前陸盆地坡折帶對(duì)沉積相的控制作用：以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷三工河組為例

王輝，侯文鋒，李婷，石勇

(中國(guó)石油新疆油田分公司采油二廠，新疆克拉瑪依，834000)

坡折帶是盆地邊緣地形明顯變陡的地帶，可以劃分為構(gòu)造坡折帶和沉積坡折帶[1-3]。構(gòu)造坡折帶是由于構(gòu)造長(zhǎng)期活動(dòng)引起地形坡度發(fā)生明顯變化的地帶，形成構(gòu)造坡折帶的構(gòu)造活動(dòng)包括斷裂和撓曲[4-6]。坡折帶對(duì)沉積和儲(chǔ)層具有明顯的控制作用，李相博等[7-10]認(rèn)為我國(guó)東部斷陷盆地沉積受到多階坡折帶的控制，但是該類由正斷層形成的坡折帶不利于沉積物向盆地的搬運(yùn)，斷層間的調(diào)節(jié)帶是沉積物搬運(yùn)的主要通道。由于控凹斷裂活動(dòng)具有幕式性，由其控制的巖性、沉積相類型和展布變化較大，并呈現(xiàn)出幕式性，體現(xiàn)了斷裂坡折帶對(duì)沉積的控制作用[11-12]。學(xué)者們廣泛研究的構(gòu)造坡折帶均由正斷層形成，如珠江口盆地珠一凹陷諸洼陷邊界斷裂均為正斷層形成的坡折帶，王英民等[6,10]根據(jù)邊界斷裂演化，把這些正斷層活動(dòng)階段劃分為初始斷陷期、快速斷陷期和斷陷萎縮期等，不同構(gòu)造活動(dòng)階段中沉積相類型和展布特征存在顯著差異。李相博等[7-12]研究的坡折帶均是由正斷層形成的構(gòu)造坡折帶，目前沒發(fā)現(xiàn)對(duì)于逆斷層控制的坡折帶的研究。這種由逆斷層控制的構(gòu)造坡折帶在準(zhǔn)噶爾盆地西部斜坡帶廣泛存在，其不僅影響了三工河組沉積相、儲(chǔ)層特征，而且控制著油氣藏的類型和分布。

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三工河組油氣資源豐富，區(qū)內(nèi)20 余口井現(xiàn)工業(yè)油氣流。目前，人們對(duì)該組沉積相和儲(chǔ)層特征的研究較少，尤其是對(duì)沉積相和儲(chǔ)層控制因素的研究更少。朱筱敏等[13-15]認(rèn)為三工河組儲(chǔ)層形成于扇三角洲相和近岸水下扇相，但這與研究區(qū)三工河組巖性及沉積韻律相矛盾，本文作者利用研究區(qū)大量的測(cè)井資料、巖心資料、地震資料和分析測(cè)試資料，分析三工河組沉積相特征、逆斷層坡折帶形成機(jī)理、坡折帶對(duì)沉積相和儲(chǔ)層的控制作用等，這對(duì)研究區(qū)三工河組下步油氣勘探具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造特征

準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造活動(dòng)較復(fù)雜，整體經(jīng)歷了成盆階段(晚石炭世碰撞)、撓曲階段(石炭紀(jì)末期—早二疊世壓陷)、拗陷階段(三疊紀(jì)—白堊紀(jì)撓曲)以及拗陷—沉降階段(燕山期)[16-19]。三疊紀(jì)早期準(zhǔn)噶爾盆地北部古老的阿爾泰造山帶重新活動(dòng)，形成疊瓦狀向盆內(nèi)俯沖的斷階帶，逆沖推覆作用導(dǎo)致準(zhǔn)噶爾盆地西北緣向東擠壓，形成撓曲前陸盆地。三疊紀(jì)末期盆地整體抬升，形成了三疊系與侏羅系之間的區(qū)域不整合面。因此，侏羅系沉積初期，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣仍然保留了前陸盆地的古地貌特征，整體位于前陸盆地的前淵斜坡帶上[20-21]，物源為扎伊爾山[22](圖1)。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 巖性及其組合特征

三工河組巖性復(fù)雜，包括礫巖、礫質(zhì)砂巖、砂巖、泥巖和煤巖等(表1)，根據(jù)巖性組合特征，三工河組劃分為下段和上段(圖2，其中SP 為自然電位；Rt為電阻率)。巖性在縱向上和平面上分布具有一定規(guī)律性，礫巖多分布在下段，平面上分布在臨近物源的區(qū)域。礫石為次圓狀，為再旋回礫石，分選性差。礫質(zhì)砂巖分選性差。砂巖以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，成熟度較低，泥巖多為深灰色，常夾煤線，其多呈透鏡狀，平均厚度約為0.15 m。

