博格達(dá)地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組沉積相及沉積演化

張奎華 ，曹忠祥，王 越，張關(guān)龍，薛 雁，王圣柱，曲彥勝，汪譽(yù)新

（1.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015；2.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257001）

博格達(dá)山周緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組發(fā)育厚層泥頁巖、油頁巖［1-2］，有機(jī)碳含量與生烴潛量較高［3］，為該區(qū)重要的烴源巖層段［4-5］。前人認(rèn)為中二疊世為斷陷盆地的擴(kuò)張期［6-10］，博格達(dá)山尚未隆升［11-12］，博格達(dá)地區(qū)在半深湖-深湖環(huán)境下發(fā)育了優(yōu)質(zhì)烴源巖。針對蘆草溝組沉積方面的研究涵蓋了油氣地質(zhì)條件［13-15］、沉積相類型及分布［16-19］、沉積環(huán)境［20-22］、白云巖成因［23-24］等方面。馮爍等研究認(rèn)為蘆草溝組沉積時(shí)期交替出現(xiàn)的炎熱氣候條件和生物大量繁盛為半深湖-深湖環(huán)境油頁巖的形成提供了有利條件［14］。王正和等認(rèn)為蘆草溝組主要發(fā)育扇三角洲和湖泊體系，前扇三角洲至深湖亞相泥頁巖具有較好的頁巖油氣勘探潛力［15］。李紅研究認(rèn)為柴窩堡凹陷蘆草溝組發(fā)育扇三角洲-濱淺湖-半深湖沉積體系［16］。彭雪峰等研究認(rèn)為博格達(dá)山北緣蘆草溝組發(fā)育濱湖、淺湖和半深湖3種亞相，進(jìn)一步劃分為砂質(zhì)灘壩、泥質(zhì)灘壩、碳酸鹽灘壩和生物礁4種微相［18］。楊志浩等通過對韭菜園子溝剖面研究，建立了蘆草溝組富砂型湖泊深水沉積模式［19］。陳健等認(rèn)為準(zhǔn)南地區(qū)蘆草溝組整體處于半咸水-咸水、貧氧-厭氧環(huán)境，受陸源碎屑和火山灰間歇性影響，為有機(jī)質(zhì)的輸入和保存提供了有利條件［20］?？傮w來看，前期主要針對柴窩堡凹陷或者博格達(dá)山北緣地區(qū)的沉積特征進(jìn)行研究，區(qū)域整體性研究相對較少。蘆草溝組地層厚度大，橫向上與縱向上巖性變化復(fù)雜，等時(shí)地層單元內(nèi)開展區(qū)域性的研究有利于落實(shí)烴源巖縱向發(fā)育位置及平面分布范圍。

博格達(dá)地區(qū)位于盆地?cái)嘞菀粋?cè)，且緊鄰造山帶，地震資料品質(zhì)較差，難以開展精細(xì)層序地層劃分工作。筆者通過對完整出露蘆草溝組的剖面進(jìn)行精細(xì)測量和系統(tǒng)取樣測試，依據(jù)巖石組合、礦物組成、元素比值及有機(jī)地化等特征對蘆草溝組進(jìn)行組段劃分，結(jié)合測井、錄井資料建立地層格架，進(jìn)一步詳細(xì)分析蘆草溝組典型沉積相的巖性組合、沉積相分布及沉積體系時(shí)空演化特征，以期為研究區(qū)頁巖油氣及致密油氣藏的勘探與預(yù)測提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

圖1 博格達(dá)地區(qū)區(qū)域位置及剖面位置Fig.1 Location and geological profile of Bogda area

研究區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地的東南部，包括博格達(dá)山及其周緣地區(qū)（圖1）。早、中二疊世博格達(dá)山尚未隆升，研究區(qū)連續(xù)發(fā)育下二疊統(tǒng)石人子溝組、塔什庫拉組與中二疊統(tǒng)烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組、紅雁池組。晚二疊世博格達(dá)山初次隆升，在其南北兩側(cè)凹陷區(qū)自下而上發(fā)育泉子街組、梧桐溝組與鍋底坑組?，F(xiàn)今博格達(dá)山為一向北凸出的弧形復(fù)背斜，出露中—上石炭統(tǒng)海相火山巖、碎屑巖與碳酸鹽巖，其南、北兩翼出露二疊系—第四系。中二疊統(tǒng)蘆草溝組在博格達(dá)山周緣多條剖面出露良好，易于觀察。

