準噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組相對湖平面升降規律研究

張坦，張昌民，瞿建華，朱銳，袁瑞，潘進，陶金雨

1.長江大學地球科學學院，武漢 430100 2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

瑪湖凹陷是準噶爾盆地最有利的油氣成藏區與勘探區之一，近年來其下三疊統百口泉組勘探取得了可喜成果。三疊系百口泉組是在二疊系前陸盆地基礎上發育的大型坳陷淺水湖盆沉積[1]，該時期氣候干燥，湖泊水位震蕩頻繁，造成斜坡區發育的沉積體系類型繁多、規模變化極大，給確定沉積相帶的分布帶來了困擾。開展對百口泉組相對湖平面升降規律研究，將對百口泉組沉積相帶的確定具有重要作用，為瑪湖凹陷百口泉組下一步油氣勘探與開發提供可靠理論依據。

相對湖平面的變化主要受構造運動、氣候變化以及沉積物供給速率等因素控制[2-4]。前人[5-6]研究認為對于陸相湖盆，在構造運動相對穩定情況下，相對湖平面的升降控制著湖盆可容納空間的變化，與可容納空間變化基本一致，并響應于沉積剖面巖性、層序類型以及沉積物厚度等特征[7]，故可利用容納空間變化特征來反演相對湖平面的升降規律?；鶞拭娴淖兓c湖平面的升降存在直接聯系,而由基準面變化旋回引起來的高分辨率層序地層單元疊加樣式可反映湖侵與湖退，因此，可采用高分辨率層序地層學的分析手段刻畫湖平面的升降規律。

本文以準噶爾盆地瑪湖凹陷三疊系百口泉組為例，對研究區進行高分辨率層序地層的定量劃分，并在此基礎上進行Fisher圖解分析，刻畫了百口泉組相對湖平面的升降規律。

1 研究區地質概況

研究區位于準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡區(圖1)。研究層位百口泉組自下而上可劃分為百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)(圖2)，地層整體超覆不整合覆蓋于二疊系烏爾禾組之上，與上覆的克拉瑪依組整合接觸，地層厚度為50～400 m[8]。前人[9-13]研究認為百口泉組發育一套以砂礫巖為主的粗碎屑沉積，構造活動較穩定，構造背景表現為東南傾的平緩單斜，干燥氣候，主要發育沖積扇、扇三角洲等沉積環境。

圖1 研究區位置及構造位置(據匡立春等，2014，修編)Fig.1 Location and the tectonic position in Mahu sag of Junggar Basin (modified from the Kuang, et al., 2014)

2 高分辨率層序地層研究

Crossetal.[14-15]提出的受海(湖)平面、構造沉降、沉積負荷補償、沉積物補給、沉積地形等綜合因素制約的地層基準面是地層層序成因和進行層序劃分的主要格架，作為本次高分辨率層序地層分析的理論基礎。

層序地層學理論認為基準面(海平面、湖平面或河流平衡剖面)變化形成的異旋回，控制了層序地層單元的形成，而在陸相湖盆中基準面就是湖平面，因此，要研究陸相可容納空間、湖平面變化等就必須是異旋回[16-17]。根據前人的研究[18-22]，低頻旋回(長期、中期、短期、超短期旋回或者3、4、5、6級層序)一般都是異旋回，高頻旋回(6級以上旋回)可能本身就是自旋回或者受到自旋回干擾。因此，在本次研究中筆者采用鄭榮才等[23]提出的六級次層序級別劃分標準，將層序級別劃分到了六級。劃分方法以定性研究為主的傳統地質學劃分和以基于測井小波變換的定量高分辨率層序地層劃分兩種。

2.1 高分辨率層序地層定性研究

高分辨率層序地層定性研究一般是以野外露頭、巖芯、測井、地震資料為基礎，對層序界面和層序級次進行識別與劃分[24-25]。

本文以巖芯、錄井、測井資料為基礎，根據研究區百口泉組各級次層序界面基本特征(表1)，對相應層序界面進行了識別，長期、中期、短期層序界面均有發育，由于資料精度限制，超短期層序界面無法識別，共識別出長期層序界面2個、中期層序界面3個、短期層序界面15個，依此劃分出1個長期層序、3個短期層序、16個短期層序(圖2)。

2.2 測井小波分析定量研究

高分辨率層序地層學的研究是以層序界面的準確識別為基礎，而傳統高分辨率層序地層的研究是在視覺層次進行不同層次級別層序界面定性劃分[26]，這樣難以準確識別關鍵界面及其圍限地層層序級別和類型,從而制約了高分辨率層序地層學的發展。近年來，有“數學顯微鏡”美譽的測井小波分析方法能對不同級別層序界面進行定量識別，有效彌補了傳統高分辨率層序地層學的不足。

表1 研究區百口泉組基準面旋回界面級次劃分和基本特征

圖2 研究區百口泉組高分辨率層序地層定性劃分Fig.2 High-resolution sequence stratigraphy qualitative division of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

