同生逆斷層伴生褶皺對沖積扇片狀砂礫體及辮狀水道沉積的控制
——以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組為例

夏欽禹，吳勝和，馮文杰，劉忠保

[1.中國石油 勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；3.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100]

同生斷層及其伴生構(gòu)造對沉積的控制作用近些年來一直是構(gòu)造-沉積耦合方面研究的熱點，然而國內(nèi)外已有文章大部分研究的是同生正斷層[1]及其伴生構(gòu)造對沉積的控制作用，特別是對沉積盆地充填和沉積體系發(fā)育的控制作用[2-8]，鮮有見到同生逆斷層對沉積的控制作用研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者更多地關(guān)注的是同生逆斷層自身構(gòu)造演化以及同生逆斷層活動對宏觀沖積扇體的影響，認為同生逆斷裂活動的期次、強度與方式制約著扇體的數(shù)量、規(guī)模與遷移方向[9-22]。此外，前人論述了同生逆斷層組合樣式對扇體宏觀疊置樣式的控制作用[23]以及同生逆斷層伴生構(gòu)造對地層發(fā)育特征、砂泥巖分布的影響[24-25]，在一定程度上揭示了伴生構(gòu)造對砂體發(fā)育程度的影響。但是，對于同生逆斷層伴生褶皺對沉積構(gòu)型的控制作用研究還存在不足[26- 27]，特別是對構(gòu)型單元規(guī)模、方向、疊置樣式以及沉積過程的研究較為缺乏。因此，本文采用水槽沉積物理模擬再現(xiàn)了同生逆斷層伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道的沉積過程，并通過切片觀察，分析了伴生褶皺影響下片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。在水槽沉積模擬的指導(dǎo)下，以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組為例，應(yīng)用巖心、露頭、密井網(wǎng)和地震資料，識別并解剖了沖積扇單一片狀砂礫體和辮狀水道沉積構(gòu)型，分析了同生逆斷層伴生褶皺對片狀砂礫體及辮狀水道沉積過程、規(guī)模、方向以及疊置樣式的控制作用，豐富了構(gòu)造-沉積耦合方面的研究。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造位置與斷層分布特征Fig.1 Tectonic location and fault distribution in northwestern margin of Junggar Basina.準(zhǔn)噶爾盆地西北緣構(gòu)造平面分區(qū)特征；b.湖灣區(qū)斷層平面分布特征

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺地震剖面特征(剖面位置見圖1)Fig.2 Seismic section features of associated folds in northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.1 for the section location)a.過逆斷層及伴生褶皺地震剖面；b.伴生褶皺局部地震反射特征

片狀砂礫體發(fā)育在沖積扇扇根部位，是由洪水發(fā)散后攜帶的大量粗碎屑物質(zhì)快速堆積而成，一期洪水形成一個片狀砂礫體，在剖面上呈頂凸底平狀。片狀砂礫體主要由分選差的礫巖、細礫巖組成，混雜堆積(圖3a,b)、碎屑支撐，呈塊狀，礫石磨圓度差，呈棱角狀-次棱角狀。SP曲線呈箱狀較大低幅。辮狀水道剖面呈頂平底凸?fàn)?，可見明顯的沖刷面構(gòu)造。以細礫巖和粗砂巖為主(圖3c)，分選較好，磨圓中等，常見平行層理、板狀和槽狀交錯層理(圖3d)，偶見礫石的定向排列現(xiàn)象，具有明顯的牽引流特征。垂向上多為正韻律，SP曲線呈鐘形(表1)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組沖積扇片狀砂礫體及辮狀水道特征Table 1 Characteristics of sheet glutenites and braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組沖積扇及辮狀水道巖心和露頭照片F(xiàn)ig.3 Cores and outcrops of alluvial fan and braided channel facies in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basina,b.片狀砂礫體，混雜堆積中礫巖，a圖為T10193井，埋深720.2 m;c,d.辮狀水道，分選較好細礫巖，c圖為T10193井，埋深662.5 m，d圖中見交錯層理

2 研究思路及方法

伴生褶皺對沖積扇沉積構(gòu)型的控制作用分析需要明確兩個方面，即伴生褶皺的活動范圍、活動強度以及對應(yīng)時期片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。

