准噶尔盆地腹部上二叠统—下三叠统浅水辫状河三角洲沉积特征与模式

王 斌,邱 岐,陆永潮,刘德志,王继远,杜学斌,李振明,李祥权

1.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所,江苏 无锡 214126;2.中国石化 油气成藏重点实验室,江苏 无锡 214126;3.中国地质大学(武汉),武汉 430074;4.中国石化 胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257001

浅水三角洲是当今含油气盆地沉积学研究的热点及陆相岩性油气藏的重点勘探目标[1-2],其概念最早由FISK提出,通常形成于水体较浅、构造稳定、地形平缓的陆表海和大型坳陷盆地[3-5]。与一般三角洲不同,其具有粒度粗、沉积水动力强、大面积稳定展布、单砂体厚度薄、河口坝不发育、垂向相序不连续、不发育Gilbert式三层结构等沉积特征[2-7]。近年来,国内学者对松辽、渤海湾、鄂尔多斯、塔里木和准噶尔等主要含油气盆地的浅水三角洲沉积做了大量研究,焦点集中在形成背景条件、发育类型、沉积特征、形成机制和控制因素等方面[8-19]。浅水辫状河三角洲作为浅水三角洲的主要类型之一,在中国中西部大型坳陷湖盆内广泛发育[11,13,20-21],其特点是供源系统为辫状河搬运沉积,具有沉积物粒度较粗、结构成熟度中等、发育强水动力牵引流沉积构造等特征。

当前准噶尔盆地浅水三角洲沉积研究较少,主要集中在埋藏较浅的中生界[13,22-23],二叠系、三叠系贴近烃源层,但埋深普遍较大,特别是中央坳陷主体区已经达到深层—超深层,优质储层识别及预测成为制约油气勘探的主要问题。近年来,随着玛湖凹陷及其周缘二叠系下乌尔禾组和三叠系百口泉组获得一系列重大勘探突破,在沉积方面形成“大型退覆式浅水扇三角洲沉积模式”的认识,使得勘探面积从盆缘拓展到整个凹陷区[24-26]。腹部Z10井、C6井相继在二叠系下乌尔禾组、上乌尔禾组和三叠系克拉玛依组钻遇厚层砂岩并获得工业油气突破,表明沉积期湖盆中心也发育优质储集砂体,因此有学者认为腹部凹陷区同样发育退覆式扇三角洲[27]。然而腹部凹陷区在物源供给和古地貌格局等方面均不同于距盆缘较近的玛湖凹陷[28-29],沉积模式是否一致有待进一步研究确定。总之,腹部凹陷区沉积特征、沉积模式和砂体展布规律目前尚未开展系统研究,严重制约了腹部深层油气勘探部署和有利区选择。本文在前人研究的基础上,利用新钻井岩心、测录井资料和新部署地震资料,系统开展盆地原型、层序格架、古地貌恢复和沉积体系研究,明确了腹部地区上二叠统—下三叠统浅水辫状河三角洲发育证据,落实了其展布特征并建立了沉积模式,以期为腹部深层碎屑岩油气勘探提供地质依据。

1 大型坳陷湖盆发育背景

1.1 区域地质背景

准噶尔盆地位于新疆北部,夹持于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块与塔里木板块之间,四周被褶皱山系所围限(图1),面积约13×104km2[30]。准噶尔盆地自晚古生代以来先后经历海西、印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动,其中晚海西运动对盆地构造格局产生较大影响,形成坳隆相间、分隔排布的特征,盆地一级构造单元划分就是基于此背景[31],之后的构造运动对各区的影响不同,最终形成一个大型复合叠加盆地。

图1 准噶尔盆地构造单元划分及二叠系—三叠系综合柱状图

准噶尔盆地腹部通常指中央坳陷带中部的盆1井西凹陷、沙湾凹陷、东道海子凹陷和阜康凹陷4大凹陷及其周边凸起;区内二叠系、三叠系发育完整,二叠系自下而上可划分为佳木河组(P1j)、风城组(P1f)、夏子街组(P2x)、下乌尔禾组(P2w)和上乌尔禾组(P3w);三叠系自下而上可划分为百口泉组(T1b)、克拉玛依组(T2k)和白碱滩组(T3b)(图1)。

