鄂西利川見天壩長興組生物礁內(nèi)部構成及成礁模式①

胡明毅 魏 歡 邱小松 趙恩璋

(1.長江大學地球科學學院 湖北荊州 434023; 2.長江大學教育部油氣資源與勘探技術重點實驗室 湖北荊州 434023)

生物礁是碳酸鹽沉積中一種非常重要和特殊的沉積類型,它主要由大量原地生長的各種固著生物所形成的一種碳酸鹽建造。由于生物礁礁體內(nèi)部孔隙和孔洞非常發(fā)育,從而容易成為油氣和多種礦藏資源的有利富集場所,國內(nèi)外地質學家對生物礁進行了大量的研究,已在地質歷史時期發(fā)現(xiàn)了眾多不同類型的生物礁及生物礁型油氣藏[1～5]。近幾年來,隨著以普光礁灘儲層為代表的海相特大型氣田的發(fā)現(xiàn),揭開了我國生物礁油氣藏研究的高潮。目前關于四川盆地二疊系長興組生物礁研究成果較多,但主要集中在對長興組生物礁巖石學特征、礁體分布規(guī)律、礁體儲層發(fā)育特征和生物礁氣藏形成機理等方面的研究[6～10],而對長興組生物礁(丘)內(nèi)部構成特征和成礁模式的研究則較為薄弱[11,12]。本文以鄂西利川見天壩長興組生物礁露頭剖面精細寫實為基礎,對該區(qū)長興組生物礁內(nèi)部構成特征進行了深入研究,探討了該區(qū)生物礁成礁模式,指出了礁體內(nèi)部有利儲層的分布規(guī)律。

1 地質背景及剖面簡介

鄂西利川見天壩剖面位于湖北西部利川復向斜的中北部,距利川市柏楊鎮(zhèn)東北方向約25 km。晚二疊世早期(龍?zhí)镀?川東-鄂西地區(qū)主要為局限潮坪-潟湖沉積環(huán)境,發(fā)育了一套含煤碎屑巖與碳酸鹽巖互層沉積;晚二疊世晚期(長興期),隨著區(qū)域海平面上升,在川東-鄂西地區(qū)大部分地區(qū)以開闊臺地沉積為主,在開江-梁平地區(qū)發(fā)育了一套陸棚-盆地相沉積[13,14],在城口-鄂西地區(qū)發(fā)育了一套以硅質巖沉積為主的深水盆地相沉積(圖1)。利川見天壩在晚二疊世長興期總體處于城口-鄂西海槽與川東-鄂西臺地之間的臺地邊緣相帶,其下部為一套深水斜坡相沉積,向上水體逐漸變淺,發(fā)育了一套以生物礁(丘)為主體的臺地邊緣礁相沉積,到長興組末期發(fā)育了一套開闊臺地-局限臺地相沉積。

