1. 概况
研究区位于塔里木盆地西南部，即叶尔羌河之东南、杜瓦河之西北，其石炭系—二叠系地层呈环形带状沿南天山西南缘至塔西南山前铺展。这一区域是以古生界至新生界沉积为主导的叠合型前陆盆地，主要涵盖了叶城凹陷与喀什凹陷[1]-[15]，是塔里木盆地油气勘探战略的重要接替区之一。震旦系诞生以来，塔西南凹陷经历了许多动力学特征截然不同的演变阶段[2]。正是在这样的背景下，形成了独特的沉积地层结构，与塔里木盆地的其他构造单元形成了鲜明的对比。
塔西南山前冲断构造带总体呈现为向帕米尔东缘抬升、倾向盆地方向的单斜构造，构造带分层特征明显[3]。海西运动期间，阿孜干组至克孜里奇曼组的石炭纪至二叠纪碳酸盐岩类沉积物堆积在当时位于古老特提斯海北侧的塔里木盆地。该山前区广泛分布着古生代的多周期逆断层，地质结构以逆序叠压为主，而古生代地层大体受到印支运动期间的高倾角逆冲(或许还伴随着一定的走滑)断层的强烈影响，形成了重叠的叠瓦式前冲构造体，并出现了一些局部的背斜或断层背斜构造[12] [13]。同时，由于海西期地质活动的影响和海平面的变化，塔西南山前地区从石炭纪到二叠纪的沉积时期中，经历了相对完整且连续的“海侵–海退”循环过程[8]。
现阶段，对于塔西南山前石炭系碳酸盐深水重力流沉积的研究仅存在少量的讨论[9]，它们的关键特征如主要沉积类型、规模、分布情况以及储存能力等方面尚未被深入研究并完全理解。本文通过对库山河与齐美干两个地点的剖面数据进行处理，采用露头和单井辨识、地震相解析和优势相绘制的方法进行了相关研究(图1)。
2. 塔西南山前石炭系斜坡相重力流类型及特征
作为影响台地边缘发育分布的关键沉积形式，碳酸盐岩台缘斜坡相沉积以其独特的异位碳酸盐岩碎屑流动为特征，成为了一种全球性的关键标识，出现在礁群的边缘、滩组合的边缘或者陆棚的边缘[4]。通过对滑塌沉积与岩屑流沉积中所含礁石的观察，可以确定台缘斜坡相沉积的存在。此外，由于碳酸盐岩岩屑流沉积通常位于深度介于浅水至深水的泥页岩和泥质灰岩之间，因此很容易对其进行识别。
figure 1. location of the study area, the piedmont in southwest tarim basin
图1. 塔西南山前工区位置
在塔西南山前的石炭系台缘斜坡地貌中，库山河与齐美干两处剖面揭示了重力流沉积的存在。在库山河剖面，下石炭统的沉积厚度超过6000米，以斜坡上的静水沉积为主，并包含数层滑坡产生的角砾岩夹层(见图2)。而齐美干剖面则展现了上石炭统阿孜干组底层的斜坡沉积，主要构成为砾石灰岩，砾屑定向性明显[14]。该剖面的底层岩石和上层岩石分属卡拉乌依组和塔哈奇组，均由较浅水域的粒状沙滩沉积物形成。
在塔西南山前构造带，位于石炭系台地边缘斜坡相中，其中能够辨认四类主要沉积现象，包括滑塌沉积、岩屑流沉积、浊流沉积和静水沉积四种主要的沉积类型(图3)。
figure 2. kushan river section, carboniferous kushan river formation hantireke formation slope shelf facies structure section
图2. 库山河剖面石炭系库山河组–罕铁热克组斜坡–陆棚相结构剖面
figure 3. model diagram of gravity flow development mechanism in the carboniferous slope facies of the piedmont in southwestern tarim basin (according to shanmugam, 2013)
图3. 塔西南山前石炭系斜坡相重力流发育机制模式图(据shanmugam, 2013)