測井數據是目前為止能獲得的縱向分辨率最高，連續性最好的地質數據載體，不同類別的測井信息在一定程度上記錄著不同的地質演化過程。測井曲線的形態特征和變化趨勢反映了沉積環境變化，而沉積環境的改變是層序界面形成的主要因素[26-27]。在傳統的高分辨率層序地層定性研究時，未將測井資料所反映的地質信息按時間和級別進行區分，造成各種隱含的地質周期信息難以被識別出，從而無法滿足高分辨率層序地層研究要求。

測井小波分析的基本原理是通過一個基本的小波函數進行不同尺度的伸縮和平移去表示或者逼進某一測井信號[28-29]，將測井曲線在時間域和頻度域對測井信號進行不同級次、不同尺度的分解[30-31]，而不同尺度下小波系數的周期性變化特征與不同級次層序具有一定對應關系，可作為不同級次層序劃分與對比的依據。小波分析中的低頻信號通常與長地質周期對應，可用于劃分大的地層格架，而信號中的高頻成分則與較短地質周期對應，據此可進行高分辨率層序地層的定量劃分[32]。

在砂、泥巖互層地區，利用GR數據進行小波分析效果最好[33-34],而百口泉組以砂礫巖沉積為主，由于受原巖碎屑中富含凝灰巖等高放射性物質以及沉積物搬運距離影響，造成了百口泉組砂礫巖自然伽馬值異常高，而泥巖自然伽馬值異常低的反?，F象[35]。故筆者選取了M18井電阻率(RT)數據進行了測井小波分析?；谇叭薣36-39]研究經驗，選取Daubechies小波和Dmeyer小波對電阻率曲線作一維離散小波分解，通過與既有地質認識進行對比，發現階數為10、最大級數為10時，對不同級次層序單元的分辨效果最好。據db10 a10(參考dmey10 a10)一維離散小波分析中的a10曲線識別出2個3級層序界面及相應的1個長期層序;據db10 d9(參考dmey10 d9)曲線識別出5個4級層序界面及相應的4個中期層序;據db10 d7(參考dmey10 d7)曲線識別出16個短期層序;據db10 d4(參考dmey10 d4)曲線識別出126個超短期層序，測井小波變換對長期、中期、短期層序的定量劃分與傳統定性劃分方案具有很好的一致性(圖3、表2)。根據劃分結果，百口泉組與長期層序對應，T1b1、T1b2、T1b3與中期層序對應，因此劃分方案能在區域內相互對比分析。

3 Fisher圖解

Fisher圖解是Fisher[40]在研究奧地利三疊系環潮坪碳酸鹽巖沉積時，為解釋Lofter旋回中厚度變化特征而首先提出的。前人在研究旋回地層變化與相對海平面升降之間關系時[41-43]，對Fisher圖解的可行性進行了驗證，并將其不斷發展與完善，Fisher圖解最終演化為以旋回數為橫軸，平均厚度偏移的累積為縱軸的表示方法，圖解中平均厚度累積偏移曲線可反映沉積物沉積時可容納空間的變化，因此Fisher圖解又稱為可容納空間圖解。

目前國內已將Fisher圖解從在碳酸鹽巖單一沉積剖面[44-45]中的應用逐步發展到碎屑巖沉積剖面[46-47]以及碎屑巖、碳酸鹽巖混合沉積剖面[48-49]。Fischer圖解在各種不同類型的沉積盆地中湖平面升降變化以及高頻旋回研究中取得的良好效果[50],證明了Fisher圖解是研究湖平面升降規律的有效方法[51]。

圖3 研究區M18井百口泉組測井小波變換及高分辨率層序定量劃分方案Fig.3 Wavelet analysis and classification scheme of high-resolution sequence of Well M18 of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

表2 研究區M18井百口泉組超短期層序厚度偏移累計統計表

將Fisher圖解運用到研究區百口泉組相對湖平面升降分析中，相對湖平面的上升導致可容納空間的持續增長，在穩定的物源供給下，沉積剖面上以沉積物厚度的逐漸變厚為響應，在Fisher圖上以厚度偏移的正向偏差為特征；而在相對湖平面下降期間，沉積剖面上沉積物厚度則會明顯減薄，在Fisher圖上表現為厚度偏移的負向偏差；因而Fisher圖解特征可反映出相對湖平面升降規律。

對研究區百口泉組高分辨率層序地層定量劃分的126個超短期旋回層序的平均厚度偏移的累積進行統計(表2)，進行Fisher圖解的繪制(圖4)。由于缺乏砂巖、泥巖孔隙度數據，并且孟祥化等[52]認為未校正的旋回層序厚度不會對Fisher曲線樣式以及旋回的組合形式上產生影響，故本文未對旋回層序厚度的進行壓實校正。

Fisher圖解揭示了百口泉組相對湖平面的升降規律，整體看百口泉組相對湖平面呈現出持續湖侵的特征，百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)分別對應一次完整的較大規模的湖侵過程，湖侵過程中扇體在不斷向扇根方向退縮，而扇體規模在不斷減小，但沉積物厚度卻在不斷的增加；分段看，百口泉組一段(T1b1)早期湖平面在振蕩中緩慢湖侵，末期湖平面發生小規模湖退；百口泉組二段(T1b2)早期湖平面發生小規模、短時間湖退，中后期湖平面發生較大規模湖侵；百口泉組三段(T1b3)湖平面繼續湖侵，中后期湖侵達到整個百口泉組時期最大規模，而在末期湖平面發生較小規模的湖退(圖4，5)。

