火焰山地區淺表層礫巖層成因及分布特征解剖

陰學彬，郭 翔，李新寧，孫 博，劉洪彥，張旭峰，牟克勛

（1.中國石油東方地球物理公司研究院烏魯木齊分院,新疆烏魯木齊 830016；2.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院,新疆哈密 839009）

1.概況

火焰山位于新疆維吾爾自治區吐魯番地區鄯善縣,山體呈東西向展布,由西至東依次被勝金溝、土峪溝和連木沁溝切割成多段?；鹧嫔降貐^地表條件復雜,可劃分為山體區、農田區和戈壁區,地形起伏劇烈,高差大。山體南坡陡峭,可達70 °,山體北坡較為平緩。

從衛星照片上,可以清晰地看到吐哈盆地表層廣泛發育以周緣山體和火焰山為物源的沖積扇群,扇群中各沖積扇的發育規模受盆山落差、扇體出露地層巖性和河流發育程度等多重因素影響［1-3］（圖1）。下覆新近系（N）淺表層高速、低速礫巖扇體的分布情況尚不清楚,地質和測井資料欠缺,造成地震資料處理速度模型不準確,影響地震資料處理品質［4］。因此,目前急需結合地球物理手段來搞清地表下高速、低速礫巖體的縱橫向變化的規律,為后續的油氣勘探提供較為準確的地震資料。

2.火焰山地區淺表層礫巖層成因分析

前人研究成果表明,吐哈盆地由地質歷史演化過程中不同時代和不同性質的沉積盆地復合疊加形成。吐哈盆地構造演化可以劃分為4 個階段,海西晚期,吐哈盆地南緣覺羅塔格山隆起,北緣博格達裂谷關閉形成吐哈盆地現今長條形東西走向的構造格局；印支期,盆地北緣的巴里坤山和哈爾里克山隆升,導致東北部逆沖造山；燕山期,進一步強化了吐哈盆地東西走向構造格局；喜馬拉雅期,盆地北緣新天山活動導致博格達山快速隆升［5］。與新天山褶皺造山帶相伴隨的前陸（類前陸）盆地,受褶皺造山作用影響,在盆地中的摩拉石堆積過程中,沉積體一般呈平行造山帶的條帶狀展布。摩拉石在盆地橫切面不對稱,近山麓一側沉積物粒度粗,有巨厚礫巖層發育,遠離山麓一側沉積物粒度細,且沉積厚度向遠離山麓一側快速減小,摩拉石建造的橫剖面為楔形［6］。

火焰山位于吐哈盆地吐魯番坳陷中部,整體呈平行北部博格達山的北西西走向?；鹧嫔綄儆谕鹿璧厍瓣憶_斷前鋒帶,在喜馬拉雅構造運動期受南部前陸古隆起阻擋,形成蓋層滑脫型斷展斷裂,北部中侏羅統西山窯組至第四系西域組地層逆沖出地表,形成現今火焰山南翼高陡北翼寬緩的構造形態（圖2）。推測在火焰山形成初期,山體與南部艾丁湖洼陷相對高差超過800 m（圖3）,山體巖石風化破碎后向南崩塌搬運的勢能大,在山南艾丁湖洼陷臨近火焰山區域堆積大面積礫巖扇體；火焰山與火北斜坡的高差相對較小,風化破碎巖石就近堆積形成平行于火焰山山體的窄條狀礫巖扇群（圖1）。

圖1 吐哈盆地西部地表衛星圖

圖2 火焰山西段地質露頭

圖3 火焰山西段地表高程

2.1 淺表層礫巖層結構分析

根據巖性錄井、聲波測井和VSP 測井速度分析,火焰山南北兩翼礫巖層自上而下可劃分為低速和高速兩套礫巖層。低速礫巖層位于表層黃土之下,厚度和速度縱橫向變化大,區域已有鉆井揭示厚度為20～320 m,速度為1 300～1 800 m/s；高速礫巖層橫向分相帶,其厚度及速度縱橫向變化較大,區域已有鉆井揭示厚度為300～800 m,速度為2 000～3 000 m/s,低速礫巖層與高速礫巖層呈不整合接觸,高速礫巖層與下覆地層呈角度不整合接觸（圖4）。

圖4 火焰山南翼近東西方向礫巖層結構（井位置見圖2）

2.2 淺表層礫巖層成因分析

火焰山南北兩翼礫巖層沉積主要受喜馬拉雅中—晚期地層抬升速率、古地貌和物源供應量等因素共同控制［7］。通過地質、構造和古地貌綜合分析,結合錄井、測井、地質露頭和地震相和地震屬性等多種資料聯合分析,建立了兩套礫巖層在山體兩翼分帶、東西向受古凸起分割、縱向兩套礫巖層疊合、晚期快速堆積的成因模式［8-9］。

火焰山南北兩翼高速礫巖層為上新統葡萄溝組。自中新世末期開始,北天山進入新一期隆升,作為逆沖斷層前展式遞進變形的結果,火焰山在這一時期同期隆升造山,出露山體不斷遭受剝蝕,提供豐富的物源供給,由于山體南翼高陡,北翼寬緩,形成山體南翼近源堆積礫巖扇體厚、延展遠,依托古水流呈發散狀扇群發育特征,山體北翼坡度小,近源堆積礫巖扇體薄,呈窄條狀礫巖扇群發育特征。

