準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組相對(duì)湖平面升降規(guī)律研究

張?zhí)?，張昌民，瞿建華，朱銳，袁瑞，潘進(jìn)，陶金雨

1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100 2.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

瑪湖凹陷是準(zhǔn)噶爾盆地最有利的油氣成藏區(qū)與勘探區(qū)之一，近年來其下三疊統(tǒng)百口泉組勘探取得了可喜成果。三疊系百口泉組是在二疊系前陸盆地基礎(chǔ)上發(fā)育的大型坳陷淺水湖盆沉積[1]，該時(shí)期氣候干燥，湖泊水位震蕩頻繁，造成斜坡區(qū)發(fā)育的沉積體系類型繁多、規(guī)模變化極大，給確定沉積相帶的分布帶來了困擾。開展對(duì)百口泉組相對(duì)湖平面升降規(guī)律研究，將對(duì)百口泉組沉積相帶的確定具有重要作用，為瑪湖凹陷百口泉組下一步油氣勘探與開發(fā)提供可靠理論依據(jù)。

相對(duì)湖平面的變化主要受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、氣候變化以及沉積物供給速率等因素控制[2-4]。前人[5-6]研究認(rèn)為對(duì)于陸相湖盆，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定情況下，相對(duì)湖平面的升降控制著湖盆可容納空間的變化，與可容納空間變化基本一致，并響應(yīng)于沉積剖面巖性、層序類型以及沉積物厚度等特征[7]，故可利用容納空間變化特征來反演相對(duì)湖平面的升降規(guī)律?；鶞?zhǔn)面的變化與湖平面的升降存在直接聯(lián)系,而由基準(zhǔn)面變化旋回引起來的高分辨率層序地層單元疊加樣式可反映湖侵與湖退，因此，可采用高分辨率層序地層學(xué)的分析手段刻畫湖平面的升降規(guī)律。

本文以準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷三疊系百口泉組為例，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行高分辨率層序地層的定量劃分，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行Fisher圖解分析，刻畫了百口泉組相對(duì)湖平面的升降規(guī)律。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡區(qū)(圖1)。研究層位百口泉組自下而上可劃分為百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)(圖2)，地層整體超覆不整合覆蓋于二疊系烏爾禾組之上，與上覆的克拉瑪依組整合接觸，地層厚度為50～400 m[8]。前人[9-13]研究認(rèn)為百口泉組發(fā)育一套以砂礫巖為主的粗碎屑沉積，構(gòu)造活動(dòng)較穩(wěn)定，構(gòu)造背景表現(xiàn)為東南傾的平緩單斜，干燥氣候，主要發(fā)育沖積扇、扇三角洲等沉積環(huán)境。

圖1 研究區(qū)位置及構(gòu)造位置(據(jù)匡立春等，2014，修編)Fig.1 Location and the tectonic position in Mahu sag of Junggar Basin (modified from the Kuang, et al., 2014)

2 高分辨率層序地層研究

Crossetal.[14-15]提出的受海(湖)平面、構(gòu)造沉降、沉積負(fù)荷補(bǔ)償、沉積物補(bǔ)給、沉積地形等綜合因素制約的地層基準(zhǔn)面是地層層序成因和進(jìn)行層序劃分的主要格架，作為本次高分辨率層序地層分析的理論基礎(chǔ)。

層序地層學(xué)理論認(rèn)為基準(zhǔn)面(海平面、湖平面或河流平衡剖面)變化形成的異旋回，控制了層序地層單元的形成，而在陸相湖盆中基準(zhǔn)面就是湖平面，因此，要研究陸相可容納空間、湖平面變化等就必須是異旋回[16-17]。根據(jù)前人的研究[18-22]，低頻旋回(長(zhǎng)期、中期、短期、超短期旋回或者3、4、5、6級(jí)層序)一般都是異旋回，高頻旋回(6級(jí)以上旋回)可能本身就是自旋回或者受到自旋回干擾。因此，在本次研究中筆者采用鄭榮才等[23]提出的六級(jí)次層序級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)，將層序級(jí)別劃分到了六級(jí)。劃分方法以定性研究為主的傳統(tǒng)地質(zhì)學(xué)劃分和以基于測(cè)井小波變換的定量高分辨率層序地層劃分兩種。

2.1 高分辨率層序地層定性研究

高分辨率層序地層定性研究一般是以野外露頭、巖芯、測(cè)井、地震資料為基礎(chǔ)，對(duì)層序界面和層序級(jí)次進(jìn)行識(shí)別與劃分[24-25]。

