准噶尔盆地东部帐篷沟地区中新生代构造事件及其油气地质意义

2023-10-10聂礼尚马静辉唐小飞张婉金李鸿蕊

岩性油气藏 2023年5期

聂礼尚，马静辉，唐小飞，杨智，张婉金，李鸿蕊

（新疆大学地质与矿业工程学院，乌鲁木齐 830047）

0 引言

帐篷沟地区位于准噶尔盆地东北部沙帐断褶带与石树沟凹陷相接处，北部与克拉美丽断裂带毗邻［1-3］，油气资源丰富，多口探井具有油气显示，勘探潜力较大［4］。诸多学者对该区石油地质条件和构造事件做了研究，石油地质条件方面，张志杰等［5］通过详细的岩石学、沉积相以及烃源岩参数分析，指出平地泉组为区域内最重要的烃源岩，并探讨了平地泉组烃源岩沉积环境演化及分布；黄林军等［6］指出帐篷沟地区油气成藏模式为自生自储，构造事件对油气保存至关重要；刘俊榜等［7］认为该地区油气藏的平面分布与中新生代构造事件产生的断裂相伴而生、关系密切。构造事件方面，李振华［8］通过锆石和磷灰石裂变径迹数据，识别出晚侏罗世—早白垩世（160～90 Ma）存在构造抬升事件；宋继叶等［9］通过实测磷灰石裂变径迹方法识别出晚三叠世—早侏罗世（210～180 Ma）、晚侏罗世—早白垩世（160～80 Ma）2 期构造抬升事件；Wu 等［10］通过分析地震剖面并结合磷灰石裂变径迹数据识别出4 期构造抬升事件，分别发生在中三叠世—早侏罗世（240～180 Ma）、晚侏罗世或早白垩世（140 Ma）、晚白垩世—古新世（100～60 Ma）、始新世至今（38～0 Ma）。由于中新生代复杂的构造背景，加之使用资料和方法的不同，目前学术界对构造事件的划分还未达成统一认识。此外，学者们在准噶尔盆地东部地区的勘探研究工作主要集中在区域南部和中部，特别是南部博格达山前地带，对北部帐篷沟地区的研究相对薄弱，对该地区中新生代构造事件发生期次、年代仍存争论，决定油气成藏的关键性构造事件仍不清晰，中新生代多期构造事件在油气成藏、成藏后改造或破坏过程中的影响也尚未厘清。

以地质、钻井和地震资料为基础，厘定准噶尔盆地东部帐篷沟地区区域性不整合面，并结合磷灰石裂变径迹数据，识别出关键构造抬升事件时期，弄清研究区在不同时期的构造变形特征与叠合演化过程，以期明确中新生代多期构造事件与油气成藏要素、成藏过程、早期油藏改造之间的关系，为该区下一步油气勘探提供科学依据。

1 地质概况

准噶尔盆地位于中亚造山带南部，北邻西伯利亚板块，西邻哈萨克斯坦板块，南接塔里木板块，为典型大型叠合盆地，油气资源丰富［11-12］（图1a）。研究区帐篷沟地区位于准噶尔盆地东北部，北接克拉美丽山，南邻沙奇凸起，整体呈北东向展布（图1b）。自中生代以来，该区受多期构造运动影响，经历了复杂的演化过程［11，13-14］，古生界和中新生界从帐篷沟背斜核部至东西两翼地层逐渐年轻，呈近对称式分布，地层倾角中等—平缓（图1c）。

图1 准噶尔盆地构造位置（a）、盆地东北部构造单元划分（b）（据文献［12］修改）及帐篷沟地区地质构造图（c）Fig.1 Tectonic setting of Junggar Basin（a），structural units division in northeastern Junggar Basin（b）and geological structure outline of Zhangpenggou area（c）

