同生逆断层伴生褶皱对冲积扇片状砂砾体及辫状水道沉积的控制——以准噶尔盆地西北缘湖湾区三叠系克拉玛依组为例

夏钦禹，吴胜和，冯文杰，刘忠保

[1.中国石油 勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；3.长江大学 地球科学学院，湖北 武汉 430100]

同生断层及其伴生构造对沉积的控制作用近些年来一直是构造-沉积耦合方面研究的热点，然而国内外已有文章大部分研究的是同生正断层[1]及其伴生构造对沉积的控制作用，特别是对沉积盆地充填和沉积体系发育的控制作用[2-8]，鲜有见到同生逆断层对沉积的控制作用研究。目前，国内外学者更多地关注的是同生逆断层自身构造演化以及同生逆断层活动对宏观冲积扇体的影响，认为同生逆断裂活动的期次、强度与方式制约着扇体的数量、规模与迁移方向[9-22]。此外，前人论述了同生逆断层组合样式对扇体宏观叠置样式的控制作用[23]以及同生逆断层伴生构造对地层发育特征、砂泥岩分布的影响[24-25]，在一定程度上揭示了伴生构造对砂体发育程度的影响。但是，对于同生逆断层伴生褶皱对沉积构型的控制作用研究还存在不足[26- 27]，特别是对构型单元规模、方向、叠置样式以及沉积过程的研究较为缺乏。因此，本文采用水槽沉积物理模拟再现了同生逆断层伴生褶皱控制下片状砂砾体和辫状水道的沉积过程，并通过切片观察，分析了伴生褶皱影响下片状砂砾体和辫状水道的分布特征。在水槽沉积模拟的指导下，以准噶尔盆地西北缘湖湾区三叠系克拉玛依组为例，应用岩心、露头、密井网和地震资料，识别并解剖了冲积扇单一片状砂砾体和辫状水道沉积构型，分析了同生逆断层伴生褶皱对片状砂砾体及辫状水道沉积过程、规模、方向以及叠置样式的控制作用，丰富了构造-沉积耦合方面的研究。

1 区域地质概况

图1 准噶尔盆地西北缘构造位置与断层分布特征Fig.1 Tectonic location and fault distribution in northwestern margin of Junggar Basina.准噶尔盆地西北缘构造平面分区特征；b.湖湾区断层平面分布特征

图2 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱地震剖面特征(剖面位置见图1)Fig.2 Seismic section features of associated folds in northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.1 for the section location)a.过逆断层及伴生褶皱地震剖面；b.伴生褶皱局部地震反射特征

片状砂砾体发育在冲积扇扇根部位，是由洪水发散后携带的大量粗碎屑物质快速堆积而成，一期洪水形成一个片状砂砾体，在剖面上呈顶凸底平状。片状砂砾体主要由分选差的砾岩、细砾岩组成，混杂堆积(图3a,b)、碎屑支撑，呈块状，砾石磨圆度差，呈棱角状-次棱角状。SP曲线呈箱状较大低幅。辫状水道剖面呈顶平底凸状，可见明显的冲刷面构造。以细砾岩和粗砂岩为主(图3c)，分选较好，磨圆中等，常见平行层理、板状和槽状交错层理(图3d)，偶见砾石的定向排列现象，具有明显的牵引流特征。垂向上多为正韵律，SP曲线呈钟形(表1)。

表1 准噶尔盆地西北缘三叠系克拉玛依组冲积扇片状砂砾体及辫状水道特征Table 1 Characteristics of sheet glutenites and braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

图3 准噶尔盆地西北缘三叠系克拉玛依组冲积扇及辫状水道岩心和露头照片Fig.3 Cores and outcrops of alluvial fan and braided channel facies in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basina,b.片状砂砾体，混杂堆积中砾岩，a图为T10193井，埋深720.2 m;c,d.辫状水道，分选较好细砾岩，c图为T10193井，埋深662.5 m，d图中见交错层理

