準噶爾盆地西北緣侏羅系層序劃分

20世紀80年代，瓦爾等人在研究被動大陸邊緣的海相沉積中建立并發展了地層分類理論，引起了中國地質界的強烈振動。實踐亦已證明,起源于被動大陸邊緣盆地的層序地層學基本原理能夠很好地應用于陸相湖盆及其他陸相沉積之中。前人已經對準噶爾盆地侏羅系層序地層學進行過大量的研究,提出了各自的見解。地質研究者們對二級層序的認識比較一致,雖然二級層序界面劃分位置有所不同,但相對比較接近。在三級層序劃分的方案上差異明顯。準噶爾盆地層序級別劃分方案的多樣性有其客觀的原因。首先,陸相湖盆地層本身所具有的縱向標定困難、橫向變化劇烈的特點決定了層序地層級別劃分的難度;其次,在準噶爾盆地構造演化的過程中,盆地內部構造運動的差異性是有些地區原先沉積的地層被剝蝕掉了,從而造成盆地不同地區地層展布的不均衡性。另外,侏羅系沉積之后,準噶爾盆地受到復雜構造運動的改造,由于地質工作者研究的盆地具體位置不同,掌握的地質資料不同,從而造成對層序劃分存在明顯的差異。筆者總結、歸納前人對準噶爾盆地層序地層學的認識,考慮陸相湖盆層序劃分的復雜性,立足準噶爾盆地西北緣克-百地區豐富的地震、鉆測井資料,對侏羅系層序地層做了研究。1準噶爾盆地西北緣構造單元特征自石炭紀以來,準噶爾盆地經歷了晚海西、印支、燕山及喜馬拉雅多旋回的構造運動,形成了現今復合疊加盆地格局,侏羅系是印支運動后盆地震蕩演化的產物。從盆地構造單元劃分來看,準噶爾盆地西北緣包括西北緣沖斷帶、中拐凸起、瑪湖凹陷西斜坡等幾個次級構造單元。西北緣沖斷帶又可進一步劃分為西南的紅-車斷裂帶、中部的克-百斷裂帶和東北部的烏-夏斷裂帶。它們首尾銜接,向盆內凸出而成弧形斷裂,且3個弧形斷裂帶彼此之間的銜接部位常常發育橫向斷裂(圖1)。準噶爾盆地勘探開發50年來,西北緣克-百地區侏羅系油氣藏以構造油氣藏為主,對侏羅系進行層序地層劃分與對比,在等時地層格架內預測沉積體系的平面分布,對于尋找巖性油氣藏,具有重要的意義。2道灣組旋回內儲層組合特征根據斷裂分在侏羅系沉積時期,研究區主要受扎伊爾山和哈拉阿拉特山物源影響,下侏羅統分為八道灣組(J1b)和三工河組(J1s),中侏羅統分為西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t),上侏羅統發育齊古組(J3q)地層。侏羅系下部八道灣組與下伏三疊系呈微角度不整合接觸,與上覆白堊系呈區域角度不整合接觸,該界面造成侏羅系嚴重剝蝕,在山前剝蝕程度更大。斷裂帶在侏羅系沉積時期為逆沖斷裂,對中、下侏羅統影響非常明顯,主斷裂活動強度控制了地層展布和上盤剝蝕程度。由于推覆體的不斷逆沖,上盤地層部分遭受剝蝕,下盤負載不斷加重下沉,造成斷裂兩側同期地層厚度有明顯差異,并且斷距較大的區域地層厚度明顯大于斷距較小區域。八道灣組總體上由礫巖、砂巖、泥巖和煤層組成的具有明顯旋回性的沉積,自下而上由粗到細再到粗,依其旋回特征分為3段:八道灣組下段(J1b3)、八道灣組中段(J1b2)、八道灣組上段(J1b1)。八道灣組中段、下段只分布在斷裂帶下盤和斷裂帶上盤主斷裂附近區域,八道灣組上段在全區均有發育(圖2)。三工河組與下伏八道灣組呈整合接觸,發育厚層砂巖、粉細砂巖和暗色泥巖,其中的暗色泥巖形成于侏羅系最大湖侵期,是良好的區域性蓋層和烴源巖層。西山窯組為灰白、淺灰、灰綠色礫、砂巖夾炭質泥巖、泥巖及煤層,與下伏三工河組整合接觸。頭屯河組底部巖性較粗,以黃綠色砂礫巖夾雜色細、粉砂巖及泥質條帶為特征;中下部主要為灰綠色砂巖、泥巖、泥灰巖夾炭質泥巖,偶見煤線;上部為灰綠色粉砂巖、泥巖互層夾雜色泥質條帶,與下伏西山窯組之間呈區域性不整合或假整合接觸。頭屯河組主要分布在西北緣斷裂帶下盤,上盤較薄或缺失。