准噶尔盆地莫西庄地区侏罗系三工河组层序地层学研究
崔金栋，郭建华，李群
(中南大学 地球科学与信息物理学院, 有色金属成矿预测教育部重点实验室，湖南 长沙，410083)
摘要：应用Vail经典层序地层学的理论和方法，综合利用测井、岩芯、地震、野外露头等资料，对准噶尔盆地莫西庄地区侏罗系三工河组层序边界、三级层序内的最大湖泛面和初始湖泛面进行识别，划分出2个三级层序(Jsq1和Jsq2)，每个三级层序又划分为3个体系域，即低位体系域、湖侵体系域和高位体系域。对准层序、准层序组进行识别，划分19个准层序，分别对应19个小层，对5口单井进行层序划分，在横向上进行连井层序对比。对２个三级层序的地层特征进行研究，在此基础上，研究三工河组层序形成的主要控制因素。研究结果表明：构造活动是层序形成的主要控制因素；沉积物供给条件和气候变化对层序形成有较大的影响，湖平面的变化是构造沉降、气候变化、沉积物供给等因素的综合反映。
关键词：层序边界；层序地层格架；体系域；三工河组；侏罗系；莫西庄地区；准噶尔盆地
中图分类号：P539.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)06-2222-09
Sequence stratigraphy of Jurassic Sangonghe Formation in Moxizhuang Area, Junggar Basin
CUI Jin-dong, GUO Jian-hua, LI Qun
(Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals, Ministry of Education, School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Using the theories and methods of Vail classic sequence stratigraphy, logging, drilling core, seismic, outcropping data of Jurassic Sangonghe Formation in Moxizhuang Area of Junggar Basin were analyzed to identify sequence boundary, maximum flooding surface and first flooding surface of third-order sequence. The formation was divided into two third-order sequence(Jsq1,Jsq2), and each sequence was divided into three system tracts, i.e. low system tract, transgressive systems tract and high system tract. Parasequenc and parasequence set were identified, the formation was subdivided into 19 parasequences, which were corresponded to 19 sublayers; 5 wells sequence was divided, and sequence stratigraphic framework was established. The character of each sequence was analyzed，and the main controlling factors of the sequence formation was studied. The results show that tectonic activity is controlling the factor of the sequence formation main, sediment supply conditions and climate change have great impact on the formation of the sequence, and lake level change is a comprehensive reflection of tectonic subsidence, climate change, sediment supply and other factors.
