塔北地區三疊紀拗陷湖盆異重流沉積特征及主控因素

仲米虹，唐武

(1.中海石油氣電集團有限責任公司 技術研發中心，北京 100028；2.中海油研究總院有限責任公司，北京 100028)

異重流是當前國際沉積學界的一個研究熱點[1-2]，是向深水輸送沉積物的重要方式，但其重要性在過去一直被低估[3-4]。越來越多的證據表明，異重流可以向沉積盆地中搬運數百千米[5-9]，甚至可以在高水位期堆積厚層的碎屑巖沉積序列[10]。然而，國際上對古生代異重流沉積的報道卻很少[11-13]。在中國，河口海岸動力學家和水利學家也陸續開展了異重流的相關研究[14-15]，但主要通過現場觀測和數值模擬的手段，探討異重流對水庫及河口處泥沙淤積與排放等方面的影響，對其沉積產物關注較少。近年來，異重流的研究已初步引起沉積學家和石油地質學家的重視，一些學者對異重流的研究進展進行了綜述[16-18]，并嘗試應用于地層研究，但主要集中在斷陷湖盆的研究，對陸相拗陷湖盆的研究很少[19-22]。本文通過對巖心、鉆井、測井和地震資料的綜合分析，探討異重流沉積特征、沉積模式及主控因素，旨在對塔里木盆地油氣勘探開發有所裨益。

1 地質概況

塔里木盆地是一個大型復合盆地，其四周被天山、阿爾金山、昆侖山等山脈圍繞，受周緣造山帶的影響，具有復雜的構造演化史[23-27]。三疊紀是塔里木盆地構造演化的重要轉折期，由于盆地南緣古特提斯洋洋殼的強烈俯沖，區域應力場由伸展逐漸向擠壓過渡，塔里木盆地進入前陸演化階段。研究區位于塔北隆起上，屬于隆后坳陷背景，是塔里木盆地的重要油氣產區之一(圖1)。三疊系是該區重要的油氣產層，自下而上可劃分為下三疊統俄霍布拉克組、中三疊統克拉瑪依組和上三疊統黃山街組，其中，克拉瑪依組自下而上分別為TⅢ油組和TⅡ油組，可劃分出3個三級層序，而TⅡ油組為一個三級層序(SQ4)[28](圖1b)。根據大量巖心、鉆井和地震資料綜合分析，研究區內TⅡ油組低位體系域(LST4)發育大規?；透簧昂咨萚29]，然而其湖侵(TST4)—高位體系域(HST4)砂體明顯不同于滑塌型重力流砂體，對其分布規律和成因認識不清，亟需開展精細研究。研究區三維地震總面積約6 000 km2，地震頻帶為10～90 Hz，主頻為40 Hz，鉆井約300口，其中取心井30余口，為研究提供了條件。

圖1 研究區位置及三疊系綜合柱狀剖面Fig.1.Location of the study area and stratigraphic column of the Triassic

2 異重流識別依據

不論是在海洋還是陸相湖盆中，異重流沉積都是一種常見現象，其形成與洪泛密切相關，可以向深水輸送大量碎屑物質，其作用方式和沉積產物與濁流明顯不同[4-9]。異重流作為一種速度低、持續時間長、具一定密度的準穩定沉積物重力流，其沉積產物被定義為異重巖(hyperpycnites)[4]。一個完整的異重巖序列通常由2個單元組成，一個是向上變粗的沉積單元(Ha)，代表著洪泛持續增強時期；另一個是向上變細的沉積單元(Hb)，代表著洪泛持續衰減時期，2 個單元轉化處為最大粒徑處，是洪峰的標志。因此，深水環境中反粒序—正粒序組合的異重巖沉積序列，是識別古代異重流的重要依據。本文在塔北地區三疊系TⅡ油組湖侵—高位體系域中識別出了異重流沉積，主要有以下依據。

2.1 沉積序列特征

在研究區西部S102 井4 455.5—4 459.6 m 巖心上，可見明顯的異重流沉積序列，主要有2 種類型，一種是由灰色粉—細砂巖向上漸變為中砂巖，之上發育沖刷面，沖刷面上見泥礫，后又逐漸變為細砂巖的沉積序列(圖2a)，這種序列與文獻［10］的Ⅳ類異重流沉積的特點相似，代表洪泛規模先持續增強，之后逐漸減弱，而洪峰處能量很強，形成明顯的沖刷面。意大利亞平寧山脈Marnoso-arenacea 組、美國懷俄明州白堊系Lewis 頁巖中的Dad 砂巖段及日本?，F代異重流均具有此特征[4-5，12]。另一種類型是由灰黑色泥巖向上漸變為灰色泥質粉砂巖、粉砂巖和細砂巖，之后漸變為灰色粉砂巖和灰黑色泥巖(圖2b)，這種序列與文獻［10］的Ⅲ類異重流的沉積特點相似，代表著洪泛先持續增強后逐漸減弱，但洪峰處能量較Ⅳ類明顯弱，無沖刷面，呈漸變關系。

