准噶尔盆地西北缘克构造活动盆地层序地层特征与主控因素以准噶尔盆地克百地区二叠系为例

准噶尔盆地西北缘克构造活动盆地层序地层特征与主控因素以准噶尔盆地克百地区二叠系为例

0构造活动对二叠纪的控制作用自出版以来，在不同盆地中应用了分层理论和方法论，其理论体系也得到了丰富和发展。构造沉降、海平面升降、气候变化和沉积供给速率是控制沉积层序和地层叠置样式的基本因素,但在构造活动地区,构造作用是控制盆地沉积物充填过程和沉积物分布的最主要因素。构造活动对二叠系具有重要的控制作用。在前人对西北缘二叠系层序地层学研究的基础上,提出了克—百地区二叠系层序地层新的划分方案,较之前人在层序划分精度、层序发育控制因素、层序形成机制方面做了有益的探讨,为在层序地层框架下进行沉积相研究以及岩性和地层圈闭预测提供了重要依据。1叠纪活动特点研究区位置如图1所示。准噶尔盆地西北缘二叠系为前陆盆地,准噶尔盆地西北缘克—百断裂带具有明显的同生断层性质与多期叠瓦冲断活动的特点,二叠系仅存于克—百断裂下盘,由上至下依次发育佳木河组、风城组、夏子街组、下乌尔禾组和上乌尔禾组。佳木河组分为上、中、下三段,其中上亚组与下伏中亚组、上覆风城组呈不整合接触。自西向东,佳木河组从盆地边缘向盆地内部呈楔形减薄的趋势。夏子街组与下伏风城组呈不整合接触,上乌尔禾组底界是全区稳定分布的角度不整合面,削蚀其下多套地层(图2,3)。2层序层结构与组成特征2.1层序界面的划分源于纯粹沉积岩的经典层序地层学将不整合面定义为能将新老地层分开的界面,其上存在着指示重大沉积间断的陆上侵蚀削截或陆上暴露现象。该定义将水下的侵蚀面和沉积间断面,以及局部的、与地质作用伴生的准周期侵蚀和沉积界面,排除在层序地层学的不整合面定义之外。不整合面类型分为削截、视削截、上超、下超、双向下超、顶超、下切谷侵蚀。含火山岩系地层中存在的不整合面类型包括:沉积岩发育区的不整合面、沉积岩和火山岩共存岩区的不整合面、纯火山岩区的不整合面。沉积岩发育区的不整合面与经典层序地层学不整合面意义一致;沉积岩和火山岩共存岩区的不整合面包括火山丘伴生的上超不整合面、火山丘伴生的双向下超不整合面、火山丘伴生的顶部削蚀不整合面,同时发育于火山岩和沉积岩带的削蚀不整合面。火山丘伴生的上超不整合面(图2-C、D)、火山丘伴生的双向下超不整合面(图2-B、C、D)的形成机制是火山活动,与相对湖平面变化无必然关系,且不整合面分布范围局限,不能全区追踪,不能作为层序界面。火山丘伴生的顶部削蚀不整合面(图2-B)本质上与火山作用有关,不是与层序界面相关的不整合面,但有时可能和与层序界面相关的不整合面重合。沉积岩和火山岩共存岩区的不整合面(图2-A)指示重大陆上沉积间断,区域上其与对应的整合面可进行等时追踪,其形成机制是相对湖平面下降,可作为层序界面进行全区追踪与对比。因此,含火山岩系地层存在与相对湖平面变化相关的不整合面(沉积岩发育区的不整合面、同时发育于火山岩和沉积岩带的削蚀不整合面),该类不整合面可作为层序界面。所以,含火山岩系地层也可以进行层序的划分和对比,源于纯粹沉积岩的经典层序地层学的基本原理和方法也适用于含火山岩系地层。同时,含火山岩系地层中的火山岩与碎屑岩均是层状产出,其层面都具有等时性,都受构造剥蚀的控制,其不整合面完全可以对比,因此,可以根据不整合面和岩层层面对含火山岩系地层进行层序地层的划分和对比。综合对地震、钻井等资料的分析,区内的二叠系可划分为5个二级层序(PSS1—PSS5),与基准面旋回的特定阶段相对应,由多个在相近地质背景下形成具有相似沉积组合特征的三级层序组成(表1),亦可称为层序组,其界面为盆地较大范围内可追踪的角度或微角度不整合面、区域性沉积间断面。