瑪湖凹陷百口泉組粗碎屑粒度特征與環(huán)境指示意義

姚宗全， 于興河， 皇甫致遠， 黃丁杰， 高 陽， 王 進，孫 樂， 瞿建華， 劉新宇

( 1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000； 3. 中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000 )

瑪湖凹陷百口泉組粗碎屑粒度特征與環(huán)境指示意義

姚宗全1， 于興河1， 皇甫致遠1， 黃丁杰1， 高 陽1， 王 進1，孫 樂1， 瞿建華2， 劉新宇3

( 1. 中國地質(zhì)大學(北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000； 3. 中國石油塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000 )

現(xiàn)有粒度分析方法難以表征瑪湖凹陷百口泉組粗碎屑粒度特征。在巖心觀察和沉積相分析基礎上，結(jié)合薄片分析，建立瑪湖凹陷百口泉組粗碎屑粒度概率累積曲線，以及粗粒碎屑沉積環(huán)境的弗里德曼模式圖，確定概率累積曲線和流體性質(zhì)關(guān)系。結(jié)果表明，研究區(qū)粒度概率累積曲線可分為6類，分別對應碎屑水道、辮狀水道、辮狀分支水道、水下分流河道、河口壩和前扇三角洲沉積微相環(huán)境；隨著流體性質(zhì)由富礫碎屑流—顆粒流—富砂碎屑流—洪流—牽引流，粒度概率累積曲線依次出現(xiàn)寬緩上拱式—低斜多跳一懸式—直線式—低斜兩段式—兩跳一懸三段式—低斜三段式—典型兩段式；隨著流體由碎屑流逐漸向牽引流過渡，曲線斜率逐漸增大。該研究結(jié)果可為以粗碎屑為主的儲層區(qū)塊沉積環(huán)境研究提供參考。

粒度特征； 弗里德曼離散； 環(huán)境指示； 粗碎屑； 百口泉組； 瑪湖凹陷

0 引言

可通過粒度參數(shù)表征沉積物顆粒大小，粒度分布受到物源供給、搬運距離、水動力條件及坡度等因素制約。沉積物及其質(zhì)量分數(shù)以粒度分析為依據(jù)[1]，粒度分析廣泛應用于物源追蹤[2-3]、沉積物趨勢運移[4-8]及沉積環(huán)境劃分[9-12]等方面。目前，粒度分析主要集中應用于海域表層[13-14]、潟湖表層[15]、第四系黃土[16-17]，以及深水沉積[18]和沼澤演化[19]等沉積特征的判識。在油氣綜合評價方面，沉積物粒度分析主要應用于細粒碎屑巖[12,18-20]，對粗粒碎屑巖研究相對較少[20-22]。對細粒碎屑巖沉積，Visher G S研究現(xiàn)代和古代不同沉積環(huán)境的砂巖結(jié)構(gòu)，總結(jié)潮流、沖洗、回流、濁流和波浪等不同流體，以及潮道、深水、風成沙丘等不同沉積環(huán)境的典型概率累積曲線，并應用曲線特征對未知物源沉積環(huán)境進行判別[23]；袁靜等應用粒度概率曲線特征，總結(jié)三角洲、扇三角洲、湖泊、灘壩、風暴巖和湖底扇等陸源碎屑環(huán)境的粒度曲線特征[24]；丁喜桂等將粒度分析應用于海洋環(huán)境，分析海底地質(zhì)屬性[1]。

