火焰山地区浅表层砾岩层成因及分布特征解剖

阴学彬，郭 翔，李新宁，孙 博，刘洪彦，张旭峰，牟克勋

（1.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；2.中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院,新疆哈密 839009）

1.概况

火焰山位于新疆维吾尔自治区吐鲁番地区鄯善县,山体呈东西向展布,由西至东依次被胜金沟、土峪沟和连木沁沟切割成多段。火焰山地区地表条件复杂,可划分为山体区、农田区和戈壁区,地形起伏剧烈,高差大。山体南坡陡峭,可达70 °,山体北坡较为平缓。

从卫星照片上,可以清晰地看到吐哈盆地表层广泛发育以周缘山体和火焰山为物源的冲积扇群,扇群中各冲积扇的发育规模受盆山落差、扇体出露地层岩性和河流发育程度等多重因素影响［1-3］（图1）。下覆新近系（N）浅表层高速、低速砾岩扇体的分布情况尚不清楚,地质和测井资料欠缺,造成地震资料处理速度模型不准确,影响地震资料处理品质［4］。因此,目前急需结合地球物理手段来搞清地表下高速、低速砾岩体的纵横向变化的规律,为后续的油气勘探提供较为准确的地震资料。

2.火焰山地区浅表层砾岩层成因分析

前人研究成果表明,吐哈盆地由地质历史演化过程中不同时代和不同性质的沉积盆地复合叠加形成。吐哈盆地构造演化可以划分为4 个阶段,海西晚期,吐哈盆地南缘觉罗塔格山隆起,北缘博格达裂谷关闭形成吐哈盆地现今长条形东西走向的构造格局；印支期,盆地北缘的巴里坤山和哈尔里克山隆升,导致东北部逆冲造山；燕山期,进一步强化了吐哈盆地东西走向构造格局；喜马拉雅期,盆地北缘新天山活动导致博格达山快速隆升［5］。与新天山褶皱造山带相伴随的前陆（类前陆）盆地,受褶皱造山作用影响,在盆地中的摩拉石堆积过程中,沉积体一般呈平行造山带的条带状展布。摩拉石在盆地横切面不对称,近山麓一侧沉积物粒度粗,有巨厚砾岩层发育,远离山麓一侧沉积物粒度细,且沉积厚度向远离山麓一侧快速减小,摩拉石建造的横剖面为楔形［6］。

火焰山位于吐哈盆地吐鲁番坳陷中部,整体呈平行北部博格达山的北西西走向。火焰山属于吐哈盆地前陆冲断前锋带,在喜马拉雅构造运动期受南部前陆古隆起阻挡,形成盖层滑脱型断展断裂,北部中侏罗统西山窑组至第四系西域组地层逆冲出地表,形成现今火焰山南翼高陡北翼宽缓的构造形态（图2）。推测在火焰山形成初期,山体与南部艾丁湖洼陷相对高差超过800 m（图3）,山体岩石风化破碎后向南崩塌搬运的势能大,在山南艾丁湖洼陷临近火焰山区域堆积大面积砾岩扇体；火焰山与火北斜坡的高差相对较小,风化破碎岩石就近堆积形成平行于火焰山山体的窄条状砾岩扇群（图1）。

图1 吐哈盆地西部地表卫星图

图2 火焰山西段地质露头

图3 火焰山西段地表高程

2.1 浅表层砾岩层结构分析

根据岩性录井、声波测井和VSP 测井速度分析,火焰山南北两翼砾岩层自上而下可划分为低速和高速两套砾岩层。低速砾岩层位于表层黄土之下,厚度和速度纵横向变化大,区域已有钻井揭示厚度为20～320 m,速度为1 300～1 800 m/s；高速砾岩层横向分相带,其厚度及速度纵横向变化较大,区域已有钻井揭示厚度为300～800 m,速度为2 000～3 000 m/s,低速砾岩层与高速砾岩层呈不整合接触,高速砾岩层与下覆地层呈角度不整合接触（图4）。

图4 火焰山南翼近东西方向砾岩层结构（井位置见图2）

2.2 浅表层砾岩层成因分析

火焰山南北两翼砾岩层沉积主要受喜马拉雅中—晚期地层抬升速率、古地貌和物源供应量等因素共同控制［7］。通过地质、构造和古地貌综合分析,结合录井、测井、地质露头和地震相和地震属性等多种资料联合分析,建立了两套砾岩层在山体两翼分带、东西向受古凸起分割、纵向两套砾岩层叠合、晚期快速堆积的成因模式［8-9］。

火焰山南北两翼高速砾岩层为上新统葡萄沟组。自中新世末期开始,北天山进入新一期隆升,作为逆冲断层前展式递进变形的结果,火焰山在这一时期同期隆升造山,出露山体不断遭受剥蚀,提供丰富的物源供给,由于山体南翼高陡,北翼宽缓,形成山体南翼近源堆积砾岩扇体厚、延展远,依托古水流呈发散状扇群发育特征,山体北翼坡度小,近源堆积砾岩扇体薄,呈窄条状砾岩扇群发育特征。

