北京西山淹沒(méi)不整合型高頻旋回層序地層研究

章軒瑋

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

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北京西山淹沒(méi)不整合型高頻旋回層序地層研究

章軒瑋

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

以北京西山寒武系張夏組地層為例，運(yùn)用米蘭柯維奇高頻旋回層序地層分析方法與地球化學(xué)結(jié)合研究的手段，對(duì)三級(jí)快速海侵背景下的寒武系張夏組高頻旋回層序地層格架進(jìn)行劃分。研究認(rèn)為，該區(qū)張夏組灰?guī)r地層并非傳統(tǒng)的I、II型碳酸鹽巖層序模式，應(yīng)為典型淹沒(méi)不整合型層序。建立了從三級(jí)層序到六級(jí)米級(jí)旋回的張夏組淹沒(méi)不整合型高頻旋回層序地層格架。淹沒(méi)不整合型層序格架內(nèi)有利儲(chǔ)層主要發(fā)育于三級(jí)、四級(jí)層序的高水位體系域中?？焖俸Ｇ质录?biāo)志著碳酸鹽巖臺(tái)地的沉積間斷。通過(guò)對(duì)淹沒(méi)不整合型碳酸鹽巖層序地層的研究來(lái)指導(dǎo)未來(lái)的石油勘探生產(chǎn)，具有現(xiàn)實(shí)的研究意義。

碳酸鹽巖層序地層；淹沒(méi)不整合型層序；米級(jí)旋回；北京西山；張夏組

0 引 言

近年來(lái)，碳酸鹽巖層序地層學(xué)研究在中國(guó)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1-3]。如樊太亮等對(duì)塔里木地區(qū)寒武系層序地層格架的研究[2]，于炳松等對(duì)塔里木奧陶系有利烴源巖在層序地層格架中發(fā)育位置的研究[2]。中國(guó)海相碳酸鹽巖層序地層學(xué)在取得長(zhǎng)足進(jìn)展的同時(shí)也存在些許薄弱之處，如對(duì)于碳酸鹽巖層序地層的識(shí)別多是傳統(tǒng)的Ⅰ、Ⅱ型層序，但在碳酸鹽巖臺(tái)地中更普遍地發(fā)育另外一種III型淹沒(méi)不整合型旋回層序。以往的研究多局限于三級(jí)層序的劃分，而更高精度旋回層序地層格架的建立才能滿足未來(lái)科研生產(chǎn)的需要。以北京西山寒武系張夏組為例，通過(guò)對(duì)張夏組淹沒(méi)不整合型高頻旋回層序地層的研究，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 張夏組淹沒(méi)不整合型高頻旋回層序地層研究

1.1 張夏組潮下型碳酸鹽巖米級(jí)旋回及淹沒(méi)不整合層序界面識(shí)別

北京西山寒武系張夏組地層年齡約為506.5～503.0 Ma。張夏組地層共發(fā)育有60余個(gè)潮下型碳酸鹽巖米級(jí)旋回，這些旋回有序疊加共同組成了一個(gè)以“陸棚相—鮞粒灘相”沉積相序列為特征的淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序。

研究區(qū)域內(nèi)的張夏組地層由以下巖相單元構(gòu)成(圖1a)：①陸棚相鈣質(zhì)泥巖，發(fā)育水平紋層，偶夾深水竹葉狀粒屑灰?guī)r透鏡體(異地風(fēng)暴巖)，深水沉積環(huán)境產(chǎn)物；②陸棚相薄層含泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r，局部發(fā)育厚為1～2 mm的風(fēng)暴韻律層沉積(碳酸鹽巖砂屑)，沉積環(huán)境介于風(fēng)暴浪基面至深緩坡之間；③深緩坡相泥晶灰?guī)r，偶夾泥質(zhì)條帶，發(fā)育水平紋層，為深緩坡沉積環(huán)境的產(chǎn)物；④中緩坡相中厚層含鮞粒粒泥灰?guī)r；⑤淺緩坡相泥亮晶鮞?；?guī)r；⑥淺緩坡相塊狀亮晶鮞?；?guī)r，發(fā)育波浪沖刷交錯(cuò)層理及沖刷面；⑦淺緩坡相塊狀或柱狀微生物疊層石石灰?guī)r，與大量灘相鮞?；?guī)r共生。

