李攀, 李永强, 经俭波, 曹正林, 袁选俊. (2020). 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的发育演化特征及意义* [J]. 古地理学报, 22(4): 697-714.
Li Pan, Li Yong-Qiang, Jing Jian-Bo, Cao Zheng-Lin, Yuan Xuan-Jun. (2020). Unconformities formed during the P-T transition in the northwestern Junggar Basin: Nature, evolution and implications[J]. Journal Of Palaeogeography, 22(4): 697-714.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2020.07.068
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准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的发育演化特征及意义*
李攀1, 李永强2, 经俭波3, 曹正林1, 袁选俊1
1 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
2 中国石油东方地球物理公司研究院乌鲁木齐分院,新疆乌鲁木齐 830016
3 中国石油西部钻探地质研究院,新疆克拉玛依 834000

第一作者简介 李攀,男,1985年生,博士,2017年毕业于英国阿伯丁大学(University of Aberdeen),现就职于中国石油勘探开发研究院,主要从事层序地层学与沉积学方面的研究工作。E-mail: lipanccc@126.com。

收稿日期:2019-07-01
基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2017ZX05001)资助
摘要

二叠纪晚期—三叠纪早期是准噶尔盆地演化的重要转换期,发育了具有特色性的不整合面。本研究以该盆地的西北部为例,综合利用地震和钻井资料,探讨该时期不整合的发育演化特征及其地质意义。研究表明,转换期发育 P3/P2期主要不整合与 T1/P3期次要不整合,它们在研究区北部叠加复合,构成了三叠系底界叠合不整合面,在南部被上二叠统所分隔而独立存在;转换期经历了主要不整合的形成、主要不整合被上二叠统超覆、次要不整合与叠合不整合的形成及其被三叠系最终超覆 4个演化阶段。不整合的发育演化特征揭示了晚海西期和早印支期构造运动对准噶尔盆地影响的强弱程度、地层记录的“楔形体”内涵以及上二叠统与下三叠统的层序归属。 P-T转换期不整合面及其相邻地层形成了有效的油气运移通道、良好的储盖组合和类型众多的圈闭,因此具有重要的油气勘探意义。

关键词: 玛湖凹陷; 百口泉组; 乌尔禾组; 不整合面; P-T转换期
中图分类号:P539.1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)04-0697-18
Unconformities formed during the P-T transition in the northwestern Junggar Basin: Nature, evolution and implications
Li Pan1, Li Yong-Qiang2, Jing Jian-Bo3, Cao Zheng-Lin1, Yuan Xuan-Jun1
1 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China
2 Urümqi Branch,Geophysical Research Institute,BGP,CNPC, Urümqi 830016,China
3 Geological Research Institute of Western Drilling,CNPC,Xinjiang Karamay 834000,China

About the first author Li Pan,born in 1985,received a Ph.D. in 2017 from the University of Aberdeen,UK and is now working at the Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina in Beijing. His main research focus is sequence stratigraphy and sedimentology. E-mail: lipanccc@126.com.

Fund:National Science and Technology Major Project(No.2017ZX05001)
Abstract

Late Permian to Early Triassic represents a significant transition period of the Junggar Basin,resulting in the formation of widespread characteristic unconformities. In this paper,the nature,evolution and implications of these unconformities in the northwestern Junggar Basin are explored,based on seismic and borehole data. This study shows that during the P-T transition two main phases of unconformities were present in the study area,including P3/P2 and T1/P3,with the former expressed mainly as a major angular unconformity and later as a minor parallel or sub-parallel unconformity. Noticeably,the two unconformities are amalgamated to form a superimposed one beneath the Lower Triassic in the north,whereas in the south they co-exist with the Upper Permian in between. Their evolution is characterized by four distinct stages: formation of the major unconformity,its partial onlapping by the Upper Permian,formation of the minor and superimposed unconformity,and their onlapping by the Triassic. The nature and evolution of these unconformities help elucidate the relative influence of the late-stage Hercynian and early-stage Indosinian orogenies,the wedge-shaped connotation of stratigraphic record,and the assignment of tectonic sequences to the Upper Permian and Lower Triassic. The results from this study also indicate that the unconformities and relevant stratigraphy during the P-T transition comprise favorable oil-gas migration pathways,reservoir-seal assemblages and various traps,and are thus of great significance for hydrocarbon exploration.

Key words: Mahu sag; Baikouquan Formation; Wuerhe Formation; unconformity; P-T transition
1 概述

不整合作为一种常见的地层间断面, 在地球科学研究中具有十分重要的意义。它们不仅是划分地层序列、建立等时格架的基本依据, 也是认识构造事件、划分构造旋回的重要标志, 还是研究海湖平面变化、分析盆地隆升— 埋藏史和重建古地理格局的关键支点(Sloss, 1963; Mitchum et al., 1977; Haq et al., 1987; 陈发景等, 2004; Catuneanu 2006; 林畅松, 2006, 2009; 任纪舜等, 2016; 何登发, 2018)。此外, 长期勘探实践证明, 不整合常伴生有次生高孔— 渗带、良好的储盖组合以及类型多样的岩性地层圈闭, 因此是油气和固体矿产资源富集的有利场所(Levorsen, 1954; Payton, 1977; 潘钟祥, 1983; Shanmugam, 1988; 李朝阳等, 2004; 顾雪祥等, 2008; 何登发, 2018)。

