准噶尔盆地断拗转换期剥蚀厚度及其分布规律

周培兴，吴孔友，董 方，李彦颖

中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266555

0 引言

地层遭受剥蚀是在沉积盆地中常见的现象［1］.倘若盆地剥蚀量普遍较小，对油气生烃和油气运聚产生的影响可忽略不计.但如果剥蚀量较大，将势必对盆地油气的生成、运移与聚集产生十分深远的影响，此时便要进行剥蚀量的恢复［2］.对地层剥蚀厚度的恢复是定量研究盆地演化史和油气资源评价的一种重要基础工作［3］.目前恢复剥蚀厚度的一些主流方法有地球物理学方法如声波时差法等［4-5］，地热学方法如镜质体反射率法［6-8］、流体包裹体法等［9］，地质学方法如波动分析法［10-11］、地质类比法［12］，地球化学方法如天然气平衡浓度法［13］、宇宙成因核素法［14］等.针对于每种方法都有其特殊的使用条件制约性.对比众多剥蚀厚度恢复方法，准噶尔盆地探井数量众多，测井资料丰富，运用声波时差法具有获取资料相对迅速，应用原理成熟，操作性较强，简便可行等实用性特点.

近几年，在准噶尔盆地下三叠统底部和上二叠统顶部油气勘探均有重大发现［15］.通过成藏条件初步分析及资源评价，该层系油气资源潜力巨大，很可能成为又一个拥有巨大储量的勘探领域［16］，多期演化造就了盆地具有多套生、储、盖组合和多期次成藏，为油气的富集创造了条件［17］.准噶尔盆地二叠纪晚期和三叠纪早期处于强烈压陷到整体拗陷的转换期［18］，二叠系与三叠系之间、上二叠统与中二叠统之间存在不整合接触，地层接触关系复杂［19］.断拗转换期形成的大型不整合遮挡圈闭和地层超覆圈闭，为以大型地层为主控因素的油藏形成提供了有利条件［20-21］.要进行二叠纪与三叠纪转换期不整合结构特征及控藏作用研究，揭示不整合结构控藏规律，探明资源潜力等工作须要恢复其古地貌［22］，首先须要进行恢复剥蚀量的工作.笔者拟采用声波时差法首先对单井的剥蚀厚度进行计算，并在此基础上，辅以构造趋势法对下三叠统底部及上二叠统顶部地层剥蚀厚度的区域分布进行研究和分析（图1）.

图1 准噶尔盆地大地构造位置与构造单元分布图（据文献［23］修改）Fig.1 Geotectonic distribution map of Junggar Basin（Modified from Reference［23］）

1 地质背景

准噶尔盆地地处我国新疆北部，是新疆“三山两盆”空间格局体系中重要的组成部分，盆地面积约为13×104km2.经历了海西、印支、燕山和喜马拉雅多期构造运动和多旋回发育过程.大地构造位置上，准噶尔地块位于哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块及塔里木古板块的交汇部位［24］，属于哈萨克斯坦板块东延部分［25-26］（图1a）.南北向看，其夹持于西伯利亚板块和塔里木板块之间，是陆缘板块活动带的三角地区，属晚古生代的汇聚地带［23］.无论是西伯利亚板块历次向南增生，还是欧亚板块与印度板块的碰撞或板块A 型俯冲，都对本区的构造演化产生不同程度的影响.该盆地为一个晚古生代—中新生代大型陆相挤压叠合盆地，盆地以逆冲断层与周缘山系分界，并在山前形成数个前陆拗陷.盆地自形成以来经历了复杂的构造演化，可划分为3 隆2 拗5 个一级构造单元和32 个二级构造带（图1b）［23］.根据钻井资料所揭示，准噶尔盆地所发育的地层自上而下有第四系、新近系、古近系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系和石炭系.盆地凸起或斜坡高部位存在众多间断面，发育超过10 个区域性不整合［18］.

