基于GIS的吐哈盆地大南湖地区中侏罗统西山窑组沉积相恢复

姚春玲，蔡煜琦，赵永安，张文明

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

地理信息系统 （GIS）是对地球空间数据进行采集、存储、检索、建模、分析和表示的计算机系统，在矿产资源评价、基础地质研究等方面得到广泛的应用[1]。

GIS矿产资源与地质研究的全过程可以划分为信息预处理、信息提取、信息分析、信息转换和信息综合5个部分，扩展GIS功能的目的就是尽可能使这5部分的信息处理过程达到自动化[2]。

本文以吐哈盆地大南湖地区为例，以ArcGIS为平台，快速划分中侏罗统西山窑组各岩性段沉积相，这为该区矿产资源评价提供基础资料的同时，也为其它地区进行类似研究时起到抛砖引玉的作用。

1 区域地质概况

大南湖地区位于吐哈盆地中部，行政区划属于哈密市。大南湖坳陷位于南湖隆起中西部南缘，是吐哈盆地重要的砂岩型铀矿产地之一。

基底地层：由前寒武系结晶基底和下古生界褶皱基底组成，具有二元结构特征[3]。结晶基底在航磁上反映为强磁性特征，地层均遭受变质作用，属低级变质相的绿片岩相。岩性主要为结晶片岩、变粒岩、片麻岩、石英岩、大理岩、变质砂岩、板岩、角闪岩和各种混合岩。古生界褶皱基底主要为石炭系和前石炭系，围绕盆地周边分布，盆地内亦见有零星出露。岩性主要为海相碎屑岩、碳酸盐岩、硅质岩及中酸性火山岩[4－5]。

沉积盖层：主要为中侏罗统西山窑组（J2x），东段出露有中侏罗统三间房组 （J2s），西段地表被新生代地层覆盖。西山窑组岩性主要为灰白、黄褐色厚层粗砂岩、砂岩与灰绿色、灰黑色泥岩互层、炭质泥岩和多层可采煤，属辫状河流相、辫状河三角洲相暗色含煤碎屑岩建造。三间房组下部岩性为灰绿色细砾岩，中部为暗灰色、灰绿色砂岩夹杂色泥岩，上部为黄绿、紫红色砂质泥岩、粉砂岩夹砂岩。新生代地层岩性以冲积平原沉积的松散砂、砾石为主，亦可见风成砂、淤积黏土等，局部见膏盐层。厚度0～80m。

区内构造较为发育，南湖坳陷南北分别为觉罗塔格造山带和南湖隆起，中间被一个NE向的中央隆起分割。受该隆起影响，后期发育与隆起近于平行的复式褶皱和断裂构造（图1）[6]。其构造式样总体表现为 “南超北断、西隆东陷，被褶皱构造改造”的特点，即：大南湖凹陷南侧中侏罗统三工河组、西山窑组超覆在觉罗塔格山北缘基底岩石之上，北侧与南湖隆起为断层接触，西段相对隆起使得西山窑组第1、2岩性段含煤岩系出露地表；东段相对凹陷出露三间房组。

图1 哈密盆地大南湖地区中侏罗统地质构造简图Fig.1 Sketch geological structure map of Dananhu area in Tuha basin

区内岩浆岩分布在大南湖坳陷南北两侧蚀源区，主要为海西中期产物，少量为海西晚期产物。按岩石组合，可分为二长花岗岩序列和辉长辉绿岩序列，成为本区的中新生代沉积地层的物源区和地下水补给源区，对本区层间氧化带型铀矿床的形成有重要意义。

2 钻孔数据库的建设

钻孔数据库采用Microsoft Access标准数据库 （MDB），钻孔数据库建设可概括为3个阶段。

第1阶段：资料收集与整理阶段，在该阶段主要是收集所有钻孔资料，根据不同研究区地质勘探工作程度及项目研究目标的需要，制定钻孔录入的方案，选择要录入的钻孔，为下一步工作做准备。

