伊尔山[22](图1)。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 岩性及其组合特征

三工河组岩性复杂，包括砾岩、砾质砂岩、砂岩、泥岩和煤岩等(表1)，根据岩性组合特征，三工河组划分为下段和上段(图2，其中SP 为自然电位；Rt为电阻率)。岩性在纵向上和平面上分布具有一定规律性，砾岩多分布在下段，平面上分布在临近物源的区域。砾石为次圆状，为再旋回砾石，分选性差。砾质砂岩分选性差。砂岩以长石岩屑砂岩为主，成熟度较低，泥岩多为深灰色，常夹煤线，其多呈透镜状，平均厚度约为0.15 m。

图2 三工河组沉积韵律特征Fig.2 Sedimentary rhythm characteristics of Sangonghe Formation

表1 三工河组岩石类型Table 1 Rock types of Sangonghe Formation

三工河组可识别出3种岩性组合。

1)泥岩-砾质砂岩-砾岩组合。下部为灰色块状泥岩，中部为中—厚层砾质砂岩，上部为块状中—细砾岩，形成下细上粗的反韵律。砾岩多呈块状，少见沉积构造，但可见较多冲刷侵蚀面。该组合主要分布在靠近物源的区域，平均厚度约为46 m。

2)砾质砂岩-砂岩-泥岩(煤岩)组合。下部为砾质砂岩和砂岩，上部为灰色块状泥岩或黑色煤岩、煤线，整体形成下粗上细的正韵律。该组合分布在盆地斜坡区，平均厚度约为35 m。

3)泥岩-砂岩-含砾砂岩组合。下部为粒度较小的砂泥岩，上部为粒度较大的砂砾岩，纵向上形成反韵律。砂泥岩多为深灰色，具水平层理、沙纹层理和波状层理，砂砾岩中可见中—大型槽状交错层理。

2 三工河组沉积相特征

2.1 沉积相类型

依据岩性组合特征、沉积构造、测井相和地震相，分析三工河组沉积相类型，包括冲积扇相和辫状河三角洲相，其中，辫状河三角洲相可进一步划分为平原和前缘亚相。

2.1.1 冲积扇相

冲积扇相岩性以杂色块状中砾岩、细砾岩和砾质砂岩为主，另外还发育泥岩和煤岩。砾岩平均厚度可达27 m，分选性差—中等，基质支撑，可见砾石呈叠瓦状排列，发育冲刷充填构造，少见斜层理。砾石层常夹有透镜状砂岩层，形成下细上粗的反旋回。根据岩性特征和沉积构造，冲积扇可识别出扇根、扇中-扇缘亚相。

扇根亚相分布在三工河组下段，岩性以粗粒沉积为主，包括细砾岩、砂质砾岩，野外剖面中可见部分砾石叠瓦状排列。由于扇根区水动力较强，少见泥岩和煤岩等细粒沉积物。扇中—扇缘区分布在研究区西部，岩性以含砾中—细砂岩、细砂岩为主，发育碳质泥岩和煤岩，砂岩中可见平行层理和板状交错层理。由于研究区冲积扇在垂向上沉积序列为扇缘—扇中—扇根，因此，粒序表现为反旋回(图2(a))。前人多把该反韵律错认为扇三角洲前缘沉积，但旋回下部砂泥岩广泛发育煤层、富含植物叶片和植物根茎化石，应为扇缘—扇中河道间沼泽沉积，属湖平面之上沉积[13-15]。

研究区冲积扇属潮湿气候条件下发育的湿润型冲积扇。三工河组自下而上均发育不同厚度的煤层，局部煤层累计厚度可达21 m，另外泥岩的颜色多为深灰色、灰黑色等还原色。图3所示为三工河组组黏土矿物成分三端元图。由图3可见：指示潮湿环境的高岭石质量分数最高，平均质量分数可达26%。以上分析表明三工河组沉积期气候湿润。干旱型与湿润型冲积扇在沉积物结构、外部形态、分布面积等方面存在较大差异。干旱型冲积扇分布面积小，外部形态呈丘状，砾岩分选性极差，砾石呈棱角状，扇中发育褐色、棕红色泥岩，扇缘可见蒸发岩、泥裂等指示干旱环境的标志。研究区冲积扇砾石呈次圆状，发育灰黑色泥岩和煤岩，扇体分布面积广，辫状河道发育，符合湿润型冲积扇的沉积特征(表2)。

表2 干旱型与湿润型冲积扇沉积特征对比Table 2 Comparison of sedimentary characteristics between arid and humid alluvial fans

图3 三工河组组黏土矿物成分三端元图Fig.3 Three terminal element diagram of clay mineral composition of Sangonghe formation

