大湾沟剖面中上奥陶统地层划分(表1)与岩性特征如下:下部大湾沟组主要岩性为灰色中--薄层瘤状生物砂屑及泥屑灰岩, 含燧石团块和硅质条带; 其上的萨尔干组为黑色页岩夹灰黑色薄层或透镜状泥质灰岩, 局部层段有少量硅质条带(周志毅, 2001; 张师本等, 2003; 陈明等, 2004), 与上覆坎岭组整合接触; 坎岭组下部为中薄层泥质灰岩, 上部主要为紫红色薄层瘤状灰岩, 与上覆其浪组连续过渡; 其浪组主要为薄层灰色泥屑灰岩, 瘤状泥屑灰岩及灰绿色钙质, 粉砂质页岩韵律性互层, 与上覆印干组为连续沉积; 印干组主要为黑色及深灰色碳质, 钙质和粉砂质页岩, 泥岩和泥屑灰岩, 与上覆铁热克阿瓦提组之间有短暂的沉积间断, 主要为平行不整合接触, 局部为角度不整合接触(邓胜徽等, 2008).中上奥陶统萨尔干页岩, 印干页岩地层与地面呈一定夹角, 因此, 可运用探地雷达仪器沿剖面地层由老及新进行作业, 对野外露头中此两套页岩与其上下地层的关系建立起地球物理剖面, 即浅层地震剖面.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 塔里木盆地奥陶系划分对比 Table 1 Division and correlation of the Ordovician in Tarim Basin

表1 塔里木盆地奥陶系划分对比 Table 1 Division and correlation of the Ordovician in Tarim Basin

探地雷达(Ground Penetrating Radar, 简称GPR)或地质雷达(Georadar)技术是一种用于确定浅层地下介质分布的广谱(1 MHz~1 GHz)电磁技术.从物探角度来讲, 探地雷达信号的处理和解释在方法上与众所周知的反射地震法大体相同.目前, 国内外已将探地雷达技术广泛应用于露头地质研究的多个领域(李大心, 1994; McMechan et al., 1998; Meschede et al., 1999; Asprion and Aigner, 2000; Dagallier et al., 2000; Corbeanu et al., 2001; 罗平等, 2003; 孙坚等, 2004; 邓世坤, 2005), 如沉积相, 储集层建模及构造研究等, 其探测深度最大可达到50余米.

笔者通过使用频率为25 MHz的探地雷达对大湾沟剖面进行人工测量, 测量结果为柯坪大湾沟野外露头的浅层地震剖面图(图2), 剖面中显示地层深度为5~8, m的纵向平行连续反射轴为现今大湾沟底部河道砂砾岩沉积反射(便于与地震剖面标定, 故将剖面旋转90° ), 而地层深度8~40, m的倾斜地层为奥陶系, 40, m以下地层由于雷达探测深度所限, 为无效杂乱反射.探地雷达结果剖面纵向上, 中上奥陶统各组之间接触关系明显, 底部大湾沟组与萨尔干组呈整合或假整合接触; 萨尔干组与坎岭组呈整合接触, 探地雷达剖面中萨尔干页岩与上, 下地层组间反射界面清晰; 坎岭组与上覆其浪组连续过渡, 其浪组与上覆印干组为连续沉积; 印干组与上覆铁热克阿瓦提组有短暂的沉积间断, 主要为平行不整合, 局部为角度不整合接触.由此可知, 萨尔干页岩与印干页岩间有两个地层界面, 且地震反射清晰, 探地雷达剖面与露头之间地层界面对应完好, 此特点在标定地震剖面烃源岩位置时至关重要.

图2

Fig.2

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	图2 柯坪大湾沟剖面印干页岩与萨尔干页岩的岩--震结合即探地雷达剖面Fig.2 Relationship of lithology-seismic characters of Salgan and Yingan shaleson Dawangou Ground Penetrating Radar section in Keping area

图3

Fig.3

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	图3 阿瓦提凹陷西北部AN05-340测线中萨尔干页岩与印干页岩的岩-震标定图Fig.3 Lithology-seismic character marker section of Salgan and Yingan shales on sesmic profile AN05-340 in northwestern Awati Sag

