西準噶爾烏爾禾地區(qū)哈拉阿拉特組火山碎屑復理石的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義

覃建華，李永軍，王盼龍，蔣志斌，段豐浩，王杰，黃家瑄，張新遠，李偉

（1. 中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054； 3. 長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

復理石按所在大地構造相可劃分出活動大陸邊緣型、被動大陸邊緣型2類（Clift et al., 2002）。前者以碎屑質(zhì)復理石為主，又細分為砂巖中多火山物質(zhì)、低石英碎屑島弧型-弧后盆地型和砂巖中缺少火山物質(zhì)的安第斯型復理石2種。后者常為碳酸鹽質(zhì)復理石和富石英砂的陸源碎屑質(zhì)復理石。

復理石建造的形成多與濁流沉積作用有關（李繼亮等，1978；方愛民等，1998），而海底地震作用和較陡的海底斜坡是形成濁流沉積的重要條件（孫樞等，1984；王大偉等，2018；梁積偉等，2019）。如幾內(nèi)亞灣東北部的Ogooue扇中的濁積砂大多是在斜坡系數(shù)（斜坡傾角正切值）達0.6時形成的（Mignard et al., 2019），牽引流和重力流雙重作用是形成火山碎屑濁流的主要方式（沈艷杰等，2014）。在現(xiàn)代深海溝弧前盆地、邊緣海盆地及殘留洋盆地等，都發(fā)現(xiàn)有大量的復理石沉積（王大偉等，2015；田潔，2015；吳時國等，2021；陳俊錦等，2021）。

火山碎屑復理石的甄別大多是比照陸源碎屑復理石的特征加以確定（陳文一等，2006）。依照鮑馬層序的完整程度劃分出完整、連續(xù)不完整、間斷不完整3種類型（龔一鳴，1993；饒明輝，1996）。比較而言，火山碎屑復理石沉積發(fā)現(xiàn)較少，研究成果也更少。國外的研究成果主要有北阿爾卑斯?jié)u新世Taveyanne Sandstones同火山濁積巖-火山碎屑密度流沉積（Capua et al., 2016）、Ogooue 扇濁流下部粗粒火山質(zhì)-上部遠端細粒沉積組合等（Mignard et.al., 2019）。

中國學者報導的火山碎屑復理石主要有：松遼盆地九臺地區(qū)白堊系營城組火山碎屑流（劉潤超等，2019）、江西瑞金黃沙地區(qū)震旦系火山碎屑濁積巖（饒明輝，1996）、南盤江斷陷區(qū)三疊系海底扇火山碎屑濁流（Hou Fanghao et al., 1984）和三江北段晚三疊世火山源安山質(zhì)濁積巖（彭勇民等，1999）等。

新疆北部古生代火山-沉積巖系廣泛分布，其中，薩勒布爾山志留系（木合塔爾·扎日等，2002）、東準噶爾和西準噶爾泥盆系（龔一鳴，1993）已有火山碎屑濁積巖發(fā)現(xiàn)。

晚石炭世哈拉阿拉特組是西準噶爾烏爾禾-夏子街油田北緣厚度最大且占比最多的火山巖地層，但有關該組的地層學研究成果較少，前人只有地層時代、沉積環(huán)境和火山巖地球化學研究的相關報道（王玉凈等，1987；馬寶林，1987；晉慧娟等，1987；晉慧娟等，1988；縱瑞文等，2014；向坤鵬，2015；李甘雨等，2015，2016，2017；Li et al., 2017）。近年來，新疆油田公司已將該組火山巖確認為盆地邊緣最為重要的高產(chǎn)油儲層之一，倍受關注。國道217線阿拉坦努肯向北段是原哈拉阿拉特組建組（層型）剖面（王玉凈等，1987）。筆者重測了此剖面（新編號PM02）（圖1b），并發(fā)現(xiàn)了一套極為典型的火山碎屑復理石沉積。本文論述其主要地質(zhì)特征，對比其與陸源碎屑復理石的主要異同性，并以此豐富火山碎屑復理石的甄別標志，為盆山地層對比和精細儲層劃分提供支撐。

