韭菜园子沟剖面芦草沟组下部以灰黑色薄层状油页岩为主, 是准噶尔盆地二叠系已证实的重要烃源岩层段(王成云等, 2014)。结合该时期的盆地裂后坳陷背景(蔡忠贤等, 2000)和中国西部的油页岩分布规律(刘招君等, 2009), 推测剖面中大套油页岩的分布应属盆地坳陷时期静水环境中细粒悬浮物质沉积所形成, 其纹层特征明显, 单层厚度多在0.01~2icm之间(图 2-A)。

图 2

Fig.2

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	图 2 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组宏观特征 A— 剖面下部灰黑色油页岩; B— 剖面上部厚层砂岩Fig.2 Outcrop features of the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

由于剖面中见大套灰黑色油页岩且未发现明显的动植物化石, 故认为芦草沟组沉积时期研究区整体处于厌氧环境, 结合前人研究成果(Carroll, 1998; 柳益群等, 2010; 李红等, 2012; Zhang et al., 2013; Wang et al., 2015), 推测当时的沉积环境为深湖。

韭菜园子沟剖面芦草沟组上部发育的砂体一般为粉砂— 粗砂, 粒度范围较大, 局部可见泥砾发育。砂岩颗粒整体分选、磨圆较好, 说明沉积物经过了长距离的搬运。其新鲜面为浅灰色、灰色, 因后期风化整体呈棕黄色、橘黄色。单层砂岩厚度最大可达3im, 最薄仅有几厘米, 厚层砂体中局部可见快速堆积形成的蜂窝状砂岩。就砂体形态而言, 厚层砂体以楔状为主, 局部可见顶平底凹; 薄层砂体主要为层状或不规则状, 常与泥岩互层。薄层泥岩常因风化局部呈灰褐色(图 2-B)。

1)变形构造砂岩。由分选、磨圆较好的粗砂岩组成, 下部接触泥质沉积或含有泥砾, 并伴有底部变形构造的发育。变形构造规模变化较大:规模最大的变形构造高约7im, 宽约3im(图 3-A), 主要是由于滑塌变形所形成, 夹在深水沉积(灰黑色油页岩)之中; 最小变形构造高约5icm, 宽约15icm(图 3-B), 以差异压实成因为主, 常伴有泥砾的二次变形。变形构造常因其在斜坡上能量的损耗使其变形规模沿物源方向逐渐减小, 有一定的物源指向作用。该类型砂岩中泥砾颗粒分选较差, 磨圆较好, 粒径一般为1~6icm, 且在底部分布较集中, 其作为斜坡上冲刷构造的底部沉积特征, 常与变形构造共生, 两者均能辅助证明水下斜坡上沉积物的搬运作用。

图 3

Fig.3

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	图 3 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组砂岩典型沉积特征野外照片 A— 大型砂岩变形构造; B— 小型砂岩变形构造; C— 块状砂岩; D— 槽状交错层理; E— 板状交错层理; F— 正粒序层理、阶梯状断层; G— 平行层理; H— 爬升沙纹层理Fig.3 Typical sedimentary structures of sandstone in the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

2)块状层理砂岩。由分选、磨圆较好且呈块状堆积的粗砂岩组成, 厚度一般为0.5~1im, 底部局部可见泥砾分布, 风化破碎较严重(图 3-C)。砂岩中块状层理的发育为典型的牵引流沉积特征, 反映了沉积物的快速堆积, 主要发育于砂体的中下部。其下部常发育变形构造砂岩或少量泥岩。

3)槽状交错层理砂岩。由分选、磨圆较好的中粗砂岩组成, 发育槽状交错层理(图 3-D), 沉积构造规模较小, 纹层面明显, 层面之间夹杂少量红褐色泥砾。该类型砂岩反映了沉积物在河道中的下切迁移, 主要发育于块状层理砂岩的上部, 层理面中的泥砾表明其经历了斜坡上的滚动搬运过程。

4)板状交错层理砂岩。由分选、磨圆均较好的中粗砂岩组成, 发育多组板状交错层理(图 3-E)。沉积构造规模较小, 纹层面由于泥质物质富集而较为明显, 层面角度约为28° , 局部可见少量灰褐色泥砾。该类型砂岩是典型的牵引流顺流加积的产物, 其下部常与槽状交错层理砂岩相接触。