上述成因巖相單元依次疊加在一起，由深水陸棚相沉積產(chǎn)物過(guò)渡為淺水顆粒灘相沉積產(chǎn)物，組成了一個(gè)理想的潮下型碳酸鹽巖米級(jí)旋回(圖1b)。實(shí)際野外劃分中，這種理想化潮下型米級(jí)旋回基本少見(jiàn)。更加普遍的是由2個(gè)巖相單元或3個(gè)組合所構(gòu)成的潮下型碳酸鹽巖米級(jí)旋回(圖1c)。雖然同屬于一個(gè)碳酸鹽巖臺(tái)地古地理背景，但在古水深不同的區(qū)域，米級(jí)旋回上下巖相組構(gòu)單元也不盡相同。隨著深水沉積環(huán)境橫向演變至淺水沉積環(huán)境，同一沉積時(shí)段內(nèi)，不同米級(jí)旋回構(gòu)成一個(gè)臺(tái)地相米級(jí)旋回變化譜系(圖1b)。

圖1 露頭巖性及層序界面和米級(jí)旋回變化譜系

在野外實(shí)際觀測(cè)中，三級(jí)淹沒(méi)不整合型層序界面特征明顯。具有凝縮性質(zhì)的張夏組底部鈣質(zhì)泥巖越過(guò)三級(jí)層序的底界面，覆蓋在徐莊組頂部灰?guī)r之上，形成淹沒(méi)不整合型層序界面(圖1c)。三級(jí)層序和四級(jí)亞層序的層序界面均類似于每一個(gè)潮下型米級(jí)旋回的旋回界面，具有相似的地層界面特征屬性。米級(jí)旋回的瞬時(shí)加深淹沒(méi)間斷面和三級(jí)層序的層序界面是同一事物不同級(jí)別尺度的表現(xiàn)。地層記錄中層序界面存在不同的級(jí)別，旋回沉積記錄便具有了“大級(jí)別旋回層序包含若干小級(jí)別米級(jí)旋回”的特點(diǎn)。在張夏組整合地層序列中進(jìn)行層序地層劃分，層序界面已不是地層明顯間斷的不整合面(Ⅰ、Ⅱ型層序界面)，而是以地層間斷時(shí)限難以確定的整合面(即沉積間斷面)來(lái)作為層序界面。從沉積學(xué)范疇來(lái)理解層序地層，旋回層序的界面是下部水深變淺、上部水深加深的物理表現(xiàn)形式，當(dāng)下伏地層向上變淺的強(qiáng)度大時(shí)即形成不整合型層序界面(Ⅰ、Ⅱ型暴露層序界面)，當(dāng)上覆地層向上加深的強(qiáng)度大時(shí)(快速淹沒(méi))即形成淹沒(méi)不整合型層序界面(型層序界面)。

1.2 高頻旋回層序地層格架的建立

淺緩坡相鮞?；?guī)r、陸棚相鈣質(zhì)泥巖及中深緩坡相泥質(zhì)條帶泥晶灰?guī)r等特征迥異的巖相單元，共同組成了一個(gè)非對(duì)稱型向上變淺的淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序。在劃分北京西山寒武系張夏組海相碳酸鹽巖層序地層時(shí)，采用從低級(jí)別六級(jí)米級(jí)旋回到高級(jí)別三級(jí)層序的劃分方法，即由巖相序列構(gòu)成短周期米級(jí)旋回，由米級(jí)旋回構(gòu)成更高級(jí)別的長(zhǎng)周期沉積相序列，最終以沉積相序列所表現(xiàn)出的沉積趨勢(shì)的變化(深水—淺水)來(lái)作為反演基準(zhǔn)面變化和劃分三級(jí)層序的基礎(chǔ)。旋回層序，首先是一個(gè)在年代地層框架內(nèi)沉積相的有序疊加，該相序能夠反映海平面相對(duì)升降的變化。由于海平面變化存在不同的周期與級(jí)次，最終形成了不同級(jí)別的旋回層序，由低級(jí)別、短周期的米級(jí)旋回有規(guī)律的垂直疊加構(gòu)成了長(zhǎng)周期、高級(jí)別的三級(jí)層序。