PSS1由佳木河组下亚组(P1j1)构成,可划分为PSQ1、PSQ2两个三级层序。其底界为二叠系与石炭系的分界,从钻井揭示来看,石炭系主要岩性为火山岩,而与之接触的佳木河组则为火山岩与碎屑岩混积地层。此界面为区域不整合面,其上佳木河组具有典型的楔状的特点,而其下的地层相对杂乱(图3)目前研究区钻至PSB1的井很少,在钻井上PSB1一般表现为火山旋回界面。PSS2由佳木河组中亚组(P1j2)和佳木河组上亚组(P1j3)构成。佳木河组中亚组底界PSB3为一个区域不整合面,界面上下地层格局存在明显差异,即:界面之下佳木河组下亚组(PSQ1、PSQ2)西厚东薄呈楔状,界面之上佳木河组中、上亚组(PSQ3、PSQ4)呈席状(图3a)。PSB3在钻井地质剖面上对应于底砾岩或火山旋回界面。PSS3由对应风城组(P1f)。风城组底界PSB5是一个区域不整合面,表现为上超下削,沿PSB5上下地层格局在南北方向存在明显差异,即界面之下地层厚度为南厚北薄,界面之上为南薄北厚,反映了佳木河组与风城组之间沉降中心的变化(图3b)。从已知的钻井揭示,PSB5对应于底砾岩层或火山旋回界面。正常的碎屑岩岩石组合及测井特征表明,该界面属于一个正反旋回的分界面,即界面之下主要为一套向上变粗的反旋回构成,界面之上则为一套水体逐渐变深的正旋回。PSS4由夏子街组(P2x)和下乌尔禾组(P2w)组成。夏子街组底界PSB8为一个很大的由东向西的超覆面,局部为削截面(图3a),在钻井上,PSB8一般对应于沉积旋回底部的底砾岩层,界面之上主要为一套加积—退积的旋回组成,界面下部为向上变粗的反旋回。PSS5对应上乌尔禾组(P3w)。上乌尔禾组底界PSB12对下伏地层的削蚀范围非常巨大,由西到东TSB1超覆在PSB12之上,在钻井上PSB12一般对应于沉积旋回底界的底砾岩层(图3,图4)。二级层序可进一步划分为若干三级层序,三级层序界面的识别标志:(1)地震剖面上局部地区发育的不整合面;(2)沉积体系叠置样式的转化或沉积环境的突变界面。研究区可划分为12个三级层序(图3),各三级层序分布稳定,在横向上可以对比及追踪。2.2岩浆起源—沉积构成下二叠统(P1j、P1f)为火山岩和碎屑岩混积地层,而中上二叠统基本上以碎屑岩为主,二者具有完全不同的层序演化序列和沉积充填模式,因此,将二叠系分为下二叠统和中上二叠统两套体系。下二叠统(PSS1、PSS2、PSS3),从盆缘向盆地中心方向,依次是火山口—近火山口相、远火山口相+扇三角洲平原亚相、远火山口外亚相+扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相。垂向上火山岩相常与扇三角洲相和湖泊相交替发育,总体上火山岩减少而沉积岩增多(图4)。中上二叠统(PSS4、PSS5)表现为区域性的、从水进到水退的沉积旋回。中二叠统沉积旋回具有粗—细(—粗)的演化特征,PSQ8为二级层序PSS4的低位体系域,从盆地边缘向盆地中心,沉积相由冲积扇或扇三角洲相向湖相过渡,PSQ9和PSQ10则属于二级层序的水进体系域,从盆地边缘向盆地中心沉积相由扇三角洲相向湖相过渡,其顶部高位体系域PSQ11在后期的构造演化过程中,受逆冲断裂活动的影响,地层抬升受到剥蚀,局部地区发育冲积扇。PSQ12为区域性水进旋回的下段,岩性是灰色、棕褐色、灰褐色砾岩夹砂岩、泥岩、砂质泥岩,是一套冲积扇—辫状河—辫状河三角洲相、扇三角洲相、湖泊相沉积(图4)。