準噶爾盆地沙灣凹陷構造-地層層序與盆地演化

梁宇生，何登發(fā)，甄 宇，張 磊，田愛軍

[1. 中國地質大學(北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國石油 新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000]

構造-地層層序是指在一定的構造作用背景下所形成的，以區(qū)域性不整合面為界、具有相同構造特征的一套地層總和[1]。構造-地層層序的研究將構造與層序演化之間的聯(lián)系、沉積相展布特征以及油氣地質條件等緊密結合，能更好地認識盆地結構與指導油氣勘探[2-3]。

沙灣凹陷是構成準噶爾大型疊合盆地的重要組成部分[4-5]，它是在前寒武紀“微”地塊及圍繞它的早古生代陸緣增生褶皺帶構成的基底之上發(fā)展起來的晚古生代、中生代及新生代盆地[6-8]，經(jīng)歷了多期復雜的構造演化。前人對于沙灣凹陷構造-地層層序及構造演化的研究主要聚焦在三疊系百口泉組[9-10],以及在研究侏羅紀以來車-莫古隆起的構造變形及演化的成因中被提到[11-12]，對于盆地深部的構造-地層層序及石炭紀以來的演化歷史缺乏整體和深入的研究?，F(xiàn)今在環(huán)沙灣凹陷帶已發(fā)現(xiàn)了永進油田、車排子油田與新光氣田等中小型油氣田，表明沙灣凹陷具有良好的油氣勘探潛力[9]。因此，深入分析沙灣凹陷構造-地層層序與盆地演化具有重要的油氣勘探意義。同時沙灣凹陷在數(shù)公里厚的白堊系及新生界之下較完整地保存了石炭系-侏羅系，使之成為研究中亞造山帶晚古生代—中生代構造變形及構造演化的一個良好場所[13]。

1 區(qū)域地質背景

準噶爾地塊位于哈薩克斯坦板塊的東部，隸屬于古亞洲洋構造域，發(fā)育于其上的沙灣凹陷為準噶爾盆地中央坳陷西南部一個二級負向構造單元，保存了上萬米厚的石炭系-新生界。凹陷西接紅車斷裂和中拐凸起，北臨盆1井西凹陷和莫索灣凸起，東連莫南凸起，南鄰北天山山前沖斷帶的霍瑪吐背斜帶，東西寬約90 km，南北長約85 km，勘探面積約為6 400 km2(圖1)。據(jù)準噶爾盆地第四次油氣資源評價，沙灣凹陷西斜坡帶石油總地質資源量為17 343×104t，天然氣總地質資源量為1 040×108m3，油氣資源較為豐富。

沙灣凹陷沉積層自下而上依次發(fā)育石炭系(C)，下二疊統(tǒng)佳木河組(P1j)、風城組(P1f)，中二疊統(tǒng)夏子街組(P2x)、下烏爾禾組(P2w)，上二疊統(tǒng)上烏爾禾組(P3w)，下三疊統(tǒng)百口泉組(T1b)，中三疊統(tǒng)克拉瑪依組(T2k)，上三疊統(tǒng)白堿灘組(T3b)，下侏羅統(tǒng)八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)，中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)、頭屯河組(J2t)，下白堊統(tǒng)吐谷魯群(K1tg)，上白堊統(tǒng)(K2)，古近系紫泥泉子組(E1-2z)、安集海河組(E2-3a)以及新近系沙灣組(N1s)-第四系(Q)(圖2，圖3)。剖面上具有下伏“塹-壘”結構、中部平緩坳陷結構及上部厚層掀斜結構的特征(圖4,圖5)。

2 構造-地層層序

2.1 不整合面發(fā)育特征

根據(jù)地震反射特征和井震標定結果，在沙灣凹陷地震反射剖面上清楚地識別出新近系底部、白堊系底部、侏羅系底部、夏子街組底部及佳木河組底部共5個區(qū)域不整合面(圖6)，以及石炭系內部的削蝕型不整合(圖6a)，下烏爾禾組底部的超覆型局部不整合面(圖6b)。

圖2 沙灣凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite stratigraphic column of the Shawan Sag