2.1. 滑塌沉积
滑塌沉积是沉积块体在坡面沿着剪应力面向下方移动形成，这一过程揭示了物质状态从固态弹性到塑性流动的转变，其中沉积体大体上结构连续，同时充斥着因转动作用而出现的变形，显示出鲜明的内部构造特点[6]。在塔西南山前库山河的罕铁热克地层和乌什西库都维的巴什索贡地层，这种特征表现得尤为明显，其中深灰色的珊瑚碎屑灰岩、泥质碎屑灰岩和沙质碎屑灰岩以仰卧、漂浮姿态散布在胶合物质当中，如图4(e)、图4(f)、图4(h)所示。这些碎屑物的大小不一，介于2~15 cm之间，含量为30%~50%，外形从近棱角状到近圆状变化无常。充填在砾石间的物质既包括源自高能沉积相带的砂屑灰岩、生屑灰岩，也有低能相带的泥岩、泥灰岩，局部区域可见剪切滑移和卷曲变形的现象，具体可参照(图4(h))。
2.2. 岩屑流沉积
碎屑流沉积也被称为岩屑流，是在滑塌之后形成的，其特性是已经完全转变为塑性流动状态，沉积物呈现出具有层次的线性分布[7]。主要构成元素包括无明显分离特征的岩石碎片和更小的基质。位于塔西南山脚下的岩屑流沉积可分为两种类型。其中一种类型的含砾石量少于50%，主要分布在库山河剖面下缘的罕铁热克组底部。沉积物主要由深灰色薄层钙质泥页岩夹杂砾泥质灰岩和中~细砾屑灰岩构成。砾屑主要由泥晶灰岩和生屑砂岩构成，粒径一般为2~3 cm，含量通常在5%~10%之间。形状不规则，整体呈次棱角状，颗粒逆序分布，杂基支撑，且砾屑构造呈现撕裂状。第二种类型的岩屑流中，砾石的比例占到了50%以上，这些沉积物主要出现在塔西南山前地区库山河剖面的罕铁热克组，以及齐美干河谷的阿孜干组。库山河剖面中，这类岩屑流的主要组成部分是灰黑色且含有大量砾屑的灰岩，其厚度大约在20~50 m左右，底部的边缘有明显的冲刷痕迹，其中角砾的大小通常在3~5 cm范围内，砾石比例约为50%~60%，主要包括泥质灰岩和极少数的砂质灰岩，呈现出次级锐角形状，表面的磨损程度较低，缺乏明显有序排列的现象，表明这是因为高速移动导致堆积的结果。在显微镜下，通常可见棘皮及介壳的碎屑定向排列(图4(i)、图4(j))。在齐美干剖面的阿孜干组斜坡相中，经常可以看到灰色的厚层及块状砾屑灰岩，砾屑含量超过70%，主要成分是亮晶砂屑灰岩和泥晶灰岩，颗粒大小不一，从3~15 cm不等，有些甚至达到50 cm，整体分选效果较差，形状主要是次圆状~棱角状，粒间充填泥岩、灰岩和陆源粉砂岩，阿孜干组斜坡相岩屑流的显著特征是砾石的长轴定向排列非常明显，显示了岩屑流在其中实现了长距离的搬运。
2.3. 浊流沉积
浊流沉积是指由浊流在海洋或湖泊底部形成的沉积物。浊流是一种由悬浮颗粒物(如泥沙、黏土和有机物质)组成的高速水流，通常由地震、火山活动、海底滑坡或风暴等自然事件引发。当这些颗粒物混合在水中形成高密度的混浊水流后，由于重力作用，它们会沿着海底或湖底的斜坡快速向下运动。随着浊流的速度减慢，悬浮颗粒物开始沉降，形成了浊流沉积。由于颗粒物的粒径不同，浊流沉积通常具有由粗到细的粒度分层结构，即所谓的“正粒序”。这种沉积物常见于深海扇、海底峡谷和湖泊的深水区，并构成了许多沉积岩如砂岩、粉砂岩和泥岩的重要组成部分。研究区石炭系斜坡相中，浊流不太常见，单层厚3~10 cm，常夹于岩屑流中呈透镜体出现(图4(g))，岩性主要为生屑灰岩与泥晶灰岩不等厚互层，整体呈正粒序，发育鲍玛序列a、e段组合。
2.4. 静水沉积