5)正粒序层理砂岩。由分选、磨圆较好的中砂岩组成, 发育正粒序层理。该类型岩石中可见一系列近平行、阶梯状排列的小型正断层, 断距为0.2~0.5icm, 断面倾角近乎垂直(图 3-F)。正粒序层理指示了沉积流体的牛顿流变性质和紊乱流动状态, 对应的是单一浊流事件的沉积。其沉积时流体密度相对较大, 颗粒大小与沉积速率的不同形成了正粒序层理。正粒序中阶梯状断层推测为震积岩, 据此证明了此浊流沉积的主要触发机制为地震。

6)平行层理砂岩。是分选、磨圆较好的中细砂岩, 发育平行层理(图 3-G), 单层厚0.2~1icm, 与上、下岩层均为渐变接触。平行层理砂岩为典型的高流态牵引流, 可发育在河道沉积或浊流沉积的Tb段, 河道沉积时下部与板状交错层理砂岩相接触, 浊流沉积时则与正粒序层理砂岩接触。

7)爬升层理砂岩。主要由分选、磨圆较好的中砂岩组成, 发育爬升层理, 纹层面明显。爬升沙纹的波高约2icm, 波宽约8icm, 层理角度约20° (图 3-H中上部)。爬升层理砂岩是一期浊积沉积的后期Tc段产物(Arnott and Hand, 1989), 表明了沉积物的堆积速率大于迁移速率, 反映了较强的沉积物供给, 主要发育于平行层理砂岩之上。

1)水平层理粉砂岩。主要由粉砂岩等细粒沉积组成, 水平层理发育, 呈薄层状, 单层厚度0.5~5icm, 向上逐渐减薄(图 4-A)。水平层理粉砂岩沉积时水动力条件较弱, 流体搬运能力逐渐降低, 局部层理不明显。

图 4

Fig.4

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	图 4 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组粉砂岩— 泥岩典型沉积特征 A— 粉砂岩与泥岩互层; B— 水平层理, 粉砂岩变形; C— 粉砂岩变形; D— 水平层理, 泥岩Fig.4 Typical sedimentary structures of siltstone-mudstone in the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

2)变形构造粉砂岩。主要由粉砂岩等细粒沉积夹杂泥质物质组成。受变形构造影响较大, 主要表现为上、下地层平整, 层内的薄层泥岩、粉砂岩呈现不规则、不协调状, 且规模大小不一(图 4-B, 4-C)。变形构造粉砂岩主要因各种不同规模的液化卷曲变形形成, 与变形构造砂岩相比, 规模有明显的减小, 为层内变形。该类型岩石的形成主要是在强剪切力的作用下, 未固结成岩的薄层泥岩、粉砂岩的水平层理发生扰动卷曲而形成的(龚正等, 2013; 杜芳鹏等, 2014), 其动力主要来源于上部沉积物的压实作用。

3)泥岩。新鲜面为灰黑色, 局部因后期的暴露风化而呈灰褐色, 常呈薄层状, 单层厚度0.5~5icm(图 4-D)。

内扇亚相以滑塌和原地块状碎屑流沉积为主。韭菜园子沟剖面中, 底部的大型砂岩变形构造为滑塌成因, 是典型的内扇亚相。由于出露问题, 内扇亚相的其他沉积微相暂不讨论。

随着向盆地方向坡度减缓, 水道下切能力减弱, 漫溢作用逐步增强, 自身分支趋势逐渐发育, 流体逐渐分叉或喷溢形成朵叶体沉积。随着水道限制作用的减弱, 沉积物逐渐大量泛滥并发育漫溢砂体, 笔者将其划分为深水扇中扇, 主要包括浊流水道微相和漫溢微相。

