西昆仑山前石炭系斜坡相的发现及沉积演化

王振宇，杨 光 ，陈 才，王 斌

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中国石油塔里木油田公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000

引言

20 世纪50 年代至今，塔里木盆地西南（塔西南）西昆仑山前以新近系中新统及白垩系为主要勘探目的层，仅探明了柯克亚凝析气藏、阿克莫木气藏和柯东气藏[1-2]，整体勘探程度较低，仍处于风险勘探阶段。近年来的勘探实践及前人研究表明，塔西南西昆仑山前石炭系不仅是重要的生油层，烃源岩厚度达300 m[3-8]，其内部还发育多套储层[9]，具备良好的生储盖条件，且面积巨大，有望成为塔里木盆地下一步勘探开发区。

早石炭世是塔里木盆地重要的海侵期[10-11]。在塔西南西昆仑山前，海水自西南向东北侵入，并一直持续到早二叠世，整体为海相沉积[12]。1989年，刘怀波等[13]对塔西南西昆仑山前石炭系剖面进行了初次测量，认为石炭纪整体以陆棚相沉积为主。1996 年，德勒达尔[14-15]对该地区石炭系沉积相进行了补充，认为塔西南西昆仑山前在早石炭世为斜坡—混积陆棚—潮坪相沉积体系，晚石炭世为斜坡—台缘—碳酸盐岩台地相沉积体系。刘增仁等[16]在德勒达尔所划分的沉积相框架下对叶城凹陷石炭系各时期进行了沉积相演化研究，除得出铁克里克隆起在早石炭世晚期被海水淹没的结论外，还认为在早石炭世晚期—晚石炭世早期，铁克里克隆起以西沉积了较好的混积陆棚相烃源岩。方爱民等[17]通过大地构造与沉积相的结合，认为塔西南西昆仑山前在石炭系为拉张环境。在随后的石炭系沉积相研究中[9，18-20]，虽一致认为塔西南西昆仑山前发育海相碳酸盐岩开阔台地相、局限台地相和混积陆棚相夹斜坡相沉积，但各时期沉积体系仍存在诸多分歧，尤其是受限于地层分区复杂，钻井资料较少，对于塔西南西昆仑山前石炭系高能相带及烃源岩相带的划分和边界，尚未有明确的认识，严重制约了该地区勘探前景预测的准确性，导致至今未获取突破。

本文在对12 条野外剖面观测和样品分析的基础上，结合地震资料及巴麦地区钻井资料，对塔西南西昆仑山前石炭系沉积相类型及特征进行系统识别，在厘定整个石炭系沉积相的演化的同时，重点研究该地区早石炭世晚期—晚石炭世早期主要生油岩层位沉积相分布，以期能为该区的油气勘探提供沉积学基础。

1 区域地质概况

塔西南拗陷位于塔里木盆地西南部，北部以天山褶皱带为界，西南部为西昆仑构造带北缘铁克里克隆起，东北与色力布亚至玛扎塔克断裂相接，面积约12×104km2，由喀什凹陷、塘古兹巴斯凹陷、叶城凹陷、麦盖提斜坡及齐姆根凸起这5 个二级构造单元组成[18]。研究区位于塔西南拗陷和西昆仑断褶带交界，包括叶城凹陷和喀什凹陷；地理位置上，北部至乌恰县城南的且木干，南部至皮山县周缘以及向东露头区域（图1）。

图1 研究区位置及野外剖面位置Fig.1 Study area and field profile location

研究区归属塔里木地层区塔西南分区，包括叶城小区、铁克里克小区、库山河小区及乌鲁阿特小区（图2）。

图2 塔西南拗陷西昆仑山前石炭系地层分区[19]Fig.2 Stratigraphic division of the Carboniferous in front belt of western Kunlun mountains,southwest Tarim Depression

