同生逆斷層伴生褶皺對沖積扇片狀砂礫體及辮狀水道沉積的控制
——以準噶爾盆地西北緣湖灣區三疊系克拉瑪依組為例

夏欽禹，吳勝和，馮文杰，劉忠保

[1.中國石油 勘探開發研究院，北京 100083； 2.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249；3.長江大學 地球科學學院，湖北 武漢 430100]

同生斷層及其伴生構造對沉積的控制作用近些年來一直是構造-沉積耦合方面研究的熱點，然而國內外已有文章大部分研究的是同生正斷層[1]及其伴生構造對沉積的控制作用，特別是對沉積盆地充填和沉積體系發育的控制作用[2-8]，鮮有見到同生逆斷層對沉積的控制作用研究。目前，國內外學者更多地關注的是同生逆斷層自身構造演化以及同生逆斷層活動對宏觀沖積扇體的影響，認為同生逆斷裂活動的期次、強度與方式制約著扇體的數量、規模與遷移方向[9-22]。此外，前人論述了同生逆斷層組合樣式對扇體宏觀疊置樣式的控制作用[23]以及同生逆斷層伴生構造對地層發育特征、砂泥巖分布的影響[24-25]，在一定程度上揭示了伴生構造對砂體發育程度的影響。但是，對于同生逆斷層伴生褶皺對沉積構型的控制作用研究還存在不足[26- 27]，特別是對構型單元規模、方向、疊置樣式以及沉積過程的研究較為缺乏。因此，本文采用水槽沉積物理模擬再現了同生逆斷層伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道的沉積過程，并通過切片觀察，分析了伴生褶皺影響下片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。在水槽沉積模擬的指導下，以準噶爾盆地西北緣湖灣區三疊系克拉瑪依組為例，應用巖心、露頭、密井網和地震資料，識別并解剖了沖積扇單一片狀砂礫體和辮狀水道沉積構型，分析了同生逆斷層伴生褶皺對片狀砂礫體及辮狀水道沉積過程、規模、方向以及疊置樣式的控制作用，豐富了構造-沉積耦合方面的研究。

1 區域地質概況

圖1 準噶爾盆地西北緣構造位置與斷層分布特征Fig.1 Tectonic location and fault distribution in northwestern margin of Junggar Basina.準噶爾盆地西北緣構造平面分區特征；b.湖灣區斷層平面分布特征

圖2 準噶爾盆地西北緣湖灣區伴生褶皺地震剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.2 Seismic section features of associated folds in northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.1 for the section location)a.過逆斷層及伴生褶皺地震剖面；b.伴生褶皺局部地震反射特征

片狀砂礫體發育在沖積扇扇根部位，是由洪水發散后攜帶的大量粗碎屑物質快速堆積而成，一期洪水形成一個片狀砂礫體，在剖面上呈頂凸底平狀。片狀砂礫體主要由分選差的礫巖、細礫巖組成，混雜堆積(圖3a,b)、碎屑支撐，呈塊狀，礫石磨圓度差，呈棱角狀-次棱角狀。SP曲線呈箱狀較大低幅。辮狀水道剖面呈頂平底凸狀，可見明顯的沖刷面構造。以細礫巖和粗砂巖為主(圖3c)，分選較好，磨圓中等，常見平行層理、板狀和槽狀交錯層理(圖3d)，偶見礫石的定向排列現象，具有明顯的牽引流特征。垂向上多為正韻律，SP曲線呈鐘形(表1)。

表1 準噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組沖積扇片狀砂礫體及辮狀水道特征Table 1 Characteristics of sheet glutenites and braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

圖3 準噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組沖積扇及辮狀水道巖心和露頭照片Fig.3 Cores and outcrops of alluvial fan and braided channel facies in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basina,b.片狀砂礫體，混雜堆積中礫巖，a圖為T10193井，埋深720.2 m;c,d.辮狀水道，分選較好細礫巖，c圖為T10193井，埋深662.5 m，d圖中見交錯層理

2 研究思路及方法

伴生褶皺對沖積扇沉積構型的控制作用分析需要明確兩個方面，即伴生褶皺的活動范圍、活動強度以及對應時期片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。

