银额盆地拐子湖凹陷断陷早期沉积充填演化

张 斌, 王宏语, 樊太亮, 彭 君, 周 杰, 侯云超, 杨润泽

( 1. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083； 2.中国地质大学(北京) 海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京 100083； 3. 中国石化中原油田分公司 勘探开发研究院，河南 濮阳 457001 )

0 引言

陆相断陷湖盆构造—沉积综合研究是盆地分析领域的重要内容[1-2]。目前，银额盆地包括查干凹陷、哈日凹陷等区块的陆相断陷盆地经过几十年的勘探开发，已经取得成果与突破。拐子湖凹陷位于银额盆地中部的达古坳陷的北端,由于深处沙漠区，前期地质勘探投入少，以少量二维地震资料为主，盆地演化及沉积充填研究缺乏，构造与沉积特征尚不清晰。

对拐子湖凹陷构造演化特征的研究较少。陈启林等认为，拐子湖凹陷总体演化特征与银额盆地具有相似特征[3]。荆国强等认为，拐子湖凹陷随银额盆地一起经历断陷期、坳陷期和挤压抬升期，具有断坳双层结构，坳陷期地层叠置于早期断陷层之上，断陷期巴音戈壁组在控凹断层的作用下形成东断西超的箕状断陷基本格局[4]。2017年，拐子湖凹陷开始三维地震工区与探井的部署，其中A井的巴音戈壁组具有良好的油气显示，预示该区具有良好的油气勘探前景。笔者利用新的地震与钻井资料，通过构造沉积学分析，研究拐子湖凹陷巴音戈壁组的构造与沉积特征：一方面为该区含油层系的储层评价提供地质依据；另一方面为揭示拐子湖凹陷的构造、沉积演化历史提供支撑。

1 地质概况

1.1 区域位置与构造格局

银额盆地位于古亚洲构造域与特提斯构造域的交汇部位[4]，构造上处于塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚和华北四大板块的构造结合部位[5-7]，是天山—兴安岭造山系的主要组成部分[8]。拐子湖凹陷位于达古坳陷北部，西邻务桃亥坳陷，东为宗乃山隆起与苏红图坳陷(见图1)。拐子湖凹陷全区面积约为2 600 km2,分为南凹、北凹与中凹。其中中凹面积约为800 km2,大部分被三维地震工区覆盖，分布有A、C与D井；南凹以二维测线为主，部署有B井。拐子湖中凹断陷早期的构造格局主要受东部边界断层控制，整体呈现伸展构造样式，形成东断西超的盆地格局，自西向东可划分为斜坡带、洼陷带、陡坡带。拐子湖南凹断陷早期的构造格局主要受西部边界断层控制，形成西断东超的盆地格局，自东向西可划分为斜坡带、洼陷带、陡坡带。

图1 拐子湖凹陷区域构造位置与盆地结构特征Fig.1 Regional tectonic position and basin structural characteristics of Guaizihu depression

1.2 地层沉积特征

拐子湖凹陷主要发育白垩系(K)与新生界(Cz)。其中白垩系由下而上划分为巴音戈壁组、苏红图组、银根组与乌兰苏海组(见图2)；巴音戈壁组又可分为巴一段、巴二段，苏红图组又可分为苏一段、苏二段[5-6、9-10]。

图2 拐子湖凹陷地层与构造阶段划分(以A井为例)

巴音戈壁组底界面是一个区域不整合界面，表现为白垩系与基底古生界变质岩的不整合接触；顶界面与苏红图组呈现局部不整合接触，表现为盆地边缘地区的削蚀现象及上超特征(见图1)。区域的断块掀斜与剥蚀造成较多的近源粗碎屑快速堆积，但沉积物分布受到断陷限制。巴一段与巴二段岩性组合在A井上显示较大差别，巴一段上部为厚层棕褐色砂砾岩，中部以深色泥页岩为主；巴二段主要为深灰色泥岩夹浅灰色粉砂岩或呈不等厚互层。

苏红图组分布局限于断陷，岩性特征差异也较大：苏一段下部岩性以紫红色泥岩、粉砂质泥岩互层为主，夹薄层粉砂质泥岩，局部夹薄—中厚层杂色泥岩和含砾粗砂岩；苏二段岩性主要为浅灰色白云质泥岩、粉砂质泥岩。