鄂西利川見天壩剖面長興組發(fā)育完整,厚度為246.1 m,該剖面長興組與下伏龍?zhí)督M和上覆下三疊統(tǒng)飛仙關組均為整合接觸。根據(jù)該區(qū)巖性、古生物組合及沉積發(fā)育特征,將長興組劃分為2個三級層序,層序1底界面為上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M與長興組界面,二者之間為巖性-巖相轉換界面,界面之下為龍?zhí)督M開闊臺地相灰色薄層狀泥晶灰?guī)r沉積,界面之上為長興組底部斜坡相深灰色薄層狀含生屑泥晶灰?guī)r沉積。層序2底界面位于長興組內(nèi)部,界面之下為一套淺灰色中厚層細晶白云巖、殘余生屑灰質白云巖沉積,界面之上為開闊臺地相灰色中層狀泥晶灰?guī)r沉積,界面附近發(fā)育局部暴露溶蝕作用標志。長興組生物礁位于層序1的高位體系域中。其中層序1可進一步劃分為5個準層序組:PSS0、PSS1、PSS2、PSS3、PSS4(圖1和圖2).SS0屬長興組早期沉積,對應于層序1的海侵體系域,以深灰色薄層含生物屑泥晶灰?guī)r沉積為主,發(fā)育有孔蟲和菊石類化石,屬斜坡相沉積。 PSS1、PSS2、PSS3和PSS4屬長興組層序1高位體系域沉積.SS1對應于長興組一段上部沉積,其下部為深灰色薄層狀含生物屑泥晶灰?guī)r,中部為灰色薄-中層狀泥晶灰?guī)r局部夾硅質結核,上部為灰色中層狀泥晶生物屑灰?guī)r.SS2對應于長興組長二段下部地層,其下部為一套淺灰色塊狀藻粘結礁灰?guī)r,上部為淺灰色塊狀藻粘結-障積礁灰?guī)r,在頂部局部見油侵和瀝青.SS3對應于長興組長二段上部地層,其下部為一套淺灰色塊狀障積-骨架生物礁灰?guī)r,中上部為一套塊狀海綿生物骨架礁灰?guī)r.SS4對應于長興組長三段下部地層,其下部為一套灰色中-厚層狀生物屑含云灰?guī)r或含灰云巖,上部為一套厚層狀具殘余生屑結構的灰質細晶云巖、細-中晶白云巖。

2 生物礁內(nèi)部構成特征

通過對礁體內(nèi)部巖性、生物組合特征進行深入研究,不僅能識別出該礁體的內(nèi)部構成特征,而且對于揭示其沉積環(huán)境演化、生物礁成因模式及有利儲層展布有重要指導意義。

2.1 準層序組PSS1內(nèi)部構成特征

圖1 鄂西-川東地區(qū)上二疊統(tǒng)長興組古地理及利川見天壩剖面交通位置及剖面概況Fig.1 Paleogeography of the Upper Permian Changxing Formation in the eastern Sichuan and western Hubei and traffic location and the section of Jiantianba,Lichuan

圖2 利川見天壩長興組生物礁沉積特征(圖例見圖1)Fig.2 Sedimentary features of reef(Changxing Formation)in Jiantianba section,Lichuan

PSS1位于剖面3～5層,主要由深灰色薄層狀或薄-中層狀泥晶灰?guī)r、含生屑泥晶灰?guī)r、中層狀生屑泥晶灰?guī)r組成,其內(nèi)部可進一步劃分為三個準層序即PS2、PS3和PS4(圖2)。其中PS2下部為深灰色薄層泥晶灰?guī)r,向上生物含量增加,逐漸過渡為深灰色薄層或薄-中層含生屑泥晶灰?guī)r,產(chǎn)有孔蟲和菊石類化石.S3總體特征與PS2較為相似,其下部為深灰色薄層泥晶灰?guī)r,向上逐漸過渡為深灰色薄層或薄-中層含生屑泥晶灰?guī)r,反映水體總體向上變淺、生物含量逐漸增加的特點.S4下部為灰色薄-中層狀泥晶灰?guī)r局部夾硅質結核,上部為灰色中層狀生屑灰?guī)r,生物屑含量在55%～60%之間,主要為棘皮、腕足類、藻屑和類等生物屑,填隙物以泥晶為主,少量亮晶,反映水動力條件總體較弱,為低能灘相沉積環(huán)境。

總之,準層序組PSS1內(nèi)部主體為一套低能斜坡相沉積,發(fā)育了一套深灰色薄層狀或薄-中層狀泥晶灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r沉積,隨著相對海平面的不斷下降,水體溫度和深度適中、水體潔凈,適宜生物的生長所需要的條件,生物開始生長,沉積了一套灰色中層狀泥晶生屑灰?guī)r,見天壩生物礁就是上述低能的生屑灘基礎上發(fā)展起來的。