帐篷沟地区古生代出露石炭系巴塔玛伊内山组（C2b），二叠系赤底组（P1c）和平地泉组（P2p），从实际勘探来看，平地泉组烃源岩厚度大、分布广，是区域内最重要的现实性烃源岩。中新生界自下而上为三叠系上仓房沟群（T1ch）、小泉沟群（T2-3xq），侏罗系八道湾组（J1b）、三工河组（J2s）、西山窑组（J2x）、石树沟群（J2-3sh），白垩系吐谷鲁群（K1tg），新近系沙湾组（N1s）以及第四系（Q）（图2）。由于多期构造运动的影响，中新生代地层遭受了不同程度地强烈改造和剥蚀，白垩系以下地层发生强烈褶皱变形，以上地层构造变形强度相对减弱，但剥蚀程度很大［15］。

图2 准噶尔盆地东部帐篷沟地区岩性地层综合柱状图（修改自卡拉麦里山幅，1965）Fig.2 Stratigraphic column of Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

研究区主要构造为近南北走向的断背斜构造，在中新生代挤压背景下形成，可分为早期东西向挤压和晚期南北向挤压2 个阶段［16-17］。晩侏罗世，在克拉美丽断裂带脆性左行平移活动产生的东西向挤压应力下，早期近南北向褶皱形成；古近纪初，在克拉美丽断裂带脆性逆冲活动产生的南北向挤压应力的叠加下，现今的断背斜形成［18］。研究区最大规模的断裂为高角度的帐东断裂，断裂性质为逆冲断裂，是准噶尔盆地东北部重要的控凸构造。

2 构造事件

2.1 不整合面

自中新生代以来，准噶尔盆地东部地区经历了复杂的构造变形，形成了多期不整合。根据帐篷沟地区的野外露头、地震和钻井资料识别出中新生代存在4 期区域性不整合，分别为侏罗系八道湾组与三叠系小泉沟群不整合（J1b/T2-3xq）、白垩系吐谷鲁群与侏罗系石树沟群不整合（K1tg/J2-3sh）、新近系沙湾组与白垩系吐谷鲁群不整合（N1s/K1tg）、第四系与新近系沙湾组不整合（Q/N1s）。

2.1.1 野外露头

研究区野外露头展示了第四系（Q）和新近系沙湾组（N1s）、白垩系吐谷鲁群（K1tg）和新近系沙湾组（N1s）、侏罗系八道湾组（J1b）和三叠系小泉沟群（T2-3xq）地层之间的野外不整合接触界面（图3）。新近系沙湾组岩性主要为浅褐色、灰色砂岩、砾岩，与上覆第四系和下伏白垩系吐谷鲁群均呈角度不整合接触。侏罗系八道湾组主要岩性为黄色、灰色、白色石英玛瑙砾岩、砂质泥岩夹砾岩及含铁砂岩，与下伏三叠系小泉沟群呈角度不整合接触。

图3 准噶尔盆地东部帐篷沟地区野外露头不整合接触界面Fig.3 Field unconformity contact interface in Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

2.1.2 测井剖面

根据帐篷沟地区重点探井资料，分别建立南北向、东西向2 条连井剖面，以反映不同年代地层的展布特征及不整合接触关系。

南北向剖面（大8 井—石树1 井—大2 井—大4井—大3 井）（图4a）显示，帐篷沟地层整体具有北高南低的特征，发育4 期不整合：①二叠系、三叠系沉积厚度大，且由北向南地层厚度呈减小趋势，此时的沉积中心在北侧，下三叠统上仓房沟群与下伏二叠系呈角度不整合接触；②侏罗系整体向北抬升，底界不整合在剖面上非常明显；③南部大2 井和大4 井钻遇中—上侏罗统石树沟群，而北部石树1 井和大6 井未钻遇该地层，石树沟群由于后期构造运动导致部分地区被部分剥蚀，与上覆白垩系地层呈角度不整合接触；④南部大8 井、石树1 井钻遇下白垩统吐谷鲁群，北部大2 井、大4 井、大3 井钻井结果均显示该地层缺失，地层尖灭点位于石树1 井与大2 井之间，吐谷鲁群向北超覆尖灭，与上覆古近系呈角度不整合接触，古近系地层只在大8 井有钻井显示，大2 井、大4 井、大3 井新生代地层几乎全部缺失。