博格達(dá)山南北兩側(cè)均發(fā)育蘆草溝組，在柴窩堡凹陷厚度為500～750 m，主要為灰色與灰綠色礫巖、砂礫巖、中粗砂巖、泥巖，縱向巖性變化特征不明顯。博格達(dá)山北緣蘆草溝組厚度為540～1 100 m，主要為灰色粉細(xì)砂巖、云質(zhì)粉砂巖以及深灰色云質(zhì)泥巖、泥巖、泥頁巖，自下而上巖性特征變化明顯。在烏魯木齊市以東15 km處井井子溝剖面蘆草溝組出露完整，巖性特征變化明顯，對該剖面進(jìn)行精細(xì)測量和系統(tǒng)取樣測試。蘆草溝組下部以粉細(xì)砂巖為主，夾薄層泥巖；上部以深灰色泥巖、泥頁巖為主，夾薄層云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖與泥晶白云巖。Sr/Ba與V/（V+Ni）值反映蘆草溝組下部沉積時(shí)期處于半咸水、貧氧沉積環(huán)境，上部為咸水、極貧氧沉積環(huán)境。巖石熱解分析表明蘆草溝組下部有機(jī)碳含量與生烴潛量相對較低，上部有機(jī)碳含量與生烴潛量較高，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)烴源巖的標(biāo)準(zhǔn)。綜合巖石類型、礦物組成、元素比值及有機(jī)地化等特征，將井井子溝剖面蘆草溝組自下而上劃分為一段、二段、三段與四段（圖2），以該剖面為蘆草溝組標(biāo)準(zhǔn)剖面對其他地區(qū)的地層劃分進(jìn)行約束，并建立蘆草溝組地層格架。

2 沉積相類型

在蘆草溝組沉積時(shí)期，博格達(dá)地區(qū)主要發(fā)育近岸水下扇、濁積扇與湖泊3種沉積相。

2.1 近岸水下扇

露頭與巖心綜合分析結(jié)果表明，近岸水下扇主要在柴窩堡凹陷發(fā)育，以扇中和扇緣亞相為主。

近岸水下扇扇中主要以厚層灰色中礫巖、含中礫細(xì)礫巖與砂礫巖沉積為主，夾薄層深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖（圖3，圖4a），根據(jù)巖性組合特征與沉積構(gòu)造進(jìn)一步劃分為溝道和溝道間2個(gè)微相。溝道由多期次的砂礫巖體在垂向上疊置構(gòu)成，單層厚度為2～4 m，累積厚度最大約為12 m，主要發(fā)育塊狀層理和粒序?qū)永?，測井相模式表現(xiàn)為箱形（圖3），反映了強(qiáng)水動(dòng)力條件。礫巖以火山巖礫石和變質(zhì)巖礫石為主，粒徑主要為1～4 cm（圖4b），最大可到8 cm（圖4c），呈次棱角、次圓狀，多呈高角度不穩(wěn)定狀與砂級碎屑顆粒混雜堆積，分選極差。溝道間沉積以深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，厚度一般為0.5～2.0 m，測井曲線較平直。綜合分析可知，扇中亞相為近源深水快速沉積的產(chǎn)物，主要以重力流搬運(yùn)為主。

