基于GIS的吐哈盆地大南湖地區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積相恢復(fù)

姚春玲，蔡煜琦，趙永安，張文明

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

地理信息系統(tǒng) （GIS）是對地球空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、檢索、建模、分析和表示的計算機(jī)系統(tǒng)，在礦產(chǎn)資源評價、基礎(chǔ)地質(zhì)研究等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。

GIS礦產(chǎn)資源與地質(zhì)研究的全過程可以劃分為信息預(yù)處理、信息提取、信息分析、信息轉(zhuǎn)換和信息綜合5個部分，擴(kuò)展GIS功能的目的就是盡可能使這5部分的信息處理過程達(dá)到自動化[2]。

本文以吐哈盆地大南湖地區(qū)為例，以ArcGIS為平臺，快速劃分中侏羅統(tǒng)西山窯組各巖性段沉積相，這為該區(qū)礦產(chǎn)資源評價提供基礎(chǔ)資料的同時，也為其它地區(qū)進(jìn)行類似研究時起到拋磚引玉的作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

大南湖地區(qū)位于吐哈盆地中部，行政區(qū)劃屬于哈密市。大南湖坳陷位于南湖隆起中西部南緣，是吐哈盆地重要的砂巖型鈾礦產(chǎn)地之一。

基底地層：由前寒武系結(jié)晶基底和下古生界褶皺基底組成，具有二元結(jié)構(gòu)特征[3]。結(jié)晶基底在航磁上反映為強(qiáng)磁性特征，地層均遭受變質(zhì)作用，屬低級變質(zhì)相的綠片巖相。巖性主要為結(jié)晶片巖、變粒巖、片麻巖、石英巖、大理巖、變質(zhì)砂巖、板巖、角閃巖和各種混合巖。古生界褶皺基底主要為石炭系和前石炭系，圍繞盆地周邊分布，盆地內(nèi)亦見有零星出露。巖性主要為海相碎屑巖、碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖及中酸性火山巖[4－5]。

沉積蓋層：主要為中侏羅統(tǒng)西山窯組（J2x），東段出露有中侏羅統(tǒng)三間房組 （J2s），西段地表被新生代地層覆蓋。西山窯組巖性主要為灰白、黃褐色厚層粗砂巖、砂巖與灰綠色、灰黑色泥巖互層、炭質(zhì)泥巖和多層可采煤，屬辮狀河流相、辮狀河三角洲相暗色含煤碎屑巖建造。三間房組下部巖性為灰綠色細(xì)礫巖，中部為暗灰色、灰綠色砂巖夾雜色泥巖，上部為黃綠、紫紅色砂質(zhì)泥巖、粉砂巖夾砂巖。新生代地層巖性以沖積平原沉積的松散砂、礫石為主，亦可見風(fēng)成砂、淤積黏土等，局部見膏鹽層。厚度0～80m。

區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為發(fā)育，南湖坳陷南北分別為覺羅塔格造山帶和南湖隆起，中間被一個NE向的中央隆起分割。受該隆起影響，后期發(fā)育與隆起近于平行的復(fù)式褶皺和斷裂構(gòu)造（圖1）[6]。其構(gòu)造式樣總體表現(xiàn)為 “南超北斷、西隆東陷，被褶皺構(gòu)造改造”的特點(diǎn)，即：大南湖凹陷南側(cè)中侏羅統(tǒng)三工河組、西山窯組超覆在覺羅塔格山北緣基底巖石之上，北側(cè)與南湖隆起為斷層接觸，西段相對隆起使得西山窯組第1、2巖性段含煤巖系出露地表；東段相對凹陷出露三間房組。

圖1 哈密盆地大南湖地區(qū)中侏羅統(tǒng)地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Sketch geological structure map of Dananhu area in Tuha basin

區(qū)內(nèi)巖漿巖分布在大南湖坳陷南北兩側(cè)蝕源區(qū)，主要為海西中期產(chǎn)物，少量為海西晚期產(chǎn)物。按巖石組合，可分為二長花崗巖序列和輝長輝綠巖序列，成為本區(qū)的中新生代沉積地層的物源區(qū)和地下水補(bǔ)給源區(qū)，對本區(qū)層間氧化帶型鈾礦床的形成有重要意義。

2 鉆孔數(shù)據(jù)庫的建設(shè)

鉆孔數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Access標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫 （MDB），鉆孔數(shù)據(jù)庫建設(shè)可概括為3個階段。

