准噶尔盆地西北缘侏罗系层序划分

准噶尔盆地西北缘侏罗系层序划分

20世纪80年代，瓦尔等人在研究被动大陆边缘的海相沉积中建立并发展了地层分类理论，引起了中国地质界的强烈振动。实践亦已证明,起源于被动大陆边缘盆地的层序地层学基本原理能够很好地应用于陆相湖盆及其他陆相沉积之中。前人已经对准噶尔盆地侏罗系层序地层学进行过大量的研究,提出了各自的见解。地质研究者们对二级层序的认识比较一致,虽然二级层序界面划分位置有所不同,但相对比较接近。在三级层序划分的方案上差异明显。准噶尔盆地层序级别划分方案的多样性有其客观的原因。首先,陆相湖盆地层本身所具有的纵向标定困难、横向变化剧烈的特点决定了层序地层级别划分的难度;其次,在准噶尔盆地构造演化的过程中,盆地内部构造运动的差异性是有些地区原先沉积的地层被剥蚀掉了,从而造成盆地不同地区地层展布的不均衡性。另外,侏罗系沉积之后,准噶尔盆地受到复杂构造运动的改造,由于地质工作者研究的盆地具体位置不同,掌握的地质资料不同,从而造成对层序划分存在明显的差异。笔者总结、归纳前人对准噶尔盆地层序地层学的认识,考虑陆相湖盆层序划分的复杂性,立足准噶尔盆地西北缘克-百地区丰富的地震、钻测井资料,对侏罗系层序地层做了研究。1准噶尔盆地西北缘构造单元特征自石炭纪以来,准噶尔盆地经历了晚海西、印支、燕山及喜马拉雅多旋回的构造运动,形成了现今复合叠加盆地格局,侏罗系是印支运动后盆地震荡演化的产物。从盆地构造单元划分来看,准噶尔盆地西北缘包括西北缘冲断带、中拐凸起、玛湖凹陷西斜坡等几个次级构造单元。西北缘冲断带又可进一步划分为西南的红-车断裂带、中部的克-百断裂带和东北部的乌-夏断裂带。它们首尾衔接,向盆内凸出而成弧形断裂,且3个弧形断裂带彼此之间的衔接部位常常发育横向断裂(图1)。准噶尔盆地勘探开发50年来,西北缘克-百地区侏罗系油气藏以构造油气藏为主,对侏罗系进行层序地层划分与对比,在等时地层格架内预测沉积体系的平面分布,对于寻找岩性油气藏,具有重要的意义。2道湾组旋回内储层组合特征根据断裂分在侏罗系沉积时期,研究区主要受扎伊尔山和哈拉阿拉特山物源影响,下侏罗统分为八道湾组(J1b)和三工河组(J1s),中侏罗统分为西山窑组(J2x)和头屯河组(J2t),上侏罗统发育齐古组(J3q)地层。侏罗系下部八道湾组与下伏三叠系呈微角度不整合接触,与上覆白垩系呈区域角度不整合接触,该界面造成侏罗系严重剥蚀,在山前剥蚀程度更大。断裂带在侏罗系沉积时期为逆冲断裂,对中、下侏罗统影响非常明显,主断裂活动强度控制了地层展布和上盘剥蚀程度。由于推覆体的不断逆冲,上盘地层部分遭受剥蚀,下盘负载不断加重下沉,造成断裂两侧同期地层厚度有明显差异,并且断距较大的区域地层厚度明显大于断距较小区域。八道湾组总体上由砾岩、砂岩、泥岩和煤层组成的具有明显旋回性的沉积,自下而上由粗到细再到粗,依其旋回特征分为3段:八道湾组下段(J1b3)、八道湾组中段(J1b2)、八道湾组上段(J1b1)。八道湾组中段、下段只分布在断裂带下盘和断裂带上盘主断裂附近区域,八道湾组上段在全区均有发育(图2)。三工河组与下伏八道湾组呈整合接触,发育厚层砂岩、粉细砂岩和暗色泥岩,其中的暗色泥岩形成于侏罗系最大湖侵期,是良好的区域性盖层和烃源岩层。西山窑组为灰白、浅灰、灰绿色砾、砂岩夹炭质泥岩、泥岩及煤层,与下伏三工河组整合接触。头屯河组底部岩性较粗,以黄绿色砂砾岩夹杂色细、粉砂岩及泥质条带为特征;中下部主要为灰绿色砂岩、泥岩、泥灰岩夹炭质泥岩,偶见煤线;上部为灰绿色粉砂岩、泥岩互层夹杂色泥质条带,与下伏西山窑组之间呈区域性不整合或假整合接触。头屯河组主要分布在西北缘断裂带下盘,上盘较薄或缺失。齐古组主要为棕红色、红褐色泥岩、粉砂岩夹紫灰色、灰色泥质砂岩以及薄层凝灰质砂岩。