四川盆地東北部中二疊統(tǒng)層序地層特征

劉雁婷，張文軍，熊治富，趙永慶，季春輝

(中國石化勘探南方分公司勘探研究院，四川 成都 610041)

引言

四川盆地是海、陸相疊合的具有油氣潛力的沉積盆地，其油氣資源蘊藏的地層主要為海相碳酸鹽巖地層［1］。近年來，隨著對碳酸鹽巖儲集層的重視，四川盆地中二疊統(tǒng)油氣勘探的重要性與緊迫性日益突出。

有關(guān)四川盆地中二疊統(tǒng)層序劃分的問題，前人已從不同角度做過大量的研究工作。周雁［1］根據(jù)野外工作，參考不同相帶層序發(fā)育特點，并針對碳酸鹽巖生長特點與海平面變化的關(guān)系，將中揚子區(qū)中二疊世地層劃分為6個三級層序;吳聯(lián)錢［2］建立了四川盆地中二疊統(tǒng)層序地層格架，將其劃分為5個三級層序，平均延時約4Ma。陳玉［3］將廣元上寺棲霞組-茅口組劃分為4個Ⅲ級層序。胡明毅［4］以Vail的層序地層學理論為指導，通過以巖性巖相轉(zhuǎn)換界面為主的層序界面識別，確定棲霞組發(fā)育2個Ⅱ型三級層序。李鳳杰［5］對川東北地區(qū)宣漢縣渡口鎮(zhèn)羊鼓洞中二疊統(tǒng)剖面的層序地層進行研究，識別出3種類型6個層序界面，將中二疊統(tǒng)劃分為2個Ⅱ級、5個Ⅲ級層序。

在前人研究的基礎上，本文運用野外露頭觀察、測井/錄井、地震及古生物等資料，對四川盆地東北部中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖進行層序地層研究，分析各層序界面及層序地層特征，并探討其對儲層的控制作用，為下一步油氣勘探提供新的科學依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

四川盆地東北部位于揚子板塊的西北緣［6-7］。其北側(cè)為秦嶺造山帶南緣的米倉山?jīng)_斷構(gòu)造帶，東北側(cè)為大巴山弧形沖斷構(gòu)造帶，西北側(cè)為龍門山造山帶［6-7］(圖1)。四川盆地中二疊統(tǒng)地層包括梁山組、棲霞組和茅口組［2］。梁山組為一套濱岸-沼澤相沉積物，與下覆志留系為不整合接觸，厚3～20m，巖性主要為褐黃色-黑色含炭粉砂巖、炭質(zhì)泥巖夾煤線，局部夾灰白色細粒石英砂巖。棲霞組在全區(qū)連續(xù)分布，上、下分別與茅口組及梁山組整合接觸，厚約80～180m，主要由一套緩坡-臺地相的沉積物組成，可細分為兩段:棲一段主要為深灰-灰黑色含生屑泥-細粉晶灰?guī)r，夾綠藻屑泥晶灰?guī)r及泥質(zhì)、硅質(zhì)條帶;棲二段主要為淺灰、灰色亮晶生屑灰?guī)r，含生屑細粉晶灰?guī)r。茅口組與下伏的棲霞組整合接觸。茅口組總體為緩坡沉積，可細分為3段:茅一段主要為深灰-黑灰色生屑泥-細粉晶灰?guī)r，含生屑泥-細粉晶灰?guī)r夾細粉晶灰?guī)r，常夾泥質(zhì)條帶，局部含硅質(zhì)團塊;茅二段主要為深灰-黑灰色泥-細粉晶生屑灰?guī)r，含生屑灰?guī)r，偶夾泥質(zhì)條帶及細晶云巖，常含硅質(zhì)團塊;茅三段主要為深灰色細粉晶生屑灰?guī)r，夾含生屑灰?guī)r及細粉晶生屑灰?guī)r。

圖1 區(qū)域位置圖Fig.1 Location of the study area

2 沉積特征

二疊紀前，川東北地區(qū)長期遭受剝蝕。二疊世早期，地殼全面下沉，古太平洋海、古地中海海水經(jīng)秦嶺海槽侵入，四川盆地發(fā)生較大范圍的海侵，在加里東運動隆升形成的志留紀準平原化基礎上開始了沉積，發(fā)育了梁山組濱海沼澤相沉積。之后，大規(guī)模的海侵到來，水深逐漸加大，整個四川盆地表現(xiàn)為正常淺海碳酸鹽巖沉積［8］。