佳木河組底部不整合在凹陷內分布廣泛，界面之下石炭系頂部被削蝕(圖6a)。夏子街組底部界面之上地層向東超覆；之下為一套連續(xù)強振幅反射波阻(圖4,圖6b)。侏羅系八道灣組底部在凹陷內部為一低角度不整合，在西斜坡處見明顯的下削上超的結構(圖4,圖6c)。白堊系底部界面之上的清水河組產狀相對平緩；之下的中-下侏羅統(tǒng)被削蝕(圖6c,d)。新近系底部界面之上為一套連續(xù)強反射波阻，界面之下的安集海河組頂部被削蝕(圖5,圖6e)。

2.2 構造層特征

石炭紀末期沙灣凹陷及鄰區(qū)發(fā)生一期廣泛的構造運動，造成上石炭統(tǒng)不同程度的缺失，在阜康凹陷內部最多缺失約24 Ma(圖7)。夏子街組底部的不整合標志了凹陷進入擠壓環(huán)境(圖7,圖8)。侏羅系底部不整合為三疊紀末期準噶爾盆地西北緣的強烈擠壓用在凹陷內的響應(圖7)。中-晚侏羅世盆地進入強烈的壓扭改造時期[11]，中-上侏羅統(tǒng)在西部與北部年代缺失最大，約29 Ma(圖7,圖8)。凹陷西側的車排子凸起自早二疊世至早白堊世地層缺失約169 Ma(圖7)，這表明盆地西邊界構造活動最強，對沙灣凹陷的形成與演化具有重要影響。綜合區(qū)域不整合面及盆地構造體制轉變特征，將沙灣凹陷自晚石炭世至今劃分為6個大的構造層序：C2構造層、P1構造層、P2-T3構造層、J構造層、K-E構造層及N-Q構造層(圖7,圖8)，其中P2x底部、E底部的局部不整合以及中侏羅世盆地構造體制的轉變可以進一步劃分內部構造層。

圖3 過沙灣凹陷車排7井—中佳1井—沙門7井—莫深1井連井地層對比剖面Fig.3 Well-tie profile crossing Well Chepai-7,Zhongjia-1,Shamen-7,and Moshen-1 in the Shawan Sag

圖4 過沙灣凹陷東-西向A—A′二維地震剖面解釋方案(剖面位置見圖1b)Fig.4 Interpretation of the WE-trending 2D seismic profile A-A′ crossing the Shawan Sag(see Fig.1b for the profile location)a. A—A′原始地震剖面;b. A—A′地震解釋剖面;c. A—A′地震解釋剖面簡化圖

圖5 過沙灣凹陷南-北向B—B′二維地震剖面解釋方案(剖面位置見圖1b)Fig.5 Interpretation of the SN-trending 2D profile B-B′ crossing the Shawan Sag(see Fig.1b for the profile location)a. B—B′原始地震剖面;b. B—B′地震解釋剖面;c. B—B′地震解釋剖面簡化圖

圖6 沙灣凹陷不整合面特征(不整合面的位置見圖4和圖5)Fig.6 Unconformity characteristics of the Shawan Sag(see Fig.4 and Fig.5 for the unconformity locations)a-e. 原始地震剖面局部放大圖;a′—e′.對應的地震解釋剖面簡化圖

利用凹陷內部及周緣的鉆井資料，結合地震反射波阻特征，總結凹陷內各個構造層序的特征。

1) C2構造層：不整合于下石炭統(tǒng)之上，井上厚度大于550 m。依據(jù)中拐凸起東部最新鉆揭上石炭統(tǒng)的探井(金213、拐3等)，推測沙灣凹陷上石炭統(tǒng)主要由玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、火山碎屑巖以及少量泥巖和砂巖組成。

2) P1構造層：佳木河組發(fā)育基性玄武巖、安山巖、英安巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r為主的火山巖，以及以泥巖、砂巖和砂礫巖為主的碎屑巖，井上厚度大于776 m。風城組為一套白云質泥巖、砂質泥巖、泥巖、泥質白云巖、粉砂巖及部分凝灰?guī)r等，主要為淺湖相與扇體相沉積[15]，井上厚度為423 m。

