準噶爾盆地二疊系風城組沉積相與沉積演化分析

李漢林

（長安大學地球科學與資源學院，陜西 西安 710054）

準噶爾盆地是中國西北部大型含油氣疊合盆地，二疊紀發育的三角洲相砂巖是儲集層，濱淺湖和半深湖泥巖為該地區烴源巖地層[1-4]。瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣，如圖1所示，是該地區有機質含量最高的富烴凹陷，而風城組是該盆地最重要的烴源巖地層之一[5]，形成傳統的構造-巖性圈閉氣藏以及非常規致密頁巖油氣藏[6-9]。前人依據巖性組合、沉積環境特征、儲層、構造、火山作用以及巖石成因，將風城組劃分為3個段[10-11]，但對風城組地層特征及沉積充填過程的研究卻少之又少。

圖1 瑪湖凹陷位置圖及連井位置

1 地質背景

準噶爾盆地位于新疆北部，是中亞造山帶重要組成部分[12]。準噶爾盆地是晚古生代、中生代和新生代疊合盆地，呈三角形，面積為1.3×105km2，西北部是扎伊爾山和哈拉阿拉特山[13-15]。瑪湖凹陷是準噶爾盆地一個二級構造單元，位于盆地西北緣，呈東南向單斜的緩坡構造[16]。克拉瑪依-百口泉斷裂、烏爾禾-夏子街斷裂是控制二疊系—三疊系地層的主要因素[17]。晚石炭世以來，準噶爾盆地歷經多次板內構造變形，瑪湖凹陷基地為晚石炭世弧盆體系，石炭系地層依次上覆上二疊系佳木河組（P1j）、風城組（P1f）、夏子街組（P2x）、下烏爾禾組（P2w）、上烏爾禾組（P3w）、三疊系百口泉組、克拉瑪依組、白堿灘組[18-20]。風1段主要為鎂鐵質火山巖、粗碎屑巖、富有機質泥巖及白云質泥巖、凝灰巖等，風2段由富有機質泥巖和白云質泥巖組成，風3段下部為白云質泥巖，上部為陸源碎屑巖[7]。風城組廣泛發育堿性巖及含鹽巖，是堿湖沉積最為典型的沉積巖類，如硅硼鈉石、鈉碳酸鹽巖、鈉鈣碳酸鹽巖、鈉鎂碳酸鹽巖等[21-25]。

2 研究方法

依據前人在研究區的地層鉆井數據、巖心描述、沉積相標志等，建立連井剖面圖，研究其沉積特征、層序地層以及沉積充填過程。

層序界面識別是層序地層學的基礎，基準面是形成沉積層序的首要標志，地層層序又是沉積環境變化的響應，如今巖性特征及測井曲線變化是表征地層層序的主要手段[26-27]。通常情況下，沉積序列的單一研究不能準確測定層序界面，因此，綜合前人各類研究數據是必要手段。瑪湖凹陷與其他沉積盆地不太一樣的地方在于露頭稀少而缺失地表層序地層標志，如風化殼等。綜上，在前人研究的基礎上，以鉆井數據、巖心描述、沉積相標志為依據，建立連井剖面，追索層序邊界，研究沉積充填，畫出沉積相圖。

3 沉積相分析

3.1 地層對比

風城組與下伏佳木河組呈不整合接觸，佳木河組底部由火山碎屑巖、安山巖、砂巖組成。風城組與上覆夏子街組同樣呈不整合接觸，夏子街組主要巖性是灰色-棕色砂礫巖，存在棕灰色泥巖與砂巖。

風1段南部靠近沉積中心，北部受造山帶影響較大，因此沉積兩類巖性。靠近沉積中心巖性粒度較細，以沉積巖為主，主要是灰色-深灰色薄層凝灰巖、白云質泥巖、泥質白云巖；造山帶附近以火山巖或火山碎屑巖為主，主要是砂礫巖、火山角礫巖和玄武巖，以及夾層中含有少量凝灰巖與粉砂巖。風2段與風1段類似，沉積中心附近與造山帶附近沉積2套巖性，風2段較風1段而言，巖性整體較細，沉積中心附近巖性為深灰色-灰黑色泥質白云巖和白云質泥巖；造山帶附近巖性主要是凝灰巖與礫巖夾薄層泥巖和砂巖。風3段沉積時，凝灰質與白云質組分減少，含沙量增加，風3段底部由白云質泥巖及互層的泥巖和粉砂巖組成，頂部由粗砂巖和砂質礫巖組成。風城組各井巖性示意圖如圖2所示。

圖2 風城組各井巖性示意圖

3.2 沉積相與火山活動分析

風塵組沉積時，瑪湖凹陷歷經復雜的構造運動和強烈的火山活動，物源雜亂，成巖作用復雜，形成的巖相種類較多[12-15]。依據前人研究及巖石特征和沉積相標志，可將風城組劃分為湖泊相和扇三角洲相2類，湖泊相可進一步細分為半深湖-深湖亞相及濱淺湖亞相沉積，扇三角洲相則可細分為扇三角洲前緣亞相和扇三角洲平原亞相沉積[10-12]。

3.2.1 半深湖-深湖亞相

半深湖-深湖亞相在巖相上主要表現為以深灰色泥巖、灰-黑色泥巖及灰白色白云質粉砂巖為主。據前人研究，在半深湖-深湖亞相巖相中發現植物碎片化石；在部分鉆井白云質泥巖巖心樣本中發現其裂縫發育，并被高質量濃度的重油浸染[27]。