二疊系沉積前，四川盆地具有中西部高，東西兩側(cè)低，西陡、東緩的地貌特征;二疊系沉積時期，高部位演化水下隆起，控制二疊紀碳酸鹽巖沉積［9］。根據(jù)四川盆地內(nèi)區(qū)域地震大剖面的解釋及野外露頭、鉆井巖性、測井特征綜合研究，以巖石學特征、沉積構(gòu)造和古生物化石等多種相標志分析為基礎，建立了中二疊統(tǒng)棲霞組-茅口組地層的兩種沉積模式:緩坡型碳酸鹽臺地模式(圖2A)及鑲邊臺地模式(圖2B)。川西地區(qū)中二疊統(tǒng)沉積早期主要受加里東古地貌(川中古隆起)影響并受到龍門山古斷裂控制，主要發(fā)育碳酸巖鹽鑲邊臺地沉積，中晚期相帶繼承性發(fā)育。鑲邊臺地相發(fā)育在川西南-川西北一帶，可以進一步劃分為臺地(內(nèi)緩坡)相、臺緣相、斜坡相、盆地相。沉積前古地貌表現(xiàn)為中部高(川中古隆起)，兩邊低且坡度緩特征，中晚期受峨眉地裂運動持續(xù)影響，整體表現(xiàn)為南高北緩的特征，發(fā)育碳酸鹽巖緩坡沉積。緩坡模式主要發(fā)育在川東北及川東南地區(qū)，總體分為4個帶，可以進一步劃分為中緩坡相、外緩坡相、內(nèi)緩坡相。四川盆地東北部中二疊統(tǒng)主要以發(fā)育緩坡沉積為主，西北部的西北鄉(xiāng)露頭剖面發(fā)育鑲邊臺地沉積。

2.1 緩坡體系

2.1.1 中緩坡相

此相帶形成于正常浪基面以上，平均海平面以下，受波浪作用影響大，水體較淺且能量相對較高，主要發(fā)育生屑灘沉積。向海一側(cè)漸變?yōu)橥饩徠隆Ｔ撓鄮е饕植荚谘芯繀^(qū)的棲霞組二段及茅口組二段、三段地層中，其沉積物主要為亮晶砂屑灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r，以及被不同程度白云石化的生屑灰?guī)r。含有大量的窄鹽度生物碎屑，如腕足、苔鮮蟲、海百合、海膽、蜓、有孔蟲和海綿碎片等，腹足和瓣鰓也很豐富。

2.1.2 外緩坡相

相對于中緩坡相而言，外緩坡相的沉積水體較深，形成于平均浪基面至最大風暴浪基面之間的海底，總體能量較低。主要形成了大套深灰色、灰黑色中-厚層狀的泥晶石灰?guī)r、(含)生屑泥晶灰?guī)r。

2.1.3 內(nèi)緩坡相

在臺地內(nèi)部向陸一側(cè)，主要為內(nèi)緩坡相區(qū)，沉積水深相對大于中緩坡相沉積，沉積面積大，為鹽度基本正常、水循環(huán)良好的淺海沉積環(huán)境。主要沉積泥晶灰?guī)r、生屑灰?guī)r。

2.2 鑲邊臺地體系

2.2.1 臺地相

相當于緩坡體系的內(nèi)緩坡相。

2.2.2 臺緣相

發(fā)育在斜坡與臺地之間的過渡地帶，水淺，透光性好，鹽度正常，有強烈的海浪和波濤，有良好的海水循環(huán)和充分的自由氧，適合大量生物生長。臺地邊緣淺灘是臺地邊緣環(huán)境沉積的高能淺灘，巖性主要為生屑灰?guī)r，由于長期暴露，易于后期白云石化。西北鄉(xiāng)露頭剖面棲霞組中出現(xiàn)灰色中粗晶白云巖及亮晶生屑白云巖。

2.2.3 斜坡相

處于盆地與臺地邊緣之間，位于浪基面之下，基質(zhì)為低能的灰泥、泥質(zhì)，間夾高能的來自臺地的碳酸鹽巖塌積體。

2.2.4 盆地相

位于密度層之下的深水低能環(huán)境，水深較大，能量低。汶川新店子剖面為深水盆地相沉積，巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)條帶及千枚巖(泥巖變質(zhì)而成)，并且沉積厚度僅為20m左右。

圖2 四川盆地東北部中二疊統(tǒng)沉積模式Fig.2 Sedimentary models for the Middle Permian strata in northern Sichuan Basin