2.2 準層序組PSS2內(nèi)部構成特征

PSS2位于剖面6～8層,主要為一套灰色塊狀藻粘結巖、藻粘結-障積生物灰?guī)r和藻粘結-海綿生物灰?guī)r組成,局部可見油侵和瀝青,其內(nèi)部可進一步劃分為三個準層序PS5、PS6和PS7(圖2).S5主要由灰色塊狀藻粘結巖構成,藻粘結巖主要由包殼狀藍綠藻、少量被包裹的生物及亮晶膠結物組成,藍綠藻含量達50%～65%,其它生物含量小于15%,藻間充填物多為亮晶方解石。具粘結結構的藻粘結巖形成于較弱-中等水動力條件(圖3a、3b).S6下部主要由灰色塊狀藻粘結灰?guī)r構成,上部由灰色塊狀藻粘結-海綿障積巖構成。該準層序下部主要發(fā)育藍綠藻生物,含量達55%～65%,具典型的粘結結構;該準層序上部除發(fā)育藍綠藻外,還發(fā)育較多的海綿生物,其中海綿含量在15%～25%,藍綠藻含量在35% ～40%,具明顯的藻粘結-障積結構(圖3c),反映出向上水體變淺、水動力條件增強的特點.S7自下向上主要發(fā)育灰色塊狀藻粘結-海綿障積礁灰?guī)r,反映出自下向上由粘結結構向粘結-障積和障積結構轉變的過程,同時也反映出水體逐漸變淺、水動力逐漸變強的特點,在該準層序頂部障積巖生物體腔中見有明顯的油浸和瀝青。

總之,準層序組PSS2主要為一套臺地邊緣生物丘沉積,發(fā)育了一套灰色塊狀藻粘結、藻粘結-障積和障積生物灰?guī)r,該準層序組內(nèi)部發(fā)育三個準層序,其中PS5主要為藻粘結灰?guī)r、PS6和PS7下部為藻粘結灰?guī)r,上部為藻粘結-障積灰?guī)r,反映了水動力逐漸變強和水體逐漸變淺,生物丘逐漸繁盛的特點。

2.3 準層序組PSS3內(nèi)部構成特征

PSS3位于剖面9～11層,主要由一套灰色塊狀障積-骨架礁灰?guī)r、海綿生物骨架礁灰?guī)r局部夾灰?guī)r角礫巖組成,其內(nèi)部可進一步劃分為三個準層序PS8、PS9和PS10(圖2).S8主要由灰色塊狀障積-骨架巖組成,造礁生物主要為串管海綿、纖維海綿等,具明顯的包覆構造,基質為灰泥、球粒等,殘留孔洞被亮晶方解石膠結物充填.S9主要由灰色塊狀海綿骨架巖組成,該時期造礁生物極其繁盛,主要為串管海綿和纖維海綿,同時發(fā)育有少量硬海綿、水螅和苔蘚蟲等,造礁生物含量可達50%～65%(圖3a、3d、3e).S10主要由灰色塊狀海綿骨架礁灰?guī)r組成,同準層序PS9一樣,準層序PS10造礁生物極其繁盛,同時在礁體兩側局部發(fā)育有中厚層狀灰?guī)r角礫巖沉積(圖3f)。

綜上所述,在PSS3時期隨著相對海平面的進一步下降,造架生物極其繁盛,主要有串管海綿、纖維海綿以及少量硬海綿、水螅和苔蘚蟲等,造礁生物的不斷增多,使生物礁的發(fā)育達到鼎盛,在此階段發(fā)育了一套以灰色塊狀障積-骨架巖和骨架巖為主體的礁灰?guī)r沉積,在礁前和礁后局部發(fā)育有垮塌灰?guī)r角礫巖沉積,該準層序PSS3構成了臺地邊緣生物礁的主體沉積。

2.4 準層序組Pss4內(nèi)部構成特征

PSS4位于剖面12～13層,主要為一套淺灰色中厚層狀生物碎屑含云灰?guī)r、殘余生物碎屑灰質云巖、生物碎屑含灰云巖和細晶白云巖沉積,其內(nèi)部可進一步劃分為二個準層序PS11和PS12(圖2)。