图4 准噶尔盆地东部帐篷沟南北向（a）及东西向（b）连井剖面（剖面位置见图1b）Fig.4 NS well-tie profile（a）and WE well-tie profile（b）of Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

东西向连井剖面（火南5 井—帐6 井—帐5 井—大2 井—大7 井）（图4b）显示，研究区内主要构造帐篷沟背斜对地层东西向分布具有控制作用，背斜核部构造高部位帐5 井新生代遭遇强烈剥蚀，仅残留三叠系上仓房沟群，上覆地层均遭剥蚀；两翼地层向背斜核部方向被削蚀，远离背斜核部的火南5井、大7 井钻遇地层较全，沉积厚度大。帐东逆断裂是控制帐篷沟背斜的关键构造，使得帐篷沟断背斜构造具有前翼短、后翼长，前翼陡、后翼缓的特点。该剖面新生代的剥蚀情况与南北向连井剖面显示一致，地层不整合接触关系也具有一致性。

2.1.3 地震剖面

近年来，国家加大了环保领域如大气污染治理、水处理和土壤治理与修复等方面的政策投入和资金支持，未来钢渣作为环保材料利用的途径和规模将有显著的提升空间，也是解决钢渣处置难题、提高钢渣利用附加值的重要途径。

从研究区北西—南东向地震测线追踪中新生代地震地质层位，识别出3 期区域不整合（图5）。

图5 准噶尔盆地东部帐篷沟地区地震解释剖面（剖面位置见图1b）Fig.5 Seismic interpretation sections of Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

（1）T—J 不整合。三叠纪末—侏罗纪初是准噶尔盆地东部地区一次重要构造运动时期，侏罗系底界八道湾组（J1b）超覆在中—上三叠统小泉沟群（T2-3xq）之上，该不整合为发育在整个准噶尔盆地东部地区的区域性不整合（图5b）。三叠纪末产生的南北向挤压应力导致接触面为高角度不整合接触。

（2）J—K 不整合。J—K 不整合为整个准噶尔盆地发育的区域性不整合。侏罗纪末期，克拉美丽山再次抬升并在盆地内形成帐北断褶带，盆地东北部凹凸相间的“棋盘式”格局得到强化改造［19-20］。研究区进一步隆起使侏罗系遭受强烈剥蚀，白垩系吐谷鲁群（K1tg）不整合覆盖在侏罗系之上，低角度削截下伏侏罗系（图5c）。白垩系在背斜核部缺失，底界不整合面后期发生了褶皱变形，指示更晚期的构造运动。

（3）K—N 不整合。白垩纪以来，克拉美丽山的活动强度大大减弱，对研究区的影响减弱。来自博格达的隆升和来自南部的挤压渐强，逐渐超过来自北部的挤压应力影响。白垩纪末期，在喜山运动的影响下，准噶尔盆地东部开始整体隆升并整体向西南方向掀斜，帐篷沟地区构造抬升作用有所加强，不整合构造行迹主要表现为新近系沙湾组地层对白垩统地层的削截（图5d）。

2.2 磷灰石裂变径迹年龄

调研准噶尔盆地东部帐篷沟周缘地区的磷灰石裂变径迹数据（表1），发现样品岩性以砂岩为主，部分为花岗岩，另有少量的闪长岩、凝灰岩，测试矿物均为磷灰石；样品中值年龄为197.0～41.6 Ma，所有样品的表观年龄都远小于其真实地质体的年龄，说明均经历了不同程度的退火作用，磷灰石径迹长度为11.10～14.60 μm，标准差为0.22～2.70 μm，小于原始径迹长度16.30 μm，属于较短径迹，反映经历的退火作用较强。磷灰石裂变径迹年龄分布直方图显示年龄组具多峰分布特点，表明岩体经历了复杂的冷却隆升历史（图6）。