2.2 沉積構造

除發育典型的兩單元結構外，還可見大量的爬升層理和沙紋層理(圖2c、圖2d)，而爬升層理是異重巖最常見的沉積構造[4]，代表顆粒沉積作用強于搬運作用。這種沉積構造以及較好的分選性也表明流體中顆粒沉積和牽引作用是同時發生的，符合異重流的流變學特點[1，30]，是異重流作用晚期形成的典型沉積構造，也是識別異重巖的重要標志。

圖2 研究區TST4+HST4異重流沉積特征Fig.2.Characteristics of TST4+HST4 hyperpycnal flow deposits in the study area

2.3 發育背景

在LST4 沉積時期，研究區北部地形平緩，南部發育坡折帶(圖3)，在大量沉積物供給條件下，坡折帶之下發育湖底扇，為滑塌型濁流產物[29]。相反，在TST4+HST4 沉積時期，研究區繼承早期古地貌，湖平面上升，滑塌型濁流不發育。在此構造背景下，整體為深湖—半深湖的泥質沉積，并出現2 套砂體，砂體上可見突變面，發育大量平行層理、波狀層理和沙紋層理(圖4)，明顯不同于典型滑塌濁積砂體的特征，符合異重流沉積特點。

圖3 研究區LST4沉積時期古地貌特征（改自文獻［24］)Fig.3.Palaeogeomorphology during the deposition of LST4 in the study area(modified from Ref.[24])

圖4 研究區TST4+HST4典型異重流沉積（剖面位置見圖1)Fig.4.Typical hyperpycnal flow deposits of TST4+HST4 in the study area(section location is shown in Fig.1)

綜合考慮古地貌背景、砂體結構和沉積構造等特點，TST4+HST4 沉積時期，研究區發育的砂體具典型的異重流成因。

3 異重流分布特征

在LST4 沉積時期，研究區物源供給充足，發育大規模辮狀河三角洲及富砂型湖底扇粗粒沉積，可見大量礫石[29]；在TST4+HST4沉積時期，湖平面快速上升，物源區后退，研究區遠離物源，整體處于深湖—半深湖環境，粗粒沉積物含量迅速減少，發育洪泛成因的細粒異重流沉積。

由于異重流一般以懸浮方式搬運砂體，砂粒一般小于中砂[4]，因此通過粉—細砂巖和中砂巖砂體厚度及砂巖占比的分析，可揭示異重流的沉積特點。統計結果表明(圖5a)，該時期以S94 井—S81 井—S4 井—T914 井—T913 井—S107 井一線為界，可將異重流沉積分為東北部和西南部2 大異重流沉積體系，其中，西南部規模較大，在TP18 井—T754 井—S116 井—T702井—S75井—YT1井—T114井—AT12井一線以南廣泛連續分布，表現為多個朵狀，砂體厚度為8～24 m，砂巖占比通常大于16%，在S75 井附近達到最大，可達50%(圖5b)，砂體厚度及砂巖占比均具有自西南向東北增大的趨勢。由于研究區范圍的限制，東北部砂體呈多個小規模朵狀分布，朵體之間以厚層泥巖分隔，但朵體上砂體厚度較大，一般大于16 m，局部可達30 m，砂巖占比為25%～50%。

圖5 研究區TST4+HST4粉—中砂巖砂體分布Fig.5.Distribution of silty-medium sandstones of TST4+HST4 in the study area

由于目前關于異重巖的沉積微相劃分尚無統一認識[7，11-13，19-22]，本文參照文獻［11］對委內瑞拉馬圖林次盆漸新統—中新統Merecure 組異重流平面分析特點，結合研究區TST4+HST4 粉—中砂巖砂體厚度和砂巖占比，并綜合巖心相、測井相和地震相分析成果，對TST4+HST4 沉積時期發育的異重流開展沉積相分析(圖6)。研究區異重流主要來自西南部與東北部2個方向，其中，西南部居主導地位，且托普臺中部的異重流沉積體系分布范圍廣，延伸距離長，平面上多期異重流沉積相互疊置，并在前端出現多個分支，如T704井、S105 井和S114 井，其間以深湖—半深湖相泥質沉積為主。異重流活動末期能量減弱，所攜帶的細粒懸浮物落淤沉積于異重流搬運路徑兩側。由于搬運距離遠，單期砂體厚度較小，測井上多表現為指狀疊置特點，如TP9 井、AT5 井等；而托普臺北部的異重流沉積分布范圍相對局限，延伸距離短。東北部異重流沉積體系分布較局限，主要出現在桑塔木地區，多期異重流的相互疊置導致局部厚度較大，集中于朵體端，如T903井等。

