伊犁盆地南緣侏羅系高分辨率層序格架下沉積演化

李 勇， 江文劍， 王 超

(1.核工業(yè)二八〇研究所，四川 廣漢 618300；2. 東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；3.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，江西 南昌 330013； 4. 中石化華北石油工程有限公司，河南 鄭州 450000; 5. 成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059)

伊犁盆地是位于中國(guó)西部天山造山帶中的裂陷-拗陷復(fù)合型盆地(張國(guó)偉等，1999)，也是我國(guó)重要的能源型盆地，其侏羅系地層中蘊(yùn)藏著豐富砂巖型鈾礦和煤炭資源。在油氣勘探領(lǐng)域，盡管前人研究表明，二疊系湖相泥巖和中下侏羅統(tǒng)的煤系泥巖可以作為良好的烴源巖層，侏羅系廣泛分布在伊犁盆地南緣沉積厚度較大的砂巖中，可以形成較好儲(chǔ)集層(謝其鋒等，2014；苗建宇等，2004；熊利平等，1999)，但是相比于鄰區(qū)的吐哈、焉耆、塔里木、準(zhǔn)噶爾等盆地，伊犁盆地侏羅系地層的油氣勘探一直未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展(劉海娟等，2011；王峻等，2006)，因此加強(qiáng)伊犁盆地基礎(chǔ)地質(zhì)研究將有助于下一步油氣勘探。筆者以伊犁盆地南緣蘇阿蘇溝剖面為研究對(duì)象，對(duì)其中下侏羅統(tǒng)地層進(jìn)行高分辨率層序地層劃分，在層序格架下，分析沉積體系的分布規(guī)律及沉積充填演化特征，其研究成果為后期進(jìn)行油氣勘探提供參考。

1 地質(zhì)背景

伊犁盆地位于我國(guó)新疆西北部的伊犁哈薩克族自治州境內(nèi)，面積約為2.85萬(wàn)km2(韓效忠等，2008；侯明才等，2016)。在大地構(gòu)造上，屬于伊犁-中天山微地塊，夾持于準(zhǔn)噶爾和塔里木板塊之間，呈現(xiàn)狹長(zhǎng)三角形撒向中亞地區(qū)。伊犁盆地具有與塔里木地塊相似基底，主要由前震旦紀(jì)結(jié)晶基底、震旦紀(jì)-寒武紀(jì)初始蓋層基底和早古生代褶皺基底組成(張國(guó)偉等，1999)。晚古生代后伊犁盆地的形成則受南天山洋和北天山洋構(gòu)造演化所控制，逐漸由大陸島弧環(huán)境轉(zhuǎn)變碰撞后陸內(nèi)裂谷環(huán)境(Wang et al.，2010;Han et al.，2011)。進(jìn)入侏羅紀(jì)后，受古特提斯洋關(guān)閉和新特提斯洋打開(kāi)的影響，伊犁盆地處于盆地?cái)嘞輸U(kuò)張時(shí)期，沉積厚度大，范圍廣。該時(shí)期也是盆地沉積型礦產(chǎn)形成時(shí)期 (韓紹陽(yáng)等2008；李勝祥等，2006)。研究剖面位于伊犁盆地南緣的蘇阿蘇溝(圖1)，該剖面出露的地層主要為中下侏羅統(tǒng)的八道灣組、三工河組和西山窯組(劉家鐸等，2002，2003；田景春等，2002)。

2 高分辨率層序界面識(shí)別及劃分

高分辨率層序地層學(xué)的不同級(jí)次基準(zhǔn)面旋回界面標(biāo)志是不相同的，長(zhǎng)期旋回(LSC)界面標(biāo)志主要是不整合面、大型沖刷面、巖相突變面、古暴露面等；中期旋回(MSC)界面主要在剖面巖性、巖相的轉(zhuǎn)換面，界面特征主要表現(xiàn)為不連續(xù)暴露面、水面的侵蝕沖刷面和與之相對(duì)應(yīng)的整合面為界；短期旋回(SSC)界面主要表現(xiàn)為多個(gè)韻律式疊覆的退積-進(jìn)積式沉積組合，或連續(xù)疊加的退積式和進(jìn)積式沉積相組合中的轉(zhuǎn)換面，沖刷面面積較小，相似巖性和巖相組合的分界面(鄭榮才等，2010)。依據(jù)上述層序界面識(shí)別特征(表1)，將研究區(qū)蘇阿蘇溝剖面中下侏羅統(tǒng)劃分為4個(gè)長(zhǎng)期旋回：八道灣組下段為第1個(gè)長(zhǎng)期旋回(LSC1)，八道灣組上段和三工河組為第2個(gè)長(zhǎng)期旋回(LSC2)，西山窯組下段和中段為第3個(gè)長(zhǎng)期旋回(LSC3)，西山窯上段與零星頭屯河組為第4個(gè)長(zhǎng)期旋回(LSC4)。本剖面頭屯河組還可劃分7個(gè)中期旋回和15個(gè)短期旋回(圖2)。

