張 磊,張昌民,趙 康,安志淵,張祥輝

(1.中國石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院,新疆克拉瑪依 834000;2.長江大學地球科學學院,湖北武漢 430100)

分支河流體系(Distributive Fluvial System,簡稱DFS)是從頂點呈放射狀展布的分支狀河流沉積。DFS最早由Weissmann等提出[1],Weissmann等指出DFS“通常也被稱為沖積扇、洪積扇和巨型扇”;同年,Hartley等[2]公布了對全球724個DFS測量的結(jié)果,并重點選擇其中的415個大型DFS進行分析,總結(jié)了識別DFS的6條準則,發(fā)現(xiàn)DFS發(fā)育受盆地構(gòu)造、氣候以及流域大小、源區(qū)母巖性質(zhì)等盆地外部因素和內(nèi)部因素共同控制。

DFS概念提出之后也受到一些質(zhì)疑[3-5],部分學者認為Weissmann等(2010)的論文在衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計方面夸大了DFS分布范圍,DFS與河流扇(fluvial fan)和巨型扇(megafan)相同,沒有必要提出一個新名詞。Weissmann及其團隊強調(diào)DFS是一個“集合詞”,強調(diào)沉積體系的整體性和內(nèi)部沖積扇、辮狀河、曲流河等單元的聯(lián)系性,重視河流在陸相盆地的主控作用,并撰文對學術(shù)界提出的質(zhì)疑進行分析[6-8]。國內(nèi)也有學者主張使用河流扇。李相博等[9]用河流扇的觀點解釋了鄂爾多斯盆地延長組“滿盆砂”的成因,張元福等[10]對國際上關于河流扇的最新進展和爭議進行了系統(tǒng)的闡述,將DFS作為河流扇的同義詞,認為河流扇的研究將豐富傳統(tǒng)的沉積學認知,正在引發(fā)世界范圍內(nèi)對現(xiàn)代和古代陸相沉積體系的再認識,對古代河流扇沉積的研究將為油氣儲層研究提供新思路。近十年來,DFS研究在現(xiàn)代沉積、露頭分析、地下地質(zhì)對比等領域全面展開[11-19],研究方法和理論成果逐漸系統(tǒng)化,顯示其科學特質(zhì)和應用價值[20-23]。

二疊系和三疊系是瑪湖凹陷的主力含油層系,河流是沉積物的主要搬運營力和擴散載體,河道徑流將大量沉積物搬運堆積在凹陷邊緣,形成了沖積扇、河流、三角洲等沉積體系,造成從礫巖到砂礫巖-砂巖-砂泥巖-泥頁巖儲層的有序分布格局。早期研究主要以沖積扇模式指導沉積體系分析[24-28],2000年以來扇三角洲模式被廣泛使用[29-34],但任何單一的模式都難以完整表達某一地質(zhì)歷史時期所形成的沉積體系特征,而且在河流與沖積扇、三角洲概念的內(nèi)涵關系方面還存在概念上的沖突。

本文以較新的分支河流體系理論為基礎,利用巖心、測井和地震資料,分層組研究瑪湖凹陷二疊系和三疊系沉積體系分布,建立基于分支河流體系的沉積模式,分析分支河流體系演變規(guī)律及其與盆地構(gòu)造發(fā)展階段的關系,為儲層預測提供參考。

1 地質(zhì)概況與研究背景

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣,是準噶爾盆地瑪湖-漠區(qū)坳陷的次一級負向構(gòu)造單元,也是準噶爾盆地最重要的含油氣凹陷(圖1)?，敽枷萁?jīng)歷了晚石炭紀的碰撞-成盆階段、二疊紀盆地壓陷-撓曲階段、三疊紀撓曲-坳陷階段、侏羅紀至古近紀的坳陷-沉降階段和新近紀至第四紀的再生前陸盆地階段[35],發(fā)育多套生儲蓋組合,發(fā)現(xiàn)了大量常規(guī)和非常規(guī)油氣藏,呈現(xiàn)出不同類型油氣藏垂向和橫向有序分布的全油氣系統(tǒng)特征[36-38],弄清儲層沉積體系展布模式和分布規(guī)律是完善全油氣系統(tǒng)理論的重要內(nèi)容。

