西准噶尔乌尔禾地区哈拉阿拉特组火山碎屑复理石的发现及地质意义

覃建华，李永军，王盼龙，蒋志斌，段丰浩，王杰，黄家瑄，张新远，李伟

（1. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安 710054； 3. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054）

复理石按所在大地构造相可划分出活动大陆边缘型、被动大陆边缘型2类（Clift et al., 2002）。前者以碎屑质复理石为主，又细分为砂岩中多火山物质、低石英碎屑岛弧型-弧后盆地型和砂岩中缺少火山物质的安第斯型复理石2种。后者常为碳酸盐质复理石和富石英砂的陆源碎屑质复理石。

复理石建造的形成多与浊流沉积作用有关（李继亮等，1978；方爱民等，1998），而海底地震作用和较陡的海底斜坡是形成浊流沉积的重要条件（孙枢等，1984；王大伟等，2018；梁积伟等，2019）。如几内亚湾东北部的Ogooue扇中的浊积砂大多是在斜坡系数（斜坡倾角正切值）达0.6时形成的（Mignard et al., 2019），牵引流和重力流双重作用是形成火山碎屑浊流的主要方式（沈艳杰等，2014）。在现代深海沟弧前盆地、边缘海盆地及残留洋盆地等，都发现有大量的复理石沉积（王大伟等，2015；田洁，2015；吴时国等，2021；陈俊锦等，2021）。

火山碎屑复理石的甄别大多是比照陆源碎屑复理石的特征加以确定（陈文一等，2006）。依照鲍马层序的完整程度划分出完整、连续不完整、间断不完整3种类型（龚一鸣，1993；饶明辉，1996）。比较而言，火山碎屑复理石沉积发现较少，研究成果也更少。国外的研究成果主要有北阿尔卑斯渐新世Taveyanne Sandstones同火山浊积岩-火山碎屑密度流沉积（Capua et al., 2016）、Ogooue 扇浊流下部粗粒火山质-上部远端细粒沉积组合等（Mignard et.al., 2019）。

中国学者报导的火山碎屑复理石主要有：松辽盆地九台地区白垩系营城组火山碎屑流（刘润超等，2019）、江西瑞金黄沙地区震旦系火山碎屑浊积岩（饶明辉，1996）、南盘江断陷区三叠系海底扇火山碎屑浊流（Hou Fanghao et al., 1984）和三江北段晚三叠世火山源安山质浊积岩（彭勇民等，1999）等。

新疆北部古生代火山-沉积岩系广泛分布，其中，萨勒布尔山志留系（木合塔尔·扎日等，2002）、东准噶尔和西准噶尔泥盆系（龚一鸣，1993）已有火山碎屑浊积岩发现。

晚石炭世哈拉阿拉特组是西准噶尔乌尔禾-夏子街油田北缘厚度最大且占比最多的火山岩地层，但有关该组的地层学研究成果较少，前人只有地层时代、沉积环境和火山岩地球化学研究的相关报道（王玉净等，1987；马宝林，1987；晋慧娟等，1987；晋慧娟等，1988；纵瑞文等，2014；向坤鹏，2015；李甘雨等，2015，2016，2017；Li et al., 2017）。近年来，新疆油田公司已将该组火山岩确认为盆地边缘最为重要的高产油储层之一，倍受关注。国道217线阿拉坦努肯向北段是原哈拉阿拉特组建组（层型）剖面（王玉净等，1987）。笔者重测了此剖面（新编号PM02）（图1b），并发现了一套极为典型的火山碎屑复理石沉积。本文论述其主要地质特征，对比其与陆源碎屑复理石的主要异同性，并以此丰富火山碎屑复理石的甄别标志，为盆山地层对比和精细储层划分提供支撑。

图1 乌尔禾一带地质简图（据Li et al., 2017）Fig.1 Simplified geological map of the Urho region （After Li et al., 2017）

1 区域地质概况

西准噶尔乌尔禾—哈拉阿拉特山地区位于包古图地层小区东北部，上石炭统哈拉阿拉特组在区内最为发育，总厚达6 110 m。中国科学院南京地质古生物研究所最早测制该剖面，恢复该组命名为哈拉阿拉特组，并通过化石对比确认本组老于阿腊德依克赛组（二者整合接触）（王玉净等，1987）。笔者区域地质填图确认阿腊德依克赛组被下二叠统佳木河组不整合超覆（图1；向坤鹏，2015；彭湘萍等，2016）。