二叠纪晚期— 三叠纪早期是地球系统从古生代向中生代演化的重要变革期, 这一时期除了发生过生物大灭绝、极端气候变化、巨型火山活动、全球海平面变化等重大事件外(Ying et al., 2013), 还可发育区域性甚至全球性的不整合(Embry, 1997)。在这一P-T转换期, 准噶尔盆地西北部发育了三叠系底界和上二叠统底界两大不整合。学者们对三叠系底界不整合的研究由来已久, 在其成因类型、分布特征、控藏机制等方面已取得了一系列成果(陈建平等, 2000, 2002; 吴孔友等, 2002, 2003; 陈中红等, 2003; 牟中海等, 2005; 曹剑等, 2006; 郭维华等, 2006; 邰浩, 2010; 陈平等, 2012; 阿布力米提等, 2016)。近年来, 随着玛湖凹陷砾岩大油区的发现和突破, 上二叠统底界不整合也逐渐引起了人们的重视, 并在上述方面取得了一定的进展(郝景宇等, 2012; 夏近杰等, 2012; 韩宝等, 2017; 唐勇等, 2018, 2019; 支东明等, 2018)。然而, 目前对这2个不整合相对级别(主次关系)的认识, 以及由此而形成的构造层划分方案和盆地演化解释方案还存在较大分歧(张善文, 2013; 隋凤贵, 2015; 何登发等, 2018; 唐勇等, 2018; 支东明等, 2018; 周路等, 2019; 郑孟林等, 2019); 对这2个不整合的叠加复合、时间属性以及形成演化过程等则鲜有报道。

针对上述地质问题, 笔者利用最新连片处理的高分辨率三维地震数据体、二维地质测线以及钻井资料, 对准噶尔盆地西北部P-T转换期形成的不整合进行重点解剖。作者从识别和追踪不整合面入手, 通过综合分析地层接触关系、垂向沉积序列、地层分布样式、Wheeler时间地层图解等, 力图揭示研究区P-T转换期不整合的结构类型、叠合特征、相对级次和发育过程。在此基础上, 结合区域性研究成果, 探讨转换期不整合发育演化特征对盆地演化、地层结构、油气勘探以及未来研究的启示意义。

2 地质背景

准噶尔盆地是新疆北部的一个大型含油气叠合盆地, 面积约13× 104 km2, 经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅等多期构造运动和多旋回发育过程(图 1)。

图 1 准噶尔盆地西北部地质概况
a— 构造分区及地震剖面位置; b— 二叠系— 三叠系综合柱状图(据雷德文等, 2017; 有修改); c— 代表性地质结构剖面Fig.1 Geological setting of northwestern Junggar Basin

二叠纪— 三叠纪是盆地的一个重要演化时期, 目前对其认识, 尤其是二叠纪的盆地属性(前陆盆地或裂陷盆地)尚存在较大分歧(陈新等, 2002; 方世虎等, 2006; 李丕龙等, 2010; 唐勇等, 2018; 何登发等, 2018)。尽管如此, 前人在一个方面的认识趋同, 即晚二叠世— 早三叠世是盆地演化的一个重要转换期。这个P-T转换期的存在体现在多方面: 首先, 这一时期盆地古地貌从早期隆坳分割的格局演化成了统一的、坡缓水浅的泛盆, 代表了一个重要的填平补齐阶段(唐勇等, 2018); 其次, 晚二叠世— 早三叠世干旱事件代表了中二叠世温室事件与中晚三叠世潮湿事件之间的重要转换阶段(何登发等, 2018); 另外, 晚二叠世— 早三叠世处于海西运动晚期— 印支运动早期这样一个构造运动的转折时期, 在盆内广泛发育大型不整合面。本研究以准噶尔盆地的西北部为例, 重点分析该时期不整合的发育演化特征及其地质意义。

研究区包括玛湖凹陷及其西部的乌夏断裂带、克百断裂带、中拐凸起, 南部的达巴松凸起、盆1井西凹陷, 东北部的陆梁隆起(包括滴南凸起、石西凸起、三南凹陷、夏盐凸起和三个泉凸起等次级构造单元), 总面积约15 000 km2(图 1)。区内沉积了近万米厚的石炭系— 第四系, 其中二叠系— 三叠系由老到新依次发育佳木河组(P1j)、风城组(P1f)、夏子街组(P2x)、下乌尔禾组(P2w)、上乌尔禾组(P3w)、百口泉组(T1b), 克拉玛依组(T2k), 和白碱滩组(T3b)8套地层(图 1)。本研究所关注的P-T转换期不整合主要位于上二叠统上乌尔禾组(P3w)、下三叠统百口泉组(T1b)与其下伏地层之间, 有些学者将其称为P3w/P2w和T/P不整合, 但值得一提的是, P3w和T1b在一些地方实际上分别不整合于更老的下二叠统和石炭系之上。另外, 区内二叠系— 三叠系这套地层中还发育二叠系底界、中二叠统底界和三叠系顶界(侏罗系底界)3个大型不整合面, 还有内部层组之间的次级不整合面。