4.2.1 浊流水道微相

浊流水道微相是沉积物在中扇亚相下切水道中沉积的, 主要发育在单期扇体沉积的底部, 地形坡度相对较陡, 沉积物密度较大, 岩石类型以含砾砂岩和块状砂岩为主, 不含或很少含有泥岩夹层, 局部可见泥砾成层性分布(图 5-A)。砂体自下向上依次发育变形构造层理、块状层理、槽状交错层理、板状交错层理和正粒序层理。此类岩石类型组合中单层砂岩厚度较大, 多为3~5im(表 2)。

图 5

Fig.5

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	图 5 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组典型沉积微相解析 A、B— 中扇亚相浊流水道微相解析; C— 中扇亚相漫溢微相解析; D— 外扇亚相深海平原微相解析Fig.5 Typical sedimentary microfacies interpretation of the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组不同类型沉积微相特征 Table 2 Characteristics of different sedimentary microfacies in the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

表 2 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组不同类型沉积微相特征 Table 2 Characteristics of different sedimentary microfacies in the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

从沉积方式来看, 浊流水道微相底部发育块状层理、槽状交错层理和板状交错层理3种代表性牵引流的沉积构造, 但粒序层理的存在依然是浊流的有力证据, 因此研究区高密度浊流具有重力流与牵引流复合的特点。在该微相中, 水动力条件较强且有向上逐渐减弱的趋势, 局部会发育粉细砂岩和泥岩的互层, 同时砂岩底部发育大量泥砾和变形构造(图 5-B), 证实了沉积体主要位于坡折带之下, 也间接证明了其形成于深水沉积环境。

4.2.2 漫溢微相

由于下切作用的减弱, 细粒沉积物被浊流的紊流流态所卷起, 在主水道的两侧开始逐渐沉积, 形成漫溢微相。漫溢微相发育在单期扇体的中上部, 主要是由于沉积物漫溢出水道和阶地而形成的, 此时地形坡度较缓, 随着流体的不断混入, 沉积物密度减小, 岩石类型逐渐以泥岩和砂岩并存为主。该沉积微相岩石组合为典型的鲍马序列(Bouma, 1962), 单层砂岩厚度多为1~1.5im(表 2)。

从沉积方式来看, 漫溢微相以低密度浊流为主, 主要为中细砂岩夹泥岩, 发育典型的鲍马序列, 单期的漫溢微相为正旋回。低密度浊流的代表性沉积构造主要为正粒序层理、平行层理、爬升沙纹、水平层理和变形构造(图 5-C)。与下部浊流水道微相不同的是, 漫溢微相的颗粒大小与单层厚度相应减小, 沉积构造以重力流沉积为特征。

外扇亚相与中扇亚相无水道部分相接, 地形平坦, 沉积物分布广但厚度较小。典型的沉积物是粉细砂岩和泥岩, 其中粉砂岩主要发育水平层理和变形构造。此类岩石组合中单层砂岩厚度多为0.5~5icm(表 2)。

从沉积方式来看, 外扇以低密度浊流为主, 主要发育水平层理粉砂岩、变形构造层理粉砂岩和泥岩, 局部地区的粉砂岩受到差异压实形成粉砂岩软沉积变形构造(图 5-D)。

准噶尔盆地南缘芦草沟组深水扇形成与发育的过程中, 从下向上的单层砂体厚度、粒度及沉积构造规模均呈现由厚至薄、由粗至细、由大到小的特点。根据深水扇发育特征分析, 剖面整体由3期深水扇体组成(图 6-A)。在单期深水扇沉积旋回中, 整体表现为正旋回, 反映了不同粒度的沉积物搬运距离与搬运速度的差异。每一个深水扇沉积序列中, 底部发育浊流水道沉积, 向上过渡为漫溢沉积。总体表现为水进的过程, 反映了沉积物由高密度向低密度转化、沉积物能量逐渐减弱的过程。

图 6

Fig.6

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	图 6 准噶尔盆地南缘韭菜园子剖面中二叠统芦草沟组剖面解析与岩性综合柱状图 A— 芦草沟组剖面上部砂体; B、C— 芦草沟组剖面上部砂体典型扇体界面; D— 芦草沟组剖面上部砂体地层综合柱状图Fig.6 Profile interpretation and strata column of the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