表1 高分辨層序地層不同級(jí)次基準(zhǔn)面旋回界面標(biāo)志

層序界面主要為不整合面，沖刷面和巖性轉(zhuǎn)換面。層序界面具體特征為：①SB1界面是呈整合接觸的三疊統(tǒng)小泉溝群與下侏羅統(tǒng)八道灣組的界面，層序界面為巖相突變面和大型沖刷面，SB1界面之上為八道灣組灰白色厚層塊狀礫巖，界面之下為中上三疊統(tǒng)小泉溝群的紫紅色、紫黑色砂質(zhì)泥巖。②SB8界面為中侏羅統(tǒng)西山窯組和新近系的分界面，兩者呈不整合接觸。在區(qū)域上，SB8界面應(yīng)該為中侏羅統(tǒng)西山窯組和頭屯河組的分界面，但是本剖面頭屯河組、西山窯組上段與新近系呈不整合接觸。③SB2、SB3、SB5、SB6、SB7界面為砂體河道的侵蝕面和巖性突變面；SB4界面以沉積間斷面或與之整合界面為界(田景春等，2002；李寶慶等，2014)。

剖面基準(zhǔn)面旋回結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：①長(zhǎng)期旋回中LSC1主要為C1型(以上升半旋回為主的不完全對(duì)稱型)；LSC2、LSC3和LSC4為C2型(上升與下降半旋回近完全對(duì)稱型)；②中期旋回中，八道灣組(MSC1、MSC2和MSC3)為A型(向上變“深”非對(duì)稱型)和C1型；三工河組為(MSC4)為C3型(以下降半旋回為主的不完全對(duì)稱型)；西山窯組(MSC5、MSC6 和MSC7)為C2型。

3 沉積演化

3.1 沉積相標(biāo)志

3.1.1 巖石學(xué)特征

研究區(qū)主要巖屑砂巖，巖屑石英砂巖，巖屑雜砂巖、少量的巖屑長(zhǎng)石砂巖(圖3，江文劍等，2018)。碎屑顆粒主要以巖屑為主，含量為24%～56%，成分主要為硅質(zhì)巖巖屑、細(xì)粉砂巖屑和泥巖巖屑，少量的中酸性火山巖屑；石英含量為33%～68%，長(zhǎng)石含量3%～10%。填隙物主要為雜基和鈣質(zhì)膠結(jié)物，其含量約占10%～20%。顆粒以次圓狀為主，分選性較差，孔隙式膠結(jié)，結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低，物源搬運(yùn)距離較近。

3.1.2 沉積構(gòu)造特征

研究區(qū)沉積構(gòu)造主要有沖刷面構(gòu)造，塊狀層理、粒序?qū)永?、交錯(cuò)層理、水平層理和平行層理(圖4)。

沖刷面構(gòu)造：見(jiàn)于八道灣組和西山窯組之中(圖4A，B)，一般是流水在細(xì)粒沉積物表面沖刷、侵蝕而形成的凹凸不平的平面。

塊狀層理和粒序?qū)永恚阂?jiàn)于八道灣組底部砂礫巖中，礫石1～4 cm，棱角-次棱角狀，具重力流成因(圖4C，I)。八道灣組底部的砂體中多數(shù)具有正粒序，垂向上礫巖-含礫砂巖-粗砂-細(xì)砂巖，為典型的河道沉積。

交錯(cuò)層理：主要見(jiàn)于八道灣組上段和西山窯組中下部，巖性以中厚層狀中-粗砂巖為主，大量在扇三角洲、辮狀河道和河道砂壩中出現(xiàn)，多見(jiàn)板狀交錯(cuò)層理和槽狀交錯(cuò)層，層系0.1～0.4 m(圖4E，F(xiàn)，G)。