Key words: sequence boundary; sequence stratigraphy framework; systems tract; Sangonghe Formation; Juassic; Moxizhuang Area; Junggar Basin
由于陆相湖盆地层本身在纵向上进行标定比较困难、而横向上变化又比较快，再加上准噶尔盆地后期受到多期复杂构造运动的改造，使得准噶尔盆地侏罗系层序级别划分方案具有多样性。有的研究者将其划分为7个三级层序，有的将其划分为6个三级层序，有的将其划分为4个三级层序。在体系域划分上，各研究的方案都各不相同，不具有可比性[1-3]。以上层序划分大部分是针对侏罗系地层开展的，而专门针对三工河组进行层序划分的研究还不多见，为此，本文作者结合生产需要对莫西庄地区下侏罗统三工河组层序地层学进行研究,以便为寻找岩性圈闭打下理论和实践基础。
1 区域地质概况
准噶尔盆地处于准噶尔—吐哈地块的核心稳定区，是１个晚石炭世到第四纪发展起来的大陆板内复合叠加盆地。准噶尔盆地腹部探区主要包括中央隆起、中央坳陷、陆梁隆起及乌伦古坳陷的主体部分。研究区位于准噶尔盆地中央坳陷带盆1井西凹陷东南部，东部紧邻马桥凸起[4]，见图1。
图1 研究区位置
Fig.1 Location of studied area
研究目的层段三工河组是盆地侏罗纪最大湖侵期沉积，以灰色泥岩、泥质粉砂岩及泥灰岩为主，夹黄绿色中、细砂岩，一般厚100~700 m，与下伏八道湾组整合接触。三工河组在盆缘广泛出露，南缘三工河剖面三工河组为4套巨厚的灰绿、黄绿色块状砂岩与大套深灰、灰绿色粉砂质泥岩，灰黄、灰绿色薄—中厚层状细、粉砂岩互层，上下2套细粒沉积中夹有灰黑色碳质泥岩或煤线，总体上以河流—三角洲—湖泊相沉积为主体，无工业煤层。在三工河至玛纳斯河以及盆地内大部分地区井下，依岩性可分为3段：三工河一段(J1s1)、三工河二段(J1s2)和三工河三段(J1s3)[5]。
2 各类层序界面识别及依据
研究中运用Vail的经典层序地层学理论及方法，遵循层序地层研究的基本原则，在消化吸收区域沉积演化规律的基础上，运用莫西庄地区岩芯、录井剖面、测井曲线、野外露头等资料，进行钻井和露头层序的划分与对比。与地震资料相比，钻、测井及露头资料的地质含义明确且分辨率高，既可以用于识别3级层序界面，也可以用于4~5级高分辨率层序划分与 对比[6-9]。
2.1 层序边界的识别
莫西庄地区三工河组由底至顶共发育3个层序界面(BJ1~BJ3)，均是有明显沉积间断和暴露标志的Ⅰ型界面，与湖平面迅速下降速率超过“沉积滨线坡折带”沉降速率有关，通常表现为沉积相组合的转换界面，即由界面之下的湖相沉积转换为河流或扇三角洲沉积，测井曲线由低幅平直向锯齿箱型或钟形发生突变。莫西庄地区三工河组三段主要为一套曲流河沉积，发育边滩和河漫滩2种微相，构成典型的“二元结构”，即下部粗碎屑组分以曲流河边滩砂体为主，呈单层样式；上部细碎屑组分主要以河漫滩泥岩沉积为特征。三工河二段沉积期为一套扇三角洲沉积，发育扇三角洲前缘水下分流河道、水下分流河道间和水下天然堤3种微相，以水下分流河道砂岩最为发育。多期河道砂体在垂向上相互叠置，形成巨厚的砂岩复合体，底部常见冲刷面和砾石的无序堆积。
(1) 边界1(BJ1)。为八道湾组与三工河组的分界面，界面之下八道湾组顶部表现为深灰色、灰黑色泥岩，自然伽马值明显偏高，界面之上三工河组三段底部曲流河边滩细砂岩，自然伽马曲线为齿状箱型，见图2。
(2) 边界2(BJ2)。位于三工河组二段底部，为沉积相转换界面，界面之下为滨浅湖泊相灰黑色泥岩，界面之上为扇三角洲前缘水下分流河道大套叠置砂岩。界面下至界面上，自然电位曲线由平直转换为箱型负异常,见图3。