银根组越过边界断层，分布面积大，岩性以灰褐色泥岩夹少量灰色泥质粉砂岩为主。

乌兰苏海组属于盆地坳陷期沉积，分布范围广，与其他断陷连通；其顶界与新生界在岩相、地震相上表现为典型的不整合特征。钻井揭示，乌兰苏海组岩性以棕红色泥岩为主，偶夹薄层粉砂岩。

1.3 构造演化背景

银额盆地是在前寒武系变质结晶基底和古生代褶皱基底的基础上，发育形成的中新生代断坳叠合型盆地，经历板块构造演化、板内伸展和陆内造山等不同演化阶段[1]。南华纪—早、中泥盆世阶段，盆地经历从陆壳拉张形成洋盆、洋盆闭合到陆壳与陆壳碰撞的不同构造发展过程；石炭—二叠纪阶段加里东—早华力西期，构造带活动强烈，形成若干个陆内裂谷或裂陷盆地；晚二叠世—三叠纪，受海西运动的改造作用，盆地形成隆坳相间格局；印支运动末期，研究区普遍抬升，上三叠统沉积遭受剥蚀。从侏罗纪早期开始，盆地整体表现为张应力状态，为初始裂陷阶段。早白垩世，全盆转化为张扭应力状态，进入以张扭、拉分为主的深陷阶段，盆地属拉分盆地类型；晚白垩世，盆地整体表现为坳陷沉积，盆地转变为坳陷盆地；古近纪—新近纪，由于印度板块与欧亚板块碰撞，盆地以挤压抬升为主；第四纪，广大地区接受沉积，形成现在的地质面貌[4,11]。

拐子湖凹陷受控于整个银额盆地的形成演化，经历多次构造运动，具体表现为剥蚀不整合界面的存在[10,12-13]，地层结构样式具有明显的断陷、坳陷双重结构。巴音戈壁组及苏一段对应于断陷期。拐子湖凹陷断陷期开始于燕山Ⅲ幕构造活动，断陷早期形成巴音戈壁组沉积。巴一段沉积期是区内断层活动性较强烈的阶段，除边界断裂外，盆地内部还发育多个次级小断裂，形成多个局限的小地堑或半地堑。巴二段沉积期，盆内次级断裂活动减弱，边界断裂的剧烈活动造成断块掀斜，形成典型的东断西超的半地堑湖盆。随后的快速裂陷期形成巨厚的苏一段沉积；苏二段及银根组对应于断坳转换期。苏一段沉积末期，燕山Ⅳ幕构造活动造成盆地的掀斜与抬升，形成区域的剥蚀不整合面；随后盆地进入断坳转换阶段，裂陷活动强度减弱，沉积厚度差异较小的苏二段。苏二段沉积末期，区域的整体抬升形成苏红图组与银根组之间的区域性不整合；银根组沉积期，沉积范围迅速扩大，盆地由断陷逐渐转变为凹陷特征；乌兰苏海组对应于坳陷期。银根组沉积末期，燕山Ⅴ幕构造活动造成盆地整体抬升与被剥蚀，从而形成区域性不整合面；随后盆地进入热沉降坳陷阶段，区内断裂欠发育，地貌平缓，沉积广泛分布的乌兰苏海组。其中乌兰苏海组沉积后，在喜山构造运动的影响下，形成压扭应力场，凹陷发生构造反转。

2 沉积充填与沉积相展布

2.1 沉积相类型

拐子湖凹陷断陷期具有典型的半地堑盆地结构特征，存在2个快速裂陷旋回，断陷早期发育巴音戈壁组形成第一个裂陷旋回，同沉积断层活动强烈，对沉积控制作用最为明显。岩心、测井、地震相及盆地古地貌背景综合分析表明，巴音戈壁组主要发育扇三角洲、冲积扇、湖泊、重力流沉积等4种沉积相类型。

2.1.1 扇三角洲

扇三角洲沉积一般发育在盆缘边界断裂下降盘，为陆源碎屑物从临近隆起区进入稳定的水体形成的扇状沉积[14-19]。扇三角洲在整个巴音戈壁组较为发育，可划分为平原与前缘2种亚相。其中前缘亚相可识别水下分流河道及水下分流间湾微相，平原亚相以发育辫状分流河道微相为特征。

扇三角洲平原的辫状分流河道以粗粒沉积物为特征，主要岩性以砾岩、含砾砂岩为主。结构及成分成熟度低，分选差—中等，沉积构造以交错层理、平行层理及波状层理为主(见图3)。底部具有冲刷面，测井曲线(GR)形态呈箱形，顶、底为突变接触。地震相为中强振幅—中连续—楔状发散反射地震相，反映水动力较强的沉积环境。