本文利用水槽沉積物理模擬再現(xiàn)沖積扇片狀砂礫體和水道的形成過程，并且對模擬結(jié)果進行進一步切片觀察，分析伴生褶皺影響下內(nèi)部片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征。以湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組沉積背景為依據(jù)，統(tǒng)計取心井沖積扇巖心粒度分析結(jié)果，確定沉積物粒度配比，礫(1.000～2.000 mm)占35%，砂(0.010～0.500 mm)占40%，粉砂(0.005～0.050 mm)占15%，泥占10%。以地層厚度和工區(qū)范圍為參考確定沉積物供給量等參數(shù)[28-30]。相對沖積扇事件性沉積，伴生褶皺在該較短沉積時期內(nèi)可認為是相對不活動的，即在沖積扇沉積過程中可認為伴生褶皺是已經(jīng)存在的。因此基于這一認識，結(jié)合研究區(qū)實際伴生褶皺發(fā)育位置、范圍、起伏高度以及沖積扇沉積厚度和伴生褶皺起伏高度的相對比例，設(shè)計伴生褶皺發(fā)育位置、面積和抬升幅度。

為了達到以上模擬條件，設(shè)計了圖4的實驗裝置。水槽大致長9 m，寬3 m，深0.8 m，由沉積區(qū)和物源區(qū)兩大部分組成。設(shè)置一個物源出口，由攪拌器將沉積物攪拌均勻后釋放，以模擬礫、砂和泥混雜情況下的重力流搬運特征。實驗共設(shè)置5次沖水(Run1至Run5)，每次約7 min，每期沉積物配比及水量不變，出口處設(shè)置閥門，控制洪水量大小。模擬過程采用間歇性放水以模擬沖積扇事件性沉積，水槽邊部設(shè)置錄像和照相裝置，對實驗過程進行全程記錄。根據(jù)水槽沉積模擬實驗幾何相似原理，水平比例約1 ∶10 000，垂向比例約為1 ∶100，模擬沖積扇沉積之前設(shè)計伴生褶皺(半橢球狀水泥凸起)面積約0.5 m2，抬升幅度2.5 cm，置于合適位置。實驗中由于工藝條件限制，半橢球體形態(tài)是均勻的，表面沒有起伏變化，這與實際研究區(qū)地下伴生褶皺發(fā)育特征存在一定差異，但不影響伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道整體沉積過程的觀察，特別是伴生褶皺邊部其沉積特征的特殊性。

圖4 水槽沉積物理模擬實驗裝置示意圖Fig.4 Sketch diagram showing the flume simulation apparatus

通過水槽沉積物理模擬，對伴生褶皺控制下沖積扇的沉積過程、片狀砂礫體和辮狀水道的分布特征有了更加清晰直觀的認識。在此機理研究的指導(dǎo)下，本文選取湖灣區(qū)東部典型伴生褶皺作為實例區(qū)，分析其不同時期的活動范圍和強度。在地質(zhì)概況部分已闡述了典型伴生褶皺發(fā)育特征，同時為了定量表征伴生褶皺的活動強度，將其活動強度定義為伴生褶皺翼部地層厚度與發(fā)育范圍內(nèi)地層厚度之差再與翼部地層厚度的比值，該值介于0～1，值越大反映伴生褶皺活動越強烈，反之代表其活動越微弱。另一方面，選取包括伴生褶皺在內(nèi)的密井網(wǎng)區(qū)作為解剖區(qū)，以露頭解剖的構(gòu)型單元規(guī)模為指導(dǎo)(圖5)，結(jié)合測井曲線形態(tài)和規(guī)模差異[31]來劃分單一構(gòu)型單元(圖6)，表征其平面和剖面特征。平面上，將伴生褶皺活動強度平面圖與解剖區(qū)沉積構(gòu)型平面分布圖“疊合”，對應(yīng)分析平面上伴生褶皺的發(fā)育情況對沉積構(gòu)型單元規(guī)模、疊置樣式的控制作用；剖面上，繪制過伴生褶皺的沉積構(gòu)型剖面分布圖，分析剖面上伴生褶皺頂部和翼部構(gòu)型單元發(fā)育程度和側(cè)向連續(xù)性的差異以及構(gòu)型單元的沉積過程。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系克拉瑪依組辮狀水道構(gòu)型露頭解剖Fig.5 Outcrop dissection of braided channels in the Triassic Karamay Formation in northwestern margin of Junggar Basin

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組沖積扇單一片狀砂礫體識別標(biāo)志Fig.6 Identification markers of single sheet glutenite in the alluvial fan of the Triassic Karamay Formation in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

3 水槽沉積物理模擬過程

3.1 實驗過程描述

Run1階段，模擬初期，水流攜帶大量礫、砂和泥在出口正前方較近部位快速沉積下來，表現(xiàn)為片狀砂礫體沉積。隨后片狀砂礫體逐步向前方進積以及向兩側(cè)側(cè)積。該階段末期片狀砂礫體總體呈扇形，與典型的沖積扇沉積相一致，砂礫體周圍為漫流細粒沉積。

Run2階段，仍以片狀砂礫體沉積為主要特征。在Run1沉積的片狀砂礫體的影響下，水流攜帶大量沉積物向斜交物源方向搬運，對Run1形成的沉積體進行快速沖刷侵蝕，隨后沉積物快速堆積下來。該階段片狀砂礫體表現(xiàn)為側(cè)積。Run1和Run2階段，沖積扇沉積受伴生褶皺影響不甚明顯。