4 主控因素

前人的研究成果表明，氣候和構造活動是控制異重流發育的2大主要因素[4，10]，此外，河流規模、海平面升降與地形特征以及特殊地質條件，也會影響異重流的形成。塔北地區TST4+HST4 發育典型的洪水異重流沉積，是西南部和東北部河流洪泛時不斷向深湖—半深湖搬運的碎屑物堆積而成，其形成是多種因素共同作用的結果，其中，氣候、構造活動、湖平面變化、沉積物供給等因素主控異重流的發育和演化過程。

4.1 氣候條件

氣候變化影響降雨量，決定了水體流量，控制著洪泛的規模和頻率，直接決定了異重流的形成及演化。在濕熱的夏季，降雨量增大，水體流量增加，侵蝕作用增強，水體中懸浮物濃度增加，異重流形成的幾率增大。而低溫干燥的冬季，降雨量減少，侵蝕能量弱，水體中懸浮物濃度降低，不利于異重流的形成。此外，氣候的劇烈變化會導致極端地質事件如驟發性洪水、冰川洪泛、天然堤潰堤以及泥石流頻發，形成特殊的異重巖[4]。因而，氣候變化對于異重流的形成和演變至關重要。TST4+HST4沉積時期，塔北地區位于北緯30°～40°[31]，屬于熱帶—亞熱帶氣候，洪水期河流流量猛增，為異重流的形成提供了有利條件。

4.2 構造活動和湖平面變化

構造的隆降會導致盆地形態發生變化，而在不同的地形背景下，其湖平面的升降對異重流發育的影響各不相同。在湖平面低位期，構造活動強烈的寬闊地形背景下，河道易于下切，有利于匯聚形成大河，而大河不易形成異重流，這種情況就發生在低位期的英國和法國陸架上，如萊茵河、塞納河、墨茲河以及泰晤士河匯聚形成大型河道[4]。在湖平面高位期，在構造活動較弱的寬闊地形背景下，河流攜帶的粗粒沉積物供給減少，細粒懸浮沉積物增多，河流通常規模較小，異重流形成概率增大。LST4沉積時期，塔北地區北部地形寬緩，南部發育坡折帶，在大量沉積物供給的條件下，坡折帶之下發育湖底扇；TST4+HST4 沉積時期，繼承了早期地形，湖平面上升，濁流不發育，易形成異重流。

4.3 沉積物供給

沉積物供給對異重流的控制作用主要體現在2個方面：一方面是控制河流體系的沉積物，沉積物供給量以及粒度大小，對異重流的形成均會造成不同程度的影響，例如，黃河上游提供大量細粒泥沙，河流入海處異重流頻繁[32-33]；另一方面沉積物供給決定于河流的流量，流量越大，越不穩定，小規模的變化就會影響懸浮物濃度的劇烈變化，異重流越易形成，反之流量越小，異重流越不發育。TST4+HST4 沉積時期，研究區無礫石沉積，以粉—細砂和泥質沉積為主(圖6)，這也反映了當時入湖河流以攜帶細粒泥沙為主，有利于異重流發育。

圖6 研究區TST4+HST4異重流沉積砂體平面分布Fig.6.Planar distribution of hyperpycnal flow deposits of TST4+HST4 in the study area

5 沉積模式

通過上述對塔北地區三疊系TST4+HST4 異重流砂體分布特征和主控因素的分析，建立了陸相拗陷湖盆異重流砂體沉積模式(圖7)。陸相拗陷湖盆地形整體寬緩，在洪泛初期，周緣入湖河流流量較小，攜帶泥沙少，河流負載物質堆積在河口形成三角洲；隨著洪泛增加，湖平面快速上升，河流在高流量條件下攜帶大量泥沙潛入湖底，以異重流的方式向深湖—半深湖區輸送粉—細砂巖和中砂巖，在湖盆中央沉積典型的異重巖。同時，由于多期洪泛以及洪泛規模和強度的多變性，導致形成不同的異重巖序列。

圖7 陸相拗陷湖盆異重流沉積模式Fig.7.Depositional model of hyperpycnal flow in continental depressed lake basin

6 結論

塔北地區三疊系TⅡ油組湖侵—高位體系域沉積時期異重流發育，具備2 種典型的異重巖沉積序列。區內異重流主要分布于西南部與東北部，其中西南部居主導地位，分布范圍廣，延伸距離長，垂向上多期異重流沉積相互疊置，砂體厚度大，一般大于16 m，局部可達30 m。異重流的形成與洪泛密切相關，洪泛能量的差異將導致異重流沉積特征不同。異重流發育受到多個因素的共同控制，其中氣候控制著洪泛的規模和頻率，構造活動引起地形的變化，而地形與湖平面升降的相對關系影響著異重流發育與否，沉積物供給則決定了流量的大小及懸浮物的含量。此外，由于異重流搬運距離遠，其沉積砂體位于深湖—半深湖環境中，四周被泥巖包圍，側向封堵條件良好，發育達到一定規模時可形成良好的巖性圈閉，具有較大的油氣勘探潛力。