譚程鵬 于興河 李勝利 李順利 陳彬滔 單 新 王志興

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院 北京 100083;2.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院 蘭州 730020)

在我國已探明的地質(zhì)儲量中，河流沉積廣泛發(fā)育于各陸相含油氣盆地中，河流相儲層占有重要的比例。由于受到油氣勘探開發(fā)的重視，作為最主要儲層類型的辮狀河與曲流河沉積一直是沉積學(xué)研究的熱點之一［1～9］。

研究與實踐表明，辮狀河與曲流河并不是獨立存在于某地質(zhì)時期中，它們會同時存在于某地質(zhì)時期的同一物源體系中，也會隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展而發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。但是，當前對河流沉積體系的研究普遍是針對某類單一河型，相對缺乏的是不同河型之間相互過渡、演化的研究［10～13］。因而，加強對河型轉(zhuǎn)化研究具有重要的理論與實踐意義。

侏羅系在天山北麓出露較好，為研究奠定了直觀、具體的基礎(chǔ)。以準噶爾盆地南緣烏魯木齊市頭屯河典型露頭剖面為研究對象，運用層序地層學(xué)與沉積學(xué)的相關(guān)理論，綜合劃分頭屯河組層序旋回，精細解剖辮狀河與曲流河沉積特征，尤其是辮狀河向曲流河的演化過程，最終建立辮—曲轉(zhuǎn)換模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

頭屯河剖面位于烏魯木齊市西南約35 km頭屯河?xùn)|岸，緊鄰硫磺溝鎮(zhèn)(圖1A)，該處出露地層齊全，侏羅系八道灣組至喀拉扎組全部出露(圖1B)。喜馬拉雅運動將侏羅系抬升至南緣地表，并在頭屯河的下切作用下，地層北傾單斜出露，易于野外測量、觀察(圖1C)。該處頭屯河組具有典型的地質(zhì)特征及廣泛的代表性，是研究準噶爾盆地南緣中侏羅統(tǒng)頭屯河組的標準剖面。1956年，頭屯河組由新疆油田公司創(chuàng)立于該處剖面［14，15］。

實測從起點(43°50＇22.70″N、86°36＇43.40″E)至終點(43°49＇45.00″N、86°36＇59.46″E)共分 76段，測繩總長度1 737.9 m，累計實測地層真厚度為904.41 m，其中頭屯河組實測地層真厚度849.2 m。

2 層序地層劃分

根據(jù)層序地層學(xué)原理，沉積速率與可容納空間變化的速率的比值決定層序格架的結(jié)構(gòu)和層序界面的形成。沉積基準面的升降速率決定著可容納空間的變化速率。目前認為，構(gòu)造所控制的湖平面變化、氣候和沉積物的供給對陸相湖盆層序界面的形成起主要控制作用［16，17］。

圖1 烏魯木齊市頭屯河剖面位置與野外出露圖Fig.1 Field location of Toutunhe section in Urumqi

頭屯河組的底部為一角度不整合面，即:中侏羅統(tǒng)頭屯河組灰白色含礫粗砂巖(產(chǎn)狀49°∠15°)與下覆中侏羅統(tǒng)西山窯組(產(chǎn)狀66°∠21°)之間呈微角度不整合接觸關(guān)系。該角度不整合形成于距今約170 Ma時，是區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換和氣候轉(zhuǎn)變界面，區(qū)域構(gòu)造體制由此前早中侏羅世的以弱伸展構(gòu)造為主轉(zhuǎn)變?yōu)橹笾型碣_世的以沖斷擠壓型拗陷沉降為主;古氣候也由水西溝群沉積期的暖溫帶潮濕氣候向石樹溝群沉積期的亞熱帶半干旱—干旱氣候逐漸轉(zhuǎn)變［14］。

頭屯河組內(nèi)部，首先根據(jù)粒度、顏色、沉積構(gòu)造類型與規(guī)模以及砂體厚度進行自旋回劃分，隨后根據(jù)自旋回疊加形式和基準面上升與下降轉(zhuǎn)換面的識別，共劃分出2個中期基準面旋回，1個長期基準面旋回(圖2)。其中，受河道下切作用的影響，下降半旋回保存程度不好，短期基準面旋回以上升半旋回為主。

3 沉積特征

蜂窩狀砂巖是準噶爾盆地頭屯河組野外露頭的典型特征(圖2a)。正是河流沉積成因造成厚層砂體的外觀呈蜂窩狀:河流成因砂體內(nèi)含大量沿層理紋層面分布的粗礫石，在地層暴露地表遭受風(fēng)化侵蝕后掉落，造成被掏空的外象。地質(zhì)工作者就把這種形似蜂窩的厚層砂巖稱為蜂窩狀砂巖，作為頭屯河組野外露頭識別的標志之一。通過對露頭詳細地勘察與全面地分析，頭屯河組發(fā)育河流相沉積，且為下部的辮狀河向上部曲流河過渡。

