塔里木盆地北部三疊系“二元”層序結構特征及演化模式①

吳嘉鵬 陸金波 王英民 萬麗芬 周興海 夏廣勝

(1．中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室 北京 102249;2．中國石油大學(北京)地球科學學院 北京 102249;3．恒泰艾普石油天然氣技術服務股份有限公司 北京 100084;4．中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司研究院 上海 200120;5．中國石油化工集團國際石油勘探開發(fā)有限公司 北京 100083)

前陸盆地由于蘊含著豐富的油氣資源，其沉積充填、構造演化等是地質學研究的熱點，近年來國內先后在庫車、塔西南、準噶爾南緣、川西等前陸盆地油氣勘探已獲得突破或重要進展［1］，層序地層學理論在前陸盆地油氣勘探過程中發(fā)揮著重要的作用。隨著油氣勘探的逐步進行，前陸盆地層序地層方面的研究也取得了很大的進展，但是，研究還處于起步階段［2］。由于前陸盆地的擠壓應力背景，其沉積充填、層序疊置樣式等與典型被動大陸邊緣盆地有差異［2］，也與規(guī)模小、物源近、相帶窄、內部構造分異大的陸相斷陷沉積盆地不同［3，4］。因此對前陸盆地地層層序結構、主控因素等的研究，可以揭示前陸盆地的沉積、構造演化規(guī)律，為油氣資源勘探提供理論依據(jù)。

本文綜合利用露頭、巖芯及測井等資料，通過庫車坳陷與塔北隆起區(qū)的地層對比，建立了塔里木盆地北部層序地層格架，并對塔里木北部庫車坳陷及塔北隆起地區(qū)層序結構進行分析，探討其特殊的“上粗下細”的“二元”層序結構特征及其主控因素，并在此基礎上建立了塔北三疊系的層序發(fā)育模式。

1 區(qū)域地質特征

塔里木盆地受北部天山、南部昆侖山的影響，是一個多旋回疊合復合型盆地［5～8］。古生代末期塔里木板塊成為歐亞大陸板塊的南邊緣，南部為古特提斯洋和羌塘地塊。塔里木南緣特提斯洋在三疊紀向北強烈俯沖，三疊紀末羌塘地塊與塔里木板塊發(fā)生碰撞。整個三疊紀，塔里木板塊受南緣板塊活動而處于擠壓狀態(tài)，在這樣的構造背景下，塔里木盆地進入前陸盆地演化階段［5］。本次研究區(qū)主要是盆地北緣前陸構造特征明顯的庫車坳陷及其南側的臺盆區(qū)。

由于不同地區(qū)所受構造應力不盡相同，因此造成庫車坳陷、塔北隆起等地區(qū)的沉積充填特征有一定區(qū)別。李維峰等［9］早在1995年研究發(fā)現(xiàn)，塔里木盆地庫車坳陷三疊系發(fā)育辮狀河三角洲沉積;并通過進一步研究，發(fā)現(xiàn)該層系還發(fā)育有沖積扇、扇三角洲、湖泊等沉積［10］;紀云龍等［11］通過研究發(fā)現(xiàn)，庫車坳陷三疊系靠近北部山前發(fā)育大套沖積扇、扇三角洲和辮狀河三角洲沉積，向坳陷中心有辮狀河三角洲及湖泊沉積;根據(jù)野外露頭、鉆井等資料，賈進華和薛良清［12］認為庫車坳陷三疊系為沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲及湖泊相沉積。

圖1 塔里木盆地北部構造單元分布圖Fig．1 Tectonic elements distribution of northern Tarim Basin

前人對位于塔北隆起上的阿克庫勒凸起三疊系沉積研究較多，通過綜合利用地震、鉆測井、巖芯等資料，結合鏡下觀察、粒度分析等手段，研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)主要發(fā)育辮狀河相［13，14］、辮狀河三角洲相［13～17］、濱淺湖［13～16］、深湖—半深湖相［13～16］，也有湖底扇沉積發(fā)育［13，15，16，18，19］，但規(guī)模不大，分布范圍較為局限。前人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)塔北—塔中地區(qū)的主要沉積相類型包括:辮狀河三角洲相［20～23］、湖泊相(包括濱淺湖及深湖—半深湖相)［20，22～24］及扇三角洲相［20～22，24］，偶見湖底扇［21］發(fā)育。

由上述可知，庫車坳陷三疊系主要發(fā)育沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲及湖泊沉積組合，靠近天山山前主要是發(fā)育沖積扇等近物源的扇體沉積，近坳陷中心主要是辮狀河三角洲及湖泊沉積;塔北隆起區(qū)主要為辮狀河、辮狀河三角洲及湖泊沉積，深湖沉積中偶見湖底扇。