3构造作用的直接控制通过编制连井沉积相图、连井地震剖面图和二级层序的厚度分布图可看出,各二级层序沉降中心发生迁移,具体表现为PSS1时期,沉积中心位于研究区西南部;PSS2时期,则位于研究区西北部;PSS3时期,沉积中心向东迁移,至PSS4时期,最大沉积中心位于研究区东北部;而PSS5时期,沉积中心则位于研究区南部(图5)。沉积中心的迁移反映了构造应力方向的变化对盆地沉积和沉降的控制作用。克—百地区早二叠世是强烈逆冲造山导致的挠曲沉降背景下发育的前陆盆地,并伴随强烈的火山活动。西北缘构造作用主要表现在西准噶尔造山带强烈地自西向东推覆,西北缘产生规模较大的逆冲断裂带,准噶尔地块受造山带产生的垂直载荷作用使岩石圈发生挠曲,造成盆地基底西倾,形成西北缘前陆盆地。同时随着碰撞造山,造成岩浆强烈活动,岩浆沿着西北缘深大逆冲断裂上升到地表,形成火山喷发。前陆逆冲作用与盆地挠曲沉降及其对沉积的控制,以及伴生的火山作用具有幕式特点,这种幕式的构造活动直接控制着前陆盆地火山—沉积层序的形成和演化。在层序发育早期,一方面由于西北缘强烈逆冲造山及伴生的强烈火山活动,形成山前巨厚的火山岩和砂砾岩带,构成层序下部火山岩充填和粗粒碎屑岩沉积;另一方面,逆冲体的重力加载引起快速挠曲沉降,可容空间增加,导致了区域性的水进。层序早期的火山活动时间短且很快趋于停止,然后开始发育正常碎屑岩沉积。随后由于逆冲挠曲作用减弱,盆地沉降变缓、开始回弹隆起,导致了区域性的水退,以扇三角洲沉积、滨浅湖为主的碎屑体系向盆地推进;同时局部伴生强度相对较弱的、短期的火山活动,形成了层序上部的水退序列(图4)。中—晚二叠世,断裂活动继续进行,为后期正常的碎屑岩沉积提供了很好的构造背景,尤其是逆冲活动导致在盆地边缘形成的断裂坡折带,向盆地方向因为构造活动产生的塑性变形形成的挠曲型坡折带,这些古地貌背景为该地区层序内部各体系域的发育产生了极大的影响,坡折带对层序叠置样式和低位体系域的控制作用主要表现在两个方面:①由于坡折带的存在,其上下构造沉降差异为沉积物的沉积充填提供了潜在的可容空间,构造运动愈强烈,沉降差异愈大,坡折带之下的可容空间越大;②坡折带是沉积物供给通道的重要影响因素之一。通过坡折带研究,结合体系域界面的识别,认为克—百地区坡折带对层序的控制作用十分明显:盆缘坡折带控制了层序边界和最大湖泛面的发育,盆内挠曲坡折带表现为对低位体系域和初次湖泛面的控制;在盆内挠曲坡折带的坡脚处又是低位域浊积扇发育的有利场所(图6)。初次湖泛面和最大湖泛面的发育,可将三级层序分为低位体系域,水进体系域和高位体系域。坡折带的形成受构造活动的控制,因此,构造作用仍然是中—晚二叠世层序形成的根本控制因素。4含火山岩系地层序形成与演化控制因素(1)准噶尔盆地西北缘下二叠统含火山岩系地层中的火山岩与碎屑岩均是层状产出,其层面均具有等时性,内部旋回性好,都受相对湖平面变化的控制,其不整合面完全可以横向对比,层序划分和对比具有可行性。(2)将准噶尔盆地克—百地区二叠系划分为5个二级层序,12个三级层序,PSS1—PSS3为含火山岩系地层,从盆缘向盆地中心方向,依次是火山口—近火山口相、远火山口相+扇三角洲平原亚相、远火山口外亚相+扇三角洲前缘亚相、前扇三角洲亚相。垂向上火山岩相常与扇三角洲相和湖泊相交替发育,总体上火山岩减少而沉积岩增多;PSS4—PSS5为碎屑岩地层,PSS4表现为一个完整的水进—水退的旋回,PSS5为表现为水进特征,沉积相类型以冲积扇、扇三角洲为主。(3)克—百地区二叠系层序格