石炭系以新藏公路为界，向西广泛发育，在叶城小区出露较为完整，自下而上为克里塔克组（C1kl）、和什拉甫组（C1hs）、卡拉乌依组（C2k）、阿孜干组（C2——P1a）、塔哈奇组（下段）（C2t）；北部库山河小区仅发育早石炭世库山河组（C1k）、罕铁热克组（C1ht），上覆侏罗系地层与之不整合接触；乌鲁阿特小区仅发育早石炭世乌鲁阿特组，与上覆二叠系地层不整合接触；新藏公路以西地区，下石炭统地层与下伏上泥盆统奇自拉夫组砂泥岩地层呈平行不整合接触；新藏公路以东地区早石炭世为铁克里克古陆分布区，晚石炭世卡拉乌依组及阿孜干组依次超覆在古陆之上，与震旦系和志留系呈不整合接触。上石炭统与上覆二叠系地层不整合接触。

2 台缘斜坡相的发现

碳酸盐岩台缘斜坡相沉积是控制台地边缘发育展布的重要沉积类型，其异地碳酸盐岩岩屑流是礁组合边缘、滩组合边缘或陆棚边缘的世界性重要标志[20-21]，滑塌沉积物和岩屑流沉积物中的礁块是台缘斜坡相沉积存在的最直接证据[22-23]，而碳酸盐岩岩屑流沉积常夹于较深水—深水的泥页岩、泥质灰岩之间，易于识别。

石炭系台缘斜坡相重力流沉积发现于塔西南西昆仑山前库山河剖面和齐美干剖面。库山河剖面下石炭统厚达6 000 余米，主要由广海陆棚相泥页岩、泥质灰岩、粉砂质泥页岩夹薄层粉及细砂岩组成，斜坡相重力流沉积主要发育于库山河组上部—罕铁热克组中下部，呈多套发育，夹广海陆棚相泥页岩和台缘相粒屑滩沉积。齐美干剖面斜坡相发育于上石炭统阿孜干组，其下伏地层和上覆地层分别为卡拉乌依组和塔哈奇组，皆由浅水粒屑滩组成。阿孜干组斜坡相主要由砾屑灰岩组成，偶夹薄层碳质泥页岩，厚达87 m。

石炭系台缘斜坡相可识别出滑塌沉积、岩屑流沉积、浊流沉积和静水沉积4 种主要的沉积类型。

1）滑塌沉积

滑塌沉积是沉积块体沿斜坡面上的剪切面向下运动所形成的，是一种弹性向塑性流态转变的相态，沉积物内部一般保持连贯，但夹杂着由于旋转而产生的沉积物变形，其内部具有明显的变形特征[24]，在研究区库山河剖面罕铁热克组最为典型，深灰色礁砾屑灰岩、泥砾屑灰岩、砂砾屑灰岩呈倒伏状、漂砾状分布于填隙物之间（图3a），砾屑大小为2∼15 cm不等，含量为30%∼50%，整体呈次棱角状—次圆状，砾石间的填隙物既有来自高能沉积相带的砂屑灰岩、生屑灰岩，也有低能相带的泥岩、泥灰岩，局部见剪切滑动和卷曲变形现象（图3b，图3c）。

