準噶爾盆地斷拗轉換期剝蝕厚度及其分布規律

周培興，吳孔友，董 方，李彥穎

中國石油大學（華東）地球科學與技術學院，山東 青島 266555

0 引言

地層遭受剝蝕是在沉積盆地中常見的現象［1］.倘若盆地剝蝕量普遍較小，對油氣生烴和油氣運聚產生的影響可忽略不計.但如果剝蝕量較大，將勢必對盆地油氣的生成、運移與聚集產生十分深遠的影響，此時便要進行剝蝕量的恢復［2］.對地層剝蝕厚度的恢復是定量研究盆地演化史和油氣資源評價的一種重要基礎工作［3］.目前恢復剝蝕厚度的一些主流方法有地球物理學方法如聲波時差法等［4-5］，地熱學方法如鏡質體反射率法［6-8］、流體包裹體法等［9］，地質學方法如波動分析法［10-11］、地質類比法［12］，地球化學方法如天然氣平衡濃度法［13］、宇宙成因核素法［14］等.針對于每種方法都有其特殊的使用條件制約性.對比眾多剝蝕厚度恢復方法，準噶爾盆地探井數量眾多，測井資料豐富，運用聲波時差法具有獲取資料相對迅速，應用原理成熟，操作性較強，簡便可行等實用性特點.

近幾年，在準噶爾盆地下三疊統底部和上二疊統頂部油氣勘探均有重大發現［15］.通過成藏條件初步分析及資源評價，該層系油氣資源潛力巨大，很可能成為又一個擁有巨大儲量的勘探領域［16］，多期演化造就了盆地具有多套生、儲、蓋組合和多期次成藏，為油氣的富集創造了條件［17］.準噶爾盆地二疊紀晚期和三疊紀早期處于強烈壓陷到整體拗陷的轉換期［18］，二疊系與三疊系之間、上二疊統與中二疊統之間存在不整合接觸，地層接觸關系復雜［19］.斷拗轉換期形成的大型不整合遮擋圈閉和地層超覆圈閉，為以大型地層為主控因素的油藏形成提供了有利條件［20-21］.要進行二疊紀與三疊紀轉換期不整合結構特征及控藏作用研究，揭示不整合結構控藏規律，探明資源潛力等工作須要恢復其古地貌［22］，首先須要進行恢復剝蝕量的工作.筆者擬采用聲波時差法首先對單井的剝蝕厚度進行計算，并在此基礎上，輔以構造趨勢法對下三疊統底部及上二疊統頂部地層剝蝕厚度的區域分布進行研究和分析（圖1）.

圖1 準噶爾盆地大地構造位置與構造單元分布圖（據文獻［23］修改）Fig.1 Geotectonic distribution map of Junggar Basin（Modified from Reference［23］）

1 地質背景

準噶爾盆地地處我國新疆北部，是新疆“三山兩盆”空間格局體系中重要的組成部分，盆地面積約為13×104km2.經歷了海西、印支、燕山和喜馬拉雅多期構造運動和多旋回發育過程.大地構造位置上，準噶爾地塊位于哈薩克斯坦古板塊、西伯利亞古板塊及塔里木古板塊的交匯部位［24］，屬于哈薩克斯坦板塊東延部分［25-26］（圖1a）.南北向看，其夾持于西伯利亞板塊和塔里木板塊之間，是陸緣板塊活動帶的三角地區，屬晚古生代的匯聚地帶［23］.無論是西伯利亞板塊歷次向南增生，還是歐亞板塊與印度板塊的碰撞或板塊A 型俯沖，都對本區的構造演化產生不同程度的影響.該盆地為一個晚古生代—中新生代大型陸相擠壓疊合盆地，盆地以逆沖斷層與周緣山系分界，并在山前形成數個前陸拗陷.盆地自形成以來經歷了復雜的構造演化，可劃分為3 隆2 拗5 個一級構造單元和32 個二級構造帶（圖1b）［23］.根據鉆井資料所揭示，準噶爾盆地所發育的地層自上而下有第四系、新近系、古近系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系和石炭系.盆地凸起或斜坡高部位存在眾多間斷面，發育超過10 個區域性不整合［18］.