圖2 三工河組沉積韻律特征Fig.2 Sedimentary rhythm characteristics of Sangonghe Formation

表1 三工河組巖石類型Table 1 Rock types of Sangonghe Formation

三工河組可識(shí)別出3種巖性組合。

1)泥巖-礫質(zhì)砂巖-礫巖組合。下部為灰色塊狀泥巖，中部為中—厚層礫質(zhì)砂巖，上部為塊狀中—細(xì)礫巖，形成下細(xì)上粗的反韻律。礫巖多呈塊狀，少見沉積構(gòu)造，但可見較多沖刷侵蝕面。該組合主要分布在靠近物源的區(qū)域，平均厚度約為46 m。

2)礫質(zhì)砂巖-砂巖-泥巖(煤巖)組合。下部為礫質(zhì)砂巖和砂巖，上部為灰色塊狀泥巖或黑色煤巖、煤線，整體形成下粗上細(xì)的正韻律。該組合分布在盆地斜坡區(qū)，平均厚度約為35 m。

3)泥巖-砂巖-含礫砂巖組合。下部為粒度較小的砂泥巖，上部為粒度較大的砂礫巖，縱向上形成反韻律。砂泥巖多為深灰色，具水平層理、沙紋層理和波狀層理，砂礫巖中可見中—大型槽狀交錯(cuò)層理。

2 三工河組沉積相特征

2.1 沉積相類型

依據(jù)巖性組合特征、沉積構(gòu)造、測(cè)井相和地震相，分析三工河組沉積相類型，包括沖積扇相和辮狀河三角洲相，其中，辮狀河三角洲相可進(jìn)一步劃分為平原和前緣亞相。

2.1.1 沖積扇相

沖積扇相巖性以雜色塊狀中礫巖、細(xì)礫巖和礫質(zhì)砂巖為主，另外還發(fā)育泥巖和煤巖。礫巖平均厚度可達(dá)27 m，分選性差—中等，基質(zhì)支撐，可見礫石呈疊瓦狀排列，發(fā)育沖刷充填構(gòu)造，少見斜層理。礫石層常夾有透鏡狀砂巖層，形成下細(xì)上粗的反旋回。根據(jù)巖性特征和沉積構(gòu)造，沖積扇可識(shí)別出扇根、扇中-扇緣亞相。

扇根亞相分布在三工河組下段，巖性以粗粒沉積為主，包括細(xì)礫巖、砂質(zhì)礫巖，野外剖面中可見部分礫石疊瓦狀排列。由于扇根區(qū)水動(dòng)力較強(qiáng)，少見泥巖和煤巖等細(xì)粒沉積物。扇中—扇緣區(qū)分布在研究區(qū)西部，巖性以含礫中—細(xì)砂巖、細(xì)砂巖為主，發(fā)育碳質(zhì)泥巖和煤巖，砂巖中可見平行層理和板狀交錯(cuò)層理。由于研究區(qū)沖積扇在垂向上沉積序列為扇緣—扇中—扇根，因此，粒序表現(xiàn)為反旋回(圖2(a))。前人多把該反韻律錯(cuò)認(rèn)為扇三角洲前緣沉積，但旋回下部砂泥巖廣泛發(fā)育煤層、富含植物葉片和植物根莖化石，應(yīng)為扇緣—扇中河道間沼澤沉積，屬湖平面之上沉積[13-15]。

研究區(qū)沖積扇屬潮濕氣候條件下發(fā)育的濕潤(rùn)型沖積扇。三工河組自下而上均發(fā)育不同厚度的煤層，局部煤層累計(jì)厚度可達(dá)21 m，另外泥巖的顏色多為深灰色、灰黑色等還原色。圖3所示為三工河組組黏土礦物成分三端元圖。由圖3可見：指示潮濕環(huán)境的高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)26%。以上分析表明三工河組沉積期氣候濕潤(rùn)。干旱型與濕潤(rùn)型沖積扇在沉積物結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)、分布面積等方面存在較大差異。干旱型沖積扇分布面積小，外部形態(tài)呈丘狀，礫巖分選性極差，礫石呈棱角狀，扇中發(fā)育褐色、棕紅色泥巖，扇緣可見蒸發(fā)巖、泥裂等指示干旱環(huán)境的標(biāo)志。研究區(qū)沖積扇礫石呈次圓狀，發(fā)育灰黑色泥巖和煤巖，扇體分布面積廣，辮狀河道發(fā)育，符合濕潤(rùn)型沖積扇的沉積特征(表2)。