图3 研究区石炭系斜坡相沉积类型与特征Fig.3 Sedimentary types and characteristics of slope facies

2）岩屑流沉积

岩屑流沉积又叫碎屑流沉积，发生在滑塌之后，已完全转变为塑性流态，沉积物呈线性层状流动，是由不具分选特征的岩石碎屑和较细基质组成的塑性流体[25]。

研究区岩屑流沉积分为两类：一类岩屑流沉积砾石含量小于50%，该类沉积主要分布在库山河剖面罕铁热克组底部，由灰黑色薄层钙质泥页岩夹含砾泥质灰岩、中—细砾屑灰岩组成，砾屑成分主要为泥晶灰岩与生屑砂屑灰岩，砾径在2∼3 cm，含量在5%∼10%，整体呈次棱角状，磨圆差，发育逆粒序，杂基支撑，其砾屑具撕裂状构造（图3d）。另一类岩屑流沉积砾石含量大于50%，该类沉积在库山河剖面库山河组、罕铁热克组以及齐美干剖面阿孜干组均有分布，其中，库山河剖面该类沉积主要由灰黑色砾屑灰岩组成（图3e），单层厚度在20∼50 cm，底部常发育冲刷面，角砾大小3∼5 cm，砾石含量50%∼60%，砾石成分主要为泥晶灰岩以及少量的砂屑灰岩，整体呈次棱角状，磨圆较差，无明显的粒序变化，体现出岩屑的快速搬运堆积而形成的沉积。在齐美干剖面阿孜干组斜坡相中，主要发育灰色厚层—块状砾屑灰岩（图3f，图3g），砾石含量大于70%，主要由亮晶砂屑灰岩与泥晶灰岩组成，粒径3∼15 cm 不等，个别砾石粒径达50 cm，整体分选性差，呈次圆状—次棱状，填隙物中既含有泥岩和灰岩，也含有陆源粉砂岩，阿孜干组斜坡相岩屑流最明显的特征为砾屑灰岩中砾石长轴定向性明显，显示了角砾在岩屑流中的长距离搬运。

3）浊流沉积

浊流沉积在研究区石炭系斜坡相中较少出现，单层厚3∼10 cm，常夹于岩屑流中呈透镜体出现，整体呈正粒序，发育鲍马序列AE 段组合（图3h）。

4）静水沉积

静水沉积发育在斜坡相与陆棚相交界处，岩性为灰黑色薄层泥页岩（图3i）、泥晶灰岩和碳质泥岩，发育水平层理。对该区库山河剖面和齐美干剖面石炭系斜坡相的识别系首次发现，对确定台缘相的展布及对区域沉积相分布的控制作用意义重大。

3 区域沉积相类型

塔里木盆地在早石炭世进入海侵期，海侵方向自西向东[1]，塔西南地区以海相沉积为主[13，15]。观察研究区野外剖面发现，石炭系沉积类型多样，除台缘斜坡相之外，还发育有广海陆棚相、台地边缘相、碳酸盐岩台地、潟湖相及滨岸相等类型（图4）。

图4 研究区广海陆棚相—台 缘相—潟湖相沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of sedimentary characteristics of continental shelf facies–platform margin facies–lagoonal facies

1）广海陆棚相

广海陆棚相主要发育于库山河剖面的罕铁热克组—库山河组，总体沉积厚度巨大，共5 000 余米，为深灰色—灰黑色薄层泥页岩、钙质泥岩、泥灰岩、瘤状泥晶灰岩夹薄层砂质灰岩、生屑砂屑灰岩和灰—灰绿色中薄层砂岩（图4a）。泥岩、泥页岩、泥晶灰岩和泥灰岩为静水沉积，在泥页岩中发育水平层理（图4b），碳质含量高。薄层生屑砂屑灰岩、砂屑灰岩和砂质灰岩夹层主要分布在库山河组上部和罕铁热克组中下部，为浊流沉积，主要发育AE、BE 组合。薄层粉—细砂岩在罕铁热克组上部最为发育，向下暗色泥页岩增多，砂岩主要为灰色—深灰色薄—中层细砂—粉砂岩夹深色泥岩，砂层中发育典型的鲍马序列，ABCE 段组合十分发育（图4c），为浊流沉积。

研究区广海陆棚相暗色泥页岩、泥岩和泥灰岩是潜在的烃源岩，但分布在西昆仑山前南侧，目前已暴露地表，基本被剥蚀殆尽。

2）台地边缘相

台地边缘相在研究区的整个石炭系都有发育，下石炭统分布在库山河剖面罕铁热克组下部和库山河组上部、艾特沟剖面克里塔克组上部、阿尔塔什剖面和什拉甫组上部。上石炭统卡拉乌依组台缘相在新藏公路以西仅有齐美干及阿尔塔什等部分剖面发育，而上石炭统阿孜干组和塔哈奇组在西昆仑山前多数剖面皆有发育。台地边缘相以粒屑滩、滩间海、生物礁及藻丘亚相为主。