从剖面整体特征来看, 内扇亚相主要发育于单期扇体的底部, 以大型滑塌构造和碎屑流沉积为主。中扇亚相主要发育于单期扇体的中部, 主要以厚层砂岩为特征, 砂体形态为不明显的楔状、顶平底凸的河道形态或层状的漫溢形态, 反映了沉积物搬运过程中的下切和漫溢作用。扇体界面与沉积作用界面之间均存在不同程度的变形构造和泥砾(图 6-B, 6-C), 这反映了沉积物在水下斜坡中的搬运作用。外扇亚相主要发育于单期扇体的顶部, 砂体的外观形态以丘状和层状为主。芦草沟组上部砂体整体为正旋回, 并由多个小型正粒序组成, 为多期次浊流的垂向叠加所形成(图 6-D)。

结合剖面演化规律, 深入研究不同沉积微相的岩性发育和组合特征, 最终确定研究区芦草沟组深水扇沉积模式和剖面特征(图 7)。深水扇主要包括了斜坡沉积和朵叶状扇体两部分, 文中着重对这两部分的沉积模式深入探讨。

图 7

Fig.7

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	图 7 准噶尔盆地南缘韭菜园子沟剖面中二叠统芦草沟组湖泊深水扇体沉积模式Fig.7 Sedimentary model of turbidity fan in the Middle Permian Lucaogou Formation at Jiucaiyuanzigou section, southern Junggar Basin

5.2.1 斜坡沉积

根据深水扇体分类标准(Walker, 1978), 韭菜园子剖面为富砂型深水扇, 而这种大型扇体的发育常与大量沉积物的注入密切相关, 一般多发育在沉积速率较高的三角洲坡折带的下方(庞雄等, 2014)。斜坡区是湖泊深水扇形成的重要地区, 上部的不稳定性为沉积物的启动提供了触发机制,

中下部为沉积物启动后的不断加速下滑提供了动力, 这与剖面中砂体底部大型滑塌构造的发育相呼应。根据深水扇沉积物粒度与沉积体前缘坡角的关系, 以中粗砂岩为主的深水扇前缘坡度的最大坡度角为30° ± 5° (操应长和刘晖, 2007)。而实际上, 当沉积体或沉积地层坡度达到20° 以上时, 常与坡折处的断裂带有关(冯有良和李思田, 2001), 剖面中阶梯状断层(震积岩)的发育便是良好的佐证。

5.2.2 朵叶状扇体

随着坡度的减小, 下切作用减弱, 沉积物通过下切谷后以点物源的方式在谷口或水道口大量卸载, 形成深水扇朵叶体(李华等, 2014)。此时, 内扇亚相以滑塌碎屑流沉积为主, 砂泥岩混杂。中扇亚相以扇体内部浊流水道及其漫溢沉积为主, 砂体形态多为楔形或厚层状。浊流水道内发育明显的牵引流沉积, 上部则发育浊流, 漫溢沉积则以浊流为主。沉积物在斜坡上的滚动会卷起部分泥质形成不规则泥砾, 造成砂体底部泥砾的成层性发育, 这也是浊流期次的重要分界线。外扇亚相砂体以板状和薄层状为主, 泥质条带发育明显, 见因上部砂岩差异压实作用而形成的粉细砂岩变形构造。

湖泊深水扇沉积体系发育于准噶尔盆地中二叠世湖盆坳陷期, 此时盆地大部分地区被湖水淹没, 在湖盆边缘的三角洲局部砂体发育。以往准噶尔盆地油气勘探只注重于河流相和三角洲相砂体储集层, 而忽略了湖相泥岩中的湖泊深水扇砂体。本次研究对首次发现的大型砂体进行岩石类型划分与分析, 明确其湖泊深水扇基本沉积特征。结合浊流特征与剖面分析, 解释了该砂体的叠置关系并分析了其由水道限制到平原泛滥的过程。发育于低位域中的深水扇, 烃类供给充足, 储集层物性相对较好, 具有重要的油气勘探开发价值。因此, 湖泊深水扇沉积体系的发现为在准噶尔盆地南缘大面积发育的湖相泥岩中寻找油气储集层开辟了新的领域, 对指导下一步的油气勘探具有重要的意义。