準噶爾盆地早二疊世構造-沉積格局及石油地質意義

張關龍，王 越

（中國石化勝利油田分公司勘探開發研究院，山東東營257015）

準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統風城組發育一定規模的烴源巖［1-2］，為瑪湖油田的主力生油層段。目前，對于準噶爾盆地風城組的沉積環境存在很多爭議。早期學者認為風城組屬于海相沉積環境，鮮繼渝依據海相生物化石和海綠石等證據提出了風城組具有海灣-瀉湖沉積特征［3］；尤興弟等認為風城組為一套殘留海相沉積［4-5］；張義杰等認為風城組形成于陸緣近海湖泊環境，具有海水的鹽度特征［6］。近年來，隨著勘探程度的不斷提高，對于風城組為湖泊相沉積環境的認識越來越多，馮有良等認為風城組沉積時期為咸水湖泊蒸發環境［7］；余寬宏等認為瑪湖凹陷風城組為典型的碳酸鹽型咸化湖盆［8］；曹劍等認為瑪湖凹陷在堿湖環境下發育了富有機質泥巖、云質巖類及堿性礦物等［9-10］。綜上所述，前期對風城組沉積環境的研究主要依據古生物化石、巖石礦物及古鹽度分析等，缺少區域上構造-沉積格局的系統分析，同時準噶爾盆地早二疊世整體的沉積環境不明確，也限制了油氣資源的預測。

在系統調研前人研究成果的基礎上，筆者根據露頭、地震、鉆測井及巖心等資料，明確了準噶爾盆地南緣博格達山的形成時期與盆內地質結構，識別了風城組沉積時期主要的沉積相類型，恢復了盆地早二疊世構造-沉積格局，進一步分析了風城組石油地質特征，從而為下一步油氣資源預測提供依據。

1 區域地質概況

準噶爾盆地夾持于塔里木板塊、哈薩克斯坦板塊與西伯利亞板塊之間，位于中亞造山帶的核心部位，四周被褶皺山系所包圍，西北邊界為扎伊爾山、哈拉阿拉特山與德倫山，東北邊界為青格里底山與克拉美麗山，南部邊界為伊林黑比爾根山與博格達山。盆地由西部隆起、陸梁隆起、東部隆起、烏倫古坳陷、中央坳陷和南緣沖斷帶6 個一級構造單元及45個二級構造單元構成（圖1）。

圖1 準噶爾盆地構造單元劃分（據文獻［11］修改）Fig.1 Tectonic unit division of Junggar Basin（Modied by Reference［11］）

準噶爾盆地二疊系具有3個地層分區。博格達山周緣各凹陷地層自下而上依次為下二疊統石人子溝組（P1s）、塔什庫拉組（P1t），中二疊統烏拉泊組（P2w）、井井子溝組（P2j）、蘆草溝組（P2l）、紅雁池組（P2h），上二疊統泉子街組（P3q）、梧桐溝組（P3wt）。中央坳陷地層自下而上依次為下二疊統佳木河組（P1j）、風城組（P1f），中二疊統夏子街組（P2x）、下烏爾禾組（P2w），上二疊統上烏爾禾組（P3w）?？死利惿缴角案靼枷莸貙幼韵露弦来螢橄露B統金溝組（P1j），中二疊統將軍廟組（P2j）、平地泉組（P2p），上二疊統泉子街組（P3q）、梧桐溝組（P3wt）。中央坳陷下二疊統風城組與博格達山周緣各凹陷下二疊統塔什庫拉組、克拉美麗山山前各凹陷的金溝組上部相當［12］。

2 盆緣造山帶演化特征

石炭紀末期準噶爾盆地及鄰區增生造山結束，盆緣北天山、扎伊爾山—哈拉阿拉特山、伊林黑比爾根山與克拉美麗山造山就位［13-15］。通過對博格達山周緣露頭進行詳細踏勘與地層接觸關系、古流向特征分析，明確了博格達山的形成時期。