粒屑滩与滩间海亚相常呈组合形式在垂向上发育多个旋回（图4d），粒屑滩主要为浅灰色—灰色中厚层亮晶砂屑灰岩、生屑灰岩及鲕粒灰岩（图4e）等，生屑以棘屑、腹足、双壳类、有孔虫、䗴及腕足类为主。发育鲕粒滩、砂屑滩、生屑砂屑滩和生屑滩等类型，局部层位滩体发育白云岩化现象，高能滩体呈多套发育，单个滩体厚15.00∼50.00 m，溶蚀孔洞发育。滩间海亚相以灰色—深灰色薄层泥晶灰岩和瘤状灰岩为主，反映了滩间的低能沉积。

生物礁亚相见有珊瑚骨架礁和藻丘两种类型。珊瑚骨架礁仅分布在叶城小区阿尔塔什剖面和什拉甫组中部，整体厚21.51 m，横向延展近100 m，发育完整的灰色—浅灰色珊瑚礁灰岩（图4f，图4g），生物礁顶部发育大量完整的腕足、海百合茎等生屑。由于生物礁整体厚度不大，且其余剖面该层位中均未发现生物礁的生长，推测研究区该层位的生物礁为点礁。藻丘主要发育在塔哈奇组下部，在齐美干剖面、棋盘剖面及杜瓦剖面均有分布（图4h，图4i），厚度在15.20∼24.45 m。

3）潟湖相

潟湖相是和什拉甫组以及卡拉乌依组的主要沉积相类型，也是台内烃源岩发育的主要沉积环境，分布在新藏公路以西的棋盘剖面、达木斯沟剖面、阿尔塔什剖面，出现在台缘后侧，主要受研究区台地边缘相带障壁遮挡作用而形成，分为泥质潟湖亚相和滩坝亚相。

泥质潟湖亚相为巨厚的暗色薄层泥岩、泥页岩与泥灰岩互层（图4j，图4k），集中发育在和什拉甫组中下部与卡拉乌依组，和什拉甫组暗色泥岩与泥灰岩厚30.00∼445.00 m，卡拉乌依组暗色泥岩与泥灰岩厚80.00∼190.00 m，在横向上泥质潟湖厚度向西变薄，辫状河三角洲砂体与滩坝砂体增多。滩坝亚相在潟湖相中广泛发育，常与辫状河三角洲前缘砂体互层，岩性为深灰色、灰色中厚层鲕粒灰岩及生屑灰岩，是潟湖内生物、内碎屑及鲕粒等碳酸盐岩物质（图4l）在潟湖凸起部位原地沉积形成的。

4）局限台地相

局限台地相分布在研究区下石炭统克里塔克组以及上石炭统阿孜干组，克里塔克组局限台地相分布在阿尔塔什剖面与艾特沟剖面，发育云质粒屑滩与灰云坪亚相，厚254.45∼292.49 m，粒屑滩发育砂屑云岩、鲕粒云岩（图5a），单层厚36.31∼72.38 m。云灰坪发育灰色薄层云质灰岩，局部发育藻灰岩，单层厚4.96∼24.90 m。阿孜干组局限台地相分布在阿尔塔什剖面、艾特沟剖面及棋盘剖面，发育粒屑滩与滩间海亚相，粒屑滩以深灰色—灰色中厚层生屑灰岩及砂屑灰岩为主，生屑为保存较为完整的广盐性生物如海百合茎、瓣腮、腹足和腕足等（图5b）。

图5 研究区局限台地相—蒸发台地相—火山溢流相沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of restricted platform facies–evaporative platform facies–volcanic overflow facies

5）蒸发台地相

蒸发台地相主要发育于下石炭统克里塔克组，在阿尔塔什剖面、艾特沟剖面以及棋盘剖面均有分布，发育浅灰色薄层泥—细晶云岩（图5e），局部夹藻云岩（图5d）以及溶塌角砾岩（图5c），白云岩溶蚀孔隙发育。

6）滨岸相

滨岸相在靠近铁克里克古陆方向的叶城小区和什拉甫组及卡拉乌依组均有发育，岩性以成熟度较高的石英砂岩为主，分选和磨圆度良好，发育低角度冲洗层理，为前滨—临滨亚相沉积。