本文以巖芯、錄井、測(cè)井資料為基礎(chǔ)，根據(jù)研究區(qū)百口泉組各級(jí)次層序界面基本特征(表1)，對(duì)相應(yīng)層序界面進(jìn)行了識(shí)別，長(zhǎng)期、中期、短期層序界面均有發(fā)育，由于資料精度限制，超短期層序界面無法識(shí)別，共識(shí)別出長(zhǎng)期層序界面2個(gè)、中期層序界面3個(gè)、短期層序界面15個(gè)，依此劃分出1個(gè)長(zhǎng)期層序、3個(gè)短期層序、16個(gè)短期層序(圖2)。

2.2 測(cè)井小波分析定量研究

高分辨率層序地層學(xué)的研究是以層序界面的準(zhǔn)確識(shí)別為基礎(chǔ)，而傳統(tǒng)高分辨率層序地層的研究是在視覺層次進(jìn)行不同層次級(jí)別層序界面定性劃分[26]，這樣難以準(zhǔn)確識(shí)別關(guān)鍵界面及其圍限地層層序級(jí)別和類型,從而制約了高分辨率層序地層學(xué)的發(fā)展。近年來，有“數(shù)學(xué)顯微鏡”美譽(yù)的測(cè)井小波分析方法能對(duì)不同級(jí)別層序界面進(jìn)行定量識(shí)別，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)高分辨率層序地層學(xué)的不足。

表1 研究區(qū)百口泉組基準(zhǔn)面旋回界面級(jí)次劃分和基本特征

圖2 研究區(qū)百口泉組高分辨率層序地層定性劃分Fig.2 High-resolution sequence stratigraphy qualitative division of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)是目前為止能獲得的縱向分辨率最高，連續(xù)性最好的地質(zhì)數(shù)據(jù)載體，不同類別的測(cè)井信息在一定程度上記錄著不同的地質(zhì)演化過程。測(cè)井曲線的形態(tài)特征和變化趨勢(shì)反映了沉積環(huán)境變化，而沉積環(huán)境的改變是層序界面形成的主要因素[26-27]。在傳統(tǒng)的高分辨率層序地層定性研究時(shí)，未將測(cè)井資料所反映的地質(zhì)信息按時(shí)間和級(jí)別進(jìn)行區(qū)分，造成各種隱含的地質(zhì)周期信息難以被識(shí)別出，從而無法滿足高分辨率層序地層研究要求。

測(cè)井小波分析的基本原理是通過一個(gè)基本的小波函數(shù)進(jìn)行不同尺度的伸縮和平移去表示或者逼進(jìn)某一測(cè)井信號(hào)[28-29]，將測(cè)井曲線在時(shí)間域和頻度域?qū)y(cè)井信號(hào)進(jìn)行不同級(jí)次、不同尺度的分解[30-31]，而不同尺度下小波系數(shù)的周期性變化特征與不同級(jí)次層序具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，可作為不同級(jí)次層序劃分與對(duì)比的依據(jù)。小波分析中的低頻信號(hào)通常與長(zhǎng)地質(zhì)周期對(duì)應(yīng)，可用于劃分大的地層格架，而信號(hào)中的高頻成分則與較短地質(zhì)周期對(duì)應(yīng)，據(jù)此可進(jìn)行高分辨率層序地層的定量劃分[32]。

在砂、泥巖互層地區(qū)，利用GR數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析效果最好[33-34],而百口泉組以砂礫巖沉積為主，由于受原巖碎屑中富含凝灰?guī)r等高放射性物質(zhì)以及沉積物搬運(yùn)距離影響，造成了百口泉組砂礫巖自然伽馬值異常高，而泥巖自然伽馬值異常低的反?，F(xiàn)象[35]。故筆者選取了M18井電阻率(RT)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)井小波分析?；谇叭薣36-39]研究經(jīng)驗(yàn)，選取Daubechies小波和Dmeyer小波對(duì)電阻率曲線作一維離散小波分解，通過與既有地質(zhì)認(rèn)識(shí)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)階數(shù)為10、最大級(jí)數(shù)為10時(shí)，對(duì)不同級(jí)次層序單元的分辨效果最好。據(jù)db10 a10(參考dmey10 a10)一維離散小波分析中的a10曲線識(shí)別出2個(gè)3級(jí)層序界面及相應(yīng)的1個(gè)長(zhǎng)期層序;據(jù)db10 d9(參考dmey10 d9)曲線識(shí)別出5個(gè)4級(jí)層序界面及相應(yīng)的4個(gè)中期層序;據(jù)db10 d7(參考dmey10 d7)曲線識(shí)別出16個(gè)短期層序;據(jù)db10 d4(參考dmey10 d4)曲線識(shí)別出126個(gè)超短期層序，測(cè)井小波變換對(duì)長(zhǎng)期、中期、短期層序的定量劃分與傳統(tǒng)定性劃分方案具有很好的一致性(圖3、表2)。根據(jù)劃分結(jié)果，百口泉組與長(zhǎng)期層序?qū)?yīng)，T1b1、T1b2、T1b3與中期層序?qū)?yīng)，因此劃分方案能在區(qū)域內(nèi)相互對(duì)比分析。

