李學(xué)良，張奎華，林會(huì)喜，張關(guān)龍，侯讀杰，王圣柱

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院/海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)石化股份勝利油田分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，山東 東營(yíng) 257000)

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣二疊系風(fēng)城組是石油開(kāi)發(fā)重要的勘探層系。目前，中石油在研究區(qū)已取得了很好的勘探成果,上報(bào)探明及控制石油地質(zhì)儲(chǔ)量2億多噸。近年來(lái),中石化在哈山及周緣的二疊系風(fēng)城組勘探中又獲得了重大油氣發(fā)現(xiàn)，表明風(fēng)城組在瑪湖凹陷北部仍具有較大的勘探前景[1-3]。在勘探過(guò)程中,二疊系風(fēng)城組表現(xiàn)出復(fù)雜的巖性特征,既有碎屑巖,也有火山巖和云質(zhì)巖。風(fēng)城組沉積時(shí)的沉積環(huán)境及發(fā)育哪些沉積相等問(wèn)題未得到深入研究，嚴(yán)重制約了研究區(qū)進(jìn)一步的勘探評(píng)價(jià)工作。對(duì)此，本研究從巖石學(xué)入手,利用碳氧同位素、X衍射以及地球化學(xué)特征等手段分析二疊系風(fēng)城組沉積時(shí)的沉積環(huán)境,并根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造等沉積相標(biāo)志劃分了研究區(qū)風(fēng)城組形成時(shí)的相類(lèi)型,對(duì)研究區(qū)下步有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)和勘探部署具有重要的指導(dǎo)意義。

1 概 況

1.1 區(qū)域構(gòu)造特征

研究區(qū)位于準(zhǔn)西北緣哈拉阿拉特山—烏夏地區(qū),隸屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起,呈北東南西向的狹長(zhǎng)帶狀展布,南寬,北窄。西以扎伊爾山為界,北部以哈拉阿拉特山并為界,南臨瑪湖凹陷,東接陸梁隆起(見(jiàn)圖1)。

根據(jù)前人研究,準(zhǔn)噶爾盆地在晚石炭世—二疊紀(jì)處于前陸盆地構(gòu)造-沉積演化階段,二疊系沉積期,準(zhǔn)噶爾盆地由石炭紀(jì)伸展構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)化為擠壓構(gòu)造環(huán)境;其中，早二疊世風(fēng)城組沉積時(shí)盆地處于前陸盆地間歇期,同時(shí)伴隨短暫松弛伸展引起的火山活動(dòng)[4-6]。

圖1 哈山及周緣地區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.1 Structure sketch map of Hashan and its adjacent areas

1.2 地層發(fā)育特征

二疊系風(fēng)城組主要分布在哈山、烏夏及瑪湖凹陷地區(qū)。哈山地區(qū)風(fēng)城組巖性主要為含灰或灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和薄層粉砂巖及少量細(xì)砂巖的互層,其中在東北部有鉆井鉆遇凝灰?guī)r等火山碎屑巖。烏夏地區(qū)主要為深灰、灰黑色凝灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖夾砂巖、粉砂巖,發(fā)現(xiàn)有孔蟲(chóng)、棘皮動(dòng)物化石殘片和藻類(lèi)等化石。南部靠近凹陷中心處地區(qū)發(fā)育頻繁互層的堿鹽沉積,主要為天然堿鹽類(lèi)。

2 巖石學(xué)特征

研究區(qū)內(nèi)，風(fēng)城組巖石類(lèi)型和成分復(fù)雜多樣,包括陸源碎屑巖(砂巖、粉砂巖)、泥巖、硅質(zhì)巖、碳酸鹽巖、火山碎屑巖、火山熔巖等均有不同程度的發(fā)育，主體發(fā)育粒度較細(xì)的云化凝灰?guī)r(含云凝灰?guī)r或白云質(zhì)凝灰?guī)r)、云化泥巖(含云泥巖或白云質(zhì)泥巖)、凝灰質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖等。此外，沉積中心地區(qū)發(fā)育厚層鹽質(zhì)泥巖和堿鹽沉積。