2 塔里木盆地北部三疊系層序分析

通過對庫車坳陷和臺盆區(qū)的地層對比，發(fā)現(xiàn)庫車坳陷的庫車河露頭下三疊統(tǒng)俄霍布拉克組與臺盆區(qū)柯吐爾組相當，均發(fā)現(xiàn)有 Limatulasporites-Huabeisporites-Taeni-aesporites-Lundbladispora 化 石 組 合［25］。庫車河剖面中三疊統(tǒng)克拉瑪依群與臺盆區(qū)阿克庫勒組相對應，分別發(fā)現(xiàn)了中三疊世植物化石組合Tersiellaradozenko-Aipteridium kuqaense［26］和 孢 粉 化 石Assererospora-Punctatisporites。庫車坳陷黃山街組孢粉化石組合Aratrisporites-Chordasporites-Cyclogranisporites-Alisporites與臺盆區(qū)哈拉哈塘組孢粉化石組合Alisporites-Cyc-logranisporites-Dictyophyllidites有很好的對比性。臺盆區(qū)上三疊統(tǒng)沉積的孢粉化石中，未發(fā)現(xiàn)與塔里奇克組相對應的孢粉及化石組合Minutosaccus-Quadra-ceculina-Osmundacidites-Piceaepollenites，這說明臺盆區(qū)可能缺失該時期的沉積。

本文將分別利用位于庫車坳陷北部的庫車河三疊系露頭及塔北隆起區(qū)典型井的巖性、測井等方面的資料，建立層序地層格架，分析三疊系不同層序巖性組合及沉積相等方面的變化特征，剖析塔北地區(qū)三疊系的層序結構特征及成因。

2．1 庫車河三疊系剖面層序分析

庫車河三疊系剖面位于庫車坳陷北部的單斜地帶(圖1)，該剖面地層出露良好，界面清楚，化石豐富，是一套陸相碎屑巖沉積，總厚度約1 900 m。利用露頭上的巖性組合、沉積構造等，研究庫車坳陷沉積環(huán)境、地層界面的不整合特征，進而進行層序的劃分及特征的分析。

同一盆地不同構造演化階段發(fā)育的沉積地層，代表了特定應力場下的盆地充填，將其稱之為層序組，其相當于二級層序。通過對剖面特征的觀察與分析，在庫車坳陷三疊系內識別出了共4個層序組(TSQS)，并細分為10個三級層序(TSQ1～TSQ10)(圖2)。由于長時間的暴露、風化侵蝕及沖刷等作用，陸相地層的層序界面在露頭上多表現(xiàn)為沉積相的轉換面、古土壤層、底礫層或者沖刷面等。庫車河露頭觀察表明，僅TSQ3、TSQ6和TSQ9與下伏層序之間發(fā)育明顯的削截面(圖3)，而其他層序之間的接觸關系，更多表現(xiàn)為粗粒碎屑巖對下伏細粒碎屑巖的沖蝕面，這意味著僅界面SB3(圖3a)、SB6(圖3b)和SB9與大規(guī)模的構造運動相關，認為其為各個層序組的界面(圖 2，3)。

TSQ1和TSQ2層序底部發(fā)育大套礫巖沉積，沉積物粒度粗、成分雜、分選差，主要為泥石流沉積;向上礫石含量降低，頂部發(fā)育雜色、紅褐色泥巖，反映環(huán)境能量降低(圖2)。綜合判斷其沉積屬沖積扇環(huán)境，由下而上，由扇根向扇中過渡。與之相比，TSQ3和TSQ4以扇三角洲、辮狀河的大套砂礫巖和湖泊環(huán)境下的暗色泥巖為特征。層序下部發(fā)育河道充填沉積，巖性主要為灰色、灰白色含礫粗砂巖、中砂巖;層序上部則主要發(fā)育大套的泥巖沉積，頂部受后期層序截削，侵蝕接觸關系明顯(圖2)。層序構成具有“下粗上細”的構型特征。TSQ5～TSQ8下部為灰白色砂礫巖，上部為暗色泥巖(圖2)。相對早期層序，該階段沉積層序內部泥巖段厚度增加，泥巖的顏色也更深，反映了湖泊環(huán)境水體較早期有所增加。TSQ9～TSQ10內部，泥巖厚度減小，局部出現(xiàn)煤層(圖2)。

對庫車河三疊系剖面分析表明，每一個三級層序巖性上均具有“下粗上細”的“二元”結構特征。其中，將層序下部的粗粒沉積劃分為低位體系域，而上部細粒沉積統(tǒng)稱為湖侵—高位體系域。