3 Fisher圖解

Fisher圖解是Fisher[40]在研究奧地利三疊系環(huán)潮坪碳酸鹽巖沉積時(shí)，為解釋Lofter旋回中厚度變化特征而首先提出的。前人在研究旋回地層變化與相對(duì)海平面升降之間關(guān)系時(shí)[41-43]，對(duì)Fisher圖解的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，并將其不斷發(fā)展與完善，F(xiàn)isher圖解最終演化為以旋回?cái)?shù)為橫軸，平均厚度偏移的累積為縱軸的表示方法，圖解中平均厚度累積偏移曲線可反映沉積物沉積時(shí)可容納空間的變化，因此Fisher圖解又稱為可容納空間圖解。

目前國(guó)內(nèi)已將Fisher圖解從在碳酸鹽巖單一沉積剖面[44-45]中的應(yīng)用逐步發(fā)展到碎屑巖沉積剖面[46-47]以及碎屑巖、碳酸鹽巖混合沉積剖面[48-49]。Fischer圖解在各種不同類型的沉積盆地中湖平面升降變化以及高頻旋回研究中取得的良好效果[50],證明了Fisher圖解是研究湖平面升降規(guī)律的有效方法[51]。

圖3 研究區(qū)M18井百口泉組測(cè)井小波變換及高分辨率層序定量劃分方案Fig.3 Wavelet analysis and classification scheme of high-resolution sequence of Well M18 of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

表2 研究區(qū)M18井百口泉組超短期層序厚度偏移累計(jì)統(tǒng)計(jì)表

將Fisher圖解運(yùn)用到研究區(qū)百口泉組相對(duì)湖平面升降分析中，相對(duì)湖平面的上升導(dǎo)致可容納空間的持續(xù)增長(zhǎng)，在穩(wěn)定的物源供給下，沉積剖面上以沉積物厚度的逐漸變厚為響應(yīng)，在Fisher圖上以厚度偏移的正向偏差為特征；而在相對(duì)湖平面下降期間，沉積剖面上沉積物厚度則會(huì)明顯減薄，在Fisher圖上表現(xiàn)為厚度偏移的負(fù)向偏差；因而Fisher圖解特征可反映出相對(duì)湖平面升降規(guī)律。

對(duì)研究區(qū)百口泉組高分辨率層序地層定量劃分的126個(gè)超短期旋回層序的平均厚度偏移的累積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表2)，進(jìn)行Fisher圖解的繪制(圖4)。由于缺乏砂巖、泥巖孔隙度數(shù)據(jù)，并且孟祥化等[52]認(rèn)為未校正的旋回層序厚度不會(huì)對(duì)Fisher曲線樣式以及旋回的組合形式上產(chǎn)生影響，故本文未對(duì)旋回層序厚度的進(jìn)行壓實(shí)校正。

Fisher圖解揭示了百口泉組相對(duì)湖平面的升降規(guī)律，整體看百口泉組相對(duì)湖平面呈現(xiàn)出持續(xù)湖侵的特征，百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)分別對(duì)應(yīng)一次完整的較大規(guī)模的湖侵過程，湖侵過程中扇體在不斷向扇根方向退縮，而扇體規(guī)模在不斷減小，但沉積物厚度卻在不斷的增加；分段看，百口泉組一段(T1b1)早期湖平面在振蕩中緩慢湖侵，末期湖平面發(fā)生小規(guī)模湖退；百口泉組二段(T1b2)早期湖平面發(fā)生小規(guī)模、短時(shí)間湖退，中后期湖平面發(fā)生較大規(guī)模湖侵；百口泉組三段(T1b3)湖平面繼續(xù)湖侵，中后期湖侵達(dá)到整個(gè)百口泉組時(shí)期最大規(guī)模，而在末期湖平面發(fā)生較小規(guī)模的湖退(圖4，5)。

圖4 研究區(qū)M18井百口泉組Fisher圖解分析Fig.4 Fischer plots of M18 well of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

4 綜合對(duì)比分析

通過與王龍樟[53]，鮮本忠等[54]、王雅寧等[55]的研究成果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本次研究所得的百口泉組相對(duì)湖平面升降規(guī)律與前人研究結(jié)論具有很好的一致性，且能反映次級(jí)、高頻的湖平面升降特征。

將湖平面升降曲線投影到綜合柱狀圖和沉積微相連井剖面上(圖5，6)，與沉積物縱向變化特征和沉積相帶橫向遷移特征進(jìn)行綜合對(duì)比分析，驗(yàn)證、提高相對(duì)湖平面升降規(guī)律的準(zhǔn)確性。通過對(duì)比鉆錄井信息，發(fā)現(xiàn)相對(duì)湖平面升降變化與沉積相帶的垂向變化關(guān)系密切，從垂向剖面上整體看，隨著湖平面的逐漸上升，沉積相帶由扇三角洲平原沉積向扇三角洲前緣沉積、濱淺湖相沉積演變。