3) P2-T3構造層：中二疊統(tǒng)井上厚度為432 m，其中夏子街組以粗碎屑巖為主，發(fā)育砂礫巖、含礫砂巖、泥質砂巖、砂巖及砂質泥巖。

圖7 沙灣凹陷東-西向A—A′剖面年代地層格架剖面(剖面位置見圖1b)Fig.7 Chrono-stratigraphic framework of the EW-trending profile A-A′ in the Shawan Sag(see Fig.1b for the profile location)

圖8 沙灣凹陷南-北向B—B′剖面年代地層格架(剖面位置見圖1b)Fig.8 Chrono-stratigraphic framework of the SN-trending B profile B-B′ in the Shawan Sag(see Fig.1b for the profile location)

下烏爾禾組以灰色砂質泥巖、泥質砂巖為主，主要為淺湖-半深湖相沉積。上烏爾禾組發(fā)育灰色砂礫巖、砂巖及褐色、灰色泥巖等，井上厚度為196 m，主要為三角洲相及局部濱淺湖相沉積。三疊系井上厚度約為900 m，百口泉組以雜色、褐色砂礫巖及褐色泥巖為主，為辮狀河與淺湖相沉積?？死斠澜M以灰色砂巖、泥質粉砂巖及泥巖為主，下部粒度較粗，向上粒度變細，以淺湖沉積為主，西部斜坡處局部為辮狀河沉積。白堿灘組以灰色砂巖、泥質粉砂巖，泥巖、砂質泥巖為主，主要為半深湖相沉積，其上段發(fā)育大套灰色泥巖夾薄層砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖，具粒序層理。

4) J構造層：侏羅系井上鉆揭厚度約為400 m，八道灣組以砂巖、泥巖不等厚互層為主，夾煤線。三工河組為綠灰色泥巖、砂巖不等厚互層。下侏羅統(tǒng)主要為河流相沉積。西山窯組為一套湖沼相的含煤建造，主要巖性為灰色、黃色細砂巖、粉砂巖與深灰色泥巖互層，夾褐煤沉積，發(fā)育多個厚度為1～3 m煤層。頭屯河組主要為灰色細砂巖，頂部為薄層褐色泥巖，反映氣候較為干旱、水體變淺的沉積環(huán)境。

5) K-E構造層：白堊系以砂巖、泥巖為主，主要為濱淺湖-半深湖相及局部辮狀河、三角洲相沉積，地層整體分布穩(wěn)定，井上厚度約為1 468 m。古近系以灰色粉砂巖，灰褐色粉砂質泥巖，灰綠色、褐色泥巖為主，夾不等粒砂巖，粒度整體較細，井上厚度約為939 m，主要為辮狀河、淺湖相沉積。

6) N-Q構造層：井上厚度約為1 300 m，下部巖性主要為灰色、褐色砂巖、泥巖及砂礫巖，頂部主要為砂、砂土與礫石。

3 盆地演化階段

沙灣凹陷是準噶爾盆地的一部分，其形成、演化與準噶爾盆地主體相比，具有相似性及特殊性。早石炭世西準噶爾洋盆發(fā)生俯沖-增生作用[16-17]，并最晚在晚石炭世與西伯利亞板塊、塔里木板塊完成拼合[18-19]，準噶爾盆地初現(xiàn)雛形。根據(jù)區(qū)域不整合面發(fā)育及沉積充填特征，對沙灣凹陷自晚石炭世以來的盆地演化進行劃分(圖10)。

3.1 伸展斷陷階段(晚石炭世)

隨著達爾布特洋以及北天山洋在晚石炭世開始俯沖—增生—閉合[20-22]，沙灣凹陷整體處于伸展構造環(huán)境，發(fā)育多個正斷層控制的箕狀斷陷，斷面上陡下緩，向上未斷開佳木河組，向下斷開上、下石炭統(tǒng)，歸于基底韌性層(圖4,圖5,圖9a)，斷陷內沉積了厚層的晚石炭世火山巖、海相碎屑巖等。斷陷的沉積中心為烴源巖的發(fā)育提供良好的場所。

3.2 伸展拗陷階段(早二疊世)