粒度概率累積曲線對于水動力條件變化的反映較為靈敏[7]?，敽枷莅倏谌M的粒度概率累積曲線類型復雜多樣。根據(jù)該區(qū)粒度概率累積曲線形態(tài)(如直線段數(shù)目、跨度、斜率等)，采用篩析法分析瑪湖凹陷百口泉組取心井粒度資料，繪制研究區(qū)粒度概率累積曲線，結(jié)合粒度參數(shù)資料，參考Visher G S對不同沉積環(huán)境的典型概率累積曲線的認識[23]，分析各類曲線與水動力條件的對應關(guān)系，將研究區(qū)粒度概率累積曲線分為6種基本曲線類型，分析百口泉組粗碎屑沉積物粒度分布與搬運方式之間的關(guān)系及其水動力環(huán)境，為百口泉組的沉積環(huán)境研究提供依據(jù)，為豐富粗粒碎屑巖沉積相判別提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，西靠烏夏斷裂帶，南接中拐凸起，東抵達巴松凸起和夏鹽凸起，北達石英灘凸起與英西凹陷(見圖1)，東西橫跨50 km，南北長約為100 km，面積約為5 000 km2。準噶爾盆地西北緣三疊紀表現(xiàn)為前陸盆地性質(zhì)[25]，伴隨區(qū)域構(gòu)造運動，形成一系列逆掩推覆體和逆沖斷裂[26-27]，為瑪湖凹陷提供豐富的物源。

圖1 瑪湖凹陷構(gòu)造單元劃分與構(gòu)造位置Fig.1 Structural subdivisions and location in the Mahu sag

該地區(qū)海西運動晚期，由于準噶爾—吐魯番板塊洋殼在晚古生代向哈薩克斯坦板塊俯沖、消減，致使西北緣成為碰撞隆起帶和前陸型海相沉積盆地[28-29]。晚二疊世至三疊紀，隨著海水退卻，研究區(qū)繼承性發(fā)育成前陸型陸相盆地[30]。在持續(xù)性的構(gòu)造隆升作用下，西北緣扎伊爾山和哈拉阿拉特山為瑪湖凹陷提供充足的物源，并在凹陷西環(huán)帶形成近源粗粒扇三角洲群；在凹陷的東部，由夏鹽凸起提供物源形成扇三角洲[31-32]。三疊系百口泉組是研究區(qū)主要目的層，其地層厚度為40～150 m，與下伏二疊系烏爾禾組為區(qū)域不整合接觸，與上覆克拉瑪依組整合接觸[33]。

根據(jù)巖心觀察，結(jié)合研究區(qū)沉積體系特征和構(gòu)造背景，研究區(qū)百口泉組為近源粗粒扇三角洲(見圖2-3)。碎屑水道和辮狀水道構(gòu)成扇三角洲平原亞相，兩者測井響應特征相似，為中—高幅、鋸齒狀，前者以箱型為主，后者以鐘型為主；巖心表現(xiàn)為碎屑水道混雜堆積，分選較差，發(fā)育沖刷充填構(gòu)造，礫巖呈楔狀的厚層塊狀構(gòu)造(見圖3)；在微觀上，碎屑水道主要由棱角—次棱角、基質(zhì)支撐的粗礫巖組成(見圖4(a))；流體性質(zhì)為洪流—富礫碎屑流—顆粒流，而辮狀水道以中粗礫巖為主，發(fā)育透鏡狀砂體斜層理、槽狀交錯層理及遞變層理，礫巖多為次棱角狀—次圓狀，基質(zhì)支撐(見圖4(b))，流體性質(zhì)為富礫碎屑流—富砂碎屑流，水動力能量較之減弱。扇三角洲前緣亞相為研究區(qū)主要油氣儲集相帶，根據(jù)礫巖的分帶性，可以分為前緣外帶和前緣內(nèi)帶。辮狀分支水道為前緣內(nèi)帶辮狀水道的水下延伸，巖性以灰綠色礫巖為主，分選、磨圓一般，可見大型槽狀交錯層理，測井響應為厚層鐘型(見圖3)，鑄體薄片顯示顆粒支撐(見圖4(c))，流體性質(zhì)為洪流—顆粒流—牽引流；辮狀分支水道進一步向前延伸為前緣外帶水下分流河道，河道分叉頻繁，彎曲度增加；巖性以中細礫巖為主，分選、磨圓較好，槽狀交錯層理最為發(fā)育；電阻率曲線為箱型和鐘型的復合型(見圖3)，分選、磨圓較好(見圖4(d))，流體性質(zhì)為富砂碎屑流—牽引流，水動力能量減弱。研究區(qū)河口壩(見圖3)發(fā)育流體性質(zhì)由牽引流—洪流—富礫碎屑流的細礫巖沉積，電測曲線似漏斗型，分選、磨圓較好，同級顆粒支撐，反映能量有增強趨勢。前扇三角洲以深灰色泥巖為主，電阻率曲線為低幅平直型(見圖3)?，敽逼聟^(qū)百口泉組整體形成以“窄平原相，寬緩前緣相”為特征的平面展布形態(tài)，且扇三角洲搬運機制復雜，水動力條件變化快[34-36]。