水平層理和平行層理：在三工河組扇三角洲前緣和辮狀河三角洲前緣砂泥巖互層中(圖4J，D，H)。

3.1.3 剖面巖石組合特征

通過(guò)對(duì)野外露頭剖面觀察和實(shí)測(cè)，八道灣組底部為一套厚度較大的塊狀層理礫巖，之上為槽狀或板狀交錯(cuò)層理中粗砂巖，頂部可見(jiàn)粉砂巖、泥巖。其礫巖的顏色通常為褐紅色，礫石1～4 cm，棱角-次棱角狀，沖刷現(xiàn)象明顯，有起伏不平的沖刷面，為河道的滯留沉積。中部的砂體可見(jiàn)大型槽狀或板狀交錯(cuò)層理、平行層理，為辮狀河河道沉積特征。頂部的砂泥互層，為河道間漫灘沉積特征，厚度不大(圖5A)。西山窯組：底部為塊狀或大型槽狀、板狀交錯(cuò)層理的含礫砂巖、粗砂巖，中部為具有板狀或平行層理中細(xì)砂巖，頂部為具水平層理粉砂巖、泥巖。主要表現(xiàn)為三角洲平原或前緣沉積特征(圖5B)。三工河組位于前三角洲或者水下分流河道間的泥巖和砂巖互層，可見(jiàn)平行層理或波紋層理(圖5C)。

3.1.4 粒度特征分析

為了判斷砂體的沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件，研究選取野外露頭砂巖樣品，進(jìn)行粒度分析。其中在粒級(jí)較粗的巖石樣品中(如含礫粗砂巖)，以多峰為主，而在中細(xì)砂粒級(jí)的樣品中以雙峰為主(江文劍，2017)。從圖6可以看出，粒度分布直方圖以多峰和雙峰為主，粒度變化很大(-1～4 mm)，表明分選性較差。通過(guò)概率累計(jì)曲線圖綜合分析認(rèn)為，主要有以下兩種類型：

(1)三段式：分布在粗的碎屑巖中，比如八道灣組的粗粒碎屑巖，位于沉積旋回底部(圖6A)，由3條直線相交而成，且滾動(dòng)組分含量較高(>60%)，線段的斜率較緩，表明分選差，其沉積時(shí)坡度較陡(姜在興，2002)。然而西山窯組的粗粒碎屑巖(主要位于沉積旋回底部)，雖然也呈三段式，既滾-跳-懸，但粒度變細(xì)，區(qū)間變窄，且滾動(dòng)組分含量較低(>45%，圖6B)，斜率變陡，說(shuō)明分選性比較好，滾動(dòng)顆粒組分變少。

(2)兩段式：分布在中砂-細(xì)砂粒級(jí)中，由2條直線段相交，表明滾動(dòng)次組分很低，跳躍和懸浮次總體比較發(fā)育(>50%，圖6C，D)，具備河流和三角洲河道沉積特征。與三段式相比，粒度分布曲線變窄，曲線斜率變陡，分選性變好(姜在興，2002)。其八道灣組和西山窯組中細(xì)砂巖均表現(xiàn)為兩段式。

在細(xì)砂粒級(jí)中，粒度區(qū)間跨度不大(一般為2～4 mm)，斜率變陡，說(shuō)明分選變好，缺少滾動(dòng)次總體，主要為跳躍次總體和懸浮次總體(圖6E，F(xiàn))，表現(xiàn)為次級(jí)河道或天然堤沉積特征(江文劍，2017)。

3.2 沉積相特征

在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)相標(biāo)志及剖面露頭的研究，共識(shí)別出3種主要的沉積相類型，分別為扇三角洲相、湖泊相和辮狀河三角洲相。

3.2.1 扇三角洲相

研究區(qū)扇三角洲位于八道灣組中，可細(xì)分為3個(gè)亞相：扇三角洲平原、扇三角洲前緣及前扇三角洲。

扇三角洲平原亞相：常在八道灣組底部出現(xiàn)，在山前或陡崖帶附近沉積形成，由粗礫巖、含礫粗砂巖及粗砂巖組成，分選性和磨圓度較差，礫徑1～4 cm，局部可大于10 cm，常見(jiàn)礫石的疊瓦狀構(gòu)造，塊狀層理，可見(jiàn)泥石流沉積的遞變層理(圖4C，I)，砂礫巖底部見(jiàn)沖刷-充填構(gòu)造。單砂體中見(jiàn)交錯(cuò)層理和平行層理，礫巖層和砂巖層多呈互層狀，呈雜色或紅色，零星可見(jiàn)煤層。

扇三角洲前緣亞相：巖性較粗，由灰色、褐灰色中-厚層狀含礫砂巖、中-細(xì)粒砂巖、粉砂巖及泥質(zhì)粉砂巖組成。礫石呈次棱角-次圓狀，分選性磨圓度較好，砂體中可見(jiàn)大中型槽狀、板狀等交錯(cuò)層理(圖4E)，分流間灣微相可見(jiàn)深灰色泥巖夾薄層狀粉砂巖。