2.1 巖 鹽

研究區(qū)已發(fā)現(xiàn)的鹽類(lèi)礦物主要包括常見(jiàn)的鹽類(lèi)礦物(石鹽、硬石膏、天然堿)外，還發(fā)育特殊鹽類(lèi)礦物(硅硼鈉石和碳酸鈉鈣石)。其中，石鹽和硬石膏主要呈漂浮狀分布在云泥巖中,或者分布在晶間孔之中,不成層,整體來(lái)看，在整個(gè)鹽類(lèi)礦物中所占含量較少(見(jiàn)圖2)。

圖2 哈山及周緣主要鹽類(lèi)礦物發(fā)育特征Fig.2 Characteristics of saline minerals in Hashan and its adjacent areas

硅硼鈉石作為一種自生礦物,其成因通常與凝灰質(zhì)巖層和堿性咸化湖水有關(guān)；硅硼鈉石集合體通常與沸石和自生長(zhǎng)石伴生,多是沸石在硼的活化度較高時(shí)的蝕變產(chǎn)物[7-8]。

碳酸鈉鈣石的晶體一般為數(shù)厘米厚的夾層或呈似斑狀結(jié)構(gòu)漂浮于云泥巖之中或凝灰質(zhì)云泥巖中。晶體呈板柱狀或纖維狀,無(wú)色或白色,滴鹽酸產(chǎn)生劇烈氣泡,茜素紅可將其染成紅色,干涉色較高(見(jiàn)圖2c)。其成因可以看成是單斜納鈣石(Na2CO3·CaCO3·5H2O)先脫水形成鈣水堿(Na2CO3·CaCO3·2H2O)，最終完全脫水形成碳酸鈉鈣石。

天然堿在碳酸鹽型水中才能沉淀,且隨著湖水蒸發(fā)作用的進(jìn)行,其pH值大于9且不斷增大,沉積在非海相環(huán)境中[9-10]。在研究區(qū)內(nèi)，其主要成層分布,往往與云泥巖互層產(chǎn)出,呈現(xiàn)塊狀產(chǎn)出特征,堿鹽較為純凈,不含泥質(zhì),多為白色(見(jiàn)圖2a，e)。此外，在鏡下薄片中觀察,仍能見(jiàn)到堿鹽似樹(shù)枝狀漂浮在云泥巖之中；在接近盆地邊緣的夏76井,同樣發(fā)現(xiàn)簇狀生長(zhǎng)的堿類(lèi)物質(zhì)存在(見(jiàn)圖2e),其硬度小于5.5,鏡下鑒定具有高級(jí)白的干涉色特征(見(jiàn)圖2a)。據(jù)前人研究成果可知，較為純凈的白色堿鹽層多發(fā)生在淺鹽湖的水下直接沉淀,這與個(gè)別塊狀堿鹽層段頂部發(fā)現(xiàn)的小型交錯(cuò)層理是相一致的。簇狀生長(zhǎng)的堿類(lèi)物質(zhì),其晶體多呈長(zhǎng)的放射狀向上生長(zhǎng),底部有一個(gè)平緩的基地；當(dāng)湖水接近干涸,只有幾厘米深的時(shí)候，其生長(zhǎng)在湖底或者是生長(zhǎng)在長(zhǎng)久性鹽湖周?chē)慕咏珊缘母甥}湖湖岸,這與接近盆地邊緣夏76井處發(fā)現(xiàn)的簇狀生長(zhǎng)的堿類(lèi)物質(zhì)是一致的。

2.2 云質(zhì)巖

云質(zhì)巖在研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育,根據(jù)巖心、鏡下巖石組構(gòu)特征,可將區(qū)內(nèi)云質(zhì)巖劃分為6種產(chǎn)狀,3種成因(見(jiàn)表1)。

