哈山及周緣二疊系風城組沉積環境及沉積相發育特征

2018-10-17 11:23:20李學良張奎華林會喜張關龍侯讀杰王圣柱

西北大學學報(自然科學版) 2018年5期

李學良，張奎華，林會喜，張關龍，侯讀杰，王圣柱

(1.中國地質大學(北京) 能源學院/海相儲層演化與油氣富集機理教育部重點實驗室，北京 100083；2.中國石化股份勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257000)

準噶爾盆地西北緣二疊系風城組是石油開發重要的勘探層系。目前，中石油在研究區已取得了很好的勘探成果,上報探明及控制石油地質儲量2億多噸。近年來,中石化在哈山及周緣的二疊系風城組勘探中又獲得了重大油氣發現，表明風城組在瑪湖凹陷北部仍具有較大的勘探前景[1-3]。在勘探過程中,二疊系風城組表現出復雜的巖性特征,既有碎屑巖,也有火山巖和云質巖。風城組沉積時的沉積環境及發育哪些沉積相等問題未得到深入研究，嚴重制約了研究區進一步的勘探評價工作。對此，本研究從巖石學入手,利用碳氧同位素、X衍射以及地球化學特征等手段分析二疊系風城組沉積時的沉積環境,并根據巖性、沉積構造等沉積相標志劃分了研究區風城組形成時的相類型,對研究區下步有利儲層預測和勘探部署具有重要的指導意義。

1 概況

1.1 區域構造特征

研究區位于準西北緣哈拉阿拉特山—烏夏地區,隸屬于準噶爾盆地西部隆起,呈北東南西向的狹長帶狀展布,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(見圖1)。

根據前人研究,準噶爾盆地在晚石炭世—二疊紀處于前陸盆地構造-沉積演化階段,二疊系沉積期,準噶爾盆地由石炭紀伸展構造環境轉化為擠壓構造環境;其中，早二疊世風城組沉積時盆地處于前陸盆地間歇期,同時伴隨短暫松弛伸展引起的火山活動[4-6]。

圖1 哈山及周緣地區構造綱要圖Fig.1 Structure sketch map of Hashan and its adjacent areas

1.2 地層發育特征

二疊系風城組主要分布在哈山、烏夏及瑪湖凹陷地區。哈山地區風城組巖性主要為含灰或灰質泥巖、泥質粉砂巖和薄層粉砂巖及少量細砂巖的互層,其中在東北部有鉆井鉆遇凝灰巖等火山碎屑巖。烏夏地區主要為深灰、灰黑色凝灰質白云巖、白云質泥巖、泥質白云巖夾砂巖、粉砂巖,發現有孔蟲、棘皮動物化石殘片和藻類等化石。南部靠近凹陷中心處地區發育頻繁互層的堿鹽沉積,主要為天然堿鹽類。

2 巖石學特征

研究區內，風城組巖石類型和成分復雜多樣,包括陸源碎屑巖(砂巖、粉砂巖)、泥巖、硅質巖、碳酸鹽巖、火山碎屑巖、火山熔巖等均有不同程度的發育，主體發育粒度較細的云化凝灰巖(含云凝灰巖或白云質凝灰巖)、云化泥巖(含云泥巖或白云質泥巖)、凝灰質云巖、泥質云巖等。此外，沉積中心地區發育厚層鹽質泥巖和堿鹽沉積。

2.1 巖鹽

研究區已發現的鹽類礦物主要包括常見的鹽類礦物(石鹽、硬石膏、天然堿)外，還發育特殊鹽類礦物(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,整體來看，在整個鹽類礦物中所占含量較少(見圖2)。

圖2 哈山及周緣主要鹽類礦物發育特征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巖層和堿性咸化湖水有關；硅硼鈉石集合體通常與沸石和自生長石伴生,多是沸石在硼的活化度較高時的蝕變產物[7-8]。