圖1 瑪湖凹陷的構(gòu)造位置

本文采用Weissmann等[1]和 Hartley等[2]的觀點,將沖積扇、河流扇、巨型扇一并納入DFS的范疇(表1),并認為:①DFS的沉積動力以河流為主,泥石流等重力流只在較小的DFS上出現(xiàn);②DFS上發(fā)育的河流可以是辮狀河,也可以是曲流河和網(wǎng)狀河,一般為多類型河道共生。河道類型向DFS下游不斷變化,河道彎曲度一般呈增加的趨勢;③DFS終端類型眾多,終止在陸上的DFS稱為沖積扇、河流扇和巨型扇,終止在靜止水體后形成DFS三角洲,三角洲前緣水下分流河道部分為DFS與湖泊的過渡帶,河流沉積作用與湖泊沉積作用同時存在,納入DFS的范圍,其他部分與DFS無關。

表1 DFS的規(guī)模和形態(tài)分類

圖2為本文使用的沉積模式,該模式將沉積體系內(nèi)部的相帶進行精細劃分,展示了砂體疊置程度的變化。如果DFS沒有攜帶沉積物進入水體,此時就不發(fā)育水下的湖泊體系,只發(fā)育陸上的DFS,可以劃分為沖積扇、河流扇和巨型扇,其內(nèi)部可以劃分為頂端、近端、中部、遠端4個相帶,不發(fā)育過渡帶;如果沖積扇、河流扇和巨型扇攜帶了沉積物進入水體,則會發(fā)育河流沉積作用與湖泊沉積作用同時存在的過渡帶,此時發(fā)育的沉積體系包括DFS和湖相體系,DFS可以劃分為頂端、近端、中部、遠端、過渡帶共5個相帶。DFS延伸的范圍,也就是DFS的半徑,從沉積物擴算開來的頂點開始,到河流作用消失的界線結(jié)束,具體就是頂端-近端-中部-遠端的延伸范圍(如果發(fā)育過渡帶,則還包括過渡帶)。

圖2 DFS沉積相帶分布模式

2 二疊系的沉積特征與沉積模式

瑪湖凹陷二疊系自下而上劃分為佳木河組(P1j)、風城組(P1f)、夏子街組(P2x)、下烏爾禾組(P2w)和上烏爾禾組(P3w)。

2.1 佳木河組

佳木河組為火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖組成的混積層,不同巖性在垂向上交互出現(xiàn)[39-40]。發(fā)育的碎屑巖以礫巖為主,多為灰褐色、紅褐色,塊狀層理發(fā)育,局部見顆粒定向排列和小型交錯層理,碎屑顆粒磨圓中等,分選差。沉積微相類型包括泥石流沉積、辮狀河道沉積、泛濫平原洼地沉積、三角洲前緣沉積、湖泊灘壩沉積和湖相泥巖沉積,指示在頻繁的湖平面升降影響下發(fā)育沖積扇等小型DFS及扇三角洲沉積體系(表2)。

表2 瑪湖凹陷二疊系三疊系各組巖石相、沉積微相與DFS發(fā)育特征

佳木河組早期在中拐凸起及克-百斷裂帶主要發(fā)育扇三角洲,在烏-夏斷裂帶以火山巖相為主。靠近西部斷裂火山口以串珠式連片發(fā)育,向東依次出現(xiàn)近火山口相、遠火山口相、扇三角洲相、湖相。此階段發(fā)育8個主要DFS體系,最大的DFS半徑為32 km(表3)。中期烏夏地區(qū)火山活動減弱,近火山口相發(fā)育范圍變小,扇三角洲向湖盆方向推進明顯,湖相分布范圍變小,此期發(fā)育的最大DFS半徑為40 km。晚期烏夏地區(qū)有較大扇三角洲發(fā)育,火山相僅在斷裂附近呈條帶狀分布,橫向上被扇三角洲切割,火山相以中心式噴發(fā)為主,火山分布范圍最小,發(fā)育的最大DFS半徑為37 km。

表3 瑪湖凹陷二疊系主要DFS類型及其規(guī)模

佳木河組沉積時期,火山活動在斷裂帶附近最為活躍,往凹陷中心逐漸過渡為碎屑沉積。在斷裂帶附近,繼承性火山噴發(fā)形成的多旋回火山口-近火山口亞相在垂向上相互疊置,遠火山口地區(qū)表現(xiàn)為熔巖與扇三角洲沉積的垂向疊置。在斜坡帶,火山碎屑巖與扇三角洲和湖泊沉積交替發(fā)育。平面上依次出現(xiàn)火山口-近火山口亞相、遠火山口內(nèi)亞相+部分扇三角洲平原亞相、遠火山口外亞相+主體扇三角洲平原亞相、遠火山口外亞相+扇三角洲前緣亞相(或濱淺湖亞相)、前扇三角洲亞相或淺湖-半深湖亞相,根據(jù)以上特征建立佳木河組沉積模式(圖3)。

