周培興，吳孔友，董 方，李彥穎

中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266555

0 引言

地層遭受剝蝕是在沉積盆地中常見(jiàn)的現(xiàn)象［1］.倘若盆地剝蝕量普遍較小，對(duì)油氣生烴和油氣運(yùn)聚產(chǎn)生的影響可忽略不計(jì).但如果剝蝕量較大，將勢(shì)必對(duì)盆地油氣的生成、運(yùn)移與聚集產(chǎn)生十分深遠(yuǎn)的影響，此時(shí)便要進(jìn)行剝蝕量的恢復(fù)［2］.對(duì)地層剝蝕厚度的恢復(fù)是定量研究盆地演化史和油氣資源評(píng)價(jià)的一種重要基礎(chǔ)工作［3］.目前恢復(fù)剝蝕厚度的一些主流方法有地球物理學(xué)方法如聲波時(shí)差法等［4-5］，地?zé)釋W(xué)方法如鏡質(zhì)體反射率法［6-8］、流體包裹體法等［9］，地質(zhì)學(xué)方法如波動(dòng)分析法［10-11］、地質(zhì)類比法［12］，地球化學(xué)方法如天然氣平衡濃度法［13］、宇宙成因核素法［14］等.針對(duì)于每種方法都有其特殊的使用條件制約性.對(duì)比眾多剝蝕厚度恢復(fù)方法，準(zhǔn)噶爾盆地探井?dāng)?shù)量眾多，測(cè)井資料豐富，運(yùn)用聲波時(shí)差法具有獲取資料相對(duì)迅速，應(yīng)用原理成熟，操作性較強(qiáng)，簡(jiǎn)便可行等實(shí)用性特點(diǎn).

近幾年，在準(zhǔn)噶爾盆地下三疊統(tǒng)底部和上二疊統(tǒng)頂部油氣勘探均有重大發(fā)現(xiàn)［15］.通過(guò)成藏條件初步分析及資源評(píng)價(jià)，該層系油氣資源潛力巨大，很可能成為又一個(gè)擁有巨大儲(chǔ)量的勘探領(lǐng)域［16］，多期演化造就了盆地具有多套生、儲(chǔ)、蓋組合和多期次成藏，為油氣的富集創(chuàng)造了條件［17］.準(zhǔn)噶爾盆地二疊紀(jì)晚期和三疊紀(jì)早期處于強(qiáng)烈壓陷到整體拗陷的轉(zhuǎn)換期［18］，二疊系與三疊系之間、上二疊統(tǒng)與中二疊統(tǒng)之間存在不整合接觸，地層接觸關(guān)系復(fù)雜［19］.斷拗轉(zhuǎn)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(jìn)行二疊紀(jì)與三疊紀(jì)轉(zhuǎn)換期不整合結(jié)構(gòu)特征及控藏作用研究，揭示不整合結(jié)構(gòu)控藏規(guī)律，探明資源潛力等工作須要恢復(fù)其古地貌［22］，首先須要進(jìn)行恢復(fù)剝蝕量的工作.筆者擬采用聲波時(shí)差法首先對(duì)單井的剝蝕厚度進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上，輔以構(gòu)造趨勢(shì)法對(duì)下三疊統(tǒng)底部及上二疊統(tǒng)頂部地層剝蝕厚度的區(qū)域分布進(jìn)行研究和分析（圖1）.

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地大地構(gòu)造位置與構(gòu)造單元分布圖（據(jù)文獻(xiàn)［23］修改）Fig.1 Geotectonic distribution map of Junggar Basin（Modified from Reference［23］）

1 地質(zhì)背景

準(zhǔn)噶爾盆地地處我國(guó)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(jīng)歷了海西、印支、燕山和喜馬拉雅多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和多旋回發(fā)育過(guò)程.大地構(gòu)造位置上，準(zhǔn)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(dòng)帶的三角地區(qū)，屬晚古生代的匯聚地帶［23］.無(wú)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(duì)本區(qū)的構(gòu)造演化產(chǎn)生不同程度的影響.該盆地為一個(gè)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(shù)個(gè)前陸拗陷.盆地自形成以來(lái)經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化，可劃分為3 隆2 拗5 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元和32 個(gè)二級(jí)構(gòu)造帶（圖1b）［23］.根據(jù)鉆井資料所揭示，準(zhǔn)噶爾盆地所發(fā)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(fā)育超過(guò)10 個(gè)區(qū)域性不整合［18］.