2 研究思路及方法

伴生褶皱对冲积扇沉积构型的控制作用分析需要明确两个方面，即伴生褶皱的活动范围、活动强度以及对应时期片状砂砾体和辫状水道的分布特征。

本文利用水槽沉积物理模拟再现冲积扇片状砂砾体和水道的形成过程，并且对模拟结果进行进一步切片观察，分析伴生褶皱影响下内部片状砂砾体和辫状水道的分布特征。以湖湾区三叠系克拉玛依组沉积背景为依据，统计取心井冲积扇岩心粒度分析结果，确定沉积物粒度配比，砾(1.000～2.000 mm)占35%，砂(0.010～0.500 mm)占40%，粉砂(0.005～0.050 mm)占15%，泥占10%。以地层厚度和工区范围为参考确定沉积物供给量等参数[28-30]。相对冲积扇事件性沉积，伴生褶皱在该较短沉积时期内可认为是相对不活动的，即在冲积扇沉积过程中可认为伴生褶皱是已经存在的。因此基于这一认识，结合研究区实际伴生褶皱发育位置、范围、起伏高度以及冲积扇沉积厚度和伴生褶皱起伏高度的相对比例，设计伴生褶皱发育位置、面积和抬升幅度。

为了达到以上模拟条件，设计了图4的实验装置。水槽大致长9 m，宽3 m，深0.8 m，由沉积区和物源区两大部分组成。设置一个物源出口，由搅拌器将沉积物搅拌均匀后释放，以模拟砾、砂和泥混杂情况下的重力流搬运特征。实验共设置5次冲水(Run1至Run5)，每次约7 min，每期沉积物配比及水量不变，出口处设置阀门，控制洪水量大小。模拟过程采用间歇性放水以模拟冲积扇事件性沉积，水槽边部设置录像和照相装置，对实验过程进行全程记录。根据水槽沉积模拟实验几何相似原理，水平比例约1 ∶10 000，垂向比例约为1 ∶100，模拟冲积扇沉积之前设计伴生褶皱(半椭球状水泥凸起)面积约0.5 m2，抬升幅度2.5 cm，置于合适位置。实验中由于工艺条件限制，半椭球体形态是均匀的，表面没有起伏变化，这与实际研究区地下伴生褶皱发育特征存在一定差异，但不影响伴生褶皱控制下片状砂砾体和辫状水道整体沉积过程的观察，特别是伴生褶皱边部其沉积特征的特殊性。

图4 水槽沉积物理模拟实验装置示意图Fig.4 Sketch diagram showing the flume simulation apparatus

通过水槽沉积物理模拟，对伴生褶皱控制下冲积扇的沉积过程、片状砂砾体和辫状水道的分布特征有了更加清晰直观的认识。在此机理研究的指导下，本文选取湖湾区东部典型伴生褶皱作为实例区，分析其不同时期的活动范围和强度。在地质概况部分已阐述了典型伴生褶皱发育特征，同时为了定量表征伴生褶皱的活动强度，将其活动强度定义为伴生褶皱翼部地层厚度与发育范围内地层厚度之差再与翼部地层厚度的比值，该值介于0～1，值越大反映伴生褶皱活动越强烈，反之代表其活动越微弱。另一方面，选取包括伴生褶皱在内的密井网区作为解剖区，以露头解剖的构型单元规模为指导(图5)，结合测井曲线形态和规模差异[31]来划分单一构型单元(图6)，表征其平面和剖面特征。平面上，将伴生褶皱活动强度平面图与解剖区沉积构型平面分布图“叠合”，对应分析平面上伴生褶皱的发育情况对沉积构型单元规模、叠置样式的控制作用；剖面上，绘制过伴生褶皱的沉积构型剖面分布图，分析剖面上伴生褶皱顶部和翼部构型单元发育程度和侧向连续性的差异以及构型单元的沉积过程。

图5 准噶尔盆地西北缘三叠系克拉玛依组辫状水道构型露头解剖Fig.5 Outcrop dissection of braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

图6 准噶尔盆地西北缘湖湾区三叠系克拉玛依组冲积扇单一片状砂砾体识别标志Fig.6 Identification markers of single sheet glutenite in the alluvial fan of the Triassic Karamay Formation in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

3 水槽沉积物理模拟过程

3.1 实验过程描述

Run1阶段，模拟初期，水流携带大量砾、砂和泥在出口正前方较近部位快速沉积下来，表现为片状砂砾体沉积。随后片状砂砾体逐步向前方进积以及向两侧侧积。该阶段末期片状砂砾体总体呈扇形，与典型的冲积扇沉积相一致，砂砾体周围为漫流细粒沉积。