2.1.2 辫状河三角洲相

辫状河三角洲相细分为平原和前缘亚相，其中平原亚相岩性以灰色厚层砾质砂岩、块状灰色—深灰色泥岩和黑色煤岩为主。砾质砂岩中常见中—大型槽状交错层理和平行层理，发育砾质砂岩-砂岩-泥岩(煤岩)组成的正韵律(图2(b))，韵律层底部常发育冲刷面。泥岩中可见完整的植物叶片和根茎化石，指示分流河道间沼泽环境。前缘亚相岩性以灰色中—薄层砂岩和深灰色—灰黑色泥岩为主。砂岩中可见沙纹层理、波状层理，冲刷面之上发育泥砾，泥岩中常夹有脉状薄层碳屑。前缘亚相中发育下细上粗的反韵律(图2(c))，测井曲线呈齿化漏斗型。

2.2 沉积相展布特征

图4所示为三工河组沉积相连井对比，剖面位置如图1所示。由图4可见：2 种类型的沉积相在研究区分布具有一定规律性。三工河组下段沉积相类型包括冲积扇相和辫状河三角洲平原亚相。坡折带西北部为冲积扇相，坡折带东南部为辫状河三角洲相。另外，地震剖面中也可见前积反射结构，并向盆地方向过渡为透镜状反射结构。冲积扇相平面上分布在靠近物源的区域，并向盆地斜坡区相变为辫状河三角洲平原亚相，岩性也由砾岩变为砾质砂岩、砂岩等(图5(a))。研究区共发育南北2个物源，控制着冲积扇和辫状河三角洲的规模和分布区域。整体来看，南部物源形成的冲积扇体规模更大。

图4 三工河组沉积相连井对比(剖面位置见图1)Fig.4 Sedimentary facies correlation of wells of Sangonghe Formation

三工河组上段沉积相类型包括辫状河三角洲平原和前缘亚相，其中平原亚相分布在靠近物源的区域，而前缘亚相分布在盆地斜坡区(图5(b))。平原与前缘亚相的区别体现在以下方面：

图5 三工河组沉积相平面图Fig.5 Sedimentary facies plan of lower members of Sangonghe formation

1)平原沉积物粒度较大，以砂砾岩、含砾粗砂岩为主，前缘以砂岩和泥岩为主；

2)平原亚相发育厚层煤岩，泥岩中可见完整植物化石，前缘少见煤岩；

3)平原亚相测井相以钟型或箱型为主，前缘则以漏斗型和钟型为主。

2.3 沉积演化

三叠纪末期研究区处于挤压构造环境，形成了前陆盆地冲断带和派生断层。构造隆升为三工河组提供了充足的物源，斜坡区的派生断裂形成的坡折带则控制了研究区古地貌。由于三叠纪印支期构造挤压作用，斜坡区及其西侧陆块隆升，并发生侵蚀作用，形成了三叠系与侏罗系三工河组之间的不整合界面[23]。三工河组沉积早期，斜坡区地势起伏不平，物源供应不断增强，形成了三工河组下段湿润型冲积扇，并向盆地过渡为辫状河三角洲相。三工河组下段沉积的填平补齐作用，使研究区变得平坦。随着湖平面上升，冲积扇逐渐退出研究区，近物源的区域广泛发育辫状河三角洲平原亚相，并向盆地过渡为前缘亚相。因此，三工河组下段为冲积扇—辫状河三角洲平原组合，上段为辫状河三角洲平原—前缘组合。除了物源和气候对沉积相具有重要影响外，坡折带对三工河组的沉积相分布也具有一定的控制作用。

3 坡折带形成机理

3.1 坡折带类型

三叠系末，由于持续性的构造挤压，形成了准噶尔盆地西北缘大型逆冲推覆体前锋冲断带，冲断带的东侧形成玛湖西部斜坡带和前陆盆地。在玛湖斜坡带上形成一系列北北东向逆断层，这些逆断层为坡折带的形成奠定了基础，如图6所示。根据地震剖面可识别出2种的构造坡折带，即单条断层形成坡折带和多断层形成的坡折带。

图6 前陆盆地中逆断层成因坡折带分布位置Fig.6 Distribution of slope break zone caused by reverse fault in foreland basin

1)单断型坡折带主要分布在研究区北部，其断面均为西倾，与区域性逆冲冲断带断面产状一致，断面西侧地层相对上升，东侧地层相对下降。

2)多断型坡折带分布在研究区南部，断面西倾，且每个断面的西侧地层上升，东侧下降，剖面上形成断阶式结构。

在东部和西部断裂坡折带之间发育断层调节带(图5)，该调节带地势平坦，不受断裂的影响。由于调节带两侧坡折带地势较高，因此，调节带地貌上表现为负地形。

3.2 坡折带演化

坡折带的形成分为3个阶段，即逆断层形成阶段、断层风化阶段和坡折带形成阶段(图7和图8)。研究区斜坡带逆断层是盆地边缘逆冲推覆冲断带的派生断层，与逆冲推覆体同期形成，可识别出南、北2条逆断层带，如图8(a)所示。前陆盆地逆冲推覆体中的逆断层控制着盆地的形成和结构，但是与拉张性正断层在形成过程、构造活动及控盆机理等方面存在显著差异。逆冲推覆体中的逆断层不具有幕式性活动，逆冲推覆活动结束后，边界逆断层即停止活动。而拉张性的正断层演化较复杂，可划分为初始断陷期、快速断陷期和断陷萎缩期等阶段。正是由于逆断层活动的惰性，使其可以经历长期的风化作用，这也为坡折带的形成提供了条件。

