玛湖凹陷二叠系-三叠系沉积模式与分支河流体系演变

张 磊,张昌民,赵 康,安志渊,张祥辉

(1.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院,新疆克拉玛依 834000;2.长江大学地球科学学院,湖北武汉 430100)

分支河流体系(Distributive Fluvial System,简称DFS)是从顶点呈放射状展布的分支状河流沉积。DFS最早由Weissmann等提出[1],Weissmann等指出DFS“通常也被称为冲积扇、洪积扇和巨型扇”;同年,Hartley等[2]公布了对全球724个DFS测量的结果,并重点选择其中的415个大型DFS进行分析,总结了识别DFS的6条准则,发现DFS发育受盆地构造、气候以及流域大小、源区母岩性质等盆地外部因素和内部因素共同控制。

DFS概念提出之后也受到一些质疑[3-5],部分学者认为Weissmann等(2010)的论文在卫星图像数据库的统计方面夸大了DFS分布范围,DFS与河流扇(fluvial fan)和巨型扇(megafan)相同,没有必要提出一个新名词。Weissmann及其团队强调DFS是一个“集合词”,强调沉积体系的整体性和内部冲积扇、辫状河、曲流河等单元的联系性,重视河流在陆相盆地的主控作用,并撰文对学术界提出的质疑进行分析[6-8]。国内也有学者主张使用河流扇。李相博等[9]用河流扇的观点解释了鄂尔多斯盆地延长组“满盆砂”的成因,张元福等[10]对国际上关于河流扇的最新进展和争议进行了系统的阐述,将DFS作为河流扇的同义词,认为河流扇的研究将丰富传统的沉积学认知,正在引发世界范围内对现代和古代陆相沉积体系的再认识,对古代河流扇沉积的研究将为油气储层研究提供新思路。近十年来,DFS研究在现代沉积、露头分析、地下地质对比等领域全面展开[11-19],研究方法和理论成果逐渐系统化,显示其科学特质和应用价值[20-23]。

二叠系和三叠系是玛湖凹陷的主力含油层系,河流是沉积物的主要搬运营力和扩散载体,河道径流将大量沉积物搬运堆积在凹陷边缘,形成了冲积扇、河流、三角洲等沉积体系,造成从砾岩到砂砾岩-砂岩-砂泥岩-泥页岩储层的有序分布格局。早期研究主要以冲积扇模式指导沉积体系分析[24-28],2000年以来扇三角洲模式被广泛使用[29-34],但任何单一的模式都难以完整表达某一地质历史时期所形成的沉积体系特征,而且在河流与冲积扇、三角洲概念的内涵关系方面还存在概念上的冲突。

本文以较新的分支河流体系理论为基础,利用岩心、测井和地震资料,分层组研究玛湖凹陷二叠系和三叠系沉积体系分布,建立基于分支河流体系的沉积模式,分析分支河流体系演变规律及其与盆地构造发展阶段的关系,为储层预测提供参考。

1 地质概况与研究背景

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘,是准噶尔盆地玛湖-漠区坳陷的次一级负向构造单元,也是准噶尔盆地最重要的含油气凹陷(图1)。玛湖凹陷经历了晚石炭纪的碰撞-成盆阶段、二叠纪盆地压陷-挠曲阶段、三叠纪挠曲-坳陷阶段、侏罗纪至古近纪的坳陷-沉降阶段和新近纪至第四纪的再生前陆盆地阶段[35],发育多套生储盖组合,发现了大量常规和非常规油气藏,呈现出不同类型油气藏垂向和横向有序分布的全油气系统特征[36-38],弄清储层沉积体系展布模式和分布规律是完善全油气系统理论的重要内容。