1.2 盆地原型序列与层序划分

准噶尔盆地作为一个多旋回叠合含油气盆地,经历多期盆地原型演化,但盆地原型类型(特别是早—中二叠世)一直存在较大争议[32-34]。本文基于前人研究成果[35-37],通过20余条区域大格架剖面的精细解析,识别出了全盆二叠系—三叠系4个关键不整合界面(图2),即C/P1的角度不整合、P1/P2的沉降淹没不整合、P2/P3的隆升—超覆不整合和T/J的超覆不整合。明确了其地质属性,认为准噶尔盆地先后经历了5期盆地演化阶段,对应形成以下5种盆地原型结构:(1)石炭纪洋盆消亡阶段,形成残余洋盆和沟弧海原型盆地;(2)二叠纪以来整体隆升成陆,进入陆相湖盆发育阶段,早二叠世为碰撞后的伸展裂陷期,形成箕状断陷盆地;(3)中二叠世后进入盆地断—坳转换阶段,形成弱挤压差异沉降分隔坳陷型盆地;(4)晚二叠世直至古近纪为弱挤压整体坳陷型盆地,盆地沉积范围逐渐扩大,分隔逐渐统一,地层较为平坦,为浅水三角洲沉积提供良好的沉积环境;(5)古近纪以来,受喜马拉雅运动影响,北天山快速隆升,进入前陆盆地阶段,南缘形成一系列带状褶皱、断裂,而腹部以整体抬升为主[38-40]。

图2 准噶尔盆地腹部典型地震剖面关键不整合界面识别特征

腹部地区二叠系—三叠系地层依据岩性组合和测井响应特征共划分为2个一级层序(二叠系构造层、三叠系构造层)、5个二级层序(下二叠统层序组、中二叠统层序组、上二叠统层序组、下三叠统层序组、中—上三叠统层序组)、8个三级层序。每个三级层序进一步细分出3个体系域,即低位体系域、湖扩体系域和高位体系域。通过对比,认为三级层序单元与地层组具有对应关系,体系域单元与段有近似的对应关系(图1)。目前勘探重点关注的上二叠统上乌尔禾组和下三叠统百口泉组沉积期处于统一坳陷湖盆发育阶段早期,气候由湿润向干旱过渡,并且具有盆大、水浅、坡缓的古地理背景,适宜浅水辫状河三角洲发育。本文也以这2套地层为主要研究对象。

2 浅水辫状河三角洲发育证据与特征

通过对研究区钻井岩心的岩石学特征、沉积学特征、色度指数、井—震响应特征、古坡度和古水系发育特征综合分析,判定准噶尔盆地腹部在晚二叠世—早三叠世盆内的优势沉积体系为浅水辫状河三角洲。

2.1 岩石学特征

腹部上乌尔禾组和百口泉组发育砂砾岩、含砾细砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩和泥岩,砂砾岩和粉—细砂岩颜色以灰色、棕褐色为主,泥岩、粉砂质泥岩以灰色、棕红色和紫色为主。砂岩岩石类型主要为岩屑砂岩,少量长石岩屑砂岩,碎屑组分中岩屑占比普遍高于60%,其成分以中—基性火山岩屑为主,少量沉积岩屑和变质岩屑;砂岩中石英含量占比较低,普遍低于20%。岩石碎屑颗粒分选中等,磨圆以次棱角状—次圆状为主,杂基含量较低,颗粒间不同程度发育方解石、浊沸石及硅质胶结(图3a-f);砾岩和含砾砂岩等粗碎屑岩分选中等—差,但砾石磨圆以次圆状为主,局部可达圆状,且沿长轴方向定向性明显(图3g-h),细粒沉积中发育小型板状交错层理(图3i),表明沉积时期沉积物具有一定的搬运距离,且沉积水动力较强,沉积物经历了较充分的水体淘洗,而非近源的快速沉积卸载。综上所述,百口泉组和上乌尔禾组沉积期沉积物均经历了一定距离的搬运过程,并具有较强的沉积水动力条件,水体淘洗较充分,明显有别于高杂基含量、低结构成熟度、近源快速堆积的扇三角洲沉积[41-42]。