圖1 烏爾禾一帶地質(zhì)簡圖（據(jù)Li et al., 2017）Fig.1 Simplified geological map of the Urho region （After Li et al., 2017）

1 區(qū)域地質(zhì)概況

西準噶爾烏爾禾—哈拉阿拉特山地區(qū)位于包古圖地層小區(qū)東北部，上石炭統(tǒng)哈拉阿拉特組在區(qū)內(nèi)最為發(fā)育，總厚達6 110 m。中國科學院南京地質(zhì)古生物研究所最早測制該剖面，恢復該組命名為哈拉阿拉特組，并通過化石對比確認本組老于阿臘德依克賽組（二者整合接觸）（王玉凈等，1987）。筆者區(qū)域地質(zhì)填圖確認阿臘德依克賽組被下二疊統(tǒng)佳木河組不整合超覆（圖1；向坤鵬，2015；彭湘萍等，2016）。

哈拉阿拉特組在該區(qū)分布最廣，作者團隊根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查成果，對《新疆巖石地層》中中晚石炭世哈拉阿拉特組重新進行厘定，建立哈拉阿拉特組副層型剖面；修正了原哈拉阿拉特組正層型剖面的地層層序，將原正層型剖面1～6層歸早石炭世包古圖組；將王玉凈等（1987）劃歸下二疊統(tǒng)佳木河組的大套火山巖-火山碎屑巖組合置于哈拉阿拉特組下部。厘定后的哈拉阿拉特組自下而上分為7個巖性段（李甘雨等，2016）。C2h1以灰黑色玄武巖、深灰色安山巖為主，夾火山角礫巖、凝灰?guī)r及雜色礫巖，可見少量流紋巖；C2h2以灰黑色玄武巖、玄武安山巖為主，頂部為厚約3 m的細砂巖、細礫巖；C2h3以深灰色火山角礫巖為主，少量角礫凝灰?guī)r、巖屑晶屑凝灰?guī)r和火山集塊巖；C2h4以灰褐色火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r為主，夾少量巖屑晶屑凝灰?guī)r、玄武巖和安山巖，見灰?guī)r透鏡體；C2h5以灰綠色安山質(zhì)-英安質(zhì)巖屑凝灰?guī)r為主，玄武巖、安山巖多呈夾層狀出露，在白板地一帶見生物碎屑灰?guī)r夾層，其中含有腕足類、珊瑚等化石（王玉凈等，1987）；C2h6以灰綠色安山質(zhì)-英安質(zhì)角礫巖與巖屑凝灰?guī)r互層，中部間夾火山碎屑復理石層，頂部以巖屑雜砂巖與之上的火山角礫巖為界；C2h7以灰色杏仁狀玄武安山質(zhì)角礫巖、含角礫巖屑凝灰?guī)r為主，頂部見沉凝灰?guī)r夾層。作者團隊曾于原Ⅰ-Ⅰ′號剖面上獲得304.5 Ma和306.9 Ma的鋯石U-Pb年齡（李甘雨等，2015），本次沿國道217新測PM02剖面，于剖面第22層（C2h7）、第41層（C2h6）分獲304 Ma、309 Ma的LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡（另文介紹）。

總覽該組下部（C2h1-4）以火山熔巖為主，上部（C2h5-7）以火山碎屑巖為主。各巖性段間多見火山噴發(fā)間隙期的雜砂巖、細礫巖薄層，顯示多期次的火山噴發(fā)特征。另外，在原Ⅰ-Ⅰ′號剖面C2h6灰綠色安山質(zhì)火山角礫巖、凝灰?guī)r中見到直徑約1 300 m的呈環(huán)形放射狀中強外弱的震積角礫巖；在烏爾禾盆地之南的石西18井中見到典型的海嘯灰?guī)r角礫巖。

PM02剖面由北向南實測，總體為一北傾（北新南老）單斜地層。本次新發(fā)現(xiàn)的火山碎屑復理石層見于PM02剖面中部的C2h6巖性段；沿剖面向東500 m后露頭較差，再無發(fā)現(xiàn)火山碎屑復理石層，至白板地一帶露頭極好，確認無火山碎屑復理石產(chǎn)出；向西至Ⅰ-Ⅰ′號剖面一帶，也確認無火山碎屑復理石產(chǎn)出。

