塔北地区三叠系黄山街组湖相风暴沉积
唐武1, 2，王英民1, 2，袁文芳3，李华1, 2，张雷4，孙希家1, 2，郑贵春1, 2
(1. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249；
2. 中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京，102249；
3. 塔里木油田勘探开发研究院，新疆 库尔勒，841000；
4. 中石油煤层气有限责任公司，北京，100028)
摘要：通过岩心观察及粒度分析，对塔北地区黄山街组湖相风暴沉积进行研究。研究结果表明：本区风暴岩以中细砂岩、粉砂岩为主，缺乏粗粒的砂砾岩体，局部见泥砾，发育冲刷面、丘状交错层理、递变层理、浪成沙纹层理、波状交错层理、变形构造以及生物逃逸迹等沉积构造；粒度概率曲线呈两段式，以跳跃总体为主；本区理想风暴沉积垂向序列可归纳为“似鲍马序列”，自下而上为递变层理段(Sa)、平行层理段(Sb)、丘状层理段(Sc)、浪成沙纹或波状层理段(Sd)、泥页岩段(Se)，其中Sabde，Sace，Scde及Sde 4种沉积序列常见。风暴沉积物源来自于西北部的柯坪隆起以及东北部的库鲁克塔格隆起，按照其沉积特征以及与物源的关系，判定本区发育的风暴岩为过渡型和远源型风暴岩。
关键词：风暴沉积；风暴岩；丘状交错层理；黄山街组；塔北地区
中图分类号：TE121.3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)10-4179-08
Lacustrine storm deposits of Triassic Huangshanjie Formation in northern Tarim Basin
TANG Wu1, 2, WANG Yingmin1, 2, YUAN Wenfang3, LI Hua1, 2,
ZHANG Lei4, SUN Xijia1, 2, ZHENG Guichun1, 2
(1. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
3. Exploration and Exploitation Institute of Tarim Oil Field Company, Korla 841000, China;
4. PetroChina Coalbed Methane Company Limited, Beijing 100028, China)
Abstract: Based on core observation and grain analysis, the lacustrine storm deposits in Huangshanjie Formation in northern Tarim Basin were studied. The results show that they are mainly composed of middle-fine sandstone and siltstone, being short of coarse sandy conglomerate with bounder clay locally developed. Several typical storm sedimentary structures are recognized, including surface of scour, hommocky cross stratification, graded bedding, wave-ripple bedding, wavy bedding, deformation structures, as well as life-escaping structures. Grain-size probability curves show obvious two-section pattern, with saltation population mainly developed. The ideal storm sequence of this area is a Bouma-like sequence, and from bottom to top consists five segments, namely graded bedding(Sa), parallel bedding(Sb), hummocky