图3 准噶尔盆地腹部上二叠统上乌尔禾组—下三叠统百口泉组碎屑岩岩石学特征

2.2 沉积学特征

腹部上乌尔禾组—百口泉组岩性以砂砾岩、含砾细砂岩和细砂岩为主,夹薄层泥岩、粉砂质泥岩,局部层段呈砂泥互层。以S15井为例,岩心观察结果显示,砂砾岩中砾石成分复杂,可见紫红色、灰绿色火山碎屑岩,变质砾岩和变质砂岩,砾石最大粒径7 cm,平均0.5～2 cm,分选中等;磨圆以次圆状为主,局部可达圆状,砾石定向性明显,长轴方向大致平行层面排列,与下部泥岩层段呈冲刷接触,细砂岩中普遍发育平行层理(图4),整体反映沉积时期水动力条件较强。此外,砂砾岩与泥岩互层段,泥岩和粉砂质泥岩呈棕红色或紫色,反映沉积时期水体较浅,湖平面频繁交替变化。

图4 准噶尔盆地腹部S15井上二叠统上乌尔禾组碎屑岩沉积学特征

岩石薄片粒度统计分析结果显示,百口泉组和上乌尔禾组发育2种类型的概率累积曲线,反映中等搬运距离、水动力条件较强的分流河道和河口坝沉积。以S15井为例,上乌尔禾组粒度概率累积曲线呈双段式和三段式2种分布特征(图4)。三段式累积曲线包括含量较低的滚动组分、较高含量的跳跃组分和中等含量的悬浮组分,其中跳跃组分斜率高,反映较好的分选性,对应平行层理发育的灰色细砂岩;双段式曲线包含跳跃和悬浮2种组分,缺少滚动组分,跳跃组分可进一步划分为2个斜率不同的分支,表明沉积时期可能受河流和湖浪双重水动力作用影响,对应交错层理不同程度发育的细砂岩段。总之,粒度累积曲线指示,上乌尔禾组沉积时期为水体能量较高、局部可能受双重水动力条件影响的牵引流沉积。

2.3 色度指数及展布特征

沉积岩在搬运、沉积到固结成岩过程中受沉积环境影响极大,不同沉积环境下岩石的岩相特征各异,其中对于水体的氧化还原环境的识别划分,除了传统的地球化学元素指标外,成岩矿物,特别是自生矿物的颜色对氧化还原环境也具有一定的指示意义。水体较浅甚至暴露下的氧化环境,成岩矿物表现为棕色、褐色、紫红色等浅色调,称之为氧化色;而水体较深的厌氧还原环境中,成岩矿物主要呈现深灰色至黑色等深色调,即还原色。通过对准噶尔盆地腹部典型井的岩心进行详细观察描述,发现其颜色组合具有明显的变化,可以利用颜色变化来反映沉积时期的氧化还原环境,为沉积相的进一步识别划分提供依据。本文利用录井资料,以10 m厚度为地层单元,赋予该单位地层中的单层岩性颜色对应的氧化还原比例,乘以单层厚度,之后求和,再除以该层段的地层厚度,即可以得到该层段的色度指数。重复上述计算过程,即可得到较大厚度、或平面范围内的色度指数序列,色度指数的正值越大,沉积环境氧化程度越强,负值越大,还原程度越强[14]。