齊古組主要為棕紅色、紅褐色泥巖、粉砂巖夾紫灰色、灰色泥質砂巖以及薄層凝灰質砂巖。齊古組與上覆白堊系呈區域性不整合接觸,大部分地區無論井下還是露頭都很難區分頭屯河組和齊古組。齊古組分布橫向變化大,在斷裂帶上盤厚度較大,而在斷裂帶下盤厚度較薄,部分地區缺失。3層序層結構的構建3.1層序界面的識別標志在地震剖面上識別層序界面,一是根據界面上下的地震反射終止樣式,包括削截、視削截、頂超、上超等。強烈的削截和上超往往與區域不整合面對應,從而是二級層序界面的標志,而對于三級層序,這些現象主要發育較小范圍之內。在露頭、鉆測井資料中識別層序界面應注意以下可能代表層序界面發育的標志:1)古土壤、根土巖及古風化殼(沉積暴露標志或暴露沉積相)是沉積間斷的標志,可作為識別層序界面的主要標志;2)沉積巖相的突變(相的轉移)反映了基準面的大幅下降,是層序界面發育的強有力的證據和標志;3)大量的河道滯留礫巖或水進礫巖(沉積間斷)同樣也反映了基準面的急劇下降,可以作為層序界面的識別標志;4)沖積扇、重力流沉積等大量發育可能是基準面下降所引發,因而這些事件沉積可能是層序界面的重要巖相標志;5)由于沉積環境等突變,可能導致層序界面上下的微量元素分布特征突變,古生物和古生態特征也可能發生較大變化,因此這類綜合標志有時也是層序界面的重要標志。3.2層序地質特征在最大湖泛期往往形成沉積速率極其緩慢、沉積時間長、厚度較薄的密集段,密集段是一個層序中容易識別的標志層。最大湖泛面在地震剖面上主要表現為一個收斂面,往往是下超面?？拷柽吘壸畲蠛好婵梢院蛯有蚪缑嫦嘀睾?。最大湖泛面之上為高位體系域(HST),最大湖泛面之下為水進域+低位體系域(LST+TST)。密集段的巖性細,多為暗色泥巖,古生物的門類和豐度較高,在測井曲線上的響應特征為:高自然伽馬、低自然電位、尖峰狀高電阻、低密度、聲波時差高值、位于測井曲線總體變化趨勢的拐點處。多具有區域可對比性,可作為最大湖泛面的重要標志。在最大湖泛面之下的湖侵體系域多以退積準層序疊加樣式為特征,巖石顏色多以還原環境下的深灰、灰綠等深色調為主,巖性也多為泥巖、粉砂質泥巖。在最大湖泛面之上準層序組則以進積型為主,巖石顏色也由深灰向淺灰、灰白漸變。最大湖泛面在電測曲線上的顯著特征是自然伽馬曲線在此呈現低值且平直。在露頭剖面中對最大湖泛面的識別的關鍵是識別凝縮段。在西北緣的層序研究中,本著三方面的原則來識別密集段的發育和分布:1)相對“深水”環境的低速率沉積物及共生豐富或相對發育的生物種屬與組合;2)穩定、廣泛的區域性發育和可追索與對比性;3)位于準層序及其疊加樣式與規律所反映的湖平面(或基準面)升降旋回的轉折點(拐點)部位。研究區內凝縮段沉積巖相類型相對豐富,主要有半深湖-深湖相、濱淺湖相的鈣質頁巖、泥質灰巖、頁巖、泥巖或粉砂質泥巖及黏土巖等。在地震層序分析、鉆井層序分析、露頭層序分析中,盡管所使用的資料不同,解決問題的方法和手段有所差異,但其解決問題的基本思路是一致的,這就是湖平面升降控制下的等時的、有成因聯系的地層對比。因此,在對西北緣地區侏羅系的層序地層學研究中,盡管我們開始時分別使用地震資料、鉆井資料和露頭資料同時開展獨立的、背對背的層序地層分析,但其結果基本上是一致的?？偟恼f來地震資料的層序劃分直觀、可靠,對整個盆地有很好的控制作用,但受分辨率的限制只能劃分到層序級或體系域級;露頭資料的層序分析清楚、細致,可以劃分到準層序級甚至更細;但露頭資料分布于盆地的邊緣,不能完全代表盆地內部地層的變化;鉆井資料是連接露頭資料和地震資料的橋梁,鉆井資料的層序分析較細致、易使用,但鉆井資料畢竟是一孔之見。綜合研究區地震、鉆測井、露頭資料分析,把準噶爾盆地西北緣侏羅系劃分為兩個構造層序(JTS1,JTS2)、7個層序(Ⅰ—Ⅶ)、10個體系域(表1)。