Run3階段，在Run2末期的基礎(chǔ)上，隨著一側(cè)沉積物快速堆積，水流攜帶沉積物向另一側(cè)搬運，類似地形成第3期片狀砂礫體。在沖積扇扇面沉積物堆積達到臨界點后，開始出現(xiàn)水道化特征，即形成主辮狀水道。該水道沖刷侵蝕早期沉積物，將第4期片狀砂礫體攜帶至扇體遠端、伴生褶皺邊部沉積下來。后期水道自身逐步沉積充填。

Run4階段，早期表現(xiàn)為片狀砂礫體沉積，受伴生褶皺影響，片狀砂礫體僅側(cè)向搬運堆積。該階段末期與Run3類似，再次出現(xiàn)水道化特征，在伴生褶皺邊部沉積第6期片狀砂礫體，末期水道逐步充填。

Run5階段，在Run4階段的基礎(chǔ)上，該階段水道由斜交物源方向向順物源方向遷移，但由于伴生褶皺的阻礙作用，伴生褶皺發(fā)育范圍內(nèi)仍不發(fā)育沖積扇沉積。

3.2 伴生褶皺對片狀砂礫體和辮狀水道沉積的影響

片狀砂礫體屬于沖積扇發(fā)育過程中的事件性沉積，搬運距離短，沉積過程受可容空間影響大，往往在可容空間較大部位快速沉積下來。伴生褶皺各部位在平面上活動強度和隆升幅度并不完全一致，因此不同部位可容空間大小也存在相應(yīng)差異，從而控制了片狀砂礫體的沉積過程。水槽沉積模擬實驗表明(圖7)，近源端不發(fā)育伴生褶皺的范圍內(nèi)，片狀砂礫體的沉積過程呈現(xiàn)由主流方向向兩側(cè)遷移的特點，由第1期到第2，3期(圖7a—c)。相反，在伴生褶皺長軸方向凸起幅度各部位大致相同條件下，由于隆起地貌的影響，片狀砂礫體以繞流方式沉積在伴生褶皺兩側(cè)，并表現(xiàn)出由斜交物源方向向順物源方向遷移的特點，第6期到第7期(圖7e)。

相比水槽沉積模擬概念模型而言，實際地下伴生褶皺不同部位抬升幅度存在差異，而沉積模擬伴生褶皺長軸和短軸方向為理想變化趨勢(與背斜類似)，與地下實際情況存在差異。因此抬升幅度相對較低的部位成為了片狀砂礫體的優(yōu)先沉積區(qū)域，這在沉積模擬實驗中并不明顯。但伴生褶皺對沖積扇片狀砂礫體和辮狀水道沉積的總體影響，特別是伴生褶皺邊部對其沉積的影響通過水槽模擬實驗可以得到較好的還原，與實際研究區(qū)地下情況相一致。

辮狀水道是沖積扇上除片流砂礫體外另一個重要的沉積構(gòu)型單元。水槽沉積模擬能夠較好再現(xiàn)伴生褶皺控制下辮狀水道的沉積演化過程，彌補地下地質(zhì)分析的不足。模擬結(jié)果表明，在沖積扇沉積過程中，水道首先充當(dāng)粗粒沉積物供給的作用，然后在后期接受沉積。Run1，Run2階段，水道不發(fā)育，為片流砂礫體沉積。Run3階段水道化特征逐步明顯，且由于伴生褶皺的阻礙作用，水道存在繞流現(xiàn)象(圖7d,e)，即明顯偏離本來的水流方向。整體上，隨著沉積作用的進行，呈現(xiàn)出與片狀砂礫體相類似的，由斜交物源方向向順物源方向遷移的特點。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺控制下片狀砂礫體及辮狀水道沉積過程Fig.7 Sedimentary process of sheet glutenites and braided channels controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basina. Run1模擬階段;b. Run2模擬階段;c. Run3模擬階段;d. Run4模擬階段;e. Run5模擬階段;f.單一片狀砂礫體疊置關(guān)系(注：圖中數(shù)字代表單一構(gòu)型單元的沉積期次序號，黃色代表片狀砂礫體，白色代表辮狀水道，實線代表本期形成的構(gòu)型單元，虛線代表前期形成的構(gòu)型單元。)

