准噶尔盆地柴窝堡凹陷中二叠统地层格架与沉积体系特征.pdf
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1、2023年 7月CHINESEJOURNALOFGEOLOGY地质科学DOI:10.12017/dzkx.2023.05458(3):986100713唐小飞986准噶尔盆地柴窝堡凹陷中二叠统地层格架与沉积体系特征*唐小飞马静辉张博文聂礼尚(新疆大学,地质与矿业工程学院 乌鲁木齐830047)摘要柴窝堡凹陷是海西期复杂构造演化形成的具叠合结构的山间坳陷,为准噶尔盆地南部油气勘探开发的热点区域之一。综合利用露头、钻测井、岩心及地震资料,明确柴窝堡凹陷中二叠统层序地层格架、物源、沉积体系构成及展布特征。研究表明,凹陷内可容空间和层序边界受构造升降和古气候变化共同控制,充填地层呈现南厚北薄分布特征;
2、目的层段可划分为 4 个三级层序 SQ1、SQ2、SQ3 及 SQ4,分别对应乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组及红雁池组;物源由南部时代不同、构造背景相异的伊林黑比尔根山提供;南部斜坡带主要发育冲积扇、扇三角洲沉积相,而在北部凹陷带发育湖泊相;SQ1SQ4层序沉积时期整体为水退水进旋回,由早期潮坪冲积扇沉积环境逐渐演化为晚期冲积扇扇三角洲滨浅湖沉积环境,进一步划分为 10种亚相和 6种微相。相关研究认识可为预测有利油气藏的分布提供一定的理论依据。关键词柴窝堡凹陷中二叠统地层格架物源分析沉积体系展布中图分类号:P534.46,P539.2文献标识码:A文章编号:0563-5020(2023)03-
3、986-22准噶尔盆地及其周缘吐哈盆地等是中亚造山带的重要组成部分(图 1a),作为大型含油气叠合盆地,均发现工业油气流,并显示出较高的勘探潜力(张逊,2020)。二叠系是准噶尔盆地重要的生油岩地层,其中柴参 1井、柴参 1侧 1井、达 1井等钻测井均显示出在二叠系具有低产工业油气流规模型的油气藏(罗劲等,2004;旷理雄等,2005),其主体沉积地层由湖相暗色泥岩、泥页岩与白云岩、灰岩互层构成(胡素云等,2020;王越等,2022),代表性主力烃源岩系为西北缘玛湖凹陷的风城组(P1f)、东部克拉美丽山前五彩湾凹陷的平地泉组(P2p)、南缘博格达山周缘吉木萨尔凹陷古城凹陷柴窝堡凹陷一带的芦草沟
4、组(P2l)及盆地腹部中央凹陷带沙湾凹陷的下乌尔禾组(P2w)(Hu et al.,2017;Liu et al.,2019;Cao et al.,2020;唐勇等,2022;王越等,2022)。诸多学者关注柴窝堡凹陷中二叠统的生油潜力并针对其层序地层、沉积相类型及储层特征等方面展开了系列研究。如:李红(2006)划分柴窝堡凹陷中二叠统为 4个级层序,即乌拉泊组(P2wl)、井井子沟组(P2j)、芦草沟组(P2l)、红雁池组(P2h),其物源*新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(编号:2021D01C041)资助。唐小飞,女,1997年生,硕士研究生,地球探测与信息技术专业。Email:马静辉,
5、女,1983年生,博士,讲师,构造地质学专业。本文通讯作者。Email:2022-11-08收稿,2022-12-29改回。13唐小飞3期唐小飞等:准噶尔盆地柴窝堡凹陷中二叠统地层格架与沉积体系特征987均来自南部山区,自上而下发育滨浅海浅海陆棚沉积体系、滨浅海扇三角洲沉积体系、扇三角洲辫状河三角洲沉积体系;而王新桐(2017)则将凹陷中二叠统分为 3个三级层序,分别与乌拉泊组、井井子沟组及芦草沟组红雁池组相对应,凹陷内沉积物由南部山区提供,并指出中二叠统早期乌拉泊组主要为潮坪相,井井子沟组为曲流河三角洲辫状河三角洲沉积环境,芦草沟组为冲积扇扇三角洲滨浅湖半深湖沉积环境,而红雁池组为扇三角洲辫