早二疊世控盆正斷層活動明顯減弱，凹陷進入伸展拗陷階段，佳木河組向東側莫南凸起及北側盆1井西凹陷方向減薄，向扎伊爾山方向加厚，沉積中心位于凹陷中南部(圖5,圖9b)。風城組沉積時期火山活動減弱，構造活動相對穩(wěn)定，地層起伏變化較小、且厚度相對均一(圖9b)，此時期為準噶爾盆地重要的湖泛期之一，白云質泥巖與暗色泥巖發(fā)育，為全盆地內一套有效烴源巖。早二疊世末期，來自準噶爾盆地西北緣NWW-SEE向的主應力[23]，以構造楔形式作用到車排子凸起與沙灣凹陷過渡帶，使得下二疊統(tǒng)被抬升，地勢西高東低(圖4,圖9b)，剖面縮短1.67 km。

3.3 前陸盆地階段(中二疊世—晚三疊世)

早二疊世末期盆地西部與南部褶皺山系向盆地內沖斷推覆，開始形成準噶爾盆地西北緣及南緣兩個前陸盆地[4]，沙灣凹陷位于前陸盆地系統(tǒng)的前淵部位，夏子街組和下烏爾禾組在凹陷中部厚，向周緣減薄(圖4,圖5)。此時前期形成的基底正斷層復活，向上逆沖反轉傳播，剖面上見上石炭統(tǒng)由先前的正斷距變?yōu)槟鏀嗑郲24]。下烏爾禾組沉積期為凹陷內一個重要的湖泛期，形成了一套優(yōu)質的烴源巖。晚二疊世至中三疊世凹陷處于整體相對穩(wěn)定的擠壓環(huán)境，沉積狀態(tài)較為平坦，沉積厚度穩(wěn)定。晚三疊世為三疊紀的最大湖侵期，沉積了巨厚的泥巖，此時準噶爾西北緣為強烈的擠壓背景，凹陷西側的深部構造楔由西向東強烈活動[25]，三疊紀末期西北緣沖斷帶的前鋒斷層逆沖推覆至凹陷的西邊界，斷層上盤二疊-三疊系遭受剝蝕、缺失，下盤中-上二疊統(tǒng)及三疊系被剝蝕(圖4，圖9c)，同時凹陷內部地層整體抬升，形成T與J之間的區(qū)域性不整合，剖面縮短量為11.87 km(圖9d)。

3.4 陸內拗陷及壓扭盆地階段(侏羅紀)

早侏羅世為弱伸展背景下的穩(wěn)定的拗陷沉積，下侏羅統(tǒng)全凹陷分布，在西側向斜坡高部位超覆。中-晚侏羅世受燕山運動中期的強烈影響，在區(qū)域壓扭背景下，沙灣凹陷整體上隆，形成一個SWW-NEE向的古隆起，中-上侏羅統(tǒng)被大面積強烈剝蝕(圖9e)，此時剖面縮短量為1.17 km。

圖9 沙灣凹陷東-西向A—A′ 剖面構造復原剖面Fig.9 Restored structural profile for the EW-trending profile A-A′ in the Shawan Sag

3.5 陸內拗陷階段(白堊紀—古近紀)

燕山運動晚期，盆地整體穩(wěn)定沉降，沉積了2 000～3 000 m厚的白堊系及古近系。白堊紀末期凹陷內發(fā)生一期“振蕩”運動，主要在西側形成古近系底部的局部不整合，剖面縮短量為0.66 km(圖9f)。這一穩(wěn)定沉降與“振蕩”運動時期，也是相鄰的盆1井凹陷主要的烴源巖P2w的生油高峰期[26]以及莫索灣凸起的主要成藏期[27]。

3.6 陸內前陸盆地階段(新近紀—第四紀)

新近紀以來受喜馬拉雅運動的強烈影響，來自印度板塊與歐亞板塊碰撞的遠程效應，產生強烈擠壓，準噶爾盆地周緣的早期深大超殼斷裂帶再次復活，使天山發(fā)生急劇隆升與向北的大規(guī)模逆沖推覆[28-29]，位于前淵內的沙灣凹陷發(fā)生快速撓曲沉降，新近系-第四系逐漸向南掀斜，越靠近北天山山前，厚度越大(圖9g)。來自北天山的擠壓應力通過多排背斜帶，在淺層以構造楔樣式傳遞到凹陷南部，構造楔以西山窯組的煤層及呼圖壁河組的泥巖層為滑脫層，將西山窯組之上的地層整體抬升，最終形成現(xiàn)今東西向與南北向地震剖面的構造形態(tài)(圖4,圖5)。