PS11主要由淺灰色中厚層狀生物碎屑含云灰?guī)r、殘余生物碎屑灰質云巖、生物碎屑含灰云巖組成,該準層序中生物屑發(fā)育,生物屑主要為棘皮類、鈣藻和類等,自下向上白云巖化程度增強,白云石含量增高.S12下部由淺灰色中厚層狀殘余生物碎屑灰質云巖和含灰云巖組成,上部由淺灰色中厚層細-中晶白云巖沉積組成(圖3g)?？傊?PSS4主要為一套臺地邊緣灘和局限臺地沉積,由淺灰色中厚層狀生物碎屑含云灰?guī)r、殘余生物碎屑灰質云巖、生物碎屑含灰云巖組成。

3 生物礁成礁模式

圖3 利川見天壩長興組生物礁內(nèi)部巖性及生物構成特征a.利川見天壩生物礁峭壁斷面,自下而上發(fā)育礁基、生物丘和生物礁沉積,礁基由中層狀生屑灰?guī)r沉積組成,生物丘主要由塊狀藻粘結巖構成,生物礁主要由塊狀障積-骨架巖構成;b.藻粘結灰?guī)r,主要由藍綠藻構成,含量達65%;c.粘結-障積礁灰?guī)r,海綿含量約為25%,藍綠藻含量約為35%,具明顯的藻粘結-障積結構;d.障積-骨架礁灰?guī)r,具明顯的障積-骨架結構,造礁生物主要為串管海綿和纖維海綿,含量約為60%;e.骨架礁灰?guī)r,具生物骨架結構,造礁生物主要為串管海綿、纖維海綿等;f.灰?guī)r角礫巖,角礫為棱角狀,為礁前垮塌沉積形成;g.深灰色厚層狀白云巖沉積,裂縫和溶蝕晶洞發(fā)育.Fig.3 Lithology and biology of Changxing Formation reef in Jiantianba section,Lichuan

鄂西利川見天壩位于川東鄂西碳酸鹽巖臺地和城口-鄂西海槽之間,其西部為川東-鄂西碳酸鹽巖臺地,東北部為城口-鄂西海盆[15,16]。晚二疊世長興組早期,見天壩地區(qū)為一套深水斜坡沉積,隨著相對海平面不斷下降,該區(qū)形成了一套規(guī)模巨大的加積-進積型臺地邊緣生物礁,根據(jù)利川見天壩生物礁巖石特征、生物組合及沉積環(huán)境演化特征,將利川見天壩生物礁劃分為四個發(fā)育階段[17],各階段發(fā)育特征如下(圖4)。

圖4 利川見天壩長興組生物礁成礁模式圖Fig.4 Developmentmodel of Changxing Formation reef in Jiantianba,Lichuan

1 )生物礁發(fā)育第一階段:該階段為生物礁奠基階段,由準層序組PSS1構成。在PSS1早中期,利川見天壩地區(qū)處于臺地前緣斜坡相帶,水體較深,不利于生物礁發(fā)育,形成了一套深灰色薄層泥晶灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r沉積。到PSS1晚期,由于相對海平面下降,形成了一套低能的泥晶生屑灰?guī)r灘相沉積,見天壩生物礁就是低能生屑灘基礎上發(fā)展起來的,由于當時水體較深,沉積物顆粒較細,生物類型和數(shù)量都較少,主要是一些藻屑、棘皮、腕足類和蜓類等等淺海生物。

2 )生物礁發(fā)育第二階段:該階段為生物礁初期繁殖階段,主要由灰色塊狀藻粘結巖、藻粘結-障積生物灰?guī)r組成。隨著相對海平面下降,利川見天壩一帶海水開始逐漸變淺,在上述環(huán)境條件下,首先是藻類等造礁生物礁開始捕獲生物屑或灰泥并在生物灘底質上固著生長。隨后海綿等造礁生物開始以障積方式生長,海綿和藻類一起構成粘結-障積礁灰?guī)r,同時附礁生物腕足、有孔蟲、鈣藻等也大量繁殖,灰泥及生屑在固著的生物間大量沉積。生物作用造成的沉積速率明顯高于非礁相地區(qū),使得礁體沉積區(qū)地貌隆起明顯高于同期的非礁體沉積區(qū),這樣構成了生物礁初期繁盛階段。由于該階段造礁生物主要為藻類,造礁方式主要為粘結作用,同時發(fā)育有粘結-障積作用,因此該階段屬臺地邊緣生物丘發(fā)育階段。