2.2 風城組

風城組巖性復雜(表2),為一套堿湖背景下的沉積[41-42],與佳木河組相比,風城組火山巖發(fā)育范圍及厚度變小,而且碎屑巖總體顆粒變細。沉積微相類型包括各種礫質(zhì)和砂質(zhì)河道沉積、河道間泛濫平原沉積、三角洲前緣沉積和分布廣泛的濱淺湖相和深湖相沉積(表2),盆地邊緣以沖積扇這種小型DFS為主,湖平面波動導致DFS分布范圍變化很大。

風城組早期凹陷西南部發(fā)育火山巖相-碎屑巖相,東北部以湖相為主,發(fā)育凝灰質(zhì)碎屑巖,往沉積中心方向,云質(zhì)巖類發(fā)育;主要發(fā)育DFS中部、遠端以及三角洲前緣沉積,向盆地內(nèi)過渡為湖相沉積,DFS最大半徑32 km(表3)。風城組中段時期,湖盆萎縮,氣候變干旱,蒸發(fā)量變大,此時風城組白云巖、云質(zhì)巖類與富有機質(zhì)巖泥巖互層出現(xiàn),同時發(fā)育堿性礦物;DFS比較發(fā)育,受斷層前展逆沖影響,DFS向盆地進積,物源以西北方向為主體,最大DFS半徑減小到26 km。風城組上段繼承了中段時期的沉積相特征,DFS類型仍以沖積扇為主,發(fā)育部分河流扇,入湖形成扇三角洲和河流三角洲體系,最大DFS半徑達到35 km,火山巖主要在研究區(qū)南部斷裂附近分布。

2.3 夏子街組

夏子街組發(fā)育粗粒和細粒碎屑巖(表2),底部發(fā)育一套灰色砂礫巖,中上部為褐灰色含礫泥質(zhì)細砂巖與褐灰色砂礫巖互層沉積;與風城組相比較,夏子街組黑色泥巖厚度減少,褐色和紅色泥巖增加,指示湖泊面積減小,水體變淺。發(fā)育的沉積微相有辮狀河道沉積、泛濫平原沉積、濱淺湖泥巖沉積、半深湖-深湖泥沉積等[43-45](表2);與風城組相比,夏子街組沉積物粒度較粗,DFS規(guī)模變大。

夏子街組沉積體系主要以河流扇-三角洲及湖相沉積為主,物源有東、西、北三個方向,凹陷周緣主要發(fā)育有17個DFS,最大DFS半徑為52 km(表3),靠近西部物源的沉積體系規(guī)模明顯大于北部與東部沉積體系規(guī)模。

研究區(qū)受湖侵作用影響,DFS向陸退積,夏子街組整體發(fā)育一套完整的向上變細的正旋回沉積序列。西部物源供給的DFS體系規(guī)模明顯大于東部及北部;其次西部古地形坡度相對東部及北部平緩,有利于沉積物在凹陷內(nèi)部廣泛分布。平面上,西部物源供給的沉積體系規(guī)模展布范圍大,形成河流扇-三角洲(圖4)。

圖4 瑪湖凹陷二疊系夏子街組沉積模式

2.4 下烏爾禾組

下烏爾禾組發(fā)育粗粒和細粒碎屑巖(表2),同時存在氧化和還原環(huán)境。下烏爾禾組物源位置在一定程度上繼承了夏子街組,發(fā)育沖積扇、河流扇等中小型DFS,在其末端發(fā)育三角洲[46-47]。

下烏爾禾組的沉積模式與夏子街組相似,夏子街一、二段為湖泊擴張期背景下發(fā)育的沖積扇-扇三角洲-湖泊沉積環(huán)境,物源有東、西、北三個方向,西部物源的沉積體系規(guī)模大于東部地區(qū),共發(fā)育15個主要DFS體系,最大沉積體系半徑38 km(表3)。研究區(qū)烏爾禾組三、四段以湖相沉積為主,砂體不發(fā)育(圖5)。

圖5 下烏爾禾組DFS分布

2.5 上烏爾禾組

上烏爾禾組69口井共1 217.60 m的巖心中礫質(zhì)巖約占70%,砂質(zhì)巖約占22%,泥質(zhì)巖約占8%,礫巖以細礫巖、小中礫巖和大中礫巖為主。上烏爾禾組主要發(fā)育的沉積微相組合形成DFS近端、DFS中部、DFS遠端、三角洲前緣、前三角洲5種亞相,形成以沖積扇、礫質(zhì)河流扇為主要類型的粗粒DFS和三角洲沉積體系[48-50]。