齐古组与上覆白垩系呈区域性不整合接触,大部分地区无论井下还是露头都很难区分头屯河组和齐古组。齐古组分布横向变化大,在断裂带上盘厚度较大,而在断裂带下盘厚度较薄,部分地区缺失。3层序层结构的构建3.1层序界面的识别标志在地震剖面上识别层序界面,一是根据界面上下的地震反射终止样式,包括削截、视削截、顶超、上超等。强烈的削截和上超往往与区域不整合面对应,从而是二级层序界面的标志,而对于三级层序,这些现象主要发育较小范围之内。在露头、钻测井资料中识别层序界面应注意以下可能代表层序界面发育的标志:1)古土壤、根土岩及古风化壳(沉积暴露标志或暴露沉积相)是沉积间断的标志,可作为识别层序界面的主要标志;2)沉积岩相的突变(相的转移)反映了基准面的大幅下降,是层序界面发育的强有力的证据和标志;3)大量的河道滞留砾岩或水进砾岩(沉积间断)同样也反映了基准面的急剧下降,可以作为层序界面的识别标志;4)冲积扇、重力流沉积等大量发育可能是基准面下降所引发,因而这些事件沉积可能是层序界面的重要岩相标志;5)由于沉积环境等突变,可能导致层序界面上下的微量元素分布特征突变,古生物和古生态特征也可能发生较大变化,因此这类综合标志有时也是层序界面的重要标志。3.2层序地质特征在最大湖泛期往往形成沉积速率极其缓慢、沉积时间长、厚度较薄的密集段,密集段是一个层序中容易识别的标志层。最大湖泛面在地震剖面上主要表现为一个收敛面,往往是下超面。靠近湖盆边缘最大湖泛面可以和层序界面相重合。最大湖泛面之上为高位体系域(HST),最大湖泛面之下为水进域+低位体系域(LST+TST)。密集段的岩性细,多为暗色泥岩,古生物的门类和丰度较高,在测井曲线上的响应特征为:高自然伽马、低自然电位、尖峰状高电阻、低密度、声波时差高值、位于测井曲线总体变化趋势的拐点处。多具有区域可对比性,可作为最大湖泛面的重要标志。在最大湖泛面之下的湖侵体系域多以退积准层序叠加样式为特征,岩石颜色多以还原环境下的深灰、灰绿等深色调为主,岩性也多为泥岩、粉砂质泥岩。在最大湖泛面之上准层序组则以进积型为主,岩石颜色也由深灰向浅灰、灰白渐变。最大湖泛面在电测曲线上的显著特征是自然伽马曲线在此呈现低值且平直。在露头剖面中对最大湖泛面的识别的关键是识别凝缩段。在西北缘的层序研究中,本着三方面的原则来识别密集段的发育和分布:1)相对“深水”环境的低速率沉积物及共生丰富或相对发育的生物种属与组合;2)稳定、广泛的区域性发育和可追索与对比性;3)位于准层序及其叠加样式与规律所反映的湖平面(或基准面)升降旋回的转折点(拐点)部位。研究区内凝缩段沉积岩相类型相对丰富,主要有半深湖-深湖相、滨浅湖相的钙质页岩、泥质灰岩、页岩、泥岩或粉砂质泥岩及黏土岩等。在地震层序分析、钻井层序分析、露头层序分析中,尽管所使用的资料不同,解决问题的方法和手段有所差异,但其解决问题的基本思路是一致的,这就是湖平面升降控制下的等时的、有成因联系的地层对比。因此,在对西北缘地区侏罗系的层序地层学研究中,尽管我们开始时分别使用地震资料、钻井资料和露头资料同时开展独立的、背对背的层序地层分析,但其结果基本上是一致的。总的说来地震资料的层序划分直观、可靠,对整个盆地有很好的控制作用,但受分辨率的限制只能划分到层序级或体系域级;露头资料的层序分析清楚、细致,可以划分到准层序级甚至更细;但露头资料分布于盆地的边缘,不能完全代表盆地内部地层的变化;钻井资料是连接露头资料和地震资料的桥梁,钻井资料的层序分析较细致、易使用,但钻井资料毕竟是一孔之见。综合研究区地震、钻测井、露头资料分析,把准噶尔盆地西北缘侏罗系划分为两个构造层序(JTS1,JTS2)、7个层序(Ⅰ—Ⅶ)、10个体系域(表1)。