圖2 研究區(qū)百口泉組二段沉積相Fig.2 Sedimentary face of the second member of Baikouquan formation in the study area

2 粒度概率累積曲線特征

粒度概率累積曲線是沉積學中分析沉積物形成水動力條件，判斷沉積環(huán)境的重要工具。以研究區(qū)沉積相帶劃分和沉積相綜合柱狀圖為依據(jù)，結(jié)合巖心觀察和測井響應，分析研究區(qū)扇三角洲各微相的粒度概率累積曲線特征。

2.1 扇三角洲平原亞相

2.1.1 寬緩上拱式

曲線中各總體分異不明顯，粒度相對較粗且分布范圍廣，分選很差，形態(tài)呈略向上凸的弧形，傾角斜率為0.25～0.30(14.036°～16.699°)(見圖5(a))。該類曲線反映碎屑流沉積作用，其搬運物質(zhì)幾乎呈懸浮狀，水介質(zhì)能量極強。垂向上碎屑流能量較小，攜帶的沉積物粒度逐漸變細，沉積物無規(guī)律排列，水動力條件復雜。共生的粗礫巖為碎屑水道典型標志。該類曲線代表扇三角洲平原以沖積扇為特征的碎屑水道微相沉積環(huán)境，反映動蕩環(huán)境中能量不穩(wěn)定的重力流沉積特征[21,37]。

2.1.2 低斜多跳一懸式

多跳一懸式曲線形態(tài)的最大特點是多直線段組成的臺階狀(見圖5(b))。大多數(shù)顆粒大于-3.5Φ，跳躍總體為10%～60%，斜率為0.14～0.23(7.970°～12.953°)，分選較差，與懸浮總體交截點的粒度為-0.5～0Φ，反映富礫碎屑流沉積特征；懸浮總體為40%～85%，斜率為0.42～0.50(22.782°～26.565°)，分選較好，表明水動力能量減弱，攜帶的碎屑物質(zhì)變細。由分選較差的跳躍總體到分選較好的懸浮總體，反映流體由富礫碎屑流過渡為富砂碎屑流；基質(zhì)支撐，反映礫石顆粒較碎屑水道細、成分復雜、雜亂分布、礫石顆粒呈次棱角-次圓狀的辮狀水道沉積環(huán)境；沖刷面的出現(xiàn)反映洪水的頻繁沖刷和充填過程。與東營凹陷鹽22塊沙四上亞段砂礫巖沉積辮狀溝道微相的粒度概率累積曲線非常相似[23]。

圖3 研究區(qū)夏94井沉積相綜合柱狀圖

2.2 扇三角洲前緣亞相

2.2.1 直線式

曲線主要表現(xiàn)為一條斜率較小的單段式直線，懸浮總體占整個粒度分布的大部分，反映分選一般、快速堆積的洪流搬運方式。巖性以中細礫巖為主，多級顆粒支撐，發(fā)育塊狀層理。在粒度曲線上，懸浮總體為10%～85%，斜率為0.28～0.35(15.642°～19.29°)(見圖6(a))。

2.2.2 低斜兩段式

曲線由懸浮總體和跳躍總體組成(見圖6(b))，與直線式相比，曲線斜率在粗尾部分增大，在-3.0Φ附近斜率明顯變緩，對應洪流向牽引流的轉(zhuǎn)化。曲線跳躍組分占5%～60%，斜率為0.82～0.87(39.352°～41.023°)，與懸浮總體的截點在-2.7～-3.2Φ之間，懸浮總體占10%～40%，斜率為0.32(18.000°)。粒度概率累積曲線從直線式到低斜兩段式的演化，表明辮狀分支水道的流體性質(zhì)從洪流向穩(wěn)定牽引流轉(zhuǎn)化的過程。