第2阶段：钻孔资料数据录入，依次按照勘探区记录表 （一级）－勘探线记录表 （二级）－钻孔记录表 （三级）－综合编录表、测井记录表、矿化信息表 （四级）的顺序分别输入。各表间建立了相互关联的树形关系，一方面便于数据分类和查询，另一方面节省存储空间。该数据库不仅包括了钻孔资料所有空间信息，而且还包括施工单位，时间等辅加信息。

第3阶段：钻孔入库数据的校正与检查，通过编录数据检查功能进行系统自动校正，完成地层标高、岩层厚度等的计算；通过剖面图的制作，检查层位划分等。

依据上述流程，项目组构建了大南湖钻孔资料数据库，入库资料包括25条勘探线，66个钻孔。

3 层序地层格架建立

入库的钻孔资料如果没有包含等时地层格架，该库便是一个 “呆库”。只有给其赋予层序地层信息，该库才具有了灵魂。通俗的讲，就是对入库钻孔资料进行合理分层。如果说钻孔数据录入是个体力活的话，那么等时地层格架建立则需要一定的专业技能才能完成，是智力活。沉积相恢复是否正确合理，其关键是等时地层格架的建立。

3.1 标志层划分

本文在综合石油、煤田部门和核工业203研究所多年来在大南湖地区的勘探与研究基础上[6－7]，结合项目组详细的野外地质调查和室内资料整理，建立了西山窑组区域性对比分层标志。

（1）西山窑组和上覆三间房组分界标志：三间房组湖相泥岩与西山窑组冲积扇砾岩、粗砂岩分界线；

（2）西山窑组第3岩性段与第2岩性段分界标志：第3岩性段底部冲刷面，岩性以砾岩、含砾粗砂岩为主；

（3）西山窑组第2岩性段与第1岩性段分界标志：第2岩性段底部河道冲刷面，岩性为河底滞留沉积的粗碎屑岩；

（4）西山窑组第1岩性段下伏三工河组（J1s）分界标志：第1岩性段底部河道冲刷面，岩性为河底滞留沉积，三工河组上部为泥岩。

依据上述标志层，将西山窑组划分为3个岩性段，即：

（1）第1岩性段 （J2x1）：主要为粗碎屑岩沉积，砂泥互层，煤层较薄，以冲积扇相到辫状河流相为主，由5个上升半旋回组成；

（2）第2岩性段 （J2x2）：是一套泥岩、泥质粉砂岩为主的含煤建造，底部有一层20～30m粗砂岩或含砾砂岩层，以砾石中出现含猪肝红色粗面岩角砾或碎屑为明显标志，以三角洲相到河流相为主，由4个旋回组成，总体以下降半旋回为主；

（3）第3岩性段 （J2x3）：主要为中粗砂岩、含砾砂岩和砾岩，基本不含煤层或煤线，以三角洲相到河流相为主，由3旋回组成，总体以上升半旋回为主。

3.2 等时地层格架

入库的66个钻孔中大部分未揭穿西山窑组，因此只能对其第2、3岩性段进行等时地层格架分析，图2为本区纵向对比剖面。课题组对入库钻孔逐一进行单孔等时地层划分，并对其进行横向、纵向剖面对比分析，直至同一钻孔在横向和纵向剖面中均符合等时地层划分时，该分层界线才最终确定。依次对所有入库钻孔进行上述分析，最后建成大南湖钻孔数据库。通过对入库钻孔分层统计发现，第2岩性段地层平均厚度115.67m，最大厚度达212m，出现在ZK367－367孔；砂体平均厚度为37.58m，最大厚度在ZK640－47孔，为119.6m；砾岩、含砾砂岩平均厚度为11.18m，最大厚度62m （ZK464－155）；煤层平均厚度为7.88m，最大厚度出现在ZK832－127孔，达到45.4m。第3岩性段地层平均厚度155.52m，最大厚度达326m，出现在ZK63－72孔；砂体平均厚度为108.54m，最大厚度在ZK0－98孔中为291.6m；砾岩、含砾砂岩平均厚度为35.45m，最大厚度189m（ZK464－259）；煤层平均厚度仅为0.38m，最大厚度为3.2m。