2 哈拉阿拉特組火山碎屑復理石特征

2.1 宏觀韻律層特征及代表性復理石序列描述

火山碎屑復理石層由上（第34層）、下（第35層）2個大層構成，總厚度638.12 m?，F(xiàn)由下而上（由南而北）描述幾個代表性復理石序列。

2.1.1 第35層為礫巖-含礫粗砂巖-砂巖-泥質(zhì)粉砂巖韻律層

第35層總厚626.69 m，多數(shù)復理石序列A-E段發(fā)育齊全，少數(shù)或缺A或缺E；單個韻律層厚度變化很大，一般厚90～120 cm，個別較薄序列不足50 cm，最厚序列可達340 cm。

剖面20-21導64.00～68.40 m處復理石序列：為剖面上見到的最大厚度復理石序列層，厚達340 cm（圖2a、圖3a）。A段為（角）礫巖層，礫石總量占60%～70%，成分復雜，火山碎屑巖和火山熔巖類礫石均有見及，其成分有玄武巖類、安山巖類和流紋巖類；部分磨圓極差而保留了原始角礫狀，部分分選中等，個別分選較好，礫徑以1～2 cm為主，大者可達6 cm，礫石略顯定向，不顯層理，厚141 cm，總體顯示出近源與非近源混堆特色。B段為含礫粗粒巖屑雜砂巖，礫石含量為5%左右，成分同A段，磨圓較A段好，總體為中等磨圓，厚98 cm。C段為中-細粒巖屑雜砂巖，層理較為清晰，發(fā)育水平層理，厚53 cm。D段為粉砂級巖屑雜砂巖，層理清晰，水平紋層發(fā)育，局部見微波狀層理，極細碎屑成分主要為火山塵，厚40 cm；E段為含碳凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)成分占80%以上，厚8 cm。

剖面20-21導62.00～63.10 m處復理石序列：該序列厚82 cm（圖2b、圖3b）。A段底部礫巖層礫石具定向性，長軸方向平行于層面，礫徑為0.2～2 cm，大多呈棱角狀，保留了原始火山角礫特色，黑色角礫約占80%，礫石成分為玄武巖類，淺色角礫多為英安巖、流紋巖角礫，約20%；礫石磨圓度中等，碎屑總體分選一般，不顯層理，厚44 cm。B段為含礫粗砂巖，礫石含量為3%左右，略顯定向，碎屑成分以玄武質(zhì)凝灰?guī)r類為主，厚24 cm。C段為細粒-粉砂級巖屑雜砂巖，厚14 cm。該序列D段極不完整。B-C段碎屑中玄武質(zhì)凝灰?guī)r占40%以上，因而巖石顏色顯示灰綠色調(diào)；由B向C段陸源碎屑由3%增加到頂部約6%～7%；沿走向2 m處A段中還見一長約17 cm、寬約3.5 cm、形態(tài)似“竹葉狀”英安質(zhì)晶屑凝灰?guī)r角礫（圖3c）。

剖面20-21導61.00～62.05 m處復理石序列：厚80 cm（圖2c、圖3d），僅有B至D段保存，缺A段，E段被削頂。B段底部細小礫巖層中礫石具定向性，礫徑為0.2～2 cm，磨圓中等，僅15%呈角礫狀，總體成分較雜，中性基性火山熔巖和火山碎屑巖占比各半，分選較差，厚42 cm。C段為含礫粗砂巖，礫石含量為3%左右，略顯定向，厚24 cm。D段為細粒-粉砂級巖屑雜砂巖，厚14 cm。

剖面19-20導68.00～69.58 m處復理石序列：A段為礫巖（細礫巖），礫石分選差-中等、近一半磨圓度較好，部分仍為次棱角狀，保留了少量火山角礫特色，總體略顯層理；礫石成分多為中基性凝灰?guī)r類，偶見玄武巖礫石，排列略顯定向，厚35 cm。B段為含礫、含火山角礫粗砂巖，厚31 cm。C段為粗粒巖屑雜砂巖，厚15 cm。D段為細粒巖屑雜砂巖，厚25 cm。E段含碳泥巖，厚15 cm（圖2d）。A-D段巖屑中火山碎屑達60%以上，成分以中基性火山巖巖屑為主；E段目估陸源碎屑含量大于60%。