3 層序特征

3.1 層序界面

層序研究的關(guān)鍵是層序界面的識別［10-11］，通過野外露頭、鉆井、測井及地震資料的綜合分析，在川東北中二疊統(tǒng)地層中識別出4種類型的層序界面。界面類型包括隆升侵蝕不整合面、暴露層序不整合面、海侵上超不整合面及巖性巖相轉(zhuǎn)換面。

3.1.1 隆升侵蝕不整合面

隆升侵蝕不整合面為二級層序界面，是由構(gòu)造隆升和全球海平面下降兩種因素疊加而形成的層序不整合，但構(gòu)造作用的影響大于基準面下降的影響［12］。這類界面反映的構(gòu)造隆升作用常常是局部的，主要為造陸作用。界面的上、下地層的接觸關(guān)系主要為平行不整合或微角度不整合，代表的沉積間斷在數(shù)百萬年至數(shù)十百萬年之間。在川東北地區(qū)中二疊統(tǒng)識別出的隆升侵蝕不整合面為梁山組與志留系之間的界面及茅口組與吳家坪組之間的界面。梁山組與志留系之間的界面的上、下巖性變化明顯，由志留系的泥頁巖夾生屑泥晶灰?guī)r變?yōu)橹斜拥姆凵皫r、泥巖粉砂巖，地震剖面上可見明顯的削截現(xiàn)象(圖3)。茅口組與吳家坪組之間的界面上、下巖性變化明顯，界面下伏茅三段的生屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，界面上覆吳家坪組的灰黑色碳質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥巖及泥質(zhì)灰?guī)r等;測井曲線顯示界面上、下變化明顯，自然伽馬曲線由低值變?yōu)槊黠@的高值，電阻率曲線由高值變?yōu)榈椭担哂忻黠@的臺階。

3.1.2 暴露層序不整合面

暴露層序不整合面是盆地構(gòu)造活動穩(wěn)定時期，海平面升降發(fā)生轉(zhuǎn)折形成的界面，以海平面相對下降為主導因素，使原沉積區(qū)暴露地表造成原巖部分溶蝕或溶解而形成的［13］。沉積物裸露于地表或處于大氣滲流帶，并在早期成巖階段沉積物界面與大氣水發(fā)生混合，表現(xiàn)為海平面下降記錄。在研究區(qū)中二疊統(tǒng)識別出的暴露層序不整合面為棲霞組和茅口組之間的界面，它與較晚的海侵上超不整合面疊合，形成先暴露、再海侵上超的層序不整合面。西北鄉(xiāng)露頭剖面在此界面之下發(fā)育有混合水白云巖化的晶粒狀白云巖，由于暴露而遭受溶蝕形成溶孔，為海平面下降、暴露的標志，說明棲霞組與茅口組為暴露不整合關(guān)系。鉆井的測井曲線顯示界面上、下也有明顯變化，由低值變?yōu)楦咧担娮杪是€由起伏明顯的中低值指狀-箱狀變?yōu)橄鄬^為平直的中值鋸齒狀。但該界面在地震剖面上表現(xiàn)不明顯。

3.1.3 海侵上超不整合面

海侵上超不整合面形成于海平面主體上升期，反映盆地構(gòu)造沉降與海平面上升同步［13］。在中二疊統(tǒng)識別出的海侵上超不整合面為茅口組一段和二段之間的界面，界面上、下巖相變化大，界面下伏茅一段的生屑灰?guī)r，界面上覆茅二段的深灰色含泥灰?guī)r、生屑灰?guī)r，反映出海平面的上升趨勢。

3.1.4 巖性巖相轉(zhuǎn)換面

圖3 川東北地區(qū)中二疊統(tǒng)SQ1底界的削截現(xiàn)象(TP2拉平)Fig.3 Truncation at the basal boundary of SQ1 in the Middle Permian strata in northeastern Sichuan

巖性巖相轉(zhuǎn)換面常見于Ⅲ級以下層序中，它是因海平面升降變化造成沉積環(huán)境發(fā)生改變，使界面上下沉積物產(chǎn)生明顯的差異而形成的［5］，多為體系域之間的界面。棲一段與棲二段之間的界面為棲霞組內(nèi)部的巖性巖相轉(zhuǎn)換面，由相對水深的外緩坡向相對水淺的中緩坡轉(zhuǎn)換，反映海平面上升到最高后開始下降的沉積響應。