碳酸鈉鈣石的晶體一般為數厘米厚的夾層或呈似斑狀結構漂浮于云泥巖之中或凝灰質云泥巖中。晶體呈板柱狀或纖維狀,無色或白色,滴鹽酸產生劇烈氣泡,茜素紅可將其染成紅色,干涉色較高(見圖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,且隨著湖水蒸發作用的進行,其pH值大于9且不斷增大,沉積在非海相環境中[9-10]。在研究區內，其主要成層分布,往往與云泥巖互層產出,呈現塊狀產出特征,堿鹽較為純凈,不含泥質,多為白色(見圖2a，e)。此外，在鏡下薄片中觀察,仍能見到堿鹽似樹枝狀漂浮在云泥巖之中；在接近盆地邊緣的夏76井,同樣發現簇狀生長的堿類物質存在(見圖2e),其硬度小于5.5,鏡下鑒定具有高級白的干涉色特征(見圖2a)。據前人研究成果可知，較為純凈的白色堿鹽層多發生在淺鹽湖的水下直接沉淀,這與個別塊狀堿鹽層段頂部發現的小型交錯層理是相一致的。簇狀生長的堿類物質,其晶體多呈長的放射狀向上生長,底部有一個平緩的基地；當湖水接近干涸,只有幾厘米深的時候，其生長在湖底或者是生長在長久性鹽湖周圍的接近干涸的干鹽湖湖岸,這與接近盆地邊緣夏76井處發現的簇狀生長的堿類物質是一致的。

2.2 云質巖

云質巖在研究區內普遍發育,根據巖心、鏡下巖石組構特征,可將區內云質巖劃分為6種產狀,3種成因(見表1)。

從表1中可以看出,研究區云質巖的主要成因有3種:準同生成因;經埋藏成巖作用;后期熱液作用。粉細晶白云巖多是在早期泥粉晶準同生白云巖的基礎上，經后期埋藏成巖作用形成,且泥粉晶白云巖在研究區普遍發育。因此，確定研究區內云質巖主要形成于一個強烈蒸發的環境下。

2.3 含灰質細粒碎屑巖

含灰質細粒碎屑巖主要指分布于哈山地區的含灰或灰質泥巖類和粉、細砂巖類(見表2)。巖石中發育泥灰巖和粉砂質泥巖組成的紋層,反映水體環境較為安靜；紋層之間層理縫比較發育,但多被后期亮晶方解石膠結充填。同時，在含灰粉砂質泥巖中存在粉砂巖的團塊,究其成因反映了相對較淺的水深;同時可見灰質粉砂巖之間充填泥灰質和亮晶方解石膠結。總體來看，哈山地區細碎屑巖整體灰質成分含量較高。

表1 哈山及周緣風城組不同類型云質巖特征Tab.1 Characteristics of different types of dolomite in Hashan and its adjacent areas

表2 哈山地區灰質細粒碎屑巖巖性特征Tab.2 Lithologic characteristics of tuffaceous fine clastic rocks in Hashan area

3 沉積環境

關于研究區風城組沉積環境的探討,爭議由來已久。尤興第(1985)、尹路(2013)根據研究區發育的葛萬藻棘皮、有孔蟲、腕足類等海相生物化石,以及海綠石、Sr/Ba及B含量等認為，風城地區屬于殘留海和局限瀉湖的沉積相;而馮建偉(2009)、朱世發(2013)等依據巖心、巖相、地層厚度變化規律等認為，風城沉積區為咸化湖泊沉積。此外,關于風城地區鹽巖的發育,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境上的應用多限于常見海陸相沉積環境。然而，研究區風城組沉積時,伴隨著強烈的火山活動,發育火山巖以及一些特征性的礦物巖石組合,同時廣泛發育云質巖及大量的堿鹽。研究區復雜的巖性組合決定了其沉積環境的特殊性,因此在利用微量元素和特征礦物分析沉積環境時,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,對碳酸鹽巖中碳、氧穩定同位素的分析可以恢復古流體的鹽度,并能夠解讀古氣候條件和沉積物成巖過程[15-17]。基于碳、氧同位素,可以計算出鹽度值,并根據經驗統計,認為鹽度值小于120時,指示淡水環境;大于120時,為海相(或咸水)環境。

