川西地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組沉積體系

魏國齊,楊 威,朱永剛,金 惠,李躍綱,施振生,沈玨紅

(1.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊065007; 2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川西北氣礦,四川江油621700)

川西地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組沉積體系

魏國齊1,楊 威1,朱永剛2,金 惠1,李躍綱2,施振生1,沈玨紅1

(1.中國石油天然氣股份有限公司勘探開發(fā)研究院廊坊分院,河北廊坊065007; 2.中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司川西北氣礦,四川江油621700)

通過對川西地區(qū)中二疊統(tǒng)棲霞組大量露頭和巖心的觀察分析及樣品的分析化驗,認為棲霞組主要發(fā)育生物(屑)石灰?guī)r、砂屑石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r和豹斑石灰?guī)r;主要發(fā)育3種生物組合,即腕足類-藻類-有孔蟲類組合、珊瑚組合和薄殼腕足類組合,它們分別是臺地、斜坡和斜坡-盆地環(huán)境的產物。從大地構造背景、臺地邊緣灘特征、斜坡-盆地相特征及斜坡相與臺地邊緣相帶的關系等方面分析,認為川西地區(qū)棲霞組為碳酸鹽鑲邊臺地沉積體系,主要的沉積相為斜坡相、臺地邊緣灘相和開闊臺地相;其中,臺地邊緣灘相是棲霞組重要的儲層,分布范圍廣。

臺地邊緣灘相;鑲邊臺地;沉積體系;棲霞組;中二疊統(tǒng);川西地區(qū)

1 概述

棲霞組原稱“棲霞石灰?guī)r”,是李?；舴以谀暇〇|郊的棲霞山所建,后經李四光和黃汲清分析,弄清了其時代及地質意義。盛金章認為,棲霞組在四川盆地是指碎屑巖之上和茅口組之下的灰?guī)r段[1]。該套地層在川西地區(qū)厚70～130 m,按巖性可分為棲(霞組)一段和棲二段,下部棲一段以暗色細粒石灰?guī)r為主,上部棲二段為淺色的白云巖、白云質“豹斑”灰?guī)r和較粗粒的生物屑石灰?guī)r。關于棲霞組的沉積體系,在華南地區(qū)的研究比較多[2～4],主要認為是碳酸鹽巖斜坡沉積體系和缺氧的沉積環(huán)境。關于川西地區(qū)棲霞組的沉積體系研究得較少[5,6],總的認為是一個碳酸鹽巖緩坡沉積環(huán)境[7]。但對于石油勘探來說,這個粗略的認識是不夠的。特別是在龍門山礦山梁構造帶上發(fā)現優(yōu)質白云巖儲層后,對于棲霞組沉積體系的系統(tǒng)研究更加迫切。本文在露頭、巖心資料研究的基礎上,結合區(qū)域背景,系統(tǒng)地分析了棲霞組主要的沉積相類型及特征,總結了其沉積體系。研究成果對于棲霞組的油氣勘探[8～10]和川西地區(qū)二疊系的認識具有重要的理論意義和實踐意義。

2 地層特征

川西地區(qū)棲霞組分布廣泛,以石灰?guī)r為主,厚90～130 m,由北向南增厚,根據巖性不同可分為棲一段和棲二段。棲一段主要沉積黑灰、深灰色中、厚層狀細粉晶藻屑、生物屑灰?guī)r夾泥質灰?guī)r和薄層黑色頁巖,有機質、泥質含量較高;棲二段主要為臺地沉積(開闊臺地和臺地邊緣),為灰、淺灰色厚層、塊狀生物(屑)灰?guī)r及細晶白云巖、豹斑灰?guī)r。生物碎屑有藻類、有孔蟲、介形蟲、腕足、棘皮、海綿等,產蜓N ankinella orbiculari a、珊瑚Hayasakaia elegantula和Michelinasp.等(圖1)。

3 巖石學特征

川西地區(qū)棲霞組幾乎全部由碳酸鹽巖組成,僅局部含少量泥質紋層和條帶,據其結構組分和某些特殊沉積構造,可進一步劃分為生物(屑)石灰?guī)r、砂屑石灰?guī)r、含生屑泥晶石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、中-粗晶白云巖和白云質石灰?guī)r等。

圖1 四川廣元長江溝棲霞組地層綜合剖面Fig.1 Composite section of the Qixia Formation in Changjianggou of Guangyuan,Sichuan province