图3 拐子湖凹陷断陷早期扇三角洲与冲积扇识别标志(以D井为例)Fig.3 Characteristics of fan delta and alluvial fan during the early rifting phase of Guaizihu depression(taking the D well as an example)

扇三角洲前缘的水下分流河道岩性以棕褐色砂砾岩、含砾粗砂岩及细砂岩为主，分选中等，磨圆为次棱—次圆状。发育块状层理与交错层理，常见岩性突变面、冲刷面及植物碎屑等。GR测井曲线呈微齿化—齿化的箱形—钟形。地震相显示为中振幅—中高连续的S形前积反射特征(见图3)。水下分流间湾岩性以浅灰色泥质粉砂岩及粉砂质泥岩为主，主要发育水平层理、波状及透镜状层理，局部可见植物碎屑。GR测井曲线呈指状特征。地震反射为一套弱振幅—差连续—乱岗状反射，表现为一种分散性弱水流沉积。

2.1.2 冲积扇

冲积扇沉积发育于巴音戈壁组沉积初期，主要岩性为杂色砂砾岩，砾石砾径大，分选差，磨圆为棱角—次棱状，成熟度低，杂基含量高，沉积构造可见块状层理及冲刷面等。地震相表现为中振幅的楔形乱岗状反射，反映多变而不规则的层面、水动力较强的沉积环境；GR测井曲线表现为齿化箱形(见图3)，反映沉积物充足和搬运距离短的特点。

2.1.3 湖泊

湖泊沉积揭示浅湖、半深—深湖亚相沉积。浅湖亚相主要发育泥坪、砂坪及砂泥混合坪沉积，半深湖—深湖亚相主要发育半深湖泥沉积。

浅湖沉积的岩性主要为浅灰—灰色泥岩及粉砂岩，或夹粉砂质泥岩；沉积构造以水平层理、细波状层理为主，可见碳质植物碎屑。地震相为一套中强振幅—中连续—平行亚平行反射，在平面上呈条带状展布，反映一种稳定水体的匀速沉积作用。砂坪是沉积物进入湖盆后，受到湖浪的重新改造，使沉积物沿湖岸线方向发生侧向移动而形成的，在岩性上以粉砂岩与泥岩互层为特征，单砂体底部偶见少量冲刷砾岩；GR测井曲线表现为微齿化—指状响应特征。砂泥混合坪主要表现为频繁互层的砂泥互层，纹层厚度一般为几毫米到几厘米，岩性主要为灰色泥岩与灰色粉砂质泥岩，GR测井曲线表现为微齿状；泥坪岩性主要为深灰色泥岩与灰色粉砂质泥岩，水平层理，纹层变化韵律低。半深湖—深湖以水平层理的深灰色、灰黑色泥岩沉积为主，GR测井曲线以微齿状的泥岩基线为主(见图4)。

图4 拐子湖凹陷断陷早期湖泊相识别标志(以A井为例)Fig.4 Characteristics of lacustrine facies during the early rifting phase of Guaizihu depression(taking the A well as an example)

2.1.4 重力流

重力流沉积主要发育于巴一段沉积期，岩性以含砾粗砂岩、中—粗砂岩及不等粒砂岩为主，砾石最大为2.0 cm,一般为0.5 cm,砾石形态整体为均质的块状,细粒的砂岩层中有漂浮的砾石，砂砾岩条带发生揉皱变形，沉积构造可见岩性突变面，含砾砂岩与底部泥岩突变接触。粒度概率累积曲线为两段式和三段式。两段式跳跃组分粒径在-3φ～2φ之间，占总体质量的98%～99%；悬浮组分粒径在2φ～5φ之间，占总体质量的1%～2%,斜率较小。三段式滚动组分粒径在-2φ～φ之间，占总体质量的50%～70%；跳跃组分粒径在φ～3φ之间，占总体质量的28%～30%；悬浮组分粒径在3φ～5φ之间，占总体质量的1%～2%。斜率较小，平均分选因数为2.27，反映重力流砂体分选为中等、水动力条件较强；GR测井曲线表现为微齿化箱形—钟形(见图5)。根据岩心观察、粒度分析及巴一段的构造古地貌背景，推测重力流砂体是在巴一段沉积晚期，受断层活动及自身重力影响，盆地内A井周边早期快速堆积的三角洲前缘砂体发生滑塌，再受古地形影响，沉积物在斜坡带形成砂质碎屑流块体[20-24]。

