文章編號：1009-9603（2020）04-0001-12
DOI：10.13673/j.cnki.cn37-1359/te.2020.04.001
張奎華1，曹忠祥2，王 越1，張關龍1，薛 雁1，王圣柱1，曲彥勝1，汪譽新1
（1.中國石化勝利油田分公司 勘探開發研究院，山東 東營 257015； 2.中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257001）
張奎華等
摘要：博格達地區蘆草溝組為準噶爾盆地南緣重要的烴源巖發育層段，前期沉積特征研究往往針對博格達山北側泥頁巖發育區或南側柴窩堡凹陷砂礫巖發育區，缺乏對博格達地區整體性的研究。通過對博格達山周緣典型露頭的蘆草溝組進行詳細觀察和精細測量，結合柴窩堡凹陷鉆井、測井、巖心資料，詳細分析該區的地層特征、沉積相類型及分布特征，明確沉積演化過程。研究結果表明：博格達地區蘆草溝組自下而上可劃分為一段、二段、三段與四段，主要發育近岸水下扇、濁積扇與湖泊相沉積。在蘆草溝組一段、二段沉積時期，近岸水下扇在柴窩堡凹陷廣泛分布，濁積扇與半深湖亞相主要分布在博格達山以北；在蘆草溝組三段、四段沉積時期，相對湖平面上升，近岸水下扇與濁積扇規模減小，半深湖、深湖亞相在研究區分布廣泛，發育大規模的優質烴源巖。
關鍵詞：中二疊統；蘆草溝組；沉積相；沉積演化；博格達山
中圖分類號：TE121.3 文獻標識碼：A
Sedimentary facies and evolution of Middle Permian
Lucaogou Formation in Bogda area
ZHANG Kuihua1，CAO Zhongxiang2，WANG Yue1，ZHANG Guanlong1，
XUE Yan1，WANG Shengzhu1，QU Yansheng1，WANG Yuxin1
（1.Exploration and Development Research Institute，Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shandong
Province，257015，China； 2.Shengli Oilfield Company，SINOPEC，Dongying City，Shangdong Province，257001，China）
Abstract：The Lucaogou Formation in Bogda area is an important hydrocarbon source rock in the southern margin of Junggar Basin. The early study of sedimentary characteristics often focused on the mud shale on the north side of Bogda mountain or the glutenite on the south side of Chaiwopu Sag. However，the studies on the integrity of Bogda area are insufficient.Based on the detail observation and measurement of Lucaogou Formation at the typical outcrop around Bogda mountain，combined with the well logging and core data in Chaiwopu Sag，the stratigraphic characteristics，types and distribution features of sedimentary facies in this area were analyzed in detail，and the sedimentary evolution process was defined. The results show that Lucaogou Formation in Bogda area can be divided into the first member，the second member，the third member and the fourth member from bottom to top，in which the main sedimentary facies of the nearshore subaqueous fan，turbidite fan，semi-deep lake and deep lake are developed. During the sedimentation of the first and the second member of Lucaogou Formation，the nearshore subaqueous fan was widely distributed in Chaiwopu Sag，the turbidite fan and the semi-deep lake were mainly distributed to the north of present Bogda mountain. During the sedimentation of the third and the fourth member of Lucaogou Formation，the scale of the nearshore subaqueous fan and the turbidite fan decreased as the relative lake level rose，and the semi-deep lake and deep lake facies were widely distributed in the studying area，resulting in the development of large-scale high quality source rocks.