3.1 生物(屑)石灰?guī)r

棲霞組棲二段分布廣泛,是構成棲霞組生物灘的主要巖石類型。生物(屑)石灰?guī)r中的生物(屑)含量一般為50%～70%,以有孔蟲(古串珠蟲、串珠蟲、節(jié)房蟲、厚壁蟲、梯狀蟲、篩串蟲、小球旋蟲、砂盤蟲、球瓣蟲、葉狀蟲、格涅茨蟲和蜓類等)最為常見,其次是綠藻(以假蠕孔藻、蠕孔藻、始角藻為主)、腕足和棘屑等,介形蟲、紅藻和腹足等較少。生物主要以碎片形態(tài)賦存,僅部分有孔蟲和蜓類基本保持完整;分選和磨圓都較差,膠結物以亮晶為主。

棲霞組下部還見有少量主要由珊瑚組成的小型生物丘(礁)。其中的造礁生物主要是叢狀復體珊瑚,含量在40%～60%,以衛(wèi)根珊瑚和泡沫珊瑚常見,呈原始生長狀態(tài)保存,個體為圓柱狀,直徑為0.5～1 cm,群體大小寬8～20 cm,高10～15 cm。造礁生物之間由腕足類、腹足類和海百合等附礁生物和灰泥充填,生物個體較大,大多完整,生物之間充填的是灰泥。

3.2 砂屑石灰?guī)r

砂屑石灰?guī)r主要分布于棲霞組上部,范圍較小,顆粒(主要為砂屑和生物屑)含量為50%～60%,分選、磨圓度較好,粒間多為兩期方解石膠結。

3.3 生屑泥晶石灰?guī)r

生屑泥晶石灰?guī)r是顆粒以生物(屑)為主、顆粒含量在10%～50%、灰泥基質含量在50%～90%的石灰?guī)r。生屑泥晶石灰?guī)r形成于低能的環(huán)境中,弱的水動力條件不利于顆粒的堆積和灰泥的帶出,因而沉積物中生物體腔孔和粒間孔少,經過壓實壓溶和膠結作用后幾乎全部消失,后期建設性成巖作用基本未在其中進行,現今儲集性能極差,宏觀上未見到有孔隙的存在,孔隙度一般小于1%,一般為非儲集巖類。

3.4 泥晶石灰?guī)r

泥晶石灰?guī)r主要發(fā)育于棲霞組下部,一般是較深水低能環(huán)境(斜坡)下的產物,多為深灰、灰色,泥晶方解石含量大于90%,中-薄層狀,水平層理發(fā)育。深水低能環(huán)境中形成的暗色泥晶石灰?guī)r具有一定的生油能力。

3.5 白云質“豹斑”石灰?guī)r

白云質“豹斑”石灰?guī)r在龍門山山前帶棲霞組上部-頂部,分布較為穩(wěn)定,可長距離追蹤對比,一般厚5～40 m(最厚在天井山李家壩剖面,厚達60 m),常與上覆茅口組深色鈣質泥巖、“眼球狀”石灰?guī)r呈突變接觸,與下伏厚層塊狀白云巖漸變過渡。

3.6 白云巖

白云巖主要為灰白色,較純,晶形較粗,達到細晶-中晶級,粒徑為100～500μm,最大可達1 000μm,半自形和它形;白云石緊密排列,厚約10～90 m(松蓋壩剖面);發(fā)育溶孔、溶洞和裂縫,儲集空間主要為白云石晶間孔和晶間溶孔。這類儲層為棲霞組好儲層,應是勘探的重點層系。

4 生物組合

4.1 腕足類-藻類-有孔蟲類組合

這類組合在棲霞組生物(屑)石灰?guī)r、砂屑石灰?guī)r、白云質“豹斑”石灰?guī)r和白云巖中分布廣泛。藻類和有孔蟲類含量較多,一般分布于20%～50%;腕足相對較少,一般小于15%。組合以綠藻、有孔蟲和腕足類為主,少量紅藻、棘屑、介形蟲和腹足等。綠藻有假蠕孔藻、蠕孔藻、海松藻、米齊藻、炭孔藻和始角藻等;紅藻僅見裸松藻、二疊鈣藻和翁格達藻;有孔蟲主要有節(jié)房蟲、厚壁蟲、梯狀蟲、篩孔蟲、球旋蟲、小球旋蟲、砂盤蟲、球瓣蟲、葉狀蟲、達馬爾蟲、假橡果蟲、古串珠蟲、新內卷蟲和格涅茨蟲等;常見的腕足為直房貝和瘤褶長身貝。此類生物組合中,有孔蟲大多完整,藻類、腕足多破碎,生物分異度中等-較低。伴生的巖石顏色多為灰色、淺灰色,粒間充填物以亮晶為主。這表明,該類生物組合的沉積環(huán)境應為能量變化較大的淺水環(huán)境。生物破碎明顯、以亮晶充填為主的巖石組合形成于淺水高能帶,如臺地邊緣,典型層段為天井山—廣元車家壩一線的棲二段下部。

