前陸盆地坡折帶對沉積相的控制作用：以準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷三工河組為例

王輝，侯文鋒，李婷，石勇

(中國石油新疆油田分公司采油二廠，新疆克拉瑪依，834000)

坡折帶是盆地邊緣地形明顯變陡的地帶，可以劃分為構造坡折帶和沉積坡折帶[1-3]。構造坡折帶是由于構造長期活動引起地形坡度發生明顯變化的地帶，形成構造坡折帶的構造活動包括斷裂和撓曲[4-6]。坡折帶對沉積和儲層具有明顯的控制作用，李相博等[7-10]認為我國東部斷陷盆地沉積受到多階坡折帶的控制，但是該類由正斷層形成的坡折帶不利于沉積物向盆地的搬運，斷層間的調節帶是沉積物搬運的主要通道。由于控凹斷裂活動具有幕式性，由其控制的巖性、沉積相類型和展布變化較大，并呈現出幕式性，體現了斷裂坡折帶對沉積的控制作用[11-12]。學者們廣泛研究的構造坡折帶均由正斷層形成，如珠江口盆地珠一凹陷諸洼陷邊界斷裂均為正斷層形成的坡折帶，王英民等[6,10]根據邊界斷裂演化，把這些正斷層活動階段劃分為初始斷陷期、快速斷陷期和斷陷萎縮期等，不同構造活動階段中沉積相類型和展布特征存在顯著差異。李相博等[7-12]研究的坡折帶均是由正斷層形成的構造坡折帶，目前沒發現對于逆斷層控制的坡折帶的研究。這種由逆斷層控制的構造坡折帶在準噶爾盆地西部斜坡帶廣泛存在，其不僅影響了三工河組沉積相、儲層特征，而且控制著油氣藏的類型和分布。

準噶爾盆地西北緣三工河組油氣資源豐富，區內20 余口井現工業油氣流。目前，人們對該組沉積相和儲層特征的研究較少，尤其是對沉積相和儲層控制因素的研究更少。朱筱敏等[13-15]認為三工河組儲層形成于扇三角洲相和近岸水下扇相，但這與研究區三工河組巖性及沉積韻律相矛盾，本文作者利用研究區大量的測井資料、巖心資料、地震資料和分析測試資料，分析三工河組沉積相特征、逆斷層坡折帶形成機理、坡折帶對沉積相和儲層的控制作用等，這對研究區三工河組下步油氣勘探具有一定的指導意義。

1 地質背景

1.1 構造特征

準噶爾盆地構造活動較復雜，整體經歷了成盆階段(晚石炭世碰撞)、撓曲階段(石炭紀末期—早二疊世壓陷)、拗陷階段(三疊紀—白堊紀撓曲)以及拗陷—沉降階段(燕山期)[16-19]。三疊紀早期準噶爾盆地北部古老的阿爾泰造山帶重新活動，形成疊瓦狀向盆內俯沖的斷階帶，逆沖推覆作用導致準噶爾盆地西北緣向東擠壓，形成撓曲前陸盆地。三疊紀末期盆地整體抬升，形成了三疊系與侏羅系之間的區域不整合面。因此，侏羅系沉積初期，準噶爾盆地西北緣仍然保留了前陸盆地的古地貌特征，整體位于前陸盆地的前淵斜坡帶上[20-21]，物源為扎伊爾山[22](圖1)。

圖1 研究區位置Fig.1 Location of study area

1.2 巖性及其組合特征

三工河組巖性復雜，包括礫巖、礫質砂巖、砂巖、泥巖和煤巖等(表1)，根據巖性組合特征，三工河組劃分為下段和上段(圖2，其中SP 為自然電位；Rt為電阻率)。巖性在縱向上和平面上分布具有一定規律性，礫巖多分布在下段，平面上分布在臨近物源的區域。礫石為次圓狀，為再旋回礫石，分選性差。礫質砂巖分選性差。砂巖以長石巖屑砂巖為主，成熟度較低，泥巖多為深灰色，常夾煤線，其多呈透鏡狀，平均厚度約為0.15 m。

圖2 三工河組沉積韻律特征Fig.2 Sedimentary rhythm characteristics of Sangonghe Formation

表1 三工河組巖石類型Table 1 Rock types of Sangonghe Formation

三工河組可識別出3種巖性組合。

1)泥巖-礫質砂巖-礫巖組合。下部為灰色塊狀泥巖，中部為中—厚層礫質砂巖，上部為塊狀中—細礫巖，形成下細上粗的反韻律。礫巖多呈塊狀，少見沉積構造，但可見較多沖刷侵蝕面。該組合主要分布在靠近物源的區域，平均厚度約為46 m。