7）辫状河三角洲

该相主要发育在叶城小区和什拉甫组和卡拉乌依组，平面上分布在叶城小区靠近铁克里克古陆区域，指示其物源可能来自铁克里克古陆。岩性为土黄色、灰绿色、灰色中厚层细砾岩、含砾中—粗岩屑石英砂岩、细砂岩夹薄层粉砂岩及泥岩，砂体中发育正粒序和斜层理和槽状交错层理，底部具冲刷面，为辫状河三角洲前缘水下分流河道—河道间沉积。

8）火山溢流相

火山溢流相发育在且木干剖面乌鲁阿特组以及棋盘剖面下石炭统克里塔克组底部。

乌鲁阿特组火山溢流相主要为灰绿色—灰黑色玄武岩，发育枕状及块状构造（图5f，图5g），与上覆二叠系棋盘组呈不整合接触。新疆地矿局第二区调大队于1995 年在乌鲁阿特组采获Pb-U 同位素年龄为343 Ma，因此，乌鲁阿特组时代确定为早石炭世。贠杰[26]通过地球化学等手段对乌鲁阿特组火成岩的构造环境与成因进行了分析，认为西昆仑北带在早石炭世处于一个伸展拉张环境，而乌鲁阿特组火成岩正是这次构造事件的岩浆产物。

在棋盘剖面，下石炭统克里塔克组潮坪潟湖相灰色薄层泥晶云岩和云质泥岩与下覆奇自拉夫组紫红色薄层粉砂质泥岩、粉砂岩间夹有一层厚达30 m玄武岩（图5h），柱状节理发育，为陆上喷发环境。

4 沉积相分布与演化

4.1 沉积相横向变化及沉积模式

研究区石炭系岩性和沉积相差异较大，库山河小区沉积了下石炭统库山河组及罕铁热克组，沉积厚度达6 000 余米，整体以深水相为主，自下而上划分出广海陆棚—斜坡—台地边缘相。

乌鲁阿特小区仅沉积了下石炭统乌鲁阿特组，发育火山溢流相水下喷发的枕状玄武岩，夹深水陆棚相沉积。

叶城小区内石炭系地层沉积完整，以棋盘剖面为例，下石炭统克里塔克组底部发育一套火山溢流相柱状节理玄武岩，之上为滨岸相沉积，在滨岸相之上，发育了以泥—细晶白云岩及溶塌角砾云岩为主的蒸发台地相，垂向上经历了火山溢流相—滨岸相—蒸发台地沉积变化。和什拉甫—卡拉乌依期，主要为潟湖相沉积，并受古陆的物源输入影响，夹辫状河三角洲及滨岸相砂泥岩。阿孜干—塔哈奇期，海侵扩大，东侧古陆被海水淹没接收沉积，在垂向上发育台地边缘和局限台地相沉积组合。

铁克里克小区，在早石炭世至晚石炭世一直为古陆区，直至晚石炭世晚期阿孜干期才接收沉积，垂向剖面上发育台地边缘—局限台地相组合。

沿塔西南西昆仑山前东西方向，早石炭世—晚石炭世早期沉积相从东向西依次出现古陆、滨岸相至潟湖相、台地边缘相、斜坡相和广海陆棚相的变化，晚石炭世晚期主要发育台地边缘相以及局限台地相（图6）。从麦盖提斜坡至塔西南西昆仑山前，沿NE—SW 方向，石炭纪由滨岸、混积—蒸发潮坪相、局限台地相至潟湖相和台地边缘相横向变化（图7）。结合单剖面相序特征和区域沉积相对比，可建立塔西南西昆仑山前地区早石炭世晚期—晚石炭世早期沉积模式（图8）。

图6 西昆仑山前石炭系沉积相对比图Fig.6 Relative ratio of carboniferous strata and sediments in the front belt of western Kunlun mountains

图7 西昆仑山前巴麦地区石炭系沉积相对比图Fig.7 Relative ratio of carboniferous strata and sediments in the front belt of western Kunlun mountains