北京西山寒武系張夏組地層中發(fā)育的米級(jí)旋回，遵循特定基準(zhǔn)面變化階段沉積特定巖相組合類型的形式，形成有規(guī)律的疊加：60個(gè)米級(jí)旋回通常4個(gè)一組呈1∶4的組合關(guān)系，構(gòu)成15個(gè)五級(jí)準(zhǔn)層序級(jí)別旋回層序；五級(jí)旋回層序又通過(guò)5個(gè)一組呈1∶5的組合關(guān)系構(gòu)成3個(gè)四級(jí)準(zhǔn)層序組級(jí)別亞層序；四級(jí)亞層序遵循長(zhǎng)周期基準(zhǔn)面由深到淺變化的規(guī)律最終構(gòu)成一個(gè)完整的淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序(圖2)。在四級(jí)亞層序格架中來(lái)觀察米級(jí)旋回種類的發(fā)育。在四級(jí)亞層序下部凝縮段(CS)單元中，四級(jí)相對(duì)海平面處于上升階段，故組成四級(jí)亞層序下部凝縮段的米級(jí)旋回主要發(fā)育由陸棚相鈣質(zhì)泥巖及深緩坡泥晶灰?guī)r組成的A、B、C型米級(jí)旋回。對(duì)等的，在四級(jí)亞層序上部的HST單元中，由于同沉積時(shí)期正處于四級(jí)相對(duì)海平面變化的下降階段，故組成四級(jí)亞層序上部HST的米級(jí)旋回主要發(fā)育由緩坡灘相鮞?；?guī)r作為上部巖相單元的D、E、F、G、H、I型米級(jí)旋回(圖2)。

在三級(jí)層序格架中，底部2個(gè)四級(jí)亞層序的HST單元中主要發(fā)育中緩坡—淺緩坡型C、D、E型米級(jí)旋回，只有頂部的四級(jí)亞層序的HST單元中才發(fā)育代表淺緩坡—鮞粒灘相沉積的F、G、H、I型米級(jí)旋回。3個(gè)四級(jí)亞層序構(gòu)成的沉積相序列具有如下相序特征(圖2)：(陸棚相—深緩坡相—中緩坡相)—(陸棚相—深緩坡相—中緩坡相—淺緩坡相)—(深緩坡相—中緩坡相—淺緩坡相—鮞粒灘相)。完全符合三級(jí)層序由深變淺的相序特征。此三級(jí)層序可以作為碳酸鹽巖淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序高頻旋回層序研究的典型實(shí)例。

