新疆塔爾朗溝剖面中二疊統扇三角洲混合沉積特征及模式

王越

1.勝利石油管理局博士后科研工作站，山東東營 257000

2.中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營 257015

陸源碎屑與碳酸鹽組分的混合沉積包括在同一巖層混積形成的混積巖[1-2]，也包括混積巖以及陸源碎屑巖、碳酸鹽巖與混積巖在層間混積形成的混積層系[3-4]。混積巖、混積層系在海洋[5-7]與湖泊[8-9]中廣泛分布。目前，關于砂級、泥級陸源碎屑與碳酸鹽組分的混合沉積研究相對較多，包括混積巖與混積層系的類型及特征[10-12]、混合沉積控制因素[13-15]及混合沉積模式[16-17]等方面。針對扇三角洲內礫級陸源碎屑與碳酸鹽組分的混合沉積特征及模式研究較少，缺少典型實例。在新疆塔爾朗溝剖面中二疊統大河沿組、塔爾朗組連續出露，發育礫巖、礫質泥晶灰巖與含礫泥晶灰巖，為扇三角洲沉積。針對該地區二疊系沉積演化[18-20]以及塔爾朗組的烴源巖特征[21-23]、細粒沉積巖特征[24]等開展了研究，關于扇三角洲內的陸源碎屑與碳酸鹽組分的混合沉積特征及模式尚未開展系統研究。本文以露頭實測資料為基礎，通過分析塔爾朗溝剖面中二疊統大河沿組、塔爾朗組扇三角洲的混合沉積特征，結合前人在古氣候方面的認識，建立了扇三角洲混合沉積模式，以期為研究扇三角洲等過渡環境的混合沉積作用提供一個新的實例和參考。

1 地質背景

塔爾朗溝剖面位于吐哈盆地西北緣，距離吐魯番大河沿鎮約20 km（圖1a，b）。該剖面二疊系起點坐 標43°17′15.68″ N，89°02′54.35″ E，終 點 坐 標43°16′27.85″ N，89°02′23.68″ E，自北向南連續出露下二疊統依爾稀土組、中二疊統大河沿組和塔爾朗組以及上二疊統泉子街組、梧桐溝組與鍋底坑組（圖1a，c），其中大河沿組與塔爾朗組為研究目標層段。

圖1 實測剖面位置Fig.1 Map showing the location of surveyed area

吐哈盆地中二疊世大河沿組到塔爾朗組湖盆范圍逐漸擴大、水體逐步加深[21]，塔爾朗溝剖面自下而上發育了扇三角洲、濁積扇到半深湖—深湖的沉積序列（圖2）。魏信祥等[25-26]對桃樹園剖面塔爾朗組木化石進行了年輪數據分析，結果表明當時氣候變化頻繁，整體較為濕潤，但也具有干旱—半干旱的波動。Yang et al.[19]依據沉積特征推斷吐哈盆地北部中二疊世多次出現濕潤—半濕潤向半濕潤—半干旱的轉變。張增寶[21]通過分析烴源巖的伽馬蠟烷指數判定塔爾朗組沉積期湖水存在鹽度分層，為咸水沉積環境。王越等[17]通過分析塔爾朗溝剖面與艾維爾溝剖面塔爾朗組泥頁巖的Sr/Ba 比值，認為吐哈盆地在當時為半咸水—咸水環境。在中二疊世炎熱干旱、咸水環境有利于形成碳酸鈣以化學結晶的方式形成泥晶方解石，為灰巖的發育以及混合沉積提供了物質基礎。

2 地層特征及古流向分析

2.1 地層特征

大河沿組以一套深灰綠色玄武巖與下伏依爾稀土組為界，向上發育厚約100 m 的棕紅色礫巖（圖2，3），中下部主要發育棕紅色含粗礫中礫巖，夾薄層細礫巖。含粗礫細礫巖底部的礫石雜亂堆積，主要為安山巖礫石，呈次棱角、次圓狀，分選極差，最大粒徑約0.5 m（圖4a，b），上部的礫石多呈疊瓦狀穩定堆積（圖4c）。細礫巖發育同心槽狀交錯層理（圖4d），層系寬度一般為0.5～2.0 m，層系高度一般為0.15～0.30 m。大河沿組上部發育棕紅色含中礫細礫巖，夾有若干層條帶狀分布的灰巖。