第1階段：資料收集與整理階段，在該階段主要是收集所有鉆孔資料，根據(jù)不同研究區(qū)地質(zhì)勘探工作程度及項(xiàng)目研究目標(biāo)的需要，制定鉆孔錄入的方案，選擇要錄入的鉆孔，為下一步工作做準(zhǔn)備。

第2階段：鉆孔資料數(shù)據(jù)錄入，依次按照勘探區(qū)記錄表 （一級）－勘探線記錄表 （二級）－鉆孔記錄表 （三級）－綜合編錄表、測井記錄表、礦化信息表 （四級）的順序分別輸入。各表間建立了相互關(guān)聯(lián)的樹形關(guān)系，一方面便于數(shù)據(jù)分類和查詢，另一方面節(jié)省存儲空間。該數(shù)據(jù)庫不僅包括了鉆孔資料所有空間信息，而且還包括施工單位，時間等輔加信息。

第3階段：鉆孔入庫數(shù)據(jù)的校正與檢查，通過編錄數(shù)據(jù)檢查功能進(jìn)行系統(tǒng)自動校正，完成地層標(biāo)高、巖層厚度等的計算；通過剖面圖的制作，檢查層位劃分等。

依據(jù)上述流程，項(xiàng)目組構(gòu)建了大南湖鉆孔資料數(shù)據(jù)庫，入庫資料包括25條勘探線，66個鉆孔。

3 層序地層格架建立

入庫的鉆孔資料如果沒有包含等時地層格架，該庫便是一個 “呆庫”。只有給其賦予層序地層信息，該庫才具有了靈魂。通俗的講，就是對入庫鉆孔資料進(jìn)行合理分層。如果說鉆孔數(shù)據(jù)錄入是個體力活的話，那么等時地層格架建立則需要一定的專業(yè)技能才能完成，是智力活。沉積相恢復(fù)是否正確合理，其關(guān)鍵是等時地層格架的建立。

3.1 標(biāo)志層劃分

本文在綜合石油、煤田部門和核工業(yè)203研究所多年來在大南湖地區(qū)的勘探與研究基礎(chǔ)上[6－7]，結(jié)合項(xiàng)目組詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)資料整理，建立了西山窯組區(qū)域性對比分層標(biāo)志。

（1）西山窯組和上覆三間房組分界標(biāo)志：三間房組湖相泥巖與西山窯組沖積扇礫巖、粗砂巖分界線；

（2）西山窯組第3巖性段與第2巖性段分界標(biāo)志：第3巖性段底部沖刷面，巖性以礫巖、含礫粗砂巖為主；

（3）西山窯組第2巖性段與第1巖性段分界標(biāo)志：第2巖性段底部河道沖刷面，巖性為河底滯留沉積的粗碎屑巖；

（4）西山窯組第1巖性段下伏三工河組（J1s）分界標(biāo)志：第1巖性段底部河道沖刷面，巖性為河底滯留沉積，三工河組上部為泥巖。

依據(jù)上述標(biāo)志層，將西山窯組劃分為3個巖性段，即：

（1）第1巖性段 （J2x1）：主要為粗碎屑巖沉積，砂泥互層，煤層較薄，以沖積扇相到辮狀河流相為主，由5個上升半旋回組成；

（2）第2巖性段 （J2x2）：是一套泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主的含煤建造，底部有一層20～30m粗砂巖或含礫砂巖層，以礫石中出現(xiàn)含豬肝紅色粗面巖角礫或碎屑為明顯標(biāo)志，以三角洲相到河流相為主，由4個旋回組成，總體以下降半旋回為主；

（3）第3巖性段 （J2x3）：主要為中粗砂巖、含礫砂巖和礫巖，基本不含煤層或煤線，以三角洲相到河流相為主，由3旋回組成，總體以上升半旋回為主。

3.2 等時地層格架

入庫的66個鉆孔中大部分未揭穿西山窯組，因此只能對其第2、3巖性段進(jìn)行等時地層格架分析，圖2為本區(qū)縱向?qū)Ρ绕拭?。課題組對入庫鉆孔逐一進(jìn)行單孔等時地層劃分，并對其進(jìn)行橫向、縱向剖面對比分析，直至同一鉆孔在橫向和縱向剖面中均符合等時地層劃分時，該分層界線才最終確定。依次對所有入庫鉆孔進(jìn)行上述分析，最后建成大南湖鉆孔數(shù)據(jù)庫。通過對入庫鉆孔分層統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，第2巖性段地層平均厚度115.67m，最大厚度達(dá)212m，出現(xiàn)在ZK367－367孔；砂體平均厚度為37.58m，最大厚度在ZK640－47孔，為119.6m；礫巖、含礫砂巖平均厚度為11.18m，最大厚度62m （ZK464－155）；煤層平均厚度為7.88m，最大厚度出現(xiàn)在ZK832－127孔，達(dá)到45.4m。第3巖性段地層平均厚度155.52m，最大厚度達(dá)326m，出現(xiàn)在ZK63－72孔；砂體平均厚度為108.54m，最大厚度在ZK0－98孔中為291.6m；礫巖、含礫砂巖平均厚度為35.45m，最大厚度189m（ZK464－259）；煤層平均厚度僅為0.38m，最大厚度為3.2m。