2 构造转换期地层接触特征

中二叠世至早三叠世，在全球板块构造格局快速重整导致的块体强烈扭动与走滑作用下，北疆地区发生具有变革性质的印支运动，各造山带普遍发生了强烈的构造隆升，准噶尔周围的东准噶尔造山带、西准噶尔造山带和北天山造山带等.北疆诸陆内造山带均处于强烈隆升状态，古博格达裂谷也全面回返，准噶尔盆地进入断陷后的拗陷演化阶段，开始表现为统一的沉降拗陷（图2），盆山相间的现代构造格局基本定形［23］.造山带向相邻的盆地发生强烈逆冲推覆作用，在盆山过渡部位形成冲断褶皱带各类相关构造和地层剥蚀及不整合接触现象，盆地凸起或斜坡高部位存在众多间断面，大部分缺失中、下二叠统，上二叠统上乌尔禾组超覆沉积于凸起之上，与下伏地层呈角度不整合接触，三叠系—侏罗系披覆其上，隆起幅度较小.

图2 准噶尔盆地演化模式图Fig.2 Evolution model of Junggar Basin

3 地层剥蚀量计算方法及适用性分析

声波时差法是起源于Athy［27］关于泥岩孔隙度与深度之间的指数关系模型式：

式中，φ 为岩石孔隙度；φ0为地表岩石孔隙度；k 为指数常数；D 为岩层埋深（m）.

声波时差值取自测井资料，其概念为声波从钻孔传到地面接收器的时间，声波时差受孔隙度、岩性、流体含量等一系列因素影响.Wyllie 等人通过大量实验，得出在具有均匀分布的小孔隙的固结地层中，传播时间与孔隙度之间呈线性关系［28］，即不同深度的声波传播时间与孔隙度之间的变化可以据此进行相互类比，表示处于正常压实的情况下可用指数函数方法来表达声波时差与深度间的关系：

式中，Δt 为泥岩声波时差（μs/m）；Δt0为地表泥岩声波时差（591～689 μs/m）［29］.

Magara［4］于1976 年率先提出声波时差法求取剥蚀厚度，并首次应用于西加拿大盆地的泥质岩类地层.当不整合面以上的沉积物厚度小于剥蚀厚度时，将不整合面以下的泥岩的压实趋势上推延至古地表处，取此古地表与不整合面之间的相对深度差值即为剥蚀厚度（图3）.

能否利用泥岩压实规律恢复剥蚀厚度，其关键因素不在于地层的厚度，而是不整合面之上新地层对其下伏老地层，与被剥蚀的地层在遭受剥蚀前对老地层所施加的静压力是否具一致性，新地层的沉积是否改变了下伏地层的压实格架［30］.

老地层的压实规律是否被改变可根据斜率为C0的拟合曲线与新地层斜率为Cn的拟合曲线的关系进行判断.斜率相等时，当不整合面以上新沉积的地层厚度小于地层剥蚀厚度时声波时差法才能使用.斜率不相等时，地层的拟合曲线关系有图4 所示的4 种情况：当C0＞Cn时，剥蚀面以下的地层压实规律未被破坏，新沉积的地层厚度小于或大于剥蚀厚度（图4a、b），均能应用声波时差法恢复剥蚀厚度；当C0＜Cn时，如果新地层对老地层施加的静压力比被剥蚀地层剥蚀前对老地层施加的静压力小时（图4c），可应用声波时差法恢复剥蚀厚度；当老地层存在欠压实情况（图4d），则不能应用声波时差法计算剥蚀厚度.

图4 声波时差法适用条件关系（据文献［30］修改）Fig.4 Applicability analysis of interval transit time method（Modified from Reference［30］）

4 剥蚀厚度恢复及控制因素

4.1 声波时差法计算单井剥蚀厚度

在对单井的剥蚀量求取过程中，选取的泥岩层厚度应不低于2 m，且声波时差数据需取自泥岩相对稳定的层段.在读数过程中须遵循声波时差上下曲线相应的下降趋势，选取能够反映孔隙度随深度的变化而规律变化的声波时差数值.根据测井资料，分析盆内探井的压实曲线求取平均值Δt0为650 μs/m 左右.结合声波测井曲线及岩性资料，选取不整合面附近优势泥岩的声波时差数据经对数转换后，通过优化数据后作散点图趋势线，将趋势线延伸至古地表声波时差对数值读取不整合造成的剥蚀厚度.以位于中拐凸起中部JL-2 井为例（图5），其百口泉组底部不整合面位于3 960 m 处，上乌尔禾组底部不整合面位于4 244 m，不整合面上下均有较厚的泥岩层分布（表1）.