從表1中可以看出,研究區(qū)云質(zhì)巖的主要成因有3種:準(zhǔn)同生成因;經(jīng)埋藏成巖作用;后期熱液作用。粉細(xì)晶白云巖多是在早期泥粉晶準(zhǔn)同生白云巖的基礎(chǔ)上，經(jīng)后期埋藏成巖作用形成,且泥粉晶白云巖在研究區(qū)普遍發(fā)育。因此，確定研究區(qū)內(nèi)云質(zhì)巖主要形成于一個(gè)強(qiáng)烈蒸發(fā)的環(huán)境下。

2.3 含灰質(zhì)細(xì)粒碎屑巖

含灰質(zhì)細(xì)粒碎屑巖主要指分布于哈山地區(qū)的含灰或灰質(zhì)泥巖類(lèi)和粉、細(xì)砂巖類(lèi)(見(jiàn)表2)。巖石中發(fā)育泥灰?guī)r和粉砂質(zhì)泥巖組成的紋層,反映水體環(huán)境較為安靜；紋層之間層理縫比較發(fā)育,但多被后期亮晶方解石膠結(jié)充填。同時(shí)，在含灰粉砂質(zhì)泥巖中存在粉砂巖的團(tuán)塊,究其成因反映了相對(duì)較淺的水深;同時(shí)可見(jiàn)灰質(zhì)粉砂巖之間充填泥灰質(zhì)和亮晶方解石膠結(jié)?？傮w來(lái)看，哈山地區(qū)細(xì)碎屑巖整體灰質(zhì)成分含量較高。

表1 哈山及周緣風(fēng)城組不同類(lèi)型云質(zhì)巖特征Tab.1 Characteristics of different types of dolomite in Hashan and its adjacent areas

表2 哈山地區(qū)灰質(zhì)細(xì)粒碎屑巖巖性特征Tab.2 Lithologic characteristics of tuffaceous fine clastic rocks in Hashan area

3 沉積環(huán)境

關(guān)于研究區(qū)風(fēng)城組沉積環(huán)境的探討,爭(zhēng)議由來(lái)已久。尤興第(1985)、尹路(2013)根據(jù)研究區(qū)發(fā)育的葛萬(wàn)藻棘皮、有孔蟲(chóng)、腕足類(lèi)等海相生物化石,以及海綠石、Sr/Ba及B含量等認(rèn)為，風(fēng)城地區(qū)屬于殘留海和局限瀉湖的沉積相;而馮建偉(2009)、朱世發(fā)(2013)等依據(jù)巖心、巖相、地層厚度變化規(guī)律等認(rèn)為，風(fēng)城沉積區(qū)為咸化湖泊沉積。此外,關(guān)于風(fēng)城地區(qū)鹽巖的發(fā)育,蔣宜勤等(2012)提出了“深水湖盆熱液噴流含鹽火山-沉積建造”這一理論[11-14]。

前人關(guān)于微量元素含量或比值以及特征礦物、生物化石在判別沉積環(huán)境上的應(yīng)用多限于常見(jiàn)海陸相沉積環(huán)境。然而，研究區(qū)風(fēng)城組沉積時(shí),伴隨著強(qiáng)烈的火山活動(dòng),發(fā)育火山巖以及一些特征性的礦物巖石組合,同時(shí)廣泛發(fā)育云質(zhì)巖及大量的堿鹽。研究區(qū)復(fù)雜的巖性組合決定了其沉積環(huán)境的特殊性,因此在利用微量元素和特征礦物分析沉積環(huán)境時(shí),還需要綜合考慮多種因素。

3.1 碳氧同位素分析

前人的研究成果證實(shí),對(duì)碳酸鹽巖中碳、氧穩(wěn)定同位素的分析可以恢復(fù)古流體的鹽度,并能夠解讀古氣候條件和沉積物成巖過(guò)程[15-17]?；谔肌⒀跬凰?可以計(jì)算出鹽度值,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì),認(rèn)為鹽度值小于120時(shí),指示淡水環(huán)境;大于120時(shí),為海相(或咸水)環(huán)境。