2)礫質砂巖-砂巖-泥巖(煤巖)組合。下部為礫質砂巖和砂巖，上部為灰色塊狀泥巖或黑色煤巖、煤線，整體形成下粗上細的正韻律。該組合分布在盆地斜坡區，平均厚度約為35 m。

3)泥巖-砂巖-含礫砂巖組合。下部為粒度較小的砂泥巖，上部為粒度較大的砂礫巖，縱向上形成反韻律。砂泥巖多為深灰色，具水平層理、沙紋層理和波狀層理，砂礫巖中可見中—大型槽狀交錯層理。

2 三工河組沉積相特征

2.1 沉積相類型

依據巖性組合特征、沉積構造、測井相和地震相，分析三工河組沉積相類型，包括沖積扇相和辮狀河三角洲相，其中，辮狀河三角洲相可進一步劃分為平原和前緣亞相。

2.1.1 沖積扇相

沖積扇相巖性以雜色塊狀中礫巖、細礫巖和礫質砂巖為主，另外還發育泥巖和煤巖。礫巖平均厚度可達27 m，分選性差—中等，基質支撐，可見礫石呈疊瓦狀排列，發育沖刷充填構造，少見斜層理。礫石層常夾有透鏡狀砂巖層，形成下細上粗的反旋回。根據巖性特征和沉積構造，沖積扇可識別出扇根、扇中-扇緣亞相。

扇根亞相分布在三工河組下段，巖性以粗粒沉積為主，包括細礫巖、砂質礫巖，野外剖面中可見部分礫石疊瓦狀排列。由于扇根區水動力較強，少見泥巖和煤巖等細粒沉積物。扇中—扇緣區分布在研究區西部，巖性以含礫中—細砂巖、細砂巖為主，發育碳質泥巖和煤巖，砂巖中可見平行層理和板狀交錯層理。由于研究區沖積扇在垂向上沉積序列為扇緣—扇中—扇根，因此，粒序表現為反旋回(圖2(a))。前人多把該反韻律錯認為扇三角洲前緣沉積，但旋回下部砂泥巖廣泛發育煤層、富含植物葉片和植物根莖化石，應為扇緣—扇中河道間沼澤沉積，屬湖平面之上沉積[13-15]。

研究區沖積扇屬潮濕氣候條件下發育的濕潤型沖積扇。三工河組自下而上均發育不同厚度的煤層，局部煤層累計厚度可達21 m，另外泥巖的顏色多為深灰色、灰黑色等還原色。圖3所示為三工河組組黏土礦物成分三端元圖。由圖3可見：指示潮濕環境的高嶺石質量分數最高，平均質量分數可達26%。以上分析表明三工河組沉積期氣候濕潤。干旱型與濕潤型沖積扇在沉積物結構、外部形態、分布面積等方面存在較大差異。干旱型沖積扇分布面積小，外部形態呈丘狀，礫巖分選性極差，礫石呈棱角狀，扇中發育褐色、棕紅色泥巖，扇緣可見蒸發巖、泥裂等指示干旱環境的標志。研究區沖積扇礫石呈次圓狀，發育灰黑色泥巖和煤巖，扇體分布面積廣，辮狀河道發育，符合濕潤型沖積扇的沉積特征(表2)。

表2 干旱型與濕潤型沖積扇沉積特征對比Table 2 Comparison of sedimentary characteristics between arid and humid alluvial fans

圖3 三工河組組黏土礦物成分三端元圖Fig.3 Three terminal element diagram of clay mineral composition of Sangonghe formation

2.1.2 辮狀河三角洲相

辮狀河三角洲相細分為平原和前緣亞相，其中平原亞相巖性以灰色厚層礫質砂巖、塊狀灰色—深灰色泥巖和黑色煤巖為主。礫質砂巖中常見中—大型槽狀交錯層理和平行層理，發育礫質砂巖-砂巖-泥巖(煤巖)組成的正韻律(圖2(b))，韻律層底部常發育沖刷面。泥巖中可見完整的植物葉片和根莖化石，指示分流河道間沼澤環境。前緣亞相巖性以灰色中—薄層砂巖和深灰色—灰黑色泥巖為主。砂巖中可見沙紋層理、波狀層理，沖刷面之上發育泥礫，泥巖中常夾有脈狀薄層碳屑。前緣亞相中發育下細上粗的反韻律(圖2(c))，測井曲線呈齒化漏斗型。

2.2 沉積相展布特征

圖4所示為三工河組沉積相連井對比，剖面位置如圖1所示。由圖4可見：2 種類型的沉積相在研究區分布具有一定規律性。三工河組下段沉積相類型包括沖積扇相和辮狀河三角洲平原亞相。坡折帶西北部為沖積扇相，坡折帶東南部為辮狀河三角洲相。另外，地震剖面中也可見前積反射結構，并向盆地方向過渡為透鏡狀反射結構。沖積扇相平面上分布在靠近物源的區域，并向盆地斜坡區相變為辮狀河三角洲平原亞相，巖性也由礫巖變為礫質砂巖、砂巖等(圖5(a))。研究區共發育南北2個物源，控制著沖積扇和辮狀河三角洲的規模和分布區域。整體來看，南部物源形成的沖積扇體規模更大。