2.3 扇三角洲前緣—前扇三角洲亞相

2.3.1 兩跳一懸三段式

(1)高斜兩跳一懸三段式(見圖7(a))。粒度區(qū)間為-5.0～1.0Φ，滾動組分不發(fā)育，以跳躍組分為主，質(zhì)量分數(shù)達90%。跳躍組分由兩部分組成，粗粒跳躍總體質(zhì)量分數(shù)為1%～35%，斜率為1.23(50.889°)，分選較好，與細粒跳躍總體截點在-3.5Φ，斜率為0.48(25.641°)，分選中等，質(zhì)量分數(shù)在30%～50%。懸浮總體與跳躍總體截點為-1.5～0.5Φ，懸浮總體質(zhì)量分數(shù)小于10%，分選一般。

圖4 研究區(qū)儲層顯微結(jié)構(gòu)特征Fig.4 The reservoir microstructure in the study area

圖5 研究區(qū)扇三角洲平原亞相粒度概率累積曲線組合特征

圖6 研究區(qū)扇三角洲前緣亞相粒度概率累積曲線組合特征

(2)低斜兩跳一懸三段式(見圖7(a))。粒度分布區(qū)間為-4.5～1.0Φ，跳躍組分質(zhì)量分數(shù)為20%～60%。由粗粒和細粒構(gòu)成，其中粗粒跳躍組分質(zhì)量分數(shù)為5%～20%，粗截點為-2.5Φ，斜率為0.22(12.407°)；細粒跳躍組分質(zhì)量分數(shù)為15%～40%，斜率為0.83(39.693°)，分選一般，懸浮組分質(zhì)量分數(shù)為5%～40%，斜率為0.29(16.172°)，細截點為-1.0Φ，分選差，與跳躍總體截點為-1.5～-1.0Φ。

高斜和低斜兩跳一懸三段式粒度概率累積曲線特征反映高能量、遷移快的辮狀分支水道攜帶沉積物入湖后，受湖盆多向、多組水流影響，并繼續(xù)搬運沉積下來的水下分流河道砂礫巖相。該沉積環(huán)境中，河道由寬變窄，水道不斷分叉，形成水下分流河道；隨水流能量減弱，沖刷充填而改道，沉積相中沉積物縱橫向差異性很大。有別于以直線式和低斜兩段式為主的辮狀分支水道沉積[37]。

2.3.2 低斜三段式

粒度概率累積曲線上斜率較低，包括低斜率0.47(25.174°)、低質(zhì)量分數(shù)(小于5%)的滾動總體，和低質(zhì)量分數(shù)(5%～15%)的懸浮總體，粗截點為-0.5～0Φ，細截點為2.6Φ(見圖7(b))。反映研究區(qū)以牽引流為特征、能量相對較低的沉積物河口壩微相快速堆積環(huán)境[37]。由于水動力不穩(wěn)定，且河流作用和波浪作用存在強弱差異，導致不同地區(qū)河口壩的粒度概率累積曲線特征的響應存在差別[38-39]。

2.3.3 典型兩段式

粒度概率累積曲線粒徑為1.0～7.0Φ(見圖7(c))。跳躍總體質(zhì)量分數(shù)為6%～70%，斜率為1.43(55.035°)，分選好；懸浮總體質(zhì)量分數(shù)為10%～30%，斜率為0.31(17.223°)，與跳躍總體的截點在2.4～2.7Φ之間。反映位于扇三角洲前緣端部與湖相過渡的前扇三角洲泥巖環(huán)境。整體上，粒度細，分選好，水動力進一步減弱，與東營凹陷鹽家地區(qū)沙四上亞段扇緣沉積類似[40]。