本文在研究區(qū)內(nèi)選取了具有代表性的48塊碳酸鹽巖樣品,通過(guò)對(duì)碳酸鹽巖的碳、氧穩(wěn)定同位素進(jìn)行測(cè)試分析,恢復(fù)風(fēng)城組沉積時(shí)期的水體鹽度[12-13]。

表3 哈山及周緣風(fēng)城組樣品測(cè)試同位素及鹽度值Tab.3 Isotopic and salinity values of Fengcheng samples in Hashan and its adjacent areas

續(xù)表3

從表3可以看出,在48個(gè)樣品中,只有兩個(gè)樣品的鹽度值小于120,表明了風(fēng)城組沉積時(shí)期處于咸水環(huán)境之中。

3.2 X衍射分析

研究區(qū)風(fēng)城組巖性復(fù)雜多變,具有大量云質(zhì)巖沉積，而云質(zhì)巖多以泥粉晶細(xì)粒沉積為主,同時(shí)伴隨有大量的細(xì)粒陸源碎屑顆粒及其他自生礦物。通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行X衍射分析,可以從總體上判別地層的沉積環(huán)境。

從區(qū)內(nèi)樣品的X衍射分析結(jié)果可以看出,作為石英與長(zhǎng)石含量之和的陸源碎屑巖總質(zhì)量含量占到56.68%,作為方解石與白云石含量之和的碳酸鹽為主的化學(xué)巖沉積總質(zhì)量含量占到32.68%(見(jiàn)圖3)。因此，風(fēng)城組沉積時(shí)研究區(qū)是一個(gè)以陸源碎屑沉積為主的環(huán)境，同時(shí)伴隨著相對(duì)強(qiáng)烈的化學(xué)巖沉積,整體上具有碎屑巖和化學(xué)巖混積沉積的特點(diǎn)。

3.3 烴源巖地化特征分析

油氣地球化學(xué)可以有效地判別沉積環(huán)境和生烴來(lái)源。如利用三環(huán)萜烷標(biāo)志綠藻,新膽甾烷用來(lái)標(biāo)志硅藻;利用正構(gòu)烷和異構(gòu)烷信息可以判別各種生源的貢獻(xiàn)[15-16]。

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)風(fēng)城組烴源巖的地化特征分析,規(guī)則甾烷的分布C27甾烷含量很低,C28甾烷含量比較高(明顯高于C27甾烷)；C29通常含量最高,但部分樣品中C28甾烷含量最高(主要由硅藻提供)。另外,正構(gòu)烷烴主峰碳數(shù)分布在較低的碳數(shù)部:C15，C17，C19反映了低等藻類(lèi)中原生烴類(lèi)的分布特點(diǎn)。

總體來(lái)看,風(fēng)城組富含β-胡蘿卜烷、伽馬臘烷,且整體具有明顯的植烷優(yōu)勢(shì),反應(yīng)原始有機(jī)質(zhì)沉積于咸水—超咸水強(qiáng)還原環(huán)境,水生生物主要為硅藻和藍(lán)綠藻的藻類(lèi)生物(見(jiàn)圖4)。

圖4 哈山地區(qū)灰色泥巖色譜圖(HQ6，P1f3，1 630～1 660 m) Fig.4 Chromatogram map of gray mudstone in Hashan area

4 沉積相特征

根據(jù)上述巖石學(xué)特征,結(jié)合巖心觀察、薄片鑒定、錄井巖性及顏色特征分析可知，研究區(qū)風(fēng)城組沉積時(shí)期主要發(fā)育辮狀河三角洲和堿性鹽湖沉積相。

4.1 辮狀河三角洲

研究區(qū)辮狀河三角洲主體發(fā)育于西北部哈拉阿拉特山前的斷裂帶區(qū)域,并向斜坡帶和湖泊區(qū)延伸。

根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造等沉積相標(biāo)志分析,研究區(qū)內(nèi)辮狀河三角洲相可進(jìn)一步劃分為辮狀河三角洲平原和辮狀河三角洲前緣(見(jiàn)圖5)。