2 構造轉換期地層接觸特征

中二疊世至早三疊世，在全球板塊構造格局快速重整導致的塊體強烈扭動與走滑作用下，北疆地區發生具有變革性質的印支運動，各造山帶普遍發生了強烈的構造隆升，準噶爾周圍的東準噶爾造山帶、西準噶爾造山帶和北天山造山帶等.北疆諸陸內造山帶均處于強烈隆升狀態，古博格達裂谷也全面回返，準噶爾盆地進入斷陷后的拗陷演化階段，開始表現為統一的沉降拗陷（圖2），盆山相間的現代構造格局基本定形［23］.造山帶向相鄰的盆地發生強烈逆沖推覆作用，在盆山過渡部位形成沖斷褶皺帶各類相關構造和地層剝蝕及不整合接觸現象，盆地凸起或斜坡高部位存在眾多間斷面，大部分缺失中、下二疊統，上二疊統上烏爾禾組超覆沉積于凸起之上，與下伏地層呈角度不整合接觸，三疊系—侏羅系披覆其上，隆起幅度較小.

圖2 準噶爾盆地演化模式圖Fig.2 Evolution model of Junggar Basin

3 地層剝蝕量計算方法及適用性分析

聲波時差法是起源于Athy［27］關于泥巖孔隙度與深度之間的指數關系模型式：

式中，φ 為巖石孔隙度；φ0為地表巖石孔隙度；k 為指數常數；D 為巖層埋深（m）.

聲波時差值取自測井資料，其概念為聲波從鉆孔傳到地面接收器的時間，聲波時差受孔隙度、巖性、流體含量等一系列因素影響.Wyllie 等人通過大量實驗，得出在具有均勻分布的小孔隙的固結地層中，傳播時間與孔隙度之間呈線性關系［28］，即不同深度的聲波傳播時間與孔隙度之間的變化可以據此進行相互類比，表示處于正常壓實的情況下可用指數函數方法來表達聲波時差與深度間的關系：

式中，Δt 為泥巖聲波時差（μs/m）；Δt0為地表泥巖聲波時差（591～689 μs/m）［29］.

Magara［4］于1976 年率先提出聲波時差法求取剝蝕厚度，并首次應用于西加拿大盆地的泥質巖類地層.當不整合面以上的沉積物厚度小于剝蝕厚度時，將不整合面以下的泥巖的壓實趨勢上推延至古地表處，取此古地表與不整合面之間的相對深度差值即為剝蝕厚度（圖3）.

能否利用泥巖壓實規律恢復剝蝕厚度，其關鍵因素不在于地層的厚度，而是不整合面之上新地層對其下伏老地層，與被剝蝕的地層在遭受剝蝕前對老地層所施加的靜壓力是否具一致性，新地層的沉積是否改變了下伏地層的壓實格架［30］.

老地層的壓實規律是否被改變可根據斜率為C0的擬合曲線與新地層斜率為Cn的擬合曲線的關系進行判斷.斜率相等時，當不整合面以上新沉積的地層厚度小于地層剝蝕厚度時聲波時差法才能使用.斜率不相等時，地層的擬合曲線關系有圖4 所示的4 種情況：當C0＞Cn時，剝蝕面以下的地層壓實規律未被破壞，新沉積的地層厚度小于或大于剝蝕厚度（圖4a、b），均能應用聲波時差法恢復剝蝕厚度；當C0＜Cn時，如果新地層對老地層施加的靜壓力比被剝蝕地層剝蝕前對老地層施加的靜壓力小時（圖4c），可應用聲波時差法恢復剝蝕厚度；當老地層存在欠壓實情況（圖4d），則不能應用聲波時差法計算剝蝕厚度.

圖4 聲波時差法適用條件關系（據文獻［30］修改）Fig.4 Applicability analysis of interval transit time method（Modified from Reference［30］）

4 剝蝕厚度恢復及控制因素

4.1 聲波時差法計算單井剝蝕厚度

在對單井的剝蝕量求取過程中，選取的泥巖層厚度應不低于2 m，且聲波時差數據需取自泥巖相對穩定的層段.在讀數過程中須遵循聲波時差上下曲線相應的下降趨勢，選取能夠反映孔隙度隨深度的變化而規律變化的聲波時差數值.根據測井資料，分析盆內探井的壓實曲線求取平均值Δt0為650 μs/m 左右.結合聲波測井曲線及巖性資料，選取不整合面附近優勢泥巖的聲波時差數據經對數轉換后，通過優化數據后作散點圖趨勢線，將趨勢線延伸至古地表聲波時差對數值讀取不整合造成的剝蝕厚度.以位于中拐凸起中部JL-2 井為例（圖5），其百口泉組底部不整合面位于3 960 m 處，上烏爾禾組底部不整合面位于4 244 m，不整合面上下均有較厚的泥巖層分布（表1）.