6、状河三角洲滨浅湖沉积环境;林鹏(2013)和张逊(2020)认为凹陷中二叠统芦草沟组红雁池组(P2lP2h)为一个级层序,可进一步分为 5个级层序,沉积物来自南部伊林黑比尔根山,具近源快速堆积沉积特点,主要发育扇三角相和湖泊相;侯锡鹏等(2018)则认为凹陷内均为冲积扇扇中扇三角洲前缘滨浅湖沉积体系组合。此外,还有部分学者在针对烃源岩演化、构造演化及储层特征分析的基础上,讨论油气成藏主控因素,建立成藏模式,划分出油气勘探的“甜点”储层(范静涛,2018;郑瑞辉,2019;宋燕,2020;张关龙等,2021)。综上,虽然前人做了相关研究,但由于对物源区构造属性和掌握资料不全面等原因,在柴窝堡凹陷
7、中二叠统物源、地层层序与沉积体系研究方面尚存争议。本文意在系统的地层划分对比基础上,以野外露头和构造演化综合研究为基础,结合碎屑锆石年龄、砾岩、砂岩碎屑组分源区及古水流特征分析,综合钻测井及地震资料,详细分析各层序单元的沉积体系特征,为该地区进一步的油气勘探工作提供地质依据。1区域地质背景准噶尔盆地是我国的一个大型含油气盆地,呈东西长、南北窄的三角形,展布于塔里木板块与中亚造山带交界处(Bian et al.,2010;Gao et al.,2020)(图 1a、图 1b)。柴窝堡凹陷位于准噶尔盆地南缘,为一山间盆地,北邻博格达山,南接伊林黑比尔根山,整体呈近东西向延伸(曹守连等,1997;李
8、红;2006;史燕青,2020;宋燕,2020),内部自西向东依次发育达坂城次凹、三葛庄次凸及永丰次凹,是准噶尔盆地东南缘中面积较大、含油层系较发育的低产油气流凹陷(林鹏,2013;张关龙等,2021)(图 1c)。柴窝堡凹陷中二叠世的原型盆地是在前期海相挤压盆地基础上发展起来的陆相箕状断陷,在经历多期复杂的地质演化过程中主要受控于博格达山的隆起与发展(张朝军等,2006;宋燕,2020;张逊,2020)。研究区构造格架自南向北可划分为塔里木板块、伊林黑比尔根复式背斜隆起带、柴窝堡凹陷、博格达复式背斜隆起带、准噶尔盆地及克拉美丽山前构造带(图 2)。凹陷的构造演化大致可分为:晚石炭世(C2)海
9、相裂谷盆地发育阶段、早二叠至中二叠世(P1P2)海陆过渡相盆地挤压阶段、晚二叠世三叠纪(P3T)陆内挤压拗陷阶段、侏罗纪白垩纪(JK)山前拗陷期及古近纪以来(E)山间盆地发育期等 5 个阶段(李红,2006;郑庆华,2007;Wang et al.,2018b;宋燕,2020)。最新研究表明博格达山在中二叠世受构造挤压作用发生抬升,在柴窝堡凹陷与东部隆起带之间形成水下低隆,并在一定程度上阻碍南部伊林黑比尔根山向东部隆起地区输送物源(Li et al.,2017;Wang et al.,2018b)。研究区具有双层基底结构,其中海西期褶皱变质基底覆盖在前寒武纪结晶基底之98713唐小飞地质科学2
10、023年988图 1区域构造及柴窝堡凹陷区域位置图a.中亚造山带(据 Han et al.,2015修改);b.准噶尔盆地(据 Zhao et al.,2020修改);c.柴窝堡坳陷(据新疆维吾尔自治区地质矿产局 11 000 000地质图修改)Fig.1Regional geological map and location of Chaiwopu Sag area图 2柴窝堡凹陷中二叠统构造特征示意图Fig.2Structural characteristics of Middle Permian in Chaiwopu Sag彩页98813唐小飞3期唐小飞等:准噶尔盆地柴窝堡凹陷中二叠统