静水沉积是指在水体静止或水流极为缓慢的环境中形成的沉积物。这种沉积过程通常发生在湖泊、泻湖、深海的低能环境中，或者河流的沉积平原等水流较弱的地方。在这些环境中，水体运动非常微弱，颗粒物主要通过重力逐渐沉降到水底。由于水流缓慢甚至静止，静水沉积物的颗粒通常非常细小，主要以黏土、泥质、粉砂为主。这些细小颗粒物在沉积过程中会缓慢地沉降，形成均匀细腻的沉积层，因此静水沉积一般具有较好的层理结构。在库山河剖面以及齐美干剖面所处塔西南山前地区石炭系斜坡沉积相的辨认属于首次发现，其静水沉积发育在斜坡相与陆棚相交界处，由灰黑色薄层的泥页岩、泥晶灰岩，以及富含碳质的泥岩构成，并呈现出水平层理。这对于确立台地边缘沉积特征的分布及理解其对周围区域沉积相的影响具有极其重要的意义。
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
(i) (j)
(a) 出现在库山河剖面罕铁热克组快速搬运堆积形成的岩屑流沉积，岩性主要为砾屑灰岩，没有明显的粒序变化；(b) 砾屑灰岩，含倒转的群体珊瑚，库山河剖面罕铁热克组；(c) 出现在库山河剖面罕铁热克组底部的岩屑流沉积，具撕裂状构造的角砾呈杂基支撑；(d) 角砾状灰岩，角砾呈次棱角状，分选较差，库山河剖面罕铁热克组；(e) 出现在库山河剖面罕铁热克组的滑塌沉积，岩性主要为浑圆状，粒径大小不一，成分复杂的砾屑灰岩，砾屑之间充填灰泥；(f) 出现在库都维剖面巴什索贡组的滑塌沉积，岩性主要为次棱角状角砾状灰岩；(g) 出现在库都维剖面巴什索贡组的斜坡静水沉积夹浊流沉积，岩性主要为生屑灰岩与泥晶灰岩不等厚互层；(h) 出现在库山河剖面罕铁热克组的滑塌沉积，岩性主要为砾屑灰岩，局部可见剪切滑动与卷曲变形现象；(i) 出现在库山河剖面罕铁热克组的生屑流沉积，大量棘屑沿长轴方向呈定向排列；(j) 出现在库山河剖面罕铁热克组的生屑流沉积，棘屑、介壳和泥晶基质呈混杂堆积，其中介壳可见定向排列。
figure 4. characteristics of carboniferous slope facies, the piedmont in southwestern tarim basin
图4. 塔西南山前石炭系斜坡相特征
3. 塔西南山前斜坡相油气地质意义
3.1. 烃源岩特征
烃源岩包括油源岩、气源岩和油气源岩，习惯上通常叫作生油岩。烃源岩对控制油气藏形成与分布起着至关重要的作用[5]。鉴定出有效的生烃岩是构建含油气系统的根本。而在地层沉积类型中，斜坡沉积相比于台地沉积，其水域往往较深，氧化水平相对较低，这种环境更有益于生烃岩的形成[11]。为了准确评价塔西南山前石炭系的烃源岩，本次研究中选取了研究区库山河剖面、齐美干剖面和依格孜牙剖面的12块样品进行岩石有机碳测定、岩石热解分析等测试，取样点均为斜坡相黑色泥岩沉积。同时对库山河剖面的黑色泥岩进行干酪根的制备和分析测试。
3.1.1. 有机质丰度
烃源岩有机质丰度是油气生成的基础，总有机碳(toc)是有机质丰度的重要表征参数[16]，对于不同岩性来说，暗色泥岩–泥页岩toc含量最高，其次为深色泥晶灰岩、泥质灰岩。具体数值表现为：泥岩的toc最高可达0.48%，排在其后的是泥晶灰岩的0.29%及泥质灰岩的0.26%，而云岩的toc含量则最低，只有0.05% (参见图5)。
从沉积相上来看，塔西南山前地区早石炭世晚期–晚石炭世早期烃源岩发育斜坡–台地边缘–泻湖–潮坪相沉积体系，其中陆棚–斜坡相和泻湖相是石炭系有利于形成烃源岩的沉积相带。陆棚–斜坡相烃源岩主要为暗色泥页岩、泥岩、泥灰岩，主要发育在罕铁热克组，在库山河剖面罕铁热克组烃源岩总厚度达650.22 m。
figure 5. histogram of average organic carbon content distribution in different rock types of the piedmont in southwestern tarim basin
图5. 塔西南山前地区不同岩性有机碳平均含量分布直方图