(3) 边界3(BJ3)。位于三工河组顶部与西山窑组底部，为沉积相转换界面。界面下部为滨浅湖相灰黑色泥岩，上部为曲流河相边滩砂岩。在界面之下，自然伽马呈现高值，界面之上自然伽马为齿状低值。同样，自然电位曲线也由界面之下的平直高值突变为界面之上的箱状低值，见图4。
野外剖面与盆地腹部层序边界具有较好的对应关系。以实测的石河子市玛斯纳红沟三工河剖面为例(见图5)，该剖面三工河组也可识别出3个三级层序边界，同样表现为岩性转换界面，岩性组合与井下对应关系良好。同样，在地震剖面中，层序边界也有较好反映。在过庄5井的地震反演剖面中(见图6)，BJ1为三工河组底部砂岩和八道湾组泥岩的分界面，界面为工区可追踪对比的强反射同相轴，区内厚度较稳定；同时，局部还有明显的超覆和削截存在。BJ2和BJ3同样为在工区可对比的强反射同相轴。
图2 层序边界1识别标志
Fig.2 Identification sign of sequence boundary 1
图3 层序边界2识别标志
Fig.3 Identification sign of sequence boundary 2
图4 层序边界3识别标志
Fig.4 Identification sign of sequence boundary 3
图5 石河子市玛纳斯红沟三工河组剖面
Fig.5 Section of Sangonghe Formation Masinahonggou Shihezi city
2.2 最大湖泛面的识别
最大湖泛面是湖平面上升到最大时的1个相对平衡面，在陆相盆地中主要为陆源碎屑补给不足时所形成的一套准层序向陆推进的、远离陆岸的较深水沉积。莫西庄地区最大湖泛期主要为泥岩、粉砂质泥岩等组成的湖相沉积。从沉积物粒度演变看，最大湖泛面处于粒度最小的位置，其下粒度呈向上变小趋势，其上粒度呈向上变粗的趋势；从地层叠置方式看，最大湖泛面处于退积式向进积式或加积式叠置方式转变的部位；在测井曲线上，处于自然电位曲线大段的泥岩基线内以及自然伽马曲线的峰值部位，见图7。
2.3 初始湖泛面的识别
初始湖泛面是湖平面下降到最低点后开始快速回返的1个面，形成于湖平面开始回升、沉积物供应速率小于可容纳空间产生速率时。莫西庄地区初始湖泛面表现为低可容纳空间时的曲流河河道边滩沉积或扇三角洲水下分流河道沉积向半深湖泥岩过渡，河道沉积之上出现的泥岩、碳质泥岩及孤立的天然堤砂体沉积可作为初始湖泛面的识别标志。初始湖泛面识别标志见图8。
图6 过庄5井的地震剖面
Fig.6 Seismic section of Zhuang 5 well
图7 最大湖泛面识别标志
Fig.7 Identification sign of maximum flooding surface
图8 初始湖泛面识别标志
Fig.8 Identification sign of first flooding surface
3 准层序和准层序组的类型及特征
准层序是成因上有联系的多个岩层或岩层组组成的地层单元，地层规模相当于6级沉积旋回。每个准层序总体上具有向上沉积水体逐渐变浅的特点[10]，在研究区突出表现为粒度向上变小，主要发育于三工河三段曲流河边滩—河漫滩微相以及三工河二段扇三角洲水下分流河道—河道间微相中，见图9。
图9 莫西庄地区庄2井侏罗系三工河组地层综合柱状图
Fig.9 Composite columnar section of Jurassic Sangonghe Formation Zhuang 2 Well in Moxizhuang Area
准层序组是一组具清晰叠加模式的、有成因联系的准层序系列，它以主要湖泛面及与之相对应的界面为边界。准层序的叠加模式受控于沉积物补给速率与新增可容空间速率之比。
莫西庄地区三工河组中，可见到2种准层序以不同叠加方式垂向组合而成的准层序组，见图9。
(1) 加积式准层序组。由一系列相似的准层序垂向叠加，准层序和砂体的厚度垂向上无明显的变化，主要见于三工河二段和三段，反应水体相对稳定，沉积物供给速率约等于新增可容空间形成速率。
(2) 退积式准层序组。准层序逐渐向陆地方向移动，向上砂体变薄，湖盆水体逐渐变深，测井曲线的沉积响应为正粒序，在三工河三段可见，反应沉积物沉积速率小于新增可容空间速率。
(3) 进积式准层序组。准层序逐渐向盆地中心迁移，见于三工河一段和三段的上部。由于砂体供给不够充足，主要沉积富泥的细粒物质，反粒序特征不 明显。