1.3 旋回層序格架中的碳酸鹽巖化學(xué)組分特征

按照所建立的高頻旋回層序地層格架，系統(tǒng)采集凝縮段單元與HST單元對(duì)應(yīng)巖石樣品進(jìn)行化學(xué)組分檢測(cè)[4]。結(jié)果表明，在四級(jí)相對(duì)海平面變化的最大海泛期，即沉積以鈣質(zhì)泥巖和泥晶灰?guī)r為主的凝縮段時(shí)期，CaO和MgO的含量為四級(jí)旋回內(nèi)最低，而SiO2和K2O的含量為四級(jí)旋回內(nèi)最高。這表明在四級(jí)相對(duì)海平面上升到最大時(shí)，沉積環(huán)境以遠(yuǎn)洋—半遠(yuǎn)洋環(huán)境為主，碳酸鹽巖生產(chǎn)受限。K2O含量的高值代表著深水緩慢沉積，SiO2含量高說(shuō)明有機(jī)械混入物。在四級(jí)相對(duì)海平面下降期，即高水位體系域階段，巖性主要為質(zhì)純鮞?；?guī)r，相應(yīng)的CaO含量出現(xiàn)四級(jí)旋回內(nèi)最大值，說(shuō)明伴隨著四級(jí)相對(duì)海平面的下降，臺(tái)地碳酸鹽巖生產(chǎn)恢復(fù)。且越接近四級(jí)旋回層序頂界面，樣品MgO含量越高，這與四級(jí)層序界面暴露有關(guān)。在高水位體系域中SiO2和K2O的含量相較于凝縮段單元都有所下降(表1)。觀察三級(jí)層序與化學(xué)組分的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在三級(jí)層序頂部，鮞?；?guī)r中CaO和MgO的含量出現(xiàn)極大值，在三級(jí)層序底部出現(xiàn)極小值，表明長(zhǎng)周期三級(jí)相對(duì)海平面變化在三級(jí)層序頂部海平面下降強(qiáng)度最大；對(duì)應(yīng)的SiO2和K2O的含量在三級(jí)層序凝縮段部分出現(xiàn)極大值，表明此時(shí)為三級(jí)最大海泛期(表1)。

2 快速海侵對(duì)于層序地層格架的影響及對(duì)未來(lái)工作的意義

2.1 快速海侵對(duì)碳酸鹽巖層序格架發(fā)育的影響

碳酸鹽巖臺(tái)地沉積環(huán)境普遍對(duì)于水體深度和沉積環(huán)境十分敏感。臺(tái)地的發(fā)育在高位正常海退期最為有利，臺(tái)地頂部的碳酸鹽巖工廠被大范圍的淺水透光帶所覆蓋，形成大范圍碳酸鹽巖生產(chǎn)區(qū)域(圖3階段1)。在高位正常海退之后，三級(jí)海平面變化進(jìn)入下降期及低水位期。臺(tái)地頂面大范圍暴露侵蝕從而形成暴露不整合面(Ⅰ、Ⅱ型層序界面)(圖3階段2)。

海侵期對(duì)于碳酸鹽巖層序格架發(fā)育的影響，會(huì)出現(xiàn)2種不同的結(jié)果，因此分為慢速海侵與快速海侵來(lái)分別討論：①如果是慢速海侵，臺(tái)地水深依然處于光線所及的深度內(nèi)，碳酸鹽巖工廠仍能繼續(xù)生產(chǎn)沉積物，繼續(xù)維持碳酸鹽巖臺(tái)地的生長(zhǎng)發(fā)育(圖3階段3)；②如果是快速海侵，水體加深過(guò)快，臺(tái)地隨即淹沒(méi)，碳酸鹽巖工廠關(guān)閉，由淺水沉積環(huán)境突變?yōu)檫h(yuǎn)洋—半遠(yuǎn)洋灰泥質(zhì)沉積環(huán)境，這就導(dǎo)致了覆蓋于整個(gè)碳酸鹽巖臺(tái)地范圍內(nèi)的無(wú)暴露沉積間斷面(Ⅲ型層序界面)和其上的凝縮段沉積層的形成(圖3階段4)，快速海侵所代表的臺(tái)地淹沒(méi)事件標(biāo)志著碳酸鹽巖層序格架中的間歇性臺(tái)地沉積停滯。