cross stratification(Sc), wave-ripple or wavy bedding(Sd), mudstone segment(Se), with Sabde, Sace, Scde and Sde sequences commonly developed. There are two provenances for storm deposits in this area, of which one comes from northwestern Kalpin Uplift, and the other comes from northeastern Kuruketage Uplift. Judging from the sedimentary features and its relationship with provenances, the tempestites of this area are transtional or distal tempestite.
Key words: storm deposits; tempestite; hummocky cross stratification; Huangshanjie Formation; northern Tarim Basin
自20世纪70年代Kelling等[1]首次提出风暴岩(Tempestite)概念以来，国外许多学者在风暴岩的沉积特征、丘状交错层理的成因、垂向序列以及沉积模式等方面开展了大量的研究，取得了丰硕的成果[2-7]。我国学者自20世纪80年代逐渐开始对风暴沉积开展研究，但早期主要是针对海相地层，关于湖相风暴沉积的研究并不多[8]。随着研究的逐步深入，在我国的主要含油气盆地如松辽盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地等地区陆续发现了古代湖相风暴沉积[9-11]，而在塔里木盆地北部地区尚未见有湖相风暴沉积的相关报道。本文作者基于大量的岩心资料，在塔北地区三叠系黄山街组中发现了风暴沉积，并对其沉积特征、垂向序列及类型开展研究，这不仅有助于该区沉积体系演化、古地理和古气候恢复、地层划分与对比的研究，还可以为油气勘探提供新的思路。
1 地质概况
塔里木盆地是一个由古生界克拉通盆地和中、新生界前陆盆地组成的大型叠合盆地，具有复杂的构造演化历史。盆地的形成经历了震旦纪-中泥盆世、晚泥盆世—三叠系和侏罗纪—第四纪3个伸展-聚敛旋回演化阶段，发育多套生储盖组合，具有多期成藏特点，是我国重要的油气产区[12-13]。而塔北地区自海西运动以后进入大型内陆湖盆演化阶段，南天山带与新河—轮台断隆共同将该区分为库车坳陷以及阿瓦提—满加尔坳陷，形成了两隆两拗的区域沉积构造格局，中生代以来发育河流、三角洲以及湖泊相沉积[14-15]。本文的研究区位于塔北隆起的斜坡带上(图1)，其三叠系黄山街组以三角洲—湖泊相沉积为主，是该区油气勘探的重要目的层段之一。该时期气候为温暖潮湿的热带—亚热带气候，古纬度介于30°~40°之间[16] ，前人在研究古生代和中生代风暴沉积发育的古地理位置基础上，提出了25°~45°纬度范围是飓风和风暴共同作用的有利区[17]，因此，本区具备风暴流发育的条件。
2 风暴沉积特征
2.1 岩性特征
风暴岩是由飓风、地震、海啸等引起的风暴流冲刷、深挖三角洲和滨浅湖(海)的沉积物，使其重新搅动并被悬浮起来，随后被风暴回流搬运堆积而成的特殊沉积层，主要发育于正常浪基面与风暴浪基面之间[8]。随着离岸距离的远近不同，粒度有所差异，一般靠近物源粒度较粗，以含砾砂岩、中粗砂岩为主，而远离物源粒度相对较细，以细砂岩、粉砂岩以及泥质粉砂岩为主。本次研究所发现的风暴沉积粒度较细，以细砂岩及粉砂岩为主，夹植物茎干碎片，局部见有泥砾，粒径为0.4~2.5 cm，整体发育于黄山街组湖侵和高位时期的深湖—半深湖的泥质沉积中。
2.2 沉积构造特征
风暴岩主要见于黄山街组的砂泥岩中，其沉积构造类型丰富，主要有以下几种。
2.2.1 冲刷-充填构造
当风暴高潮期时，风暴流强烈冲刷沉积物表面，形成各种侵蚀构造，常见有冲刷面、渠模及截切构造，其凹凸程度反映了风暴作用的强度[10]。本区冲刷面常见，呈不规则波状起伏，整体幅度较小，但渠模及截切构造不发育(图2(a))，反映了该处风暴能量虽具侵蚀能量，但其强度不大。冲刷面之上泥砾常见，其排列杂乱，不具定向性。
图1 塔北地区构造略图