本文利用水槽沉積物理模擬再現沖積扇片狀砂礫體和水道的形成過程，并且對模擬結果進行進一步切片觀察，分析伴生褶皺影響下內部片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。以湖灣區三疊系克拉瑪依組沉積背景為依據，統計取心井沖積扇巖心粒度分析結果，確定沉積物粒度配比，礫(1.000～2.000 mm)占35%，砂(0.010～0.500 mm)占40%，粉砂(0.005～0.050 mm)占15%，泥占10%。以地層厚度和工區范圍為參考確定沉積物供給量等參數[28-30]。相對沖積扇事件性沉積，伴生褶皺在該較短沉積時期內可認為是相對不活動的，即在沖積扇沉積過程中可認為伴生褶皺是已經存在的。因此基于這一認識，結合研究區實際伴生褶皺發育位置、范圍、起伏高度以及沖積扇沉積厚度和伴生褶皺起伏高度的相對比例，設計伴生褶皺發育位置、面積和抬升幅度。

為了達到以上模擬條件，設計了圖4的實驗裝置。水槽大致長9 m，寬3 m，深0.8 m，由沉積區和物源區兩大部分組成。設置一個物源出口，由攪拌器將沉積物攪拌均勻后釋放，以模擬礫、砂和泥混雜情況下的重力流搬運特征。實驗共設置5次沖水(Run1至Run5)，每次約7 min，每期沉積物配比及水量不變，出口處設置閥門，控制洪水量大小。模擬過程采用間歇性放水以模擬沖積扇事件性沉積，水槽邊部設置錄像和照相裝置，對實驗過程進行全程記錄。根據水槽沉積模擬實驗幾何相似原理，水平比例約1 ∶10 000，垂向比例約為1 ∶100，模擬沖積扇沉積之前設計伴生褶皺(半橢球狀水泥凸起)面積約0.5 m2，抬升幅度2.5 cm，置于合適位置。實驗中由于工藝條件限制，半橢球體形態是均勻的，表面沒有起伏變化，這與實際研究區地下伴生褶皺發育特征存在一定差異，但不影響伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道整體沉積過程的觀察，特別是伴生褶皺邊部其沉積特征的特殊性。

圖4 水槽沉積物理模擬實驗裝置示意圖Fig.4 Sketch diagram showing the flume simulation apparatus

通過水槽沉積物理模擬，對伴生褶皺控制下沖積扇的沉積過程、片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征有了更加清晰直觀的認識。在此機理研究的指導下，本文選取湖灣區東部典型伴生褶皺作為實例區，分析其不同時期的活動范圍和強度。在地質概況部分已闡述了典型伴生褶皺發育特征，同時為了定量表征伴生褶皺的活動強度，將其活動強度定義為伴生褶皺翼部地層厚度與發育范圍內地層厚度之差再與翼部地層厚度的比值，該值介于0～1，值越大反映伴生褶皺活動越強烈，反之代表其活動越微弱。另一方面，選取包括伴生褶皺在內的密井網區作為解剖區，以露頭解剖的構型單元規模為指導(圖5)，結合測井曲線形態和規模差異[31]來劃分單一構型單元(圖6)，表征其平面和剖面特征。平面上，將伴生褶皺活動強度平面圖與解剖區沉積構型平面分布圖“疊合”，對應分析平面上伴生褶皺的發育情況對沉積構型單元規模、疊置樣式的控制作用；剖面上，繪制過伴生褶皺的沉積構型剖面分布圖，分析剖面上伴生褶皺頂部和翼部構型單元發育程度和側向連續性的差異以及構型單元的沉積過程。

圖5 準噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組辮狀水道構型露頭解剖Fig.5 Outcrop dissection of braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

圖6 準噶爾盆地西北緣湖灣區三疊系克拉瑪依組沖積扇單一片狀砂礫體識別標志Fig.6 Identification markers of single sheet glutenite in the alluvial fan of the Triassic Karamay Formation in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

3 水槽沉積物理模擬過程

3.1 實驗過程描述

Run1階段，模擬初期，水流攜帶大量礫、砂和泥在出口正前方較近部位快速沉積下來，表現為片狀砂礫體沉積。隨后片狀砂礫體逐步向前方進積以及向兩側側積。該階段末期片狀砂礫體總體呈扇形，與典型的沖積扇沉積相一致，砂礫體周圍為漫流細粒沉積。

Run2階段，仍以片狀砂礫體沉積為主要特征。在Run1沉積的片狀砂礫體的影響下，水流攜帶大量沉積物向斜交物源方向搬運，對Run1形成的沉積體進行快速沖刷侵蝕，隨后沉積物快速堆積下來。該階段片狀砂礫體表現為側積。Run1和Run2階段，沖積扇沉積受伴生褶皺影響不甚明顯。

