王柯, 周勇, 王剑, 高崇龙, 刘明, 任影. (2024). 准南西段清水河组底部砂砾岩体成因机制及发育模式* [J]. 古地理学报, 26(3): 600-619.
WANG Ke, ZHOU Yong, WANG Jian, GAO Chonglong, LIU Ming, REN Ying. (2024). Genesis and development model of glutenite body at the bottom of Qingshuihe Formation, western section of southern Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(3): 600-619.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.02.013
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准南西段清水河组底部砂砾岩体成因机制及发育模式*
王柯1,2, 周勇1,2, 王剑3, 高崇龙4, 刘明3, 任影4
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
3 中国石油新疆油田分公司实验检测研究院,新疆克拉玛依 834000
4 中国石油大学(北京)克拉玛依校区石油学院,新疆克拉玛依 834000
通讯作者简介 周勇,男,1984年生,副教授,博士生导师,从事储集层地质学、沉积学及层序地层学方面的研究。E-mail: zhouyong@cup.edu.cn。

第一作者简介 王柯,男,1996年生,博士研究生,从事层序地层学及沉积学方面的研究。E-mail: wangke253@163.com。

收稿日期:2022-12-27 修回日期:2023-06-05
基金资助:*国家自然科学基金面上项目(编号: 42072115)、黑龙江省博士后基金(编号: LBH-Z20045)和新疆维吾尔自治区自然科学基金(编号: 2022D01B141, 2022D01B145)联合资助
摘要

准南清水河组底部砂砾岩段油气勘探获重大突破,但砂砾岩的沉积特征、成因机制和发育控制因素仍不明确,成为制约下一步油气勘探的关键。以准南西段清水河组下段砂砾岩体为研究对象,运用沉积学理论,结合测井、录井、岩心、野外露头及实验分析数据,对砂砾岩体的岩相、岩相组合及沉积展布进行分析,并探讨砂砾岩体沉积发育的主控因素及成因机制。研究表明,准南西段清水河组低位及湖侵域识别出6种岩相及6种岩相组合类型。不同部位砂砾岩成因类型不同,西段南部高泉地区清水河组低位及湖侵域以冲积扇—扇三角洲沉积体系为主,北部卡因迪克地区以辫状河三角洲沉积为主。清水河组沉积期准南西段砂砾岩沉积受源区母岩性质、供源强度及古气候影响,其中,物源区母岩性质及供源强度控制砂砾岩体的沉积类型及规模,古气候影响母岩区风化剥蚀程度及沉积搬运环境。结合控制因素和沉积特征建立准南西段清水河组低位及湖侵域的南部冲积扇—扇三角洲及北部辫状河三角洲前缘的沉积发育模式,可为砂砾岩体的成因判别以及类似盆地的油气勘探提供地质依据。

关键词: 准南西段; 清水河组; 砂砾岩体; 成因机制; 发育模式
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)03-0600-20
Genesis and development model of glutenite body at the bottom of Qingshuihe Formation, western section of southern Junggar Basin
WANG Ke1,2, ZHOU Yong1,2, WANG Jian3, GAO Chonglong4, LIU Ming3, REN Ying4
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 Research Institute of Experiment and Detection,Xinjiang Oilfield Company,PetroChina,Xinjiang Karamay 834000,China
4 Faculty of Petroleum,China University of Petroleum(Beijing)at Karamay,Xinjiang Karamay 834000,China
About the corresponding author ZHOU Yong,born in 1984,is an associate professor and doctoral supervisor. He is mainly engaged in research on reservoir geology,sedimentology and sequence stratigraphy. E-mail: zhouyong@cup.edu.cn.

About the first author WANG Ke,born in 1996,is a Ph.D candidate at the China University of Petroleum(Bejjing). He is mainly engaged in sequence stratigraphy and sedimentology. E-mail: wangke253@163.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.42072115)、Postdoctoral Foundation of Heilongjiang Province(No. LBH-Z20045) and Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region(Nos.2022D01B141, 2022D01B145)
Abstract

Despite significant breakthroughs in oil and gas exploration in the glutenite section of the Qingshuihe Formation in the southern Junggar Basin,the sedimentary characteristics,genetic mechanism and controlling factors of the glutenite remain unclear,which has become a key restricting factor for hydrocarbon exploration. As such,we investigated the lower Qingshuihe Formation glutenite body in the western section of the southern Junggar Basin based on wireline logs,cores,outcrops and experimental data,with a focus on the lithofacies,lithofacies assemblage and distribution of the glutenite body,as well as their main controlling factors and genetic mechanism. Six types of lithofacies and lithofacies assemblages and genetically different glutenites are identified in the lowstand and transgression systems tracts of the Qingshuihe Formation in the western section of the southern Junggar Basin. The lowstand and transgression systems tracts of the Qingshuihe Formation in the southern Gaoquan area of the western section are dominated by alluvial fan and fan delta depositional systems,and braided river delta depositional system predominates the northern Caindic area. During the depositional period of the Qingshuihe Formation,glutenite sedimentation in the south western section of the Junggar Basin was affected by the nature of the parent rock in the provenance area,sediment supply and paleoclimate. Among them,nature of the parent rock in the provenance area and sediment supply control the sedimentary type and scale of the glutenite body. While paleoclimate affects the weathering and denudation degrees of the parent rock area and the sedimentary transport environment. Based on the controlling factors and sedimentary characteristics,a sedimentary model for the southern alluvial fan-fan delta and the northern braided river delta front of the Qingshuihe Formation lowstand and transgression systems tract in the western section of the southern Junggar Basin has been established,which can provide a geological basis to aid discrimination between different glutenite bodies and hydrocarbon exploration in similar settings.