表1 JL-2 井不整合面附近泥巖層段Table 1 Layers of mudstone near the unconformity of JL-2 well

圖5 準噶爾盆地JL-2 井聲波時差測井解釋成果圖Fig.5 Logging interpretation of JL-2 well by interval transit time in Junggar Basin

將優選后的泥巖深度及其對應聲波時差對數值投影至散點圖中（圖6）.實線即地層壓實擬合趨勢曲線，上覆新沉積地層壓實擬合趨勢線均位于老沉積地層壓實擬合趨勢線左側，新老地層斜率不等，不整合面下地層壓實規律未遭到破壞，且新沉積的地層厚度明顯高過遭受剝蝕的厚度，該種情況符合聲波時差法求取剝蝕厚度適用條件.究其原因：新沉積地層的整體密度要顯著小于老沉積地層的整體密度，雖然新地層沉積厚度高于老地層剝蝕厚度，但是由于沉積物密度差異，老沉積地層的致密程度并未遭受新地層沉積影響而改變；且新地層沉積過后，老沉積地層的壓實規律在漫長地質歷史過程中逐步調整，加之在不整合面的形成過程中，老沉積地層需先經過隆升而后逐漸沉降，經歷數次差異等深的成巖演化［31］.經散點圖求取擬合方程后，最終延伸至古地表計算得JL-2 井二疊系上烏爾禾組底部不整合剝蝕厚度為124 m，三疊系百口泉組底部不整合剝蝕厚度為96 m.

4.2 斷拗轉換期剝蝕厚度匯總及分布規律

對于準噶爾盆地的各測井曲線資料、巖性和分層對比資料、井網部署等地質資料進行采集整理與研究匯總，通過井震結合的技術方法，以聲波測井資料中恢復的地層剝蝕厚度為主要依據，結合地震資料和構造剖面圖，運用構造趨勢法恢復準噶爾盆地斷拗轉換期部分不整合剝蝕厚度，并對二級構造單元剝蝕厚度值進行統計對比（圖7）.上烏爾禾組底部不整合剝蝕厚度（圖7a）遠大于百口泉組底部不整合剝蝕厚度（圖7b），反映斷拗轉換期以上、中二疊統之間為主不整合，剝蝕厚度大，三疊系與二疊系之間形成次級不整合.

圖7 斷拗轉換期不整合二級構造單元剝蝕厚度統計圖Fig.7 Denudation thickness statistics of unconformity of secondorder tectonic units in the fault-depression transition period

以聲波時差法結合構造趨勢法計算百口泉組、上烏爾禾組底部不整合面剝蝕厚度，對單井的剝蝕厚度計算過后，將各井位坐標及對應剝蝕厚度經網格化處理，運用成圖軟件繪制剝蝕厚度區域等值線圖（圖8）.結果顯示，各構造單元中，凸起相比于凹陷所遭受的剝蝕程度均較大.斷拗轉換期，上烏爾禾組底部不整合最大剝蝕厚度為155 m，位于準噶爾盆地西北緣；最小剝蝕厚度為20 m，位于沙灣凹陷及盆1 井西凹陷內部（圖8a）.百口泉組底部不整合最大剝蝕厚度為106 m，位于準噶爾盆地西北緣；最小剝蝕厚度為5 m，位于沙灣凹陷及阜康凹陷內部（圖8b）.剝蝕厚度特征總體上為西北緣往腹部逐漸遞減，在盆地腹部處時逐漸減小.反映二疊紀晚期至三疊紀早期古地貌呈現西北緣高程較大往盆地腹部減小的地形特征.

圖8 準噶爾盆地斷拗轉換期不整合剝蝕厚度等值線圖Fig.8 Denudation thickness contour of unconformity in the fault-depression transition period of Junggar Basin

5 結論

1）通過對準噶爾盆地演化、泥巖壓實規律、測井解釋成果、二維地震剖面等資料研究，表明利用聲波時差法恢復準噶爾盆地斷拗轉換期剝蝕地層厚度具有可行性.

2）晚二疊世—早三疊世處于海西運動晚期—印支運動早期構造運動的轉折時期，在盆內廣泛發育大型不整合面.準噶爾盆地在斷拗轉換期經歷了晚海西期和早印支期的構造變形，晚海西期的影響更大，形成主不整合，奠定了從晚二疊世到早三疊世的盆地總體格局.

3）針對剝蝕厚度分布規律研究，表明準噶爾斷拗轉換期古地貌呈現準噶爾盆地西北緣高、腹部低的地形特征.反映出其盆地改造具有西部強東部弱、邊緣強內部弱的特點.