以Z10井为例(图5),通过上述方法得到了其色度指数的垂向变化特征。结果显示,上乌尔禾组中—上段、百口泉组和克拉玛依组以褐灰色、灰褐色、棕褐色等氧化色为主;上乌尔禾组下段、下乌尔禾组及克拉玛依组以灰色—深灰色的还原色为主。上乌尔禾组和百口泉组氧化色厚度占地层总厚的三分之一以上,且氧化色层段与还原色层段呈交替互层状产出(图5a),表明上乌尔禾组—百口泉组沉积期水体深浅呈周期性动荡调整,氧化还原环境交替变化。平面上,选取腹部地区多口典型钻井,基于上述方法获取不同井上乌尔禾组和百口泉组岩石色度指数,明确其平面展布特征。从色度指数平面展布图(图5b-c)可以看出,腹部地区上乌尔禾组和百口泉组沉积期整体均以氧化色为主,表明二者沉积时期水体整体处于氧化环境;从边缘斜坡至腹部深洼区,还原色占比逐渐提高,腹部深洼区还原色占比超过50%,指示了从边缘斜坡至深洼区水体从氧化环境逐渐向还原环境过渡。对比而言,上乌尔禾组沉积时期的色度指数整体高于百口泉组,表明前者水体较后者浅或者水体间歇性暴露时间长于后者。

图5 准噶尔盆地腹部上二叠统上乌尔禾组—下三叠统百口泉组色度指数分布

综上所述,色度指数的纵向和平面分布特征显示,准噶尔盆地腹部上乌尔禾组和百口泉组沉积时期水体深度呈周期性变化,氧化环境和还原环境交替出现,且整体以氧化环境为主,表明二者长期处于频繁动荡、水体深度极浅的沉积条件下,具备浅水辫状河三角洲沉积的典型特征。

2.4 井—震响应特征

除了上述岩石学、沉积学及色度指标外,测井曲线的形态及地震反射结构特征也是沉积相判定的重要手段。本文选取腹部地区多口典型井及地震剖面开展测井相和地震相解剖,进一步明确准噶尔盆地腹部地区上乌尔禾组和百口泉组的沉积特征。

测井曲线中自然伽马和电阻率曲线的变化幅度及其组合特征,对沉积物的粒度和水动力条件具有良好的响应,从而对沉积相具有较好的指示意义。本文通过多口井的测井相详细解剖,在研究区识别划分出了齿化箱型、小型齿化箱型、小型箱型+指状、齿形漏斗、指状、微齿近平直+指状、齿化指状、微齿近平直等8种典型的测井曲线形态。齿化箱型指示沉积物供给充足,水体整体稳定但具有间歇性动荡的沉积特征,岩性上表现为厚层砂岩,局部夹薄层泥岩,代表辫状河道沉积;小型齿化箱型表明沉积水体能量有所降低,水体动荡程度增强,岩性上表现为砂岩层段中泥岩夹层增多或砂岩中泥质含量有所增加,纵向上多个小正旋回沉积相互叠置,代表水下分流河道沉积;齿形漏斗指示水体能量大幅度减弱或沉积物供给不足,岩性上表现为下细上粗的反旋回,向上泥质含量逐渐降低,代表河口坝沉积;指状曲线指示水动力条件突变,沉积物骤然卸载,岩性上表现为厚层泥岩夹粉砂岩或泥质粉砂岩层段,代表前缘席状砂沉积;微齿近平直与指状组合形曲线指示水动力条件整体平稳,伴随突发性的较强水动力,在研究区岩性上表现为氧化色的厚层泥岩夹泥质粉砂岩、粉细砂岩或氧化色砂泥岩互层,代表泛滥平原沉积;微齿近平直曲线代表长期稳定的弱水动力条件,岩性上表现为厚层泥岩或粉砂岩、泥岩等细粒岩,代表滨湖相沉积(表1)。