Key words: western section of southern Junggar Basin; Qingshuihe Formation; glutenite body; genetic mechanism; development mode

砂砾岩储集层为全球油气勘探的重要领域之一, 其以非均质性显著为主要特征, 储集层特征一直是研究的热点与难点(靳军等, 2017; 陈思芮, 2020), 且国际上对于砂砾岩体的成因机制及控制因素研究逐渐重视, 其中, 物源性质、 构造活动及气候对砂砾岩体的发育具有较大影响。源区基岩的岩性被认为是造成沉积规模和沉积相的关键因素, 可直接影响沉积过程(Blair, 1999a; Levson and Rutter, 2000; De Haas et al., 2016), 构造运动影响上游流域的风化作用、地形起伏, 控制着下游砂砾岩体的位置、环境和总体几何形状, 被认为是粗粒沉积序列变化的主要控制因素(Harvey, 2004), 而影响砂砾岩体发育的3个相互关联的气候变量是降水、温度和植被, 年平均降雨量会影响地表植被发育、流域水分渗入能力等。单个降水事件的强度和频率对于洪水的发生尤为重要, 高强度的雷暴事件在干旱气候中强烈影响着砂砾岩体的发育(Caine, 1980; Hooke, 2000; Ben et al., 2004)。

中国中、新生代含油气盆地中各种砂砾岩储集层十分发育, 在陆相油气勘探中具有巨大潜力。准噶尔盆地玛湖凹陷10×108 t级砂砾岩油藏的发现, 推动准噶尔盆地二叠系与三叠系砂砾岩储集层的整体研究(支东明等, 2016; 于兴河等, 2018; 胡潇等, 2020)。继玛湖凹陷三叠系百口泉组砂砾岩储集层后, 沙湾凹陷、东道海子凹陷及阜康凹陷二叠系上乌尔禾组砂砾岩储集层再获油气突破, 进一步证实砂砾岩油藏具有巨大的勘探潜力(杜金虎等, 2019; 赵文智等, 2019; 关新等, 2021)。

2019年位于新疆维吾尔自治区乌苏市境内的高探1井清水河组底部砂砾岩段获油气勘探重大突破, 油气显示较好层厚达40 m, 日产油1213 m3、日产气32.17×104 m3, 开启了准南前陆冲断带大型油气富集区勘探新里程, 掀起对砂砾岩储集层的勘探开发热潮(杜金虎等, 2019; 何海清等, 2019)。关于准南清水河组底部砂砾岩段前人已开展相关研究, 但由于钻井资料较少、地震证据存在多解性, 因此对底部砂砾岩段的认识也较不统一。21世纪初, 有学者研究认为准噶尔盆地白垩系底砾岩主要分布于盆地边缘及中央低凸起周围, 是一套形成于邻近高地附近的剥蚀产物或冲积产物(方世虎等, 2006), 进一步研究发现, 清水河组自下而上依次发育冲积扇相—湖相沉积, 在半深湖相中发育少量浊积岩(唐湘飞等, 2018)。另有学者提出, 准南西段早白垩世早期, 在湖浪的充分改造下, 发育湖水改造型冲积扇, 或为近源扇三角洲沉积物(关旭同等, 2020; 司学强等, 2020; 高志勇等, 2022; 汪孝敬等, 2022), 但整体而言, 上述研究多是基于野外地质考察进行, 缺乏钻井取心资料的论证, 且由于部分露头出露不完整, 对其岩相识别、沉积特征等研究相对薄弱, 仍存在砂砾岩体的沉积展布不清、成因机制不明等不足。因此, 针对上述问题, 本次研究充分利用钻测井资料、岩心资料及野外露头证据, 利用沉积学研究方法, 结合区域沉积背景, 进一步明确早白垩世准南西段岩相类型及组合特征, 探讨砂砾岩体沉积发育的成因机制, 从而建立准南西段的沉积模式, 以期为砂砾岩体的成因机制研究提供参考, 也为准南深层油气勘探开发提供地质依据。

1 区域地质背景

准噶尔盆地是在双重基底基础上发展起来的晚古生代、中生代及新生代大型挤压复合叠加盆地。准噶尔盆地南缘位于北天山山前冲断带, 总面积近 2×104 km2, 主要构造格局表现为“东西分段、南北分带”(图 1-a)(庞志超等, 2020; 朱明等, 2020)。准南西段指红车断裂以西的区域, 南邻伊林黑比尔根山(北天山山系), 北接车排子凸起, 主要包括四棵树凹陷和齐古断褶带西部, 西北部为扎伊尔山构造体系, 其控制凹陷中新生界沉积充填(管树巍等, 2013: 梁则亮等, 2020)。准南西段经历了中生代压扭走滑和新生代挤压2期构造演化, 并形成了艾卡构造带和高泉构造带2个主要构造单元(图 1-a, 1-b)。