3 P-T转换期不整合的识别、类型与结构
3.1 不整合的识别

研究区P-T转换期不整合在地震、测录井和岩心上都有明显的响应特征(图 2)。在地震剖面上, 不整合面上下地层在一些地方具有不协调的接触关系, 尤其是在研究区边缘斜坡区, 通常表现为下伏倾斜地层被削截或上覆地层的超覆(角度不整合); 通过对其进行横向追踪, 可以有效识别地层协调处的不整合面(平行不整合)。此外, 在研究区, 无论是角度不整合还是平行不整合, 其测井曲线往往表现为一突变界面; 录井和岩心资料证实界面上下地层的岩性也通常存在较明显的差异。在少数获取到该界面的岩心上, 可以观察到明显的冲刷面。根据上述鉴别标志, 通过井震结合, 在上乌尔禾组(P3w)底部和百口泉组(T1b)底部识别出了2个大型不整合, 即上二叠统底界不整合和三叠系底界不整合(图 2)。

图 2 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合面的地震与钻井响应特征
a, b— P-T转换期不整合面(T1b与P3w底部)在研究区南、北部地震剖面上的削截特征(剖面位置见图 1); c— P-T转换期不整合面在测录井上的曲线、岩性突变特征; d— P-T转换期不整合面在岩心(玛042井, 3705.8 m)上的侵蚀冲刷、岩性、颜色突变特征Fig.2 Seismic and well responses of unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin

3.2 不整合类型

不整合类型划分方案众多, 考虑到研究区不整合特征及研究目的, 采用牟中海等(2005)提出的基于不整合面上下地层接触关系和不整合面形态特征的分类方案, 将上二叠统底界不整合和三叠系底界不整合划分为4种类型, 包括上超/削蚀型、整一/削蚀型、上超/整一型和整一/整一型(表 1)。

表 1 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的类型(据牟中海等, 2005; 有修改) Table 1 Types of unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin(modified from Mou et al., 2005)

对于上二叠统底界不整合而言, 上超/削蚀型主要发育在研究区西南部的克百断裂带、中拐凸起以及玛湖凹陷和沙湾凹陷的西缘, 表现为上乌尔禾组向西、北超覆于被削蚀的中下二叠统之上; 整一/削蚀型仅分布在中拐凸起隆起高部位, 其特征为上乌尔禾组披覆于被削蚀的中下二叠统之上; 上超/整一型主要位于陆梁隆起以南的中央凹陷东北缘, 表现为上乌尔禾组向东、北超覆于未被明显削蚀的中二叠统下乌尔禾组之上; 整一/整一型则对应于上乌尔禾组与下乌尔禾组平行不整合接触部分, 广泛分布于中央凹陷区(图 3-a)。

图 3 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的平面分布特征
a— 上二叠统底界不整合的平面分布特征; b— 三叠系底界不整合的平面分布特征Fig.3 Distribution of unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin

三叠系底部也发育上述4种类型的不整合, 并具有较明显的分区性(图 3-b)。在研究区南部, 不整合面位于下三叠统与上二叠统之间, 总体为整一/整一型不整合, 仅在克百断裂带、中拐凸起和玛湖凹陷西缘发育上超/整一型不整合, 表现为百口泉组向西、北超覆于未被明显削蚀的上乌尔禾组之上或克拉玛依组直接超覆于石炭系之上。在研究区北部, 乌夏断裂带、玛湖凹陷西北缘和陆梁隆起东北部主要发育上超/削蚀型不整合, 其特征为百口泉组或克拉玛依组向西、北、东超覆于被削蚀的中下二叠统或石炭系之上, 其中陆梁隆起局部区域发育整一/削蚀型不整合, 表现为中二叠统克拉玛依组披覆于被削蚀的下二叠统佳木河组或石炭系之下; 在陆梁隆起西南部和玛湖凹陷东北部, 百口泉组与下乌尔禾组呈平行不整合接触, 为整一/整一型不整合。

3.3 不整合结构

不整合结构是指紧邻不整合面的岩层类型及其组合样式。通常认为完整的不整合结构包括不整合面之上的岩石、不整合面之下的风化黏土层和半风化岩石(风化淋滤带)3部分, 之下则是未风化的原岩(吴孔友等, 2002, 2003; 牟中海等, 2005; 何登发, 2007)。由于风化黏土层与半风化泥岩, 以及同种岩性的半风化岩石与未风化原岩在缺少岩心、分析化验资料的情况下难以准确区分, 而不整合面上下相邻地层的岩性通过测录井资料较易客观判别, 因此本研究主要从岩性组合的角度对不整合结构及其意义进行探讨。