2.1 地層接觸關系

早石炭世，東博格達山地區開始裂離形成裂谷，沉積了巨厚的陸源碎屑巖夾雙峰式火山巖［16］；晚石炭世早期，西博格達山地區才開始明顯裂離，沉積了一套海相火山巖、碎屑巖與碳酸鹽巖建造［17］；晚石炭世晚期，準噶爾盆地與吐哈盆地形成統一的海相沉積環境［18］。受西伯利亞板塊與塔里木板塊碰撞作用的影響，博格達裂谷于晚石炭世末期開始由東向西閉合［19］，導致吐哈盆地北緣下二疊統與上石炭統呈明顯不整合接觸關系（圖2）。其中天山鄉、七角井及照壁山等地區下二疊統依爾稀土組（P1y）與上石炭統呈明顯的角度不整合接觸關系，反映了博格達裂谷東段閉合過程中有一定程度的隆升。桃樹園、桃西溝地區下二疊統與上石炭統呈平行不整合接觸關系（圖2，圖3a），上石炭統奧爾吐組（C2o）以厚層灰綠色含礫粗砂巖為主，礫石巖性以灰綠色凝灰巖、硅質巖為主，呈棱角狀、次棱角狀，粒徑一般為2～4 cm，最大約為6 cm，分選較差。下二疊統依爾稀土組下部主要發育雜色礫巖，由灰巖礫石、凝灰巖礫石和安山巖礫石混雜堆積構成（圖3b，圖3c），灰巖礫石內部常夾有海相生物化石如海百合莖（圖3d）。吐哈盆地西北緣葫楊溝、艾維爾溝地區，下二疊統與上石炭統呈明顯的角度不整合接觸關系，反映了石炭紀末期伊林黑比爾根山東緣也存在構造隆升。

圖2 吐哈盆地北緣下二疊統依爾稀土組巖性特征及沉積相類型Fig.2 Lithological characteristics and sedimentary facies types of Lower Permian Yierxitu Formation at northern margin of Tuha Basin

圖3 吐哈盆地桃西溝剖面二疊系與石炭系接觸關系及巖性特征Fig.3 Contact relationships between Permian and Carboniferous and lithological characteristics at Taoxigou profile of Tuha Basin

博格達裂谷西段因基底未經顯著減薄和軟化而對擠壓應力響應遲緩，當時可能形成了水下低?。?7］，博格達地區早二疊世與晚石炭世為連續的水下沉積環境（圖4a）。準噶爾盆地井井子溝剖面下二疊統石人子溝組底部發育厚層的灰綠色礫巖，巖性主要為灰巖、砂巖與火山巖，其中灰巖礫石粒徑最大約為5 m，砂巖礫石粒徑最大約為0.5 m（圖4b）。上石炭統奧爾吐組發育深灰色泥質粉砂巖、粉砂巖夾灰綠色細砂巖（圖4c），砂巖內偶見一層厚度約為10 cm 的海相生物碎屑化石。上石炭統祁家溝組（C2q）以生物碎屑灰巖為主（圖4d），夾有灰綠色枕狀玄武巖，生物碎屑灰巖中含有大量的海百合與珊瑚化石和少量的苔蘚蟲、腕足類與植物碎屑化石。孫國智等認為西博格達山在晚二疊世初次隆升，山前地區上二疊統泉子街組沉積了一套磨拉石建造［21-22］。

圖4 準噶爾盆地井井子溝剖面二疊系與石炭系接觸關系及巖性特征Fig.4 Contact relationships between Permian and Carboniferous and lithological characteristics at Jingjingzigou profile of Junggar Basin