图 1 准南西段构造图及清水河组层序
a—准噶尔盆地区域构造特征; b—准南西段区域构造图; c—准南下组合地层特征; d—准南白垩系清水河组层序划分(以GHW001井为例)Fig.1 Structural map of western section of southern Junggar Basin and sequence of the Qingshuihe Formation

晚侏罗世—早白垩世受拉萨地块与欧亚板块沿班公—怒江缝合带碰撞影响, 准噶尔盆地周缘山系构造活动强烈, 形成了白垩系与侏罗系之间的角度不整合, 准南下白垩统清水河组下段发育灰绿色砂砾岩段, 其上覆厚层泥岩段为区域盖层段。本次研究目的层段清水河组发育了完整的三级层序, 从下向上发育低位、湖侵及高位体系域, 而底部砂砾岩段主要发育在清水河组低位及湖侵体系域(饶政等, 2008; 高崇龙等, 2015)(图 1-c, 1-d)。

2 沉积特征及展布

岩石是沉积环境最直观也是最原始的物质记录, 在不同的沉积搬运介质条件下形成的岩相在岩性、结构、构造及构型形态上均会出现较大差异(于兴河等, 1992; 张志杰等, 2009; 高崇龙等, 2020a)。整体上, 准南西段清水河组下段自北天山山前向盆地内部各部位均以砂砾级碎屑沉积为主, 缺乏细粒沉积, 岩石结构成熟度和成分成熟度均较低。具体而言, 准南西段清水河组可划分出6种岩相类型(图 2), 其中砾岩相较多, 这6种典型岩相又可划分不同组合对应清水河组低位及湖侵域发育的沉积微相。

图 2 准南西段清水河组砂砾岩体典型岩相划分Fig.2 Typical lithofacies division of the Qingshuihe Formation gravel body in western section of southern Junggar Basin

2.1 典型岩相分类

Gms块状砂质支撑漂浮砾岩相(图 2)。块状构造, 无明显层理, 多级砾岩发育, 具有最粗粒度和最差分选性的特点, 且以砂质支撑为主, 砾石漂浮于砂岩之内, 砾石与砾石少有接触。在砂砾岩露头剖面或现代沉积剖面中, 常观察到河道底部发育, 有时在大型交错层理砂砾岩段内的下部也能观察到此类岩相。在准南野外剖面中常见于冲积沉积体系的水下分流河道底部及非限制性河道化沉积中。

Gcs 同级颗粒支撑砾岩相(图 2)。块状构造, 存在中、细砾岩, 此类岩相常具有斜层理, 具有砾岩相中最好的分选性, 为水动力相对稳定的沉积产物, 垂向上叠覆发育, 层理面不发育, 底部可见突变面, 常见于扇中辫状水道、片流带、水下分流河道等沉积微相, 而在准南西段清水河组多见于卡因迪克井区。

Gcm多级颗粒支撑砂砾岩相(图 2)。多出现于中砾岩、细砾岩之中, 也可见大砾石, 分选较差—中等, 常有侵蚀面。多为牵引流成因, 是水动力不断变化的沉积产物, 可分布于分流河道内, 也可分布于冲积扇扇中上部的非限制性河道内。

Gt粒序层理砂砾岩相(图 2)。该岩相特征是砂质含量较多, 这类岩相是砾岩相与含砾砂岩相的过渡类型, 多为小粒级中砾岩、细砾岩, 整体上呈多期正粒序沉积。成层性较好, 垂向上频繁叠覆, 层理面清晰, 局部可见不典型交错层理, 多出现于暴洪期宽缓扇面上的片流带内或是洪水末期的河道内。

Ss粒序、交错层理砂岩相(图 2)。砂岩相主要发育粒序、斜层理、波纹层理等, 部分夹少量滑塌时搅混的泥砾或砾。砂岩相在扇三角洲近物源端的比例小, 厚度薄, 常遭受后期冲刷而不被保存; 而在远离物源的扇三角洲前缘比例较大, 单层厚度也较大。正粒序层理砂岩相与斜层理(含砾)砂岩相主要出现于扇三角洲前缘水下分流河道中, 少量出现于冲积扇或扇三角洲平原辫状河道中, 是单期河道晚期沉积产物; 反粒序层理砂岩相与波纹层理(泥质)粉细砂岩相常出现于扇三角洲前缘远端的河口坝或席状砂中。

Md块状粉砂岩、泥岩相(图 2)。该岩相总体以细粒碎屑沉积为主, 但同时还可含有一定量的砾级组分。发育波状层理、平行层理、小型交错层理等, 但少部分该岩相粉砂岩由于层理构造不明显而呈块状, 其常形成于典型的牵引流流体环境, 但水动力条件相对较弱, 属缓流条件, 在准南西段清水河组发育于扇三角洲前缘的远端席状砂或远沙坝, 及滨浅湖滩坝、泥等较为常见。