在83口单井测井曲线和岩性录井资料分析的基础上, 共识别出砂/泥、砂/砂(火)、泥/泥、泥/砂(火)4种不整合结构(图 4)。砂/泥不整合结构中不整合面位于砂(砾)岩和泥岩之间。这种不整合结构占比最大, 是上二叠统底界不整合、(尤其是)三叠系底界不整合的主要结构类型。勘探实践证实, 不整合面之上扇三角洲前缘部分的砂(砾)岩物性较好, 是重要的油气储集层, 而不整合面之下的泥岩平面分布稳定且厚度较大, 构成了良好的盖层。砂/砂(火)不整合结构中不整合面之上是砂(砾)岩, 之下为砂(砾)岩或火山岩。这种不整合结构类型占比较少, 并且主要分布于上二叠统底部和三叠系底部的上超/削蚀型不整合发育区(图 3), 以形成油气疏导体为主(何登发, 2007)。泥/泥不整合结构中不整合面上下为具有不同电性特征的泥岩或砂质泥岩。这种结构类型占比最少, 在上二叠统底界和三叠系底界上超/削蚀型不整合发育区分别只有1口井钻遇(图 3), 可提供良好的封堵条件。泥/砂(火)不整合结构中不整合面之上是泥岩或砂质泥岩, 之下则为砂岩或火山岩。这种不整合结构占比较少, 主要分布在上二叠统底界上超/削蚀不整合、整一/削蚀不整合发育区, 其有利储集体位于不整合面之下的砂(砾)岩或火山岩(如石西油田火山岩)中, 不整合面之上的泥质岩则在上倾方向提供良好的封堵条件。

图 4 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的纵向结构特征Fig.4 Vertical structures of unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin

4 P-T转换期不整合的发育演化特征
4.1 不整合的叠加复合

垂向上独立存在的多期不整合在横向上可以进行叠加, 复合或合并为一个不整合。从形态或成因的角度来看, 前者为后者的分支(即分支不整合), 而后者则为前者的叠合(即叠合不整合)。如图 3和图 5所示, 在研究区南部, 上二叠统底界不整合和三叠系底界不整合都有发育, 而在研究区北部则只有三叠系底界不整合存在。值得注意的是, 三叠系底界不整合南北特征不同: 在西南部, 它主要表现为百口泉组与上乌尔禾组之间的平行或微角度不整合接触(T1b/P3w)(整一/整一型不整合和上超/整一型不整合); 而在西北部, 则表现为百口泉组与中、下二叠统各组之间的较高角度不整合接触(T1b/P12)(上超/削蚀型不整合)(图 3)。特别地, 在玛湖凹陷艾参1井附近, 百口泉组底部的不整合面对下伏向北超覆的上乌尔禾组有一定程度的削蚀, 表现为一微角度不整合(T1b/P3w), 它与上二叠统底界不整合(P3w/P12)向北融合为T1b/P12不整合(图 5)。

图 5 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合的叠加复合特征(沿构造走向, 剖面位置见图 1)Fig.5 Superimposed character of unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin(strike section, see Fig.1 for location)

这些特征反映了, P-T转换期形成的2期(分支)不整合在研究区南部被上二叠统分隔而独立存在, 在北部则发生了叠加复合, 在三叠系底部形成了1个叠合不整合(图 3, 图5)。显然, 通常所说的T/P不整合在不同地方有不同的地质内涵: 在南部, 它代表了晚二叠世— 早三叠世之间(T1/P3)构造运动所形成的单一不整合; 而在北部, 它则主要反映了中、晚二叠世之间(P3/P2)和晚二叠世— 早三叠世之间(T1/P3)2期构造运动叠加影响的结果。不同时期不整合在研究区北部的叠加复合, 体现了这一区域不整合继承性发育的构造内涵。除了这2个不整合之间的叠合, 它们与前三叠系其他不整合也存在特色性的叠加组合样式。在研究区西部, 它们对下伏局部或区域性不整合进行削截, 发育了“ 削蚀不整合三角带” ; 而在研究区东部, 它们与下伏不整合一起整体向石炭系顶部超覆, 形成了“ 上超不整合三角带” , 在这个带的局部区域(如石西1井附近, 图 6), 三叠系底部不整合与二叠系底部不整合、中二叠统底部不整合叠加, 构成了一个“ 不整合叠合带” (林畅松, 2006)。

图 6 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合与其他不整合的叠加复合特征(沿构造倾向, 剖面位置见图 1)Fig.6 Superimposed character of unconformities formed before and during to the P-T transition in northwestern Junggar Basin(dip section, see Fig.1 for location)

4.2 不整合的相对级次

对于西北部三叠系底界不整合和上二叠统底界不整合的相对级次, 目前仍存在争议。一些学者认为前者比后者级别更高, 是主要的区域性不整合面, 代表了更重要构造变革期的产物(如李德江等, 2005; 李丕龙等, 2010); 而另一些学者则持完全相反的观点(如唐勇等, 2018; 支东明等, 2018)。本研究根据研究区不整合面上下地层分布样式、不整合面形态特征、不整合面之下地层变形与被侵蚀程度、并结合其他地区的研究成果, 对这一问题进行探讨。