11、地层格架与沉积体系特征989上(曹守连等,1997;王俊明等,2002),发育上石炭统第四系多套沉积盖层,沉积厚度变化较大,一般在 5 0008 000 m左右,且均沿凹陷周缘山体呈弧形分布。中二叠统为主要含油层系,地层发育完整,接触界面清晰,自下而上依次为乌拉泊组(P2wl)、井井子沟组(P2j)、芦草沟组(P2l)、红雁池组(P2h)。其中 P2wl岩性为灰色粉砂岩夹竹叶状灰岩及硅化凝灰岩,底部为砾岩;P2j岩性为灰色泥岩和细粉砂岩;P2l发育灰紫、紫红色泥岩、泥质粉砂岩与含砾细砂岩、砂砾岩互层;P2h发育灰色泥岩与灰色含砾细砂岩、砂砾岩互层(图 3a)。2层序界面识别与划分层序界面的识别
12、是划分地层基准面旋回中各级层序的前提,各级层序特征是确定层序成因类型的依据(朱红涛等,2018;马静辉等,2020)。结合海西构造稳定下降期活动背景、盆地类型、气候旋回及海平面相对变化特征,识别层序界面并确定层序地层划分方案(图 3,图 4)。以野外露头资料为主,利用合成记录对目的层进行层位标定,在研究区目的层段识别出沉积环境转换面、岩性颜色突变面、河道冲刷面及区域不整合面 4种不同成因类型界面。图 3柴窝堡凹陷中二叠统不同成因类型界面识别标志(据 Wang et al.,2018a修改)Fig.3Interface identification marks of different gene
13、tic types in the Middle Permian of Chaiwopu Sag(modified from Wang et al.,2018a)98913唐小飞地质科学2023年990SB1层序界面对应地震反射界面 T61,地震剖面显示乌拉泊组超覆于下伏塔什库拉组之上,受海西晚期早幕构造运动影响,仅在凹陷北缘博格达山附近形成区域不整合面,凹陷内为整合接触。冰草沟露头剖面上对应于乌拉泊组与下伏塔什库拉组之间的沉积环境转换面,呈整合接触。界面之下发育浅海陆棚沉积体系,沉积物粒度整体较细,普遍发育水平层理;界面之上发育海陆过渡潮坪沉积体系,沉积物粒度变粗,区内广泛发育浪成波痕构造(图
14、 3b,图 4)。SB2层序界面对应于地震反射界面 T62,地震上表现为规模较大的削蚀面,凹陷内呈整合接触。冰草沟露头剖面上对应乌拉泊组与上覆井井子沟组之间的岩性颜色突变面。界线之下的乌拉泊组主要发育灰绿色泥岩与灰绿色细砂岩互层,夹长石硬砂岩、岩屑长石砂岩及白云质灰岩;界面之上的井井子沟组整体由土黄色灰黄色厚层含砾粗砂岩和细砂岩组成,层间为灰黄、灰绿色薄层粉砂岩及泥岩,发育平行层理、羽状交错层理及沙纹层理(图 3b,图 4)。岩性颜色和沉积构造的突变指示沉积环境的水体逐渐变浅,气候由温暖潮湿向干旱、半干旱转变。SB3层序界面对应地震反射界面 T63,与 T62反射特征相似,地层之间均为整合接触
15、。锅底坑露头剖面上,该界面对应井井子沟组顶部与芦草沟组底部之间的岩性颜色突变面,该沉积阶段湖平面上升至最高,整体处于半干旱半湿润沉积气候。界面之下为井井子沟组顶部厚层灰绿色泥岩夹薄层灰黄色粉砂岩,界面之上为芦草组底部图 4柴窝堡凹陷岩性地层层序地层构造层序划分示意图(据李红,2006;王新桐,2017修改)Fig.4Lithologic stratigraphicsequence stratigraphictectonic sequence division ofChaiwopu Sag(modified from Li,2006;Wang,2017)99013唐小飞3期唐小飞等:准噶尔盆地柴