2.2 沉积微相特征

岩相类型反映了单一沉积作用或沉积过程, 而岩相垂向组合序列体现了某沉积环境的垂向组合特征(于兴河等, 2014; 高崇龙等, 2020b), 且每一种岩相组合类型或沉积序列通常是一次沉积事件的产物, 即一个事件层。在野外照片上及测井资料中识别出准南西段南北两侧清水河组典型岩相组合类型(图 3), 再结合岩电特征分析(图 4), 可识别出准南西段清水河组低位及湖侵域主要沉积微相类型(图 5)。

图 3 准南西段清水河组低位及湖侵域部分野外岩相组合特征
a—托斯台剖面, 扇中辫状河道砂砾岩; b—四棵树剖面, 扇中片流带; c—阿尔钦沟剖面, 细砂岩, 小型交错层理, 席状砂; d—四棵树剖面, 褐红色粉细砂岩, 湖侵域滩坝砂体, 波痕发育Fig.3 Field lithofacies combination characteristics of lowstand and lacustrine transgressive domain of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

图 4 准南西段清水河组低位及湖侵域沉积相类型岩电特征
a—托6井; b—GHW001井; c—卡003井; d—卡北1井; e—卡6井; f—卡东1井Fig.4 Lithoelectric characteristics of sedimentary facies types of the Qingshuihe Formation lowstand and lacustrine transgression area in western section of southern Junggar Basin

图 5 准南西段清水河组低位及湖侵域岩相组合类型Fig.5 Lithofacies assemblage types of lowstand and lacustrine transgressive domain of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

2.2.1 岩相组合类型划分

类型一(Gms+Gcs+Gcm)为块状砂质支撑漂浮砾岩相(Gms)、同级颗粒支撑砾岩相(Gcs)和多级颗粒支撑砂砾岩相(Gcm)在垂向上组成的岩相组合, 一般可对应扇中辫状水道。其中, 扇中辫状水道具有粒度粗分选差和成层性不好的特点, 其多由次棱角状—次圆状砾石组成, 大砾石较为常见(图 3-a)。砾石之间充填一些小的细砾, 底部可见冲刷—充填构造, 测井曲线呈箱型(图 4-a), 发育岩相序列组合见图 5-a。

类型二(Gms+Gcm+Gt)为块状砂质支撑漂浮砾岩相(Gms)和杂乱无序多级颗粒支撑砂砾岩相(Gcm)及粒序层理砂砾岩相(Gt)在垂向上组成的岩相组合(图 5-b), 一般对应片流带, 由相对较粗和较细砂砾构成, 成层性较好, 砂砾岩层垂向上频繁叠覆, 各细层间层理面不明显, 颗粒支撑。多发育在冲积扇扇中下部, 干旱气候条件下受阵发性洪水影响, 呈席状展布, 且向下游具有强烈侵蚀作用, 沉积规模较大。

类型三(Gcs+Gcm)为同级颗粒支撑砾岩相(Gcs)和多级颗粒支撑砂砾岩相(Gcm)在垂向上组成的岩相组合, 一般可对应辫状河三角洲前缘水下分流河道, 为陆上辫状河道在水下的延伸, 向前变浅, 直至消失, 沉积物以粗粒为主, 主要是(砂)砾岩, 连续沉积厚度较水下冲积扇沉积小, 冲刷期次多。且与陆上部分相比分选磨圆要好, 会出现板状、槽状、楔状交错层理以及平行层理等沉积构造, 多为正粒序。有时在砂体底部见凹凸不平的冲刷面、负载构造, 测井曲线呈箱型或钟型(图 4-b, 4-c), 发育岩相序列组合见图 5-c。

类型四(Gcs+Gms)为同级颗粒支撑砾岩相(Gcs)和块状砂质支撑漂浮砾岩相(Gms)在垂向上组成的岩相组合, 一般对应扇三角洲水下分流河道, 水下分流河道砂砾岩底部可见冲刷现象, 垂向上呈明显的正粒序(图 5-d), 并且在交错层理的纹层面内可见植物碎屑或炭屑。由于扇三角洲前缘不断向湖盆进积, 水下分流河道也逐渐向前冲刷切割前缘的细粒沉积, 因此, 在野外露头剖面上可以清楚地看见顶平底凹的水道砂体。

类型五(Gcm+Ss)为多级颗粒支撑砂砾岩相(Gcm)和砂岩相(Ss)在垂向上组成的岩相组合, 对应河口坝沉积, 在垂向的沉积序列上, 发育厚度相对较大, 一般表现为上粗下细反粒序特征(图 5-e)。在GR(自然伽马)电测曲线上, 形态表现为高幅度(微)弱齿化的漏斗形(负异常)的曲线特征(图 4-d), 发育水平层理、交错层理等。准南钻遇井中常见河口坝叠置发育。

类型六(Ss+Md)为砂岩相(Ss)和粉砂岩、泥岩相(Md)垂向上组成的岩相组合, 一般对应为席状砂及滨浅湖滩坝沉积。其中, 席状砂在三角洲前缘的前方较远处, 岩石类型主要为砂岩、粉砂岩等, 发育水平层理、波状层理、交错层理及砂泥互层等(图 3-c), 在准南西段清水河组湖侵域常见, 测井曲线呈指状或平直(图 4-e)。滩坝砂体是滨浅湖的地带形成的受波浪及沿岸流影响而形成的砂体, 是较薄的滩砂和较厚的坝砂总称(图 5-f), 准南西段四棵树剖面湖侵时期滩坝砂体呈灰色或褐红色, 波痕发育明显(图 3-d), 测井曲线呈平直或指状(图 4-f)。且发育于湖侵域早期部分浅水区, 呈孤立发育, 偶夹砾岩沉积, 这是由于扇三角洲退积导致部分粗粒水下分流河道被改造, 不断被冲刷淘洗。