Run2阶段，仍以片状砂砾体沉积为主要特征。在Run1沉积的片状砂砾体的影响下，水流携带大量沉积物向斜交物源方向搬运，对Run1形成的沉积体进行快速冲刷侵蚀，随后沉积物快速堆积下来。该阶段片状砂砾体表现为侧积。Run1和Run2阶段，冲积扇沉积受伴生褶皱影响不甚明显。

Run3阶段，在Run2末期的基础上，随着一侧沉积物快速堆积，水流携带沉积物向另一侧搬运，类似地形成第3期片状砂砾体。在冲积扇扇面沉积物堆积达到临界点后，开始出现水道化特征，即形成主辫状水道。该水道冲刷侵蚀早期沉积物，将第4期片状砂砾体携带至扇体远端、伴生褶皱边部沉积下来。后期水道自身逐步沉积充填。

Run4阶段，早期表现为片状砂砾体沉积，受伴生褶皱影响，片状砂砾体仅侧向搬运堆积。该阶段末期与Run3类似，再次出现水道化特征，在伴生褶皱边部沉积第6期片状砂砾体，末期水道逐步充填。

Run5阶段，在Run4阶段的基础上，该阶段水道由斜交物源方向向顺物源方向迁移，但由于伴生褶皱的阻碍作用，伴生褶皱发育范围内仍不发育冲积扇沉积。

3.2 伴生褶皱对片状砂砾体和辫状水道沉积的影响

片状砂砾体属于冲积扇发育过程中的事件性沉积，搬运距离短，沉积过程受可容空间影响大，往往在可容空间较大部位快速沉积下来。伴生褶皱各部位在平面上活动强度和隆升幅度并不完全一致，因此不同部位可容空间大小也存在相应差异，从而控制了片状砂砾体的沉积过程。水槽沉积模拟实验表明(图7)，近源端不发育伴生褶皱的范围内，片状砂砾体的沉积过程呈现由主流方向向两侧迁移的特点，由第1期到第2，3期(图7a—c)。相反，在伴生褶皱长轴方向凸起幅度各部位大致相同条件下，由于隆起地貌的影响，片状砂砾体以绕流方式沉积在伴生褶皱两侧，并表现出由斜交物源方向向顺物源方向迁移的特点，第6期到第7期(图7e)。

相比水槽沉积模拟概念模型而言，实际地下伴生褶皱不同部位抬升幅度存在差异，而沉积模拟伴生褶皱长轴和短轴方向为理想变化趋势(与背斜类似)，与地下实际情况存在差异。因此抬升幅度相对较低的部位成为了片状砂砾体的优先沉积区域，这在沉积模拟实验中并不明显。但伴生褶皱对冲积扇片状砂砾体和辫状水道沉积的总体影响，特别是伴生褶皱边部对其沉积的影响通过水槽模拟实验可以得到较好的还原，与实际研究区地下情况相一致。

辫状水道是冲积扇上除片流砂砾体外另一个重要的沉积构型单元。水槽沉积模拟能够较好再现伴生褶皱控制下辫状水道的沉积演化过程，弥补地下地质分析的不足。模拟结果表明，在冲积扇沉积过程中，水道首先充当粗粒沉积物供给的作用，然后在后期接受沉积。Run1，Run2阶段，水道不发育，为片流砂砾体沉积。Run3阶段水道化特征逐步明显，且由于伴生褶皱的阻碍作用，水道存在绕流现象(图7d,e)，即明显偏离本来的水流方向。整体上，随着沉积作用的进行，呈现出与片状砂砾体相类似的，由斜交物源方向向顺物源方向迁移的特点。

图7 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱控制下片状砂砾体及辫状水道沉积过程Fig.7 Sedimentary process of sheet glutenites and braided channels controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basina. Run1模拟阶段;b. Run2模拟阶段;c. Run3模拟阶段;d. Run4模拟阶段;e. Run5模拟阶段;f.单一片状砂砾体叠置关系(注：图中数字代表单一构型单元的沉积期次序号，黄色代表片状砂砾体，白色代表辫状水道，实线代表本期形成的构型单元，虚线代表前期形成的构型单元。)