表1 准噶尔盆地东部帐篷沟周缘地区磷灰石裂变数据统计表（数据来源自文献［9-10，21-23］）Table 1 Apatite fission data of the surrounding areas of Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

图6 准噶尔盆地东部帐篷沟地区磷灰石裂变径迹年龄直方图Fig.6 Apatite fission track age histogram of Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

2.3 不整合面和构造事件匹配关系

通过对区域不整合面的识别以及调研得到的磷灰石裂变径迹测年数据分析，识别出准噶尔盆地东北部自中生代以来存在4 次构造隆升：晚三叠世—早侏罗世、晚侏罗世—早白垩世、晚白垩世—古新世，中新世至现今。其中侏罗纪末期的隆升最为明显，构造隆升时期与测井、地震资料分析的区域不整合面匹配关系较好。

（1）晚三叠世—早侏罗世挤压隆升。三叠纪，准噶尔地块已经演化成刚性地块，并进入陆内盆地的统一沉积阶段。三叠纪末期，区域构造活动出现了一个高峰，在北北东—南南西向的挤压应力背景之下，克拉美丽断裂带上盘向南产生脆性逆冲活动；北北东—近南北向构造叠加改造早期的近北西—北西西向构造，棋盘格状构造格局在准噶尔盆地东部地区基本形成，研究区地层整体抬升，隆升高处受到剥蚀，与侏罗系地层形成区域性不整合接触［24-25］。

（2）晚侏罗世—早白垩世挤压隆升。早侏罗世—中侏罗世，准噶尔盆地东部地区整体处于相对松弛伸展的区域构造背景之下，帐篷沟地区再次进入稳定沉降期，开始填平补齐式沉积，有机质在此时开始大量生烃。晚侏罗世，在东西向强烈挤压应力影响下，克拉美丽断裂带产生脆性左行平移活动，在盆地内形成帐北断褶带、北三台凸起和三台凸起。自此，山前西端统一凹陷的构造格局被改变［1，14，26］。研究区地层开始大范围隆升并长时期遭受剥蚀，晚侏罗世地层被剥蚀殆尽，使白垩系吐谷鲁群不整合覆盖在中侏罗统西山窑组之上。同时，中二叠世—晚三叠世帐北断裂带形成的褶皱和断裂幅度进一步变大，准噶尔盆地东部地区棋盘格状构造格局进一步强化并最终定型。此后，先期形成的断裂、褶皱构造经此次运动后基本停止活动。

（3）晚白垩世—古新世隆升掀斜。白垩纪，研究区的构造运动相比侏罗纪已经大幅减弱，沉降中心向西迁移，准噶尔盆地东部整体处于抬升剥蚀阶段。一方面，克拉美丽山和博格达山的活动仍然持续，但强度已明显变弱；另一方面博格达的隆升和来自南部的挤压逐渐增强，来自南部的挤压应力影响逐渐超过来自北部挤压应力的影响。早白垩世，准噶尔盆地东部地形呈东南高、西北低，吐谷鲁群沉积局限于区域西北部，为席状展布的一套河流及洪积平原沉积，湖盆水体总体处于快速萎缩状态。晚白垩纪，由于板块的碰撞，准噶尔盆地东部地区开始整体隆升并向西南方向掀斜，帐篷沟地层整体抬升剥蚀，上白垩统被剥蚀殆尽。