圖2 吐哈盆地大南湖地區(qū)鉆孔地質(zhì)剖面示意圖Fig.2 Borehole columns of Dananhu area in Tuha basin

4 砂體和含砂率特征－巖相劃分標(biāo)志

對入庫鉆孔層序地層學(xué)分析最后定型之后，采用項(xiàng)目自主研發(fā)的提取軟件，提取了西山窯組第2、第3巖性段砂體厚度和砂地比（砂體厚度與統(tǒng)計層地層厚度之比）數(shù)據(jù)作為巖相劃分的標(biāo)志之一，并基于ArcGIS平臺中的Geostatistical Analyst模塊，采用Kriging插值方法，繪制了各巖性段砂體等厚和砂地比等值線圖，這為下一步進(jìn)行沉積相恢復(fù)奠定了基礎(chǔ)。

4.1 西山窯組第2巖性段砂體和砂地比特征

第2巖性段砂地比值等值圖顯示 （圖3），大南湖地區(qū)中東部有一條呈NE－SW向含砂帶（砂地比值0.3～0.6），該含砂帶短軸方向 （NWSE向）寬約3.5～4km。砂體等厚圖表現(xiàn)出西部薄 （10～30m），東北部厚 （30～90m）的特點(diǎn) （圖4）。

4.2 西山窯組第3巖性段砂體和砂地比特征

西山窯組第3巖性段砂地比值等值線圖（圖5）顯示，砂地比值在北部地區(qū)為0.6～1，東南和西南部地區(qū)為0.1～0.5，這反映出水動力北部急，南部稍緩。砂體等厚圖 （圖6）也表現(xiàn)出研究區(qū)北部存在厚大連續(xù)發(fā)育的垛狀砂體，砂巖累積厚度多大于90m。

5 大南湖地區(qū)巖相古地理特征

5.1 西山窯組第2巖性段巖相古地理特征

圖3 大南湖地區(qū)西山窯組第2巖性段 （J2x2）砂地比等值線圖Fig.3 Thickness ratio contour map of sandstone to strata of the second member of Xishanyao formation in Dananhu area

根據(jù)上述圖3和圖4單因素基礎(chǔ)圖件，采用單因素分析多因素綜合作圖法[8]，恢復(fù)各巖性段巖相古地理特征，其步驟為： （1）對各剖面進(jìn)行認(rèn)真的地層學(xué)分析，劃分各剖面各巖性段的沉積環(huán)境特征； （2）在劃分好的各剖面資料中，選擇出那些能獨(dú)立反映其沉積環(huán)境特征的單因素 （如砂地比、砂體厚度等），統(tǒng)計出全區(qū)各剖面各作圖單位的各種單因素的百分含量，作出可以從不同側(cè)面反映該地區(qū)該巖性段的沉積環(huán)境各種相應(yīng)的單因素圖，主要是等值線圖； （3）將這些定量的單因素圖疊加，結(jié)合該地區(qū)該巖性段的其他定定量和定性資料，去偽存真，去粗取精，全面分析，綜合判斷，最終編制出該地區(qū)該巖性段的巖相古地理圖 （圖7）。

從圖7可知，該巖性段在大南湖地區(qū)有鉆孔揭露的范圍內(nèi)主要發(fā)育三角洲平原相沉積，可進(jìn)一步劃分為三角洲平原辮狀河道亞相、漫灘沼澤亞相和泛濫平原亞相。其中辮狀河道呈NE－SW向延伸，推斷古水流向主要為NE向SW，南部邊緣有一小的辮狀河道。