4岩系和层序4.1煤层与层序界面在层序地层学研究中,煤层无论是在野外露头、钻测井还是在地震资料分析中都有着重要的作用,是一种难得的最为实用的标志性资料。虽然对于煤层能否作为层序界面存在广泛的争议,它一般代表一个水体较浅或相对暴露的沉积环境,分布范围一般较局限,能否作为层序界面实际上还是一个级别的问题。我国西部的诸多盆地中侏罗系均发育含煤沉积地层,因此在这些盆地中开展煤层与层序地层学应用研究就有着重要的意义。尤其在准噶尔盆地西北缘地区首次将煤层分析纳入到层序框架内进行详细的研究,然后来指导克百地区侏罗系的勘探,为油气资源的增产带来新的思路。4.2逆冲断裂带下盘侏罗系煤层层数在准噶尔盆地西北缘,侏罗系主要发育3套含煤层序,分别位于八道湾组下亚段、八道湾组上亚段下部和西山窑组底部。侏罗系7个层序、8个层序界面中JSB1,JSB3,JSB5分别位于这3套煤层附近。侏罗系是三叠纪后盆地震荡演化的产物,在不同的演化阶段,水动力、气候、温度均有所差异。因此,克-百地区侏罗系不同地质历史时期形成的煤层具有穿时现象。西北缘逆冲断裂带下盘侏罗系煤层层数较多,单层厚度较大;相反,断裂带上盘煤层发育较少,单层厚度较薄。4.3体系中含煤性更差关于含煤岩系的形成环境,国内外已经形成了一系列的理论和观点,也建立了诸多成煤环境模式[12,13,14,15,16,17]。根据煤系地层所处的沉积环境、聚煤条件、煤层分布等因素,归纳起来,西北缘侏罗系的成煤环境主要有以下几类:1)三角洲沉积成煤模式。包括扇三角洲和河流三角洲成煤。煤层主要发育于三角洲平原沼泽相。2)河流相成煤模式。在河流相成煤环境中,由于辫状河迁移性大、河岸易被侵蚀,垂向上加积的细粒沉积物不发育,通常很难出现大面积的沼泽相沉积。因此,辫状河沉积体系中含煤性更差。在曲流河环境中,河漫滩沼泽相和废弃河道充填的沼泽发育,是主要的成煤环境。3)冲积扇沉积成煤模式。在冲积扇的扇根地貌位置高、坡陡,不利于成煤;而在扇中地区由于河水泛滥,可形成沼泽环境,如果此时洪泛间歇期较长,即可形成煤层。而扇端部位多为泥类沼泽和泥炭沉积的良好场所,同样可有聚煤作用的发生;在扇间地带往往如果持续下陷并伴有机质沉积,则会形成较厚的煤层,但往往横向连续不好。4)湖湾成煤模式。在湖湾地区,由于湖底地形的起伏不平,随着湖平面的升降,可能在一定时期形成湖泊沼泽,也是一种良好的成煤环境,而且煤层横向较为连续。通过对西北缘100多口井含煤系地层的厚度、分布、沉积环境分析,研究认为:1)西山窑组煤系主要形成于湖退沉积时期(进积型三角洲),以三角洲泛滥平原沼泽沉煤环境为特征,在钻测井、地震剖面上可见2~3套煤层,底部为主力煤层,在主力煤层之上在局部地区发育一套薄煤层,横向分布不稳定。2)八道湾组上部煤层也形成于湖退沉积时期(进积型三角洲),只是此时期湖盆萎缩,湖面范围较小,三角洲向湖心方向推进,因此煤层分布广,是侏罗系厚度最大、分布最稳定的煤层。3)八道湾组下部煤层,多形成于湖平面上升的冲积扇、河流及低能滨湖沼泽的成煤环境,厚度较薄,横向分布不稳定,在测井曲线极易认识。4.4层序界面划分根据煤层的形成模式与分布特点,研究认为煤层与层序地层的界面划分有较为密切的关系。因此在层序地层学划分的过程中,煤层往往可作为一种较好的标志层。西北缘地区侏罗系地层3套含煤层序在地震剖面上都有2~3个强相位组成的双轨反射波组,横向上表现出较强的连续性,且在过井合成地震记录吻合良好,剖面上可连续追踪(图3)。西山窑组煤层、八道湾组上段下部的煤层都是在可容纳空间增大、沉积物进积的湖退时期形成的,成煤过程都经历了先进积充填、未期退积填埋的过程,在地震剖面上都常见上超现象,往往就代表沉积间断面作为层序界面。