在地层分布样式方面, 上二叠统上乌尔禾组及其上覆三叠系百口泉组、甚至克拉玛依组的残余厚度整体上都表现为向北收敛的尖锥形, 而下伏中二叠统下乌尔禾组则呈一东北— 西南向展布的长条形(图 7)。这一特征反映了在下乌尔禾组沉积后— 上乌尔禾组沉积前盆地古地貌格局已发生了重大变化, 在上乌尔禾组沉积后至百口泉组沉积前的构造运动尽管对这一格局进行了一定调整, 但其总体趋势仍然相似, 具有明显的继承性特征。另外, 在研究区南部, 2期不整合面平面分布范围大致相当, 在剖面上总体近似平行, 但只有上二叠统底界不整合的下伏地层有强烈变形(图 2, 图 5)。这些特征综合说明该区域主要构造变形期发生在下乌尔禾组沉积后至上乌尔禾组沉积前, 因此推断这期构造活动相对于上乌尔禾组沉积后至百口泉组沉积前的构造活动影响更强烈, 所对应的不整合面级次也更高, 是研究区P-T转换期的主要不整合。这一主要不整合在研究区南部位于上乌尔禾底部, 而在北部则位于百口泉组底部。

图 7 准噶尔盆地西北部P-T转换期地层及其上下相邻地层的平面分布特征
a— 下乌尔禾组(P2w)视厚度图; b— P-T转换期上乌尔禾组(P3w)视厚度图; c— P-T转换期百口泉组(T1b)视厚度图; d— 克拉玛依组(T2k)视厚度图Fig.7 Isopach maps for stratigraphic units formed during, before and after the P-T transition in northwestern Junggar Basin

上述认识也得到了其他地方研究成果的间接佐证。在准南地区野外露头上, 上二叠统泉子街组和中二叠统红雁池组呈明显角度不整合接触, 且沉积环境发生了突变(王家林等, 2016); 而上二叠统与三叠系之间则表现为整合接触(Wartes et al., 2002; Carroll and Wartes, 2003)。同样地, 在准南和准东地区地震剖面上, 上二叠统与中下二叠统之间呈角度不整合接触, 而三叠系与上二叠统则为整合或平行不整合接触(郑孟林等, 2019)。这些特征指示, 与西北部玛湖地区相似, 准南和准东地区中— 晚二叠世期间发生过比晚二叠世— 早三叠世期间更为强烈的构造活动, 形成了级次更高的不整合。

4.3 不整合的时间属性

不整合的时间属性主要包括不整合发育时限和不整合代表的地层间断时限2方面。前者指的是不整合从开始形成到最后接受沉积被掩埋的时间; 而后者指的是由于不整合发育造成的地层缺失时间, 它包括不整合发育过程中, 同时期地层无沉积而形成的“ 沉积间断” , 以及不整合对之前地层侵蚀可能造成的“ 剥蚀缺失” (Grabau, 1906; Wheeler, 1964; Qayyum et al., 2017)。

尽管P-T转换期主要不整合开始形成的时间大体相近, 但在不同地方其发育时限却明显不同。例如, 在西南部上二叠统上乌尔禾组一段发育区, 下伏上二叠统底界不整合在该套地层开始沉积时其发展便已终结, 但东北部却仍处于暴露未接受沉积或剥蚀状态, 这种状态在东部继承性古隆起区甚至可一直持续到下三叠统百口泉组三段开始形成时(图 7, 图 8)。这种差异性总体表现为不整合发育时限具有沿地层上超、不整合叠合方向增加的趋势, 反映了两者之间的内在联系。不整合代表的地层间断时限可分为以剥蚀缺失为主和以沉积间断为主这2种基本情况。对于前者, 缺失地层记录所对应的时间通常沿着下伏倾斜地层变老的方向增加, 主要反映了地层掀斜变形后削顶造成的结果(如图 8中削蚀不整合三角带)。显然, 这种情况下不整合所代表的地层间断时限与不整合发育时限之间并无直接关系。值得注意的是, 两者在空间上的变化方向可局部一致, 但是总体变化步调和幅度差别较大(Blackwelder, 1909)。而对于以沉积间断为主的情况, 不整合代表的地层间断时限与不整合发育时限类似, 都具有向地层上超、不整合叠合方向增加的趋势, 两者空间变化特征一般具有很好的耦合关系, 如研究区东部继承性古隆起发育区(图 8中不整合上超三角带), 地层缺失时间与隆起未接受沉积时间(即不整合发育时限)大体一致。

图 8 准噶尔盆地西北部P-T转换期(叠合)不整合所对应地层间断的分布特征
a— 玛湖凹陷二叠系— 三叠系Wheeler时间地层图解(沿构造倾向), 西部以剥蚀缺失为主, 其代表的时间沿着下伏被削蚀地层变老的方向增加, 而东部以无沉积为主, 其对应的时间向上覆地层超覆、不整合叠合方向增加; b— 与a所对应的地震解释剖面(原始地震剖面见图 6)Fig.8 Distribution of stratigraphic hiatus relating to unconformities formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin

4.4 不整合的形成演化过程

不整合是重要的地层间断面, 分析其形成演化过程, 有助于揭示地层缺失的成因机制, 加深对盆地时空演化的理解和认识。如上所述, 在P-T转换期发育2期不整合, 它们分别位于上乌尔禾组和百口泉组与下伏地层之间。显然, 2期不整合的发育过程与这2套地层的形成演化关系密切。上乌尔禾组具有向盆缘不断扩展的地层尖灭线、向北收敛变薄的厚度分布特征(图 7)、水进型垂向沉积序列(图 9)、以及退覆叠置型粗粒扇体(唐勇等, 2018)等, 指示其沉积前的早期不整合面形成了向盆内倾斜的斜坡, 后期被上乌尔禾组超覆。根据上乌尔禾组三段剥蚀线和石炭— 二叠纪继承性古隆起(图 6, 图 7, 图 9)等特征可知, 上乌尔禾组在北部大范围缺失一方面反映了地层沉积后被晚期(T1/P3)不整合侵蚀而造成的无沉积记录, 另一方面也体现了早期(P3/P2)不整合在南部发育区接受沉积时, 北部仍经历沉积间断的差异性演化过程。百口泉组具有与上乌尔禾组相似的地层厚度变化趋势、垂向沉积序列和扇体叠置样式, 表明晚期不整合在北部对上乌尔禾组完成削蚀后, 同样形成了向盆内倾斜的斜坡, 后期被上覆百口泉组超覆。

图 9 准噶尔盆地西北部P-T转换期不整合面相邻地层联井对比图(剖面位置见图 1)Fig.9 Well correlation panal through unconformities and adjoining stratigraphy formed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin(see Fig.1 for location)

根据上述分析结果, 研究区P-T转换期不整合的形成演化过程可以归纳为以下4个主要演化阶段。第1阶段为上乌尔禾组沉积前, 受到来自西北和东北方向构造应力的影响, 前上乌尔禾组被掀斜并遭受强烈剥蚀, 形成了整体向南倾斜、向北收敛的早期不整合面。第2阶段为上乌尔禾组沉积期, 早期不整合面被上乌尔禾组一段、二段和三段向北、西和东逐次超覆。在研究区南部, 不整合面之上广泛发育上乌尔禾组一段、二段上超穿时底砾岩; 在研究区北部, 除了部分地区接受上乌尔禾组三段细粒沉积外, 主要为沉积间断区或剥蚀区。第3阶段为上乌尔禾组沉积后至百口泉组沉积前, 研究区再次受到来自西北和东北方向构造应力的影响, 形成了整体南倾的晚期不整合面, 并造成了北部地区上乌尔禾组的剥蚀与叠合不整合的形成。第4阶段为百口泉组沉积期, 南部的晚期不整合面与北部的叠合不整合面被百口泉组各段向北、西和东超覆, 并在研究区内广泛发育百口泉组一段、二段上超穿时底砾岩。值得注意的是, 尽管百口泉组一段、二段与上乌尔禾组一段、二段厚度相似, 但前者的超覆范围要远大于后者, 说明晚期不整合面相对早期不整合面整体坡度更缓。

5 讨论:P-T转换期不整合的地质意义
5.1 对盆地演化的启示

众所周知, 地层不整合是盆地演化过程中的重要产物; 1次构造运动(或海/湖平面变化)可以形成1个不整合面, 并造成某些地层的缺失。然而, 对于某一不整合面而言, 反推其相关盆地演化过程往往存在一定不确定性。例如, 与不整合面相关的构造运动可以发生在缺失地层形成前、形成后或部分地层形成后(即缺失地层分别代表了沉积间断、剥蚀缺失和两者兼而有之的情况)(图 10; Aubry, 1991; Miall, 2016)。另外, 1个不整合面可能是1次或多次构造运动的结果(即分别对应单一不整合和叠合不整合发育的情况)。对于叠合不整合, 究竟主要受哪期构造运动的影响也是常常存疑的地方。本研究对于约束不整合在盆地演化解释方面的不确定性, 具有一定借鉴意义。

图 10 不整合面形成时间与期次多解性示意图(据Aubry, 1991; Miall, 2016; 有修改)Fig.10 Cartoon illustrating uncertainties concerning timing and episodes of unconfromities(modified from Aubry, 1991; Miall, 2016)

准噶尔盆地三叠系底界不整合通常被简单解释为上二叠统上乌尔禾组沉积后、下三叠统百口泉组形成前的不整合面。文中通过对不整合面的叠加复合特征进行分析, 发现该不整合面在不同地方有不同的构造内涵。在研究区北部, 它是个叠合不整合, 代表了中、晚二叠世之间(P3/P2)和晚二叠— 早三叠世之间(T1/P3)2期构造运动的结果; 而在南部, 它是个单一不整合, 反映的只是T1/P3期构造运动的影响。不整合的相对级次分析表明P3/P2期不整合构成了准噶尔盆地P-T转换期的主要不整合, 指示这期区域性构造运动初步奠定了从晚二叠世到早三叠世的盆地总体格局。任纪舜等(2016)认为海西运动结束的时间在中、晚二叠世之间(约260 Ma); 而李丕龙等(2010)则认为该运动在准噶尔盆地结束的时间更早, 应在早、中二叠世之间。本研究结果支持任纪舜等(2016)的观点, 指示海西运动晚期(约260 Ma)构造活动造成了准噶尔盆周缘大范围隆升, 形成了P3/P2期主要不整合。相比较而言, 晚二叠世— 早三叠世之间的印支运动影响较小, 形成了T1/P3期次要不整合面。另外值得注意的是, 与叠合不整合对应的分支不整合及相关地层表明, 叠合不整合代表的地层间断时限内除了有构造作用造成的2期隆升, 还有隆升后的2期湖进。