圖2 塔里木盆地庫車河三疊系剖面層序綜合柱狀圖(露頭位置見圖1)Fig．2 Composite stratigraphic column of Triassic in Kuqa River of Tarim Basin(outcrop location in Fig．1)

圖3 庫車河三疊系剖面層序組界面特征Fig．3 Triassic sequence set boundary characteristics of Kuqa River

2．2 塔北隆起區(qū)三疊系層序分析

GP5井位于順托果勒低隆起與庫車坳陷區(qū)之間的東西向基底隆起即塔北隆起上(圖1)，結合測井以及巖性等資料，在該井三疊系內共識別出了TSQ1～TSQ5共5個三級層序。其中TSQ1～TSQ2對應下三疊統(tǒng)柯吐爾組(T1k)，TSQ3～TSQ4對應中三疊統(tǒng)阿克庫勒組(T2a)，TSQ5對應上三疊統(tǒng)哈拉哈塘組(T3h)(圖4)。通過臺盆區(qū)與庫車坳陷地層對比分析可知，塔北地區(qū)三疊系TSQ1～TSQ5與庫車坳陷TSQ1～TSQ5對應，塔北地區(qū)缺失與庫車坳陷TSQ6～TSQ10可對比的地層?？v觀GP5井層序結構特征，發(fā)現(xiàn)其與庫車坳陷層序結構特征類似，巖性上也具有“下粗上細”的二分特征(圖4)。

GP5井的TSQ1、TSQ2主要以濱淺湖—半深湖的沉積環(huán)境為主。低位體系域發(fā)育濱淺湖砂壩沉積，TSQ1的湖侵—高位體系域以半深湖泥巖沉積為主，TSQ2的湖侵—高位體系域以濱淺湖泥巖沉積為主(圖4)。受物源供給的影響，TSQ3～TSQ4的低位域的粗粒碎屑巖厚度較小，為辮狀河三角洲和半深湖—深湖沉積(圖4)。與前面兩個層序相比，TSQ3和TSQ4低位體系域粗粒碎屑巖厚度增加。這說明由TSQS1到 TSQS2時期，GP5井區(qū)物源更加充足。TSQ5時期，沉積環(huán)境為辮狀河三角洲和半深湖—深湖環(huán)境，但其厚度比早期三級層序大，湖侵體系域和高位體系域的區(qū)分也不明顯(圖4)。

圖4 GP5井三疊系層序地層柱狀圖(井位位置見圖1)Fig．4 Stratigraphic column of Triassic in Well GP5(well location in Fig．1)

通過對庫車河剖面和塔北隆起區(qū)GP5井層序結構的分析，表明在擠壓作用明顯的塔里木盆地北部地區(qū)即庫車前陸坳陷及塔北隆起區(qū)，三疊系層序結構具有明顯的“下粗上細”的“二元”結構特征。每個層序分為低位體系域與湖侵—高位體系域，其中低位體系域發(fā)育辮狀河河道或辮狀河三角洲粗粒碎屑巖沉積，而湖侵和高位體系域沉積特征相似，主要發(fā)育湖相細碎屑沉積，以泥質為主。前人對臺盆區(qū)三疊系層序進行研究，也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律，三疊系的每個層序低位域沉積了辮狀河三角洲、扇三角洲等粗粒沉積，湖侵—高位體系域多為半深湖—深湖等較細粒沉積物［22］。

塔里木盆地三疊系南北向地層對比所顯示出的“下粗上細”層序結構，主要分布在庫車坳陷和靠近塔北隆起的地區(qū);而遠離塔北隆起地區(qū)則表現(xiàn)為正常的三分層序特征(圖5)，例如在遠離塔北隆起區(qū)的順托果勒低隆起上SHUN1井(圖5)的層序結構，與庫車坳陷及塔北隆起區(qū)的GP5井具有較大的差異，其層序結構表現(xiàn)為正常的“粗—細—粗”的特征。在沉積物構成上，庫車坳陷扇體發(fā)育明顯;塔北地區(qū)則以辮狀河河道充填及辮狀河三角洲沉積為主(圖5)。這種不同地區(qū)層序結構及沉積相類型的差異，與三疊紀塔里木盆地的幕式擠壓活動密切相關。

3 塔北三疊系層序結構成因分析

我國西部的焉耆、準噶爾等多個壓性盆地中，均發(fā)育有典型的“二元”層序結構［27，28］，其形成是與西部壓性盆地獨特的幕式性構造活動密切相關的［27］。沉積作用與大地構造背景關系密切，盆地充填是對構造作用的直接響應，它不僅控制著沉積物的沉積體系類型和內部沉積構成，還控制著地層的旋回性［29］。