圖4 研究區M18井百口泉組Fisher圖解分析Fig.4 Fischer plots of M18 well of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

4 綜合對比分析

通過與王龍樟[53]，鮮本忠等[54]、王雅寧等[55]的研究成果對比發現，本次研究所得的百口泉組相對湖平面升降規律與前人研究結論具有很好的一致性，且能反映次級、高頻的湖平面升降特征。

將湖平面升降曲線投影到綜合柱狀圖和沉積微相連井剖面上(圖5，6)，與沉積物縱向變化特征和沉積相帶橫向遷移特征進行綜合對比分析，驗證、提高相對湖平面升降規律的準確性。通過對比鉆錄井信息，發現相對湖平面升降變化與沉積相帶的垂向變化關系密切，從垂向剖面上整體看，隨著湖平面的逐漸上升，沉積相帶由扇三角洲平原沉積向扇三角洲前緣沉積、濱淺湖相沉積演變。

百一段湖平面升降旋回在垂向上與一個中期層序中的扇三角洲前緣沉積對應，沉積物從下向上表現為水下分流河道與分流間灣互層；在湖平面上升期間，沉積物中泥質含量增加，主要發育分流間灣沉積微相，而在湖平面下降過程中水下分流河道的發育明顯增多。

百二段湖平面升降旋回表現出湖平面先小規模下降再大規模上升的特征，在垂向剖面上顯示，湖平面在下降過程中，主要發育扇三角洲平原的季節性河道和河道間沉積，而在中后期湖平面不斷上升過程中，沉積物以扇三角洲前緣水下分流河道和分流間灣沉積為主。

百三段湖平面升降旋回與一個中期層序中的扇三角洲前緣和濱淺湖沉積相對應，沉積物剖面下部發育水下分流河道和分流間灣沉積，中部發育盆地相泥沉積，頂部發育水下分流河道沉積。湖平面變化曲線呈現水進—高位—水退的特征，與沉積物退積—加積—進積的縱向變化特征基本一致。

此外，筆者選取一條順物源方向的沉積微相連井剖面，將湖平面升降曲線與沉積微相連井剖面鉆錄井數據、沉積環境研究結果進行對比分析，發現湖平面的變化趨勢與沉積相帶橫向遷移具有很好的契合性。綜上所述，通過將湖平面升降曲線與鉆遇沉積物的縱向變化以及橫向遷移特征相對比，認為本次湖平面升降曲線較真實反映了百口泉組的湖平面變化特征。氣候變化是湖平面升降的主控因素之一，氣候主要包括溫度和濕度兩個指標，氣候主要是通過影響湖泊區域降水量和蒸發量來控制湖泊水位的升降。據此，百口泉組時期古瑪納斯湖區域古氣候特征可以為本次湖平面升降規律研究提供佐證。據王鴻禎[56]、趙錫文[57]、李興等[11]，研究認為從T1b1到T1b3氣候由干旱逐漸向潮濕轉變，而沉積水體由較弱的貧氧環境向中等的厭氧環境轉變，指示了水體是不斷加深的一個過程，與本次研究結果有良好的對應性。

圖5 百口泉組相對湖平面升降變化綜合對比分析Fig.5 Synthesis analysis and comparison of relative lacustrine level change of Well M18 of Baikouquan Formation in Mahu sag of Junggar Basin

圖6 準噶爾盆地三疊系百口泉組沉積微相連井對比圖Fig.6 Comparison chart of sedimentary micro-connected wells in the Triassic Baikouquan Formation of Mahu sag of Junggar Basin

5 結論

(1) 陸相湖盆相對湖平面升降規律研究，可采用高分辨率層序地層分析與Fisher圖解分析相結合的方法得以實現。

(2) 采用傳統定性分析與定量的測井小波變換分析相結合的方法，在研究區百口泉組識別出1個長期層序、4個中期層序、16個短期層序、126個超短期層序。

(3) 百口泉組相對湖平面呈現持續湖侵的特征，百口泉組一段(T1b1)、百口泉組二段(T1b2)、百口泉組三段(T1b3)分別對應一次較大規模的湖侵過程，在百口泉組三段(T1b3)湖侵達到最大規模。百口泉組一段(T1b1)對應一次完整的湖侵—湖退旋回，百口泉組二段(T1b2)對應2次完整的湖侵—湖退旋回，百口泉組三段(T1b3)對應2次完整較大規模的湖侵—湖退旋回。

(4) 將湖平面升降曲線與沉積物縱向變化特征和沉積相帶橫向遷移特征進行綜合對比分析，驗證、提高相對湖平面升降規律的準確性。湖平面升降變化與沉積相帶的垂向變化關系密切，隨著湖平面升降變化沉積相帶在扇三角洲平原沉積、扇三角洲前緣沉積與濱淺湖沉積交替演變。