百一段湖平面升降旋回在垂向上與一個(gè)中期層序中的扇三角洲前緣沉積對(duì)應(yīng)，沉積物從下向上表現(xiàn)為水下分流河道與分流間灣互層；在湖平面上升期間，沉積物中泥質(zhì)含量增加，主要發(fā)育分流間灣沉積微相，而在湖平面下降過程中水下分流河道的發(fā)育明顯增多。

百二段湖平面升降旋回表現(xiàn)出湖平面先小規(guī)模下降再大規(guī)模上升的特征，在垂向剖面上顯示，湖平面在下降過程中，主要發(fā)育扇三角洲平原的季節(jié)性河道和河道間沉積，而在中后期湖平面不斷上升過程中，沉積物以扇三角洲前緣水下分流河道和分流間灣沉積為主。

百三段湖平面升降旋回與一個(gè)中期層序中的扇三角洲前緣和濱淺湖沉積相對(duì)應(yīng)，沉積物剖面下部發(fā)育水下分流河道和分流間灣沉積，中部發(fā)育盆地相泥沉積，頂部發(fā)育水下分流河道沉積。湖平面變化曲線呈現(xiàn)水進(jìn)—高位—水退的特征，與沉積物退積—加積—進(jìn)積的縱向變化特征基本一致。

此外，筆者選取一條順物源方向的沉積微相連井剖面，將湖平面升降曲線與沉積微相連井剖面鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)、沉積環(huán)境研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)湖平面的變化趨勢(shì)與沉積相帶橫向遷移具有很好的契合性。綜上所述，通過將湖平面升降曲線與鉆遇沉積物的縱向變化以及橫向遷移特征相對(duì)比，認(rèn)為本次湖平面升降曲線較真實(shí)反映了百口泉組的湖平面變化特征。氣候變化是湖平面升降的主控因素之一，氣候主要包括溫度和濕度兩個(gè)指標(biāo)，氣候主要是通過影響湖泊區(qū)域降水量和蒸發(fā)量來控制湖泊水位的升降。據(jù)此，百口泉組時(shí)期古瑪納斯湖區(qū)域古氣候特征可以為本次湖平面升降規(guī)律研究提供佐證。據(jù)王鴻禎[56]、趙錫文[57]、李興等[11]，研究認(rèn)為從T1b1到T1b3氣候由干旱逐漸向潮濕轉(zhuǎn)變，而沉積水體由較弱的貧氧環(huán)境向中等的厭氧環(huán)境轉(zhuǎn)變，指示了水體是不斷加深的一個(gè)過程，與本次研究結(jié)果有良好的對(duì)應(yīng)性。

圖5 百口泉組相對(duì)湖平面升降變化綜合對(duì)比分析Fig.5 Synthesis analysis and comparison of relative lacustrine level change of Well M18 of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地三疊系百口泉組沉積微相連井對(duì)比圖Fig.6 Comparison chart of sedimentary micro-connected wells in the Triassic Baikouquan Formation of Mahu sag of Junggar Basin

5 結(jié)論

(1) 陸相湖盆相對(duì)湖平面升降規(guī)律研究，可采用高分辨率層序地層分析與Fisher圖解分析相結(jié)合的方法得以實(shí)現(xiàn)。

(2) 采用傳統(tǒng)定性分析與定量的測(cè)井小波變換分析相結(jié)合的方法，在研究區(qū)百口泉組識(shí)別出1個(gè)長(zhǎng)期層序、4個(gè)中期層序、16個(gè)短期層序、126個(gè)超短期層序。

(3) 百口泉組相對(duì)湖平面呈現(xiàn)持續(xù)湖侵的特征，百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)分別對(duì)應(yīng)一次較大規(guī)模的湖侵過程，在百口泉組三段(T1b3)湖侵達(dá)到最大規(guī)模。百口泉組一段(T1b1)對(duì)應(yīng)一次完整的湖侵—湖退旋回，百口泉組二段(T1b2)對(duì)應(yīng)2次完整的湖侵—湖退旋回，百口泉組三段(T1b3)對(duì)應(yīng)2次完整較大規(guī)模的湖侵—湖退旋回。

(4) 將湖平面升降曲線與沉積物縱向變化特征和沉積相帶橫向遷移特征進(jìn)行綜合對(duì)比分析，驗(yàn)證、提高相對(duì)湖平面升降規(guī)律的準(zhǔn)確性。湖平面升降變化與沉積相帶的垂向變化關(guān)系密切，隨著湖平面升降變化沉積相帶在扇三角洲平原沉積、扇三角洲前緣沉積與濱淺湖沉積交替演變。