图1 玛湖凹陷的构造位置

本文采用Weissmann等[1]和 Hartley等[2]的观点,将冲积扇、河流扇、巨型扇一并纳入DFS的范畴(表1),并认为:①DFS的沉积动力以河流为主,泥石流等重力流只在较小的DFS上出现;②DFS上发育的河流可以是辫状河,也可以是曲流河和网状河,一般为多类型河道共生。河道类型向DFS下游不断变化,河道弯曲度一般呈增加的趋势;③DFS终端类型众多,终止在陆上的DFS称为冲积扇、河流扇和巨型扇,终止在静止水体后形成DFS三角洲,三角洲前缘水下分流河道部分为DFS与湖泊的过渡带,河流沉积作用与湖泊沉积作用同时存在,纳入DFS的范围,其他部分与DFS无关。

表1 DFS的规模和形态分类

图2为本文使用的沉积模式,该模式将沉积体系内部的相带进行精细划分,展示了砂体叠置程度的变化。如果DFS没有携带沉积物进入水体,此时就不发育水下的湖泊体系,只发育陆上的DFS,可以划分为冲积扇、河流扇和巨型扇,其内部可以划分为顶端、近端、中部、远端4个相带,不发育过渡带;如果冲积扇、河流扇和巨型扇携带了沉积物进入水体,则会发育河流沉积作用与湖泊沉积作用同时存在的过渡带,此时发育的沉积体系包括DFS和湖相体系,DFS可以划分为顶端、近端、中部、远端、过渡带共5个相带。DFS延伸的范围,也就是DFS的半径,从沉积物扩算开来的顶点开始,到河流作用消失的界线结束,具体就是顶端-近端-中部-远端的延伸范围(如果发育过渡带,则还包括过渡带)。

图2 DFS沉积相带分布模式

2 二叠系的沉积特征与沉积模式

玛湖凹陷二叠系自下而上划分为佳木河组(P1j)、风城组(P1f)、夏子街组(P2x)、下乌尔禾组(P2w)和上乌尔禾组(P3w)。

2.1 佳木河组

佳木河组为火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩组成的混积层,不同岩性在垂向上交互出现[39-40]。发育的碎屑岩以砾岩为主,多为灰褐色、红褐色,块状层理发育,局部见颗粒定向排列和小型交错层理,碎屑颗粒磨圆中等,分选差。沉积微相类型包括泥石流沉积、辫状河道沉积、泛滥平原洼地沉积、三角洲前缘沉积、湖泊滩坝沉积和湖相泥岩沉积,指示在频繁的湖平面升降影响下发育冲积扇等小型DFS及扇三角洲沉积体系(表2)。

表2 玛湖凹陷二叠系三叠系各组岩石相、沉积微相与DFS发育特征

佳木河组早期在中拐凸起及克-百断裂带主要发育扇三角洲,在乌-夏断裂带以火山岩相为主。靠近西部断裂火山口以串珠式连片发育,向东依次出现近火山口相、远火山口相、扇三角洲相、湖相。此阶段发育8个主要DFS体系,最大的DFS半径为32 km(表3)。中期乌夏地区火山活动减弱,近火山口相发育范围变小,扇三角洲向湖盆方向推进明显,湖相分布范围变小,此期发育的最大DFS半径为40 km。晚期乌夏地区有较大扇三角洲发育,火山相仅在断裂附近呈条带状分布,横向上被扇三角洲切割,火山相以中心式喷发为主,火山分布范围最小,发育的最大DFS半径为37 km。

表3 玛湖凹陷二叠系主要DFS类型及其规模

佳木河组沉积时期,火山活动在断裂带附近最为活跃,往凹陷中心逐渐过渡为碎屑沉积。在断裂带附近,继承性火山喷发形成的多旋回火山口-近火山口亚相在垂向上相互叠置,远火山口地区表现为熔岩与扇三角洲沉积的垂向叠置。在斜坡带,火山碎屑岩与扇三角洲和湖泊沉积交替发育。平面上依次出现火山口-近火山口亚相、远火山口内亚相+部分扇三角洲平原亚相、远火山口外亚相+主体扇三角洲平原亚相、远火山口外亚相+扇三角洲前缘亚相(或滨浅湖亚相)、前扇三角洲亚相或浅湖-半深湖亚相,根据以上特征建立佳木河组沉积模式(图3)。