本文在研究區內選取了具有代表性的48塊碳酸鹽巖樣品,通過對碳酸鹽巖的碳、氧穩定同位素進行測試分析,恢復風城組沉積時期的水體鹽度[12-13]。

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

續表3

從表3可以看出,在48個樣品中,只有兩個樣品的鹽度值小于120,表明了風城組沉積時期處于咸水環境之中。

3.2 X衍射分析

研究區風城組巖性復雜多變,具有大量云質巖沉積，而云質巖多以泥粉晶細粒沉積為主,同時伴隨有大量的細粒陸源碎屑顆粒及其他自生礦物。通過對樣品進行X衍射分析,可以從總體上判別地層的沉積環境。

從區內樣品的X衍射分析結果可以看出,作為石英與長石含量之和的陸源碎屑巖總質量含量占到56.68%,作為方解石與白云石含量之和的碳酸鹽為主的化學巖沉積總質量含量占到32.68%(見圖3)。因此，風城組沉積時研究區是一個以陸源碎屑沉積為主的環境，同時伴隨著相對強烈的化學巖沉積,整體上具有碎屑巖和化學巖混積沉積的特點。

3.3 烴源巖地化特征分析

油氣地球化學可以有效地判別沉積環境和生烴來源。如利用三環萜烷標志綠藻,新膽甾烷用來標志硅藻;利用正構烷和異構烷信息可以判別各種生源的貢獻[15-16]。

根據研究區內風城組烴源巖的地化特征分析,規則甾烷的分布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,正構烷烴主峰碳數分布在較低的碳數部:C15，C17，C19反映了低等藻類中原生烴類的分布特點。

總體來看,風城組富含β-胡蘿卜烷、伽馬臘烷,且整體具有明顯的植烷優勢,反應原始有機質沉積于咸水—超咸水強還原環境,水生生物主要為硅藻和藍綠藻的藻類生物(見圖4)。

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

4 沉積相特征

根據上述巖石學特征,結合巖心觀察、薄片鑒定、錄井巖性及顏色特征分析可知，研究區風城組沉積時期主要發育辮狀河三角洲和堿性鹽湖沉積相。

4.1 辮狀河三角洲

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

根據巖性、沉積構造等沉積相標志分析,研究區內辮狀河三角洲相可進一步劃分為辮狀河三角洲平原和辮狀河三角洲前緣(見圖5)。

4.1.1 辮狀河三角洲平原區內辮狀河三角洲平原常見板狀交錯層理、板狀斜層理和遞變層理及沖刷充填構造,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、細礫巖夾褐色泥巖、砂質泥巖。

4.1.2 辮狀河三角洲前緣區內巖性主要為灰色、綠灰色不等粒砂巖,分選較好,無暴露構造, 發育水平層理、小型交錯層理及季節性韻律層理,并見碳屑、植物碎片等。河口砂壩、遠砂壩微相巖性以淺灰色及灰色粉砂巖為主,間夾灰色泥質粉砂巖,分選中等—好，發育平行層理和小型交錯層理的反韻律;水下分流河道間巖性為灰色、綠灰色不等粒砂巖以及泥質砂巖,見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]。根據研究區內鉆井資料分析,可進一步將研究區沉積環境劃分為濱湖、淺湖、半深湖、深湖4個亞相(見圖5)。

4.2.1 濱湖亞相該亞相常見水平層理、小型交錯層理及季節性韻律層理,并見碳屑、植物碎片等。巖性主要為淺灰色泥巖夾薄層紅棕色泥巖(見圖5g),同時見薄層細砂巖、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)泥巖、砂質泥巖夾薄層粉砂巖。研究區常見水平層理,偶見波狀層理,見季節性韻律紋層(粉砂質與灰泥巖組成),同時可見水下收縮縫的形成(見圖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,這與本地區咸化的背景是一致的[20]。