哈拉阿拉特组在该区分布最广，作者团队根据区域地质调查成果，对《新疆岩石地层》中中晚石炭世哈拉阿拉特组重新进行厘定，建立哈拉阿拉特组副层型剖面；修正了原哈拉阿拉特组正层型剖面的地层层序，将原正层型剖面1～6层归早石炭世包古图组；将王玉净等（1987）划归下二叠统佳木河组的大套火山岩-火山碎屑岩组合置于哈拉阿拉特组下部。厘定后的哈拉阿拉特组自下而上分为7个岩性段（李甘雨等，2016）。C2h1以灰黑色玄武岩、深灰色安山岩为主，夹火山角砾岩、凝灰岩及杂色砾岩，可见少量流纹岩；C2h2以灰黑色玄武岩、玄武安山岩为主，顶部为厚约3 m的细砂岩、细砾岩；C2h3以深灰色火山角砾岩为主，少量角砾凝灰岩、岩屑晶屑凝灰岩和火山集块岩；C2h4以灰褐色火山角砾岩、角砾凝灰岩为主，夹少量岩屑晶屑凝灰岩、玄武岩和安山岩，见灰岩透镜体；C2h5以灰绿色安山质-英安质岩屑凝灰岩为主，玄武岩、安山岩多呈夹层状出露，在白板地一带见生物碎屑灰岩夹层，其中含有腕足类、珊瑚等化石（王玉净等，1987）；C2h6以灰绿色安山质-英安质角砾岩与岩屑凝灰岩互层，中部间夹火山碎屑复理石层，顶部以岩屑杂砂岩与之上的火山角砾岩为界；C2h7以灰色杏仁状玄武安山质角砾岩、含角砾岩屑凝灰岩为主，顶部见沉凝灰岩夹层。作者团队曾于原Ⅰ-Ⅰ′号剖面上获得304.5 Ma和306.9 Ma的锆石U-Pb年龄（李甘雨等，2015），本次沿国道217新测PM02剖面，于剖面第22层（C2h7）、第41层（C2h6）分获304 Ma、309 Ma的LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄（另文介绍）。

总览该组下部（C2h1-4）以火山熔岩为主，上部（C2h5-7）以火山碎屑岩为主。各岩性段间多见火山喷发间隙期的杂砂岩、细砾岩薄层，显示多期次的火山喷发特征。另外，在原Ⅰ-Ⅰ′号剖面C2h6灰绿色安山质火山角砾岩、凝灰岩中见到直径约1 300 m的呈环形放射状中强外弱的震积角砾岩；在乌尔禾盆地之南的石西18井中见到典型的海啸灰岩角砾岩。

PM02剖面由北向南实测，总体为一北倾（北新南老）单斜地层。本次新发现的火山碎屑复理石层见于PM02剖面中部的C2h6岩性段；沿剖面向东500 m后露头较差，再无发现火山碎屑复理石层，至白板地一带露头极好，确认无火山碎屑复理石产出；向西至Ⅰ-Ⅰ′号剖面一带，也确认无火山碎屑复理石产出。

2 哈拉阿拉特组火山碎屑复理石特征

2.1 宏观韵律层特征及代表性复理石序列描述

火山碎屑复理石层由上（第34层）、下（第35层）2个大层构成，总厚度638.12 m。现由下而上（由南而北）描述几个代表性复理石序列。

2.1.1 第35层为砾岩-含砾粗砂岩-砂岩-泥质粉砂岩韵律层

第35层总厚626.69 m，多数复理石序列A-E段发育齐全，少数或缺A或缺E；单个韵律层厚度变化很大，一般厚90～120 cm，个别较薄序列不足50 cm，最厚序列可达340 cm。

剖面20-21导64.00～68.40 m处复理石序列：为剖面上见到的最大厚度复理石序列层，厚达340 cm（图2a、图3a）。A段为（角）砾岩层，砾石总量占60%～70%，成分复杂，火山碎屑岩和火山熔岩类砾石均有见及，其成分有玄武岩类、安山岩类和流纹岩类；部分磨圆极差而保留了原始角砾状，部分分选中等，个别分选较好，砾径以1～2 cm为主，大者可达6 cm，砾石略显定向，不显层理，厚141 cm，总体显示出近源与非近源混堆特色。B段为含砾粗粒岩屑杂砂岩，砾石含量为5%左右，成分同A段，磨圆较A段好，总体为中等磨圆，厚98 cm。C段为中-细粒岩屑杂砂岩，层理较为清晰，发育水平层理，厚53 cm。D段为粉砂级岩屑杂砂岩，层理清晰，水平纹层发育，局部见微波状层理，极细碎屑成分主要为火山尘，厚40 cm；E段为含碳凝灰岩，凝灰质成分占80%以上，厚8 cm。