圖4 三工河組沉積相連井對比(剖面位置見圖1)Fig.4 Sedimentary facies correlation of wells of Sangonghe Formation

三工河組上段沉積相類型包括辮狀河三角洲平原和前緣亞相，其中平原亞相分布在靠近物源的區域，而前緣亞相分布在盆地斜坡區(圖5(b))。平原與前緣亞相的區別體現在以下方面：

圖5 三工河組沉積相平面圖Fig.5 Sedimentary facies plan of lower members of Sangonghe formation

1)平原沉積物粒度較大，以砂礫巖、含礫粗砂巖為主，前緣以砂巖和泥巖為主；

2)平原亞相發育厚層煤巖，泥巖中可見完整植物化石，前緣少見煤巖；

3)平原亞相測井相以鐘型或箱型為主，前緣則以漏斗型和鐘型為主。

2.3 沉積演化

三疊紀末期研究區處于擠壓構造環境，形成了前陸盆地沖斷帶和派生斷層。構造隆升為三工河組提供了充足的物源，斜坡區的派生斷裂形成的坡折帶則控制了研究區古地貌。由于三疊紀印支期構造擠壓作用，斜坡區及其西側陸塊隆升，并發生侵蝕作用，形成了三疊系與侏羅系三工河組之間的不整合界面[23]。三工河組沉積早期，斜坡區地勢起伏不平，物源供應不斷增強，形成了三工河組下段濕潤型沖積扇，并向盆地過渡為辮狀河三角洲相。三工河組下段沉積的填平補齊作用，使研究區變得平坦。隨著湖平面上升，沖積扇逐漸退出研究區，近物源的區域廣泛發育辮狀河三角洲平原亞相，并向盆地過渡為前緣亞相。因此，三工河組下段為沖積扇—辮狀河三角洲平原組合，上段為辮狀河三角洲平原—前緣組合。除了物源和氣候對沉積相具有重要影響外，坡折帶對三工河組的沉積相分布也具有一定的控制作用。

3 坡折帶形成機理

3.1 坡折帶類型

三疊系末，由于持續性的構造擠壓，形成了準噶爾盆地西北緣大型逆沖推覆體前鋒沖斷帶，沖斷帶的東側形成瑪湖西部斜坡帶和前陸盆地。在瑪湖斜坡帶上形成一系列北北東向逆斷層，這些逆斷層為坡折帶的形成奠定了基礎，如圖6所示。根據地震剖面可識別出2種的構造坡折帶，即單條斷層形成坡折帶和多斷層形成的坡折帶。

圖6 前陸盆地中逆斷層成因坡折帶分布位置Fig.6 Distribution of slope break zone caused by reverse fault in foreland basin

1)單斷型坡折帶主要分布在研究區北部，其斷面均為西傾，與區域性逆沖沖斷帶斷面產狀一致，斷面西側地層相對上升，東側地層相對下降。

2)多斷型坡折帶分布在研究區南部，斷面西傾，且每個斷面的西側地層上升，東側下降，剖面上形成斷階式結構。

在東部和西部斷裂坡折帶之間發育斷層調節帶(圖5)，該調節帶地勢平坦，不受斷裂的影響。由于調節帶兩側坡折帶地勢較高，因此，調節帶地貌上表現為負地形。

3.2 坡折帶演化

坡折帶的形成分為3個階段，即逆斷層形成階段、斷層風化階段和坡折帶形成階段(圖7和圖8)。研究區斜坡帶逆斷層是盆地邊緣逆沖推覆沖斷帶的派生斷層，與逆沖推覆體同期形成，可識別出南、北2條逆斷層帶，如圖8(a)所示。前陸盆地逆沖推覆體中的逆斷層控制著盆地的形成和結構，但是與拉張性正斷層在形成過程、構造活動及控盆機理等方面存在顯著差異。逆沖推覆體中的逆斷層不具有幕式性活動，逆沖推覆活動結束后，邊界逆斷層即停止活動。而拉張性的正斷層演化較復雜，可劃分為初始斷陷期、快速斷陷期和斷陷萎縮期等階段。正是由于逆斷層活動的惰性，使其可以經歷長期的風化作用，這也為坡折帶的形成提供了條件。