塔爾朗組下部主要發育灰綠色礫巖、灰色中砂巖與灰綠色泥巖，夾有薄層灰巖。礫巖主要以紫紅色、灰綠色安山巖礫石為主（圖4e），礫石呈次棱角狀、次圓狀，分選較差；灰色中砂巖由多期薄層砂體疊置而成，具有前積特征（圖4f）。中部以灰綠色砂巖、深灰色泥頁巖為主，夾有薄層灰巖，發育大量的軟沉積物變形構造（圖5a，b）。上部主要發育深灰色泥頁巖夾薄層的灰巖，與上覆泉子街組呈角度不整合接觸。

圖2 大河沿地區塔爾朗溝剖面二疊系地層沉積綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic and sedimentary column of the Permian in the Taerlang profile, Daheyan area

圖3 塔爾朗溝剖面大河沿組與塔爾朗組剖面圖Fig.3 Sketch map of the Taerlanggou profile of the Daheyan Formation and Taerlang Formation

2.2 古流向分析

通過分析槽狀交錯層理的產狀、礫巖的排列方式、砂體疊置方式以及滑塌變形構造，對大河沿組與塔爾朗組的古流向進行了恢復。根據大河沿組礫巖的槽狀交錯層理的產狀判定觀察面為近似垂直水流方向（圖4d），在此基礎上分析了近20個穩定堆積礫石的排列方式，多數礫石的迎水面方向為SW 向（圖4c），反映了古流向優勢方位為NE向。

圖4 塔爾朗溝剖面大河沿組與塔爾朗組地層特征Fig.4 Stratigraphic characteristics of the Middle Permian Daheyan Formation and Taerlang Formation in the Taerlanggou profile

塔爾朗組底部的砂體具有疊瓦狀前積結構，其前積方向指示了盆地方向大致為NE 向。塔爾朗組中部發育大量的軟沉積物變形構造，褶皺的軸面多向SW方向，且多為不對稱褶皺（圖5c，d）。根據張傳恒等[27]、Ettensohn et al.[28]對軟沉積物變形構造驅動機制的研究，認為塔爾朗組內部的軟沉積物變形構造的驅動機制是水下滑坡，屬于滑塌構造。根據陳俊飛等[29]物理模擬實驗反映的斜坡傾向與軟沉積物變形構造的相互關系，認為塔爾朗溝剖面當時古斜坡的傾向為NE 方向。砂體疊置方式和軟沉積物變形構造特征均指示了塔爾朗組的古流向為NE方向。

徐加林等[30]對吐哈盆地北緣桃樹園（圖1c）、照壁山等剖面的中二疊統古流向進行分析，結果表明古流向的優勢方位亦是NE向，物源區是位于盆地南緣的覺羅塔格山。塔爾朗溝剖面中二疊統大河沿組與塔爾朗組古流向的優勢方位與其他剖面相似，陸源碎屑物質亦是來自于覺羅塔格山。

3 扇三角洲混合沉積特征

圖5 塔爾朗溝剖面塔爾朗組中部地層特征Fig.5 Stratigraphic characteristics of the middle Taerlang Formation in the Taerlanggou profile

塔爾朗溝剖面大河沿組與塔爾朗組下部分別發育扇三角洲平原、扇三角洲前緣（圖3），前者表現為棕紅色礫巖夾條帶狀分布的薄層泥晶灰巖；后者表現為灰綠色礫巖夾條帶狀灰巖、泥巖夾層狀分布的泥晶灰巖。通過對比研究博格達山周緣露頭二疊系巖性特征，分析了大河沿組與塔爾朗組內條帶狀、層狀灰巖的成因。博格達山周緣下二疊統發育火山巖礫石夾大量的灰巖礫石，如在祁家溝剖面（圖6a）、白楊溝剖面（圖6b）及動物園剖面[31]等下二疊統石人子溝組可見大量團塊狀、角礫狀、透鏡狀的灰巖，灰巖內見大量腕足類、海百合莖等化石，舒良樹等[32]研究認為該地層中的灰巖是由盆緣經滑塌進入盆內。在車師古道（圖6c，d）、桃西溝（圖6e）、桃樹園（圖6f，g）等剖面下二疊統依爾稀土組發育火山巖礫石與大量的灰巖團塊混雜堆積，灰巖呈次棱角狀、次圓狀，可見海百合莖化石（圖6h，i），屬于盆外來源的灰巖礫石。在博格達山周緣中二疊統普遍發育碎屑巖夾泥晶灰巖，如鍋底坑剖面中二疊統蘆草溝組發育礫巖夾灰巖[2]，此類灰巖呈層狀在地層中分布穩定，與周緣下二疊統內的灰巖礫石的產狀及巖性明顯不同，其應為盆內原生沉積產物，屬于混合沉積的范疇。研究區大河沿組與塔爾朗組扇三角洲混合沉積特征具體如下。