4巖系和層序4.1煤層與層序界面在層序地層學研究中,煤層無論是在野外露頭、鉆測井還是在地震資料分析中都有著重要的作用,是一種難得的最為實用的標志性資料。雖然對于煤層能否作為層序界面存在廣泛的爭議,它一般代表一個水體較淺或相對暴露的沉積環境,分布范圍一般較局限,能否作為層序界面實際上還是一個級別的問題。我國西部的諸多盆地中侏羅系均發育含煤沉積地層,因此在這些盆地中開展煤層與層序地層學應用研究就有著重要的意義。尤其在準噶爾盆地西北緣地區首次將煤層分析納入到層序框架內進行詳細的研究,然后來指導克百地區侏羅系的勘探,為油氣資源的增產帶來新的思路。4.2逆沖斷裂帶下盤侏羅系煤層層數在準噶爾盆地西北緣,侏羅系主要發育3套含煤層序,分別位于八道灣組下亞段、八道灣組上亞段下部和西山窯組底部。侏羅系7個層序、8個層序界面中JSB1,JSB3,JSB5分別位于這3套煤層附近。侏羅系是三疊紀后盆地震蕩演化的產物,在不同的演化階段,水動力、氣候、溫度均有所差異。因此,克-百地區侏羅系不同地質歷史時期形成的煤層具有穿時現象。西北緣逆沖斷裂帶下盤侏羅系煤層層數較多,單層厚度較大;相反,斷裂帶上盤煤層發育較少,單層厚度較薄。4.3體系中含煤性更差關于含煤巖系的形成環境,國內外已經形成了一系列的理論和觀點,也建立了諸多成煤環境模式[12,13,14,15,16,17]。根據煤系地層所處的沉積環境、聚煤條件、煤層分布等因素,歸納起來,西北緣侏羅系的成煤環境主要有以下幾類:1)三角洲沉積成煤模式。包括扇三角洲和河流三角洲成煤。煤層主要發育于三角洲平原沼澤相。2)河流相成煤模式。在河流相成煤環境中,由于辮狀河遷移性大、河岸易被侵蝕,垂向上加積的細粒沉積物不發育,通常很難出現大面積的沼澤相沉積。因此,辮狀河沉積體系中含煤性更差。在曲流河環境中,河漫灘沼澤相和廢棄河道充填的沼澤發育,是主要的成煤環境。3)沖積扇沉積成煤模式。在沖積扇的扇根地貌位置高、坡陡,不利于成煤;而在扇中地區由于河水泛濫,可形成沼澤環境,如果此時洪泛間歇期較長,即可形成煤層。而扇端部位多為泥類沼澤和泥炭沉積的良好場所,同樣可有聚煤作用的發生;在扇間地帶往往如果持續下陷并伴有機質沉積,則會形成較厚的煤層,但往往橫向連續不好。4)湖灣成煤模式。在湖灣地區,由于湖底地形的起伏不平,隨著湖平面的升降,可能在一定時期形成湖泊沼澤,也是一種良好的成煤環境,而且煤層橫向較為連續。通過對西北緣100多口井含煤系地層的厚度、分布、沉積環境分析,研究認為:1)西山窯組煤系主要形成于湖退沉積時期(進積型三角洲),以三角洲泛濫平原沼澤沉煤環境為特征,在鉆測井、地震剖面上可見2~3套煤層,底部為主力煤層,在主力煤層之上在局部地區發育一套薄煤層,橫向分布不穩定。2)八道灣組上部煤層也形成于湖退沉積時期(進積型三角洲),只是此時期湖盆萎縮,湖面范圍較小,三角洲向湖心方向推進,因此煤層分布廣,是侏羅系厚度最大、分布最穩定的煤層。3)八道灣組下部煤層,多形成于湖平面上升的沖積扇、河流及低能濱湖沼澤的成煤環境,厚度較薄,橫向分布不穩定,在測井曲線極易認識。4.4層序界面劃分根據煤層的形成模式與分布特點,研究認為煤層與層序地層的界面劃分有較為密切的關系。因此在層序地層學劃分的過程中,煤層往往可作為一種較好的標志層。西北緣地區侏羅系地層3套含煤層序在地震剖面上都有2~3個強相位組成的雙軌反射波組,橫向上表現出較強的連續性,且在過井合成地震記錄吻合良好,剖面上可連續追蹤(圖3)。西山窯組煤層、八道灣組上段下部的煤層都是在可容納空間增大、沉積物進積的湖退時期形成的,成煤過程都經歷了先進積充填、未期退積填埋的過程,在地震剖面上都常見上超現象,往往就代表沉積間斷面作為層序界面。