Key words：middle Permian；Lucaogou Formation；sedimentary facies；sedimentary evolution；Bogda mountain
博格達山周緣中二疊統蘆草溝組發育厚層泥頁巖、油頁巖［1-2］，有機碳含量與生烴潛量較高［3］，為該區重要的烴源巖層段［4-5］。前人認為中二疊世為斷陷盆地的擴張期［6-10］，博格達山尚未隆升［11-12］，博格達地區在半深湖-深湖環境下發育了優質烴源巖。針對蘆草溝組沉積方面的研究涵蓋了油氣地質條件［13-15］、沉積相類型及分布［16-19］、沉積環境［20-22］、白云巖成因［23-24］等方面。馮爍等研究認為蘆草溝組沉積時期交替出現的炎熱氣候條件和生物大量繁盛為半深湖-深湖環境油頁巖的形成提供了有利條件［14］。王正和等認為蘆草溝組主要發育扇三角洲和湖泊體系，前扇三角洲至深湖亞相泥頁巖具有較好的頁巖油氣勘探潛力［15］。李紅研究認為柴窩堡凹陷蘆草溝組發育扇三角洲-濱淺湖-半深湖沉積體系［16］。彭雪峰等研究認為博格達山北緣蘆草溝組發育濱湖、淺湖和半深湖3種亞相，進一步劃分為砂質灘壩、泥質灘壩、碳酸鹽灘壩和生物礁4種微相［18］。楊志浩等通過對韭菜園子溝剖面研究，建立了蘆草溝組富砂型湖泊深水沉積模式［19］。陳健等認為準南地區蘆草溝組整體處于半咸水-咸水、貧氧-厭氧環境，受陸源碎屑和火山灰間歇性影響，為有機質的輸入和保存提供了有利條件［20］。總體來看，前期主要針對柴窩堡凹陷或者博格達山北緣地區的沉積特征進行研究，區域整體性研究相對較少。蘆草溝組地層厚度大，橫向上與縱向上巖性變化復雜，等時地層單元內開展區域性的研究有利于落實烴源巖縱向發育位置及平面分布范圍。
博格達地區位于盆地斷陷一側，且緊鄰造山帶，地震資料品質較差，難以開展精細層序地層劃分工作。筆者通過對完整出露蘆草溝組的剖面進行精細測量和系統取樣測試，依據巖石組合、礦物組成、元素比值及有機地化等特征對蘆草溝組進行組段劃分，結合測井、錄井資料建立地層格架，進一步詳細分析蘆草溝組典型沉積相的巖性組合、沉積相分布及沉積體系時空演化特征，以期為研究區頁巖油氣及致密油氣藏的勘探與預測提供依據。
1 區域地質背景
研究區位于準噶爾盆地的東南部，包括博格達山及其周緣地區（圖1）。早、中二疊世博格達山尚未隆升，研究區連續發育下二疊統石人子溝組、塔什庫拉組與中二疊統烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組、紅雁池組。晚二疊世博格達山初次隆升，在其南北兩側凹陷區自下而上發育泉子街組、梧桐溝組與鍋底坑組。現今博格達山為一向北凸出的弧形復背斜，出露中—上石炭統海相火山巖、碎屑巖與碳酸鹽巖，其南、北兩翼出露二疊系—第四系。中二疊統蘆草溝組在博格達山周緣多條剖面出露良好，易于觀察。
圖1 博格達地區區域位置及剖面位置
Fig.1 Location and geological profile of Bogda area
博格達山南北兩側均發育蘆草溝組，在柴窩堡凹陷厚度為500~750 m，主要為灰色與灰綠色礫巖、砂礫巖、中粗砂巖、泥巖，縱向巖性變化特征不明顯。博格達山北緣蘆草溝組厚度為540~1 100 m，主要為灰色粉細砂巖、云質粉砂巖以及深灰色云質泥巖、泥巖、泥頁巖，自下而上巖性特征變化明顯。在烏魯木齊市以東15 km處井井子溝剖面蘆草溝組出露完整，巖性特征變化明顯，對該剖面進行精細測量和系統取樣測試。蘆草溝組下部以粉細砂巖為主，夾薄層泥巖；上部以深灰色泥巖、泥頁巖為主，夾薄層云質粉砂巖、粉砂巖與泥晶白云巖。Sr/Ba與V/（V+Ni）值反映蘆草溝組下部沉積時期處于半咸水、貧氧沉積環境，上部為咸水、極貧氧沉積環境。巖石熱解分析表明蘆草溝組下部有機碳含量與生烴潛量相對較低，上部有機碳含量與生烴潛量較高，達到了優質烴源巖的標準。綜合巖石類型、礦物組成、元素比值及有機地化等特征，將井井子溝剖面蘆草溝組自下而上劃分為一段、二段、三段與四段（圖2），以該剖面為蘆草溝組標準剖面對其他地區的地層劃分進行約束，并建立蘆草溝組地層格架。
2 沉積相類型