表2 干旱型與濕潤(rùn)型沖積扇沉積特征對(duì)比Table 2 Comparison of sedimentary characteristics between arid and humid alluvial fans

圖3 三工河組組黏土礦物成分三端元圖Fig.3 Three terminal element diagram of clay mineral composition of Sangonghe formation

2.1.2 辮狀河三角洲相

辮狀河三角洲相細(xì)分為平原和前緣亞相，其中平原亞相巖性以灰色厚層礫質(zhì)砂巖、塊狀灰色—深灰色泥巖和黑色煤巖為主。礫質(zhì)砂巖中常見中—大型槽狀交錯(cuò)層理和平行層理，發(fā)育礫質(zhì)砂巖-砂巖-泥巖(煤巖)組成的正韻律(圖2(b))，韻律層底部常發(fā)育沖刷面。泥巖中可見完整的植物葉片和根莖化石，指示分流河道間沼澤環(huán)境。前緣亞相巖性以灰色中—薄層砂巖和深灰色—灰黑色泥巖為主。砂巖中可見沙紋層理、波狀層理，沖刷面之上發(fā)育泥礫，泥巖中常夾有脈狀薄層碳屑。前緣亞相中發(fā)育下細(xì)上粗的反韻律(圖2(c))，測(cè)井曲線呈齒化漏斗型。

2.2 沉積相展布特征

圖4所示為三工河組沉積相連井對(duì)比，剖面位置如圖1所示。由圖4可見：2 種類型的沉積相在研究區(qū)分布具有一定規(guī)律性。三工河組下段沉積相類型包括沖積扇相和辮狀河三角洲平原亞相。坡折帶西北部為沖積扇相，坡折帶東南部為辮狀河三角洲相。另外，地震剖面中也可見前積反射結(jié)構(gòu)，并向盆地方向過渡為透鏡狀反射結(jié)構(gòu)。沖積扇相平面上分布在靠近物源的區(qū)域，并向盆地斜坡區(qū)相變?yōu)檗p狀河三角洲平原亞相，巖性也由礫巖變?yōu)榈[質(zhì)砂巖、砂巖等(圖5(a))。研究區(qū)共發(fā)育南北2個(gè)物源，控制著沖積扇和辮狀河三角洲的規(guī)模和分布區(qū)域。整體來看，南部物源形成的沖積扇體規(guī)模更大。

圖4 三工河組沉積相連井對(duì)比(剖面位置見圖1)Fig.4 Sedimentary facies correlation of wells of Sangonghe Formation

三工河組上段沉積相類型包括辮狀河三角洲平原和前緣亞相，其中平原亞相分布在靠近物源的區(qū)域，而前緣亞相分布在盆地斜坡區(qū)(圖5(b))。平原與前緣亞相的區(qū)別體現(xiàn)在以下方面：

圖5 三工河組沉積相平面圖Fig.5 Sedimentary facies plan of lower members of Sangonghe formation

1)平原沉積物粒度較大，以砂礫巖、含礫粗砂巖為主，前緣以砂巖和泥巖為主；

2)平原亞相發(fā)育厚層煤巖，泥巖中可見完整植物化石，前緣少見煤巖；

3)平原亞相測(cè)井相以鐘型或箱型為主，前緣則以漏斗型和鐘型為主。

2.3 沉積演化

三疊紀(jì)末期研究區(qū)處于擠壓構(gòu)造環(huán)境，形成了前陸盆地沖斷帶和派生斷層。構(gòu)造隆升為三工河組提供了充足的物源，斜坡區(qū)的派生斷裂形成的坡折帶則控制了研究區(qū)古地貌。由于三疊紀(jì)印支期構(gòu)造擠壓作用，斜坡區(qū)及其西側(cè)陸塊隆升，并發(fā)生侵蝕作用，形成了三疊系與侏羅系三工河組之間的不整合界面[23]。三工河組沉積早期，斜坡區(qū)地勢(shì)起伏不平，物源供應(yīng)不斷增強(qiáng)，形成了三工河組下段濕潤(rùn)型沖積扇，并向盆地過渡為辮狀河三角洲相。三工河組下段沉積的填平補(bǔ)齊作用，使研究區(qū)變得平坦。隨著湖平面上升，沖積扇逐漸退出研究區(qū)，近物源的區(qū)域廣泛發(fā)育辮狀河三角洲平原亞相，并向盆地過渡為前緣亞相。因此，三工河組下段為沖積扇—辮狀河三角洲平原組合，上段為辮狀河三角洲平原—前緣組合。除了物源和氣候?qū)Τ练e相具有重要影響外，坡折帶對(duì)三工河組的沉積相分布也具有一定的控制作用。