2.2 古流向特征

受石炭紀末期博格達裂谷碰撞閉合的影響，博格達山周緣下二疊統底部普遍發育一套底礫巖。準噶爾盆地白楊溝剖面下二疊統底部可見灰白色灰巖礫石、灰綠色砂巖礫石及火山巖礫石等，灰巖內見腕足類和珊瑚類化石，其母巖為下伏上石炭統祁家溝組與奧爾吐組巖石。白楊溝剖面灰巖礫石粒徑最大約為200 m（圖5a），向北至祁家溝剖面灰巖礫石粒徑最大約為10 m（圖5b），井井子溝剖面灰巖礫石粒徑最大約為5 m（圖5c），反映了下二疊統底部礫石由南向北搬運。白楊溝剖面下二疊統硅質巖段發育大量的軟沉積物變形構造（圖5d），多為不對稱褶皺，屬于水下滑塌變形構造，指示古斜坡的傾向為NW 向（圖5e）。吐哈盆地北緣下二疊統底部可見灰巖礫石、砂巖礫石與火山巖礫石（圖5f）。桃樹園剖面下二疊統底部灰巖礫石粒徑最大約為10 m，砂巖礫石粒徑最大約為8 m（圖5g—5i）。桃西溝剖面灰巖礫石粒徑一般為5～20 cm，主要為生物碎屑灰巖，可見海百合莖化石。通過統計40個穩定礫石的排列方式，多數礫石的迎水面方向為NW 向，反映了古流向優勢方位為SE 向（圖5j）。吐哈盆地北緣早二疊世古流向優勢方位為S 向和SE 向，柴窩堡凹陷早二疊世古流向優勢方位為NW 向（圖5k）。古水流分析結果表明，石炭紀末期博格達裂谷東段碰撞隆升形成東博格達山，與伊林黑比爾根山東緣分隔了吐哈盆地與準噶爾盆地。東博格達山隆升導致上石炭統遭受剝蝕，下二疊統底部沉積了大量的火山巖礫石、生物碎屑灰巖礫石與砂巖礫石。吐哈盆地下二疊統依爾稀土組主要發育沖積扇、河流和湖泊相（圖2），西博格達山周緣下二疊統石人子溝組與塔什庫拉組則以水下沉積為主。此外，博格達山南北兩側下二疊統均發育了以玄武巖、玄武安山巖為主的雙峰式火山巖，其具有稀土元素總量中等、輕稀土元素適度富集、無銪負異常的特征，反映了石炭紀末期博格達山地區碰撞造山后，其南北兩側形成了伸展裂谷環境［17，23］。

圖5 博格達山南北兩側下二疊統巖性與古水流特征Fig.5 Lithological and paleocurrent characteristics of Lower Permian on both of north and south sides of Bogda Mountains

3 盆內地質結構特征

根據準噶爾盆地地震資料分析了各凹陷的地質結構，明確了控制早二疊世構造格局的凸起及其分布范圍。石錢灘凹陷表現為東厚西薄的地質結構，下二疊統由東向西逐層超覆到黃草湖凸起之上（圖6a），反映了凸起已經形成。東道海子凹陷下二疊統具有東斷西超的地質結構，反映了早二疊世的后碰撞伸展裂谷環境（圖6b）。沙灣凹陷下二疊統向東北超覆尖滅于莫索灣凸起（圖6c），表明該時期沙灣凹陷與東道海子凹陷相分隔。沙灣凹陷向北超覆到中拐凸起之上（圖6d），與盆1 井西凹陷具有一定的分隔性?，敽枷菹露B統表現為西北厚、東南薄的特征，向東南超覆尖滅于夏鹽凸起（圖6e）?，?5 井附近地區具有半地塹結構，斷層下盤厚度明顯大于上盤，指示早期正斷層屬性?，敽枷菖c盆1 井西凹陷風城組向達巴松凸起超覆減?。▓D6f），反映出達巴松凸起為分隔兩側凹陷的水下低隆。從地震剖面推測早二疊世石西凹陷具有東斷西超的地質結構，晚期抬升，下二疊統遭受剝蝕（圖6g）。