16、窝堡凹陷中二叠统地层格架与沉积体系特征991厚层灰色含砾粗砂岩、粗砂岩和细砂岩,常见冲刷面、平行层理及楔状交错层理(图3a,图 4)。SB4层序界面对应地震反射界面 T64,区内地层呈整合接触,削蚀现象仅出现于凹陷内局部抬升地区。锅底坑露头剖面显示,该沉积阶段古气候向稳定的温暖湿润气候转变,湖平面缓慢下降,扇三角洲河道下切在红雁池组底部砂泥岩互层中形成冲刷面。界面之下芦草沟组广泛发育具水平层理的油页岩、白云岩薄夹层及黑色泥岩(图 3a,图 4)。SB5层序界面对应地震反射界面 T65,在区内表现为中二叠统红雁池组与上二叠统泉子街组之间的区域角度不整合面。锅底坑露头剖面显示,气候温暖湿润,湖平面
17、上升,该界面之下为红雁池组顶部深灰色泥岩与灰色含砾砂岩互层;界面之上为泉子街组底部厚层状杂色含砾砂岩、砂砾岩(图 3a,图 4)。根据层序界面的划分结果,将中二叠统划分为乌拉泊组井井子沟组(SS)、芦草沟组红雁池组(SS)2个级层序和 4个级层序,级层序自下而上命名为乌拉泊组层序(SQ1)、井井子沟组层序(SQ2)、芦草沟组层序(SQ3)、红雁池组层序(SQ4)。其中 SQ1层序对应一个低水位体系域(LST),SQ2层序内自下而上划分为低水位体系域(LST)、高水位体系域(HST),SQ3层序内包含完整的低水位体系域(LST)、湖泊扩展体系域(EST)和高水位体系域(HST),SQ4层序对应一
18、个高水位体系域(HST)(图 4)。3物源分析沉积物来源是沉积盆地与剥蚀区的纽带,物源分析可以反演造山带的构造演化史、研 究 盆 地 的 形 成 及 演 化、恢 复 古 地 理 地 貌 等(Mange and Morton,2007;Nie et al.,2015;张妍等,2015)。本次综合沉积物碎屑锆石 UPb 测年,砾石和砂岩成分及古流向特征,探讨研究区中二叠统物源及其变化,为构造与地层层序充填演化研究提供线索和证据(徐杰等,2019;冯盈,2022)。本文应用 44组中二叠统砾石砂岩样品数据,进行 DickinSon 碎屑骨架三角图投值,结果显示样品碎屑组成上呈现一定相似性,火山岩岩屑
19、为最主要成分(约占 62.8%),其次为石英碎屑成分(约占 23.5%),反映沉积物近源、快速堆积的特征。但样品在构造背景上存在差异性,样品一部分投点在剥蚀岩浆弧、过渡弧及完整岩浆弧区域,另一部分则落在再旋回造山物源区,反映出研究区目的层段物源性质不同(图 5b)。同时,对比分析柴窝堡凹陷及其周缘地区中二叠统碎屑锆石 UPb年龄数据,样品呈现明显不同的年龄分布特征,年龄峰值主要集中在 300280 Ma与 325300 Ma两个区间内。以上研究表明,研究区中二叠统沉积物部分来自伊林黑比尔根山石炭纪基底(年龄为 325300 Ma),另一部分则来自伊林黑比尔根山晚石炭世火山沉积地层(年龄为300
20、280 Ma)(图 5a)。另外,凹陷内古水流均指示物源方向为南北向。其中,红雁池露头剖面目的层段发育完整,以砂岩、含砾砂岩、砾岩及泥岩为主,多个正、反韵律相互叠置,厚度不等,发育槽状交错层理、小型交错层理、平行层理及波痕构造,砾石呈叠瓦状定向排列,古流向为北东东向(27)(图 5c、图 5d)。阿克苏沟露头剖面,岩性主要由钙质粉99113唐小飞地质科学2023年992砂岩、钙质粉砂质泥岩夹细砂岩构成,砂岩具有沙纹交错层理,砾石定向排列,分选磨圆较好,古流向为北北东向(65)(图 5c、图 5e)。锅底坑露头剖面下部为具有冲刷面、楔形交错层理和平行层理构造的含砾细砂岩、粉砂岩,向上为具有楔状交