第2階段中的斷層風化形成于構造抬升后的準平原化階段，如圖8(b)所示。準平原化階段的風化侵蝕作用不但改變了古地貌，而且為盆地區沉積提供了物源。坡折帶風化后形成了2種類型的坡折帶：1)單條逆斷層控制的坡折帶(圖7(a))，風化后沉積物可以穿過該類坡折帶搬運至盆地內部；單斷型坡折帶多分布在研究區北部(圖5)；2)多斷層控制的坡折帶(圖7(b)，風化后形成北北東向分布的局部隆起，該類坡折帶多分布在研究區南部(圖5)。

圖7 前陸盆地逆斷層型坡折帶形成過程Fig.7 Formation mechanism of reverse fault type slope break in foreland basin

圖8 前陸盆地坡折帶與沉積相帶分布關系Fig.8 Distribution relationship between slope break zone and sedimentary facies zone in foreland basin

4 坡折帶對沉積相和儲層的控制作用

4.1 坡折帶對沉積相的控制作用

由于坡折帶控制了研究區的古地貌，從而控制了三工河組的沉積相。不同類型的坡折帶對沉積的控制作用不同。

單斷型坡折帶北側位于構造高部位，因此，經常暴露在湖平面之上。三工河組沉積早期，坡折帶北側為沖積扇相，坡折帶南側為辮狀河三角洲平原亞相，沖積扇為辮狀河三角洲平原提供碎屑物源(圖5(a))。三工河組沉積末期湖平面上升，坡折帶北側仍然處于構造高部位，為辮狀河三角洲平原亞相，南側為辮狀河三角洲前緣亞相(圖5(b))。因此，單斷型坡折帶在三工河組沉積期控制著研究區北部的沉積相類型和展布。

多斷型坡折帶在地貌上表現為低凸起及其南北側的坡折帶。在三工河組沉積早期，低凸起阻礙了沉積物繼續向盆地搬運，因此，該類型坡折帶不能作為沉積物搬運的通道。坡折帶西北部的沖積扇扇體沿著平行坡折帶方向向北運移，并從斷層調節帶處搬運至盆地區(圖5(a))。三工河組沉積末期，雖然前期沉積物起到填平補齊作用，但并沒有使該坡折帶失去阻礙沉積物搬運的作用，對沉積相仍具有控制作用(圖8(c))。坡折帶西北部為辮狀河三角洲平原亞相，南部為前緣亞相，因此，多斷型坡折帶對研究區南部三工河組沉積具有控制作用。與正斷層坡折帶相比較，逆斷層坡折帶的坡度較小。地震資料和野外剖面資料分析表明，逆斷層坡折帶平均坡度為30°，而我國東部斷陷型盆地正斷層坡折帶平均坡度為65°。坡度的不同造成古地貌、沉積物巖性和沉積相等存在較大差異。

4.2 坡折帶對儲層的控制作用

研究區三工河組儲層類型包括礫巖、礫質砂巖和砂巖，其中礫巖和礫質砂巖是沖積扇的主要巖性。礫巖中礫石為次圓狀，分選性較差，基質為砂泥質。砂巖主要分布在辮狀河三角洲相平原分流河道微相，是三工河組最重要的儲層。受到沖積扇相帶的控制，礫巖儲層分布在坡折帶以北的區域。而辮狀河三角洲相多分布在坡折帶以南的區域，因此，砂巖儲層也多分布在該區域。由于砂巖在搬運過程中的沉積分異作用，靠近坡折帶的區域多為中砂巖，向盆地方向漸變為細砂巖和粉砂巖。儲層物性并非隨粒度增大而增大，在所有儲層中，中砂巖的物性最好，其次為礫巖和細砂巖。因此，坡折帶南側緊鄰坡折帶的區域物性最好，并向坡折帶兩側逐漸減小。研究區三工河組油氣顯示井分布規律與物性具有良好的相關性，多數油氣顯示井分布在緊鄰坡折帶的區域，顯示了坡折帶對儲層和油氣藏的控制作用。

5 結論

1)三工河組沉積相類型包括濕潤型沖積扇相和辮狀河三角洲相，其中沖積扇相分布在三工河組下段，以雜基支撐、分選性差、煤層發育為特征。沖積扇沉積起到填平補齊作用，隨后湖平面上升，三工河組沉積相類型由沖積扇相變為辮狀河三角洲相。

2)三工河組前陸盆地坡折帶分為2類，即由單條逆斷層形成的坡折帶和多條逆斷層形成的坡折帶。單斷裂坡折帶不能阻礙沉積物搬運，多斷裂坡折帶阻礙沉積物向盆地搬運。坡折帶西側地勢較高，為沖積扇或辮狀河三角洲平原分布區域，體現了坡折帶對沉積相的控制作用。

3)坡折帶以西的沖積扇礫巖和砂質礫巖的儲層物性要比辮狀河三角洲平原和前緣儲層物性差，三工河組辮狀河三角洲相中砂巖儲層物性最好，多分布在坡折帶南側。