剖面20-21导62.00～63.10 m处复理石序列：该序列厚82 cm（图2b、图3b）。A段底部砾岩层砾石具定向性，长轴方向平行于层面，砾径为0.2～2 cm，大多呈棱角状，保留了原始火山角砾特色，黑色角砾约占80%，砾石成分为玄武岩类，浅色角砾多为英安岩、流纹岩角砾，约20%；砾石磨圆度中等，碎屑总体分选一般，不显层理，厚44 cm。B段为含砾粗砂岩，砾石含量为3%左右，略显定向，碎屑成分以玄武质凝灰岩类为主，厚24 cm。C段为细粒-粉砂级岩屑杂砂岩，厚14 cm。该序列D段极不完整。B-C段碎屑中玄武质凝灰岩占40%以上，因而岩石颜色显示灰绿色调；由B向C段陆源碎屑由3%增加到顶部约6%～7%；沿走向2 m处A段中还见一长约17 cm、宽约3.5 cm、形态似“竹叶状”英安质晶屑凝灰岩角砾（图3c）。

剖面20-21导61.00～62.05 m处复理石序列：厚80 cm（图2c、图3d），仅有B至D段保存，缺A段，E段被削顶。B段底部细小砾岩层中砾石具定向性，砾径为0.2～2 cm，磨圆中等，仅15%呈角砾状，总体成分较杂，中性基性火山熔岩和火山碎屑岩占比各半，分选较差，厚42 cm。C段为含砾粗砂岩，砾石含量为3%左右，略显定向，厚24 cm。D段为细粒-粉砂级岩屑杂砂岩，厚14 cm。

剖面19-20导68.00～69.58 m处复理石序列：A段为砾岩（细砾岩），砾石分选差-中等、近一半磨圆度较好，部分仍为次棱角状，保留了少量火山角砾特色，总体略显层理；砾石成分多为中基性凝灰岩类，偶见玄武岩砾石，排列略显定向，厚35 cm。B段为含砾、含火山角砾粗砂岩，厚31 cm。C段为粗粒岩屑杂砂岩，厚15 cm。D段为细粒岩屑杂砂岩，厚25 cm。E段含碳泥岩，厚15 cm（图2d）。A-D段岩屑中火山碎屑达60%以上，成分以中基性火山岩岩屑为主；E段目估陆源碎屑含量大于60%。

图2 乌尔禾火山碎屑复理石序列素描图Fig.2 Sketch map of the Urho Pyroclastic flysch sequence

a. 20-21导64～68.44 m处复理石序列；b. 20-21导62～63.10 m处复理石序列；c.似“竹叶状英安质晶屑凝灰岩”角砾；d. 20-21导61～62.05 m处复理石序列；e. 19-20导79.41～83.13 m处；f. 19-20导79～79.41 m处复理石序列；g. 35层下部A—D为主代表性的复理石序列；h. 35层上部缺A段的代表性复理石序列；i、j.剖面34层火山复理石宏观韵律层图3 乌尔禾火山碎屑复理石序列及层理层面构造图Fig.3 The Urho pyroclastic flysch sequence and its bedding plane structures

剖面19-20导75 m之上复理石序列：属于第35层顶部序列层，单个序列厚度快速减小，如79.41～83.13 m处的A-D段厚92 cm（图2e、图3e）。79～79.54 m处最下部序列A-D段仅为41 cm厚（图3f下），而紧邻其上的2个序列厚分别为19 cm（图3f中）和5.4 cm（图3f上）。

经露头尺度统计，34层下部复理石平均厚度约95～103 cm（图3g，底部未照全），35层中上部复理石平均厚度约33～36 cm（图3h）。

2.1.2 第34层灰黑色蚀变凝灰质岩屑砂岩-细砂岩-凝灰质粉砂岩韵律层

第34层总厚度11.43 m。单个韵律层（图3i、图3j）厚约2～5 cm，最大厚达7 cm，近水平状层理，高频率重复，在图3j中，总厚约40 cm中就有12次重复，野外统计为30韵律层/m；碎屑占85%～88%，主要由长石、岩屑组成；磨圆较好，圆状、次圆状，分选性好；韵律层底部粒径为<2～0.5 mm的粗砂，中上部为<0.5～0.25 mm的中砂，顶部细-粉砂为主；岩屑主要有玄武岩、安山岩、凝灰岩等；杂基占15%～18%，主要为火山尘。