3 坡折帶形成機(jī)理

3.1 坡折帶類型

三疊系末，由于持續(xù)性的構(gòu)造擠壓，形成了準(zhǔn)噶爾盆地西北緣大型逆沖推覆體前鋒沖斷帶，沖斷帶的東側(cè)形成瑪湖西部斜坡帶和前陸盆地。在瑪湖斜坡帶上形成一系列北北東向逆斷層，這些逆斷層為坡折帶的形成奠定了基礎(chǔ)，如圖6所示。根據(jù)地震剖面可識(shí)別出2種的構(gòu)造坡折帶，即單條斷層形成坡折帶和多斷層形成的坡折帶。

圖6 前陸盆地中逆斷層成因坡折帶分布位置Fig.6 Distribution of slope break zone caused by reverse fault in foreland basin

1)單斷型坡折帶主要分布在研究區(qū)北部，其斷面均為西傾，與區(qū)域性逆沖沖斷帶斷面產(chǎn)狀一致，斷面西側(cè)地層相對(duì)上升，東側(cè)地層相對(duì)下降。

2)多斷型坡折帶分布在研究區(qū)南部，斷面西傾，且每個(gè)斷面的西側(cè)地層上升，東側(cè)下降，剖面上形成斷階式結(jié)構(gòu)。

在東部和西部斷裂坡折帶之間發(fā)育斷層調(diào)節(jié)帶(圖5)，該調(diào)節(jié)帶地勢(shì)平坦，不受斷裂的影響。由于調(diào)節(jié)帶兩側(cè)坡折帶地勢(shì)較高，因此，調(diào)節(jié)帶地貌上表現(xiàn)為負(fù)地形。

3.2 坡折帶演化

坡折帶的形成分為3個(gè)階段，即逆斷層形成階段、斷層風(fēng)化階段和坡折帶形成階段(圖7和圖8)。研究區(qū)斜坡帶逆斷層是盆地邊緣逆沖推覆沖斷帶的派生斷層，與逆沖推覆體同期形成，可識(shí)別出南、北2條逆斷層帶，如圖8(a)所示。前陸盆地逆沖推覆體中的逆斷層控制著盆地的形成和結(jié)構(gòu)，但是與拉張性正斷層在形成過程、構(gòu)造活動(dòng)及控盆機(jī)理等方面存在顯著差異。逆沖推覆體中的逆斷層不具有幕式性活動(dòng)，逆沖推覆活動(dòng)結(jié)束后，邊界逆斷層即停止活動(dòng)。而拉張性的正斷層演化較復(fù)雜，可劃分為初始斷陷期、快速斷陷期和斷陷萎縮期等階段。正是由于逆斷層活動(dòng)的惰性，使其可以經(jīng)歷長(zhǎng)期的風(fēng)化作用，這也為坡折帶的形成提供了條件。

第2階段中的斷層風(fēng)化形成于構(gòu)造抬升后的準(zhǔn)平原化階段，如圖8(b)所示。準(zhǔn)平原化階段的風(fēng)化侵蝕作用不但改變了古地貌，而且為盆地區(qū)沉積提供了物源。坡折帶風(fēng)化后形成了2種類型的坡折帶：1)單條逆斷層控制的坡折帶(圖7(a))，風(fēng)化后沉積物可以穿過該類坡折帶搬運(yùn)至盆地內(nèi)部；單斷型坡折帶多分布在研究區(qū)北部(圖5)；2)多斷層控制的坡折帶(圖7(b)，風(fēng)化后形成北北東向分布的局部隆起，該類坡折帶多分布在研究區(qū)南部(圖5)。

圖7 前陸盆地逆斷層型坡折帶形成過程Fig.7 Formation mechanism of reverse fault type slope break in foreland basin

圖8 前陸盆地坡折帶與沉積相帶分布關(guān)系Fig.8 Distribution relationship between slope break zone and sedimentary facies zone in foreland basin