4.1.1 辮狀河三角洲平原 區(qū)內(nèi)辮狀河三角洲平原常見(jiàn)板狀交錯(cuò)層理、板狀斜層理和遞變層理及沖刷充填構(gòu)造,辮狀河道間泛濫平原主要為紅綜色泥巖,巖性主要為砂礫巖、粗砂巖、細(xì)礫巖夾褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖。

4.1.2 辮狀河三角洲前緣 區(qū)內(nèi)巖性主要為灰色、綠灰色不等粒砂巖,分選較好,無(wú)暴露構(gòu)造, 發(fā)育水平層理、小型交錯(cuò)層理及季節(jié)性韻律層理,并見(jiàn)碳屑、植物碎片等。河口砂壩、遠(yuǎn)砂壩微相巖性以淺灰色及灰色粉砂巖為主,間夾灰色泥質(zhì)粉砂巖,分選中等—好，發(fā)育平行層理和小型交錯(cuò)層理的反韻律;水下分流河道間巖性為灰色、綠灰色不等粒砂巖以及泥質(zhì)砂巖,見(jiàn)不等粒砂巖與棕色泥巖的互層。

4.2 堿性鹽湖

鹽湖是一種咸化水體,通常是指湖水含鹽大于海水平均鹽度的湖泊[18-19]。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)鉆井資料分析,可進(jìn)一步將研究區(qū)沉積環(huán)境劃分為濱湖、淺湖、半深湖、深湖4個(gè)亞相(見(jiàn)圖5)。

4.2.1 濱湖亞相 該亞相常見(jiàn)水平層理、小型交錯(cuò)層理及季節(jié)性韻律層理,并見(jiàn)碳屑、植物碎片等。巖性主要為淺灰色泥巖夾薄層紅棕色泥巖(見(jiàn)圖5g),同時(shí)見(jiàn)薄層細(xì)砂巖、粉砂巖。

4.2.2 淺湖亞相 其巖性主要為灰色(灰黑色)含灰(灰質(zhì))泥巖、砂質(zhì)泥巖夾薄層粉砂巖。研究區(qū)常見(jiàn)水平層理,偶見(jiàn)波狀層理,見(jiàn)季節(jié)性韻律紋層(粉砂質(zhì)與灰泥巖組成),同時(shí)可見(jiàn)水下收縮縫的形成(見(jiàn)圖5h，i)。前人研究表明,水體鹽度越高越有利于水下收縮縫的形成,這與本地區(qū)咸化的背景是一致的[20]。

4.2.3 半深湖亞相 在風(fēng)城組沉積時(shí)期，由于湖盆水體擴(kuò)大,廣泛發(fā)育暗色湖相云泥巖,巖性總體上為灰黑色、綠灰色云質(zhì)泥巖或泥質(zhì)云巖的薄互層。常見(jiàn)水平層理發(fā)育,多見(jiàn)季節(jié)性韻律,可見(jiàn)到還原環(huán)境下的黃鐵礦(見(jiàn)圖5b，c，e，f)。同時(shí)發(fā)育滑塌變形構(gòu)造,即已沉積的沉積層在重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)和位移所產(chǎn)生的各種同生變形構(gòu)造,顯示了沉積時(shí)具有一定的坡度。

4.2.4 深湖亞相 其主要為細(xì)粒云質(zhì)泥巖、鹽質(zhì)泥巖和天然堿鹽層的周期性沉積。在湖平面萎縮到最小時(shí),可見(jiàn)天然堿鹽層頂部發(fā)育小型交錯(cuò)層理,灰黑色鹽質(zhì)泥巖中巖鹽晶體向上逐漸增多。巖性主要為鹽巖與云泥巖互層,鹽巖地層包括純凈塊狀鹽巖和鹽質(zhì)泥巖(見(jiàn)圖5d)。其中，細(xì)粒云質(zhì)泥巖顯示塊狀層理,不見(jiàn)任何層理,缺乏化石,反映了水體安靜,還原程度較強(qiáng)。