（4）中新世至现今持续隆升剥蚀。中新世以来，区域构造应力较白垩世发生了明显的变化，东北与西北方向的作用力减弱，源自南部新特提斯构造域的挤压应力在准噶尔盆地东部地区的构造演化影响中明显占优势，此时构造活动集中于南侧。南缘表现为强烈的逆冲断裂作用，该地区也进一步向南—西南方向掀斜。北部克拉美丽山一带成为前缘隆起，使得北区的一部分地区构造运动以差异升降为主［26］。帐篷沟表现为地层持续地整体抬升，新生代大部分地层被剥蚀。

3 构造事件与油气成藏

3.1 埋藏生烃史

准噶尔盆地东部帐篷沟地区埋藏史恢复所需基础地质数据来源于新疆油田，包括分层数据、地层厚度及岩性数据；中新生代埋藏史剥蚀量计算采用声波时差法，通过趋势法确定二叠系、三叠系、侏罗系的剥蚀厚度；古地温梯度参考帐篷沟邻区五彩湾地区，并结合已有的对准噶尔盆地东部地区古地温场的研究成果［27-29］，得到二叠系至今的地温梯度。基于上述数据及基础地质资料，运用BasinMod盆地模拟软件对研究区典型井进行盆地埋藏史、成熟史一维模拟分析，得到典型井的埋藏生烃史曲线图。

二叠纪以来，帐篷沟地区处于稳定的大型陆内坳陷演化阶段，构造活动弱，在辫状河三角洲-湖泊沉积环境下，区域地层整体沉降，持续接受碎屑沉积，中二叠统平地泉组发育的油页岩、泥岩，成为研究区最重要的烃源岩。单井热演化史（图7）显示：三叠纪中期帐篷沟地区油气进入生烃门限，此时烃源岩成熟度较低，油气尚未大量生成；三叠纪末克拉美丽造山带向盆地逆冲，帐篷沟地区隆升剥蚀，生烃过程发生停滞［4］；早—中侏罗世，研究区在伸展构造背景之下再次进入稳定沉降期，此时地层达到最大埋深，二叠系烃源岩开始大量生烃，进入主力生烃期；晚侏罗世，帐篷沟地区受到稳定的近东西向挤压应力，南北向断背斜构造初步形成，研究区遭到不同程度的抬升，之上被白垩系地层不整合覆盖，此阶段抬升剥蚀使二叠系烃源岩埋藏变浅，地层冷却，温度降低，生烃速率逐渐下降为零。整体而言，帐篷沟地区烃源岩的生烃过程受构造作用的控制，早期演化程度达到生烃门限，后期随构造事件的发生，地层抬升，生烃速率减缓或停滞，属于早生晚滞型成烃演化模式。

图7 准噶尔盆地东部帐篷沟地区石树1 井中新生代埋藏生烃史Fig.7 Meso-Cenozoic buried hydrocarbon generation history of well Shishu-1 in Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

3.2 构造事件对油气成藏的影响

钻井揭露的研究区烃源岩为上石炭统巴塔玛依内山组和中二叠统平地泉组，其中，赋存于中二叠统平地泉组的油页岩、云质灰岩、泥岩及灰质泥岩是该区最重要的烃源岩。已有多口探井在平地泉组有油气显示，且该套烃源岩有机质类型好、丰度高，也是区内最重要的现实性烃源岩，为研究区提供了充足的油气来源。油气在三叠世中期开始生烃，并在侏罗纪中期达到生烃高峰，晚侏罗世在东西向挤压应力之下圈闭形成，断层活动强烈，油气沿复杂的断裂-不整合输导体系在构造高部位成藏，原油的形成呈近源成藏的特点，成藏模式为近源侧向运移自生自储型［5-8］（图8）。

图8 准噶尔盆地东部帐篷沟地区二叠系平地泉组油气成藏模式及成藏事件（剖面位置见图1c）Fig.8 hydrocarbon accumulation model and event of Permian Pingdiquan Formation in Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