近岸水下扇扇緣以灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、中粗砂巖和深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖的不等厚互層為主，進(jìn)一步劃分出溝道和溝道間2個(gè)微相。溝道沉積的砂礫巖體厚度一般為1～3 m，最大約為5 m，主要發(fā)育塊狀層理和粒序?qū)永?，底部可見明顯的沖刷面（圖4d），測井相模式表現(xiàn)為鐘形、箱形。礫石粒徑主要為0.5～2 cm，最大約為5 cm，呈次棱角狀、次圓狀，分選極差（圖4e，4f），結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低。溝道間沉積以深灰色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，厚度一般為2～4 m，以紋層狀構(gòu)造為主，測井相模式表現(xiàn)為線形（圖3），反映弱水動(dòng)力條件。扇緣亞相砂地比較扇中亞相小，巖性變細(xì)，反映沉積水動(dòng)力條件相對減弱。

2.2 濁積扇

博格達(dá)山北緣大龍口、小龍口等剖面可見蘆草溝組發(fā)育薄層砂體與深灰色泥巖互層（圖5a），單層砂體厚度為0.05～3 m，屬于深水濁積扇沉積。根據(jù)露頭巖性組合特征及沉積構(gòu)造，劃分出扇中與扇緣2個(gè)亞相。

2.2.1 扇中亞相

扇中亞相以濁流水道和漫溢沉積為主，濁流水道下部發(fā)育塊狀層理含礫粗砂巖、槽狀交錯(cuò)層理中砂巖與正粒序?qū)永碇猩皫r（圖5b），受重力流和牽引流雙重搬運(yùn)作用控制；濁流水道上部發(fā)育水平層理粉砂巖與塊狀層理泥巖。濁流水道自下而上巖性由粗變細(xì)，由槽狀交錯(cuò)層理過渡為水平層理，反映由早期到晚期水動(dòng)力條件逐漸變?nèi)酢Ｂ绯练e主要分布在濁流水道的兩側(cè)，單期砂體表現(xiàn)為正旋回結(jié)構(gòu)，厚度一般為0.5～1.5 m，自下而上由正粒序?qū)永碇猩皫r過渡為平行層理細(xì)砂巖（圖5c），其水動(dòng)力條件較濁流水道明顯變?nèi)酢?/p>

2.2.2 扇緣亞相

扇緣亞相厚度較小，以粉細(xì)砂巖和泥巖薄互層沉積為主（圖5d），粉細(xì)砂巖單層厚度為0.5～5 cm，在露頭及鏡下可以觀察到水平層理、變形構(gòu)造、同生小斷層（圖5e）。與大龍口剖面相鄰的鉆井巖心可以觀察到滑塌濁積巖透鏡體、不明顯鮑馬序列、包卷層理、火焰狀構(gòu)造及同沉積布丁構(gòu)造（圖5f）。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)粉細(xì)砂巖中泥質(zhì)雜基含量極高，為15%～30%，陸源碎屑顆粒呈次棱角狀、棱角狀，分選較差，反映了沉積物在濁流搬運(yùn)作用下快速的沉積作用。大龍口、小龍口地區(qū)大量的軟沉積物變形構(gòu)造反映了當(dāng)時(shí)該區(qū)域古斜坡易受重力作用發(fā)生大規(guī)模的滑塌，形成砂泥巖互層沉積。

圖2 井井子溝剖面中二疊統(tǒng)蘆草溝組地層沉積綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Middle Permian Lucaogou Formation in Jingjingzigou profile

2.3 湖泊

湖泊相在博格達(dá)山北緣分布廣泛，以半深湖、深湖亞相為主。

2.3.1 半深湖亞相

圖3 達(dá)1井中二疊統(tǒng)蘆草溝組取心段沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics of the coring section of Middle Permian Lucaogou Formation in Well Da1

圖4 博格達(dá)地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組近岸水下扇典型沉積特征Fig.4 Typical sedimentary characteristics of nearshore subaqueous fan of Middle Permian Lucaogou Formation in Bogda area

圖5 博格達(dá)地區(qū)露頭與鉆井中二疊統(tǒng)蘆草溝組濁積扇典型沉積特征Fig.5 Typical sedimentary characteristics of turbidite fan of Middle Permian Lucaogou Formation in outcrop and drilling core in Bogda area