上述分析表明, 在不整合面上下地层分布趋势、不整合面形态特征、不整合之下地层变形与被侵蚀程度、以及区域性研究成果等综合分析的基础上, 识别叠合不整合及其分支不整合, 明确不整合的相对级次与发育过程, 是解释相关盆地演化过程的关键。

5.2 对地层结构的启示

长久以来, 受到地层叠覆律、侧向连续律、原始水平律等地质学定律影响, 一些地质工作者常用“ 千层糕” (layer cake)式平板状结构来描述和解释地层。然而, 随着地震地层研究的深入, 不同地层终止方式和叠置样式被广泛识别, 这种观点受到了越来越多的质疑和挑战。一方面, 很多地层并非具有平板状外形(如斜积体); 另一方面, 在大尺度上具有这种外形特征的地层, 其小尺度内部结构也通常较为复杂。文中三叠系百口泉组底部叠合不整合由北向南分叉, 转变为2个分支不整合及其夹持的地层(上二叠统上乌尔禾组), 在剖面上整体表现为一楔形体结构(图 11)。

图 11 准噶尔盆地西北部与P-T转换期不整合面相关的地层结构与地层圈闭示意Fig.11 Sketch showing stratigraphic architecture and traps relating to unconformites fromed during the P-T transition in northwestern Junggar Basin

同样地, 上乌尔禾组内部各段也具有相似的剖面结构特征。尽管类似的楔形特征往往需要进行垂向拉伸或放大才能被观察到, 但是它们客观存在(Romans, 2013)。正如Blackwelder(1909)所言, 地质记录应该被看作是由不整合面(或其他间断面)和岩石按不同比例组成的楔形体, 有的地方以前者为主(如夏盐、石西和中拐等凸起区), 而另一些地方后者占比更高(如玛湖凹陷区)。“ 楔形体” 观点实际上是从时间角度强调了界面和岩石之间的横向对应关系, 对地层对比具有现实指导意义。

与地层结构相关的另一个重要问题是通过界面划分地层序列(层序)。经典层序地层学强调以不整合面及其对应的整合面来划分沉积层序, 建立等时地层格架(Catuneanu, 2006; 及其参考文献)。与此相似, 叠合不整合面及其对应的主要不整合面常可用来划分构造层序, 建立相应的大尺度等时格架。如上文所述, 在研究区北部, 三叠系底部叠合不整合代表了1个区域性不整合面, 其主要分支不整合在研究区南部位于上乌尔禾组底部, 这2个不整合面构成了1个将上覆新构造层和下伏老构造层分开的“ 时间屏障” (“ time barrier” ; Mitchum et al., 1977; Haq et al., 1987; Posamentier et al., 1988; Embry et al., 2007)。因此, 上乌尔禾组和百口泉组应归属同一构造层序(唐勇等, 2018; 支东明等, 2018; 郑孟林等, 2019), 代表了该层序早期演化阶段的产物。基于这一认识, 以及2套地层之间的相似性, 推测两者形成时可能具有相似的盆地背景, 如构造古地理、源汇系统等。因此, 百口泉组的丰富研究成果可能可以为目前研究程度较低、钻井资料较少的上乌尔禾组提供重要借鉴。

5.3 油气勘探意义

P-T转换期不整合的垂向结构、剖面形态、叠加复合和时间属性等方面的特征决定了它具有的独特性和油气勘探意义。砂/泥不整合结构、砂/砂(火)不整合结构和泥/砂(火)不整合结构中紧邻不整合面分布的砂(砾)岩或火山岩既可以形成良好的储集体, 又可以为油气长距离运移提供有效通道(吴孔友等, 2002; 何登发, 2007)。从不整合发育时限的来看, 不整合面之下的砂(砾)岩或火山岩在研究区东北部(叠合不整合发育区)总体上经历了比西南部更长时间的风化淋滤, 因此推测其整体的孔渗性改造程度也相应更高。此外, 不整合面在东北部叠加复合可提升油气运移效率和聚集强度, 在该区大规模远源油气藏(如石西油田)形成中可能起到了非常重要的作用。砂/泥不整合结构、泥/泥不整合结构和泥/砂(火)不整合结构中的泥岩可为不整合面附近油气聚集提供有利的封堵条件; 另外值得一提的是, 上乌尔禾组三段和百口泉组三段, 以及上三叠统白碱滩组分别沉积了数十米厚和数百米厚泥岩, 形成了极其重要的局部性和区域性盖层。其中, 上乌尔禾组三段泥岩广泛分布在研究区南部三叠系底界不整合之下, 对南部大油区上乌尔禾组油气起到了良好的封堵作用, 这可能是上乌尔禾组有重大发现的区域, 而百口泉组没有相应重大发现的主要原因。勘探成果表明, 只有在该段泥岩缺失或油源大断裂(如玛湖1井附近的大侏罗沟断裂, 见匡立春等, 2014; 唐勇等, 2018; 支东明等, 2018)发育的区域, 百口泉组才有大的发现。