上烏爾禾組發(fā)育7個大型DFS體系,烏一段DFS半徑最大60 km,烏二段DFS半徑最大50 km,烏三段DFS半徑最大50 km(表3)。DFS末端顯示兩種沉積模式,一種為終止于陸上的沉積模式,另一種為終止于湖泊并形成三角洲的沉積模式,兩種模式都表現(xiàn)出從DFS頂點至遠端,分支河道占比越來越少,泛濫平原比例越來越大,沉積物粒度逐漸變細,砂體疊置的頻繁程度也逐漸減小(圖6)。

圖6 瑪湖凹陷上烏爾禾組沉積模式

3 三疊系的沉積特征與沉積模式

瑪湖凹陷三疊系自下而上劃分為百口泉組(T1b)、克拉瑪依組(T2k)、白堿灘組(T3b)。

3.1 百口泉組

百口泉組主要發(fā)育粗粒砂礫巖,為一套粗粒扇三角洲沉積[24-34],這套沉積與沖積扇、粗粒河流扇等小型-中型DFS有關,在DFS末端發(fā)育三角洲前緣沉積。百口泉組主要發(fā)育中柺扇、克拉瑪依扇、黃羊泉扇、夏子街扇和達巴松扇五大DFS體系,規(guī)模最大的夏子街扇半徑在百口泉組的早期、中期和晚期分別達到85、82、75 km(表5),超過了一般性沖積扇的規(guī)模,具有河流扇的顯著特征。

3.2 克拉瑪依組

克拉瑪依組發(fā)育的沉積微相顯示了河流扇和巨型扇等大型DFS近端、中部、遠端以及三角洲前緣和前三角洲沉積特征[51-53](表4)。研究區(qū)克拉瑪依組發(fā)育DFS中部和遠端比例較大,砂體延伸距離遠,其中上克拉瑪依亞組砂體范圍更大,推進距離較下克拉瑪依亞組更遠。下克拉瑪依亞組夏子街DFS體系、黃羊泉DFS體系、克拉瑪依組DFS體系及中拐DFS體系的半徑都超過50 km,其中夏子街組DFS最大延伸半徑達到84 km,平均達到68 km(表5);上克拉瑪依亞組四大DFS體系基本維持了下克拉瑪依亞組的規(guī)模,但略有擴大,顯示整體向湖推進的特征,夏子街DFS最大延伸半徑為112 km,平均達到81 km。

表4 瑪湖凹陷三疊系各組巖石相、沉積微相與DFS發(fā)育特征

表5 瑪湖凹陷三疊系主要DFS類型及其規(guī)模

克拉瑪依組沉積特征顯示了典型的大中DFS沉積模式,在DFS近端,山地供給的河流從山頂流出,在山麓平原上形成平面形態(tài)呈辮狀分布的礫質(zhì)河道,河道帶在分叉后進入中部。主干辮狀河道內(nèi)發(fā)育砂壩沉積,砂礫質(zhì)河道之間為泛濫平原沉積。在DFS中部,發(fā)育含礫砂質(zhì)曲流型辨狀河道和暫時性河道,沉積物整體變細,以含礫中砂巖、含礫細砂巖為主,活動河道帶包圍的泛濫平原相對比例增加,且決口、分叉以及河道廢棄現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。在DFS遠端主要發(fā)育入泛濫平原和入沼澤的末端沉積,小型砂質(zhì)曲流型河道成為骨架砂體。河道寬度下降,沉積物粒徑減小,活動河道帶以外發(fā)育廣泛的泛濫平原或沼澤沉積。DFS終端類型較多,部分DFS進入淺水湖泊形成三角洲前緣沉積,主要發(fā)育分流河道、分流間灣、河口壩、席狀砂等沉積微相(圖7)。

3.3 白堿灘組

白堿灘組繼承了克拉瑪依組的沉積格局,平面上發(fā)育了夏子街、黃羊泉、克拉瑪依、中拐四個大型的DFS,其末端均入湖形成三角洲前緣沉積[54-55](圖7)。其中夏子街DFS半徑為83 km,中拐DFS半徑為84 km,黃羊泉DFS半徑為69 km,克拉瑪依DFS半徑為48 km(表5),四大體系皆顯示河流扇和巨型扇的規(guī)模特征。