表1 JL-2 井不整合面附近泥岩层段Table 1 Layers of mudstone near the unconformity of JL-2 well

图5 准噶尔盆地JL-2 井声波时差测井解释成果图Fig.5 Logging interpretation of JL-2 well by interval transit time in Junggar Basin

将优选后的泥岩深度及其对应声波时差对数值投影至散点图中（图6）.实线即地层压实拟合趋势曲线，上覆新沉积地层压实拟合趋势线均位于老沉积地层压实拟合趋势线左侧，新老地层斜率不等，不整合面下地层压实规律未遭到破坏，且新沉积的地层厚度明显高过遭受剥蚀的厚度，该种情况符合声波时差法求取剥蚀厚度适用条件.究其原因：新沉积地层的整体密度要显著小于老沉积地层的整体密度，虽然新地层沉积厚度高于老地层剥蚀厚度，但是由于沉积物密度差异，老沉积地层的致密程度并未遭受新地层沉积影响而改变；且新地层沉积过后，老沉积地层的压实规律在漫长地质历史过程中逐步调整，加之在不整合面的形成过程中，老沉积地层需先经过隆升而后逐渐沉降，经历数次差异等深的成岩演化［31］.经散点图求取拟合方程后，最终延伸至古地表计算得JL-2 井二叠系上乌尔禾组底部不整合剥蚀厚度为124 m，三叠系百口泉组底部不整合剥蚀厚度为96 m.

4.2 断拗转换期剥蚀厚度汇总及分布规律

对于准噶尔盆地的各测井曲线资料、岩性和分层对比资料、井网部署等地质资料进行采集整理与研究汇总，通过井震结合的技术方法，以声波测井资料中恢复的地层剥蚀厚度为主要依据，结合地震资料和构造剖面图，运用构造趋势法恢复准噶尔盆地断拗转换期部分不整合剥蚀厚度，并对二级构造单元剥蚀厚度值进行统计对比（图7）.上乌尔禾组底部不整合剥蚀厚度（图7a）远大于百口泉组底部不整合剥蚀厚度（图7b），反映断拗转换期以上、中二叠统之间为主不整合，剥蚀厚度大，三叠系与二叠系之间形成次级不整合.

图7 断拗转换期不整合二级构造单元剥蚀厚度统计图Fig.7 Denudation thickness statistics of unconformity of secondorder tectonic units in the fault-depression transition period

以声波时差法结合构造趋势法计算百口泉组、上乌尔禾组底部不整合面剥蚀厚度，对单井的剥蚀厚度计算过后，将各井位坐标及对应剥蚀厚度经网格化处理，运用成图软件绘制剥蚀厚度区域等值线图（图8）.结果显示，各构造单元中，凸起相比于凹陷所遭受的剥蚀程度均较大.断拗转换期，上乌尔禾组底部不整合最大剥蚀厚度为155 m，位于准噶尔盆地西北缘；最小剥蚀厚度为20 m，位于沙湾凹陷及盆1 井西凹陷内部（图8a）.百口泉组底部不整合最大剥蚀厚度为106 m，位于准噶尔盆地西北缘；最小剥蚀厚度为5 m，位于沙湾凹陷及阜康凹陷内部（图8b）.剥蚀厚度特征总体上为西北缘往腹部逐渐递减，在盆地腹部处时逐渐减小.反映二叠纪晚期至三叠纪早期古地貌呈现西北缘高程较大往盆地腹部减小的地形特征.

图8 准噶尔盆地断拗转换期不整合剥蚀厚度等值线图Fig.8 Denudation thickness contour of unconformity in the fault-depression transition period of Junggar Basin

5 结论

1）通过对准噶尔盆地演化、泥岩压实规律、测井解释成果、二维地震剖面等资料研究，表明利用声波时差法恢复准噶尔盆地断拗转换期剥蚀地层厚度具有可行性.

2）晚二叠世—早三叠世处于海西运动晚期—印支运动早期构造运动的转折时期，在盆内广泛发育大型不整合面.准噶尔盆地在断拗转换期经历了晚海西期和早印支期的构造变形，晚海西期的影响更大，形成主不整合，奠定了从晚二叠世到早三叠世的盆地总体格局.

3）针对剥蚀厚度分布规律研究，表明准噶尔断拗转换期古地貌呈现准噶尔盆地西北缘高、腹部低的地形特征.反映出其盆地改造具有西部强东部弱、边缘强内部弱的特点.