4 单井层序划分及体系域特征
4.1 单井层序划分
通过利用钻井岩芯、录井、测井曲线等多种方法，对研究区5口井钻、测井剖面的各级层序边界面进行识别，并对层序内部各级次层序单元进行分析。以庄2井为例，说明三工河组准层序划分结果。从图9可以看出：下侏罗统三工河组可划分为2个三级层序，分别为Jsq1和Jsq2，均为Ⅰ型层序。每个三级层序均包括低位体系域、湖侵体系域和高位体系域，平均年限约为8 Ma[11-13]。
4.2 体系域特征
体系域是一系列同期沉积体系的集合体，每个体系域被认为与湖平面变化曲线的某一特定段有关，因此，有必要把湖平面升降变化作为划分体系域的重要依据，并采用较直观的沉积体系域三分法。下面对莫西庄地区三工河组各层序的低位体系域、湖侵体系域、高位体系域特征进行分析[14]。
4.2.1 低位体系域(LST)
低位体系域形成于层序发育的早期，发育在Jsq1和Jsq2层序底部，其底界与层序底界一致，顶界为初始洪泛面。主要岩相组合为曲流河边滩砂岩以及扇三角洲前缘水下分流河道砂岩。测井曲线呈锯齿状箱形或钟形，垂向上由1或几个加积式准层序组组成，沉积物粒度向上逐渐变小，见图9。
4.2.2 湖侵体系域(TST)
湖侵体系域形成于各层序发育的中期，其底界、顶界分别为初始湖泛面和最大湖泛面。形成时期为湖泊的扩张期，沉积水体变深，面积扩大，新增可容体积大于沉积物供给体积，形成以湖岸上超为特征的沉积体系。其岩相组合以发育半深湖相泥岩为特征，测井曲线表现为自然电位曲线平直，自然伽马曲线齿化高值，见图9。
4.2.3 高位体系域(HST)
高位体系域形成于各层序发育的晚期，底界为最大湖泛面，顶界为层序顶界面。形成于湖泊开始收缩、水体变浅时期，但由于该时期研究区沉积物供给减少，主要发育滨浅湖相泥岩以及滩坝砂体组合。测井曲线呈齿化漏斗形或指状，沉积物粒度向上逐渐变粗，见图9。
5 连井层序对比与层序地层特征
5.1 连井层序地层综合对比
为了进一步完善单井层序和体系域划分方案，在单井层序和体系域划分、解释的基础上，选择垂直或平行物源方向各井的连井剖面进行区域横向对比，建立二维连井层序地层格架。
在单井层序划分的基础上，建立研究区近南北向、近东西向共计7条连井对比格架剖面，这些对比格架剖面为小层内的储层追踪和预测提供了框架。
准层序划分与对比的最主要依据是相邻2口井有相似的岩电组合特征，并且厚度变化平稳或有一定的变化趋势。依据准层序划分结果相应地划分小层。目的层段共发育19个准层序，分别对应于19个小层。以大致平行于物源方向的庄103—庄2—庄1—庄104—庄101井剖面为例(见图10)，对层序的发育特征进行分析。基于单井的测井曲线旋回和岩性旋回进行分析，这些井在三工河组沉积时期均划分出2个三级层序、 6个体系域和19个准层序。准层序在这些井中均可进行对比，井间变化不大，可比性强，这表明三工河组沉积时期该区沉积比较稳定[15]。
5.2 层序地层特征
通过对研究区13口单井层序地层分析，由下而上依次说明2个三级层序特征。
(1) SQ1(SqJ1s3层序)。该层序对应于三工河组三段，厚约180 m，由低位、湖侵和高位体系域组成。低位体系域含有1个加积准层序组与3个向上变浅的准层序，主要是曲流河边滩与河漫滩组成的加积式沉积；湖侵体系域含有1个退积准层序组与2个准层序，主要是湖相泥岩沉积；高位体系域由2个进积准层序组与4个准层序组成，主要是湖相泥岩夹滨浅湖滩坝砂体沉积。
图10 莫西庄地区庄103—庄101井三工河组层序地层对比剖面
Fig.10 Sequence stratigraphy of wells of Zhuang103— Zhuang101 of Sangonghe Formation in Moxizhuang area
(2) SQ2(SqJ1s2-s1层序)。该层序对应于三工河组二段—三工河组一段，厚约250 m，由低位、湖侵和高位体系域组成。低位体系域为富砂沉积，含有1个加积准层序组、1个退积式准层序组与4个向上变浅的准层序，为扇三角洲前缘水下分流河道与河道间泥岩沉积；湖侵体系域含有1个退积准层序组与1个准层序，主要是半深湖泥岩沉积；高位体系域由2个进积准层序组与5个准层序组成，主要为湖相泥岩夹滨浅湖滩坝砂体沉积。总体来看，当时莫西庄地区处于北部坡折带下倾方向的斜坡背景，低水位时湖岸线靠近该区，物源比较充足而形成低位扇三角洲砂；湖侵和高位期湖岸线向陆迁移，远离该区而沉积富泥的细粒物质。