3 )生物礁發(fā)育第三階段:該階段為生物礁最大繁盛階段,由準層序組PSS3構成,屬臺地邊緣生物礁發(fā)育階段。隨著相對海平面進一步下降,研究區(qū)波浪作用進一步增強帶,海水的溫度、養(yǎng)分、光線等搭配達到了海綿等造礁生物生長的最佳狀態(tài),造架生物纖維海綿、串管海綿、苔蘚蟲等不斷生長,附礁生物腕足、有孔蟲、鈣藻等大量繁殖,使生物礁的發(fā)育達到鼎盛,形成了一套以骨架巖和障積-骨架巖為主體的生物礁。由于該時期生物生長速度快,其厚度大大高于同期沉積,因此在礁前向深水斜坡地帶發(fā)育有垮塌的灰?guī)r角礫巖沉積。

4 )生物礁發(fā)育第四階段:該階段為生物礁衰亡階段,由準層序PSS4構成,屬礁頂局限臺地相沉積。主要為一套中厚層狀細晶白云巖、殘余生屑灰質云巖、生物碎屑含云灰?guī)r。隨著造礁生物的繁盛,礁體發(fā)育迅速,當礁體加積增長達到平均海平面,形成極淺水環(huán)境并間歇暴露,使窄鹽度造礁生物群大量死亡,只有為數(shù)不多的廣鹽性物種如腹足類、藍綠藻類等生存,使生物分異度突然降低。這時候沉積物具有局限臺地環(huán)境的特征,生物數(shù)量和種類大量減少并出現(xiàn)白云石化作用,出現(xiàn)干裂以及強烈淋濾組構,生物生長受到抑制,在縱向上礁體停止發(fā)育,頂部出現(xiàn)白云石化現(xiàn)象[18,19]。

綜上所述,鄂西利川見天壩生物礁是在相對海平面不斷下降過程中形成的一套的大型加積-進積型生物礁(圖4)。當水體較深時,由于養(yǎng)分、食物和光線的缺乏,生物數(shù)量和種類較少,只能在斜坡背景上形成低能的生屑灘,而這種生屑灘恰恰成為礁體發(fā)育的基石;隨著相對海平面的下降,波浪增強,環(huán)境越來越有利于生物的生長,生物開始繁盛,生物的繁盛使得沉積作用速度加快,從而相對海平面下降更快;當礁體的生長速率大于海平面上升速率,由于容納空間的增長速率小于礁的生長速率,當礁體生長到一定程度的時候,水體必然會變得過淺而不適于礁的生長,這時礁體只能向海盆方向遷移以彌補容納空間增長量的不足所導致的水體變淺,當礁體不能繼續(xù)遷移或者遷移速度趕不上海平面下降速度時,環(huán)境已經(jīng)不能滿足礁體的生長,生物礁開始死亡,礁體死亡后遭受暴露和淡水淋濾作用,同時發(fā)生混合水白云石化作用。

4 礁體內(nèi)部有利儲層展布

表1 鄂西利川見天壩長興組生物礁不同類型巖石儲層物性分布特征Table1 Porosity and permeability distribution of different rocks of Changxing Formation reef in Jiantianba section,Lichuan