前扇三角洲亞相：主要由八道灣組上部暗色及深灰色泥巖、細(xì)砂巖組成。偶見(jiàn)薄層狀粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的透鏡體，水動(dòng)力條件較弱，與湖相泥巖難以區(qū)分。

3.2.2 湖泊相

根據(jù)露頭巖性、沉積構(gòu)造和剖面結(jié)構(gòu)及水動(dòng)力條件，可將研究區(qū)湖泊相劃分為濱-淺湖亞相和半深湖亞相(譚萬(wàn)倉(cāng)，2008)。研究區(qū)三工河組細(xì)砂巖、泥巖位于湖泊相。

濱-淺湖亞相：灰黑色、褐灰色泥巖夾薄層狀細(xì)砂巖、粉砂巖和薄層煤層或煤線組成，局部泥巖和煤線呈互層狀。

半深湖亞相：巖性為一套深灰色、灰黑色泥巖，水平層理(圖4J)，與前三角洲亞相細(xì)粒沉積物難分開(kāi)。

3.2.3 辮狀河三角州相

研究區(qū)辮狀河三角洲相位于西山窯組，按巖石組合、剖面結(jié)構(gòu)及層理特征等，可進(jìn)一步劃分為辮狀河三角洲平原、前緣及前三角洲3個(gè)主要亞相。

辮狀河三角洲平原亞相：該亞相是辮狀河三角洲水上部分，位于西山窯組中上部，可以細(xì)分為辮狀河道和河漫流沼澤兩個(gè)微相。辮狀河道中砂體為雜色、紅褐色厚層狀礫巖、含礫粗砂巖及中粗砂巖，大中型交錯(cuò)層理(圖4F)，分選性較好，剖面結(jié)構(gòu)呈正韻律，底部常為沖刷侵蝕界面(圖4A，B)。河漫流沼澤微相的巖性以暗色泥質(zhì)粉砂巖、碳質(zhì)泥巖和薄層狀煤層組成。

辮狀河三角洲前緣亞相：該亞相屬于辮狀河三角洲水下延伸部分，根據(jù)沉積特征可進(jìn)一步劃分為水下分流河道，河口壩、前緣席狀砂及河道間灣等沉積微相，水下分流河道巖性為暗色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及互層狀的前緣席狀砂(圖4H)等，多見(jiàn)水平層理和平行層理。

前辮狀三角洲亞相巖性主要為暗色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖，顏色較深，亞相與淺湖泥呈過(guò)渡關(guān)系， 與半深湖相沉積粉砂巖和泥巖二者難以區(qū)分。

4 構(gòu)造演化階段控制下的層序結(jié)構(gòu)與沉積演化特征

伊犁盆地作為天山造山帶中裂陷-坳陷復(fù)合型的山間盆地，其地層層序結(jié)構(gòu)特征及古環(huán)境演化受到盆地構(gòu)造性質(zhì)和周緣造山帶活動(dòng)的影響(張國(guó)偉等，1999)。石炭紀(jì)末期(約300 Ma)，南天山洋已經(jīng)閉合，伊犁-中天山微地塊與塔里木板塊碰撞拼接在一起，伊犁盆地及周緣逐漸由島弧環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)殛?陸碰撞后陸內(nèi)裂谷環(huán)境(高山林等，2015；朱永峰等，2006)。二疊紀(jì)末，受古特提斯洋關(guān)閉的影響，伊犁盆地周緣造山帶開(kāi)始形成，如南緣察布查爾山(恰普恰勒山)發(fā)生嚴(yán)重褶皺變形，發(fā)生逆沖抬升而成山體，控制著盆地中-新生代沉積(張國(guó)偉等，1999)。進(jìn)入侏羅紀(jì)以后，受印支期古特提斯洋關(guān)閉和新特提斯洋打開(kāi)的影響，中國(guó)西部地區(qū)和中亞均處于盆地?cái)U(kuò)展斷陷時(shí)期，在這樣的大地構(gòu)造背景下，伊犁盆地南緣察布查爾山體因南側(cè)昭蘇盆地?cái)嘞葑饔茫谠缳_世(180～200 Ma)發(fā)生了一次快速的隆升作用(韓效忠等，2008；陳正樂(lè)等，2008)，隨后盆地處于拉伸伸展的構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境中，發(fā)生裂陷作用。之后，南緣察布查爾山進(jìn)入了相對(duì)較穩(wěn)定的陸內(nèi)剝蝕階段，盆地相應(yīng)進(jìn)入較穩(wěn)定的斷陷湖盆準(zhǔn)平原化環(huán)境(張國(guó)偉等，1999；車自成等，1996；于海峰等，2011)。侏羅紀(jì)時(shí)期，伊犁盆地主要經(jīng)歷了3期裂陷階段。