八道湾下段煤层多是水体突然变化的产物,具有代表初始湖泛面的性质,是中短期升降旋回的转换面,在区域上不具等时性,因此在层序划分中不能作为层序界面划分的标志。在层序划分中通常JSB3位于八道湾组上段下部的一套同成因的含煤地层之下,JSB5位于西山窑组底部横向分布稳定的主力煤层之上,JSB5界面之上在局部在区也会发育煤层。在西北缘地区侏罗系的含煤系地层从总体上看,煤层多发育于高位体系域的未期,低位体系域煤层次之,水进体系域煤层最少见,因为在准噶尔盆地各层序的水进体系域中以大面积的深-半深湖相沉积为主,沼泽相不发育,因此不利于含煤层系的形成。以层序Ⅲ的高位域煤层最为发育,层序V低位域煤层次之,在局部地区层序Ⅰ低位域也可见煤层。5由地层序列形成的控制因素5.1层序共混沉积期盆地构造属性构造运动不仅影响着盆地的形成与演化,而且是陆相层序形成的主要控制因素。准噶尔盆地西北缘地区层序的形成主要受晚印支和早燕山运动的影响。三叠纪末期的印支运动造成西北缘普遍抬升,形成三叠系与上覆地层之间的区域性不整合。侏罗系沉积时期,盆地总体处于统一的陆内坳陷发展阶段,构造活动相对稳定,但仍存在低幅度的振荡,形成侏罗系内部各层序间的不整合。侏罗纪晚期的燕山运动Ⅰ幕,造成Ⅵ层序与下伏地层的不整合;燕山运动Ⅱ幕造成侏罗系与上覆白垩系之间的区域性不整合。盆地的构造沉降结果造成地形的高低不平,因此不同层序在不同的构造地区沉积厚度不一样,在沉积、沉降中心地层厚度大,相反在构造高部位地层厚度薄,在某此部位甚至地层被剥蚀,如Ⅶ层序沉积时期五区南断裂附近地区、百口泉北区、百口泉南区Ⅶ层序沉积均被剥蚀;另一方面在构造沉降中心地层岩性较细,如Ⅴ层序期的克-百断裂带下盘百13井附近。因此构造沉降会造成层序在不同地区发育的不均衡性(分区性)和不完整性。5.2冲积、栈状河粗粒沉积相物源供应首先会决定沉积层序厚度、岩性的粗细、成分等,在靠近物源区的沉积层序多较粗、厚度大、分选差、成熟度低等特征,如在百口泉北区山前沉积多为冲积、辫状河的粗粒沉积。在五区南部及玛湖凹陷等地区的沉积往往较细,多以泥、粉砂岩为主。物源的供应量的相对大小也会直接影响到不同体系域的准层序组的叠置样式。当物源供应量充分,远大于可容纳空间时,低位体系域往往为多个加积序列,水进体系域开始也会出现一个或多个小型加积序列,高位体系域则表现为典型的进积特征。5.3湖平面变化的影响湖平面的变化是控制层序发育、层序格架和层序变化以及体系域结构变化的主控因素。湖平面的变化是构造沉降、气候变化、沉积物供给等因素的综合反映。湖平面的缓慢变化,将引起河流特征如弯度、宽度和携砂能力的改变;湖平面或基准面的快速下降将引起河流下切,并伴有河流弯度的改变,增强了河流的携砂能力;湖平面或基准面的快速上升将导致河口的涌水、河流沉积形式的改变和沉积物的沉降。湖平面升降直接决定着可容纳空间的大小,当湖平面相对变化较小时,此时的沉积层序多具加积特征,如低位域时期的沉积;当湖平面快速上升,可容纳空间急剧增大,沉积物供应明显不足,此时的沉积为饥饿沉积,在垂向上表现水进期的退积序列;当湖平面发生快速下降时,沉积物供应相对较大,沉积体系向湖心推进,在垂向上就出现为高位域的进积序列。因此一个完整的湖平面的升降就形成垂向上层序的加积-退积-进积的旋回。5.4层序沉积期岩相古地理准噶尔盆地侏罗纪气候特征主要从孢粉、生物分异度、沉积岩石类型及颜色等方面来考虑。综合分析结果表明:Ⅰ层序、Ⅱ层序、Ⅲ层序沉积时期,为暖湿带潮湿气候,岩石呈深灰色及灰黑色,广泛发育煤层及炭质泥岩,粘土矿物中高岭石含量远大于伊利石含量。Ⅳ层序沉积早期,生物分异度及丰度显著减少,气候属于热带、亚热带干旱气候,粘土矿物中伊利石含量增高,高岭石含量降低,煤层或炭质泥岩不发育。Ⅳ层序中晚期至Ⅴ层序沉积期为亚热带潮湿气候,生