4 討論

從剝除石炭系上覆地層處理后的剩余重力異常圖中可以看到沙灣凹陷為較低重力異常區(qū)，重力異常值明顯低于周緣構造帶(圖10)，這表明了沙灣凹陷及鄰區(qū)的基底具有非均一性，以及可能經(jīng)歷了復雜構造演化。而盆地基底的非均一性，直接影響了上覆石炭紀—新生代盆地在形成演化過程中發(fā)生的一系列變化[30-32]。

根據(jù)重力異?？梢越忉屌璧鼗讛嗔烟卣?，沙灣凹陷位于北部中央斷裂(F6)、南部沙灣-阜康斷裂(F7)及西部紅車斷裂(F13)3條邊界斷裂帶之間(圖10)，這3條大斷裂的活動可能直接控制了沙灣凹陷的發(fā)育。晚石炭世—早二疊世、中二疊世—三疊紀末期、中-晚侏羅世以及新近紀以來，受周緣西準噶爾造山帶(F12)、北天山造山帶(F8)與烏倫古-克拉美麗造山帶(F3)的多期次不同程度的區(qū)域壓扭作用[11,29]，沙灣凹陷內部及邊界的基底斷裂經(jīng)歷了相應的強烈發(fā)育、反轉及再次復活的過程，其西側邊界的紅車斷裂帶為一自石炭紀開始發(fā)育的右行壓扭帶，在壓扭構造活動中，導致西邊界的地層發(fā)生褶皺變形與剝蝕。同時來自凹陷周緣邊界斷裂帶的擠壓應力在凹陷內部傳播，形成了多排的褶皺及不整合構造組合，這對于凹陷的形成與演化具有重要影響。

圖10 沙灣凹陷及鄰區(qū)剝層剩余重力異常及基底斷裂分布特征Fig.10 Residual gravity anomaly of stripped layers and basement fault distribution of Shawan Sag and its adjacent areasF1.額爾齊斯-齋?？p合帶；F2.烏倫古北斷裂；F3.烏倫古南-克拉美麗斷裂；F4.陸梁南斷裂；F5.中央北斷裂；F6.中央斷裂；F7.沙灣-阜康斷裂；F8.天山北緣斷裂；F9.北天山縫合帶；F10.博格達山北緣斷裂；F11.博格達山南緣斷裂；F12.達爾布特斷裂；F13.紅車斷裂；F14.克烏斷裂；F15.烏夏斷裂；F16.瑪納斯湖東斷裂；F17.三個泉南斷裂；F18.滴水泉南斷裂；F19.沙丘河斷裂；F20.烏魯木齊斷裂；F21.達坂城斷裂

5 結論

1) 利用鉆井、地震資料，在沙灣凹陷內識別出5個區(qū)域不整合面，結合盆地地質結構變化和構造應力轉變的特點，將沙灣凹陷自晚石炭世以來的地層綜合劃分出6個大的構造層：上石炭統(tǒng)構造層、下二疊統(tǒng)構造層、中二疊統(tǒng)-三疊系構造層、侏羅系構造層、白堊系—古近系構造層及新近系—第四系構造層，地層在縱向上具有下部“塹-壘”結構、中部平緩坳陷結構及上部厚層掀斜結構的特征。

2) 受海西、印支、燕山及喜馬拉雅構造運動的影響，沙灣凹陷自晚石炭世以來經(jīng)歷了晚石炭世伸展斷陷、早二疊世伸展拗陷、中二疊世—晚三疊世前陸盆地、侏羅紀陸內拗陷(J1)及壓扭盆地(J2-J3)、白堊紀—古近紀陸內拗陷及新近紀—第四紀陸內前陸盆地7個演化階段?；椎姆蔷恍约爸芫夁吔鐢嗔褞У亩嗥诨顒訉ι碁嘲枷莸男纬膳c演化施加了重要影響。