表1 准噶尔盆地腹部测井曲线组合特征

上二叠统—下三叠统沉积时期,准噶尔盆地处于坳陷湖盆演化阶段,湖盆沉积范围大、沉积水体较浅,沉积物源供给丰富。由于沉积时水体较浅,地震剖面上顺物源或斜交物源方向上三角洲的前积结构不易识别,多表现为连续、强振幅反射,地震同相轴呈低角度倾斜,延伸较远,这种地震反射是坡度缓、水体浅的辫状三角洲沉积响应。在垂直或斜交物源方向,多见断续、强振幅反射,反映分支水道或心滩砂体的沉积响应。在靠近盆内坡折带位置,可见较明显的前积反射结构,但前积反射倾角较小,仍反映湖盆坡缓、水浅的特点。如图6所示,在过Z10井上乌尔禾组下段南北向层拉平地震剖面上,可见自北向南前积反射结构特征,前积反射倾角较小,钻井证实该时期盆地腹部Z10井区域仍发育浅水辫状三角洲沉积体系。

2.5 古坡度和古水系特征

在层序界面识别与解释的基础之上,采用沉积厚度法,恢复了研究区百口泉组沉积时期古地貌图(图7)。结果表明,该时期地形整体平缓,平均坡度在0.8°以下;尤其是盆地中北部,为长而宽的大斜坡。地形的分带性明显,可识别出4个级别的坡折带,从而分割冲积扇区、辫状河三角洲平原区、辫状河三角洲前缘区和湖泊区4个相带,平原区范围较大,前缘区相对较窄。以古地貌格局为基础,恢复出的古水系图(图7)显示,盆地有2个汇聚区,范围并不大,优势水系主要来自西北方向和东北方向,水流方向基本上都是从北往南。物源主要为来自西北方向的乌尔禾物源、克拉玛依物源,及来自东北方向的克拉美丽物源[28]。综合前人[20-24]物源研究结果分析认为,优势物源主要为来自东北方向的克拉美丽物源,其沿着缓斜坡一直可以影响到Z10井区。

图7 准噶尔盆地三叠系百口泉组沉积期古地貌格局

3 沉积模式和时空展布规律

3.1 浅水辫状河三角洲沉积模式及构成组合

一般来说,浅水辫状河三角洲发育于盆大水浅的沉积环境,与常规的辫状河三角洲相比,沉积构成具有典型的浅水特征,即具有大平原、小前缘格局[21]。水涨一线天,水退一片滩。三角洲平原范围较大,根据岩性组合、色度变化、粒度等参数可进一步分为上平原和下平原;三角洲前缘范围较小,河口坝砂体经常不发育[43-45]。准噶尔盆地二叠系—三叠系浅水辫状河三角洲的发育模式与具体构成如图8和表1所示,沉积亚相由平原、前缘、前三角洲三部分构成。其中平原亚相又可细分为上平原、下平原。上平原岩石组合颜色以代表强氧化环境的紫红色、棕红色为主,反映了长期暴露的水上沉积,包括辫状分流河道(低辫状河道)和洪泛平原微相;河道主要表现为厚层“砂包泥”,垂向多叠置,河道滞留层厚,大—中型交错层理,箱形—钟形曲线形态,两段式概率粒度曲线。下平原岩石组合颜色以代表弱氧化环境的杂色、灰绿色为主,反映了间歇暴露的沉积过程,包括网结分流河道(高辫状河道)和洪泛沼泽;河道表现为“泥包砂”,正递变序列,槽状交错层理,沉积物粒度较细,砂体厚,无侧向迁移,小型箱形—指状曲线形态,近三段式概率粒度曲线。前缘亚相展布范围较小,岩石组合颜色以代表水下环境的灰色、灰白色为主,可划分出水下分流河道、河口坝、分流河道间等微相[22-23]。