水槽沉积模拟实验结果表明，无论是辫状水道还是片状砂砾体，其在伴生褶皱边部发育程度明显高于伴生褶皱发育部位。伴生褶皱边部沉积厚度大，片状砂砾体和辫状水道呈垂向叠置或侧向接触式；而伴生褶皱发育部位沉积厚度小，片状砂砾体和辫状水道孤立分布，甚至完全不发育(图8)。

图8 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱控制下单一片状砂砾体和辫状水道剖面分布特征(剖面位置见图7)Fig.8 Section distribution of single sheet glutenite and braided channel controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.7 for the section location)(注：图中数字代表与图7对应的单一构型单元的沉积期次序号，黄色代表片状砂砾体，白色代表辫状水道。)

4 准噶尔盆地西北缘湖湾区三叠系克拉玛依组地下沉积构型解剖

4.1 伴生褶皱控制下片状砂砾体沉积过程解剖

图9 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱发育区三叠系克拉玛依组单层单一片状砂砾体解剖及沉积期次划分Fig.9 Dissection and sedimentary stages of single sheet glutenites in the Triassic Karamay Formation layer in fold development associated area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.2 伴生褶皱对片状砂砾体规模、叠置样式的控制

4.3 伴生褶皱对辫状水道规模、叠置样式的控制

图11 准噶尔盆地西北缘湖湾区伴生褶皱发育区三叠系克拉玛依组单层单一辫状水道解剖及平面展布特征Fig.11 Dissection and planar distribution of single braided channel in the Triassic Karamay Formation layer in associated fold development area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.4 伴生褶皱控制下片状砂砾体和辫状水道沉积模式

通过对克下组冲积扇片状砂砾体及克上组辫状水道沉积构型单元的解剖，明确了不同时期冲积扇单一片状砂砾体和单一辫状水道的分布特征、规模大小、叠置样式、展布方向以及片状砂砾体的沉积过程，据此建立了同生逆断层伴生褶皱控制下的片状砂砾体-辫状水道沉积模式(图13)。

图13 同生逆断层伴生褶皱控制下片状砂砾体及辫状水道沉积模式Fig.13 Sedimentary pattern of sheet glutenites and braided channels controlled by syn-depositional reverse fault associated folds

1) 同生逆断层在逆冲过程中，由于挤压作用导致地层挠曲变形，在断层上升盘发育弯曲状背斜，即伴生褶皱构造，褶皱顶部地层厚度小于两翼地层厚度。

2) 片状砂砾体呈朵状或舌状，多个单一片状砂砾体侧向、垂向叠置组成平面上看似泛连通的片状砂砾体。单一片状砂砾体在山前开阔带规模较大，叠置程度较低，伴生褶皱附近叠置程度增大。由于同生伴生褶皱的遮挡作用，片状砂砾体仅能沉积在伴生褶皱靠近物源一侧或伴生褶皱边部，随着伴生褶皱活动停止，片状砂砾体逐渐超覆于伴生褶皱之上。

3) 伴生褶皱边部和活动强度较小部位辫状水道侧向切割、汇聚分叉频繁，单一辫状水道规模较大，呈宽带状或交织条带状；伴生褶皱活动强度较大以及冲积扇前端漫流细粒沉积为主的区域，辫状水道发育程度低，呈孤立窄带状，甚至不发育。

5 结论

1) 近源处不发育伴生褶皱的区域为片状砂砾体优先沉积部位，片状砂砾体由主流方向向两侧迁移，单一片状砂砾体规模较大、侧向叠置程度较低，地下解剖单一片状砂砾体最小宽度约1 000 m，平均宽度1 400 m。

2) 在伴生褶皱边部和局部低隆起部位，片流砂砾体和辫状水道沿其绕流，随着沉积作用表现出由斜交物源方向向平行物源方向迁移的特点，单一片状砂砾体规模较小、侧向叠置程度较高，辫状水道叠置较为复杂，呈交织条带状或宽带状，地下解剖单一片状砂砾体宽度最小为450 m，平均宽度1 000 m，单一辫状水道宽度150～350 m，厚1.5～8.1 m。

3) 在伴生褶皱高隆起部位无片状砂砾体沉积，而辫状水道呈孤立窄带状，侧向连续性差，地下解剖单一辫状水道宽度80～120 m，厚1～4 m。

感谢审稿专家提出的宝贵修改意见以及期刊编辑的认真审核校对。