2.2 风城组

风城组岩性复杂(表2),为一套碱湖背景下的沉积[41-42],与佳木河组相比,风城组火山岩发育范围及厚度变小,而且碎屑岩总体颗粒变细。沉积微相类型包括各种砾质和砂质河道沉积、河道间泛滥平原沉积、三角洲前缘沉积和分布广泛的滨浅湖相和深湖相沉积(表2),盆地边缘以冲积扇这种小型DFS为主,湖平面波动导致DFS分布范围变化很大。

风城组早期凹陷西南部发育火山岩相-碎屑岩相,东北部以湖相为主,发育凝灰质碎屑岩,往沉积中心方向,云质岩类发育;主要发育DFS中部、远端以及三角洲前缘沉积,向盆地内过渡为湖相沉积,DFS最大半径32 km(表3)。风城组中段时期,湖盆萎缩,气候变干旱,蒸发量变大,此时风城组白云岩、云质岩类与富有机质岩泥岩互层出现,同时发育碱性矿物;DFS比较发育,受断层前展逆冲影响,DFS向盆地进积,物源以西北方向为主体,最大DFS半径减小到26 km。风城组上段继承了中段时期的沉积相特征,DFS类型仍以冲积扇为主,发育部分河流扇,入湖形成扇三角洲和河流三角洲体系,最大DFS半径达到35 km,火山岩主要在研究区南部断裂附近分布。

2.3 夏子街组

夏子街组发育粗粒和细粒碎屑岩(表2),底部发育一套灰色砂砾岩,中上部为褐灰色含砾泥质细砂岩与褐灰色砂砾岩互层沉积;与风城组相比较,夏子街组黑色泥岩厚度减少,褐色和红色泥岩增加,指示湖泊面积减小,水体变浅。发育的沉积微相有辫状河道沉积、泛滥平原沉积、滨浅湖泥岩沉积、半深湖-深湖泥沉积等[43-45](表2);与风城组相比,夏子街组沉积物粒度较粗,DFS规模变大。

夏子街组沉积体系主要以河流扇-三角洲及湖相沉积为主,物源有东、西、北三个方向,凹陷周缘主要发育有17个DFS,最大DFS半径为52 km(表3),靠近西部物源的沉积体系规模明显大于北部与东部沉积体系规模。

研究区受湖侵作用影响,DFS向陆退积,夏子街组整体发育一套完整的向上变细的正旋回沉积序列。西部物源供给的DFS体系规模明显大于东部及北部;其次西部古地形坡度相对东部及北部平缓,有利于沉积物在凹陷内部广泛分布。平面上,西部物源供给的沉积体系规模展布范围大,形成河流扇-三角洲(图4)。

图4 玛湖凹陷二叠系夏子街组沉积模式

2.4 下乌尔禾组

下乌尔禾组发育粗粒和细粒碎屑岩(表2),同时存在氧化和还原环境。下乌尔禾组物源位置在一定程度上继承了夏子街组,发育冲积扇、河流扇等中小型DFS,在其末端发育三角洲[46-47]。

下乌尔禾组的沉积模式与夏子街组相似,夏子街一、二段为湖泊扩张期背景下发育的冲积扇-扇三角洲-湖泊沉积环境,物源有东、西、北三个方向,西部物源的沉积体系规模大于东部地区,共发育15个主要DFS体系,最大沉积体系半径38 km(表3)。研究区乌尔禾组三、四段以湖相沉积为主,砂体不发育(图5)。

图5 下乌尔禾组DFS分布

2.5 上乌尔禾组

上乌尔禾组69口井共1 217.60 m的岩心中砾质岩约占70%,砂质岩约占22%,泥质岩约占8%,砾岩以细砾岩、小中砾岩和大中砾岩为主。上乌尔禾组主要发育的沉积微相组合形成DFS近端、DFS中部、DFS远端、三角洲前缘、前三角洲5种亚相,形成以冲积扇、砾质河流扇为主要类型的粗粒DFS和三角洲沉积体系[48-50]。