2.2 火山碎屑复理石成分

总体而言，剖面第35、36层的复理石中，中、基性岩碎屑占比大于70%，这与本组总体以中基性火山岩为主相吻合，即火山岩的成分比例决定了2次搬运形成复理石的成分比例。

火山碎屑复理石与经典陆源碎屑复理石粒序在单个序列变化上基本相近，单个序列大多均为“粗底细顶”结构（图2），但在成分上主要表现为“粗底火山质、细顶凝灰质”特色。大多数序列无E段保留（图3g、图3h），偶见几个E段火山凝灰质占比达70%以上，仅有一个序列中E段以含碳凝灰质粉砂岩-泥质岩为主（图4a）。D、E段细碎屑岩中的胶结物以火山灰、火山尘为主。未见钙质、泥质和硅质等胶结物。

a. E段凝灰质粉砂岩-泥质岩及其沉积纹层，与其上的A段弧形界面；b.复理石C段常见的层理构造；c、d、e.底冲刷面微弧形和弱起伏界面；f.粒级悬殊的砾石混生；g.基性火山岩（深灰色者）与酸性火山岩砾石（浅色）混生，基性岩类含量小于酸性岩类；h、i、k.棱角状基性火山岩角砾，大小混杂，弱定向排列；j.基性火山岩类砾石（深色）与酸性火山岩类砾石（浅色）混生，基性岩类含量大于酸性岩类图4 乌尔禾火山碎屑复理石粒序及砾石特征图Fig.4 Grain sequence and gravel characteristics of the Urho pyroclastic flysch

火山碎屑复理石中岩屑、晶屑、玻屑此“三屑”齐全是有别于陆源碎屑复理石的一个重要特征。因“三屑”是火山碎屑岩的主要组成，因此，火山碎屑复理石中“三屑”齐全且占比高是必然的。

2.3 层序组成、层理层面及冲刷面构造

乌尔禾火山碎屑复理石层总厚约650 m。其下部层位单个序列总体较厚，大多大于1 m，而上部层位相对快速变薄，靠近第35层顶部个别序列厚度不足10 cm（图2f、图3f上）；下部层位多发育A段，以A-D段为主；中-上部层位中较多序列缺失A段，但E段渐多渐厚，初步统计中部约有1/4的序列缺少A段；中下部层位中总体E段或因被削顶而缺失，或因沉积时供给速率过快及沉积水体较浅，造成分选不足而导致缺失E段。与经典陆源碎屑复理石相比，C、D、E段主要以水平层理为主，偶见微波状层理，尤以C段最为清晰（图4b）。缺A段则可能是相对晚期序列中较粗成分在沉积分选中消耗殆尽，或是作为提供2次搬运的碎屑物以凝灰岩为主。野外露头尺度上尽管有较多的削顶缺E段序列，造成D段与后一序列的B段底部直接接触（图4c、图4d）。多数复理石序列的顶段与上一序列底面为起伏较小冲刷弧形面（图4c、图4d、图4e）。

整个剖面区未见槽模、沟模、重荷模等特殊印模和印痕构造。原因一是因缺E段泥质软层，二是地震作用高频发生，复理石沉积过快，印模和印痕构造难以形成，也难以保留。

因粗级碎屑占比太大，加之多数序列E段的缺失，薄层、软性层构成较少而不易形成包卷层理或是即使发生了变形作用，但这些变形构造难以被记录和保存。沉积速率较之陆源碎屑流更快，分选作用不明显，因而成层性与变化韵律层明显减少；另外，地震波往往导致海水流动是紊乱的，发生的作用也是瞬间的，因而斜层理等层理构造就会大大减少。

宏观序列变化中，连续多个序列忽厚忽薄，渐变性差（图2a、图2b、图2e）。

2.4 火山碎屑复理石粒级

组成A段的砾岩层中，砾石含量局部地段占比高达60%～75%，且大小极为悬殊，粒径大者可达6～7 cm，偶见大于10 cm，多数砾石显示程度不同的定向性，但较之陆源碎屑复理石总体粒序性较差（图4f、图4g），表明分选不足，原因或是水体较浅或是地震作用过强及流速过快。砾石成分以火山质占绝对优势（图4f、图4g、图4h、图4i、图4j、图4k），是有别于陆源碎屑复理石的又一重要特征，同时还表现出砾石成分复杂，既有熔岩砾石又有火山碎屑岩砾石（图4f、图4g、图4h、图4i、图4j、图4k），既有中基性类砾石又有酸性岩类砾石（图4g）。大多数单层中，粒级大小极为悬殊，且紊乱多变，并不总是呈现下粗上细粒序。