4 DFS演變與沉積體系

以沉積相圖為依據(jù)對各層組DFS精細統(tǒng)計,二疊系佳木河組到三疊系白堿灘組共發(fā)育133個DFS,其中半徑小于30 km的沖積扇72個,半徑30～100 km的河流扇60個,半徑大于100 km的巨型扇1個(表3)。DFS半徑的總體分布和分層平均值較好地反映了沉積體系隨凹陷不同階段構(gòu)造活動變化的趨勢(圖8)。

圖8 瑪湖凹陷二疊系-三疊系DFS半徑演變趨勢

晚石炭紀的碰撞-成盆階段之后,本區(qū)海水逐漸退出,形成早期前陸盆地雛形;至二疊紀盆地進入壓陷-撓曲階段,火山作用頻繁,準噶爾盆地西北緣造山帶快速隆升遭受剝蝕,形成佳木河組火山巖-粗粒火山碎屑沉積,此時盆小水深,在山地邊緣發(fā)育沖積扇,部分沖積扇進入水體形成扇三角洲,DFS規(guī)模不大。佳木河組之后火山活動減弱,盆地范圍逐步擴大,發(fā)育了大面積的湖泊水體,由于氣候干旱,物源供給不足,沉積物粒度總體不粗,而且干旱氣候容易發(fā)生頻繁的湖平面震蕩,低水位引起DFS向湖泊深部遷移,導致DFS體系延長形成河流扇;高水位形成扇三角洲和河流三角洲。風城組以沖積扇為主,DFS規(guī)模最小,夏子街組和下烏爾禾組沉積體系規(guī)模逐漸增大,河流扇數(shù)量增加。二疊紀末期降雨增加[56],物源供給充分,沉積了上烏爾禾組粗粒砂礫巖,DFS沉積物明顯變粗,規(guī)模明顯增大,大量DFS規(guī)模超過30 km,河流扇向湖區(qū)延伸覆蓋在泥頁巖地層之上。

三疊紀盆地進入撓曲-坳陷階段,三疊紀早期延續(xù)了上烏爾禾組沉積環(huán)境特征,發(fā)育了百口泉組粗粒砂礫巖沉積,DFS以河流扇占主體,沖積扇數(shù)量大大減少,部分扇體直接入湖形成扇三角洲和粗粒河流三角洲?？死斠澜M和白堿灘組巖性明顯變細,普遍發(fā)育煤層,地層中含有豐富的植物化石,顯示存在源遠流長的河流體系和廣闊的沼澤環(huán)境。中晚三疊紀發(fā)育大型淡水湖泊,湖盆地形平緩,此期間發(fā)育面積最大流程最長的DFS,形成巨型扇和河流扇。綜上,隨著盆地構(gòu)造由壓陷向撓曲和坳陷階段演化,DFS規(guī)模逐漸增大,由短流程沖積扇為主演變?yōu)橐蚤L流程河流扇和巨型扇為主(圖8),三角洲類型由以扇三角洲向以辮狀河三角洲和曲流河三角洲演化。

5 結(jié)論

1)二疊系和三疊系是瑪湖凹陷的主力含油層系,河流是沉積物的主要搬運營力和擴散載體,包括沖積扇、河流扇和巨型扇的DFS在二疊系和三疊系不同地層中廣泛發(fā)育。DFS上發(fā)育的河流為辮狀河、曲流河,一般為多類型河道共生,終止在陸上的DFS根據(jù)規(guī)模分為沖積扇、河流扇和巨型扇,終止在靜止水體后形成DFS三角洲,三角洲前緣水下分流河道部分納入DFS范圍,其他部分與DFS無關。

2)瑪湖凹陷二疊系-三疊系的8個地層組,顯示四種不同的沉積模式。佳木河組火山巖、火山碎屑巖、碎屑巖共生,主要發(fā)育沖積扇等小型DFS及扇三角洲沉積體系;風城組、夏子街組和烏爾禾組火山活動較弱,發(fā)育河流扇和沖積扇等DFS;上烏爾禾組和百口泉組發(fā)育粗粒礫質(zhì)河流扇沉積體系;克拉瑪依組和白堿灘組發(fā)育砂質(zhì)巨型扇和河流扇沉積體系。

3)二疊系佳木河組到三疊系白堿灘組共發(fā)育133個DFS,其中沖積扇72個,占54%;河流扇60個,占45%;巨型扇1個,約占1%。隨著盆地構(gòu)造由壓陷向撓曲和坳陷階段演化,DFS逐漸以發(fā)育沖積扇為主演變?yōu)橐园l(fā)育河流扇和巨型扇為主,沉積體系規(guī)模逐漸增大,三角洲類型由以扇三角洲為主向以辮狀河三角洲和曲流河三角洲為主演變。