4 坡折帶對(duì)沉積相和儲(chǔ)層的控制作用

4.1 坡折帶對(duì)沉積相的控制作用

由于坡折帶控制了研究區(qū)的古地貌，從而控制了三工河組的沉積相。不同類型的坡折帶對(duì)沉積的控制作用不同。

單斷型坡折帶北側(cè)位于構(gòu)造高部位，因此，經(jīng)常暴露在湖平面之上。三工河組沉積早期，坡折帶北側(cè)為沖積扇相，坡折帶南側(cè)為辮狀河三角洲平原亞相，沖積扇為辮狀河三角洲平原提供碎屑物源(圖5(a))。三工河組沉積末期湖平面上升，坡折帶北側(cè)仍然處于構(gòu)造高部位，為辮狀河三角洲平原亞相，南側(cè)為辮狀河三角洲前緣亞相(圖5(b))。因此，單斷型坡折帶在三工河組沉積期控制著研究區(qū)北部的沉積相類型和展布。

多斷型坡折帶在地貌上表現(xiàn)為低凸起及其南北側(cè)的坡折帶。在三工河組沉積早期，低凸起阻礙了沉積物繼續(xù)向盆地搬運(yùn)，因此，該類型坡折帶不能作為沉積物搬運(yùn)的通道。坡折帶西北部的沖積扇扇體沿著平行坡折帶方向向北運(yùn)移，并從斷層調(diào)節(jié)帶處搬運(yùn)至盆地區(qū)(圖5(a))。三工河組沉積末期，雖然前期沉積物起到填平補(bǔ)齊作用，但并沒有使該坡折帶失去阻礙沉積物搬運(yùn)的作用，對(duì)沉積相仍具有控制作用(圖8(c))。坡折帶西北部為辮狀河三角洲平原亞相，南部為前緣亞相，因此，多斷型坡折帶對(duì)研究區(qū)南部三工河組沉積具有控制作用。與正斷層坡折帶相比較，逆斷層坡折帶的坡度較小。地震資料和野外剖面資料分析表明，逆斷層坡折帶平均坡度為30°，而我國(guó)東部斷陷型盆地正斷層坡折帶平均坡度為65°。坡度的不同造成古地貌、沉積物巖性和沉積相等存在較大差異。

4.2 坡折帶對(duì)儲(chǔ)層的控制作用

研究區(qū)三工河組儲(chǔ)層類型包括礫巖、礫質(zhì)砂巖和砂巖，其中礫巖和礫質(zhì)砂巖是沖積扇的主要巖性。礫巖中礫石為次圓狀，分選性較差，基質(zhì)為砂泥質(zhì)。砂巖主要分布在辮狀河三角洲相平原分流河道微相，是三工河組最重要的儲(chǔ)層。受到?jīng)_積扇相帶的控制，礫巖儲(chǔ)層分布在坡折帶以北的區(qū)域。而辮狀河三角洲相多分布在坡折帶以南的區(qū)域，因此，砂巖儲(chǔ)層也多分布在該區(qū)域。由于砂巖在搬運(yùn)過程中的沉積分異作用，靠近坡折帶的區(qū)域多為中砂巖，向盆地方向漸變?yōu)榧?xì)砂巖和粉砂巖。儲(chǔ)層物性并非隨粒度增大而增大，在所有儲(chǔ)層中，中砂巖的物性最好，其次為礫巖和細(xì)砂巖。因此，坡折帶南側(cè)緊鄰坡折帶的區(qū)域物性最好，并向坡折帶兩側(cè)逐漸減小。研究區(qū)三工河組油氣顯示井分布規(guī)律與物性具有良好的相關(guān)性，多數(shù)油氣顯示井分布在緊鄰坡折帶的區(qū)域，顯示了坡折帶對(duì)儲(chǔ)層和油氣藏的控制作用。

5 結(jié)論

1)三工河組沉積相類型包括濕潤(rùn)型沖積扇相和辮狀河三角洲相，其中沖積扇相分布在三工河組下段，以雜基支撐、分選性差、煤層發(fā)育為特征。沖積扇沉積起到填平補(bǔ)齊作用，隨后湖平面上升，三工河組沉積相類型由沖積扇相變?yōu)檗p狀河三角洲相。

2)三工河組前陸盆地坡折帶分為2類，即由單條逆斷層形成的坡折帶和多條逆斷層形成的坡折帶。單斷裂坡折帶不能阻礙沉積物搬運(yùn)，多斷裂坡折帶阻礙沉積物向盆地搬運(yùn)。坡折帶西側(cè)地勢(shì)較高，為沖積扇或辮狀河三角洲平原分布區(qū)域，體現(xiàn)了坡折帶對(duì)沉積相的控制作用。

3)坡折帶以西的沖積扇礫巖和砂質(zhì)礫巖的儲(chǔ)層物性要比辮狀河三角洲平原和前緣儲(chǔ)層物性差，三工河組辮狀河三角洲相中砂巖儲(chǔ)層物性最好，多分布在坡折帶南側(cè)。