图2 吐哈盆地大南湖地区钻孔地质剖面示意图Fig.2 Borehole columns of Dananhu area in Tuha basin

4 砂体和含砂率特征－岩相划分标志

对入库钻孔层序地层学分析最后定型之后，采用项目自主研发的提取软件，提取了西山窑组第2、第3岩性段砂体厚度和砂地比（砂体厚度与统计层地层厚度之比）数据作为岩相划分的标志之一，并基于ArcGIS平台中的Geostatistical Analyst模块，采用Kriging插值方法，绘制了各岩性段砂体等厚和砂地比等值线图，这为下一步进行沉积相恢复奠定了基础。

4.1 西山窑组第2岩性段砂体和砂地比特征

第2岩性段砂地比值等值图显示 （图3），大南湖地区中东部有一条呈NE－SW向含砂带（砂地比值0.3～0.6），该含砂带短轴方向 （NWSE向）宽约3.5～4km。砂体等厚图表现出西部薄 （10～30m），东北部厚 （30～90m）的特点 （图4）。

4.2 西山窑组第3岩性段砂体和砂地比特征

西山窑组第3岩性段砂地比值等值线图（图5）显示，砂地比值在北部地区为0.6～1，东南和西南部地区为0.1～0.5，这反映出水动力北部急，南部稍缓。砂体等厚图 （图6）也表现出研究区北部存在厚大连续发育的垛状砂体，砂岩累积厚度多大于90m。

5 大南湖地区岩相古地理特征

5.1 西山窑组第2岩性段岩相古地理特征

图3 大南湖地区西山窑组第2岩性段 （J2x2）砂地比等值线图Fig.3 Thickness ratio contour map of sandstone to strata of the second member of Xishanyao formation in Dananhu area

根据上述图3和图4单因素基础图件，采用单因素分析多因素综合作图法[8]，恢复各岩性段岩相古地理特征，其步骤为： （1）对各剖面进行认真的地层学分析，划分各剖面各岩性段的沉积环境特征； （2）在划分好的各剖面资料中，选择出那些能独立反映其沉积环境特征的单因素 （如砂地比、砂体厚度等），统计出全区各剖面各作图单位的各种单因素的百分含量，作出可以从不同侧面反映该地区该岩性段的沉积环境各种相应的单因素图，主要是等值线图； （3）将这些定量的单因素图叠加，结合该地区该岩性段的其他定定量和定性资料，去伪存真，去粗取精，全面分析，综合判断，最终编制出该地区该岩性段的岩相古地理图 （图7）。

从图7可知，该岩性段在大南湖地区有钻孔揭露的范围内主要发育三角洲平原相沉积，可进一步划分为三角洲平原辫状河道亚相、漫滩沼泽亚相和泛滥平原亚相。其中辫状河道呈NE－SW向延伸，推断古水流向主要为NE向SW，南部边缘有一小的辫状河道。

5.2 西山窑组第3岩性段岩相古地理特征

根据上述图5和图6单因素基础图件及其综合对比分析，恢复了该岩性段岩相古地理特征 （图8）。从图8可见，该区北部发育有较大的冲积扇，砂体呈垛状分布，且表现出由中间向前缘和两侧变薄的特点，具有明显的冲积扇相沉积特征；中部为扇前辫状河相沉积；南部边缘发育一小型冲积扇，在西南和东南部地区为泛滥平原相沉积。其沉积格局指示古水流方向为由北往南，水流急湍，而由南往北，水流则缓慢。

图5 大南湖地区西山窑组第3岩性段 （J2x3）砂地比等值线图Fig.5 Thickness ratio contour map of sandstone to strata of the third member of Xishanyao formation in Dananhu area