八道灣下段煤層多是水體突然變化的產物,具有代表初始湖泛面的性質,是中短期升降旋回的轉換面,在區域上不具等時性,因此在層序劃分中不能作為層序界面劃分的標志。在層序劃分中通常JSB3位于八道灣組上段下部的一套同成因的含煤地層之下,JSB5位于西山窯組底部橫向分布穩定的主力煤層之上,JSB5界面之上在局部在區也會發育煤層。在西北緣地區侏羅系的含煤系地層從總體上看,煤層多發育于高位體系域的未期,低位體系域煤層次之,水進體系域煤層最少見,因為在準噶爾盆地各層序的水進體系域中以大面積的深-半深湖相沉積為主,沼澤相不發育,因此不利于含煤層系的形成。以層序Ⅲ的高位域煤層最為發育,層序V低位域煤層次之,在局部地區層序Ⅰ低位域也可見煤層。5由地層序列形成的控制因素5.1層序共混沉積期盆地構造屬性構造運動不僅影響著盆地的形成與演化,而且是陸相層序形成的主要控制因素。準噶爾盆地西北緣地區層序的形成主要受晚印支和早燕山運動的影響。三疊紀末期的印支運動造成西北緣普遍抬升,形成三疊系與上覆地層之間的區域性不整合。侏羅系沉積時期,盆地總體處于統一的陸內坳陷發展階段,構造活動相對穩定,但仍存在低幅度的振蕩,形成侏羅系內部各層序間的不整合。侏羅紀晚期的燕山運動Ⅰ幕,造成Ⅵ層序與下伏地層的不整合;燕山運動Ⅱ幕造成侏羅系與上覆白堊系之間的區域性不整合。盆地的構造沉降結果造成地形的高低不平,因此不同層序在不同的構造地區沉積厚度不一樣,在沉積、沉降中心地層厚度大,相反在構造高部位地層厚度薄,在某此部位甚至地層被剝蝕,如Ⅶ層序沉積時期五區南斷裂附近地區、百口泉北區、百口泉南區Ⅶ層序沉積均被剝蝕;另一方面在構造沉降中心地層巖性較細,如Ⅴ層序期的克-百斷裂帶下盤百13井附近。因此構造沉降會造成層序在不同地區發育的不均衡性(分區性)和不完整性。5.2沖積、棧狀河粗粒沉積相物源供應首先會決定沉積層序厚度、巖性的粗細、成分等,在靠近物源區的沉積層序多較粗、厚度大、分選差、成熟度低等特征,如在百口泉北區山前沉積多為沖積、辮狀河的粗粒沉積。在五區南部及瑪湖凹陷等地區的沉積往往較細,多以泥、粉砂巖為主。物源的供應量的相對大小也會直接影響到不同體系域的準層序組的疊置樣式。當物源供應量充分,遠大于可容納空間時,低位體系域往往為多個加積序列,水進體系域開始也會出現一個或多個小型加積序列,高位體系域則表現為典型的進積特征。5.3湖平面變化的影響湖平面的變化是控制層序發育、層序格架和層序變化以及體系域結構變化的主控因素。湖平面的變化是構造沉降、氣候變化、沉積物供給等因素的綜合反映。湖平面的緩慢變化,將引起河流特征如彎度、寬度和攜砂能力的改變;湖平面或基準面的快速下降將引起河流下切,并伴有河流彎度的改變,增強了河流的攜砂能力;湖平面或基準面的快速上升將導致河口的涌水、河流沉積形式的改變和沉積物的沉降。湖平面升降直接決定著可容納空間的大小,當湖平面相對變化較小時,此時的沉積層序多具加積特征,如低位域時期的沉積;當湖平面快速上升,可容納空間急劇增大,沉積物供應明顯不足,此時的沉積為饑餓沉積,在垂向上表現水進期的退積序列;當湖平面發生快速下降時,沉積物供應相對較大,沉積體系向湖心推進,在垂向上就出現為高位域的進積序列。因此一個完整的湖平面的升降就形成垂向上層序的加積-退積-進積的旋回。5.4層序沉積期巖相古地理準噶爾盆地侏羅紀氣候特征主要從孢粉、生物分異度、沉積巖石類型及顏色等方面來考慮。綜合分析結果表明:Ⅰ層序、Ⅱ層序、Ⅲ層序沉積時期,為暖濕帶潮濕氣候,巖石呈深灰色及灰黑色,廣泛發育煤層及炭質泥巖,粘土礦物中高嶺石含量遠大于伊利石含量。Ⅳ層序沉積早期,生物分異度及豐度顯著減少,氣候屬于熱帶、亞熱帶干旱氣候,粘土礦物中伊利石含量增高,高嶺石含量降低,煤層或炭質泥巖不發育。Ⅳ層序中晚期至Ⅴ層序沉積期為亞熱帶潮濕氣候,生