图4

Fig.4

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	图4 阿瓦提凹陷西北部AN05-332测线地震--地质剖面中萨尔干页岩与印干页岩展布(∈ --寒武系; O1--下奥陶统; O2-3--中上奥陶统; S-T--志留系至三叠系; K-E--白垩系至古近系; N-Q--新近系至第四系; Pt--元古界)Fig.4 Distribution of Salgan and Yingan shales on seismic-geologic profile AN05-332 in northwestern Awati Sag

在上述应用探地雷达技术标定露头中烃源岩的基础上, 笔者对大湾沟附近地震测线中的烃源岩进行了标定(图 3), 其标定依据如下:(1)笔者对大湾沟剖面中萨尔干页岩, 印干页岩进行了实地测量, 其实际地层倾角为25° 左右, 倾向为170° , 大湾沟剖面距附近地震测线AN05-340线4.5, km, 在地震剖面中可延伸标定; (2)在阿瓦提凹陷内的地震剖面中, 一间房组(大湾沟组)灰岩顶面在凹陷内为区域强反射Tg5″, 可作为萨尔干页岩底部之强轴特征反射进行追踪; (3)探地雷达测试剖面印干页岩与萨尔干页岩之间有2个组间界面, 两套页岩间距 200, m左右, 地震剖面标定在0.5 s与0.64 s处(图 3).

在上述岩--震标定基础上, 由图3所示的地震测线AN05-340开始, 笔者展开了萨尔干页岩与印干页岩的地震剖面追踪解释.通过对阿瓦提凹陷内AN05-332, AN05-818, AN05-826等75条二维地震测线追踪与烃源岩解释(总长约1.8× 10⁴, km), 认为在地震剖面AN05-332中, 由于此测线与AN05-340线平行展布, 且相距仅8, km, 由图4可知两者烃源岩展布特征相近, 萨尔干与印干页岩的展布明显受阿瓦提凹陷西北边界沙井子断裂与南部边界吐木休克断裂控制.但此两边界断裂对烃源岩展布的控制有所不同, 萨尔干页岩, 印干页岩在柯坪隆起区(露头区)有分布, 而在巴楚隆起区则未沉积.这说明萨尔干页岩与印干页岩的南部, 西南部沉积边界就位于吐木休克断裂带, 而北部, 西北部沉积边界则位于现今的天山内部, 而非现今的阿瓦提凹陷边界断裂--沙井子断裂处.此2套页岩展布的东部边界位于现今阿瓦提凹陷东缘, 即阿-满过渡带西缘区.笔者通过对AN05-818, AN05-826等多条地震测线解释追踪, 认为在上述区域内新发现了于中奥陶世晚期--晚奥陶世早中期形成的台地边缘, 即阿-满过渡带西缘镶边台地边缘, 此台地边缘控制着阿瓦提凹陷内萨尔干页岩与印干页岩的东部边界(图 5).总之, 通过对上述多条地震测线内萨尔干页岩与印干页岩的追踪, 认为在阿瓦提凹陷覆盖区内此2套页岩均有分布, 其展布范围西北受控于沙井子断裂, 北部超覆尖灭于胜利1井以南, 东部超覆尖灭于满西2井附近台地边缘(新发现的台缘), 南部止于巴楚断隆, 西南部受控于阿恰断裂带.

图5

Fig.5

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	图5 阿瓦提凹陷AN95-826测线地震--地质剖面中萨尔干页岩与印干页岩展布(∈ --寒武系; O1--下奥陶统; O2-3--中上奥陶统; S-T--志留系至三叠系; K-E--白垩系至古近系; N-Q--新近系至第四系)Fig.5 Distribution of Salgan and Yingan shales in seismic-geologic profile AN95-826 in northwestern Awati Sag