Fig. 1 Sketch map of northern Tarim Basin
2.2.2 丘状交错层理
丘状交错层理是风暴岩识别中最重要的沉积构造，其外形呈圆丘状，内部纹层向四周倾斜，上部层系遭受侵蚀，层系底界面与纹层近似平行，至中部发散-收敛。其形成和发育规模受沉积物粒度、风暴浪作用强度、沉积速率以及地形坡度等因素的控制[4, 8]。目前，对于其成因存在广泛争议，但大多数学者同意Harms等的观点[18]，认为其是单向水流和振荡水流共同作用的结果，形成于风暴减弱期。2006年Dumas等[4]利用波洞试验探讨丘状交错层理成因的成果，又进一步支持了Harms的观点。塔北黄山街组发育的丘状交错层理的主要特征为层系内部纹层上凸下凹，上下纹层两端相互收敛相交，丘高介于2~5 cm之间(图2(b))，是风暴作用的典型标志。依据其形态和组合特征可进一步划分为简单型和复合型两类，简单型由单个层系组成，单个丘体长为1~4 cm，高为2~4 cm；而复合型由两个或多个丘状体叠合而成，层系之间见切截关系。
2.2.3 递变层理
递变层理的发育是风暴高潮期过后，风暴流流速降低、搬运能力减弱导致所夹带的沉积物按照重力分异堆积而成[9]。本区内发育粗尾粒序的递变层理，位于冲刷面之上，与下伏泥岩呈突变接触，向上向平行层理过渡(图2(a))。整体上，粒序层规模不大，一般厚 1~3 cm，且岩性较细，以中、细砂岩为主。
2.2.4 浪成沙纹层理和波状层理
浪成沙纹层理是在风暴浪的作用下处于悬浮状态下的沉积物，受到水流和波浪的持续供给，使得波浪在向前迁移的同时逐渐向上建造，从而形成了一个互相叠置的波浪系列[9]。它与波状交错层理常相互伴生，是典型的牵引流构造，也是风暴沉积序列与浊流沉积序列的主要区别标志之一[2]。在轮南22井4 451~4 453 m及沙55井4 682~4 690 m岩心中见大量的浪成沙纹层理及波状层理(图2(c)和2(f))。多发育于深湖-半深湖的暗色泥岩之中，通常见于丘状交错层理之上，其可能形成于水动力条件较弱的环境中，即风暴流的衰弱期。
图2 塔北地区三叠系黄山街组风暴沉积主要构造类型
Fig. 2 Main sedimentary structures of tempestite sediments of Huangshanjie Formation in Triassic, northern Tarim Basin
2.2.5 准同生变形构造
准同生变形构造多形成于各种快速沉积的环境中，事件沉积中常见，由于沉积物的快速堆积，孔隙水来不及排除从而形成超压孔隙，之后导致形成一系列变形构造[8,10]。重力流环境下变形构造发育，而风暴流兼具重力流的特点，因此，风暴沉积物中也发育变形构造。本次研究区内变形常见，主要有重荷模、球枕构造、包卷层理以及滑塌构造(图2(d)和2(e))。球枕构造直径为4~10 cm，见有纹层，但已变形，纹层呈槽状向下弯曲，下伏泥岩呈火焰状延伸进砂岩层中，形成火焰构造。
2.2.6 生物成因构造
生物成因构造为快速沉积作用发生时，生物为了不被掩埋而出现的逃逸现象，是快速沉积的一个典型标志，同时也是风暴沉积中常见的遗迹化石之一[8]。本区内的生物成因构造主要为生物逃逸迹和生物钻孔，其中生物逃逸迹尤为发育，表现为一种细长或略倾斜的垂直潜穴，潜穴长度最大可达15 cm，宽度近2 cm，回填现象少见(图2(f))。
2.3 粒度特征
风暴沉积粒度概率曲线呈典型的两段式[9]，而本区沉积物粒度概率曲线由跳跃总体和悬浮总体两部分组成，跳跃成分含量较高，总体含量介于60%~80%之间，跳跃和悬浮交截点的Φ值为2.5~3.5(图3)，符合风暴沉积的特征。且跳跃总体坡度较大，坡度一般为70°~76°，反映了该区分选较好，为风暴能量衰减时典型的牵引流沉积特征。
图3 塔北地区风暴沉积粒度概率曲线
Fig. 3 Grain-size probability curve of storm deposits in northern Tarim Basin
3 风暴岩垂向沉积序列
由于不同时期风暴作用的水动力条件不同，从而形成不同的风暴垂向沉积序列[11]。而本区内4种风暴垂向沉积序列常见：(1) 从递变层理—平行层理—浪成沙纹层理或波状层理的中细砂岩向块状泥岩过渡的沉积序列 (图4(a))；(2) 由递变层理—丘状交错层理的中细砂岩与块状泥岩组成的沉积序列 (图4(b))；(3) 自下而上为丘状交错层理—浪成沙纹层理—波状层理细砂岩和同沉积变形粉砂岩或灰黑色块状泥岩的沉积序列 (图4(c)和4(d))；(4) 由底到顶由发育变形层理的生物逃逸迹浪成沙纹层理或波状层理粉细砂岩与黑色块状泥岩构成的沉积序列(图4(e)和4(f))。其中前2种序列的共同特点是冲刷面发育，但其凹凸幅度较小，反映了本区的风暴流虽具有一定的侵蚀能力，但能量较弱。而后2种序列岩性整体为细粒沉积，是风暴作用后期的产物。