2 構(gòu)造轉(zhuǎn)換期地層接觸特征

中二疊世至早三疊世，在全球板塊構(gòu)造格局快速重整導(dǎo)致的塊體強(qiáng)烈扭動(dòng)與走滑作用下，北疆地區(qū)發(fā)生具有變革性質(zhì)的印支運(yùn)動(dòng)，各造山帶普遍發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造隆升，準(zhǔn)噶爾周圍的東準(zhǔn)噶爾造山帶、西準(zhǔn)噶爾造山帶和北天山造山帶等.北疆諸陸內(nèi)造山帶均處于強(qiáng)烈隆升狀態(tài)，古博格達(dá)裂谷也全面回返，準(zhǔn)噶爾盆地進(jìn)入斷陷后的拗陷演化階段，開(kāi)始表現(xiàn)為統(tǒng)一的沉降拗陷（圖2），盆山相間的現(xiàn)代構(gòu)造格局基本定形［23］.造山帶向相鄰的盆地發(fā)生強(qiáng)烈逆沖推覆作用，在盆山過(guò)渡部位形成沖斷褶皺帶各類相關(guān)構(gòu)造和地層剝蝕及不整合接觸現(xiàn)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(tǒng)，上二疊統(tǒng)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(zhǔn)噶爾盆地演化模式圖Fig.2 Evolution model of Junggar Basin

3 地層剝蝕量計(jì)算方法及適用性分析

聲波時(shí)差法是起源于Athy［27］關(guān)于泥巖孔隙度與深度之間的指數(shù)關(guān)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(shù)常數(shù)；D 為巖層埋深（m）.

聲波時(shí)差值取自測(cè)井資料，其概念為聲波從鉆孔傳到地面接收器的時(shí)間，聲波時(shí)差受孔隙度、巖性、流體含量等一系列因素影響.Wyllie 等人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，得出在具有均勻分布的小孔隙的固結(jié)地層中，傳播時(shí)間與孔隙度之間呈線性關(guān)系［28］，即不同深度的聲波傳播時(shí)間與孔隙度之間的變化可以據(jù)此進(jìn)行相互類比，表示處于正常壓實(shí)的情況下可用指數(shù)函數(shù)方法來(lái)表達(dá)聲波時(shí)差與深度間的關(guān)系：

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

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

能否利用泥巖壓實(shí)規(guī)律恢復(fù)剝蝕厚度，其關(guān)鍵因素不在于地層的厚度，而是不整合面之上新地層對(duì)其下伏老地層，與被剝蝕的地層在遭受剝蝕前對(duì)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(shí)格架［30］.

老地層的壓實(shí)規(guī)律是否被改變可根據(jù)斜率為C0的擬合曲線與新地層斜率為Cn的擬合曲線的關(guān)系進(jìn)行判斷.斜率相等時(shí)，當(dāng)不整合面以上新沉積的地層厚度小于地層剝蝕厚度時(shí)聲波時(shí)差法才能使用.斜率不相等時(shí)，地層的擬合曲線關(guān)系有圖4 所示的4 種情況：當(dāng)C0＞Cn時(shí)，剝蝕面以下的地層壓實(shí)規(guī)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(yīng)用聲波時(shí)差法恢復(fù)剝蝕厚度；當(dāng)C0＜Cn時(shí)，如果新地層對(duì)老地層施加的靜壓力比被剝蝕地層剝蝕前對(duì)老地層施加的靜壓力小時(shí)（圖4c），可應(yīng)用聲波時(shí)差法恢復(fù)剝蝕厚度；當(dāng)老地層存在欠壓實(shí)情況（圖4d），則不能應(yīng)用聲波時(shí)差法計(jì)算剝蝕厚度.

圖4 聲波時(shí)差法適用條件關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)［30］修改）Fig.4 Applicability analysis of interval transit time method（Modified from Reference［30］）

4 剝蝕厚度恢復(fù)及控制因素

4.1 聲波時(shí)差法計(jì)算單井剝蝕厚度

在對(duì)單井的剝蝕量求取過(guò)程中，選取的泥巖層厚度應(yīng)不低于2 m，且聲波時(shí)差數(shù)據(jù)需取自泥巖相對(duì)穩(wěn)定的層段.在讀數(shù)過(guò)程中須遵循聲波時(shí)差上下曲線相應(yīng)的下降趨勢(shì)，選取能夠反映孔隙度隨深度的變化而規(guī)律變化的聲波時(shí)差數(shù)值.根據(jù)測(cè)井資料，分析盆內(nèi)探井的壓實(shí)曲線求取平均值Δt0為650 μs/m 左右.結(jié)合聲波測(cè)井曲線及巖性資料，選取不整合面附近優(yōu)勢(shì)泥巖的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)后作散點(diǎn)圖趨勢(shì)線，將趨勢(shì)線延伸至古地表聲波時(shí)差對(duì)數(shù)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(zhǔn)噶爾盆地JL-2 井聲波時(shí)差測(cè)井解釋成果圖Fig.5 Logging interpretation of JL-2 well by interval transit time in Junggar Basin