3 粒度參數(shù)特征

粒度參數(shù)的組合對沉積環(huán)境的響應有很強的敏感性[41]，分析克拉瑪依油田的粒度參數(shù)資料，它具有明顯的劃相指標特征[42]。粒度概率累積曲線的峰型可以反映粗粒碎屑的分布特征和顆粒分選。分析百口泉組105塊樣品粒度，將碎屑巖顆粒直徑d換算為2的幾何級數(shù)粒徑Φ(Φ=-log2d)。根據(jù)弗里德曼離散識別模式[43- 44]，利用標準偏差(i)和偏度(SK)組合對研究區(qū)沉積環(huán)境進行分析，所有點落在弗里德曼分界線右上部，并且較有規(guī)律地分布在標準偏差為1.0～3.2、偏度為-0.40～0.80(見圖8)內(nèi)。粗粒沉積與河流、細粒三角洲沉積環(huán)境相比，具有粒度分布范圍更廣、分選更差的特點[45](圖中投點位置越往右上角，沉積物粒度分布越粗、分選越差)，并進一步劃分為6個區(qū)，對應6個微相帶。

圖7 研究區(qū)扇三角洲前緣—前扇三角洲亞相粒度概率累積曲線組合特征

圖8 研究區(qū)標準偏差(i)與偏度(SK)的弗里德曼離散圖Fig.8 The Frieman discrete plot of skewness and standard deviation in the study area

(1)碎屑水道區(qū)。標準偏差為2.4～2.6，偏度為0.30～0.45。由于不同粒徑的礫石漂浮在基質(zhì)中，頻率曲線的峰型為低矮多峰型，表明分選差、粒度粗的碎屑水道沉積物來自同一物源，但在不同的水動力作用下、按不同的比例沉積而成[20](見圖8-9(a))。

(2)辮狀水道區(qū)。標準偏差為2.2～2.4，偏度為0.25～0.35。與碎屑水道區(qū)相比，粒度明顯變細，分選變好。粒度中值為-3.5Φ。辮狀水道流體由富礫碎屑流過渡為富砂碎屑流，頻率曲線的峰型為多峰態(tài)，從左到右，峰態(tài)依次變小，表明粒徑逐漸變小(見圖8—9(b))。

(3)辮狀分支水道區(qū)。標準偏差為2.2～2.3，偏度為0.20～0.35。分選一般，粒度分布主要以中細礫巖為主，頻率曲線的峰型為單峰型(見圖8—9(c))。

(4)水下分流河道區(qū)。標準偏差為1.7～2.1，偏度為0.25～0.40。與辮狀分支水道類似，只是粒度更細。頻率曲線的峰型為單峰正態(tài)型，粒度組成高度集中于峰型中間的細礫巖與粗砂巖級，峰型兩端的粗礫和中砂的含量較低(見圖8-9(d))。

(5)河口壩區(qū)。標準偏差與辮狀分支水道曲線接近，主要集中于2.1～2.2，但偏度比辮狀分支水道大，為0.30～0.50，頻率曲線的峰型為單峰態(tài)(見圖8-9(e))。

(6)前扇三角洲區(qū)。標準偏差為1.2～1.6，偏度為0.50～0.60。頻率曲線的峰型為單峰型(見圖8-9(f))。

分析6種沉積微相環(huán)境粒度參數(shù)，標準偏差和偏度隨著搬運距離的增大而逐漸變小，即分選變好；各沉積曲線之間的接觸關(guān)系以混合過渡為主，且共生關(guān)系密切。

圖9 研究區(qū)粒度頻率曲線Fig.9 The frequency cumulative grain size curve in the study area