通过上述的沉积序列分析，并结合大量的岩心观察，建立了塔北地区三叠系黄山街组风暴沉积的理想垂向层序(图5)。自下而上分别是递变层理段(Sa)、平行层理段(Sb)、丘状交错层理段(Sc)、浪成沙纹或波状层理段(Sd)以及泥页岩段(Se)。整体似“鲍马序列”，体现了一个完整的风暴能量衰减过程，构成了一个下粗上细的正旋回风暴序列。
Sa段粒度相对较粗，以中细砂岩为主，本区该段厚度较薄，一般为3~5 cm。底部冲刷构造明显，与下伏泥岩呈突变接触，冲刷面上含泥砾，粒径为0.4~2.5 cm，是风暴高潮期风暴浪搅动晴天浪底之下的沉积物而成。
Sb段主要发育在强水动力条件下的细砂岩和粉砂岩中。本区内其厚度较Sa段更薄，通常为2~4 cm，砂体分选、磨圆均较好，为风暴高潮期过后强烈的底部剪切水流造成。
Sc段主要出现在细砂岩和粉砂岩中，在本区厚度为8~15 cm。发育丘状交错层理及洼状交错层理，其内部纹层上部呈背斜状，下部呈宽缓向斜状，横向上不稳定，是风暴能量衰减期振荡水流和单向水流共同作用形成的。
Sd段岩性以泥质粉砂、粉砂岩为主，本区厚度一般为15~30 cm，见垂直生物逃逸迹。与Sc段类似，该段也形成于风暴能量衰减期，但是，此时的水动力相对更弱，且流体的性质已发生变化，转化为牵引流。
Se段为正常天气情况下的湖相沉积，以粉砂质泥岩和泥岩为主，内部常见植物碎片，发育水平层理及块状层理，是风暴结束后细粒悬浮物质堆积而成。
图4 塔北地区常见风暴沉积序列
Fig. 4 Common storm deposits sequence of northern Tarim Basin
图5 塔北地区理想风暴沉积序列
Fig. 5 Ideal tempestite sedimentary sequence of northern Tarim Basin
4 风暴岩类型
风暴沉积体现了一个侵蚀到再沉积的过程，在风暴的作用下沉积物被风暴重新搅动、搬运、沉积下来。风暴强盛期，风暴流强烈冲刷沉积物表面形成各种侵蚀构造；风暴衰减期，风暴流侵蚀能力减弱，沉积作用显著增强；风暴衰亡期，受重力作用风暴流向湖盆方向移动，沉积物逐渐发生分异，形成似鲍马序列的风暴沉积[8]。然而，不同地区风暴作用强度与持续时间各异，导致形成不同类型的风暴岩。依据风暴作用对沉积物的改造、位移及沉积环境，可将风暴岩分为原地型风暴岩与异地型风暴岩两种基本类型[19-20]，其中异地风暴岩可进一步划分为近源型、过渡型及远源型风暴岩(图6)。
原地型风暴岩与浅水相沉积物相伴生，多发育于正常浪基面之上，反映了沉积物就地被风暴打碎、搅动、再沉积的过程，是风暴高潮期的产物。其沉积物由具有冲刷面或渠模的递变层理砂砾岩段及块状层理或水平层理泥岩段组成，垂向上发育Sae沉积序列，多期风暴沉积常相互叠置。
异地型风暴岩常见于原地型风暴岩沉积之外的较深水区，是风暴回流携带大量陆缘碎屑物质经过一定距离的搬运在正常浪基面与风暴浪基面之间堆积而成。依据其距物源区的远近可进一步细分为近源型、过渡型和远源型3种风暴岩。
近源型风暴岩发育于正常浪基面以下靠近物源的区域，是由于风暴高潮期过后风暴流能量减弱、流速降低所携带沉积物短距离搬运而成。与原地型风暴岩相似，其冲刷作用显著，与底部突变接触，但其侵蚀幅度减小，沉积物粒度变细，垂向上层理构造更加丰富，见有反映中-弱水动力条件的浪成沙纹层理或波状层理发育。Sabce和Sacde沉积序列常见，顶底均为正常的湖相泥岩沉积。
过渡型风暴岩见于近源型与远源型风暴岩之间的过渡地带，此处虽仍可见冲刷构造，但此时冲刷面侵蚀幅度较近源型更小，且递变层段的厚度减薄，表明随着搬运距离的增加，风暴作用的能量减弱。垂向上其沉积序列以Sabde和Sace为主，例如在本区轮南44井4 605.8 m处见由递变层理、平行层理、浪成沙纹层理、波状层理的中细砂岩与块状泥岩组成的沉积序列(图4(a))，为风暴序列的Sabde段，而在解放124井4 602.5 m处可见Sace沉积序列组合(图4(b))，这2种沉积序列单期厚度均不大，一般为3~8 cm。