在蘆草溝組沉積時期，博格達地區主要發育近岸水下扇、濁積扇與湖泊3種沉積相。
2.1 近岸水下扇
露頭與巖心綜合分析結果表明，近岸水下扇主要在柴窩堡凹陷發育，以扇中和扇緣亞相為主。
近岸水下扇扇中主要以厚層灰色中礫巖、含中礫細礫巖與砂礫巖沉積為主，夾薄層深灰色粉砂質泥巖、泥巖（圖3，圖4a），根據巖性組合特征與沉積構造進一步劃分為溝道和溝道間2個微相。溝道由多期次的砂礫巖體在垂向上疊置構成，單層厚度為2~4 m，累積厚度最大約為12 m，主要發育塊狀層理和粒序層理，測井相模式表現為箱形（圖3），反映了強水動力條件。礫巖以火山巖礫石和變質巖礫石為主，粒徑主要為1~4 cm（圖4b），最大可到8 cm（圖4c），呈次棱角、次圓狀，多呈高角度不穩定狀與砂級碎屑顆粒混雜堆積，分選極差。溝道間沉積以深灰色粉砂質泥巖、泥巖為主，厚度一般為0.5~2.0 m，測井曲線較平直。綜合分析可知，扇中亞相為近源深水快速沉積的產物，主要以重力流搬運為主。
近岸水下扇扇緣以灰色砂礫巖、含礫粗砂巖、中粗砂巖和深灰色粉砂質泥巖、泥巖的不等厚互層為主，進一步劃分出溝道和溝道間2個微相。溝道沉積的砂礫巖體厚度一般為1~3 m，最大約為5 m，主要發育塊狀層理和粒序層理，底部可見明顯的沖刷面（圖4d），測井相模式表現為鐘形、箱形。礫石粒徑主要為0.5~2 cm，最大約為5 cm，呈次棱角狀、次圓狀，分選極差（圖4e，4f），結構成熟度和成分成熟度均較低。溝道間沉積以深灰色粉砂質泥巖、泥巖為主，厚度一般為2~4 m，以紋層狀構造為主，測井相模式表現為線形（圖3），反映弱水動力條件。扇緣亞相砂地比較扇中亞相小，巖性變細，反映沉積水動力條件相對減弱。
2.2 濁積扇
博格達山北緣大龍口、小龍口等剖面可見蘆草溝組發育薄層砂體與深灰色泥巖互層（圖5a），單層砂體厚度為0.05~3 m，屬于深水濁積扇沉積。根據露頭巖性組合特征及沉積構造，劃分出扇中與扇緣2個亞相。
2.2.1 扇中亞相
扇中亞相以濁流水道和漫溢沉積為主，濁流水道下部發育塊狀層理含礫粗砂巖、槽狀交錯層理中砂巖與正粒序層理中砂巖（圖5b），受重力流和牽引流雙重搬運作用控制；濁流水道上部發育水平層理粉砂巖與塊狀層理泥巖。濁流水道自下而上巖性由粗變細，由槽狀交錯層理過渡為水平層理，反映由早期到晚期水動力條件逐漸變弱。漫溢沉積主要分布在濁流水道的兩側，單期砂體表現為正旋回結構，厚度一般為0.5~1.5 m，自下而上由正粒序層理中砂巖過渡為平行層理細砂巖（圖5c），其水動力條件較濁流水道明顯變弱。
2.2.2 扇緣亞相
扇緣亞相厚度較小，以粉細砂巖和泥巖薄互層沉積為主（圖5d），粉細砂巖單層厚度為0.5~5 cm，在露頭及鏡下可以觀察到水平層理、變形構造、同生小斷層（圖5e）。與大龍口剖面相鄰的鉆井巖心可以觀察到滑塌濁積巖透鏡體、不明顯鮑馬序列、包卷層理、火焰狀構造及同沉積布丁構造（圖5f）。鏡下觀察發現粉細砂巖中泥質雜基含量極高，為15%~30%，陸源碎屑顆粒呈次棱角狀、棱角狀，分選較差，反映了沉積物在濁流搬運作用下快速的沉積作用。大龍口、小龍口地區大量的軟沉積物變形構造反映了當時該區域古斜坡易受重力作用發生大規模的滑塌，形成砂泥巖互層沉積。
圖2 井井子溝剖面中二疊統蘆草溝組地層沉積綜合柱狀圖
Fig.2 Stratigraphic column of Middle Permian Lucaogou Formation in Jingjingzigou profile
注：全巖礦物X衍射在勝利油田勘探開發研究院地層古生物實驗室完成，儀器型號為D/max-2500PC衍射儀；巖石熱解數據由勝利油田勘探開發研究院地球化學實驗室完成，儀器型號為巖石熱解儀ROCK-EVAL6；微量元素測試由中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室完成，儀器型號為離子體質譜儀ICP－MS。
2.3 湖泊
湖泊相在博格達山北緣分布廣泛，以半深湖、深湖亞相為主。
2.3.1 半深湖亞相