2.2 沉积相剖面展布

选取过A井和C井的连井剖面及与其垂直的剖面，综合巴音戈壁组单井沉积相、地震相及构造—古地貌背景，分析巴音戈壁组的沉积相剖面展布规律：A井在巴一段底部砂砾岩表现为冲积扇相，中部深灰色泥岩为深湖、半深湖相，上部棕褐色砂砾岩推测为重力流沉积；C井没有钻穿巴音戈壁组，推测巴一段砂岩来自于东部陡坡带，巴一段早期在沉积相上表现为扇三角洲前缘亚相，巴一段晚期表现为半深湖沉积。

图5 拐子湖凹陷断陷早期重力流沉积识别标志(以A井为例)Fig.5 Characteristics of gravity flow deposition during the early rifting phase of Guaizihu depression(taking the A well as an example)

巴二段A井为紫红色泥岩，表现为浅水环境，C井在巴二段下部主要为灰色泥岩与泥质粉砂岩互层，表现为湖相沉积，上部发育大套砂砾岩，推测物源由东部陡坡带进入而形成扇三角洲前缘亚相。整体上，自陡坡带到缓坡带发育扇三角洲(见图6)，发育扇三角洲—湖泊—重力流砂体—扇三角洲的横向变化特征。

2.3 沉积相平面展布

对比巴音戈壁组岩心相及地震相特征。巴一段底部岩性为一套砂砾岩，地震相大多为杂乱反射和乱岗状反射；巴一段上部为泥岩、粉砂岩、含油砂砾岩，地震相一般为楔状发散和平行亚平行反射。巴二段底部为浅灰色泥岩夹粉砂岩，地震相为前积反射与平行反射为主；巴二段上部为泥质粉砂岩、粉砂岩互层，地震相为乱岗状反射与平行反射为主。因此，将巴音戈壁组划分为4个地层单元，通过构造古地貌、地震相、单井沉积相、连井沉积相对比，研究沉积相平面展布特征。

图6 巴音戈壁组沉积相剖面(剖面位置见图1)Fig.6 Sedimentary facies section of Bayingebi formation(section position as shown in fig.1)

2.3.1 巴一段早期

巴一段沉积早期，盆地周缘主要表现为扇三角洲，中部地区主要发育湖泊沉积。陡坡带发育扇三角洲沉积，C井西侧地区为沉降中心，水体较深，表现为半深湖湖泊沉积。南部斜列断层转换带、西部及北部缓坡带发育扇三角洲沉积；凹陷西南部次洼发育扇三角洲沉积(见图7(a))。A井与D井底部为杂色砂砾岩，表现为冲积扇沉积。

2.3.2 巴一段晚期

巴一段沉积晚期，沉积体系基本继承巴一段早期的沉积格局，主要发育扇三角洲和湖泊沉积, 但扇三角洲平原沉积面积减小，前缘沉积面积增大，表现为小平原、大前缘的格局(见图7(b))。A井岩性为厚层棕褐色砂砾岩、粉砂岩与泥岩互层，发育滑塌重力流沉积；D井岩性为粉砂岩与泥岩互层，表现为扇三角洲沉积；C井岩性为粉砂岩泥岩互层，表现为扇三角洲前缘沉积。凹陷西北部次洼，东侧由断层控制，表现为半深湖沉积。

2.3.3 巴二段早期

巴二段沉积早期，西部2个次洼停止沉积充填，巴二段沉积范围缩小。凹陷东侧半深湖面积有所减小。缓坡带的A井岩性为粉砂质泥岩夹浅灰色粉砂岩，表现为浅湖沉积，多发育砂坪沉积；D井岩性为粉砂岩与泥岩不等厚互层，表现为扇三角洲沉积；C井岩性以粉砂质泥岩为主，发育扇三角洲前缘沉积，(见图7(c))。该时期断层坡脚区与凹陷北部扇三角洲沉积范围较巴一段时期的有所增大。

2.3.4 巴二段晚期

巴二段沉积晚期，沉积相展布继承巴二段早期的沉积格局。A井岩性为紫红色粉砂质泥岩，发育浅湖亚相；D井为紫红色粉砂质泥岩与泥岩不等厚互层，表现为浅湖砂坪沉积；C井岩性以灰色含砾砂岩、粉砂岩为主，表现为扇三角洲前缘沉积。平面上，东部陡坡边缘扇体较发育，前缘沉积面积进一步增大，盆地深湖沉积范围缩小，浅湖沉积范围增大，砂坝、混合坪沉积较为发育(见图7(d))。