4.2 珊瑚組合

珊瑚組合主要以含造礁珊瑚為特征,含量一般為40%～60%。與此伴生的附礁生物較多,常見的為棘屑、腕足、有孔蟲和介形蟲等,蜓類較少。該組合在南江橋亭等剖面的棲一段下部發(fā)育。

珊瑚以樹叢狀生長的似文采爾珊瑚、早板珊瑚、米氏珊瑚、梁山擬犬齒珊瑚常見,基本為原地生長,保存完整,少量為碎片狀。珊瑚間含少量棘屑、有孔蟲、介形蟲和大量灰泥基質。

這類生物組合的生物分異度較低。與之伴生的巖性以深灰、灰黑色含生物泥晶石灰?guī)r和泥灰?guī)r為主,含有少量暗色泥巖。這表明,珊瑚組合形成于水體較深、能量低的環(huán)境之中,如斜坡環(huán)境。

4.3 薄殼腕足類組合

薄殼腕足類組合主要分布于川西北部(朝天剖面明顯)棲一段下部的暗色灰質泥巖、泥質石灰?guī)r中,主要由腕足組成,含量分布于20%～45%,生物個體完整,平行-近平行于層面分布。其腕足大多殼薄、個體小,一般光滑無飾,內部構造簡單,適合浮游和游泳生活。與之伴生的巖石顏色極深,富含有機質,水平層理發(fā)育。該生物組合反映屬于深度大、水體循環(huán)較差的低能斜坡-盆地環(huán)境。

5 沉積體系

關于川西地區(qū)棲霞組沉積體系前人有些研究,主要認為是碳酸鹽巖緩坡體系。根據水動力特征和沉積特征,該區(qū)主要發(fā)育內緩坡、淺緩坡、深緩坡、盆地等4個相區(qū)。這里通過研究棲霞組主要巖石類型、生物組合和棲霞期的大地構造背景,認為其可能為碳酸鹽鑲邊臺地沉積體系[11](圖2),且在研究區(qū)內發(fā)育有開闊臺地、臺地邊緣和斜坡3個相區(qū)。證據有以下4個方面。

5.1 具備形成碳酸鹽鑲邊臺地沉積體系的大地構造背景

中二疊世早期,上揚子地臺西側邊緣為被動大陸邊緣,海水由西向東浸入。龍門山古斷裂開始形成,斷層面構成斜坡,上升盤位于現今龍門山的前山帶,在正常浪擊面附近,水體能量大,陽光和氧料充足,生物生長迅速,大量的生物碎片快速堆集,形成臺地邊緣帶灘相沉積。

圖2 川西地區(qū)棲霞組碳酸鹽鑲邊臺地沉積體系沉積模式Fig.2 Depositional model of the carbonate-fringed platform in the Qixia Formation of the western Sichuan Basin

圖3 川西地區(qū)棲霞組巖石學特征Fig.3 Petrological characteristics of the Qixia Formation in the western Sichuan Basin

5.2 斜坡-盆地沉積明顯

川西地區(qū)北部(朝天剖面)的棲霞組底部發(fā)育一套厚約5 m的黑色泥巖夾泥灰?guī)r(圖3a),富含有機質,水平層理發(fā)育。泥巖中夾有含大量生物殼體的薄層泥灰?guī)r,主要是薄殼腕足類組合(圖3b),由腕足組成,含量分布于20%～45%,生物個體完整,平行-近平行于層面分布。腕足大多殼薄、個體小,一般光滑無飾,內部構造簡單,適合浮游和游泳生活,反映屬于深度大、水體循環(huán)較差的低能斜坡-盆地環(huán)境。

5.3 臺緣灘規(guī)模大,白云石化作用強烈

川西地區(qū)棲霞組臺地邊緣灘規(guī)模較大(圖3c)。垂向上,臺緣灘厚度可達100多米,發(fā)生強烈白云石化作用的厚度最大達90多米(松蓋壩剖面);平面上,臺緣灘的寬度較大,從露頭和井下灘體的對比發(fā)現最大連續(xù)寬度達100多千米,僅從礦2井到長江溝剖面就可達10多千米。可見,臺緣灘的規(guī)模大、分布范圍廣,不是緩坡型灘體能達到的規(guī)模。