3.1 巖相類型

巖性粗細和層理類型的不同代表了沉積水動力條件的強弱變化，所以巖相又可稱之為能量單元，它是分析沉積物形成過程的第一要素。通過對頭屯河剖面露頭巖性、粒度、沉積構(gòu)造等特征進行分析總結(jié)，頭屯河組辮狀河與曲流河沉積主要發(fā)育以下12種巖相類型(圖3):

塊狀層理礫巖相(Gm):礫巖由次圓狀—圓狀、分選中等、平均粒徑為1.5 cm以及呈塊狀堆積的礫石組成，厚度通常在10～30 cm之間，為辮狀河道底部滯留礫石沉積。

槽狀交錯層理礫巖相(Gt):礫巖中發(fā)育大型槽狀交錯層理，且槽狀交錯層理的紋層面見磨圓較好、粒徑1～2cm的礫石定向排列，屬于辮狀河道沖刷、遷移、充填沉積。

板狀交錯層理含礫砂巖相(Gp):由磨圓較好、分選中等的粗砂巖組成，發(fā)育多組下切和下截型板狀交錯層理，且在板狀交錯層理的紋層面見礫石，屬于順流加積形成的辮流壩沉積。

圖2 準噶爾盆地頭屯河組層序地層綜合柱狀圖Fig.2 The integrated stratigraphy histogram of Toutunhe Formation in Junggar Basin

同心槽狀交錯層理砂巖相(Sct):由磨圓、分選較好的中粗砂巖組成，發(fā)育同心槽狀交錯層理，屬于辮流壩頂部小型沖溝下切并快速充填沉積。

槽狀交錯層理砂巖相(St):由磨圓、分選較好的中細砂巖組成，發(fā)育小型槽狀交錯層理，為曲流河下切、遷移、充填沉積的產(chǎn)物。

板狀交錯層理砂巖相(Sp):磨圓、分選中等的中粗砂巖中發(fā)育多組板狀交錯層理，為曲流河點壩側(cè)向加積的產(chǎn)物。

平行層理砂巖相(Sh):由磨圓、分選較好的中細砂巖組成，發(fā)育具裂線理的平行層理，屬于辮狀河與曲流河高流態(tài)面狀層流沉積。

流水沙紋層理中砂巖相(Sr):發(fā)育流水沙紋層理的中砂巖，屬于辮狀河道中床沙底形在單向水流作用下逐步向前遷移沉積。

流水沙紋層理粉細砂巖相(Fr):與Sr類似，區(qū)別在于巖石粒度較細，為粉細砂巖;且流水沙紋層理幅度較低，反映水動力強度相對較弱，屬于曲流河床沙底形在單向水流作用下逐步向前遷移沉積。

水平層理粉砂巖相(Fl):粉砂巖中發(fā)育水平層理，屬于低能環(huán)境下辮狀河與曲流河河漫灘或披蓋細粒沉積。

塊狀層理泥巖相(M):塊狀泥巖層暴露風(fēng)化后呈淺灰色，屬于辮狀河與曲流河泛濫平原沉積或曲流河廢棄河道沉積。

炭質(zhì)泥巖相(Mc):泥巖中含炭質(zhì)碎屑，發(fā)育水平層理，屬于頭屯河組下部溫暖潮濕氣候下辮狀河道帶之間的小型泥沼沉積。

3.2 沉積環(huán)境

通過對頭屯河組巖性、粒序、沉積構(gòu)造、砂體疊置等方面進行精細刻畫、解剖，深入研究典型剖面的結(jié)構(gòu)、構(gòu)型特征，為沉積模式的建立奠定基礎(chǔ)。

圖3 頭屯河組典型巖相類型Fig.3 Typical lithofacies of Toutunhe Formation

3.2.1 辮狀河

從宏觀上看，整個頭屯河組下部辮狀河露頭剖面具有“砂包泥”的特征，從單套厚層砂體來看，表現(xiàn)為多期辮狀河道頻繁切割、相互疊置的特征。準噶爾盆地南緣侏羅系物源來自南部的依林哈比爾艮山，該剖面走向為SEE，屬于垂直于物源方向橫切面(圖4)。該套厚層砂體厚約30 m，單期水道外觀形態(tài)多為頂平底凹的楔形，底部見滯留礫石，頂部細粒沉積較薄或不發(fā)育，整體呈箱型或弱正粒序，典型巖相垂向序列為Gm→Gt→Gp→Sct→Sh→Sr→M。辮流壩受辮狀河道切割改造，在地質(zhì)歷史中保存較少。