火焰山南北兩翼高速礫巖層成因上受喜馬拉雅構造運動強度及古地貌形態控制,形成南北兩翼平行火焰山分布,東西向受古凸起分割的空間展布特征（圖5）。

圖5 火焰山南北兩翼高速礫巖厚度分布

火焰山南北兩翼低速礫巖層為喜馬拉雅構造運動晚期最后一幕的第四系西域組沉積,成因與高速礫巖層具有相似性（圖6）。

圖6 火焰山南北兩翼低速礫巖厚度分布

3.屬性分析及淺表層扇體分布特征

應用巖性錄井、聲波測井、VSP 測井、衛星圖和地震資料屬性等多種信息,開展了火焰山南北兩翼地區淺表層礫巖層成因分析及地層結構和分布特征研究,為淺表層速度模型準確建立和提高地震資料處理效果奠定了堅實的數據基礎,從而為準確落實下覆地層構造形態提供了地質依據［10］。

綜合已鉆井淺表層巖性錄井和測井曲線特征,把新近系葡萄溝組地層和第四系西域組地層劃分為兩段。上段為第四系西域組低速礫巖層,是未經壓實的地層,表現為弱反射雜亂地震相,依托火焰山呈向山體兩翼發散狀的扇體展布。提取的地震均方根振幅屬性平面上具有從山體向兩翼發散的“朵頁”狀扇體形態,由山體向遠端依次劃分為扇根、扇中和扇端。下段為新近系葡萄溝組地層高速礫巖層,表現為低頻強反射連續地震相,依托火焰山呈向山體兩翼發散狀的扇體展布。提取的地震均方根振幅屬性值域明顯高于上段低速礫巖層均方根振幅屬性,平面上具有從山體向兩翼發散的“朵頁”狀扇體形態,由山體向遠端依次劃分為扇根、扇中和扇端。

受火焰山造山作用、古地貌和物源供給量等多重因素的影響,火焰山南北兩翼高速礫巖層和低速礫巖層的空間分布具有南北分片、東西分帶的規律性?；鹧嫔侥喜科咸褱辖M高速礫巖層受古凸起和古水流共同控制,發育東西分塊的“三溝三凸”分布特征。由西至東依次發育庫如克艾格孜溝、火南凸起、勝金口、玉西凸起、土峪溝和玉東凸起（圖7）。

圖7 火焰山地區衛星圖與葡萄溝組高速礫巖層厚度圖疊合

火焰山在新近紀中期開始快速隆升,山南垂直火焰山方向形成前陸楔形沉積體,具有明顯的多期疊置的前積特征（圖8）。山南沿火焰山方向具有典型的壘嵌相間構造特征,三個沖溝發育區沉積的礫巖層較厚,沖溝之間的凸起區沉積礫巖層較薄,高速礫巖層厚度可達600 m,向凸起區逐漸超覆減薄,在玉西凸起高部位最薄約100 m（圖9）。

圖8 吐哈盆地火焰山南部楔形沉積區南北向礫巖層沉積模式（剖面位置見圖7）

圖9 吐哈盆地火焰山南部楔形沉積區東西向礫巖層沉積模式（剖面位置見圖7）

受喜馬拉雅運動期最后一幕構造運動、古水流、物源供給和正向構造控制,低速礫巖層總體表現為北厚南薄、東西向受古凸起分割、以古水流為中心由北向南呈多個扇形的分布特征。結合井震聯合標定和地震反射特征識別,低速礫巖層與高速礫巖層呈不整合接觸關系,在地震剖面上可追蹤解釋。

通過井震聯合標定,落實高速礫巖層為低頻、連續—較連續、強振幅的地震反射特征,低速礫巖層為低頻、不連續、弱反射的地震反射特征。結合地震反射特征認識,開展層間均方根振幅屬性提取,有效刻畫高速礫巖層的空間展布規律（圖10）。結合均方根屬性提取與地震解釋刻畫,有效落實高速礫巖扇體空間展布。高速礫巖扇體依托火焰山山體由北向南發育,依次為扇根、扇中和扇端。扇根區域由于快速堆積效應,地震反射雜亂,中強振幅,東西向長軸平行火焰山方向發育；扇中沉積碎屑物經過一定的分選磨圓,地震反射具平行接觸關系,強振幅,呈“舌”狀依托火焰山由北向南展布,由西至東依次發育火南扇、玉西扇和玉東扇；扇端反射具有平行接觸關系,中—弱振幅,分布在扇體遠端。地震反射特征與聲波測井曲線相對應,扇中部位地層平均速度最高,扇根發育區地層平均速度次之,扇端發育區地層平均速度較低。結合均方根屬性與地層平均速度關系認識,通過地震屬性提取分析,有效落實了高速礫巖扇體的平面展布特征。

圖10 淺層高速礫巖層振幅屬性與衛星照片疊合圖

第四系西域組低速礫巖扇體的地震反射和屬性特征與新近系葡萄溝組高速礫巖扇體特征具有較好的相似性（圖11）。依托火焰山山體由西至東依次發育三個低速礫巖扇體,分別是火南、玉西和玉東低速礫巖扇。

圖11 淺層低速礫巖層振幅屬性與衛星照片疊合圖

通過對火焰山山南礫巖層成因分析和空間展布特征研究,初步建立礫巖層成因模式,明確了礫巖層空間展布,有效指導了地震資料處理中的淺表層速度建模,為淺表層地震成像及下覆構造形態的準確落實提供了支撐。

4.結論

（1）火焰山南翼淺表層礫巖為依托火焰山、橫向受凸起分割、早期多級扇疊合進積、晚期快速進積的成因模式。高速礫巖層山體內部呈現縱向分期、橫向分帶沉積特征,且沉積厚度大、成巖作用強、速度高,低速礫巖層則呈現快速堆積特征,厚度小,結構疏松,速度低。

（2）火焰山南翼淺表層兩套礫巖層受喜馬拉雅構造運動、古凸起及沉積物供給量控制,區域分布具有東西分帶特征?？傮w發育以庫如克艾格孜溝、勝金口和土峪溝為物源的火南扇、玉西扇和玉東扇。