3.2 層序劃分

以鉆井、測井和地震資料為基礎，綜合年代地層、巖石地層及生物地層研究成果，結(jié)合沉積相分析，在詳細劃分三級層序界面及其內(nèi)部體系域界面的基礎上，將川東北地區(qū)中二疊統(tǒng)劃分為3個三級層序(SQ1～SQ3，圖4)。其中SQ1包括梁山組和棲霞組，時限約7Ma;SQ2包括茅口組一段，時限約3Ma;SQ3，SQ3包括茅口組二段-三段，時限約5Ma。

3.2.1 SQ1

SQ1包括梁山組和棲霞組，絕對年齡275～268Ma，時限7Ma，生物見蜓類Nankinellaorbicularia等［14-15］。SQ1 底界(SB1，年齡 275Ma，巖石地層中二疊統(tǒng)梁山組/古生界志留系界面，晚加里東及海西運動構(gòu)造不整合面，地震TP1界面)為隆升侵蝕不整合面，下伏志留系砂泥巖。SQ1頂界(SB2，年齡268Ma)為暴露層序不整合與海侵上超層序不整合疊加的復合界面。西北鄉(xiāng)露頭剖面見混合水白云石化灰?guī)r，溶蝕孔洞發(fā)育。

可將SQ1劃分為低位體系域、海侵體系域和高位體系域。低位體系域?qū)诹荷浇M，為一套濱岸-沼澤相的褐黃色-黑色含炭粉砂巖、炭質(zhì)泥巖夾煤線，局部夾灰白色細粒石英砂巖。海侵體系域?qū)跅冀M一段，受海侵影響，海平面迅速上升，川東北地區(qū)接受碳酸鹽巖沉積，主要發(fā)育外緩坡沉積的深灰色泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或含生屑灰?guī)r等。高位體系域?qū)跅冀M二段，海平面上升到最大位置后，主要發(fā)育臺緣生屑灘或中緩坡的淺灘，晚期海平面下降，臺緣遭受暴露，發(fā)育灰色、淺灰色的砂糖狀白云巖，中緩坡發(fā)育云質(zhì)生屑灰?guī)r、生屑灰?guī)r等。測井曲線上，可以看到自然伽馬曲線由海侵體系域明顯的中高值鋸齒狀變?yōu)楦呶惑w系域的低值微小鋸齒狀，電阻率曲線由海侵體系域的中低值鋸齒狀變?yōu)楦呶惑w系域的起伏明顯的指狀-塊狀。

3.2.2 SQ2

SQ2包括茅一段，絕對年齡268～265Ma，時限3Ma，生物見蜓類 Neoschwagerina 等［15-16］。SQ2 底界即SQ1頂界SB2，SQ2頂界(SB3，年齡265Ma)為海侵上超層序不整合面?？梢娒┒蔚哪嗑Щ?guī)r覆蓋在茅一段的生屑灰?guī)r之上。

SQ2可劃分為海侵體系域和高位體系域。海侵體系域?qū)诿┛诮M一段下部，海平面上升，主要發(fā)育外緩坡沉積的深灰色泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或含生屑灰?guī)r等。高位體系域?qū)诿┛诮M一段上部，海平面上升到最大位置，由于海平面上升位置較高，SQ2也發(fā)育外緩坡的深灰色泥晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r等。部分地區(qū)發(fā)育中緩坡的生屑灘沉積。

3.2.3 SQ3

圖4 HB1井中二疊統(tǒng)層序與沉積綜合柱狀圖Fig.4 Generalized column of the Middle Permian sequences and sedimentary facies through the HBI well

SQ3包括茅二段和茅三段，絕對年齡265～260Ma，時限5Ma，生物見蜓類Metadoliolina multivoluta等［14-15］。SQ3 底界即為 SQ2 頂界 SB3，SQ3 頂界(SB4，年齡260Ma，東吳運動構(gòu)造不整合面，為隆升侵蝕不整合面、地震TP2界面，上覆吳家坪組地層)。

將SQ3劃分為海侵體系域和高位體系域。海侵體系域?qū)诿┛诮M二段，海平面上升，主要發(fā)育外緩坡沉積的深灰色泥晶灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r或含生屑灰?guī)r等。高位體系域?qū)诿┛诮M三段，海平面上升到最大位置，主要發(fā)育臺緣生屑灘或中緩坡的淺灘，巖性主要為灰色生屑灰?guī)r、含生屑灰?guī)r等。測井曲線上，可以看到自然伽馬曲線由海侵體系域起伏明顯的中高值塊狀-指狀狀變?yōu)楦呶惑w系域的中低值指狀-鋸齒狀，電阻率曲線由海侵體系域的中低值鋸齒狀-指狀變?yōu)楦呶惑w系域的相對平直的齒狀。