圖6 井井子溝剖面中二疊統(tǒng)蘆草溝組三段半深湖相沉積特征Fig.6 Typical sedimentary characteristics of semi-deep lake of Middle Permian Lucaogou Formation in Jingjingzigou section

博格達(dá)山北緣蘆草溝組二段和三段發(fā)育深灰色泥巖、云質(zhì)泥巖、云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖與白云巖的薄互層（圖6a，6b），屬于半深湖沉積。泥巖、云質(zhì)泥巖以塊狀層理為主，有機(jī)碳含量為3%～13.8%，平均為4.4%，生烴潛量為6～70 mg/g，平均為23 mg/g，為優(yōu)質(zhì)烴源巖（圖2）。白云巖厚度為0.1～0.3 m，由多期次透鏡狀泥晶白云巖疊置構(gòu)成（圖6c，6d），白云石含量為70%～85%，陸源碎屑含量為5%～15%。掃描電鏡下白云石的形態(tài)主要為微球狀和他形2類，微球狀白云石直徑約為1～3 μm，他形白云石直徑約為3～5 μm（圖6e）。張曉寶等分別根據(jù)元素分析和碳氧同位素分析，認(rèn)為博格達(dá)地區(qū)蘆草溝組微球狀和他形白云石與產(chǎn)甲烷菌等微生物有關(guān)的原生白云石，主要形成于深水咸化還原環(huán)境［23-24］。云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖厚度為0.2～1.0 m，以水平層理為主（圖6f），鏡下可見粉砂級長英質(zhì)礦物與黏土礦物呈紋層狀分布，紋層間距為0.2～0.5 mm（圖6g）。此外，在粉砂巖中可見保存相對完整的古鱈魚化石（圖6h），整體反映了相對安靜的沉積環(huán)境。半深湖內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖與泥晶白云巖、云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖構(gòu)成的巖石組合，具備形成致密油的良好條件。

2.3.2 深湖亞相

博格達(dá)山北緣蘆草溝組發(fā)育厚層深灰色泥頁巖、油頁巖夾薄層白云巖（圖7a，7b），偶見薄層灰?guī)r，整體形成于深湖環(huán)境。泥頁巖單層厚度為2～8 m（圖7c），具頁狀構(gòu)造，紋層間距為0.1～0.3 mm（圖7d）。泥頁巖主要由長英質(zhì)礦物、黏土礦物組成，有機(jī)質(zhì)在黏土紋層中富集（圖7e），有機(jī)碳含量為2.8%～14.8%，平均為5.3%，生烴潛量為3～70 mg/g，平均為31 mg/g，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。白云巖厚度為0.2～0.5 m，多呈透鏡狀，主要為泥晶白云巖，白云石含量為80%～95%（圖7f），陸源碎屑含量為5%～10%，主要為單晶石英顆粒（圖7g）。掃描電鏡下白云石的形態(tài)主要為微球狀（圖7h），直徑約為5～10 μm，粒徑比半深湖環(huán)境下形成的白云石顆粒大，反映其沉積水體深度更大、沉積環(huán)境更為穩(wěn)定。蘆草溝組四段深湖相泥頁巖累積厚度最大約為200 m，空間上分布廣泛，有機(jī)碳含量、生烴潛量高，具備形成頁巖油氣的良好條件。

圖7 紅雁池剖面中二疊統(tǒng)蘆草溝組四段深湖相沉積特征Fig.7 Typical sedimentary characteristics of deep lake of fourth member of Middle Permian Lucaogou Formation in Hongyanchi section

3 沉積演化

準(zhǔn)噶爾盆地在中二疊世蘆草溝組沉積時(shí)期發(fā)生大規(guī)模湖侵，博格達(dá)地區(qū)位于盆地?cái)嘞菀粋?cè)［2］，伊連哈比爾尕山（簡稱伊山）為該區(qū)的主要物源［3］。柴窩堡凹陷主要發(fā)育近岸水下扇扇中和扇緣沉積（圖8），現(xiàn)今博格達(dá)山北緣地區(qū)廣泛發(fā)育半深湖-深湖、濁積扇沉積（圖9），砂地比由南向北、由西向東逐漸變小，反映伊山西側(cè)供給能力較強(qiáng)，由西向東供給能力減弱。