21、错层理和平行层理的含砾砂岩,砾石以凝灰岩为主,分选磨圆适中,古水流方向为北东东向(32)(图 5c、图 5f)。冰草沟露头剖面主要由砾岩、砂砾岩及砂岩构成,间有泥砾岩、砂质泥岩及粉砂质泥岩夹薄层砂岩呈薄层状产出,剖面上可见多层透镜状砂砾岩在垂向上相互叠置,发育大型槽状、板状交错层理,古流向为北北东向(54)(图 5c、图 5g)。达 1井地层倾角测井古水流方向为北北东向(75)。综上所述,碎屑锆石年龄、砾石砂岩成分及古水流特征分析表明碎屑沉积物仅由南部伊林黑比尔根山单向提供,但其构造属性不同,以伊林黑比尔根山的石炭纪岩浆岩基底为主,次之为其晚石炭世岛弧环境下火山沉积地层。图 5柴窝堡凹陷中二叠
22、统物源供给分析图a.柴窝堡凹陷地层柱状图(据 Sun et al.,2022修改);b.柴窝堡凹陷及周缘砾石砂岩成分三角图(据 Wang et al.,2018a修改);c.柴窝堡凹陷中二叠统古流向特征图(据李红,2006修改);d.红雁池剖面;e.阿克苏沟剖面;f.锅底坑剖面;g.冰草沟剖面Fig.5Middle Permian source supply analysis diagram of Chaiwopu Sag99213唐小飞3期唐小飞等:准噶尔盆地柴窝堡凹陷中二叠统地层格架与沉积体系特征9934沉积体系与沉积相类型根据野外露头剖面与钻井岩心观测结果,综合岩石类型、沉积结构、沉积旋
23、回、岩电组合、粒度及地震分析等多种手段,明确中二叠世柴窝堡凹陷乌拉泊层序(SQ1)为冲积扇潮坪沉积体系,井井子沟层序(SQ2)为冲积扇滨浅湖沉积体系,芦草沟层序(SQ3)为冲积扇扇三角洲滨浅湖沉积体系,红雁池层序(SQ4)为扇三角洲滨浅湖沉积体系。各时期沉积相组合、岩电特征、沉积构造及韵律特征等具明显差异,南部斜坡带依次发育潮坪、冲积扇及扇三角洲等 3种沉积相类型,北部凹陷带则主要发育湖泊相。4.1潮坪根据红雁池野外露头特征,结合乌拉泊组层序(SQ1)的岩相组合、粒度、沉积序列等方面的分析可判断柴窝堡凹陷二叠系乌拉泊组主要发育潮坪相,自下而上可识别出低潮坪、中潮坪、高潮坪等 3种亚相(图 6)
24、。(1)低潮坪低潮坪是由分选磨圆较差的砂砾岩、砂岩组成,夹薄层泥岩。砂岩底面可见冲刷图 6柴窝堡凹陷中二叠统乌拉泊组潮坪沉积相划分标志Fig.6Sedimentary facies division marks of tidal flat of Middle Permian Wulabo Formation in Chaiwopu Sag/m99313唐小飞地质科学2023年994面,水动力条件强,向上发育大量浪成波痕构造、槽状交错层理、羽状交错层理等。另外,在大型交错层理中上下两层砂岩的前积纹层倾向相反,且上部均发育各种方向的小型交错层理,具潮汐水道沉积特征。(2)中潮坪中潮坪在剖面中最为发
25、育,主要由薄层(1050 cm)中粉砂岩与泥质粉砂、泥岩互层组成,水动力条件较强,沉积构造以透镜状层理、波状层理、砂泥韵律层理为主。砂岩表面波痕明显,且走向对称,薄层泥岩覆盖在砂岩之上,是潮汐期侧向加积与平静期的垂向加积交替作用的结果。整体上反映沉积环境受潮汐水流作用影响,水位变化较频繁。(3)高潮坪高潮坪是由中潮坪过渡而来,也具有砂泥互层的特点,与其不同的是泥岩层变厚,砂岩层减薄。该段由紫红色泥岩夹薄层砂岩组成,偶见透镜体砂岩,水动力条件弱,主要发育水平层理、透镜状层理及块状层理。4.2冲积扇受准噶尔盆地东南缘海西晚期晚幕构造活动影响,柴窝堡凹陷南侧边缘中二叠统时期仍处于强烈挤压状态。此时南
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