2.2.2 准南西段清水河组沉积特征

1)冲积扇。冲积扇沉积体系主要发育于准南西段清水河组南部北天山山前至高泉地区, 且在低位域发育规模较大, 辫状水道及片流带较为发育。辫状水道沉积物由砾石和砂组成, 分选较差, 层理不发育, 多呈块状, 单层厚度一般为5~60 cm(图 3-a), 有时可达2 m 以上。冲积扇在剖面上可见河道冲刷构造, 底部凹凸不平, 与下伏地层可见冲刷接触, 辫状水道测井曲线以箱型为主(图 4-a), 单井上可见厚层砂砾岩体叠置发育, 向湖侵域逐渐过渡为扇中下部的径流水道, 粒度变细(图 6-a)。野外露头剖面见冲积扇片流带与非限制性河道化沉积突变接触(图 3-b; 图 7), 片流带发育于扇根及扇中部位, 并可见砾质/砂质非限制性河道沉积, 反映了非限制性河道对早期片流沉积体的侵蚀切割。

图 6 准南西段清水河组南北段低位及湖侵域单井岩相组合特征
a—托6井; b—卡6井; c—GHW001井Fig.6 Characteristics of single well lithofacies combination in lowstand and lacustrine transgressive domains in north and south sections of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

图 7 准南西段南部四棵树剖面山前冲积扇扇中片流及非限制性河道化沉积特征(剖面位置见图 1)Fig.7 Characteristics of sheet flow and non-restricted channel deposition in piedmont alluvial fan of the Sikeshu section in western of southern Junggar Basin(section location shown in Fig.1)

2)扇三角洲。扇三角洲主要发育于高泉地区, 且以扇三角洲前缘水下分流河道沉积为主, 水下分流河道沉积是扇三角洲平原分流河道在水下的延伸部分, 由于水体对沉积物的改造作用, 与平原分流河道相比, 其分选性相对较好。岩性一般以砂砾岩、含砾砂岩为主, 单层厚度较大, 测井曲线多呈钟型和箱型(图 6-c), 单井上可见水下分流河道叠置发育, 呈正粒序, 但河口坝较不发育(图 8), 多被改造为粒度较细、交错层理发育的前缘席状砂(图 3-c)。

图 8 准南西段南部阿尔钦沟剖面低位扇三角洲及湖侵域沉积特征(剖面位置见图 1)Fig.8 Sedimentary characteristics of lowstand fan delta and lacustrine transgression domain in Alqingou section of western section of southern Junggar Basin(section location shown in Fig.1)

3)辫状河三角洲。辫状河三角洲主要发育在北部卡因迪克井区, 单井上水下分流河道及河口坝较为发育(图 4-c, 4-d; 图 6-b)。水下分流河道岩性多为含砾砂岩、粉砂岩、泥质砂岩等, 多以同级颗粒支撑, 单层厚度2~8 m, 分选中等, 相序多为正韵律, 底部冲刷接触, 顶部突变, 发育交错层理、块状层理、平行层理及冲刷构造等, 曲线形态以齿化箱型为主(图 6-b)。

4)湖相。湖侵域时期湖水范围扩大, 对两侧沉积体系冲刷改造, 滩坝砂体较为发育, 以薄层(含砾)砂岩、细砂岩和粉砂岩为主, 准南西段多见红褐色滩坝砂体, 波痕较为发育(图 3-d), 电测曲线为指状(图 4-f), 在准南西段南北两侧钻井上均可见厚层泥岩及滩坝砂体(图 6-b, 6-c)。

2.3 沉积展布特征

选取过平行及垂直物源方向的剖面进行连井沉积相对比(图 9; 图 10), 从横、纵向连井砂体对比关系及砂体分布, 总结分析准南西段低位及湖侵域平面相展布特征。

图 9 准南西段清水河组低位及湖侵域垂直物源方向连井剖面相Fig.9 Profile facies of well connection in vertical source direction of lowstand and lacustrine transgression domain of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

图 10 准南西段清水河组低位及湖侵域平行物源方向连井剖面相Fig.10 Profile facies of well connection in direction of parallel material sources in lowstand and lacustrine transgressive domain of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