4 粒度概率累積曲線的演化與環(huán)境指示意義

瑪湖凹陷在三疊紀期間承受擠壓和扭壓應力，形成同沉積斷裂。斷裂活動控制扇體的分布規(guī)律：在斷裂持續(xù)活動區(qū)域，扇體疊置分布；在斷裂推進活動區(qū)域，扇體不斷由盆緣向盆地中心方向進積；在斷裂后退活動區(qū)域，扇體發(fā)生退覆式遷移[46]，形成瑪湖凹陷整體退積、局部進積的沉積格局。扇三角洲具有突發(fā)性洪流和常態(tài)水流交替作用[33]，在山洪爆發(fā)期，大量受風化剝蝕的碎屑物質(zhì)從山間流出并被攜帶入湖，隨著搬運距離的逐漸增大，湖盆地形坡度逐漸變緩，流體能量逐漸減弱，顆粒按照粒徑大小先后發(fā)生卸載，顆粒間流體的相對密度逐漸增大，流體密度逐漸降低，流體性質(zhì)為富礫碎屑流—顆粒流—富砂碎屑流—洪流—牽引流[34-35,47]，相應的粒度概率累積曲線為寬緩上拱式—低斜多跳一懸式—直線式—低斜兩段式—兩跳一懸三段式—低斜三段式—典型兩段式。隨著流體逐漸向牽引流演化，曲線的斜率逐漸增大(見圖10)。

在繪制沉積相平面圖基礎上，結(jié)合典型單井沉積相特征、鑄體薄片觀察及研究區(qū)粒度特征，建立能夠反映研究區(qū)沉積微相和巖心相相匹配的沉積相綜合模式圖(見圖11)。隨著扇體向湖推進，重力流作用逐漸減弱，牽引流作用逐漸增強；測井相為中—高幅箱型—中—高幅鐘型—厚層鐘型—箱型和鐘型復合型—低幅平直型；沉積構(gòu)造為混雜堆積—塊狀層理—大型板狀、槽狀交錯層理—小型板狀、槽狀交錯層理—水平層理；粒度概率累積曲線的變化為直線段逐漸變少，粗截點和細截點值變小，斜率逐漸增大。綜上所述，瑪湖凹陷百口泉組粗碎屑沉積環(huán)境從扇三角洲平原到前扇三角洲能量逐漸減弱，粒度逐漸變小，分選逐漸變好。

圖10 研究區(qū)粒度概率類型演化(箭頭方向指示沉積物搬運距離逐漸增大)Fig.10 The type evolution of the probability cumulative grain size curve patterns in the sudy area

圖11 研究區(qū)沉積相綜合模式Fig.11 The comprehensive sedimentary faces in the study area

5 結(jié)論

(1)瑪湖凹陷百口泉組扇三角洲平原亞相以碎屑流沉積為主，粒度概率累積曲線為寬緩上拱式和低斜多跳一懸式。扇三角洲前緣亞相以洪流和牽引流為主，其中辮狀分支水道的粒度概率累積曲線以直線式和低斜兩段式為主；水下分流河道的粒度概率累積曲線為兩跳一懸三段式，根據(jù)斜率不同分為低斜兩跳一懸三段式和高斜兩跳一懸三段式；河口壩的粒度概率累積曲線為低斜三段式；前扇三角洲的粒度概率累積曲線為典型兩段式。

(2)百口泉組105塊樣品資料，建立研究區(qū)粗粒碎屑沉積環(huán)境的弗里德曼判別模式圖，并與碎屑水道、辮狀水道、辮狀分支水道、水下分流河道、河口壩及前扇三角洲6個微相建立對應關(guān)系。

(3)洪水期，大量的碎屑物質(zhì)被攜帶入湖，隨著搬運距離漸遠，流體性質(zhì)為富礫碎屑流—顆粒流—富砂碎屑流—洪流—牽引流；對應粒度概率累積曲線為寬緩上拱式—低斜多跳一懸式—直線式—低斜兩段式—兩跳一懸三段式—低斜三段式—典型兩段式。隨著流體由碎屑流逐漸向牽引流演化，曲線的斜率逐漸增大。

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2016-11-21；編輯：張兆虹

國家自然科學基金項目(41472091)

姚宗全(1989-)，男，博士研究生，主要從事沉積儲層方面的研究。

于興河，E-mail: billyu@cugb.edu.cn

TE122.2

A

2095-4107(2017)02-0062-12

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.02.007