圖2 北京西山寒武系張夏組高頻旋回層序地層格架

圖3 慢速海侵與快速海侵碳酸鹽巖層序模式及有利儲(chǔ)層發(fā)育位置

2.2 淹沒(méi)不整合型層序研究對(duì)未來(lái)工作的指導(dǎo)意義

通過(guò)上述研究明確了淹沒(méi)不整合型碳酸鹽巖層序地層格架的發(fā)育特征，并以此指導(dǎo)未來(lái)的石油勘探生產(chǎn)，具有極大的現(xiàn)實(shí)研究意義[5-9]。通過(guò)前述的地球化學(xué)與高頻層序地層格架的研究，明確在三級(jí)、四級(jí)淹沒(méi)不整合型層序格架的高水位體系域中CaO和MgO的含量均為層序格架內(nèi)最高，并且對(duì)應(yīng)巖性均為儲(chǔ)層性質(zhì)優(yōu)良的高孔滲顆?；?guī)r及鮞粒灰?guī)r等，越朝向?qū)有蝽斀缑嫖恢肕gO含量所控制的白云石化作用越明顯，這與層序界面暴露有關(guān)，有利于沉積物性優(yōu)良的顆粒溶蝕灰?guī)r或白云石化儲(chǔ)層。

表1 露頭剖面碳酸鹽巖樣品化學(xué)組分檢測(cè)結(jié)果

在快速海侵臺(tái)地淹沒(méi)的背景下，前期快速海侵期不形成有利的臺(tái)緣礁灘儲(chǔ)層。但在后期的高水位體系域期，恢復(fù)沉積有利的生物礁灘相儲(chǔ)層。底部凝縮段沉積在同沉積期就具有很高的生物質(zhì)有機(jī)質(zhì)含量，這些與泥巖一起沉積的有機(jī)質(zhì)在有利的地層溫壓埋藏條件下易形成生烴潛力巨大的烴源巖地層。綜上所述，凝縮段在下部生油，高水位體系域沉積儲(chǔ)層地層，易形成有利的下生上儲(chǔ)式成藏組合。在合適的圈閉封蓋條件下，此類成藏組合會(huì)成為油氣甜點(diǎn)勘探的潛力區(qū)。如珠江口盆地中新世流花臺(tái)地生物礁儲(chǔ)層就具有此種特征。因此，在淹沒(méi)不整合型層序地層格架中有利的碳酸鹽巖儲(chǔ)層主要分布于高水位體系域，有利的烴源巖沉積主要分布于凝縮段中(圖3階段4)。

3 結(jié) 論

(1) 北京西山寒武系張夏組高頻旋回層序格架包含1個(gè)淹沒(méi)不整合型三級(jí)層序、3個(gè)四級(jí)亞層序、15個(gè)五級(jí)旋回層序及60個(gè)潮下型米級(jí)旋回。由低級(jí)別米級(jí)旋回依次疊加組成高級(jí)別三級(jí)淹沒(méi)不整合型層序。

(2) 不同于Ⅰ、Ⅱ型層序界面(暴露層序界面)，淹沒(méi)不整合型(Ⅲ型)層序界面是當(dāng)上覆地層向上加深的強(qiáng)度大時(shí)形成的。

(3) 快速海侵所代表的臺(tái)地淹沒(méi)事件標(biāo)志著碳酸鹽巖層序格架中的間歇性臺(tái)地沉積停滯，是特殊地質(zhì)背景下的產(chǎn)物，在碳酸鹽巖地層記錄中較為普遍。

(4) 在淹沒(méi)不整合型層序地層格架中，有利的鹽酸鹽巖儲(chǔ)層主要分布于高水位體系域，有利的烴源巖沉積主要分布于凝縮段中。

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編輯 林樹(shù)龍

20150605；改回日期：20151008

國(guó)家自然科學(xué)基金“燕山地區(qū)薊縣系旋回與事件及其相關(guān)沉積學(xué)研究”(40472065)

章軒瑋(1987-)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地質(zhì)工程專業(yè)，現(xiàn)為該校含油氣盆地沉積學(xué)專業(yè)在讀博士研究生，主要從事層序地層學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)研究。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.005

TE122.3

A

1006-6535(2015)06-0019-06