上乌尔禾组发育7个大型DFS体系,乌一段DFS半径最大60 km,乌二段DFS半径最大50 km,乌三段DFS半径最大50 km(表3)。DFS末端显示两种沉积模式,一种为终止于陆上的沉积模式,另一种为终止于湖泊并形成三角洲的沉积模式,两种模式都表现出从DFS顶点至远端,分支河道占比越来越少,泛滥平原比例越来越大,沉积物粒度逐渐变细,砂体叠置的频繁程度也逐渐减小(图6)。

图6 玛湖凹陷上乌尔禾组沉积模式

3 三叠系的沉积特征与沉积模式

玛湖凹陷三叠系自下而上划分为百口泉组(T1b)、克拉玛依组(T2k)、白碱滩组(T3b)。

3.1 百口泉组

百口泉组主要发育粗粒砂砾岩,为一套粗粒扇三角洲沉积[24-34],这套沉积与冲积扇、粗粒河流扇等小型-中型DFS有关,在DFS末端发育三角洲前缘沉积。百口泉组主要发育中柺扇、克拉玛依扇、黄羊泉扇、夏子街扇和达巴松扇五大DFS体系,规模最大的夏子街扇半径在百口泉组的早期、中期和晚期分别达到85、82、75 km(表5),超过了一般性冲积扇的规模,具有河流扇的显著特征。

3.2 克拉玛依组

克拉玛依组发育的沉积微相显示了河流扇和巨型扇等大型DFS近端、中部、远端以及三角洲前缘和前三角洲沉积特征[51-53](表4)。研究区克拉玛依组发育DFS中部和远端比例较大,砂体延伸距离远,其中上克拉玛依亚组砂体范围更大,推进距离较下克拉玛依亚组更远。下克拉玛依亚组夏子街DFS体系、黄羊泉DFS体系、克拉玛依组DFS体系及中拐DFS体系的半径都超过50 km,其中夏子街组DFS最大延伸半径达到84 km,平均达到68 km(表5);上克拉玛依亚组四大DFS体系基本维持了下克拉玛依亚组的规模,但略有扩大,显示整体向湖推进的特征,夏子街DFS最大延伸半径为112 km,平均达到81 km。

表4 玛湖凹陷三叠系各组岩石相、沉积微相与DFS发育特征

表5 玛湖凹陷三叠系主要DFS类型及其规模

克拉玛依组沉积特征显示了典型的大中DFS沉积模式,在DFS近端,山地供给的河流从山顶流出,在山麓平原上形成平面形态呈辫状分布的砾质河道,河道带在分叉后进入中部。主干辫状河道内发育砂坝沉积,砂砾质河道之间为泛滥平原沉积。在DFS中部,发育含砾砂质曲流型辨状河道和暂时性河道,沉积物整体变细,以含砾中砂岩、含砾细砂岩为主,活动河道带包围的泛滥平原相对比例增加,且决口、分叉以及河道废弃现象经常发生。在DFS远端主要发育入泛滥平原和入沼泽的末端沉积,小型砂质曲流型河道成为骨架砂体。河道宽度下降,沉积物粒径减小,活动河道带以外发育广泛的泛滥平原或沼泽沉积。DFS终端类型较多,部分DFS进入浅水湖泊形成三角洲前缘沉积,主要发育分流河道、分流间湾、河口坝、席状砂等沉积微相(图7)。

3.3 白碱滩组

白碱滩组继承了克拉玛依组的沉积格局,平面上发育了夏子街、黄羊泉、克拉玛依、中拐四个大型的DFS,其末端均入湖形成三角洲前缘沉积[54-55](图7)。其中夏子街DFS半径为83 km,中拐DFS半径为84 km,黄羊泉DFS半径为69 km,克拉玛依DFS半径为48 km(表5),四大体系皆显示河流扇和巨型扇的规模特征。