6 层序形成与发育的控制因素
陆相盆地中构造作用是层序形成的内因，其原因是构造运动是由地球深部变化以及板块之间甚至板块内部构造活动引起的。构造沉降作用引起可容空间的旋回性变化，使沉积充填过程具有不同级别的旋回性，从而形成了不同级别的层序。沉积物供给条件和气候变化是层序形成的外部条件。由于受三叠纪末期印支运动的影响，羌塘地块与古亚洲大陆碰撞，形成昆仑山，并影响到整个新疆地区，莫西庄区块抬升，形成了三叠系和上覆地层之间的区域不整合。侏罗系沉积时期准噶尔盆地进一步扩大，进入统一的陆内坳陷发育阶段，虽然构造活动相对比较稳定，但仍有低幅度振荡存在，燕山Ⅰ幕构造运动使中、下侏罗统在沉积初期产生波状运动，造成短期的沉积间断，形成了三工河组内部层序间的不整合[16]。
多物源形成的入湖沉积体系随湖平面和沉降速率引起的可容空间变化在不同的体系域形成不同的沉积体系类型。当沉积物供应充足时，沉积物堆积为过补偿或补偿，可形成进积或加积式准层序组，构成低位体系域或高位体系域沉积；当沉积物供应不足时，可以产生退积式准层序组，形成湖侵体系域。莫西庄区块主要受到来自北东方向的德伦山—陆梁物源体系的影响，形成了曲流河和扇三角洲前缘水下分流河道的低位体系域以及半深湖-深湖相、滨浅湖相的湖侵体系域和高位体系域。
由于陆相湖盆的局限性，湖泊对气候变化的反映比较敏感，湖泊变化被作为气候变化的良好记录。气候变化可以引起沉积物供应量的变化，因为气候对剥蚀区、搬运范围内沉积物的质和量有直接影响。莫西庄区块三工河组湖侵体系域—高位体系域时期，处于温潮湿性的气候条件下，湖平面开始上升，发育深湖-半深湖相和滨浅湖相。在低位体系域时期，湖平面下降，形成了曲流河和扇三角洲沉积。
湖平面的变化是构造沉降、气候变化、沉积物供给等因素的综合反映，直接控制着层序和体系域的交替，形成盆地充填序列的旋回性。莫西庄三工河组在低位域时期，当湖平面相对变化较小时，沉积层序多具有加积特征。当湖平面上升时，可容空间急剧增大，沉积物供应明显不足，此时，沉积为饥饿沉积，表现为湖侵期的退积序列；当湖平面快速下降时，沉积物供应相对较大，沉积体系向湖心推进，出现高位域的进积序列。因此，在一个完整的层序中形成了垂向上的加积—退积—进积的旋回。
莫西庄区块层序形成的主要控制作用是构造活动，这是构造运动是由地球内部动力变化引起的。构造沉降作用引起可容空间的旋回性变化，引起湖平面的相对变化，从而形成了不同级别的层序。沉积物供给条件和气候变化可导致沉积速率的变化，对沉积物类型和层序内部构造单元及结构特征有较大影响[17]。
7 结论
(1) 应用Vail的经典层序地层学理论和方法，对层序边界、最大湖泛面和初始湖泛面进行识别，将三工河组划分为2个三级层序即Jsq1和Jsq2，根据测井曲线和岩相特征进行准层序、准层序组识别，将每个层序划分为低位体系域、湖侵体系域和高位体系域。
(2) 利用钻井岩芯、录井、测井曲线等多种方法对研究区5口井进行层序划分，以准层序为小层，在单井层序划分的基础上，建立了南北东西向7条连井对比剖面，进行储层追踪与预测。
(3) 层序1的低位体系域由曲流河边滩与河漫滩组成，湖侵体系域由湖相泥岩组成，高位体系域由湖相泥岩夹滨浅湖滩坝砂体组成；层序2的低位体系域由扇三角洲前缘水下分流河道与河道间泥岩组成，湖侵体系域由半深湖泥岩组成，高位体系域由湖相泥岩夹滨浅湖滩坝砂体组成。
(4) 湖平面的变化是构造沉降、气候变化、沉积物供给等因素的综合反映，直接控制着莫西庄区块层序和体系域的交替，而其中构造活动是层序形成的主要控制作用。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-06-05；修回日期：2011-08-02
基金项目：国家重大科技攻关专项(2008ZX05002)
通信作者：郭建华(1957-)，男，湖南华容人，教授，博士生导师，从事含油气盆地沉积学、层序地层学及储层地质学研究；电话：0731-88836235；E-mail：gjh796@csu.edu.cn