將優(yōu)選后的泥巖深度及其對(duì)應(yīng)聲波時(shí)差對(duì)數(shù)值投影至散點(diǎn)圖中（圖6）.實(shí)線即地層壓實(shí)擬合趨勢(shì)曲線，上覆新沉積地層壓實(shí)擬合趨勢(shì)線均位于老沉積地層壓實(shí)擬合趨勢(shì)線左側(cè)，新老地層斜率不等，不整合面下地層壓實(shí)規(guī)律未遭到破壞，且新沉積的地層厚度明顯高過(guò)遭受剝蝕的厚度，該種情況符合聲波時(shí)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(guò)后，老沉積地層的壓實(shí)規(guī)律在漫長(zhǎng)地質(zhì)歷史過(guò)程中逐步調(diào)整，加之在不整合面的形成過(guò)程中，老沉積地層需先經(jīng)過(guò)隆升而后逐漸沉降，經(jīng)歷數(shù)次差異等深的成巖演化［31］.經(jīng)散點(diǎn)圖求取擬合方程后，最終延伸至古地表計(jì)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(zhuǎn)換期剝蝕厚度匯總及分布規(guī)律

對(duì)于準(zhǔn)噶爾盆地的各測(cè)井曲線資料、巖性和分層對(duì)比資料、井網(wǎng)部署等地質(zhì)資料進(jìn)行采集整理與研究匯總，通過(guò)井震結(jié)合的技術(shù)方法，以聲波測(cè)井資料中恢復(fù)的地層剝蝕厚度為主要依據(jù)，結(jié)合地震資料和構(gòu)造剖面圖，運(yùn)用構(gòu)造趨勢(shì)法恢復(fù)準(zhǔn)噶爾盆地?cái)噢洲D(zhuǎn)換期部分不整合剝蝕厚度，并對(duì)二級(jí)構(gòu)造單元?jiǎng)兾g厚度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比（圖7）.上烏爾禾組底部不整合剝蝕厚度（圖7a）遠(yuǎn)大于百口泉組底部不整合剝蝕厚度（圖7b），反映斷拗轉(zhuǎn)換期以上、中二疊統(tǒng)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(jí)不整合.

圖7 斷拗轉(zhuǎn)換期不整合二級(jí)構(gòu)造單元?jiǎng)兾g厚度統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Denudation thickness statistics of unconformity of secondorder tectonic units in the fault-depression transition period

以聲波時(shí)差法結(jié)合構(gòu)造趨勢(shì)法計(jì)算百口泉組、上烏爾禾組底部不整合面剝蝕厚度，對(duì)單井的剝蝕厚度計(jì)算過(guò)后，將各井位坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)剝蝕厚度經(jīng)網(wǎng)格化處理，運(yùn)用成圖軟件繪制剝蝕厚度區(qū)域等值線圖（圖8）.結(jié)果顯示，各構(gòu)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(zhuǎn)換期，上烏爾禾組底部不整合最大剝蝕厚度為155 m，位于準(zhǔn)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(nèi)部（圖8a）.百口泉組底部不整合最大剝蝕厚度為106 m，位于準(zhǔn)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(nèi)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(shí)逐漸減小.反映二疊紀(jì)晚期至三疊紀(jì)早期古地貌呈現(xiàn)西北緣高程較大往盆地腹部減小的地形特征.

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地?cái)噢洲D(zhuǎn)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(jié)論

1）通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地演化、泥巖壓實(shí)規(guī)律、測(cè)井解釋成果、二維地震剖面等資料研究，表明利用聲波時(shí)差法恢復(fù)準(zhǔn)噶爾盆地?cái)噢洲D(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)晚期—印支運(yùn)動(dòng)早期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)折時(shí)期，在盆內(nèi)廣泛發(fā)育大型不整合面.準(zhǔn)噶爾盆地在斷拗轉(zhuǎn)換期經(jīng)歷了晚海西期和早印支期的構(gòu)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(duì)剝蝕厚度分布規(guī)律研究，表明準(zhǔn)噶爾斷拗轉(zhuǎn)換期古地貌呈現(xiàn)準(zhǔn)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(qiáng)東部弱、邊緣強(qiáng)內(nèi)部弱的特點(diǎn).