4 盆地構造-沉積格局

4.1 沉積環境

晚石炭世晚期，準噶爾盆地北部隆升由海相轉為陸相沉積，海水退至盆地南部至北天山地區形成殘留海盆，北天山山前發育半深海-深海沉積［13］。此時，準噶爾盆地與吐哈盆地為連通的海相沉積，博格達地區與吐哈盆地北緣發育濱淺海、半深海沉積［18，24］。石炭紀末期，東博格達山隆升分隔了準噶爾盆地與吐哈盆地，準噶爾盆地西北緣、中央坳陷與博格達地區由殘留海閉塞形成了海跡湖。海跡湖是指原為海域的一部分，后期與海洋分開形成封閉或者接近封閉的湖泊。準噶爾盆地石炭紀與二疊紀之交的海湖轉換過程與里海的形成相同。里海原為古地中海的一部分，晚中新世由于大高加索褶皺帶和科佩特山褶皺帶隆升形成構造脊，將里海與古地中海分隔開來［25］。里海繼承了海水的咸化環境與海洋生物，至今仍生存著海豹、銀漢魚、海綿及紅藻等生物。

早二疊世，準噶爾盆地西北緣、中央坳陷與博格達地區為海跡湖沉積。準噶爾盆地西北緣烏40、風7、風9井風城組巖石薄片中見有孔蟲、棘皮、藻類等海相生物化石［4］。風城組泥巖相當硼含量均大于200.0×10-12g/g，最大可達925.0×10-12g/g，平均為394.4×10-12g/g；Sr/Ba值為0.85～1.63，平均為1.51［26］。博格達地區下二疊統石人子溝組與塔什庫拉組見到珊瑚、腕足類、海百合等海相生物化石，泥巖相當硼含量為240.0×10-12～700.0×10-12g/g，古鹽度為25‰～62‰，Sr/Ba 值為0.81～1.71，繼承了晚石炭世古生物與咸水環境（圖7）。

圖7 準噶爾盆地井井子溝剖面上古生界巖性、古生物與地球化學特征Fig.7 Lithological，paleontological and geochemical characteristics of Upper Paleozoic at Jingjingzigou profile of Junggar Basin

4.2 沉積相特征

早二疊世，準噶爾盆地主要發育沖積扇、扇三角洲、濁積扇與湖泊相。

4.2.1 沖積扇相

沖積扇相主要發育于石錢灘凹陷與石西凹陷。石錢灘凹陷下二疊統金溝組以棕紅色礫巖、砂礫巖、砂巖與泥巖的互層為主（圖8a），由北向南砂地比逐漸減小，反映了克拉美麗山為主要物源區。礫巖、砂礫巖中礫石以石英巖礫石、凝灰巖礫石、砂泥巖礫石為主，礫石呈棱角狀、次棱角狀，與砂級顆?；祀s堆積，分選較差（圖8b）。石西凹陷下二疊統風城組發育沖積扇相的棕紅色礫巖、砂礫巖與泥巖，夾有薄層的凝灰巖、安山巖（圖8c），反映了后碰撞伸展裂谷環境下的火山活動。

4.2.2 扇三角洲相

扇三角洲相主要分布在準噶爾盆地西北緣、東南緣與腹部各凹陷的邊部，以扇三角洲平原、扇三角洲前緣沉積為主。扇三角洲平原亞相主要發育棕紅色礫巖和砂礫巖，自然電位、自然伽馬曲線表現為中高幅箱形或漏斗形，反映了強水動力條件（圖8d）。礫巖、砂礫巖地震反射連續性較差、振幅弱，常表現為雜亂反射或空白反射（圖8e），其主要發育塊狀層理和粒序層理，粒度累積概率曲線呈現寬緩上拱形，具有典型的重力流沉積特征（圖8f）。扇三角洲前緣亞相發育灰綠色礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖與泥巖互層，其地震反射連續性中等、振幅中等（圖8e）；礫巖、砂礫巖以塊狀層理和反粒序層理為主（圖8g，圖8h），礫石呈棱角狀、次棱角狀，分選較差。