博格達山北緣蘆草溝組二段和三段發育深灰色泥巖、云質泥巖、云質粉砂巖、粉砂巖與白云巖的薄互層（圖6a，6b），屬于半深湖沉積。泥巖、云質泥巖以塊狀層理為主，有機碳含量為3%~13.8%，平均為4.4%，生烴潛量為6~70 mg/g，平均為23 mg/g，為優質烴源巖（圖2）。白云巖厚度為0.1~0.3 m，由多期次透鏡狀泥晶白云巖疊置構成（圖6c，6d），白云石含量為70%~85%，陸源碎屑含量為5%~15%。掃描電鏡下白云石的形態主要為微球狀和他形2類，微球狀白云石直徑約為1~3 μm，他形白云石直徑約為3~5 μm（圖6e）。張曉寶等分別根據元素分析和碳氧同位素分析，認為博格達地區蘆草溝組微球狀和他形白云石與產甲烷菌等微生物有關的原生白云石，主要形成于深水咸化還原環境［23-24］。云質粉砂巖、粉砂巖厚度為0.2~1.0 m，以水平層理為主（圖6f），鏡下可見粉砂級長英質礦物與黏土礦物呈紋層狀分布，紋層間距為0.2~0.5 mm（圖6g）。此外，在粉砂巖中可見保存相對完整的古鱈魚化石（圖6h），整體反映了相對安靜的沉積環境。半深湖內優質烴源巖與泥晶白云巖、云質粉砂巖、粉砂巖構成的巖石組合，具備形成致密油的良好條件。
圖3 達1井中二疊統蘆草溝組取心段沉積特征
Fig.3 Sedimentary characteristics of the coring section of Middle Permian Lucaogou Formation in Well Da1
圖4 博格達地區中二疊統蘆草溝組近岸水下扇典型沉積特征
Fig.4 Typical sedimentary characteristics of nearshore subaqueous fan of Middle Permian Lucaogou Formation in Bogda area
圖5 博格達地區露頭與鉆井中二疊統蘆草溝組濁積扇典型沉積特征
Fig.5 Typical sedimentary characteristics of turbidite fan of Middle Permian Lucaogou Formation in outcrop and drilling core in Bogda area
圖6 井井子溝剖面中二疊統蘆草溝組三段半深湖相沉積特征
Fig.6 Typical sedimentary characteristics of semi-deep lake of Middle Permian Lucaogou Formation in Jingjingzigou section
注：全巖礦物X衍射與掃描電鏡分析均在勝利油田勘探開發研究院地層古生物實驗室完成，儀器型號分別為D/max-2500PC衍射儀與Quanta200掃描電鏡。
2.3.2 深湖亞相
博格達山北緣蘆草溝組發育厚層深灰色泥頁巖、油頁巖夾薄層白云巖（圖7a，7b），偶見薄層灰巖，整體形成于深湖環境。泥頁巖單層厚度為2~8 m（圖7c），具頁狀構造，紋層間距為0.1~0.3 mm（圖7d）。泥頁巖主要由長英質礦物、黏土礦物組成，有機質在黏土紋層中富集（圖7e），有機碳含量為2.8%~14.8%，平均為5.3%，生烴潛量為3~70 mg/g，平均為31 mg/g，為優質烴源巖。白云巖厚度為0.2~0.5 m，多呈透鏡狀，主要為泥晶白云巖，白云石含量為80%~95%（圖7f），陸源碎屑含量為5%~10%，主要為單晶石英顆粒（圖7g）。掃描電鏡下白云石的形態主要為微球狀（圖7h），直徑約為5~10 μm，粒徑比半深湖環境下形成的白云石顆粒大，反映其沉積水體深度更大、沉積環境更為穩定。蘆草溝組四段深湖相泥頁巖累積厚度最大約為200 m，空間上分布廣泛，有機碳含量、生烴潛量高，具備形成頁巖油氣的良好條件。
圖7 紅雁池剖面中二疊統蘆草溝組四段深湖相沉積特征
Fig.7 Typical sedimentary characteristics of deep lake of fourth member of Middle
Permian Lucaogou Formation in Hongyanchi section
注：掃描電鏡分析在勝利油田勘探開發研究院地層古生物實驗室完成，儀器型號為Quanta200掃描電鏡。