4 層序?qū)拥目刂谱饔?/h2>

層序?qū)拥目刂谱饔弥饕▋蓚€方面。一是層序控制了沉積相，中二疊統(tǒng)臺緣及中緩坡的灘相沉積主要發(fā)育在高位體系域，不僅影響了主要儲層的分布范圍，還控制了碳酸鹽巖儲層原生孔隙的發(fā)育;二是碳酸鹽巖發(fā)育受三級層序海平面升降控制，棲霞組與茅口組之間的層序界面局部是暴露面，界面之下的高水位體系域灘相儲層常常被改造，優(yōu)質(zhì)儲層明顯受控于海退半旋回。

4.1 層序?qū)Τ练e作用的影響

一般來說，高能-較高能的沉積相帶有利于儲層的形成與演化［16］。層序的海侵體系域由于海平面上升，沉積水體較深，多為能量較低的外緩坡沉積，發(fā)育深灰色、灰色泥晶灰?guī)r、泥晶含生屑灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r等，巖石較為致密，多為非儲層，但可以作為良好的生油層。高位體系域由于海平面上升到最大位置，碳酸鹽巖快速生長，主要為臺緣或中緩坡的淺灘沉積，比中-低能環(huán)境下的灘相灰?guī)r原生孔隙發(fā)育，且通常為高能環(huán)境，水動力較強，沉積物顆粒在強水流中受到不同程度的磨蝕作用，灰泥及細顆粒大部分不能保留，易形成灰泥基質(zhì)少的生屑灰?guī)r，其部分原生的孔隙可以保存下來，為孔隙發(fā)育及后期改造創(chuàng)造良好條件。

4.2 層序?qū)Τ蓭r作用的影響

棲霞組與茅口組之間的層序界面局部是暴露面，是大氣淡水巖溶作用面。界面之下的高水位體系域灘相儲層常常被改造，儲集性能改善。

海侵體系域，海平面上升速率較快，盡管局部高地有灘相灰?guī)r發(fā)育，但外緩坡整體上為一個水體相對較深、能量較低、生長速率較慢的沉積環(huán)境，缺乏普遍暴露接受大氣淡水改造的條件，暴露溶蝕弱，也難于發(fā)生同生-準同生云化作用。因而，海侵體系域灰?guī)r次生溶蝕孔隙多不發(fā)育，儲集性能相對較差。

高位體系域，海平面停滯-下降，水體相對較淺、能量較高、碳酸鹽巖生長速率較快，灘灰?guī)r發(fā)育且規(guī)模明顯增大。在三級海平面海退背景下的四級旋回中的海退半旋回，巖石經(jīng)常暴露于大氣淡水環(huán)境中，未(弱)成巖的灘相沉積物頻繁暴露，遭受淋濾，接受(準)同生期大氣淡水的溶蝕改造，發(fā)生選擇性溶蝕，形成較多的粒間溶孔和晶間溶孔等。此外，由于受到混合水的影響，發(fā)生較強的混合水白云巖化作用，云化作用除形成白云巖之外，還會產(chǎn)生一些晶間孔隙。這些孔隙還可部分保留下來，構(gòu)成現(xiàn)在的儲集空間，對優(yōu)質(zhì)儲層的形成做了重要的貢獻。但由于沉積環(huán)境的不同，從西部的臺緣向東部的緩坡方向，白云巖化逐漸減弱。

5 結(jié)論

(1)通過野外露頭、鉆井、測井及地震資料的綜合分析，在川東北中二疊統(tǒng)地層中識別出4種類型的層序界面。界面類型包括隆升侵蝕不整合面、暴露層序不整合面、海侵上超不整合面及巖性巖相轉(zhuǎn)換面。劃分了3個三級層序:SQ1包括棲霞組，時限約7Ma;SQ2包括茅口組一段，時限約3Ma;SQ3包括茅口組二段-三段，時限約5Ma。三級層序的平均時限約5Ma。

(2)層序?qū)拥陌l(fā)育具有控制作用，主要包括兩個方面，一是層序控制了沉積相，中二疊統(tǒng)臺緣及中緩坡沉積主要發(fā)育在高位體系域，碳酸鹽巖儲層的原生孔隙發(fā)育;二是碳酸鹽巖發(fā)育受三級層序海平面升降控制，棲霞組與茅口組之間的層序界面是暴露面，界面之下的高水位體系域灘相儲層常常被改造，優(yōu)質(zhì)儲層明顯受控于海退半旋回。

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