垂向上可见低位域砂砾岩体在各井间呈连片分布, 并向四棵树凹陷中心减薄, 其厚度受控于地势的起伏及湖水深度, 南部高泉地区在低位域发育扇三角洲平原及前缘, 水下分流河道叠置连片发育, 北部卡因迪克井区发育辫状河三角洲前缘, 砂体经历了厚—薄—厚的演变过程, 可见多期水下分流河道发育(图 9; 图 10)。值得注意的是, 位于高泉地区托6井及较远处的独山1井也沉积了较厚层的水下分流河道砂体, 由此反映出北天山供源充足, 可以影响到凹陷中心位置。贯穿准南西段低位域连井沉积剖面显示出, 水下分流河道砂体由厚变薄、再到厚层沉积的过程, 沉积巨厚层砂砾岩体, 而凹陷中心以滨浅湖沉积为主(图 10)。湖侵域早期, 各井间沉积微相呈孤立式分布, 且研究区部分井均已处于较大湖水深度之内, 湖水深度向四棵树凹陷中心增大, 卡因迪克井区坝体发育明显(图 9-a; 图 10), 其成因为水下分流河道被湖水改造所形成, 与高泉地区的低位域沉积体系相比, 其粒度较细, 以细砂、粉砂岩为主, 为水动力较弱的水下分流河道沉积, 且位于河道顶部。值得注意的是, 贯穿准南西段湖侵域连井沉积剖面显示出, 坝体沉积到水下分流河道砂体沉积过程, 反映了湖水对准南西段的南部山前改造程度较低, 但南北两侧位于四棵树凹陷的内部地带均被湖水改造, 广泛发育水下分流河道较细粒沉积及砂坝(图 10-a)。

在平面上, 准南西段清水河组低位域, 推测北天山山前发育冲积扇, 向盆逐渐以扇三角洲平原、扇三角洲前缘推进, 呈现“小平原, 大前缘”的沉积特点, 即来自北天山的碎屑物质经河道搬运进入四棵树凹陷中心部位, 在山前至高泉地区卸载沉积, 主要河道向北延伸并不断分叉, 砂体连片性较好(图 11-a)。值得注意的是, 虽然卡因迪克地区沉积水动力较弱, 距物源较远, 但仍以辫状河三角洲前缘沉积为主, 水下分流河道砂体发育。此外, 准南西段清水河组湖侵域, 北天山山前冲积扇明显向南迁移萎缩, 推测此时向盆逐渐仍以扇三角洲平原, 扇三角洲前缘推进, 但来自北天山的碎屑物质经河道搬运进入湖水距离缩短, “小平原, 大前缘”特点不再显著, 主要河道虽向北延伸并不断分叉, 但至湖水交界地带已发育较多滩坝砂体, 作为主要沉积储集砂体(图 11-b)。

图 11 准南西段清水河组低位(a)及湖侵域早期(b)平面相展布(据孟颖等, 2022; 有修改)Fig.11 Planar facies distribution of lowstand (a)and early stage of lacustrine transgression domain(b)of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin(modified from Meng et al., 2022)

3 砂砾岩主控因素及成因机制
3.1 源区母岩性质及供源强度

物源制约砂砾岩体的发育规模, 是砂砾岩体发育的物质基础, 源区母岩性质及供源强度对砂砾岩体沉积具有重要影响。本次通过砂岩碎屑组分分析及重矿物聚类分析法对准南西段清水河组物源研究, 结合砂岩厚度展布, 明确清水河组物源对砂砾岩体的控制作用(旷红伟等, 2008)。

准南西段清水河组高泉地区砂岩碎屑组分中岩屑成分含量高, 砂岩成分成熟度较低, 并以岩屑砂岩和长石质岩屑砂岩为主(图 12-a), 整体距物源区较近。卡因迪克井区以长石质岩屑砂岩及长石岩屑砂岩为主(图 12-a), 砂岩成分成熟度也较低, 但相对高泉地区成熟度较高, 说明与高泉地区相比, 卡因迪克井区沉积碎屑搬运距离较远。此外早白垩世砂岩 Dickinson Qt-F-L 判别图解(Qt 代表石英颗粒, 包括单晶石英和多晶石英; F代表单晶长石颗粒; L代表不稳定岩屑颗粒)显示高泉井区大部分样品点落入再循环造山带物源区, 卡因迪克井区样品点位于落在再循环造山带物源区及火山弧物源区(图 12-b)。上述现象揭示准南西段沉积岩系山体(北天山)作为优势物源对准南西段供源。此外, 通过调研可知, 扎伊尔山由于快速的隆升活动, 混入大量变质岩类型的母岩, 所供陆源碎屑物质影响的范围也进一步向南扩展(朱明等, 2022), 因此位于准南西段北缘的卡因迪克地区可能受控于扎伊尔山物源, 但供源强度低于北天山。

图 12 准南西段清水河组物源分析
a—砂岩碎屑组分三角图; b—Dicksion判别图解; c—清水河组重矿物R型聚类分析; d—清水河组重矿物Q型聚类分析Fig.12 Provenance analysis diagram of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

重矿物类型及其组合可反映母岩岩性、搬运距离、区域构造及气候条件等信息。因此在盆地源-汇系统分析中得以广泛应用。准南西段侏罗—白垩系储集层内部共可鉴定出20余种重矿物, 包括: 石榴石、锆石、电气石、金红石、磁铁矿、钛铁矿等。而R型聚类分析是分析同一样本中不同变量之间的亲疏关系进而对变量分类, 通过R型聚类方法组合各重矿物类别, 进而与潜在物源区母岩进行对比(表 1)。而Q 型聚类方法对不同井重矿物类型及含量亲疏关系进行判断, 确定区域可能的潜在物源分区(图 12-d)。