(1)初期裂陷擴(kuò)張階段(MSC1- MSC3時(shí)期)。該時(shí)期處于湖盆擴(kuò)張初期，基準(zhǔn)面開(kāi)始上升，但相對(duì)湖平面仍處于較低的位置，可容納空間有限。同時(shí)，盆地?cái)嘞葑饔脧?qiáng)烈，伊犁盆地與周緣山體形成明顯地形高差，沉積物供給充沛，陸上及湖岸處沉積物儲(chǔ)存能力不足，該時(shí)期主要為扇三角洲，巖性為粗碎屑砂礫巖。短期旋回疊加式樣以A型(向上變“深”非對(duì)稱型)和C1(以上升半旋回為主的不完全對(duì)型)為主，旋回底部界面主要為大型沖刷面。

(2)中期深陷鼎盛階段(MSC4時(shí)期)。該時(shí)期為湖泛期，湖盆的湖域范圍最大時(shí)期，基準(zhǔn)面上升至最高點(diǎn)，可容納空間最大，沉積物供給不足，近物源區(qū)靠山地?cái)嘌乱粋?cè)沉積粗粒碎屑巖，在研究區(qū)沉積只有較細(xì)粒碎屑物，形成最大湖泛面，可見(jiàn)暗色及灰黑色粉砂砂巖、泥巖。表現(xiàn)為以下降半旋回的不完全對(duì)稱，以C3(以下降半旋回為主的不完全對(duì)稱型旋回)為主，界面為無(wú)沉積間斷面(“饑餓面”)或連續(xù)沉積整合面(江文劍，2017)。

(3)晚期抬升萎縮階段(MSC5-MSC7時(shí)期)。該時(shí)期為湖退期，盆地開(kāi)始向物源區(qū)后退，基準(zhǔn)面開(kāi)始下降，湖泊逐漸收縮，伴隨著相對(duì)湖平面下降，湖面范圍開(kāi)始變小，可容空間減小，沉積體系整體向湖盆方向遷移，物源供給增大，沉積物搬運(yùn)能力增強(qiáng)，底部沉積一些粗粒碎屑物，如砂礫巖等(鄭榮才等，2010)，辮狀河三角洲沉積，旋回疊加式樣表現(xiàn)為以近似對(duì)稱C2(上升與下降半旋回近完全對(duì)稱型)為主，沖刷面為主旋回疊加界面，其余的為相關(guān)整合面沉積為主(江文劍，2017)。到了中侏羅統(tǒng)晚期，湖盆消失，在局部地區(qū)頭屯河組河流相披覆沉積。

5 結(jié)論

(1)結(jié)合前人研究成果，伊犁盆地南緣中下侏羅統(tǒng)蘇阿蘇溝剖面共識(shí)別出了4個(gè)長(zhǎng)期旋回，7個(gè)中期旋回和15個(gè)短期旋回。其中長(zhǎng)期旋回(LSC1)在八道灣組中下部，(LSC2)在八道灣組上部及三工河組，(LSC3)和(LSC4)在西山窯組，中期旋回(MSC1- MSC3)在八道灣組，以A型和C1型為主的旋回疊加式樣；中期旋回(MSC4)在三工河組，以C3型旋回疊加為主; 3個(gè)中期旋回(MSC5-MSC7)在西山窯組，以C2型旋回。

(2)研究區(qū)形成一套以扇三角洲-湖泊-辮狀河三角洲為主的沉積體系，其中八道灣組扇三角洲沉積；三工河組湖泊相及濱-淺湖、半深湖2個(gè)亞相；西山窯組辮狀河三角洲相沉積，可劃分為辮狀河三角洲平原，辮狀河三角洲前緣及前三角洲三個(gè)沉積亞相；

(3)侏羅紀(jì)時(shí)期，伊犁盆地經(jīng)歷了一個(gè)斷陷湖盆完整構(gòu)造升降旋回，可劃分為初期裂陷擴(kuò)張期，中期深陷鼎盛期，晚期抬升萎縮期等3個(gè)構(gòu)造旋回階段，而每個(gè)構(gòu)造演化階段則控制了該階段沉積演化和層序結(jié)構(gòu)特征。