圖2 烏爾禾火山碎屑復理石序列素描圖Fig.2 Sketch map of the Urho Pyroclastic flysch sequence

a. 20-21導64～68.44 m處復理石序列；b. 20-21導62～63.10 m處復理石序列；c.似“竹葉狀英安質(zhì)晶屑凝灰?guī)r”角礫；d. 20-21導61～62.05 m處復理石序列；e. 19-20導79.41～83.13 m處；f. 19-20導79～79.41 m處復理石序列；g. 35層下部A—D為主代表性的復理石序列；h. 35層上部缺A段的代表性復理石序列；i、j.剖面34層火山復理石宏觀韻律層圖3 烏爾禾火山碎屑復理石序列及層理層面構造圖Fig.3 The Urho pyroclastic flysch sequence and its bedding plane structures

剖面19-20導75 m之上復理石序列：屬于第35層頂部序列層，單個序列厚度快速減小，如79.41～83.13 m處的A-D段厚92 cm（圖2e、圖3e）。79～79.54 m處最下部序列A-D段僅為41 cm厚（圖3f下），而緊鄰其上的2個序列厚分別為19 cm（圖3f中）和5.4 cm（圖3f上）。

經(jīng)露頭尺度統(tǒng)計，34層下部復理石平均厚度約95～103 cm（圖3g，底部未照全），35層中上部復理石平均厚度約33～36 cm（圖3h）。

2.1.2 第34層灰黑色蝕變凝灰質(zhì)巖屑砂巖-細砂巖-凝灰質(zhì)粉砂巖韻律層

第34層總厚度11.43 m。單個韻律層（圖3i、圖3j）厚約2～5 cm，最大厚達7 cm，近水平狀層理，高頻率重復，在圖3j中，總厚約40 cm中就有12次重復，野外統(tǒng)計為30韻律層/m；碎屑占85%～88%，主要由長石、巖屑組成；磨圓較好，圓狀、次圓狀，分選性好；韻律層底部粒徑為<2～0.5 mm的粗砂，中上部為<0.5～0.25 mm的中砂，頂部細-粉砂為主；巖屑主要有玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r等；雜基占15%～18%，主要為火山塵。

2.2 火山碎屑復理石成分

總體而言，剖面第35、36層的復理石中，中、基性巖碎屑占比大于70%，這與本組總體以中基性火山巖為主相吻合，即火山巖的成分比例決定了2次搬運形成復理石的成分比例。

火山碎屑復理石與經(jīng)典陸源碎屑復理石粒序在單個序列變化上基本相近，單個序列大多均為“粗底細頂”結(jié)構（圖2），但在成分上主要表現(xiàn)為“粗底火山質(zhì)、細頂凝灰質(zhì)”特色。大多數(shù)序列無E段保留（圖3g、圖3h），偶見幾個E段火山凝灰質(zhì)占比達70%以上，僅有一個序列中E段以含碳凝灰質(zhì)粉砂巖-泥質(zhì)巖為主（圖4a）。D、E段細碎屑巖中的膠結(jié)物以火山灰、火山塵為主。未見鈣質(zhì)、泥質(zhì)和硅質(zhì)等膠結(jié)物。

a. E段凝灰質(zhì)粉砂巖-泥質(zhì)巖及其沉積紋層，與其上的A段弧形界面；b.復理石C段常見的層理構造；c、d、e.底沖刷面微弧形和弱起伏界面；f.粒級懸殊的礫石混生；g.基性火山巖（深灰色者）與酸性火山巖礫石（淺色）混生，基性巖類含量小于酸性巖類；h、i、k.棱角狀基性火山巖角礫，大小混雜，弱定向排列；j.基性火山巖類礫石（深色）與酸性火山巖類礫石（淺色）混生，基性巖類含量大于酸性巖類圖4 烏爾禾火山碎屑復理石粒序及礫石特征圖Fig.4 Grain sequence and gravel characteristics of the Urho pyroclastic flysch