3.1 扇三角洲平原混合沉積特征

大河沿組主要發育扇三角洲平原分流河道，以棕紅色含粗礫中礫巖、含中礫細礫巖和細礫巖為主。大河沿組上部以棕紅色含中礫細礫巖為主，夾有若干層條帶狀礫質泥晶灰巖（圖7a），為混合沉積發育層段。礫巖主要發育槽狀交錯層理與平行層理，以中礫、細礫為主，偶見粒徑約0.3 m 的“漂礫”。礫質泥晶灰巖在同一層內呈斷續條帶狀分布，寬度一般為2～4 m，厚約5～10 cm（圖7b），其內部礫石呈緊密狀堆積或者零散狀分布（圖7c，d）。緊密狀堆積的礫石主要為細礫，粒徑最大約1 cm，整體表現為正粒序層理，且礫石具有定向排列性，反映了自下而上水動力條件逐漸減弱。

3.2 扇三角洲前緣混合沉積特征

塔爾朗組底部扇三角洲前緣以水下分流河道與水下分流間灣沉積為主，分別具有不同的混合沉積特征（圖8a）。

3.2.1 水下分流河道

圖6 博格達山周緣下二疊統灰巖礫石分布特征Fig.6 Characteristics of Lower Permian limestone gravel around Bogda Mountain

扇三角洲前緣水下分流河道砂體呈底凸頂平的外部幾何形態，厚約12 m，橫向延伸距離較遠（圖3）。河道下部發育厚層灰綠色含中礫細礫巖夾含礫泥晶灰巖（圖8b）。礫巖主要以中基性火山巖礫石為主，呈棱角狀、次棱角狀，分選較差，發育槽狀交錯層理和塊狀層理（圖8c，d），前者層系寬度一般為1.5～3.5 m，高度一般為0.3～0.5 m；后者表現為礫石的混雜堆積，偶見約30 cm的“漂礫”（圖8c）。含礫泥晶灰巖呈斷續條帶狀順著地層或者層系界面分布，頂底界面凹凸不平，厚約5～10 cm，橫向延伸距離約0.5～2.0 m（圖8d，e）。含礫泥晶灰巖內的礫石主要為中基性火山巖礫石，呈棱角狀、次棱角狀，粒徑分布在0.2～4 cm 之間，呈緊密不穩定狀分布在泥晶方解石中（圖8f）；泥晶方解石在局部發生重結晶形成亮晶方解石（圖8g）。偶見含礫泥晶灰巖局部斷裂，并在斷裂處混入上覆巖層中的礫石，形成錐狀的礫巖脈體（圖8h，i）。

河道砂體上部以灰綠色細礫巖為主，夾有多層含礫泥晶灰巖（圖8j）。礫巖主要發育槽狀交錯層理（圖8k），層系寬度一般為0.5～2.0 m，高度一般為0.1～0.3 m，層理規模較河道下部的層理有所減小。含礫泥晶灰巖厚約5～15 cm（圖8l），橫向延伸距離為3.0～8.0 m，與河道下部的灰巖相比在垂向上出現頻率及橫向延伸距離變大。

3.2.2 水下分流間灣

扇三角洲前緣水下分流間灣發育灰綠色泥巖和厚層灰巖，整體厚約7 m，位于水下分流河道砂體之上（圖8m）。灰巖主要為層狀含砂泥晶灰巖，厚度分布在0.2～0.3 m 之間（圖8n），主要由零星輸入的中細砂級的石英、巖屑顆粒與泥晶方解石混合沉積構成，碎屑顆粒呈棱角狀、次棱角狀（圖8o），為近源搬運沉積的產物。與水下分流河道砂體內的灰巖相比，水下分流間灣內的灰巖層數變多，橫向延伸距離更遠。

4 扇三角洲混合沉積模式

圖7 塔爾朗溝剖面塔爾朗組扇三角洲平原混合沉積特征及主要巖石類型Fig.7 Mixed sedimentary characteristics and main rock types of the fan delta plain of Taerlang Formation in the Taerlanggou profile