2.5 火山碎屑复理石的分选与磨圆

粒度较粗、厚度较大、分选较差和层理不显是火山碎屑复理石A段的主要特征，究其原因可能是因源区岩石未经任何压实与胶结，刚刚堆积后就瞬间作为复理石的供给区，或可能是因地震频繁发生，震级极强造成高频率重复搬运与沉积过程，重力分异作用难以发挥作用所致。

总体而言，①砾石磨圆度较差，往往砾石个体越大者磨圆越差，约70%以上的砾石几乎为次棱角状-棱角状（图4f、图4h、图4i、图4j、图4k）。②次棱角状-棱角状砾石与相对磨圆较好的砾石混生。这些特征表明复理石形成过程中既有近源区供给，又有远源区物质供给，或是源岩位于火山机构交汇区，不同火山岩相空间叠置导致源区组成复杂。

3 火山碎屑复理石与陆源碎屑复理石异同性

综上所述，火山碎屑复理石既有与陆源碎屑复理石相似的一些特征，又有显著的差异性和独特性。2类主要特征对比见表1。

归纳起来，火山碎屑复理石连续多个序列间忽厚忽薄、渐变性差，地层总体厚度不大，分布有限；火山碎屑为主，成分极为复杂，“三屑”齐全，胶结物多凝灰质；少见E段；冲刷面上印模、印痕构造难以保存；单层中粒级大小极为悬殊，局地紊乱无序；近源与远源成分混生，棱角状者居多，继承和保留原火山角砾岩外形；受火山机构复杂古地形制约，地震诱发为主。这些都是显著有别于经典陆源碎屑复理石的主要特征。

表1 火山碎屑复理石与经典陆源碎屑复理石特征对比表Tab.1 Comparisons of multiple characteristics between pyroclastic flysch and typical terrigenous detrital flysch

4 讨论与结论

（1）复理石建造均形成于海相环境，需要较陡的古地形和地震等产生的动力诱发。陆源碎屑复理石的启动主要受制于古地形，位于陡坡上段易启动。火山碎屑复理石可能更多的受火山机构控制，巨量火山喷发极易形成局地陡坡和不均匀堆积，差异性越强则失衡率越大，为碎屑流向下滑动创造了必要条件；火山作用产生的强烈构造运动，伴随有高频率高强度的地震波等，更易启动、诱发火山碎屑流的2次向下滑动，经海水调整和重力分异形成火山碎屑复理石；火山碎屑物质受控于原火山喷发作用类型和成岩作用类型，因而组成粒度上既有火山凝灰岩等细碎屑岩又有火山角砾岩；类型上既有火山熔岩类又有火山碎屑岩类；成分上既有基性火山岩类又有中、酸性火山岩类；这些碎屑流经地震诱发和推动使其2次向下滑动后，可长可短距离后再堆积，故其粒级更为悬殊，磨圆度相对较差，分选程度不一，其底面的冲刷构造如槽模、沟模、重荷模等特殊构造更加难以形成、保存，也更加难以识别。

（2）就整体而言，火山碎屑复理石总体厚度不大，分布相对有限，其组成中火山质占绝对优势，近源、远源成分混生，火山熔岩与火山碎屑岩类混生，“三屑”较齐全，胶结物多凝灰质，粒级悬殊、磨圆度差异显著，连续多个序列间忽厚忽薄、渐变性差，砾石多继承和保留了原火山角砾岩外形，这些特征是火山碎屑复理石的独特性，因而也是其主要鉴别标志。

（3）在世界和中国范围内，学者们主要研究复理石的形成环境和沉积模式等（侯方浩等，1984；龚一鸣，1993；李祥辉等，2011；胡楠等，2013; Capua et al., 2016；Mignard et al., 2019；杨保良，2021），而少有对其识别标志详细总结，乌尔禾地区哈拉阿拉特组火山碎屑复理石的发现，为总结火山碎屑复理石的地质特征和形成机制提供了绝好条件。本次总结丰富了火山碎屑复理石的甄别标志，区内储层精准对比提供了一个新类型的标志层，为石油天然气勘探提供新的制约。