3 沉积演化与构造响应

构造—古地貌的形态控制物源体系的分布及层序的充填样式、沉积体系的空间配置[25-26]。综合钻井揭示与井间对比、地震相变化、盆地古地貌特征(见图8)，判断物源体系分布与变迁，分析巴音戈壁组的沉积演化特征。

图7 巴音戈壁组沉积相平面展布Fig.7 The planar distribution of sedimentary facies of Bayingebi formation

巴一段沉积早期，断层活动强烈，盆地格局存在多个地堑、半地堑及局部隆起；盆地分割性较强，为多凹充填(见图8)，靠东侧边界断层的洼陷深度较大。湖盆面积小，属于封闭式水系，为近物源快速沉积，主要为古隆起从四周向湖盆提供物源，盆地周缘发育扇三角洲相，中部地区主要发育湖泊沉积(见图7)。A井由凹陷内部凸起供源，发育冲积扇相(见图9(d))。巴一段沉积晚期，边界断层持续活动、盆内断层活动减弱导致盆内凸起下沉，北部古隆起供给规模增加。D井区沉积物来自北部物源，三角洲前缘沉积范围增大。相比于巴一段沉积早期，盆地缓坡地区变陡，水体进一步加深，沉降中心向南部偏移，盆地半深湖沉积面积增大，三角洲平原沉积面积减小。凹陷西北部断层活动、水体加深，发育半深湖沉积。A井西侧发育的扇三角洲沉积物，受断块掀斜滑塌影响而发育为重力流沉积(见图9(c))。

巴二段沉积早期，盆地格局为一个统一的半地堑，东部边界断层持续活动，造成断块掀斜作用，盆地西部边缘地区遭受剥蚀，西部2个次洼停止沉积充填，巴二段沉积范围缩小(见图7)。物源体系在早期的基础上继承性发展，但盆地地貌差异变大，物源分割性变弱，A井西侧隆起继续下沉(见图9(b))。A井区与D井区缺乏近源物源供给，主要物源来自东部边界断层上升盘古隆起及盆地北部古隆起。缓坡带的A井周缘发育湖泊沉积，东边界断层中段错断位移大，断层坡脚区的扇三角洲纵向叠置且累计厚度大，但横向展布规模较小，边界断层下盘的沉降中心区地层加深，水体变浅，半深湖面积有所减小。由于地貌较陡，盆缘扇体主要由含砾的粗碎屑沉积物组成。巴二段沉积晚期，凹陷边界断层活动减弱，断块掀斜速率下降，盆地沉降中心位于凹陷东北部；盆地水体变浅，可容纳空间减小；盆地深湖沉积范围缩小，浅湖沉积范围增大，砂坝、混合坪沉积较为发育(见图7)，东部陡坡区的三角洲前缘扇体向湖盆内部延伸(见图9(a))。

图9 巴音戈壁组构造沉积演化(剖面位置见图7(b))Fig.9 Tectonoic-sedimentary evolution of Bayingebi formation(section position as shown in fig.7(b))

4 结论

(1)银额盆地拐子湖凹陷为具有明显的断、坳双重结构的陆相断陷盆地，经历断陷期、断坳转换期、坳陷期3个构造演化阶段； 其中断陷早期断层活动强烈，对沉积的控制作用较为显著。巴一段沉积期为盆地初始裂陷阶段，拐子湖中部凹陷及南部凹陷控边断裂开始活动，盆地格局存在多个地堑、半地堑，分割性较强，主要为众多古隆起从四周向湖盆及凹陷内部隆起供源；巴二段沉积期，东部边界断层活动剧烈，断块发生掀斜，半地堑式盆地格局初步形成，东部边界断层上升盘古隆起及盆地北部古隆起供源占主导。

(2)盆地断陷早期的巴音戈壁组主要充填扇三角洲、冲积扇、湖泊与重力流沉积，以近源粗砾沉积为主，存在多期的沉积再搬运。巴一段早期—巴一段晚期为一个水进的过程，巴二段早期—巴二段晚期为一个水退的过程；沉积体系经历由早期的冲积扇、扇三角洲—湖泊到巴一段晚期的扇三角洲—滑塌重力流沉积—湖泊，再到巴二段期的扇三角洲—砂坝—湖泊的充填过程。盆内同沉积断层活动性的演变及其横向差异性决定盆地的结构与地貌，也是影响沉积充填类型及演化特征的重要影响因素。