泻湖相烃源岩主要分布在新藏公路以西的喀什–叶城坳陷，集中发育于下石炭统和什拉普组、上石炭统卡拉乌依组，岩性以暗色泥岩与泥灰岩为主。其中和什拉甫组横向上烃源岩厚度向西变薄，障壁滩坝与辨状河三角洲砂体增多，该组烃源岩多采自阿尔塔什剖面、艾特沟邻沟剖面、棋盘剖面；卡拉乌依组烃源岩垂向上泥岩厚度增大，横向上烃源岩厚度向西变薄，岩性逐渐由泻湖相暗色泥岩、泥灰岩转变为台地边缘相碳酸盐岩，卡拉乌依组烃源岩采自阿尔塔什剖面、艾特沟邻沟剖面、棋盘剖面。
有机碳 < 1.00%为非或差烃源岩、1.00%~2.00%为中等烃源岩、2.00%~3.00%为好烃源岩、3.00%~5.00%为很好烃源岩、>5.00%为极好烃源岩[17]。在库山河剖面的罕铁热克组烃源岩中，总厚度达到了650.22米，其toc含量介于0.2%至6.72%之间，均值是1.92%，超过1%的样本占比达到47%。本研究中的烃源岩黑色泥岩的w (toc)范围是在1.00%到2.00%之间，属于中等烃源岩类型。总体来看，研究区有机质丰度较高，整体上属于中等烃源岩。
3.1.2. 有机质类型
各类有机物依其化学构造与微观结构的差异，影响了其所转化的产物为油或气，这些有机物的种类取决于其沉积的环境与生物的原始类型，并且会受到其成熟度的影响[18]。本次研究地层为石炭系地层，在研究有机质类型时应综合多方面指标。本次研究考虑到成熟度对有机质类型指标的影响，采用最高热解峰温度(tmax)与氢指数(hi)交互图来划分有机类型。由于成熟度较高，石炭系三组烃源岩的干酪根化学成分和结构会随着演化程度的增加趋于一致，因而根据当前可用的测试数据，难以判断库山河剖面石炭系烃源岩的有机质类型。
3.1.3. 有机质成熟度
进入成熟阶段的烃源岩才会生成大量油气，发生排烃过程并进入储层运聚成藏，有机质成熟度也是评价烃源岩的重要指标[19]。岩石热解tmax值分布在434.0℃~573.0℃，平均为438.3℃，岩石热解峰温tmax值 < 435.0℃为未成熟阶段，435.0℃~490.0℃之间为成熟生油阶段，>490.0℃为过成熟阶段[10]，库山河剖面早石炭世晚期—晚石炭世早期和什拉甫组–卡拉乌依组斜坡相暗色泥岩，ro平均值分别为2.2与1.7，为干气与湿气阶段，绝大部分都正处于成熟生油阶段。综上所述，烃源岩正处于成熟阶段，已经生成大量油气，具有良好的勘探潜力。
3.2. 储盖特征
在塔西南山前石炭系，储层集中发育在砂质滨岸、辫状河三角洲砂体、碳酸盐岩台缘带。以库山河剖面为例，其主要岩石类型为细砂岩，具有良好的颗粒分选性和钙质与硅质胶结物。储层空间主要由粒间孔及溶孔构成。此外，位于库山河剖面石炭系斜坡相内的砂岩表现出低孔高渗的特征，因此可作为优秀的储层。
而研究区斜坡相中的灰黑色泥晶灰岩及泥岩，均是非常有潜力的有效烃源岩层系，同时也对油气具有一定的封闭能力，可以作为局部盖层。
4. 结论
1) 在塔西南山前构造带的库山河剖面发现了早石炭系的斜坡沉积相，同时在齐美干剖面亦观察到晚石炭系阿孜干组的斜坡沉积相。这些发现对确立石炭系直至早二叠系期间，台缘相礁滩沿塔西南山前至南天山西南缘所形成的“c”字型带状沉积格局，具有极其重要的意义。
2) 对塔西南山前石炭系重力流进行了分类。识别出滑塌沉积、岩屑流沉积、浊流沉积和静水沉积四种主要的沉积类型。
3) 构成油气藏的基本条件包括生、储、盖三个方面，这三者的完美结合决定了油气藏的形成。在本研究区，石炭系深色泥岩、泥页岩具有一定的生油潜力，同时也能够充当有效的盖层，而辫状河三角洲中的砂体则可以视为优质储集层，它们之间存在紧密相连且完整的生储盖组合的关系与特征。根据以上生储盖特征，我们初步推测该地区斜坡相具有较好的油气勘探潜力。