火山碎屑復理石中巖屑、晶屑、玻屑此“三屑”齊全是有別于陸源碎屑復理石的一個重要特征。因“三屑”是火山碎屑巖的主要組成，因此，火山碎屑復理石中“三屑”齊全且占比高是必然的。

2.3 層序組成、層理層面及沖刷面構造

烏爾禾火山碎屑復理石層總厚約650 m。其下部層位單個序列總體較厚，大多大于1 m，而上部層位相對快速變薄，靠近第35層頂部個別序列厚度不足10 cm（圖2f、圖3f上）；下部層位多發(fā)育A段，以A-D段為主；中-上部層位中較多序列缺失A段，但E段漸多漸厚，初步統(tǒng)計中部約有1/4的序列缺少A段；中下部層位中總體E段或因被削頂而缺失，或因沉積時供給速率過快及沉積水體較淺，造成分選不足而導致缺失E段。與經(jīng)典陸源碎屑復理石相比，C、D、E段主要以水平層理為主，偶見微波狀層理，尤以C段最為清晰（圖4b）。缺A段則可能是相對晚期序列中較粗成分在沉積分選中消耗殆盡，或是作為提供2次搬運的碎屑物以凝灰?guī)r為主。野外露頭尺度上盡管有較多的削頂缺E段序列，造成D段與后一序列的B段底部直接接觸（圖4c、圖4d）。多數(shù)復理石序列的頂段與上一序列底面為起伏較小沖刷弧形面（圖4c、圖4d、圖4e）。

整個剖面區(qū)未見槽模、溝模、重荷模等特殊印模和印痕構造。原因一是因缺E段泥質(zhì)軟層，二是地震作用高頻發(fā)生，復理石沉積過快，印模和印痕構造難以形成，也難以保留。

因粗級碎屑占比太大，加之多數(shù)序列E段的缺失，薄層、軟性層構成較少而不易形成包卷層理或是即使發(fā)生了變形作用，但這些變形構造難以被記錄和保存。沉積速率較之陸源碎屑流更快，分選作用不明顯，因而成層性與變化韻律層明顯減少；另外，地震波往往導致海水流動是紊亂的，發(fā)生的作用也是瞬間的，因而斜層理等層理構造就會大大減少。

宏觀序列變化中，連續(xù)多個序列忽厚忽薄，漸變性差（圖2a、圖2b、圖2e）。

2.4 火山碎屑復理石粒級

組成A段的礫巖層中，礫石含量局部地段占比高達60%～75%，且大小極為懸殊，粒徑大者可達6～7 cm，偶見大于10 cm，多數(shù)礫石顯示程度不同的定向性，但較之陸源碎屑復理石總體粒序性較差（圖4f、圖4g），表明分選不足，原因或是水體較淺或是地震作用過強及流速過快。礫石成分以火山質(zhì)占絕對優(yōu)勢（圖4f、圖4g、圖4h、圖4i、圖4j、圖4k），是有別于陸源碎屑復理石的又一重要特征，同時還表現(xiàn)出礫石成分復雜，既有熔巖礫石又有火山碎屑巖礫石（圖4f、圖4g、圖4h、圖4i、圖4j、圖4k），既有中基性類礫石又有酸性巖類礫石（圖4g）。大多數(shù)單層中，粒級大小極為懸殊，且紊亂多變，并不總是呈現(xiàn)下粗上細粒序。

2.5 火山碎屑復理石的分選與磨圓

粒度較粗、厚度較大、分選較差和層理不顯是火山碎屑復理石A段的主要特征，究其原因可能是因源區(qū)巖石未經(jīng)任何壓實與膠結(jié)，剛剛堆積后就瞬間作為復理石的供給區(qū)，或可能是因地震頻繁發(fā)生，震級極強造成高頻率重復搬運與沉積過程，重力分異作用難以發(fā)揮作用所致。