Run3階段，在Run2末期的基礎上，隨著一側沉積物快速堆積，水流攜帶沉積物向另一側搬運，類似地形成第3期片狀砂礫體。在沖積扇扇面沉積物堆積達到臨界點后，開始出現水道化特征，即形成主辮狀水道。該水道沖刷侵蝕早期沉積物，將第4期片狀砂礫體攜帶至扇體遠端、伴生褶皺邊部沉積下來。后期水道自身逐步沉積充填。

Run4階段，早期表現為片狀砂礫體沉積，受伴生褶皺影響，片狀砂礫體僅側向搬運堆積。該階段末期與Run3類似，再次出現水道化特征，在伴生褶皺邊部沉積第6期片狀砂礫體，末期水道逐步充填。

Run5階段，在Run4階段的基礎上，該階段水道由斜交物源方向向順物源方向遷移，但由于伴生褶皺的阻礙作用，伴生褶皺發育范圍內仍不發育沖積扇沉積。

3.2 伴生褶皺對片狀砂礫體和辮狀水道沉積的影響

片狀砂礫體屬于沖積扇發育過程中的事件性沉積，搬運距離短，沉積過程受可容空間影響大，往往在可容空間較大部位快速沉積下來。伴生褶皺各部位在平面上活動強度和隆升幅度并不完全一致，因此不同部位可容空間大小也存在相應差異，從而控制了片狀砂礫體的沉積過程。水槽沉積模擬實驗表明(圖7)，近源端不發育伴生褶皺的范圍內，片狀砂礫體的沉積過程呈現由主流方向向兩側遷移的特點，由第1期到第2，3期(圖7a—c)。相反，在伴生褶皺長軸方向凸起幅度各部位大致相同條件下，由于隆起地貌的影響，片狀砂礫體以繞流方式沉積在伴生褶皺兩側，并表現出由斜交物源方向向順物源方向遷移的特點，第6期到第7期(圖7e)。

相比水槽沉積模擬概念模型而言，實際地下伴生褶皺不同部位抬升幅度存在差異，而沉積模擬伴生褶皺長軸和短軸方向為理想變化趨勢(與背斜類似)，與地下實際情況存在差異。因此抬升幅度相對較低的部位成為了片狀砂礫體的優先沉積區域，這在沉積模擬實驗中并不明顯。但伴生褶皺對沖積扇片狀砂礫體和辮狀水道沉積的總體影響，特別是伴生褶皺邊部對其沉積的影響通過水槽模擬實驗可以得到較好的還原，與實際研究區地下情況相一致。

辮狀水道是沖積扇上除片流砂礫體外另一個重要的沉積構型單元。水槽沉積模擬能夠較好再現伴生褶皺控制下辮狀水道的沉積演化過程，彌補地下地質分析的不足。模擬結果表明，在沖積扇沉積過程中，水道首先充當粗粒沉積物供給的作用，然后在后期接受沉積。Run1，Run2階段，水道不發育，為片流砂礫體沉積。Run3階段水道化特征逐步明顯，且由于伴生褶皺的阻礙作用，水道存在繞流現象(圖7d,e)，即明顯偏離本來的水流方向。整體上，隨著沉積作用的進行，呈現出與片狀砂礫體相類似的，由斜交物源方向向順物源方向遷移的特點。

圖7 準噶爾盆地西北緣湖灣區伴生褶皺控制下片狀砂礫體及辮狀水道沉積過程Fig.7 Sedimentary process of sheet glutenites and braided channels controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basina. Run1模擬階段;b. Run2模擬階段;c. Run3模擬階段;d. Run4模擬階段;e. Run5模擬階段;f.單一片狀砂礫體疊置關系(注：圖中數字代表單一構型單元的沉積期次序號，黃色代表片狀砂礫體，白色代表辮狀水道，實線代表本期形成的構型單元，虛線代表前期形成的構型單元。)

水槽沉積模擬實驗結果表明，無論是辮狀水道還是片狀砂礫體，其在伴生褶皺邊部發育程度明顯高于伴生褶皺發育部位。伴生褶皺邊部沉積厚度大，片狀砂礫體和辮狀水道呈垂向疊置或側向接觸式；而伴生褶皺發育部位沉積厚度小，片狀砂礫體和辮狀水道孤立分布，甚至完全不發育(圖8)。