水槽沉積模擬實驗結(jié)果表明，無論是辮狀水道還是片狀砂礫體，其在伴生褶皺邊部發(fā)育程度明顯高于伴生褶皺發(fā)育部位。伴生褶皺邊部沉積厚度大，片狀砂礫體和辮狀水道呈垂向疊置或側(cè)向接觸式；而伴生褶皺發(fā)育部位沉積厚度小，片狀砂礫體和辮狀水道孤立分布，甚至完全不發(fā)育(圖8)。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺控制下單一片狀砂礫體和辮狀水道剖面分布特征(剖面位置見圖7)Fig.8 Section distribution of single sheet glutenite and braided channel controlled by associated folds in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin (see Fig.7 for the section location)(注：圖中數(shù)字代表與圖7對應(yīng)的單一構(gòu)型單元的沉積期次序號，黃色代表片狀砂礫體，白色代表辮狀水道。)

4 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)三疊系克拉瑪依組地下沉積構(gòu)型解剖

4.1 伴生褶皺控制下片狀砂礫體沉積過程解剖

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺發(fā)育區(qū)三疊系克拉瑪依組單層單一片狀砂礫體解剖及沉積期次劃分Fig.9 Dissection and sedimentary stages of single sheet glutenites in the Triassic Karamay Formation layer in fold development associated area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.2 伴生褶皺對片狀砂礫體規(guī)模、疊置樣式的控制

4.3 伴生褶皺對辮狀水道規(guī)模、疊置樣式的控制

圖11 準(zhǔn)噶爾盆地西北緣湖灣區(qū)伴生褶皺發(fā)育區(qū)三疊系克拉瑪依組單層單一辮狀水道解剖及平面展布特征Fig.11 Dissection and planar distribution of single braided channel in the Triassic Karamay Formation layer in associated fold development area in Huwan area,northwestern margin of Junggar Basin

4.4 伴生褶皺控制下片狀砂礫體和辮狀水道沉積模式

通過對克下組沖積扇片狀砂礫體及克上組辮狀水道沉積構(gòu)型單元的解剖，明確了不同時期沖積扇單一片狀砂礫體和單一辮狀水道的分布特征、規(guī)模大小、疊置樣式、展布方向以及片狀砂礫體的沉積過程，據(jù)此建立了同生逆斷層伴生褶皺控制下的片狀砂礫體-辮狀水道沉積模式(圖13)。

圖13 同生逆斷層伴生褶皺控制下片狀砂礫體及辮狀水道沉積模式Fig.13 Sedimentary pattern of sheet glutenites and braided channels controlled by syn-depositional reverse fault associated folds

1) 同生逆斷層在逆沖過程中，由于擠壓作用導(dǎo)致地層撓曲變形，在斷層上升盤發(fā)育彎曲狀背斜，即伴生褶皺構(gòu)造，褶皺頂部地層厚度小于兩翼地層厚度。

2) 片狀砂礫體呈朵狀或舌狀，多個單一片狀砂礫體側(cè)向、垂向疊置組成平面上看似泛連通的片狀砂礫體。單一片狀砂礫體在山前開闊帶規(guī)模較大，疊置程度較低，伴生褶皺附近疊置程度增大。由于同生伴生褶皺的遮擋作用，片狀砂礫體僅能沉積在伴生褶皺靠近物源一側(cè)或伴生褶皺邊部，隨著伴生褶皺活動停止，片狀砂礫體逐漸超覆于伴生褶皺之上。

3) 伴生褶皺邊部和活動強度較小部位辮狀水道側(cè)向切割、匯聚分叉頻繁，單一辮狀水道規(guī)模較大，呈寬帶狀或交織條帶狀；伴生褶皺活動強度較大以及沖積扇前端漫流細粒沉積為主的區(qū)域，辮狀水道發(fā)育程度低，呈孤立窄帶狀，甚至不發(fā)育。

5 結(jié)論

1) 近源處不發(fā)育伴生褶皺的區(qū)域為片狀砂礫體優(yōu)先沉積部位，片狀砂礫體由主流方向向兩側(cè)遷移，單一片狀砂礫體規(guī)模較大、側(cè)向疊置程度較低，地下解剖單一片狀砂礫體最小寬度約1 000 m，平均寬度1 400 m。

2) 在伴生褶皺邊部和局部低隆起部位，片流砂礫體和辮狀水道沿其繞流，隨著沉積作用表現(xiàn)出由斜交物源方向向平行物源方向遷移的特點，單一片狀砂礫體規(guī)模較小、側(cè)向疊置程度較高，辮狀水道疊置較為復(fù)雜，呈交織條帶狀或?qū)拵?，地下解剖單一片狀砂礫體寬度最小為450 m，平均寬度1 000 m，單一辮狀水道寬度150～350 m，厚1.5～8.1 m。

3) 在伴生褶皺高隆起部位無片狀砂礫體沉積，而辮狀水道呈孤立窄帶狀，側(cè)向連續(xù)性差，地下解剖單一辮狀水道寬度80～120 m，厚1～4 m。

感謝審稿專家提出的寶貴修改意見以及期刊編輯的認真審核校對。