3.2.2 濱淺湖亞相

濱淺湖亞相沉積廣泛分布于瑪湖凹陷處，巖性主要沉積有灰白色白云質泥巖、灰綠色細砂巖、泥巖。白云質泥巖中發現軟沉積變形與褶皺，灰綠色細砂巖發育鈣質薄層。砂巖中常見波狀層理、滑塌變形構造。

3.2.3 扇三角洲

扇三角洲指凹陷邊緣上，鄰近山區河流或洪流攜帶沉積物的高能流體，在同沉積斷層附近由于水動力條件突然變緩，沉積物沉降，形成向湖泊等穩定水體堆積推進的扇體。扇三角洲與正常三角洲的區別在于，扇三角洲受物源區影響更大，物源沉降速度更快，受到波浪和潮汐作用影響更小。扇三角洲前緣由砂礫巖和白云質砂巖組成，白云質砂巖中發育褶皺，白云石在成巖作用影響下，呈現出不規則團塊狀，砂礫巖中礫石組分分選性中等。扇三角洲平原亞相巖石類型主要是砂礫巖，砂礫組分自細—中粒到塊狀都有沉積。

3.2.4火山活動

瑪湖凹陷在風1段和風2段發育大量火山巖，巖性主要是熔融角礫巖、玄武巖、角礫凝灰巖和深灰色火山熔巖等。深灰色火山熔巖中含有大量火山礫石，平均直徑為1 cm，最大直徑為2 cm，孔隙不發育。玄武呈隱晶質結構，火山巖中常見方解石條帶，明顯受到不同程度的后期成巖作用影響。

準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組沉積相分布變化圖如圖3所示。

圖3 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組沉積相分布變化圖（改自參考文獻[9][11]和[27]）

4 沉積演化過程

4.1 層序邊界形成

層序界面由巖心、沉積相標志、地層接觸關系、巖性組合確定。風1段至風2段層序界面，是將風1段退積模式與風2段進積模式的轉變區分標志。風2段至風3段的層序界面，大規模堿性蒸發與扇三角洲沉積在此處區分開來，屬于半地塹式結構。依據前人研究結論，在風城組沉積時，存在3個洪泛面，構成海進體系的上邊界。

4.2 沉積演化與古地理

通過巖相描述與層序邊界確立、連井剖面，分析風城組沉積演化過程，復原出古地理沉積相圖（圖3）。風1段底部的石灰巖、泥巖和砂巖表明，風1段剛開始沉積時，水體應為半深湖-深湖環境，水動力較弱，火山活動較弱；而后在風1段中部出現大量火山巖及較細的泥巖和粉砂巖，這些沉積特征表明風1段應處于火山活動期，沉積相以濱淺湖相沉積為主。風2段沉積時，沉積粒度進一步變細，凝灰巖含量增加，水體深度變深，水動力環境變弱，火山活動增強，而堿性湖相沉積與膏泥巖的出現，反映沉積物處于一個干旱、水體深度淺、水體咸度較大的沉積環境。風3段沉積時，凝灰巖變少，砂質礫巖含量變多，表明火山活動幾乎停止，扇三角洲擴張，瑪湖凹陷在此時處于水體退積期，沉積物更多的來源于山區；風3段早期巖性主要是湖相白云巖，晚期以陸源碎屑巖為主，進一步證明湖相范圍縮小，扇三角洲推進發育，風城地區應為風城組的沉積中心。

4.3 沉積物充填過程

依據沉積相圖（圖3），風城組沉積北部受古地貌和斷裂控制，沉積中心位于瑪湖凹陷風城地區。風1段是以風城地區為沉積中心的湖相沉積，只有北部鄰近哈拉阿拉特山及西部靠近扎伊爾山的小范圍地區呈現扇三角洲沉積相。風2段北部扇三角洲沉積區域變小，西部扇三角洲沉積范圍變大，湖相范圍持續向東及向南擴張，整體而言，沉積粒度變細。據前人研究，由頻繁地震產生的沉積物變形構造推斷沉積中心的盆地邊界為正常斷層活動，這為盆地沉積創造了極大的沉積空間；由堿性礦物推斷風2段應處于高鹽度的堿性湖盆環境中。風3段沉積時，北部哈拉阿拉特山及西部扎伊爾山發育的扇三角洲沉積范圍擴張，東部零星出現三角洲沉積雛形，這都表明湖相沉積分布范圍縮小，水體深度變淺，由風2段的半深湖-深湖沉積變為濱淺湖沉積。

風城組自風1段開始沉積，到風3段沉積結束，沉積相自湖相向三角洲相沉積變化，沉積補給速率應高于盆地沉降速率，而湖相沉積分布范圍的變化是自靠近造山帶附近開始轉變為三角洲相沉積，說明瑪湖凹陷的沉積充填受造山帶控制，具體則是受到盆地邊緣斷層活動的控制。

5 結論

綜上所述，風城組的沉積環境歷經多次變化，具體如下：風1段為半深湖-深湖相沉積過渡到濱淺湖相沉積，扇三角洲只分布在北部哈拉阿拉特山及西部扎伊爾山附近，這個時期的火山活動逐漸變強；風2段沉積時，大范圍分布濱淺湖相沉積，但是古氣候應為干旱氣候，水體深度較淺，水體應為高鹽度堿湖環境，火山活動持續增強，扇三角洲沉積分布范圍減少；風3段沉積時，由于受造山帶活動影響，北部哈拉阿拉特山和西部扎伊爾山附近的扇三角洲沉積范圍擴大，東部和南部受到活動斷層影響，零星出現三角洲沉積雛形，火山活動幾乎停止。