幕式擠壓活動具有“長期積蓄，短期釋放”的特征。盆地基底在擠壓作用下發(fā)生黏彈性變化，既可以發(fā)生一定程度的塑性及彈性形變，也可以當應力超過撓曲極限時發(fā)生破裂。因此，當應力在基底彈性變形允許的范圍內時，擠壓應力使其撓曲變形強度不斷增加，該過程是一個緩慢的應力積蓄過程，經(jīng)歷的地質時期較長。當應力強度突然超出基底彈性變化范圍時發(fā)生破裂，應力突然釋放，早期長期遭受擠壓而發(fā)生撓曲變形的基底在較短地質時期內迅速反彈。盆地基底應力積累與釋放的過程，恰似現(xiàn)今地震活動，長時間的應力積蓄在短時間的地震事件中瞬間釋放。

圖5 庫車河剖面三疊系和臺盆區(qū)連井沉積剖面圖(剖面位置見圖1)Fig．5 Well log cross section showing the sedimentary facies in outcrops of Trassic in Kuqa River and platform-basin region(cross section location in Fig．1)

圖6 可容空間的兩種變化模式Fig．6 Two changing mechanisms of the accommodation

在幕式擠壓活動下盆地可容空間的變化規(guī)律，與典型的海相盆地層序的海平面控制機制有很大不同。因為海平面變化控制的可容空間大小隨著海平面的波動而逐漸的增加或減小，具有“正弦式”的曲線變化特征(圖6a);而在幕式擠壓作用的控制下，陸相沉積盆地其可容空間的變化則具有“脈沖式”的變化特征(圖6b)。前期盆地遭受緩慢擠壓，盆地的可容空間在較長的地質時期內逐漸增加;當擠壓應力積累到一定程度時，盆地基底破裂后迅速回彈，盆地可容空間也在短時間內迅速減小，從而形成了“脈沖式”的可容空間變化特征。

全球構造運動往往是幕式或間歇式的，板內陸相盆地的形成和演化直接受控于幕式構造運動，這種構造運動在造山帶通過相應的構造形跡顯示，而在沉積盆地是通過沉積充填顯示，即形成幕式層序地層［29，30］。多幕逆沖擠壓和松弛后穩(wěn)定沉降成耦合的作用過程是構成體系域“二元”結構的主要機制，這一幕式過程導致其湖平面變化不具備周期漸變旋回，使層序構成出現(xiàn)“二元”的突變特征［28］。在地質歷史時期，正是幕式構造旋回控制幕式層序地層［29］。圖7示意了幕式構造運動下層序的發(fā)育過程。在前一幕構造運動的寧靜期，湖盆水體較淺，部分地區(qū)遭受侵蝕作用，形成層序界面，發(fā)育低位域粗碎屑巖沉積(圖7a);擠壓初期，物源供給增加，可容空間的增加速率緩慢，因此繼續(xù)發(fā)育低位體系域的粗碎屑巖沉積(圖7b);隨著擠壓作用的持續(xù)增加，湖盆水體逐漸加深，進入湖侵體系域發(fā)育階段，可容空間的增加量超過沉積物補給量，濱岸退積上超，粗粒碎屑巖沉積主要發(fā)育在湖盆邊緣，而盆地主體則以半深湖—深湖的細粒碎屑巖沉積為主(圖7c);當應力強度超過基底巖石撓曲形變上限后發(fā)生破裂，應力突然釋放，湖平面快速下降，可容空間由“脈沖”尖端的極大值快速減小(圖6b)，即由高位體系域向低位體系域過渡的時期相對短暫，以至在高位體系域時期內尚未形成相應規(guī)模的粗碎屑巖沉積，湖平面便迅速降低，進入了下一期層序低位體系域演化階段(圖7d)。

4 塔北三疊系層序發(fā)育模式

一級構造運動起因于板塊相互作用或軟流圈的熱動力作用，它制約著沉積盆地的形成、演化和消亡，它們在地層中的沉積響應是構造層序;而二級構造運動以沉積盆地演變過程中的沉降速率變化為特征，而板塊間脈動式俯沖或碰撞，相應地導致板內盆地間歇式沉降，即為沉積速率幕式變化的成因之一［29］。