远源型风暴岩主要发育于风暴浪基面附近，属于远距离搬运产物。其沉积时风暴能量已经很弱，不再具有对原地沉积物的冲刷侵蚀能力，沉积物粒度较细，以粉细砂及泥质沉积为主，砂体分选磨圆好，缺少粗粒成分。垂向序列上缺乏Sab段，Scde, Scd及Sde序列组合常见。本区内轮南22井4 449.3 m及沙55井4 684.1 m上分别发育Scde及Sde的远源风暴沉积序列(图4(d)和4(e))。
从原地型风暴岩到远源型风暴岩的形成过程中，距物源方向逐渐变远，水体加深，风暴能量减弱，侵蚀能力降低，沉积物粒度变细，砂岩厚度及砂岩百分比含量也相应减小(图6)。前人通过轻重矿物组合特征并结合区域地质背景对塔北地区的物源展开分析[21]，结果表明黄山街组沉积时期塔北地区的物源主要来自西北部的柯坪隆起以及东北部的库鲁克塔格隆起，均远离研究区。而本区风暴沉积整体上缺少粗粒物质，虽发育 Sab段的递变层理及平行层理段序列，但其规模均不大，且岩性较细，以中细砂岩为主，仅局部夹泥砾，未见粗粒的砂砾岩体。沉积物多为粉细砂岩级别的细粒沉积，反映了该区内风暴回流能量已消耗殆尽，不再具备强烈的侵蚀能力，因此，本区内风暴岩沉积为过渡型或远源型风暴岩。
图6 塔北地区三叠系黄山街组风暴岩沉积模式
Fig. 6 Tempestite sedimentary model of Huangshanjie Formation in Triassic, northern Tarim Basin
5 讨论
前人的研究认为三叠系黄山街组沉积时期本区主要为三角洲—湖泊沉积体系[14-15]，而对后期湖盆水体对砂体的改造关注较少。本次风暴岩的研究，增添了本区新的沉积相类型，这对完善本区的沉积体系，重塑其演化规律具有重要的意义，同时为恢复本区的古地理、古气候环境提供了有利的线索。
风暴和飓风作用的影响范围主要集中于纬度25°~45°的区域[17]，低纬度的热带亚热带气候带则是风暴岩的频发区[22-23]。本区沙55井在短期内出现了5~6次细粒风暴岩的叠加(图2和图3)，这种多次叠加表明三叠系黄山街组沉积时期本区曾经处于风暴作用强烈的热带亚热带气候下的低纬度地区，并且位于适宜风暴沉积保存的深湖—半深湖环境。方大钧等[16]通过库车河剖面的古地磁资料研究表明三叠纪塔里木盆地的古纬度为30°~40°，而孢粉组合及古植物组合的研究揭示黄山街组的古气候为温暖湿润的热带—亚热带气候[24]，这表明本区风暴岩所揭示的特征均与前人的研究成果一致。因此，风暴岩的研究对于古纬度分析以及古沉积环境重建意义重大，甚至可以为分析塔里木盆地的演化提供有价值的依据。
风暴沉积作为一种事件沉积，其持续时间短，但规模大，且特征明显，可作为等时性标志层在本区甚至大区域范围内开展地层的追踪对比，这为地层的划分与对比也提供了很好的参考。
强能量的风暴流将滨浅湖分选好的滩坝砂体或三角洲砂体重新卷起并向盆地方向搬运，随着搬运距离的增加，风暴能量减弱，沉积物卸载。而本区过渡型和远源风暴岩搬运距离长，沉积物分选、磨圆好，杂基含量低，可作为有利的储集层。并且其位于深湖—半深湖附近，临近生烃凹陷，有利于油气充注，形成岩性油气藏，这对目前构造油气藏已钻探完毕、急需产能接替的塔北地区来说具有非常重要的现实意义。
6 结论
(1) 利用岩心观察和粒度分析，在塔北地区发现了湖相风暴沉积，其发育典型的冲刷面、丘状交错层理、递变层理、波状层理、浪成沙纹层理以及各种变形构造和生物逃逸迹。粒度概率曲线呈两段式，以跳跃总体为主。
(2) 本区风暴岩主要发育Sabde，Sace，Scde及Sde 4种沉积序列，整体上距物源区较远，粒度较细，缺乏粗粒沉积，局部见冲刷构造，侵蚀幅度小，为典型的过渡型或远源型风暴岩。
(3) 风暴岩的研究不仅有利于本区沉积体系演化的分析、古纬度和古环境的重建以及地层的划分与对比，而且还可以为塔北地区的油气勘探指明新的方向。
致谢：中石油塔里木勘探开发研究院肖中尧、黄少英、张博等专家对本文的撰写给予了指导，项目组吴嘉鹏博士、刁宛硕士对于岩心资料的整理提供了帮助，在此一并表示感谢！
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-09-14；修回日期：2012-12-22
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2009CB219407)；国家自然科学基金资助项目(40972077)
通信作者：唐武(1987-)，男，湖北荆州人，博士研究生，从事沉积学、层序地层学与储层预测方面研究；电话：15210871502；E-mail：tw_geology@163.com