3.2 横向展布与演化特征

为了进一步揭示准噶尔盆地沉积体系横向展布规律,选取了一条东西向的格架剖面进行解剖(图9)。盆地在裂陷时期(P1j—P1f),在局部小断陷边部顺断层发育冲积扇沉积体系;断坳转换期(P2x—P3w),盆地发生大规模湖侵,盆缘物源尚未大规模发育,沉积类型主要为盆内滩坝、盆缘小型辫状河三角洲;整体坳陷早期(P3w—T1b),地形逐渐平缓,物源大规模向盆内推进,浅水辫状河沉积体系发育,一直持续到克拉玛依组(T2k),此后物源开始萎缩,盆地再次被湖水大范围覆盖(T3b)[24]。需要指出的是,剖面显示浅水辫状河三角洲体系具有多向物源,西部物源影响了中拐凸起、盆1井西凹陷、昌吉凹陷;北部物源主要影响了东海道子凹陷;东北方向物源主要影响了阜康凹陷、北三台凹陷和吉木萨尔凹陷[25]。

3.3 平面展布与演化特征

在上述特征分析的基础上,选取浅水辫状河三角洲体系发育最典型的上乌尔禾组和百口泉组,分别恢复了不同时期沉积体系空间展布格局,多方位、多角度展示浅水辫状河三角洲的空间形态。

上乌尔禾组沉积时期,盆内水体主要为滨浅湖体系,水体较深的区域位于莫西庄以南;莫索湾凸起规模较大且能够向周边洼陷提供物源,向西延伸可影响到Z10井区。此外,盆内的优势物源为来自西部克拉玛依物源和乌尔禾物源控制的辫状河三角洲和来自东北方向克拉美丽物源所控制的辫状河三角洲,二者在夏盐凸起、达巴松凸起、石西凸起一线发生交汇融合后不断向前延伸,其前峰可至莫西庄—永进一带。克拉美丽物源的一支在准东地区形成了大片的浅水辫状河前缘砂体,可影响到阜康凹陷东部(图10)。

图10 准噶尔盆地二叠系上乌尔禾组沉积体系平面展布

百口泉组沉积时期,盆内水体同样为滨浅湖体系,水体总体较浅。来自克拉美丽的物源成为优势物源,自东北向西南沿缓斜坡地形长距离向盆内推进,从而形成了大规模发育的浅水辫状河三角洲,前锋可直达莫西庄—永进地区。浅水辫状河三角洲平原范围大而广,呈片状展布;浅水辫状河三角洲前缘相带窄,呈现带状展布(图11)。准东地区也以浅水辫状河三角洲平原为主。与上乌尔禾组相比,克拉玛依物源和乌尔禾物源明显萎缩,仅仅提供局限在盆地西部边缘的砂体。

图11 准噶尔盆地三叠系百口泉组沉积体系平面展布

4 结论

(1)准噶尔盆地腹部地区上乌尔禾组—百口泉组沉积时湖盆整体处于统一的凹陷期,地形平缓,坡度小,物源供给充足,水体偏浅,具备浅水辫状河三角洲发育的有利地质条件。

(2)上乌尔禾组—百口泉组浅水辫状河三角洲岩性组合以砂砾岩、含砾砂岩等粗碎屑为主,粒度粗、磨圆相对较好,但分选较差—中等,结构成熟度中等;沉积环境整体以氧化为主,夹间歇性还原环境,水体浅且频繁动荡。

(3)上乌尔禾组—百口泉组沉积时期优势水系主要来自西北和东北方向,整体自北向南延伸,发育乌尔禾、克拉玛依及克拉美丽3大物源体系。盆内地形分带性明显,形成冲积扇区、辫状河三角洲平原区、前缘区和湖区4个相带,平面上形成了“大平原、小前缘”的浅水辫状河三角洲沉积格局,其中平原区和前缘区均为有利砂体发育地带

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors’ Contributions

王斌、邱岐参与论文研究思路设计;王斌、陆永潮、杜学斌完成论文结构搭建;王斌、邱岐、陆永潮、刘德志、杜学斌、李祥权、王继远、李振明参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。

The study was designed by WANG Bin and QIU Qi. The paper structure was constructed by WANG Bin, LU Yongchao and DU Xuebin. The manuscript was drafted and revised by WANG Bin, QIU Qi, LU Yongchao, LIU Dezhi, DU Xuebin, LI Xiangquan, WANG Jiyuan and LI Zhenming. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.