塔北地区三叠纪拗陷湖盆异重流沉积特征及主控因素

仲米虹，唐武

(1.中海石油气电集团有限责任公司 技术研发中心，北京 100028；2.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028)

异重流是当前国际沉积学界的一个研究热点[1-2]，是向深水输送沉积物的重要方式，但其重要性在过去一直被低估[3-4]。越来越多的证据表明，异重流可以向沉积盆地中搬运数百千米[5-9]，甚至可以在高水位期堆积厚层的碎屑岩沉积序列[10]。然而，国际上对古生代异重流沉积的报道却很少[11-13]。在中国，河口海岸动力学家和水利学家也陆续开展了异重流的相关研究[14-15]，但主要通过现场观测和数值模拟的手段，探讨异重流对水库及河口处泥沙淤积与排放等方面的影响，对其沉积产物关注较少。近年来，异重流的研究已初步引起沉积学家和石油地质学家的重视，一些学者对异重流的研究进展进行了综述[16-18]，并尝试应用于地层研究，但主要集中在断陷湖盆的研究，对陆相拗陷湖盆的研究很少[19-22]。本文通过对岩心、钻井、测井和地震资料的综合分析，探讨异重流沉积特征、沉积模式及主控因素，旨在对塔里木盆地油气勘探开发有所裨益。

1 地质概况

塔里木盆地是一个大型复合盆地，其四周被天山、阿尔金山、昆仑山等山脉围绕，受周缘造山带的影响，具有复杂的构造演化史[23-27]。三叠纪是塔里木盆地构造演化的重要转折期，由于盆地南缘古特提斯洋洋壳的强烈俯冲，区域应力场由伸展逐渐向挤压过渡，塔里木盆地进入前陆演化阶段。研究区位于塔北隆起上，属于隆后坳陷背景，是塔里木盆地的重要油气产区之一(图1)。三叠系是该区重要的油气产层，自下而上可划分为下三叠统俄霍布拉克组、中三叠统克拉玛依组和上三叠统黄山街组，其中，克拉玛依组自下而上分别为TⅢ油组和TⅡ油组，可划分出3个三级层序，而TⅡ油组为一个三级层序(SQ4)[28](图1b)。根据大量岩心、钻井和地震资料综合分析，研究区内TⅡ油组低位体系域(LST4)发育大规模滑塌型富砂湖底扇[29]，然而其湖侵(TST4)—高位体系域(HST4)砂体明显不同于滑塌型重力流砂体，对其分布规律和成因认识不清，亟需开展精细研究。研究区三维地震总面积约6 000 km2，地震频带为10～90 Hz，主频为40 Hz，钻井约300口，其中取心井30余口，为研究提供了条件。

图1 研究区位置及三叠系综合柱状剖面Fig.1.Location of the study area and stratigraphic column of the Triassic

2 异重流识别依据

不论是在海洋还是陆相湖盆中，异重流沉积都是一种常见现象，其形成与洪泛密切相关，可以向深水输送大量碎屑物质，其作用方式和沉积产物与浊流明显不同[4-9]。异重流作为一种速度低、持续时间长、具一定密度的准稳定沉积物重力流，其沉积产物被定义为异重岩(hyperpycnites)[4]。一个完整的异重岩序列通常由2个单元组成，一个是向上变粗的沉积单元(Ha)，代表着洪泛持续增强时期；另一个是向上变细的沉积单元(Hb)，代表着洪泛持续衰减时期，2 个单元转化处为最大粒径处，是洪峰的标志。因此，深水环境中反粒序—正粒序组合的异重岩沉积序列，是识别古代异重流的重要依据。本文在塔北地区三叠系TⅡ油组湖侵—高位体系域中识别出了异重流沉积，主要有以下依据。

2.1 沉积序列特征

在研究区西部S102 井4 455.5—4 459.6 m 岩心上，可见明显的异重流沉积序列，主要有2 种类型，一种是由灰色粉—细砂岩向上渐变为中砂岩，之上发育冲刷面，冲刷面上见泥砾，后又逐渐变为细砂岩的沉积序列(图2a)，这种序列与文献［10］的Ⅳ类异重流沉积的特点相似，代表洪泛规模先持续增强，之后逐渐减弱，而洪峰处能量很强，形成明显的冲刷面。意大利亚平宁山脉Marnoso-arenacea 组、美国怀俄明州白垩系Lewis 页岩中的Dad 砂岩段及日本海现代异重流均具有此特征[4-5，12]。另一种类型是由灰黑色泥岩向上渐变为灰色泥质粉砂岩、粉砂岩和细砂岩，之后渐变为灰色粉砂岩和灰黑色泥岩(图2b)，这种序列与文献［10］的Ⅲ类异重流的沉积特点相似，代表着洪泛先持续增强后逐渐减弱，但洪峰处能量较Ⅳ类明显弱，无冲刷面，呈渐变关系。