4.2.3 濁積扇相

濁積扇相主要分布在準噶爾盆地博格達地區。該區早二疊世進入陸內伸展裂谷環境，早期發育玄武巖、玄武安山巖為主的雙峰式火山巖，形成了多個半地塹、地塹結構［17］。塔什庫拉組在裂谷環境下沉積了上千米厚的地層，以厚層深灰色泥巖為主，夾有薄層的灰色細砂巖、粉砂巖，其中見深水遺跡化石Spirophyton Hall，并含有大量的硅質骨針［27］，指示了深水沉積環境。細砂巖、粉砂巖為濁積扇沉積，單砂體厚度為0.3～0.5 m（圖8i），以塊狀層理為主，碎屑顆粒呈棱角狀、次棱角狀（圖8j），粒度累積概率曲線呈現寬緩上拱形，具有重力流的沉積特征（圖8k）。

圖8 準噶爾盆地下二疊統沖積扇、扇三角洲與濁積扇相沉積特征Fig.8 Sedimentary characteristics of alluvial fans，fan deltas，and turbidite fans of Lower Permian in Junggar Basin

4.2.4 湖泊相

準噶爾盆地西北緣、中央坳陷與博格達地區湖泊相廣泛分布。濱淺湖亞相以棕紅色、灰色、灰綠色粉砂質泥巖與泥質粉砂巖為主（圖9a），夾有薄層的云質粉砂巖，碎屑顆粒以石英、長石為主，呈次棱角狀、次圓狀（圖9b）。西北緣風城組局部發育灘壩，表現為灰色粉砂巖與粉砂質泥巖的薄互層，自然伽馬、電阻率曲線表現為中低幅齒形。早二疊世在陸內伸展裂谷環境下半深湖-深湖亞相廣泛發育。博格達地區塔什庫拉組半深湖-深湖亞相主要發育厚層深灰色粉砂質泥巖、泥巖（圖8i）?，敽枷蒿L城組中上部半深湖-深湖亞相分布范圍較大，以深灰色云質泥巖為主（圖9c），夾有薄層灰白色泥質白云巖（圖9d），泥晶白云石與泥級的長英質礦物呈紋層狀分布（圖9e），地震反射連續性好、振幅強、頻率強（圖9f）。盆1 井西凹陷與沙灣凹陷風城組中上部也具有相同的地震反射特征（圖9g），表明其同樣發育半深湖-深湖亞相。上述3 個凹陷中心一般存在2 個強反射軸，向達巴松和中拐水下低隆方向變為一個反射軸，且振幅強度減弱，反映了各凹陷具有一定的分隔性。

圖9 準噶爾盆地下二疊統湖泊相沉積特征Fig.9 Sedimentary characteristics of lacustrine facies of Lower Permian in Junggar Basin

4.3 構造-沉積格局

準噶爾盆地周緣在石炭紀末期碰撞造山，早二疊世進入陸內伸展裂谷環境。北部石西凹陷與石錢灘凹陷由北向南發育了沖積扇與泛濫平原沉積，以棕紅色礫巖、砂礫巖、砂巖與泥巖的互層為主，局部地區發育凝灰巖與安山巖（圖10）。盆地西北緣、東南緣與腹部各凸起邊緣以扇三角洲沉積為主，發育厚層的礫巖、砂礫巖及含礫粗砂巖等。盆地西北緣、中央坳陷與博格達地區整體以海跡湖沉積為主，中拐凸起、莫索灣凸起、莫北凸起與莫南、達巴松水下低隆分隔形成了4 個沉積中心?，敽枷蒿L城組半深湖-深湖亞相沿著控盆邊界斷層分布，SW—NE 向為湖盆長軸方向。盆1 井西凹陷、沙灣凹陷風城組與瑪湖凹陷具有相似的地震反射特征，也發育半深湖-深湖亞相。阜康凹陷與博格達裂谷形成一個較大的沉積中心，半深湖-深湖亞相沿著盆緣造山帶方向廣泛分布，繼承了晚石炭世北天山洋的深水環境。博格達裂谷活動強烈，盆緣扇三角洲砂礫巖滑塌至深水區形成濁積扇砂體。