火焰山南北两翼高速砾岩层成因上受喜马拉雅构造运动强度及古地貌形态控制,形成南北两翼平行火焰山分布,东西向受古凸起分割的空间展布特征（图5）。

图5 火焰山南北两翼高速砾岩厚度分布

火焰山南北两翼低速砾岩层为喜马拉雅构造运动晚期最后一幕的第四系西域组沉积,成因与高速砾岩层具有相似性（图6）。

图6 火焰山南北两翼低速砾岩厚度分布

3.属性分析及浅表层扇体分布特征

应用岩性录井、声波测井、VSP 测井、卫星图和地震资料属性等多种信息,开展了火焰山南北两翼地区浅表层砾岩层成因分析及地层结构和分布特征研究,为浅表层速度模型准确建立和提高地震资料处理效果奠定了坚实的数据基础,从而为准确落实下覆地层构造形态提供了地质依据［10］。

综合已钻井浅表层岩性录井和测井曲线特征,把新近系葡萄沟组地层和第四系西域组地层划分为两段。上段为第四系西域组低速砾岩层,是未经压实的地层,表现为弱反射杂乱地震相,依托火焰山呈向山体两翼发散状的扇体展布。提取的地震均方根振幅属性平面上具有从山体向两翼发散的“朵页”状扇体形态,由山体向远端依次划分为扇根、扇中和扇端。下段为新近系葡萄沟组地层高速砾岩层,表现为低频强反射连续地震相,依托火焰山呈向山体两翼发散状的扇体展布。提取的地震均方根振幅属性值域明显高于上段低速砾岩层均方根振幅属性,平面上具有从山体向两翼发散的“朵页”状扇体形态,由山体向远端依次划分为扇根、扇中和扇端。

受火焰山造山作用、古地貌和物源供给量等多重因素的影响,火焰山南北两翼高速砾岩层和低速砾岩层的空间分布具有南北分片、东西分带的规律性。火焰山南部葡萄沟组高速砾岩层受古凸起和古水流共同控制,发育东西分块的“三沟三凸”分布特征。由西至东依次发育库如克艾格孜沟、火南凸起、胜金口、玉西凸起、土峪沟和玉东凸起（图7）。

图7 火焰山地区卫星图与葡萄沟组高速砾岩层厚度图叠合

火焰山在新近纪中期开始快速隆升,山南垂直火焰山方向形成前陆楔形沉积体,具有明显的多期叠置的前积特征（图8）。山南沿火焰山方向具有典型的垒嵌相间构造特征,三个冲沟发育区沉积的砾岩层较厚,冲沟之间的凸起区沉积砾岩层较薄,高速砾岩层厚度可达600 m,向凸起区逐渐超覆减薄,在玉西凸起高部位最薄约100 m（图9）。

图8 吐哈盆地火焰山南部楔形沉积区南北向砾岩层沉积模式（剖面位置见图7）

图9 吐哈盆地火焰山南部楔形沉积区东西向砾岩层沉积模式（剖面位置见图7）

受喜马拉雅运动期最后一幕构造运动、古水流、物源供给和正向构造控制,低速砾岩层总体表现为北厚南薄、东西向受古凸起分割、以古水流为中心由北向南呈多个扇形的分布特征。结合井震联合标定和地震反射特征识别,低速砾岩层与高速砾岩层呈不整合接触关系,在地震剖面上可追踪解释。

通过井震联合标定,落实高速砾岩层为低频、连续—较连续、强振幅的地震反射特征,低速砾岩层为低频、不连续、弱反射的地震反射特征。结合地震反射特征认识,开展层间均方根振幅属性提取,有效刻画高速砾岩层的空间展布规律（图10）。结合均方根属性提取与地震解释刻画,有效落实高速砾岩扇体空间展布。高速砾岩扇体依托火焰山山体由北向南发育,依次为扇根、扇中和扇端。扇根区域由于快速堆积效应,地震反射杂乱,中强振幅,东西向长轴平行火焰山方向发育；扇中沉积碎屑物经过一定的分选磨圆,地震反射具平行接触关系,强振幅,呈“舌”状依托火焰山由北向南展布,由西至东依次发育火南扇、玉西扇和玉东扇；扇端反射具有平行接触关系,中—弱振幅,分布在扇体远端。地震反射特征与声波测井曲线相对应,扇中部位地层平均速度最高,扇根发育区地层平均速度次之,扇端发育区地层平均速度较低。结合均方根属性与地层平均速度关系认识,通过地震属性提取分析,有效落实了高速砾岩扇体的平面展布特征。

图10 浅层高速砾岩层振幅属性与卫星照片叠合图

第四系西域组低速砾岩扇体的地震反射和属性特征与新近系葡萄沟组高速砾岩扇体特征具有较好的相似性（图11）。依托火焰山山体由西至东依次发育三个低速砾岩扇体,分别是火南、玉西和玉东低速砾岩扇。

图11 浅层低速砾岩层振幅属性与卫星照片叠合图

通过对火焰山山南砾岩层成因分析和空间展布特征研究,初步建立砾岩层成因模式,明确了砾岩层空间展布,有效指导了地震资料处理中的浅表层速度建模,为浅表层地震成像及下覆构造形态的准确落实提供了支撑。

4.结论

（1）火焰山南翼浅表层砾岩为依托火焰山、横向受凸起分割、早期多级扇叠合进积、晚期快速进积的成因模式。高速砾岩层山体内部呈现纵向分期、横向分带沉积特征,且沉积厚度大、成岩作用强、速度高,低速砾岩层则呈现快速堆积特征,厚度小,结构疏松,速度低。

（2）火焰山南翼浅表层两套砾岩层受喜马拉雅构造运动、古凸起及沉积物供给量控制,区域分布具有东西分带特征。总体发育以库如克艾格孜沟、胜金口和土峪沟为物源的火南扇、玉西扇和玉东扇。