3 沉積演化
準噶爾盆地在中二疊世蘆草溝組沉積時期發生大規模湖侵，博格達地區位于盆地斷陷一側［2］，伊連哈比爾尕山（簡稱伊山）為該區的主要物源［3］。柴窩堡凹陷主要發育近岸水下扇扇中和扇緣沉積（圖8），現今博格達山北緣地區廣泛發育半深湖-深湖、濁積扇沉積（圖9），砂地比由南向北、由西向東逐漸變小，反映伊山西側供給能力較強，由西向東供給能力減弱。
在蘆草溝組一段沉積時期，物源供給較為充足，柴窩堡凹陷廣泛發育近岸水下扇砂礫巖體，向湖盆中心推進最遠距離約為60 km，柴窩堡凹陷以北地區主要發育半深湖與濁積扇沉積，分布范圍相對較?。▓D10a）。在蘆草溝組二段沉積時期，相對湖平面有所上升，近岸水下扇扇體分布范圍減小，尤其是近岸水下扇扇中的沉積范圍明顯減小，半深湖與濁積扇沉積的分布范圍有所增大（圖10b）。在蘆草溝組三段沉積時期，相對湖平面持續上升，近岸水下扇扇體進一步萎縮，向湖盆中心推進最遠距離約為40 km（圖10c）；半深湖分布范圍明顯增大，形成云質泥巖、泥巖與云質粉砂巖、粉砂巖、泥晶白云巖的頻繁互層；靠近盆地腹部的區域出現深湖沉積，分布范圍相對較小。在蘆草溝組四段沉積時期，相對湖平面快速上升，近岸水下扇扇體大范圍縮小，向湖盆推進最遠距離約為20 km（圖10d）；半深湖分布范圍變小，呈帶狀平行于伊山分布；深湖沉積范圍達到最大，發育厚層泥頁巖、油頁巖夾薄層泥晶白云巖，成為重要的優質烴源巖層段。綜合分析可知，蘆草溝組為湖平面持續上升的沉積過程，近岸水下扇砂礫巖規模不斷縮小，半深湖-深湖沉積范圍不斷擴大，發育大規模的優質烴源巖。
圖8 博格達地區柴參1石井—三工河剖面蘆草溝組沉積相對比
Fig.8 Lucaogou Formation sedimentary facies of Well Chaican1Shi-Sangonghe section in Bogda area
圖9 博格達地區井井子溝剖面—奇1井蘆草溝組沉積相對比
Fig.9 Lucaogou Formation sedimentary facies of Jingjingzigou-Well Qi1 section in Bogda area
圖10 博格達地區中二疊統蘆草溝組沉積相分布
Fig.10 Sedimentary facies distribution of Middle Permian Lucaogou Formation in Bogda area
4 結論
博格達地區蘆草溝組自下而上分為一段、二段、三段與四段，發育近岸水下扇、濁積扇與湖泊相沉積。近岸水下扇主要發育扇中和扇緣亞相，以灰色礫巖、砂礫巖與深灰色泥巖互層為主。濁積扇主要發育扇中和扇緣亞相，分別以灰色中粗砂巖和粉細砂巖沉積為主。湖泊主要發育半深湖、深湖亞相，前者以深灰色云質泥巖、云質粉砂巖、粉砂巖與泥晶白云巖互層為主，后者以厚層泥頁巖夾泥晶白云巖為主。
蘆草溝組沉積時期整體為湖侵的沉積過程。在蘆草溝組一段、二段沉積時期，物源供給能力較強，近岸水下扇在柴窩堡凹陷連片分布，半深湖與濁積扇分布在現今博格達山以北地區。在蘆草溝組三段、四段沉積時期，湖侵規模不斷擴大，半深湖、深湖沉積在柴窩堡凹陷與現今博格達山周緣廣泛分布，發育大規模的優質烴源巖。
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編輯 經雅麗
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收稿日期：2020-04-20。
作者簡介：張奎華（1972—），男，山東濱州人，教授級高級工程師，博士，從事油氣勘探部署工作。E-mail：zhangkuihua.slyt@sinopec.com。
通信作者：王越（1988—），男，山東德州人，助理研究員，博士。E-mail：620788364@qq.com。
基金項目：中國石化科技攻關項目“準噶爾探區二、三疊系油氣成藏條件及目標評價”（P19016）、“準東南地區二疊系油氣地質條件及勘探潛力”（P18054），國家科技重大專項“準噶爾盆地及周緣泥頁巖沉積層序特征”（2017ZX05036001-002）。