通过对帐篷沟地区中新生代主要构造事件、构造演化过程及油气地质特征的研究，分析晚三叠世—早侏罗世、晚侏罗世—早白垩世、晚白垩世—古新世、中新世至今共4 期构造事件对该区油气运聚的影响。三叠纪准噶尔盆地东部地区进入了稳定的大型陆内坳陷发育阶段［30］。随时间和埋深的增加，中三叠统达到生烃门限，开始生烃；晚三叠世—早侏罗世，克拉美丽断裂带向南逆冲，研究区整体抬升，在隆升高处受到强烈剥蚀，生烃速率减小，油气尚未大量生成。侏罗纪，准噶尔盆地东部地区原有的构造格局再次改变。侏罗纪早—中期，盆地处于伸展构造背景下，构造运动稍弱，整体属于大型浅水泛盆沉积［30］，克拉美丽山前地带地层沉降，接受沉积，达到最大埋深，研究区二叠系烃源岩达到生烃高峰期。晚侏罗世—早白垩世，研究区构造活动十分强烈，受近东西向挤压应力的影响，断背斜初步形成，成为油气储集的有利场所，该时期产生的断裂和油气成藏期匹配良好，成为油气运移的重要通道，油气在侏罗纪晚期成藏。白垩纪，研究区构造活动强度减弱。晚白垩世—古新世，克拉美丽西段的盆山活动带的构造活动再次加剧，并向盆地逆冲，研究区地层整体抬升并向南发生大幅度翘倾，地层抬升剥蚀，上白垩统地层全部缺失，生烃过程发生停滞。中新世至现今，南部新特提斯构造域的挤压应力导致克拉美丽山频繁地隆升，该时期构造挤压造成的效应主要体现在对山前构造带的改造，研究区持续隆升，构造作用对油藏以破坏作用为主，断裂活动程度增加，油气沿断裂再次发生运移，对于先期形成的油气藏更多起破坏作用。

综合分析认为，中新生代以来控制研究区油气成藏的关键构造事件是晚侏罗世—早白垩世挤压隆升，产生的强烈构造应力使得烃源岩排烃、断裂-不整合输导体系、断背斜构造等作用相互综合，油气在该时期聚集成藏。由于帐篷沟地区处于盆山过渡带这一特殊的地理位置，构造事件对该区的控制作用都是通过克拉美丽断裂带来实现。

3.3 油气分布特征

前期勘探和研究已经证实，准噶尔盆地东部发现的众多油气藏的分布和断裂及不整合面密切相关［31-33］。区域北部的火烧山油田东侧，沿火东逆断裂在其上盘自北向南发现了火烧山背斜油藏、火南背斜油藏以及火8 井岩性油藏；在火烧山油田西侧，紧靠沙东逆断裂下盘由北向南发现了沙东1 井断鼻油藏和沙东2 井断块油藏［34］，断裂构造及不整合控制了油气平面分布，研究区的油气分布也符合该特征。对油气的运聚模式（图9）进行分析发现，帐篷沟地区二叠系烃源岩生成的油气一方面沿着不整合面向构造高部位运移，另一方面沿着断裂运移到二叠系平地泉组顶部不整合面，在背斜核部或翼部凸起遮挡区成藏。后期构造运动产生的连源断裂成为油气垂向运移的通道，油气沿断裂构造向上转移或逸散。

图9 准噶尔盆地东部帐篷沟地区油气平面分布Fig.9 Hydrocarbon distribution in Zhangpenggou area，eastern Junggar Basin

新生代以来，构造运动对油气的改造更多的是破坏作用。帐篷沟地区地层的抬升与翘倾使得背斜圈闭要素改变，油藏的容积减小，油气沿易溢出点泄露，但并没有破坏圈闭的完整性。此时产生的断裂多为大型断裂，活动强烈，不利于油藏的保存，多造成先期油气聚集的调整乃至破坏，与油气的分布关系不大。综合分析认为，帐篷沟地区断裂、不整合面附近的二叠系平地泉组是油气聚集的有利区。