4 DFS演变与沉积体系

以沉积相图为依据对各层组DFS精细统计,二叠系佳木河组到三叠系白碱滩组共发育133个DFS,其中半径小于30 km的冲积扇72个,半径30～100 km的河流扇60个,半径大于100 km的巨型扇1个(表3)。DFS半径的总体分布和分层平均值较好地反映了沉积体系随凹陷不同阶段构造活动变化的趋势(图8)。

图8 玛湖凹陷二叠系-三叠系DFS半径演变趋势

晚石炭纪的碰撞-成盆阶段之后,本区海水逐渐退出,形成早期前陆盆地雏形;至二叠纪盆地进入压陷-挠曲阶段,火山作用频繁,准噶尔盆地西北缘造山带快速隆升遭受剥蚀,形成佳木河组火山岩-粗粒火山碎屑沉积,此时盆小水深,在山地边缘发育冲积扇,部分冲积扇进入水体形成扇三角洲,DFS规模不大。佳木河组之后火山活动减弱,盆地范围逐步扩大,发育了大面积的湖泊水体,由于气候干旱,物源供给不足,沉积物粒度总体不粗,而且干旱气候容易发生频繁的湖平面震荡,低水位引起DFS向湖泊深部迁移,导致DFS体系延长形成河流扇;高水位形成扇三角洲和河流三角洲。风城组以冲积扇为主,DFS规模最小,夏子街组和下乌尔禾组沉积体系规模逐渐增大,河流扇数量增加。二叠纪末期降雨增加[56],物源供给充分,沉积了上乌尔禾组粗粒砂砾岩,DFS沉积物明显变粗,规模明显增大,大量DFS规模超过30 km,河流扇向湖区延伸覆盖在泥页岩地层之上。

三叠纪盆地进入挠曲-坳陷阶段,三叠纪早期延续了上乌尔禾组沉积环境特征,发育了百口泉组粗粒砂砾岩沉积,DFS以河流扇占主体,冲积扇数量大大减少,部分扇体直接入湖形成扇三角洲和粗粒河流三角洲。克拉玛依组和白碱滩组岩性明显变细,普遍发育煤层,地层中含有丰富的植物化石,显示存在源远流长的河流体系和广阔的沼泽环境。中晚三叠纪发育大型淡水湖泊,湖盆地形平缓,此期间发育面积最大流程最长的DFS,形成巨型扇和河流扇。综上,随着盆地构造由压陷向挠曲和坳陷阶段演化,DFS规模逐渐增大,由短流程冲积扇为主演变为以长流程河流扇和巨型扇为主(图8),三角洲类型由以扇三角洲向以辫状河三角洲和曲流河三角洲演化。

5 结论

1)二叠系和三叠系是玛湖凹陷的主力含油层系,河流是沉积物的主要搬运营力和扩散载体,包括冲积扇、河流扇和巨型扇的DFS在二叠系和三叠系不同地层中广泛发育。DFS上发育的河流为辫状河、曲流河,一般为多类型河道共生,终止在陆上的DFS根据规模分为冲积扇、河流扇和巨型扇,终止在静止水体后形成DFS三角洲,三角洲前缘水下分流河道部分纳入DFS范围,其他部分与DFS无关。

2)玛湖凹陷二叠系-三叠系的8个地层组,显示四种不同的沉积模式。佳木河组火山岩、火山碎屑岩、碎屑岩共生,主要发育冲积扇等小型DFS及扇三角洲沉积体系;风城组、夏子街组和乌尔禾组火山活动较弱,发育河流扇和冲积扇等DFS;上乌尔禾组和百口泉组发育粗粒砾质河流扇沉积体系;克拉玛依组和白碱滩组发育砂质巨型扇和河流扇沉积体系。

3)二叠系佳木河组到三叠系白碱滩组共发育133个DFS,其中冲积扇72个,占54%;河流扇60个,占45%;巨型扇1个,约占1%。随着盆地构造由压陷向挠曲和坳陷阶段演化,DFS逐渐以发育冲积扇为主演变为以发育河流扇和巨型扇为主,沉积体系规模逐渐增大,三角洲类型由以扇三角洲为主向以辫状河三角洲和曲流河三角洲为主演变。