5.4 鉆遇斜坡相與臺地邊緣相呈指狀穿插

米倉山山前帶吳家1井鉆遇棲霞組臺地邊緣相帶的的白云巖與斜坡相帶的泥灰?guī)r呈指狀穿插接觸,分界明顯(圖3d),說明吳家1井位于臺地邊緣相帶與斜坡相帶的交接部位,巖性和沉積相帶是突變的,不是緩坡體系表現出的特征。

6 沉積相特征及展布

6.1 臺地邊緣灘相

臺地邊緣灘主要發(fā)育于棲霞晚期(棲二時期)龍門山山前帶和米倉山山前帶(圖4),分布范圍較廣。由于正常浪基面附近水體能量大、海水通暢、陽光和氧料充足,有利于生物大量生長繁殖;強的波浪作用又將這些生物打碎,在斜坡部位大量堆集,形成生物灘。生物顆粒含量可達60%～70%,種類繁多,主要以綠藻、棘屑、有孔蟲和介形蟲等為主,有少量砂屑、鮞粒等內碎屑,顆粒分選、磨圓中等-較好,以亮晶膠結物為主。生物組合主要是腕足類-藻類-有孔蟲類組合。該相帶是川西地區(qū)棲霞組中最有利的沉積儲集相帶。

圖4 川西地區(qū)棲霞組沉積相平面展布Fig.4 Planar distribution of sedimentary facies in the Qixia Formation of the western Sichuan Basin

生物灘體的下伏地層(棲一段)多由灰黑、深灰色生物(屑)質泥晶石灰?guī)r、含生物(屑)泥晶石灰?guī)r組成,其中水平、丘狀、洼狀層理常見,代表浪基面以下的斜坡低能沉積產物。灘體由厚層塊狀灰、淺灰、褐灰色中-粗晶白云巖和少量生屑白云巖構成,晶粒白云巖中常見有孔蟲、棘屑和藻屑等顆粒殘余結構,在陰極射線下可恢復較多生物屑的殘余外形,表明這些白云巖是后期交代的產物,原巖是亮晶生物(屑)石灰?guī)r,其中平行和塊狀層理常見;灘體上部為厚層塊狀云質“豹斑”石灰?guī)r,褐灰色“豹斑”呈長條狀垂直或近于垂直層面分布,由粉-中晶白云巖組成,見少量灰質生物(屑)和圍巖的灰質巖溶角礫,表明云質“豹斑”石灰?guī)r也是交代作用的產物;云質“豹斑”的圍巖多由亮晶生物(屑)石灰?guī)r構成,頂部層面上可見較多的干裂構造。這表明,臺地邊緣灘是在斜坡低能環(huán)境基礎上發(fā)育起來的灘體,水體淺、能量高,后期成巖改造明顯。

臺地邊緣生物灘沉積時,強大的水動力條件將灰泥基質帶到灘后水體能量較小的地區(qū)沉積,從而使生物灘主要以生物屑顆粒沉積為主,可形成大量粒間孔隙和生物體腔孔。這些孔隙雖在后期成巖作用中有所膠結,未能大量保留,但為后期白云巖化作用和溶蝕作用奠定了基礎。而且,生物灘沉積在海平面附近,受海平面升降頻繁的影響下經常暴露于水面之上,易發(fā)生混合水白云巖化作用和大氣淡水溶蝕作用,從而將灘體中上部的亮晶生物(屑)石灰?guī)r改造成厚層塊狀的云質“豹斑”石灰?guī)r和中-粗晶白云巖,形成大量的晶間孔、晶間溶孔和溶洞等,平均孔隙度3.5%,平均滲透率0.15×10-3μm2。臺地邊緣生物灘是棲霞組最好的油氣儲層。

6.2 開闊臺地相

棲霞晚期,龍門山以東的四川盆地大部分地區(qū)基本處于正常浪基面之下的開闊臺地環(huán)境之中,發(fā)育灘間海和臺內灘兩個亞相。

6.2.1 灘間海亞相

該相帶位于正常浪基面之下的低能海底,向海一側由于受到較連續(xù)臺地邊緣生物灘的遮擋作用,波浪和潮汐作用對其影響不大,水能較低。主要堆積是細?；夷喑练e,但當其與廣海連通性較好時,可有較多的底棲和游泳生物的生長,這些生物死亡后可完整堆積于原地,在受到較大波浪和風暴浪作用后部分破碎,局部夾厚度不大的小型低能型生物灘沉積。