4.2.3 半深湖亞相在風城組沉積時期，由于湖盆水體擴大,廣泛發育暗色湖相云泥巖,巖性總體上為灰黑色、綠灰色云質泥巖或泥質云巖的薄互層。常見水平層理發育,多見季節性韻律,可見到還原環境下的黃鐵礦(見圖5b，c，e，f)。同時發育滑塌變形構造,即已沉積的沉積層在重力作用下發生運動和位移所產生的各種同生變形構造,顯示了沉積時具有一定的坡度。

4.2.4 深湖亞相其主要為細粒云質泥巖、鹽質泥巖和天然堿鹽層的周期性沉積。在湖平面萎縮到最小時,可見天然堿鹽層頂部發育小型交錯層理,灰黑色鹽質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泥巖(見圖5d)。其中，細粒云質泥巖顯示塊狀層理,不見任何層理,缺乏化石,反映了水體安靜,還原程度較強。

4.3 沉積演化特征

研究區風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,局部地區發育火山巖。從風一段到風三段整體反映了一個湖水逐漸擴大再縮小的過程(見圖6)。

4.3.1 風一段沉積相展布特征其繼承了佳木河火山活動的特點,在風城、夏子街地區，風一段底部火山巖發育,整個深湖沉鹽區面積較小,主要以半深湖云質巖和濱淺湖沉積為主。其中，瑪湖東坡三角洲進積到夏71井區附近,北部哈山地區物源并沒有進積至哈深2井等地區，反映了整個湖盆東部和西部地區物源供給較強。

圖5 哈山及周緣風城組沉積相標志Fig.5 Sedimentary facies signs of Fengcheng formation in Hashan and its adjacent areas

4.3.2 風二段沉積相展布特征其火山活動有所減弱,主要集中于夏子街地區,深湖區湖水和堿鹽沉積面積擴大,半深湖云質巖沉積擴展到哈山地區。北部哈山地區,物源沒有明顯變化,東西兩側物源明顯后退,可能與前陸盆地活動寧靜期相對應。

4.3.3 風三段沉積相展布特征其火山活動明顯減弱,主要分布在風城部分地區,湖水面積嚴重收縮,深湖堿鹽和半深湖云質巖沉積范圍明顯縮小,盆地邊緣辮狀河三角洲進積明顯,反映了構造逆沖期的到來。其中，來自哈山方向的物源明顯進積到風古4井區，反映風三段沉積時期哈山地區構造活動的明顯加劇。

總體上看,在哈山地區，盆地邊緣為粗碎屑砂礫巖夾洪泛平原泥巖,之后向湖盆方向變為含灰或灰質泥巖、泥質粉砂巖等細粒沉積,靠近湖盆中心的烏夏地區主要為細粒云質巖沉積,沉積中心沉積厚層天然堿鹽類。從縱向上看，自下而上，沉積具粗—細—粗的巖性變化規律,總體上反映風城組由于構造抬升—沉降—抬升的次級構造演化,導致水體下降—上升—下降的湖平面變化,形成垂向上退積—進積的沉積充填序列。

5 結論

研究區內二疊系風城組發育多種物源的巖性,包括陸源碎屑巖、云質巖、火山碎屑巖、堿鹽沉積等；主體發育粒度較細的云化凝灰巖(含云凝灰巖或白云質凝灰巖)、云化泥巖(含云泥巖或白云質泥巖)、凝灰質云巖、泥質云巖等,此外沉積中心發育厚層鹽質泥巖和堿鹽沉積。總體來看，風城組主要沉積于咸水—超咸水強還原環境,并在初期伴隨有一定的火山活動。沉積相主要為辮狀河三角洲和堿湖沉積,從風一段到風三段整體反映了一個湖水逐漸擴大再縮小的過程。