5.2 西山窯組第3巖性段巖相古地理特征

根據(jù)上述圖5和圖6單因素基礎(chǔ)圖件及其綜合對比分析，恢復(fù)了該巖性段巖相古地理特征 （圖8）。從圖8可見，該區(qū)北部發(fā)育有較大的沖積扇，砂體呈垛狀分布，且表現(xiàn)出由中間向前緣和兩側(cè)變薄的特點(diǎn)，具有明顯的沖積扇相沉積特征；中部為扇前辮狀河相沉積；南部邊緣發(fā)育一小型沖積扇，在西南和東南部地區(qū)為泛濫平原相沉積。其沉積格局指示古水流方向?yàn)橛杀蓖?，水流急湍，而由南往北，水流則緩慢。

圖5 大南湖地區(qū)西山窯組第3巖性段 （J2x3）砂地比等值線圖Fig.5 Thickness ratio contour map of sandstone to strata of the third member of Xishanyao formation in Dananhu area

圖6 大南湖地區(qū)西山窯組第3巖性段 （J2x3）砂體等厚圖Fig.6 Thickness contour map of sandstone in the second member of Xishanyao formation in Dananhu area

綜上所述，根據(jù)西山窯組第2巖性段和第3巖性段由老到新沉積相特征，以及少量鉆探揭露的第1巖性段單孔沉積相，初步分析大南湖坳陷在西山窯期湖盆經(jīng)歷了形成－擴(kuò)展－萎縮3個階段。湖盆發(fā)育早期 （相當(dāng)于西山窯組第1巖性段），物源供給充足，形成了以辮狀河沉積為主，三角洲相沉積為輔的沉積格局，自早到晚，沉積物粒度逐漸變細(xì)，從其沉積物垂向退積特征判斷，出現(xiàn)了水體逐漸擴(kuò)大加深的過程；湖盆發(fā)展中期（相當(dāng)于西山窯組第2巖性段），湖盆擴(kuò)展到最大，沉積物粒度變細(xì)，形成了以三角洲為主的沉積格局，此時泥炭沼澤發(fā)育，形成西山窯期主要成煤期，沉積物垂向疊加表現(xiàn)為加積形態(tài)；湖盆發(fā)展晚期 （相當(dāng)于西山窯組第3巖性段），湖盆萎縮，湖面迅速減小，沉積物垂向疊加表現(xiàn)為進(jìn)積形態(tài)，加之物源供給充分，湖盆快速填平，形成了以沖積扇為主的沉積格局。

圖8 大南湖地區(qū)西山窯組第3巖性段沉積期 （J2x3）巖相古地理略圖Fig.8 Map of sedimentary facies and paleogeography while the deposition of the third member of Xishanyao formation in Dananhu area

6 結(jié)論

（1）提出了本區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)庫建設(shè)流程的3個階段，即資料收集與整理、鉆孔資料數(shù)據(jù)錄入和鉆孔入庫數(shù)據(jù)的校正與檢查。數(shù)據(jù)庫各表間相互樹形關(guān)聯(lián)，一方面便于數(shù)據(jù)分類和查詢，另一方面節(jié)省存儲空間。指出鉆孔數(shù)據(jù)錄入是基于GIS沉積相恢復(fù)的基礎(chǔ)，各鉆孔層序地層分析是該庫的靈魂。

（2）依據(jù)層序地層學(xué)分析，建立了將西山窯組3分的層序地層等時地層格架，以此為依據(jù)將入庫鉆孔進(jìn)行分層，最終定型了鉆孔數(shù)據(jù)庫，為正確提取沉積相恢復(fù)的基本參數(shù)，如砂體厚度和砂地比數(shù)據(jù)等奠定了基礎(chǔ)。

（3）基于ArcGIS平臺，恢復(fù)了西山窯組第2、3巖性段的沉積格局，發(fā)現(xiàn)第2巖性段主體沉積格局為三角洲相，局部發(fā)育辮狀河相，第3巖性段主體沉積格局為沖積扇相，在扇體周圍發(fā)育辮狀河相。

（4）根據(jù)沉積相分析，認(rèn)為大南湖坳陷在西山窯期經(jīng)歷了一個完整的湖盆形成、發(fā)展到消亡的過程。湖盆發(fā)育早期相當(dāng)于西山窯組第1巖性段，湖盆發(fā)育中期相當(dāng)于西山窯組第2巖性段，湖盆發(fā)育晚期相當(dāng)于西山窯組第3巖性段。

（5）基于GIS的吐哈盆地大南湖地區(qū)中侏羅統(tǒng)西山窯組沉積相恢復(fù)，一方面深化了該區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)研究，更重要的是為相似地區(qū)進(jìn)行類似研究提供了一種方法。

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