圖10 準噶爾盆地下二疊統風城組構造-沉積格局Fig.10 Tectono-sedimentary framework of Fengcheng Formation of Lower Permian in Junggar Basin

5 石油地質意義

早二疊世，準噶爾盆地在海跡湖背景下進入伸展裂谷發展階段，中央坳陷與博格達地區廣泛發育半深湖-深湖亞相?，敽枷蒿L城組在海跡湖和火山噴發背景下形成了堿化咸湖環境，褶皺藻、溝鞭藻與藍細菌等菌藻類富集［28］，成為風城組重要的生烴母質。風城組半深湖-深湖亞相紋層狀泥頁巖、云質泥巖等為中等—好的烴源巖，有機質順紋層富集（圖11a），以Ⅰ和Ⅱ型為主，具有生烴持續時間長、總產油率遠高于產氣率、轉化率高的特征［29］。近年來，在哈拉阿拉特山山前哈淺6、哈山11等井風城組也鉆遇了較好的烴源巖，云質泥巖、粉砂質泥巖中熒光顯示較好（圖11b），總有機碳含量（TOC）為0.5%～5.0%，平均為1.4%（圖11c），可見油膜狀油質分布于泥巖孔縫中（圖11d）。

圖11 準噶爾盆地下二疊統烴源巖特征Fig.11 Source rock characteristics of Lower Permian in Junggar Basin

博格達地區下二疊統塔什庫拉組粉砂質泥巖、泥巖也存在一定的藻類體（圖11e），紅雁池剖面該組的TOC值為0.18%～0.96%，平均為0.71%（圖11f），井井子溝剖面的TOC值為0.46%～1.36%，平均為0.95%（圖11g），具有一定的生烴潛力。塔什庫拉組有機質以Ⅱ1和Ⅱ2型為主，實測鏡質組反射率（Ro）多大于1.0%（圖11h，圖11i），處于成熟或高成熟生氣階段。沙灣凹陷下二疊統風城組泥巖、云質泥巖與泥質白云巖厚度為20～225 m，TOC值多大于1.0%，Ro值為2.0%～3.0%［30］。沙探2 井風城組日產氣量達2×104m3/d，天然氣碳同位素值為-30.66‰，具有風城組烴源巖的地球化學特征［30］。綜上所述，準噶爾盆地中央坳陷的海跡湖和裂谷環境有利于發育高生產率的優質烴源巖。盆1 井西凹陷、沙灣凹陷、阜康凹陷與博格達山周緣下二疊統廣泛分布，可能發育優質或較好的烴源巖，深埋藏環境下處于高成熟、過成熟生氣階段，蘊藏著極其豐富的天然氣資源。

6 結論

石炭紀末期，東博格達山與伊林黑比爾根山東緣分隔了準噶爾盆地和吐哈盆地，上石炭統遭受剝蝕向兩側盆地提供了大量的火山巖礫石、灰巖礫石與砂巖礫石。風城組沉積時期，盆地北部石西凹陷與石錢灘凹陷主要發育沖積扇相礫巖、砂礫巖；西北緣、中央坳陷與博格達地區為殘留海閉塞形成的海跡湖沉積，繼承了海水的咸化環境與海洋生物。在莫索灣凸起、達巴松水下低隆等構造單元控制下風城組形成了4個沉積中心，半深湖-深湖亞相在咸水條件下發育了較好的烴源巖。盆地腹部各凹陷與博格達山周緣下二疊統廣泛分布，可能發育優質或較好的烴源巖，深埋藏環境下處于高成熟、過成熟生氣階段，蘊藏著極其豐富的天然氣資源。