塔爾朗溝剖面中二疊統大河沿組與塔爾朗組下部分別發育扇三角洲平原和扇三角洲前緣，其陸源碎屑主要來自盆地南緣的覺羅塔格山。大河沿組中下部以含粗礫中礫巖為主，礫石最大粒徑約0.5 m，反映了分流河道發育的早期地形高差較大，大量陸源碎屑輸入盆地，碳酸鹽組分不發育（圖9a，b）。大河沿組上部發育棕紅色含中礫細礫巖，夾若干層條帶狀分布的礫質泥晶灰巖。該層段在縱向上與塔爾朗組水下分流河道砂礫巖體相接（圖3），表明其在橫向上也與水下分流河道相鄰，即位于靠近河口的位置，反映了大河沿組后期湖盆范圍擴大。在干旱炎熱的季節，由于淡水注入量變少，分流河道在靠近河口的位置易受到咸化湖水的影響，大量的碳酸鈣以化學結晶的方式形成泥晶方解石，并混有零星輸入的礫石形成礫質泥晶灰巖。當雨季再次來臨時，洪水攜帶陸源粗碎屑進入盆地，在早期固結或者半固結的礫質泥晶灰巖進行沖刷改造，導致灰巖在橫向上呈斷續條帶狀分布（圖9b）。

在塔爾朗組水下分流河道砂礫巖體的下部發育塊狀層理和槽狀交錯層理，具有重力流和牽引流雙重搬運機制，反映了河道發育早期地形高差相對較大。在炎熱干旱的季節，降雨量減少導致陸源供給量相對降低，湖泊內具有較安靜的水體條件，大量的碳酸鈣以化學結晶的方式形成泥晶方解石，其內部常混入零星輸入的礫石。當雨季再次來臨時，地表徑流攜帶大量礫石進入盆地，對早期固結或半固結的含礫泥晶灰巖進行強烈的沖刷改造。部分灰巖被沖刷成斷續條帶狀，但仍然順著地層分布（圖8c）；部分灰巖被沖刷為零散分布的團塊狀，與陸源礫石混雜堆積。在分流河道砂礫巖體的上部，夾有的灰巖在橫向上延伸距離較河道下部的灰巖增大，反映了在水下分流河道發育的后期，地形高差減小，雨季形成的地表徑流能量減弱，對早期形成的灰巖改造程度減弱。

在塔爾朗組水下分流間灣主要發育灰綠色泥巖和層狀含砂泥晶灰巖，泥巖具有水平層理，反映了較為安靜的沉積環境。水下分流間灣受咸化湖水的影響較大，在干旱炎熱的季節大量的碳酸鈣以化學結晶的方式形成泥晶方解石，偶有水下分流河道中漫溢出來的中細砂級的陸源碎屑顆粒混入，后期經埋藏成巖形成厚層的含砂泥晶灰巖（圖9c）。雨季來臨時，水下分流河道水動力條件較強，以粗碎屑沉積為主，而水下分流間灣以細粒懸浮物質沉積為主。由于扇三角洲前緣水下分流間灣沉積環境整體較為安靜，與水下分流河道砂礫巖體內的灰巖相比保存程度較好，規模更大。

圖8 塔爾朗溝剖面塔爾朗組扇三角洲前緣混合沉積特征及主要巖石類型Fig.8 Mixed sedimentary characteristics and main rock types of the fan delta front of Taerlang Formation in Taerlanggou profile

5 結論

（1）塔爾朗溝剖面大河沿組上部發育扇三角洲分流河道，以棕紅色含中礫細礫巖為主，夾有若干層條帶狀分布的礫質泥晶灰巖。塔爾朗組底部自下而上發育水下分流河道與水下分流間灣。水下分流河道砂體呈底凸頂平的外部幾何形態，下部發育灰綠色含中礫細礫巖夾斷續條帶狀、零散分布的團塊狀含礫泥晶灰巖，上部為以灰綠色細礫巖夾層狀含礫泥晶灰巖，灰巖橫向延伸距離相對較大。水下分流間灣發育灰綠色泥巖和層狀含砂泥晶灰巖，灰巖橫向分布穩定。

圖9 塔爾朗溝剖面中二疊統扇三角洲混合沉積模式Fig.9 Mixed sedimentary pattern of the fan delta in the Middle Permian Taerlanggou profile

（2）大河沿組沉積早期，地形高差較大，研究區分流河道內以大量粗陸源碎屑沉積為主。大河沿組沉積晚期，湖盆范圍擴大，研究區分流河道過渡到靠近河口的位置。干旱炎熱的季節，受到咸化湖水的影響碳酸鈣結晶形成泥晶方解石，混有零星輸入的礫石形成礫質泥晶灰巖。塔爾朗組水下分流河道發育早期，地形高差較大，雨季形成的地表徑流能量較強，對早期固結或半固結的含礫泥晶灰巖進行強烈改造；水下分流河道發育晚期，地形高差減小，雨季形成的地表徑流能量減弱，對早期形成的灰巖改造程度較弱，橫向延伸距離較大。水下分流間灣整體為穩定的沉積環境，灰巖的厚度、橫向延伸距離較水下分流河道內的灰巖增大。