從微觀上看，物源較近造成巖石中巖屑含量高，礦物成熟度較低，粒度變化范圍較廣，以含礫粗砂巖為主。同時，大型槽狀交錯層理(1～2 m)和板狀交錯層理是頭屯河組下部辮狀河代表性沉積特征，且沉積構(gòu)造的規(guī)模向上逐漸變小，反映了水動力條件較強，且向上逐漸減弱。在河道砂體內(nèi)部存在大量植物莖干化石和大型硅化木(圖5)，不僅體現(xiàn)了沉積時古氣候適宜植被生長，還說明了辮狀河發(fā)源于植被繁密的山林之中，且發(fā)育于地形坡度較陡斜坡之上。在厚層砂體之間是辮狀河道之間或洪泛期形成的細粒沉積，以厚層泥巖和粉砂巖為主，發(fā)育水平層理和流水沙紋層理。

圖4 頭屯河組辮狀河厚層砂體剖面解剖Fig.4 The anatomy of thick sand bodies of braided river section in Toutunhe Formation

圖5 頭屯河組典型植物化石與石膏Fig.5 Typical plant fossils and gypsum in Toutunhe Formation

圖6 頭屯河組曲流河剖面解剖Fig.6 The anatomy of meandering river section in Toutunhe Formation

3.2.2 曲流河

頭屯河組由下向上砂體厚度逐漸減薄，泥巖顏色由淺灰色逐漸過渡為紫紅色，逐步由辮狀河向曲流河過渡。

從宏觀上看，頭屯河組上部曲流河露頭剖面具有“砂泥間互”的特征，從單套砂體來看，表現(xiàn)為單期曲流河道沉積(圖6)。該剖面河道砂體厚度為1.5～3 m，外觀形態(tài)為定平凹的寬緩楔形，底部也可見薄層滯留礫石沉積，呈正粒序，典型巖相垂向序列為St→Sp→Sh→Fr→M。

從微觀上看，無論是河道砂巖還是滯留礫石相對下部辮狀河地層較細，且?guī)r石礦物成分中石英含量增大，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高。槽狀交錯層理規(guī)模相對頭屯河組下部較小，河道側(cè)積成因的板狀交錯層理發(fā)育。泥巖中發(fā)育水平紋層，且灰綠色與紫紅色條帶狀互層。與下部辮狀河沉積不同的是，上部曲流河中未見植物碎屑，體現(xiàn)了頭屯河組晚期古氣候趨于炎熱、干旱，植被不發(fā)育，地形坡度較緩，水動力條件減弱。

4 辮—曲轉(zhuǎn)換模式

4.1 控制因素

從基準面旋回、物源供給、地形坡度及古氣候4個方面入手，對頭屯河組辮—曲轉(zhuǎn)換進行成因分析與特征總結(jié)，明確辮—曲轉(zhuǎn)換的控制因素，再現(xiàn)辮—曲轉(zhuǎn)換的沉積背景(圖7)。

基準面旋回:頭屯河組沉積早期，基準面最低，此時發(fā)育辮狀河沉積。隨著基準面的上升，辮狀河下切能力逐漸減弱，繼而轉(zhuǎn)為側(cè)向侵蝕，逐步向曲流河過渡。在基準面最高時期，河流侵蝕能力最低，泛濫平原廣泛發(fā)育，易于形成厚層泥巖夾薄層透鏡狀砂巖。

物源供給:物源持續(xù)供給越充沛，沉積規(guī)模越大，粗碎屑沉積厚度所占比例越大;物源越近，沉積物粒度越粗，分選越差。頭屯河組下部辮狀河砂體規(guī)模與砂地比大，且沉積物分選相對上部較差，表明物源充沛且為近源。隨著物源的減弱、增遠，頭屯河組砂體規(guī)模與砂地比逐漸減小，沉積物分選變好，進而轉(zhuǎn)換為曲流河沉積。

地形坡度:地形坡度陡緩決定著沉積時水動力的強弱:坡度越陡，水動力越強，反之則弱。沉積構(gòu)造的規(guī)模大小、沉積物的磨圓好壞以及可搬運沉積物的大小均體現(xiàn)了水動力的強弱。在頭屯河組下部辮狀河沉積時期，沉積構(gòu)造的規(guī)模大，礫石磨圓度較好，且植物莖干化石粗壯，可見大型硅化木。頭屯河組由下向上辮狀河向曲流河的逐漸轉(zhuǎn)換，其相關(guān)特征也逐漸發(fā)生變化，反映地形坡度的逐漸變緩。因而，地形坡度也是控制辮—曲轉(zhuǎn)換的外界因素。

圖7 頭屯河組辮—曲轉(zhuǎn)換特征Fig.7 Characteristics of braided river transform to meandering river in Toutunhe Formation