图8 西昆仑山前地区早石炭世晚期—晚石炭世早期沉积模式Fig.8 Sedimentary model of Late Early Carboniferous to Early Late Carboniferous in the front belt of western Kunlun mountains

4.2 地震相分布

结合研究区沉积特征，根据地震反射振幅强弱、连续性及反射形态差异，可将地震反射类型划分为丘状反射、亚平行中—强振幅反射、平行—亚平行较连续中—强振幅反射、连续强振幅反射以及较连续亚平行中振幅反射（图9）。

图9 齐美干—麦盖提斜坡地震反射剖面地震相解释Fig.9 Interpretation of 2D composition seismic profile across Qimeigan to Maigaiti

丘状反射发育的厚度加厚区可解释为台地边缘相粒屑滩夹礁丘或台地边缘粒屑滩。亚平行中—强振幅反射可解释为台缘—台地相薄滩体夹滩间海泥晶灰岩；连续强反射可解释为滩间海泥晶灰岩；平行亚平行较连续中—强振幅反射可解释为潟湖泥岩夹薄层泥晶灰岩；较连续亚平行中振幅反射可解释为潟湖泥岩夹薄层砂岩、粉砂岩。

4.3 沉积相平面分布和沉积演化

早石炭世早期，塔西南西昆仑山前处于拉张环境，从西部至东部伴随发育水下至陆上玄武岩喷发，之后海水自西南向东北方向侵入，从早石炭世至晚石炭世海侵逐渐扩大。在早石炭世—晚石炭世早期，新藏公路以东的铁克里克一带为古陆分布区，南部为广海陆棚相和台缘斜坡相分布区，斜坡相北侧为台地边缘相分布区，呈近东西向带状展布，发育高能碳酸盐岩粒屑滩沉积。台缘相内侧为泥质潟湖发育区，暗色烃源岩发育，其分布范围覆盖了喀什—叶城凹陷的主要地区（图10）。巴楚—麦盖提地区，主要为混积潮坪相和蒸发潮坪相分布区。

图10 西昆仑山前地区早石炭世晚期—晚石炭世早期沉积相分布Fig.10 Distribution of sedimentary facies of Late Early Carboniferous to Early Late Carboniferous in the front belt of western Kunlun mountains

晚石炭世阿孜干—早二叠世塔哈奇期，海侵范围进一步扩大，铁克里克古陆消失，全区以碳酸盐岩沉积为主，西昆仑山前南部为广海陆棚相和斜坡相分布区，台缘高能相带沿西昆仑山前自西向东进一步扩大，并延伸至铁克里克小区，呈近东西向带状展布，台缘带内侧至巴麦地区为碳酸盐岩台地相区。该时期台地边缘相和台内高能礁滩体呈多套叠置连片发育，单个滩体厚度规模大，是优质的储集相带，分布在西昆仑山前至喀什—叶城凹陷北侧。

5 结论

1）塔西南西昆仑山前地区库山河剖面早石炭世库山河组—罕铁热克组以及齐美干剖面晚石炭世阿孜干组发育斜坡相滑塌、岩屑流、浊流及静水沉积，斜坡相的发现对台缘相的展布及其区域沉积相分布的控制作用意义重大。

2）早石炭世晚期和什拉甫—晚石炭世早期卡拉乌依期，新藏公路以东为铁克里克古陆，新藏公路以西的台地边缘高能相带沿西昆仑山前呈自西向东条带状展布，其内侧发育潟湖相沉积。

3）晚石炭世阿孜干—塔哈奇期，海侵范围扩大，古陆消失，沿西昆仑山前地区发育台缘斜坡—台地边缘—局限台地—蒸发台地相沉积体系。

4）垂向上，下石炭统和什拉甫组、上石炭统卡拉乌依组潟湖相烃源岩与上石炭统阿孜干组、塔哈奇组台地边缘相礁滩相储集层和二叠系泥岩盖层，形成良好的生储盖组合，覆盖了喀什—叶城凹陷的主要区域，勘探潜力巨大。