在蘆草溝組一段沉積時(shí)期，物源供給較為充足，柴窩堡凹陷廣泛發(fā)育近岸水下扇砂礫巖體，向湖盆中心推進(jìn)最遠(yuǎn)距離約為60 km，柴窩堡凹陷以北地區(qū)主要發(fā)育半深湖與濁積扇沉積，分布范圍相對較小（圖10a）。在蘆草溝組二段沉積時(shí)期，相對湖平面有所上升，近岸水下扇扇體分布范圍減小，尤其是近岸水下扇扇中的沉積范圍明顯減小，半深湖與濁積扇沉積的分布范圍有所增大（圖10b）。在蘆草溝組三段沉積時(shí)期，相對湖平面持續(xù)上升，近岸水下扇扇體進(jìn)一步萎縮，向湖盆中心推進(jìn)最遠(yuǎn)距離約為40 km（圖10c）；半深湖分布范圍明顯增大，形成云質(zhì)泥巖、泥巖與云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、泥晶白云巖的頻繁互層；靠近盆地腹部的區(qū)域出現(xiàn)深湖沉積，分布范圍相對較小。在蘆草溝組四段沉積時(shí)期，相對湖平面快速上升，近岸水下扇扇體大范圍縮小，向湖盆推進(jìn)最遠(yuǎn)距離約為20 km（圖10d）；半深湖分布范圍變小，呈帶狀平行于伊山分布；深湖沉積范圍達(dá)到最大，發(fā)育厚層泥頁巖、油頁巖夾薄層泥晶白云巖，成為重要的優(yōu)質(zhì)烴源巖層段。綜合分析可知，蘆草溝組為湖平面持續(xù)上升的沉積過程，近岸水下扇砂礫巖規(guī)模不斷縮小，半深湖-深湖沉積范圍不斷擴(kuò)大，發(fā)育大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖8 博格達(dá)地區(qū)柴參1石井—三工河剖面蘆草溝組沉積相對比Fig.8 Lucaogou Formation sedimentary facies of Well Chaican1Shi-Sangonghe section in Bogda area

圖9 博格達(dá)地區(qū)井井子溝剖面—奇1井蘆草溝組沉積相對比Fig.9 Lucaogou Formation sedimentary facies of Jingjingzigou-Well Qi1 section in Bogda area

圖10 博格達(dá)地區(qū)中二疊統(tǒng)蘆草溝組沉積相分布Fig.10 Sedimentary facies distribution of Middle Permian Lucaogou Formation in Bogda area

4 結(jié)論

博格達(dá)地區(qū)蘆草溝組自下而上分為一段、二段、三段與四段，發(fā)育近岸水下扇、濁積扇與湖泊相沉積。近岸水下扇主要發(fā)育扇中和扇緣亞相，以灰色礫巖、砂礫巖與深灰色泥巖互層為主。濁積扇主要發(fā)育扇中和扇緣亞相，分別以灰色中粗砂巖和粉細(xì)砂巖沉積為主。湖泊主要發(fā)育半深湖、深湖亞相，前者以深灰色云質(zhì)泥巖、云質(zhì)粉砂巖、粉砂巖與泥晶白云巖互層為主，后者以厚層泥頁巖夾泥晶白云巖為主。

蘆草溝組沉積時(shí)期整體為湖侵的沉積過程。在蘆草溝組一段、二段沉積時(shí)期，物源供給能力較強(qiáng)，近岸水下扇在柴窩堡凹陷連片分布，半深湖與濁積扇分布在現(xiàn)今博格達(dá)山以北地區(qū)。在蘆草溝組三段、四段沉積時(shí)期，湖侵規(guī)模不斷擴(kuò)大，半深湖、深湖沉積在柴窩堡凹陷與現(xiàn)今博格達(dá)山周緣廣泛分布，發(fā)育大規(guī)模的優(yōu)質(zhì)烴源巖。