图6 大南湖地区西山窑组第3岩性段 （J2x3）砂体等厚图Fig.6 Thickness contour map of sandstone in the second member of Xishanyao formation in Dananhu area

综上所述，根据西山窑组第2岩性段和第3岩性段由老到新沉积相特征，以及少量钻探揭露的第1岩性段单孔沉积相，初步分析大南湖坳陷在西山窑期湖盆经历了形成－扩展－萎缩3个阶段。湖盆发育早期 （相当于西山窑组第1岩性段），物源供给充足，形成了以辫状河沉积为主，三角洲相沉积为辅的沉积格局，自早到晚，沉积物粒度逐渐变细，从其沉积物垂向退积特征判断，出现了水体逐渐扩大加深的过程；湖盆发展中期（相当于西山窑组第2岩性段），湖盆扩展到最大，沉积物粒度变细，形成了以三角洲为主的沉积格局，此时泥炭沼泽发育，形成西山窑期主要成煤期，沉积物垂向叠加表现为加积形态；湖盆发展晚期 （相当于西山窑组第3岩性段），湖盆萎缩，湖面迅速减小，沉积物垂向叠加表现为进积形态，加之物源供给充分，湖盆快速填平，形成了以冲积扇为主的沉积格局。

图8 大南湖地区西山窑组第3岩性段沉积期 （J2x3）岩相古地理略图Fig.8 Map of sedimentary facies and paleogeography while the deposition of the third member of Xishanyao formation in Dananhu area

6 结论

（1）提出了本区钻孔数据库建设流程的3个阶段，即资料收集与整理、钻孔资料数据录入和钻孔入库数据的校正与检查。数据库各表间相互树形关联，一方面便于数据分类和查询，另一方面节省存储空间。指出钻孔数据录入是基于GIS沉积相恢复的基础，各钻孔层序地层分析是该库的灵魂。

（2）依据层序地层学分析，建立了将西山窑组3分的层序地层等时地层格架，以此为依据将入库钻孔进行分层，最终定型了钻孔数据库，为正确提取沉积相恢复的基本参数，如砂体厚度和砂地比数据等奠定了基础。

（3）基于ArcGIS平台，恢复了西山窑组第2、3岩性段的沉积格局，发现第2岩性段主体沉积格局为三角洲相，局部发育辫状河相，第3岩性段主体沉积格局为冲积扇相，在扇体周围发育辫状河相。

（4）根据沉积相分析，认为大南湖坳陷在西山窑期经历了一个完整的湖盆形成、发展到消亡的过程。湖盆发育早期相当于西山窑组第1岩性段，湖盆发育中期相当于西山窑组第2岩性段，湖盆发育晚期相当于西山窑组第3岩性段。

（5）基于GIS的吐哈盆地大南湖地区中侏罗统西山窑组沉积相恢复，一方面深化了该区基础地质研究，更重要的是为相似地区进行类似研究提供了一种方法。

[1]戴刚毅，张锦章.基于GIS的矿山空间数据库的建立 [J].物探化探计算技术，2000，22 （l）：78.

[2]梁红莲，刘登忠.GIS应用现状及发展趋势探讨[J].物探化探计算技术，2001，23 （l）：68.

[3]邓起东，冯先岳，张培震，等.天山活动构造[M].北京：地震出版社，2000，17－23.

[4]车自成，刘洪福，刘良等.中天山造山带的形成与演化 [M].北京：地质出版社，1994，132.

[5]新疆维吾尔自治区地质矿产局.新疆维吾尔自治区区域地质志 [M].北京：地质出版社，1993.

[6]新疆油气区石油地质志 （下册）编写组编.中国石油地质志 （卷十五）[M].北京：石油工业出版社，1995.

[7]张鹏飞，金奎励，吴 涛，等.吐哈盆地含煤沉积与煤成油 [M].北京：煤炭工业出版社，1997.

[8]冯增昭.单因素分析多因素综合作图法—定量岩相古地理重建 [J].古地理学报，2004，5（1）：3－19.