灘間海亞相沉積主要由灰色、深灰色的中-薄層狀泥晶石灰?guī)r、生物(屑)質泥晶石灰?guī)r和含生物(屑)泥晶石灰?guī)r組成,局部夾透鏡狀生物(屑)石灰?guī)r和粉-砂屑石灰?guī)r。生物碎屑主要有藻類、介形蟲、有孔蟲、腕足和海百合莖等,含量為10%～15%,分選、磨圓較差。

6.2.2 臺內灘亞相

開闊臺地相內的局部地貌高地由于與廣海連通性好、鹽度正常、氧料豐富,適合于多種生物的生長,這些生物死亡后與低能灰泥一起原地或近原地堆積,在地貌相對高地間歇性受到較強波浪的改造,形成以泥晶生物(屑)石灰?guī)r為主的生物灘沉積。這種類型的生物灘與臺地邊緣生物灘相比,前者的厚度明顯較薄,單個灘體規(guī)模小、分布范圍狹窄。

6.3 斜坡相

斜坡相沉積主要在棲霞組一段下部發(fā)育,由深灰、褐灰色中-薄層狀的生物(屑)質泥晶石灰?guī)r、含生物(屑)泥晶石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、似“眼球”狀石灰?guī)r、泥質泥晶石灰?guī)r和泥灰?guī)r組成。其中,生物化石含量較少,一般為5%～10%,個體完整,破碎較少;生物組合以薄殼腕足類為主,少量珊瑚類組合。斜坡相主要分布于龍門山斷裂以西(龍門山后山帶)和米倉山山前帶以北的廣大地區(qū)(圖4)。

7 結論

1)川西地區(qū)棲霞組主要發(fā)育生物(屑)石灰?guī)r、砂屑石灰?guī)r、含生屑泥晶石灰?guī)r、泥晶石灰?guī)r、白云巖和“豹斑”狀石灰?guī)r,反應其沉積相帶變化較大。

2)棲霞組主要發(fā)育3種生物組合:腕足類-藻類-有孔蟲類組合、珊瑚組合和薄殼腕足類組合。它們分別是臺地、斜坡和斜坡-盆地環(huán)境的產物。

3)從大地構造背景、臺地邊緣灘特征、斜坡-盆地相特征及斜坡相與臺地邊緣相帶的關系等方面可以說明,棲霞組為碳酸鹽鑲邊臺地沉積體系。

4)川西地區(qū)棲霞組主要的沉積相為斜坡相、臺地邊緣灘相和開闊臺地相。其中,臺地邊緣灘相是棲霞組重要的儲層,分布范圍廣。

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Depositional system of the Middle Permian Qixia Formation in the western Sichuan Basin

Wei Guoqi1,Yang Wei1,Zhu Yonggang2,Jin Hui1,Li Yuegang2,Shi Zhensheng1and Shen Yuhong1

(1.Langf ang Branch of PetroChina Petroleum Exploration and Development Research Institute,Langf ang,Hebei065007,China;2.Northwest Sichuan Gas Mine of PetroChina Southwest Oil&Gas Field Company,Jiangyou,Sichuan621700,China)

Observation and analysis of numerous outcrops and cores as well as laboratory tests of samples from the Qixia Formation in western Sichuan Basin reveal that the formation mainly consists of bioclastic limestone,calcarenite,micrite,and leopard limestone.There are mainly three fossil assemblages,including brachiopods-algae-foraminifera,corals and thin shell brachiopods.They were formed in platform,slope and slope-basin environments respectively.Judging from geotectonic settings,bank features of platform edge and slope-basin facies,and the relationship between slope facies and platform edge facies etc,we conclude that the Qixia Formation in wes-tern Sichuan Basin is the carbonate-fringed platform depositional system with slope,platform edge bank and open platform as the main facies,of which the platform edge bank facies is widely distributed and the most favorable for hydrocarbon accumulations.

platform edge bank facies,fringed platform,depositional system,Qixia Formation,Middle Permian,western Sichuan Basin

TE121.3

A

0253-9985(2010)04-0442-07

2009-07-02;

2010-06-23。

魏國齊(1964—),男,教授,天然氣地質。

國家“十一五”油氣重大專項(2008ZX05007-002)。

(編輯 李 軍)