庫車前陸坳陷北鄰天山造山帶，受天山?jīng)_斷作用影響，發(fā)育撓曲沉降(圖1)，擠壓撓曲作用在空間上影響范圍可能超過塔北隆起并影響到隆后坳陷區(qū)域。何登發(fā)等［7］認為隆后坳陷沉降受兩種作用控制:一是前緣隆起的沖斷作用的影響;二是熱冷卻均衡調整作用。在遠離前緣隆起的盆地腹部，受周緣造山帶逆沖擠壓作用的影響很小，因此其沉降主要受熱冷卻均衡調整作用的控制。并且，在前陸盆地層序發(fā)育過程中，一次擠壓構造事件末期的回彈隆升和下一期逆沖擠壓引起的構造變形控制了層序界面的形成［31］(圖 7a)。

一期擠壓作用結束之后，前陸坳陷、前緣隆起進入迅速回彈演化階段。臨近造山帶及前緣隆起區(qū)回彈明顯，早期層序暴露于水面之上，發(fā)生侵蝕作用，從而形成層序界面(圖7a)，低位體系域開始發(fā)育。擠壓初始期，應力緩慢集中，前陸坳陷及隆后坳陷開始發(fā)生撓曲沉降。由于擠壓初始期，撓曲沉降作用形成的可容空間較小，而物源供給相對充足，物源供給速率與可容空間增量比值較高，延續(xù)強烈回彈期低位體系域沉積特征，發(fā)育進積型的沖積扇、扇三角洲和辮狀河三角洲為主的沉積組合(圖7b)，這與庫車坳陷下白堊統(tǒng)卡普沙良群底部的礫質粗碎屑沉積體成因一致［32］。隨著擠壓作用的持續(xù)，湖盆水體上升，可容空間增加，庫車前陸坳陷和隆后坳陷出現(xiàn)半深湖—深湖沉積(圖7c)。擠壓活動高峰期之后，應力迅速釋放，進入了構造平靜期，湖平面迅速降低，高位體系域發(fā)育的時間較短，因此，前陸坳陷和隆后坳陷的高位體系域沉積環(huán)境仍以半深湖—深湖為主，其沉積特征與湖侵體系域相似，發(fā)育半深湖—深湖暗色泥巖沉積(圖 7d)。

遠離前緣隆起的盆地腹部地區(qū)，受均衡沉降機制的控制，其湖平面的變化接近“正弦式”變化特征(圖6a)，因此，高位體系域湖平面下降時期，會沉積粗粒沉積物，在其層序結構上表現(xiàn)出“粗—細—粗”的變化特征。

5 “二元”層序結構的油氣意義

受前陸盆地脈沖式擠壓作用的控制影響作用，塔北三疊系發(fā)育了特色的“下粗上細”的“二元”層序結構，層序的低位體系域主要為扇三角洲、辮狀河、辮狀河三角洲等粗粒沉積體，而層序上部的湖侵—高位體系域則主要為深湖—半深湖的細粒沉積體，在垂向上構成了極好的生儲蓋組合。層序頂部的細粒沉積物既可以作為良好的蓋層，也可以為烴源巖;層序底部的粗粒沉積物則為良好的儲層［13，17，20］。因此，在塔北地區(qū)除了構造油氣藏外，每個層序底部可能發(fā)育的巖性油氣藏［20］及構造—巖性油氣藏也是重要的油氣藏類型。

圖7 塔里木盆地三疊紀層序“二元”結構成因機制及層序發(fā)育模式圖Fig．7 Formation mechanism of“Dual feature”sequence architecture and sequence evolution model of Triassic in Tarim Basin

6 結論

陸相沉積盆地層序地層發(fā)育控制因素復雜，其中構造作用對盆地的沉積充填具有主導性的控制作用。塔里木盆地三疊紀時期受周緣擠壓環(huán)境的影響，進入前陸盆地演化階段，盆地北緣發(fā)育沖積扇、辮狀河、辮狀河三角及湖泊沉積組合，其層序結構為“下粗上細”的“二元”結構特征。層序發(fā)育受幕式擠壓作用控制。在擠壓型盆地發(fā)育過程中，應力積蓄是一個漫長的地質過程，而應力釋放則是相對短暫的地質過程。在構造平靜期及擠壓初期形成層序界面和低位體系域，應力積蓄期發(fā)育湖侵體系域，應力釋放期發(fā)育高位體系域。由于高位體系域發(fā)育的持續(xù)時間短暫，難以形成有效地質記錄，從而形成低位域以粗粒沉積為主，湖侵—高位域以細粒沉積為主的“二元”層序結構。特殊的層序結構在縱向上形成了較好的生儲蓋組合，塔北地區(qū)巖性油氣藏及構造—巖性油氣藏是重要的油氣藏類型。

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