古氣候:古氣候環(huán)境主要是通過降雨量對沉積產(chǎn)生影響:潮濕氣候，降雨量豐富，地面徑流量大，易于形成大型辮狀河;干旱環(huán)境，降雨量少，地面徑流量小，河流規(guī)模較小。植被的發(fā)育反映了古氣候溫暖潮濕，石膏則體現(xiàn)了古氣候炎熱干旱。植物化石出現(xiàn)于頭屯河組下部，到上部幾乎不發(fā)育，而石膏出現(xiàn)在頭屯河組中上部;與此同時，泥巖顏色也從下部的淺灰色、雜色向上過渡為紫紅色與灰綠色薄互層。這些特征均體現(xiàn)了頭屯河組古氣候由溫暖潮濕向炎熱干旱過渡。

4.2 演化模式

將野外觀察描述與室內(nèi)圖件描繪相結(jié)合、空間展布與成因分析相結(jié)合、演化規(guī)律與模式建立相結(jié)合，由頭屯河組垂向序列到局部沉積構(gòu)型模式，再到準噶爾盆地南緣區(qū)域沉積模式，深入探討頭屯河組辮—曲轉(zhuǎn)換的演化規(guī)律，最終建立其演化模式(圖8)。

頭屯河組下部，辮狀河沉積于基準面低、物源供給足、坡度大、溫暖潮濕氣候的條件下，河流以推移質(zhì)與懸移質(zhì)混合搬運為主。辮狀河的河床較寬，辮流壩發(fā)育于河道中，以縱向壩和橫向壩為主;河道頻繁切割疊置，地貌單元頻繁被改造，堤岸和決口扇通常不發(fā)育。在區(qū)域范圍內(nèi)，自盆地南緣的山地發(fā)源多條辮狀河流帶，水道間面積較小。

頭屯河組中部，隨著基準面的提升、物源供給的減弱、地形坡度的變緩、氣候條件逐漸炎熱干旱，辮狀河河床寬度變窄，辮流壩以斜列壩為主，并向河道邊部遷移沉積，形成窄長的邊灘;河道開始分叉，且彎曲度逐漸增大。斜列壩的出現(xiàn)是辮狀河向曲流河轉(zhuǎn)換的沉積標志。

頭屯河組上部，隨著基準面、物源供給、地形坡度及古氣候條件的持續(xù)變化，河流下切減弱，側(cè)向加積增強，辮狀河完全轉(zhuǎn)換為曲流河沉積。曲流河以懸移質(zhì)搬運為主，推移質(zhì)搬運為輔，寬度較窄，逐步側(cè)積形成點壩，天然堤和決口扇發(fā)育。多條曲流河帶在區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育，泛濫平原沉積面積較廣，且由低彎度向高彎度轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)論

(1)中侏羅統(tǒng)頭屯河組與下覆中侏羅統(tǒng)西山窯組之間呈微角度不整合接觸關(guān)系，二者之間的界面是區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換和氣候轉(zhuǎn)變界面。頭屯河組劃分為2個中期基準面旋回，1個長期基準面旋回，其中，受河道下切作用的影響，下降半旋回保存程度不好，短期基準面旋回以上升半旋回為主。

(2)頭屯河組辮狀河與曲流河沉積主要發(fā)育12種巖相類型。頭屯河組下部為發(fā)源于植被繁密的山林之中，發(fā)育于地形坡度較陡斜坡之上的辮狀河沉積。從宏觀上看，辮狀河露頭剖面具有“砂包泥”的特征，從單套厚層砂體來看，表現(xiàn)為多期辮狀河道頻繁切割、相互疊置的特征，單期水道外觀形態(tài)多為頂平底凹的楔形，底部見滯留礫石，整體呈箱型或弱正粒序。

圖8 頭屯河組辮—曲轉(zhuǎn)換演化模式Fig.8 The model of braided river transform to meandering river in Toutunhe Formation

(3)頭屯河組由下向上砂體厚度逐漸減薄，砂巖相對下部較細，且成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較高，泥巖顏色由淺灰色逐漸過渡為紫紅色，逐步由辮狀河向曲流河沉積過渡。從宏觀上看，曲流河露頭剖面具有“砂泥間互”的特征，從單套砂體來看，表現(xiàn)為單期曲流河道沉積，底部見薄層滯留礫石，整體呈正粒序。

(4)基準面旋回、物源供給、地形坡度及古氣候4個方面控制著頭屯河組辮—曲轉(zhuǎn)換的過程。隨著基準面的逐漸升高，物源供給地減弱，地形坡度減緩，古氣候環(huán)境炎熱干旱，頭屯河組逐漸由辮狀河向曲流河轉(zhuǎn)換。最終由頭屯河組垂向序列，建立了不同時期局部沉積構(gòu)型模式和區(qū)域沉積演化模式。

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