塔里木盆地北部坳陷是在前震旦纪结晶基底之上发育起来的大陆裂谷盆地, 始于早震旦世.早震旦世裂谷由东向西拉开, 形成东宽西窄的楔形, 沉积作用局限于裂谷东部, 以粗碎屑岩沉积为主, 伴随强烈的酸性和基性火山活动, 并逐步由东向西扩展.寒武纪至早奥陶世, 区域动力学背景仍为稳定的拉伸环境, 在裂谷轴部也由早期的断陷转变成坳陷.随着裂谷盆地的稳步沉降, 沉积环境也由浅海逐渐向半深海和深海转化, 在满加尔和英吉苏凹陷开始有深海相的放射虫硅质岩和笔石页岩沉积.中晚奥陶世, 由于区域动力学背景的转化, 塔里木板块北缘开始由被动陆缘向主动陆缘转化, 裂谷盆地也由拉伸环境向挤压环境转化(李德伦和张大权, 2001; 赵靖舟和贾承造, 2002), 在裂谷盆地内奥陶纪碎屑岩中发现大量火山岛弧来源的凝灰岩, 也进一步证实了南天山大洋于这一时期开始聚敛.中晚奥陶世开始从伸展--挤压的构造背景的转换导致北部坳陷西部台地内地貌分异, 碳酸盐盆地在阿瓦提出现, 萨尔干页岩与印干页岩随之发育.

3.2.1 烃源岩发育的沉积环境

柯坪大湾沟露头区中上奥陶统萨尔干页岩厚13.4, m左右(周志毅, 2001; 张师本等, 2003), 底部为灰黑色, 浅灰绿色白云质页岩与浅灰色中, 薄层细粉晶石灰岩.页岩中常见球状黄铁矿结核(还原环境), 笔石和腕足类化石丰富, 偶见三叶虫碎片; 下部为灰黑色钙质页岩夹深灰色薄层细粉晶石灰岩, 向上页岩钙质含量增高, 且部分有硅化; 中部为灰黑色钙质页岩夹深灰色透镜状粉晶石灰岩, 常见球状黄铁矿结核, 石灰岩中常见粉末状黄铁矿, 页岩富含笔石, 常见腕足类; 上部发育灰黑色薄层泥灰岩, 常见球状黄铁矿结核, 富含笔石和腕足类, 常见三叶虫.大湾沟剖面印干页岩厚34.0, m左右(周志毅, 2001; 张师本等, 2003), 底部为灰黑色中层状钙质泥岩, 具微细层理, 含笔石和腕足类; 下部为灰黑色厚层状钙质泥岩, 水平层理发育, 含黄铁矿, 富含笔石, 偶见三叶虫碎片; 中部发育黑色厚层纹层状泥灰岩, 纹层由叠瓦状泥质条纹与方解石间互构成, 含笔石, 三叶虫, 瓣鳃类及腕足类碎片, 三叶虫保存较完整; 上部发育灰黑色块状钙质泥岩, 具微细层理, 风化后呈页状, 含笔石, 腕足类, 瓣鳃类及三叶虫.

由上述萨尔干页岩与印干页岩的岩性特征, 富含笔石与三叶虫等化石以及黄铁矿发育等特点, 认为此2套页岩发育于还原环境内的深水盆地中(周志毅, 2001; 张师本等, 2003).萨尔干页岩在大湾沟剖面厚13, m左右, 其西南50, km处柯坪水泥厂剖面萨尔干页岩减薄至4, m厚, 再向西南25, km处柯坪羊吉坎剖面, 萨尔干页岩则相变为碳酸盐岩深水缓坡沉积.再者, 依据图5, 萨尔干页岩与印干页岩均超覆沉积于阿满过渡带西缘镶边台缘之下的深水陆棚相区, 且依据地震测线AN95-794, AN95-786等多条剖面解释, 萨尔干页岩与印干页岩也均超覆沉积于塔中凸起西北倾没端的深水缓坡沉积环境.由此, 如图1所示, 笔者认为中上奥陶统萨尔干页岩与印干页岩在阿瓦提凹陷内发育于深水陆棚--盆地沉积环境.