2.2 沉积构造

除发育典型的两单元结构外，还可见大量的爬升层理和沙纹层理(图2c、图2d)，而爬升层理是异重岩最常见的沉积构造[4]，代表颗粒沉积作用强于搬运作用。这种沉积构造以及较好的分选性也表明流体中颗粒沉积和牵引作用是同时发生的，符合异重流的流变学特点[1，30]，是异重流作用晚期形成的典型沉积构造，也是识别异重岩的重要标志。

图2 研究区TST4+HST4异重流沉积特征Fig.2.Characteristics of TST4+HST4 hyperpycnal flow deposits in the study area

2.3 发育背景

在LST4 沉积时期，研究区北部地形平缓，南部发育坡折带(图3)，在大量沉积物供给条件下，坡折带之下发育湖底扇，为滑塌型浊流产物[29]。相反，在TST4+HST4 沉积时期，研究区继承早期古地貌，湖平面上升，滑塌型浊流不发育。在此构造背景下，整体为深湖—半深湖的泥质沉积，并出现2 套砂体，砂体上可见突变面，发育大量平行层理、波状层理和沙纹层理(图4)，明显不同于典型滑塌浊积砂体的特征，符合异重流沉积特点。

图3 研究区LST4沉积时期古地貌特征（改自文献［24］)Fig.3.Palaeogeomorphology during the deposition of LST4 in the study area(modified from Ref.[24])

图4 研究区TST4+HST4典型异重流沉积（剖面位置见图1)Fig.4.Typical hyperpycnal flow deposits of TST4+HST4 in the study area(section location is shown in Fig.1)

综合考虑古地貌背景、砂体结构和沉积构造等特点，TST4+HST4 沉积时期，研究区发育的砂体具典型的异重流成因。

3 异重流分布特征

在LST4 沉积时期，研究区物源供给充足，发育大规模辫状河三角洲及富砂型湖底扇粗粒沉积，可见大量砾石[29]；在TST4+HST4沉积时期，湖平面快速上升，物源区后退，研究区远离物源，整体处于深湖—半深湖环境，粗粒沉积物含量迅速减少，发育洪泛成因的细粒异重流沉积。

由于异重流一般以悬浮方式搬运砂体，砂粒一般小于中砂[4]，因此通过粉—细砂岩和中砂岩砂体厚度及砂岩占比的分析，可揭示异重流的沉积特点。统计结果表明(图5a)，该时期以S94 井—S81 井—S4 井—T914 井—T913 井—S107 井一线为界，可将异重流沉积分为东北部和西南部2 大异重流沉积体系，其中，西南部规模较大，在TP18 井—T754 井—S116 井—T702井—S75井—YT1井—T114井—AT12井一线以南广泛连续分布，表现为多个朵状，砂体厚度为8～24 m，砂岩占比通常大于16%，在S75 井附近达到最大，可达50%(图5b)，砂体厚度及砂岩占比均具有自西南向东北增大的趋势。由于研究区范围的限制，东北部砂体呈多个小规模朵状分布，朵体之间以厚层泥岩分隔，但朵体上砂体厚度较大，一般大于16 m，局部可达30 m，砂岩占比为25%～50%。

图5 研究区TST4+HST4粉—中砂岩砂体分布Fig.5.Distribution of silty-medium sandstones of TST4+HST4 in the study area

由于目前关于异重岩的沉积微相划分尚无统一认识[7，11-13，19-22]，本文参照文献［11］对委内瑞拉马图林次盆渐新统—中新统Merecure 组异重流平面分析特点，结合研究区TST4+HST4 粉—中砂岩砂体厚度和砂岩占比，并综合岩心相、测井相和地震相分析成果，对TST4+HST4 沉积时期发育的异重流开展沉积相分析(图6)。研究区异重流主要来自西南部与东北部2个方向，其中，西南部居主导地位，且托普台中部的异重流沉积体系分布范围广，延伸距离长，平面上多期异重流沉积相互叠置，并在前端出现多个分支，如T704井、S105 井和S114 井，其间以深湖—半深湖相泥质沉积为主。异重流活动末期能量减弱，所携带的细粒悬浮物落淤沉积于异重流搬运路径两侧。由于搬运距离远，单期砂体厚度较小，测井上多表现为指状叠置特点，如TP9 井、AT5 井等；而托普台北部的异重流沉积分布范围相对局限，延伸距离短。东北部异重流沉积体系分布较局限，主要出现在桑塔木地区，多期异重流的相互叠置导致局部厚度较大，集中于朵体端，如T903井等。