4.3 沉積演化特征

研究區(qū)風(fēng)城組沉積具有一定的繼承性,沉積相主要包括辮狀河三角洲和堿性鹽湖,局部地區(qū)發(fā)育火山巖。從風(fēng)一段到風(fēng)三段整體反映了一個(gè)湖水逐漸擴(kuò)大再縮小的過(guò)程(見(jiàn)圖6)。

4.3.1 風(fēng)一段沉積相展布特征 其繼承了佳木河火山活動(dòng)的特點(diǎn),在風(fēng)城、夏子街地區(qū)，風(fēng)一段底部火山巖發(fā)育,整個(gè)深湖沉鹽區(qū)面積較小,主要以半深湖云質(zhì)巖和濱淺湖沉積為主。其中， 瑪湖東坡三角洲進(jìn)積到夏71井區(qū)附近,北部哈山地區(qū)物源并沒(méi)有進(jìn)積至哈深2井等地區(qū)，反映了整個(gè)湖盆東部和西部地區(qū)物源供給較強(qiáng)。

圖5 哈山及周緣風(fēng)城組沉積相標(biāo)志Fig.5 Sedimentary facies signs of Fengcheng formation in Hashan and its adjacent areas

4.3.2 風(fēng)二段沉積相展布特征 其火山活動(dòng)有所減弱,主要集中于夏子街地區(qū),深湖區(qū)湖水和堿鹽沉積面積擴(kuò)大,半深湖云質(zhì)巖沉積擴(kuò)展到哈山地區(qū)。北部哈山地區(qū),物源沒(méi)有明顯變化,東西兩側(cè)物源明顯后退,可能與前陸盆地活動(dòng)寧?kù)o期相對(duì)應(yīng)。

4.3.3 風(fēng)三段沉積相展布特征 其火山活動(dòng)明顯減弱,主要分布在風(fēng)城部分地區(qū),湖水面積嚴(yán)重收縮,深湖堿鹽和半深湖云質(zhì)巖沉積范圍明顯縮小,盆地邊緣辮狀河三角洲進(jìn)積明顯,反映了構(gòu)造逆沖期的到來(lái)。其中，來(lái)自哈山方向的物源明顯進(jìn)積到風(fēng)古4井區(qū)，反映風(fēng)三段沉積時(shí)期哈山地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的明顯加劇。

總體上看,在哈山地區(qū)，盆地邊緣為粗碎屑砂礫巖夾洪泛平原泥巖,之后向湖盆方向變?yōu)楹一蚧屹|(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒沉積,靠近湖盆中心的烏夏地區(qū)主要為細(xì)粒云質(zhì)巖沉積,沉積中心沉積厚層天然堿鹽類(lèi)。從縱向上看，自下而上，沉積具粗—細(xì)—粗的巖性變化規(guī)律,總體上反映風(fēng)城組由于構(gòu)造抬升—沉降—抬升的次級(jí)構(gòu)造演化,導(dǎo)致水體下降—上升—下降的湖平面變化,形成垂向上退積—進(jìn)積的沉積充填序列。

5 結(jié) 論

研究區(qū)內(nèi)二疊系風(fēng)城組發(fā)育多種物源的巖性,包括陸源碎屑巖、云質(zhì)巖、火山碎屑巖、堿鹽沉積等；主體發(fā)育粒度較細(xì)的云化凝灰?guī)r(含云凝灰?guī)r或白云質(zhì)凝灰?guī)r)、云化泥巖(含云泥巖或白云質(zhì)泥巖)、凝灰質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖等,此外沉積中心發(fā)育厚層鹽質(zhì)泥巖和堿鹽沉積?？傮w來(lái)看，風(fēng)城組主要沉積于咸水—超咸水強(qiáng)還原環(huán)境,并在初期伴隨有一定的火山活動(dòng)。沉積相主要為辮狀河三角洲和堿湖沉積,從風(fēng)一段到風(fēng)三段整體反映了一個(gè)湖水逐漸擴(kuò)大再縮小的過(guò)程。

圖6 哈山及周緣風(fēng)城組沉積相發(fā)育模式圖Fig.6 Models of sedimentary facies of Fengcheng formation in Hashan and its adjacent areas