第2阶段中的断层风化形成于构造抬升后的准平原化阶段，如图8(b)所示。准平原化阶段的风化侵蚀作用不但改变了古地貌，而且为盆地区沉积提供了物源。坡折带风化后形成了2种类型的坡折带：1)单条逆断层控制的坡折带(图7(a))，风化后沉积物可以穿过该类坡折带搬运至盆地内部；单断型坡折带多分布在研究区北部(图5)；2)多断层控制的坡折带(图7(b)，风化后形成北北东向分布的局部隆起，该类坡折带多分布在研究区南部(图5)。

图7 前陆盆地逆断层型坡折带形成过程Fig.7 Formation mechanism of reverse fault type slope break in foreland basin

图8 前陆盆地坡折带与沉积相带分布关系Fig.8 Distribution relationship between slope break zone and sedimentary facies zone in foreland basin

4 坡折带对沉积相和储层的控制作用

4.1 坡折带对沉积相的控制作用

由于坡折带控制了研究区的古地貌，从而控制了三工河组的沉积相。不同类型的坡折带对沉积的控制作用不同。

单断型坡折带北侧位于构造高部位，因此，经常暴露在湖平面之上。三工河组沉积早期，坡折带北侧为冲积扇相，坡折带南侧为辫状河三角洲平原亚相，冲积扇为辫状河三角洲平原提供碎屑物源(图5(a))。三工河组沉积末期湖平面上升，坡折带北侧仍然处于构造高部位，为辫状河三角洲平原亚相，南侧为辫状河三角洲前缘亚相(图5(b))。因此，单断型坡折带在三工河组沉积期控制着研究区北部的沉积相类型和展布。

多断型坡折带在地貌上表现为低凸起及其南北侧的坡折带。在三工河组沉积早期，低凸起阻碍了沉积物继续向盆地搬运，因此，该类型坡折带不能作为沉积物搬运的通道。坡折带西北部的冲积扇扇体沿着平行坡折带方向向北运移，并从断层调节带处搬运至盆地区(图5(a))。三工河组沉积末期，虽然前期沉积物起到填平补齐作用，但并没有使该坡折带失去阻碍沉积物搬运的作用，对沉积相仍具有控制作用(图8(c))。坡折带西北部为辫状河三角洲平原亚相，南部为前缘亚相，因此，多断型坡折带对研究区南部三工河组沉积具有控制作用。与正断层坡折带相比较，逆断层坡折带的坡度较小。地震资料和野外剖面资料分析表明，逆断层坡折带平均坡度为30°，而我国东部断陷型盆地正断层坡折带平均坡度为65°。坡度的不同造成古地貌、沉积物岩性和沉积相等存在较大差异。

4.2 坡折带对储层的控制作用

研究区三工河组储层类型包括砾岩、砾质砂岩和砂岩，其中砾岩和砾质砂岩是冲积扇的主要岩性。砾岩中砾石为次圆状，分选性较差，基质为砂泥质。砂岩主要分布在辫状河三角洲相平原分流河道微相，是三工河组最重要的储层。受到冲积扇相带的控制，砾岩储层分布在坡折带以北的区域。而辫状河三角洲相多分布在坡折带以南的区域，因此，砂岩储层也多分布在该区域。由于砂岩在搬运过程中的沉积分异作用，靠近坡折带的区域多为中砂岩，向盆地方向渐变为细砂岩和粉砂岩。储层物性并非随粒度增大而增大，在所有储层中，中砂岩的物性最好，其次为砾岩和细砂岩。因此，坡折带南侧紧邻坡折带的区域物性最好，并向坡折带两侧逐渐减小。研究区三工河组油气显示井分布规律与物性具有良好的相关性，多数油气显示井分布在紧邻坡折带的区域，显示了坡折带对储层和油气藏的控制作用。

5 结论

1)三工河组沉积相类型包括湿润型冲积扇相和辫状河三角洲相，其中冲积扇相分布在三工河组下段，以杂基支撑、分选性差、煤层发育为特征。冲积扇沉积起到填平补齐作用，随后湖平面上升，三工河组沉积相类型由冲积扇相变为辫状河三角洲相。

2)三工河组前陆盆地坡折带分为2类，即由单条逆断层形成的坡折带和多条逆断层形成的坡折带。单断裂坡折带不能阻碍沉积物搬运，多断裂坡折带阻碍沉积物向盆地搬运。坡折带西侧地势较高，为冲积扇或辫状河三角洲平原分布区域，体现了坡折带对沉积相的控制作用。

3)坡折带以西的冲积扇砾岩和砂质砾岩的储层物性要比辫状河三角洲平原和前缘储层物性差，三工河组辫状河三角洲相中砂岩储层物性最好，多分布在坡折带南侧。