表 1 准南西段清水河组重矿物组合特征及潜在物源区母岩特征 Table 1 Heavy mineral assemblage characteristics of the Qingshuihe Formation and parent rock characteristics of potential provenance area in western section of southern Junggar Basin

准南西段清水河组陆源重矿物 R 型聚类树谱图显示(图 12-c), 当距离系数约22时, 重矿物组合可区分为3大类母岩类型, 即: 沉积岩类(包含火山碎屑岩), 以重晶石+锆石+榍石+电气石+磷灰石等为主的重矿物组合; 变质岩类, 以石榴石+绿帘石等为主的重矿物组合; 基性岩浆岩类, 以(钛)磁铁矿+钛铁矿+白钛石等为主重矿物组合。由此可见, 源区母岩性质较为复杂, 而这一复杂性与准南潜在的物源区山体基岩岩性具有较好的可对比性(表 1)。由图 12-c可见, 准南西段清水河组母岩区主要为沉积岩、基性岩浆岩及变质岩类型为主, 可对应于准南西段北天山、扎伊尔山(周天琪等, 2019)。而Q型聚类分析可见北部卡因迪克井区卡字号井位与南部乌苏剖面和高泉地区受不同物源区影响(图 12-d)。值得注意的是, 源区母岩的岩性影响着砂砾岩体的发育, 而以沉积岩为母岩的物源区, 其风化产物多为重力流及牵引流搬运沉积, 当母岩为变质岩和岩浆岩时, 其风化产物多为砂质和砾质且缺乏泥质和粘土的细粒沉积, 常以牵引流方式搬运(Blair, 1999b)。结合上文沉积展布特征及物源分析, 推测准南西段南部清水河组低位及湖侵域主要发育以北天山为物源, 源区母岩性质为沉积岩系山体, 其碎屑物质以重力流及牵引流为主形成冲积扇—扇三角洲砂砾岩体, 准南西段北部清水河组低位及湖侵域主要发育以扎伊尔山为物源, 源区母岩性质为变质岩系山体, 其碎屑物质以牵引流方式搬运为主形成辫状河三角洲前缘砂砾岩体。因此, 重矿物组合分析源区特征与砂岩组分分析结果具有一致性。

值得注意的是, 准南西段清水河组低位域, 北天山至高泉地区, 砂体厚度由40 m逐渐减薄至10 m(图 13-a); 卡因迪克地区, 由靠近车排子凸起至四棵树凹陷中心, 砂体厚度由40 m减薄至10 m(图 13-a)。而湖侵域, 因湖侵的发生, 水体对河道及河口坝等微相改造彻底, 滩坝砂体发育较多, 细粒砂体沉积厚度较大, 北天山至高泉地区, 砂体厚度由30 m逐渐减薄至0 m, 整体反映出由物源区向盆砂体逐渐减薄至消失, 已进入较深水环境(图 13-b), 在卡因迪克地区, 由靠近车排子凸起至四棵树凹陷, 砂体厚度由近40 m减薄至10 m, 再次反映出远源沉积特征(图 13-b)。因此, 上述砂岩厚度变化特征, 显示出北天山在清水河组低位及湖侵域均比扎伊尔山供源强度大。值得注意的是, 早白垩世位于准南西段北部的车—莫古隆起区虽然呈低幅背斜形态, 但白垩世全区发生剧烈沉降, 车—莫古隆起区进入稳定埋藏阶段, 并再次成为沉积区(纪友亮等, 2010), 因此对准南西段北部的供源影响不大。

图 13 准南西段清水河组低位域(a)和湖侵域(b)砂厚等值线Fig.13 Sand thickness contour of lowstand domain(a) and lacustrine transgression domain(b) of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

3.2 古气候

古气候间接控制砂砾岩体, 不同的气候条件下源区的剥蚀程度和汇区的水体条件往往不同。干旱气候下, 风化剥蚀能力更强但降雨量较少, 易导致“强源浅水”的环境; 反之, 湿润气候下, 风化剥蚀能力较弱但降雨量丰富, 往往形成“弱源深水”的特征, 值得注意的是, 湖盆处于封闭状态时, 气候的影响十分明显(王多云等, 1991), 早白垩世准南西段湖盆处于较为封闭状态, 因此沉积发育受气候影响较大。

来自古生物 、孢粉的证据显示晚侏罗世至早白垩世由半干旱—半潮湿转变为潮湿气候, (杨烨和何中波, 2016)(图 14-a)。此外, 易富集于潮湿气候下的Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn 和 Co 元素含量之和, 与易在干旱气候下富集的Ca、Mg、Na、Cu、Sr、Mn等元素含量之和的比值, 即C值, 清水河组C值平均为 0.39, 靠近上侏罗统附近的样品变化较为剧烈, 说明清水河组由早期干旱环境向湿润环境转变(高志勇等, 2022; 王亚如等, 2022)(图 14-b)。由上述沉积展布及气候变化可见, 在早白垩世, 气候对于准南西段清水河组砂砾岩体的沉积特征及沉积类型有重要的影响, 在半干旱气候条件下, 北天山及扎伊尔山物源区母岩处于暴露剥蚀状态, 固定水土的植物稀少, 形成大量的陆源粗碎屑, 导致雨后经常发生阵发性洪水—泥石流, 形成重力流岩相比例高的冲积扇—扇三角洲(图 6-a), 而湖侵域时期气候湿润, 降雨充沛, 河道内水流长期稳定, 并对早期沉积物改造冲刷, 沉积体系呈现退积特征。在准南西段南北两侧易形成牵引流岩相比例高的扇三角洲、辫状河三角洲沉积体系(图 6-b, 6-c)。