4 主控因素

前人的研究成果表明，气候和构造活动是控制异重流发育的2大主要因素[4，10]，此外，河流规模、海平面升降与地形特征以及特殊地质条件，也会影响异重流的形成。塔北地区TST4+HST4 发育典型的洪水异重流沉积，是西南部和东北部河流洪泛时不断向深湖—半深湖搬运的碎屑物堆积而成，其形成是多种因素共同作用的结果，其中，气候、构造活动、湖平面变化、沉积物供给等因素主控异重流的发育和演化过程。

4.1 气候条件

气候变化影响降雨量，决定了水体流量，控制着洪泛的规模和频率，直接决定了异重流的形成及演化。在湿热的夏季，降雨量增大，水体流量增加，侵蚀作用增强，水体中悬浮物浓度增加，异重流形成的几率增大。而低温干燥的冬季，降雨量减少，侵蚀能量弱，水体中悬浮物浓度降低，不利于异重流的形成。此外，气候的剧烈变化会导致极端地质事件如骤发性洪水、冰川洪泛、天然堤溃堤以及泥石流频发，形成特殊的异重岩[4]。因而，气候变化对于异重流的形成和演变至关重要。TST4+HST4沉积时期，塔北地区位于北纬30°～40°[31]，属于热带—亚热带气候，洪水期河流流量猛增，为异重流的形成提供了有利条件。

4.2 构造活动和湖平面变化

构造的隆降会导致盆地形态发生变化，而在不同的地形背景下，其湖平面的升降对异重流发育的影响各不相同。在湖平面低位期，构造活动强烈的宽阔地形背景下，河道易于下切，有利于汇聚形成大河，而大河不易形成异重流，这种情况就发生在低位期的英国和法国陆架上，如莱茵河、塞纳河、墨兹河以及泰晤士河汇聚形成大型河道[4]。在湖平面高位期，在构造活动较弱的宽阔地形背景下，河流携带的粗粒沉积物供给减少，细粒悬浮沉积物增多，河流通常规模较小，异重流形成概率增大。LST4沉积时期，塔北地区北部地形宽缓，南部发育坡折带，在大量沉积物供给的条件下，坡折带之下发育湖底扇；TST4+HST4 沉积时期，继承了早期地形，湖平面上升，浊流不发育，易形成异重流。

4.3 沉积物供给

沉积物供给对异重流的控制作用主要体现在2个方面：一方面是控制河流体系的沉积物，沉积物供给量以及粒度大小，对异重流的形成均会造成不同程度的影响，例如，黄河上游提供大量细粒泥沙，河流入海处异重流频繁[32-33]；另一方面沉积物供给决定于河流的流量，流量越大，越不稳定，小规模的变化就会影响悬浮物浓度的剧烈变化，异重流越易形成，反之流量越小，异重流越不发育。TST4+HST4 沉积时期，研究区无砾石沉积，以粉—细砂和泥质沉积为主(图6)，这也反映了当时入湖河流以携带细粒泥沙为主，有利于异重流发育。

图6 研究区TST4+HST4异重流沉积砂体平面分布Fig.6.Planar distribution of hyperpycnal flow deposits of TST4+HST4 in the study area

5 沉积模式

通过上述对塔北地区三叠系TST4+HST4 异重流砂体分布特征和主控因素的分析，建立了陆相拗陷湖盆异重流砂体沉积模式(图7)。陆相拗陷湖盆地形整体宽缓，在洪泛初期，周缘入湖河流流量较小，携带泥沙少，河流负载物质堆积在河口形成三角洲；随着洪泛增加，湖平面快速上升，河流在高流量条件下携带大量泥沙潜入湖底，以异重流的方式向深湖—半深湖区输送粉—细砂岩和中砂岩，在湖盆中央沉积典型的异重岩。同时，由于多期洪泛以及洪泛规模和强度的多变性，导致形成不同的异重岩序列。

图7 陆相拗陷湖盆异重流沉积模式Fig.7.Depositional model of hyperpycnal flow in continental depressed lake basin

6 结论

塔北地区三叠系TⅡ油组湖侵—高位体系域沉积时期异重流发育，具备2 种典型的异重岩沉积序列。区内异重流主要分布于西南部与东北部，其中西南部居主导地位，分布范围广，延伸距离长，垂向上多期异重流沉积相互叠置，砂体厚度大，一般大于16 m，局部可达30 m。异重流的形成与洪泛密切相关，洪泛能量的差异将导致异重流沉积特征不同。异重流发育受到多个因素的共同控制，其中气候控制着洪泛的规模和频率，构造活动引起地形的变化，而地形与湖平面升降的相对关系影响着异重流发育与否，沉积物供给则决定了流量的大小及悬浮物的含量。此外，由于异重流搬运距离远，其沉积砂体位于深湖—半深湖环境中，四周被泥岩包围，侧向封堵条件良好，发育达到一定规模时可形成良好的岩性圈闭，具有较大的油气勘探潜力。