3.2.2 烃源岩的沉积演化

早奥陶世末, 塔里木盆地中央古隆起开始形成, 现今巴楚隆起(方1井--和4井--巴东2井一带)位于该中央古隆起带内.巴楚隆起与阿瓦提凹陷交界的阿恰断裂与吐木休克断裂带分别于中寒武世--泥盆纪(加里东期), 晚二叠世(海西期), 古近纪至今(刘志宏等, 2004)或者新近纪(朱德丰等, 2008; 肖安成等, 2005)发生3次冲断, 因此, 在整个中奥陶世晚期至晚奥陶世早期(萨尔干页岩与印干页岩沉积时期), 巴楚隆起遭受剥蚀(何宏等, 2002), 未接受烃源岩沉积.在古隆起北侧阿瓦提凹陷中, 中奥陶世晚期至晚奥陶世早期, 大部分地区发生沉降, 碳酸盐岩台地演变为深海盆地或者半深海斜坡环境, 此时期发生连续沉积, 故萨尔干页岩与印干页岩发育, 阿瓦提凹陷北缘, 西北缘柯坪露头区萨尔干页岩, 印干页岩也均有沉积.由于现今沙井子断裂与柯坪塔格断裂连在一起成为分隔露头区柯坪--阿克苏隆起和覆盖区巴楚隆起及阿瓦提凹陷的边界断裂, 该断裂主要发育时期为早二叠纪, 断裂活动一直持续到第四纪早期, 具长期继承性发育的特点(何文渊等, 2002).因此, 沙井子断裂成为分隔露头区与阿瓦提凹陷覆盖区烃源岩的重要断裂.

萨尔干页岩与印干页岩东缘受新发现的阿满过渡带西缘之台缘控制, 即受阿-满低梁西缘控制.前震旦纪末塔里木运动后, 满加尔凹陷和阿瓦提凹陷已初步形成, 其南北两侧的塔中, 塔北隆起也在塔里木运动后出现雏形.与此同时, 在阿瓦提与满加尔凹陷之间也形成了一个大型宽缓的低隆起, 隆起高部位大致在满西1井附近, 向东可延至满参1井, 向西则延至满西2井附近(新发现台缘附近), 此即阿-满低梁, 这一构造格局可能一直持续了整个早古生代(赵靖舟和贾承造, 2002).对阿瓦提凹陷的地震相研究表明, 即使同一条地震剖面, 在阿瓦提凹陷中西部为中强振幅层状地震相, 向满西低隆及满加尔凹陷则变为弱振幅杂乱地震相, 这无疑反映了沉积相的转变, 前者相当于柯坪露头的萨尔干组页岩, 坎岭--其浪组瘤状灰岩和印干组页岩的波阻抗差异特征, 后者则反映了超补偿盆地浊积, 等深积复理石建造的波阻抗特征(王飞宇等, 2008).至晚奥陶世晚期, 根据地震反射特征推测阿瓦提凹陷是以重力流沉积与正常深海--半深海沉积交互为特征的碎屑浊积岩环境, 印干页岩沉积结束, 有效烃源岩不再发育.

古水深环境是海相泥页岩发育的重要基础, 国外研究成果较为丰富, 认为较优质海相烃源岩发育的水深一般介于60~400, m, 平均值为200, m.Heckel(1977)认为海相泥页岩在水深200~400, m之间最容易形成; Potter等(2005)在研究美国西部尤他州泥盆系Woodman组泥岩后, 认为其沉积在非补偿盆地相区, 古水深在300~400, m之间, 黑色, 深灰色泥岩的TOC值可高达3%~13%.Robert等(2007)等对美国德克萨斯州Mississippian Barnett页岩进行研究后认为, 缺氧层内页岩沉积的古水深是400~700 ft(120~210, m左右).

在国内, 针对古代海相沉积古水深的研究成果相对较少, 陈旭(1990)通过对奥陶纪至志留纪生活在不同水深的古海洋中笔石的研究, 将笔石深度带划分为5个, 其中古水深在0~60, m划分出3个带, 60~200, m划分出2个带.阿瓦提凹陷萨尔干页岩中笔石的种类与含量也相当丰富, 有Climacograptus(栅笔石)antiquus, Dicellograptus(叉笔石) cf. intortus, Didymograptus(对笔石)mirabilis, D.cf.nanus, D.saerganensis, D.serratulus, Glossograptus hincksii, G.hincksii robustus, G. cf. sinicus, Glyptograptus teretiusculus 等(周志毅, 2001).萨尔干页岩中Dicellograptus(叉笔石)较发育, 而叉笔石在陈旭认为的笔石深度分带中生活的古水深范围是60~200, m, 因此, 认为阿瓦提凹陷萨尔干页岩沉积时期古水深大致在60~200, m, 甚至更深些(大于200, m), 这也与国外认为海相烃源岩发育的一般水深是"30~200 m"相一致.