除了有利的储盖组合和油气运移条件, 在研究区广泛发育与不整合面相关的、类型众多的圈闭。P-T转换期主要不整合面在研究区西缘削蚀下伏二叠系倾斜地层, 在上倾方向可被不整合面之下和/或之上的泥岩所遮挡, 形成中、下二叠统地层削截型圈闭(如玛北油田乌尔禾组油藏圈闭类型, 吴孔友等, 2002)(图 5, 图11)。在南部, 该不整合面被上乌尔禾组超覆, 而在北部则被百口泉组超覆, 形成了地层超覆型圈闭(图 11), 代表了南部上乌尔禾组大油区和北部百口泉组大油区的重要圈闭类型。另外, 上乌尔禾组一段、二段砂(砾)岩体的分布在一定程度上受到了其底部不整合面沟槽地貌的控制, 可发育相应的岩性圈闭。这些地层岩性圈闭在区内凸起发育区(如玛湖1井区、中拐凸起和达巴松凸起等区域)还可以与低幅背斜一起构成构造— 岩性地层复合圈闭。此外, 与P-T转换期不整合间接相关的另一类圈闭是东部陆梁隆起石炭系火山岩潜山圈闭, 两者尽管没有直接的成因联系, 但是前者可作为油气运载层, 向这些圈闭中输送油气, 形成重要的潜山油气藏。总之, P-T转换期不整合面不仅可以提供有效的油气运移通道, 与其相关的圈闭类型多样、分布广泛, 储盖组合良好, 对大面积、大规模油气成藏具有重要意义。

6 未来研究展望

文中关于P-T转换期不整合的发育演化特征及地质意义分析旨在抛砖引玉, 以期引起同行对相关问题进行更加深入和广泛的探索。目前, 对于准噶尔盆地(及其他一些沉积盆地)的不整合研究多是从其垂向结构、形态分类及其平面分布等角度展开, 而对于不同时期不整合的叠加复合与时空演化则分析得相对较少(林畅松, 2006, 2009; 何登发, 2018)。关于这方面的工作, 本研究只是涉及了准噶尔盆地西北部中— 晚二叠世至早三叠世之间的不整合, 具有一定局限性。未来将这部分工作扩展到盆地不同区域、不同时期的不整合研究, 将对于理解盆地时空演化特征、指导岩性地层油气藏勘探应具有十分重要的意义。

另外, 如何将不整合研究与“ 源-汇系统” (Source to Sink, S2S)分析相结合, 可能是未来研究的一个重要科学命题。一方面, 目前源-汇系统研究主要关注的是从盆外物源区(源)到盆内沉积区(汇)的传统源-汇系统, 而对于盆内地层被剥蚀形成不整合面、并为后期沉积提供盆内物源的特殊源-汇系统探讨较少。研究区P-T转换期不整合面对下伏二叠系倾斜地层大规模剥蚀, 为上覆上乌尔禾组和百口泉组沉积提供了重要的盆内物源(图 2, 图6), 因此是开展这种“ 汇” 中有“ 源” 特殊源-汇系统研究的理想“ 实验室” 。另一方面, 对不整合面上下地层的源-汇系统进行对比性分析, 可深化对不整合及盆地演化过程的理解。例如, 开展锆石定年方面的源-汇系统工作, 不仅可以为不整合时限解释提供年代学约束, 对于不整合面成因以及盆地隆升— 埋藏变化等也可提供重要启示(Liu et al., 2017)。

7 结论

准噶尔盆地西北部P-T转换期发育P3/P2和T1/P3 2期不整合, 分别代表这一时期的主要与次要不整合, 它们在研究区北部发生叠加复合, 构成了三叠系百口泉组底部的叠合不整合, 而在南部则被上二叠统上乌尔禾组所分隔、作为2个分支不整合而独立存在。转换期不整合面经历了4个主要演化阶段, 包括前上乌尔禾组构造变形后主要不整合的形成阶段, 主要不整合被上乌尔禾组部分超覆阶段, 次要不整合在北部对上乌尔禾组进行剥蚀、并与主要不整合融合形成叠合不整合阶段, 以及叠合不整合和次要(分支)不整合被百口泉组超覆阶段。

研究结果表明准噶尔盆地在P-T转换期经历了晚海西期和早印支期的构造变形, 前者影响更大, 奠定了从晚二叠世到早三叠世的盆地总体格局; 2期构造变形形成的主要与次要不整合, 及之后湖进期形成的超覆地层指示地层记录具有“ 楔状体” 而非“ 千层糕” 式结构特征, 同时表明研究区上三叠统与下三叠统同属一个构造层序。P-T转换期不整合面可提供油气长距离运移的有效通道, 其上下发育多种类型圈闭, 且储盖组合良好, 因此具有重要的油气勘探意义。不整合面研究应更加注重其叠加复合特征与时空演化规律分析, 以及与源-汇系统研究的结合。

致谢: 感谢审稿专家提出了具有建设性的意见和建议, 使文章的用语和表达更加清楚准确, 逻辑和论证更加清晰缜密, 文章的整体可读性得到了较大提升。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 陈吉涛)

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