總體而言，①礫石磨圓度較差，往往礫石個體越大者磨圓越差，約70%以上的礫石幾乎為次棱角狀-棱角狀（圖4f、圖4h、圖4i、圖4j、圖4k）。②次棱角狀-棱角狀礫石與相對磨圓較好的礫石混生。這些特征表明復理石形成過程中既有近源區(qū)供給，又有遠源區(qū)物質(zhì)供給，或是源巖位于火山機構交匯區(qū)，不同火山巖相空間疊置導致源區(qū)組成復雜。

3 火山碎屑復理石與陸源碎屑復理石異同性

綜上所述，火山碎屑復理石既有與陸源碎屑復理石相似的一些特征，又有顯著的差異性和獨特性。2類主要特征對比見表1。

歸納起來，火山碎屑復理石連續(xù)多個序列間忽厚忽薄、漸變性差，地層總體厚度不大，分布有限；火山碎屑為主，成分極為復雜，“三屑”齊全，膠結(jié)物多凝灰質(zhì)；少見E段；沖刷面上印模、印痕構造難以保存；單層中粒級大小極為懸殊，局地紊亂無序；近源與遠源成分混生，棱角狀者居多，繼承和保留原火山角礫巖外形；受火山機構復雜古地形制約，地震誘發(fā)為主。這些都是顯著有別于經(jīng)典陸源碎屑復理石的主要特征。

表1 火山碎屑復理石與經(jīng)典陸源碎屑復理石特征對比表Tab.1 Comparisons of multiple characteristics between pyroclastic flysch and typical terrigenous detrital flysch

4 討論與結(jié)論

（1）復理石建造均形成于海相環(huán)境，需要較陡的古地形和地震等產(chǎn)生的動力誘發(fā)。陸源碎屑復理石的啟動主要受制于古地形，位于陡坡上段易啟動。火山碎屑復理石可能更多的受火山機構控制，巨量火山噴發(fā)極易形成局地陡坡和不均勻堆積，差異性越強則失衡率越大，為碎屑流向下滑動創(chuàng)造了必要條件；火山作用產(chǎn)生的強烈構造運動，伴隨有高頻率高強度的地震波等，更易啟動、誘發(fā)火山碎屑流的2次向下滑動，經(jīng)海水調(diào)整和重力分異形成火山碎屑復理石；火山碎屑物質(zhì)受控于原火山噴發(fā)作用類型和成巖作用類型，因而組成粒度上既有火山凝灰?guī)r等細碎屑巖又有火山角礫巖；類型上既有火山熔巖類又有火山碎屑巖類；成分上既有基性火山巖類又有中、酸性火山巖類；這些碎屑流經(jīng)地震誘發(fā)和推動使其2次向下滑動后，可長可短距離后再堆積，故其粒級更為懸殊，磨圓度相對較差，分選程度不一，其底面的沖刷構造如槽模、溝模、重荷模等特殊構造更加難以形成、保存，也更加難以識別。

（2）就整體而言，火山碎屑復理石總體厚度不大，分布相對有限，其組成中火山質(zhì)占絕對優(yōu)勢，近源、遠源成分混生，火山熔巖與火山碎屑巖類混生，“三屑”較齊全，膠結(jié)物多凝灰質(zhì)，粒級懸殊、磨圓度差異顯著，連續(xù)多個序列間忽厚忽薄、漸變性差，礫石多繼承和保留了原火山角礫巖外形，這些特征是火山碎屑復理石的獨特性，因而也是其主要鑒別標志。

（3）在世界和中國范圍內(nèi)，學者們主要研究復理石的形成環(huán)境和沉積模式等（侯方浩等，1984；龔一鳴，1993；李祥輝等，2011；胡楠等，2013; Capua et al., 2016；Mignard et al., 2019；楊保良，2021），而少有對其識別標志詳細總結(jié)，烏爾禾地區(qū)哈拉阿拉特組火山碎屑復理石的發(fā)現(xiàn)，為總結(jié)火山碎屑復理石的地質(zhì)特征和形成機制提供了絕好條件。本次總結(jié)豐富了火山碎屑復理石的甄別標志，區(qū)內(nèi)儲層精準對比提供了一個新類型的標志層，為石油天然氣勘探提供新的制約。