图 14 准南侏罗系—白垩系古气候演化特征(a)(据杨烨和何中波, 2016)及C值统计图(b)(数据来源王亚如等, 2022)Fig.14 Evolution characteristics of the Jurassic-Cretaceous paleoclimate in southern Junggar Basin(a) (after Yang and He, 2016)and C value statistics(b)(data source from Wang et al., 2022)

4 沉积模式

燕山运动Ⅱ幕造成侏罗系与上覆白垩系之间的区域性不整合, 早白垩世清水河组沉积时期, 准噶尔盆地腹部向南掀斜, 整个盆地转变为统一的大型拗陷湖盆(纪友亮等, 2010)。而天山地区构造活动相对稳定, 且低位域与湖侵域盆地边界接近现今边界, 且湖侵域较低位域原盆边界向南迁移, 同时, 气候由干旱转变为湿润(Jolivet et al., 2001; 高志勇等, 2016; 高崇龙等, 2018)。北天山及扎伊尔山持续供源, 准南西段南部发育SN向冲积扇—扇三角洲沉积体系, 北部辫状河三角洲走向为NW-SE向, 准南西段南北两侧低位域至湖侵域早期沉积搬运由砂砾级碎屑转变为砂级碎屑。

整体而言, 清水河组低位域时期, 在干旱—半干旱的古气候条件下, 北天山物源区母岩风化剥蚀程度较强, 碎屑物质由补给水道通过汇聚, 由出山口向四棵树凹陷中心发育冲积扇—扇三角洲沉积体系, 受山区阵发性洪水影响, 扇中非限制性河道化沉积较为发育, 扇间侵蚀流沟较少, 向湖方向发育扇三角洲平原及前缘沉积, 形成“小平原, 大前缘”的沉积特点, 北部卡因迪克地区受控于扎伊尔山物源体系, 但相对而言, 源区距离较远, 因此扎伊尔山供给的物源碎屑经历较远的搬运距离, 在卡因迪克地区发育以牵引流为特征的辫状河三角洲前缘, 且在北天山山前高泉地区及卡因迪克地区均以叠覆连片的水下分流河道沉积为主, 形成“叠置河道”型沉积模式(图 15-a), 此时期, 湖水范围相对较小且水深较浅。而清水河组湖侵域时期, 准南进入拗陷湖盆阶段, 盆地边界向南迁移, 且气候转向潮湿, 降水增多, 湖水范围扩大, 源区母岩风化剥蚀程度降低, 冲积扇扇面水体活动性较强, 片流带发育, 片流带下部发育径流水道, 扇间侵蚀流沟发育, 高泉地区发育的扇三角洲前缘及卡因迪克地区辫状河三角洲前缘发育的富砂沉积物不稳定而部分被湖水改造形成滩坝沉积, 即形成 “河道坝”型沉积模式(图 15-b)。

图 15 准南西段清水河组低位域(a)及湖侵域(b)沉积模式Fig.15 Sedimentary model of lowstand domain(a)and lacustrine transgression domain(b) of the Qingshuihe Formation in western section of southern Junggar Basin

5 结论

1)准南西段清水河组砂砾岩体识别出6种岩相及6种岩相组合, 识别对应冲积扇—扇三角洲近源冲积体系、辫状河三角洲沉积体系; 低位域时期准南西段野外剖面及钻井多见扇三角洲前缘、辫状河三角洲前缘沉积为主, 水下分流河道砂体发育, 湖侵域早期水下分流河道被改造强烈, 主要以坝砂发育为主。

2)受源区母岩性质、供源强度及古气候等因素综合控制砂砾岩体沉积演化, 北天山供给沉积岩系为主, 高泉地区形成重力流及牵引流搬运为主的砂砾岩沉积体, 扎伊尔山主要为变质岩及岩浆岩, 卡因迪克地区沉积牵引流砂砾岩体为主。清水河组低位域干旱气候下, 两侧物源风化剥蚀能力更强, 导致“强源浅水”的环境, 湖侵域湿润气候下, 形成“弱源深水”的特征, 两侧物源风化剥蚀能力更弱, 供源较少。

3)准南西段清水河组砂砾岩体沉积模式表明: 低位域时期, 西段高泉地区发育冲积扇扇三角洲沉积体系, 北部卡因迪克井区以辫状河三角洲前缘沉积为主, 且两侧发育粗粒“叠置河道”沉积模式; 湖侵域早期, 湖水范围增大, 北天山山前冲积扇片流发育, 且两侧扇三角洲沉积的水下分流河道被波动水体改造, 发育“河道坝”沉积模式。

(责任编辑 郑秀娟; 英文审校 李 攀)

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