鄂西利川見天壩長興組生物礁儲層主要發(fā)育于長興組Sq1和Sq2的高位體系域時期,其產(chǎn)出環(huán)境為臺地邊緣丘、臺地邊緣生物礁和礁頂白云巖沉積。儲層巖石類型主要有藻粘結巖、障積礁灰?guī)r、骨架礁灰?guī)r和晶粒白云巖等類型[20]。其中晶粒白云巖儲層主要分布在礁體頂部(PSS4),累計厚度為22.7 m,孔隙度最大可達到4.8%,最小為1.8%,平均為3.7%,滲透率最大為1.3 X10-3μm2(表1),主要儲集空間為晶間孔和晶間溶孔,其儲層物性相對最好;骨架礁灰?guī)r儲層分布在礁體中上部(PSS3),厚度為40.2 m,孔隙度孔隙度最大可達到2.8%,最小為1.73%,平均為2.1%,滲透率最大可達到0.38 X 10-3μm2,主要儲集空間為生物體腔孔和溶孔孔隙,其儲層物性相對較好。藻粘結礁灰?guī)r儲層分布在礁體下部(PSS2),厚度為34.4 m,孔隙度孔隙度最大可達到1.6%,最小為0.38%,平均為0.9%,滲透率最大可達到0.17 X10-3μm2,主要儲集空間為粘結格架孔、溶孔及重結晶作用后形成的晶間孔,其儲層物性相對最差。

從上面分析可以看出利川見天壩生物礁儲層要分布在長興組層序格架內(nèi)部的高位體系域,隨著相對海平面不斷下降,水動力條件逐漸增強,生物礁演化經(jīng)歷了以粘結結構為主的臺地邊緣丘、以障積-骨架結構為主的臺地邊緣生物礁、以及礁頂暴露白云巖化作用形成的晶粒白云巖,其儲層物性由下向上逐漸變好,有利儲層主要分布在礁體中上部和礁體頂部。

5 結論

通過對鄂西利川見天壩長興組生物礁內(nèi)部構成特征及成礁模式進行研究得出以下幾點認識:

(1)鄂西利川見天壩生物礁位于川東臺地和城口-鄂西海槽之間的臺地邊緣相帶,該區(qū)生物礁是在相對海平面不斷下降的背景條件下形成的。隨著相對海平面的不斷下降,水體逐漸變淺,該區(qū)形成了一套規(guī)模巨大的加積-進積型臺地邊緣生物礁沉積序列。

(2)鄂西利川見天壩生物礁內(nèi)部由4個準層序組構成.SS1主要由一套斜坡相深灰色薄層狀泥晶灰?guī)r和含生屑泥晶灰?guī)r沉積組成,該準層序組頂部發(fā)育一套灰色中層狀泥晶生屑灰?guī)r灘相沉積。準層序組PSS2屬臺地邊緣生物丘沉積,發(fā)育了一套灰色塊狀藻粘結、藻粘結-障積和障積生物灰?guī)r沉積。 PSS3以灰色塊狀障積-骨架巖和骨架巖為主體的礁灰?guī)r沉積,在礁前局部發(fā)育有垮塌灰?guī)r角礫巖沉積,該準層序PSS3構成了臺地邊緣生物礁的主體沉積。 PSS4由淺灰色中厚層狀生物碎屑含云灰?guī)r、殘余生物碎屑灰質云巖、生物碎屑含灰云巖組成,屬臺地邊緣灘和局限臺地沉積。

(3)鄂西利川見天壩生物礁發(fā)育過程經(jīng)歷了生物礁奠基、初期繁盛、最大繁盛和生物礁衰亡等四個大的演化階段,其對應的沉積環(huán)境分別為較深水低能生屑灘、臺地邊緣生物丘、臺地邊緣生物礁和局限臺地沉積。

(4)鄂西利川見天壩長興組生物礁儲層主要分布在層序格架內(nèi)的高位體系域時期,其形成環(huán)境為臺地邊緣生物丘、臺地邊緣生物礁相和礁頂局限臺地相沉積,儲層巖石類型有藻粘結巖、海綿障積-骨架礁灰?guī)r和晶粒白云巖等多種類型。隨著相對海平面不斷下降,水動力條件逐漸增強,生物礁儲層物性由下向上逐漸變好,有利儲層主要分布在礁體中上部和礁體頂部。

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