圖8 準噶爾盆地西北緣湖灣區伴生褶皺控制下單一片狀砂礫體和辮狀水道剖面分布特征(剖面位置見圖7)Fig.8 Section distribution of single sheet glutenite and braided channel controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.7 for the section location)(注：圖中數字代表與圖7對應的單一構型單元的沉積期次序號，黃色代表片狀砂礫體，白色代表辮狀水道。)

4 準噶爾盆地西北緣湖灣區三疊系克拉瑪依組地下沉積構型解剖

4.1 伴生褶皺控制下片狀砂礫體沉積過程解剖

圖9 準噶爾盆地西北緣湖灣區伴生褶皺發育區三疊系克拉瑪依組單層單一片狀砂礫體解剖及沉積期次劃分Fig.9 Dissection and sedimentary stages of single sheet glutenites in the Triassic Karamay Formation layer in fold development associated area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.2 伴生褶皺對片狀砂礫體規模、疊置樣式的控制

4.3 伴生褶皺對辮狀水道規模、疊置樣式的控制

圖11 準噶爾盆地西北緣湖灣區伴生褶皺發育區三疊系克拉瑪依組單層單一辮狀水道解剖及平面展布特征Fig.11 Dissection and planar distribution of single braided channel in the Triassic Karamay Formation layer in associated fold development area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.4 伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道沉積模式

通過對克下組沖積扇片狀砂礫體及克上組辮狀水道沉積構型單元的解剖，明確了不同時期沖積扇單一片狀砂礫體和單一辮狀水道的分布特征、規模大小、疊置樣式、展布方向以及片狀砂礫體的沉積過程，據此建立了同生逆斷層伴生褶皺控制下的片狀砂礫體-辮狀水道沉積模式(圖13)。

圖13 同生逆斷層伴生褶皺控制下片狀砂礫體及辮狀水道沉積模式Fig.13 Sedimentary pattern of sheet glutenites and braided channels controlled by syn-depositional reverse fault associated folds

1) 同生逆斷層在逆沖過程中，由于擠壓作用導致地層撓曲變形，在斷層上升盤發育彎曲狀背斜，即伴生褶皺構造，褶皺頂部地層厚度小于兩翼地層厚度。

2) 片狀砂礫體呈朵狀或舌狀，多個單一片狀砂礫體側向、垂向疊置組成平面上看似泛連通的片狀砂礫體。單一片狀砂礫體在山前開闊帶規模較大，疊置程度較低，伴生褶皺附近疊置程度增大。由于同生伴生褶皺的遮擋作用，片狀砂礫體僅能沉積在伴生褶皺靠近物源一側或伴生褶皺邊部，隨著伴生褶皺活動停止，片狀砂礫體逐漸超覆于伴生褶皺之上。

3) 伴生褶皺邊部和活動強度較小部位辮狀水道側向切割、匯聚分叉頻繁，單一辮狀水道規模較大，呈寬帶狀或交織條帶狀；伴生褶皺活動強度較大以及沖積扇前端漫流細粒沉積為主的區域，辮狀水道發育程度低，呈孤立窄帶狀，甚至不發育。

5 結論

1) 近源處不發育伴生褶皺的區域為片狀砂礫體優先沉積部位，片狀砂礫體由主流方向向兩側遷移，單一片狀砂礫體規模較大、側向疊置程度較低，地下解剖單一片狀砂礫體最小寬度約1 000 m，平均寬度1 400 m。

2) 在伴生褶皺邊部和局部低隆起部位，片流砂礫體和辮狀水道沿其繞流，隨著沉積作用表現出由斜交物源方向向平行物源方向遷移的特點，單一片狀砂礫體規模較小、側向疊置程度較高，辮狀水道疊置較為復雜，呈交織條帶狀或寬帶狀，地下解剖單一片狀砂礫體寬度最小為450 m，平均寬度1 000 m，單一辮狀水道寬度150～350 m，厚1.5～8.1 m。

3) 在伴生褶皺高隆起部位無片狀砂礫體沉積，而辮狀水道呈孤立窄帶狀，側向連續性差，地下解剖單一辮狀水道寬度80～120 m，厚1～4 m。

感謝審稿專家提出的寶貴修改意見以及期刊編輯的認真審核校對。