川西北地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組沉積特征及模式

宋學(xué)鋒

( 長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 資源勘查工程學(xué)院，湖北 荊州 434020 )

0 引言

中二疊統(tǒng)茅口組是四川盆地天然氣勘探的目標層位，蘊含巨大的天然氣儲量。對四川盆地的研究多集中于川中、川南地區(qū)，研究層位多為棲霞組。近年來，隨雙探1、3等探井發(fā)現(xiàn)工業(yè)油流，表明川西北地區(qū)茅口組也具有良好的油氣勘探潛力[1-5]。

人們對川西北茅口組層序劃分、沉積相識別和分類等觀點不一。在層序劃分方面，羅鵬等[6]研究川東南地區(qū)沉積背景，將茅口組劃分為3個三級層序；根據(jù)野外露頭和巖心資料，張運波[7]將四川盆地茅口組劃分為2個三級層序；蘇旺等[8]分析INPEFA曲線變化趨勢，識別層序界面與海泛面，將四川盆地茅口組分為2個三級層序。趙宗舉等[9]利用四川盆地及鄰區(qū)的巖相古地理圖，確定川西北地區(qū)茅口組屬于碳酸鹽巖緩坡臺地；厚剛福等[10]以巖心資料、薄片觀察為基礎(chǔ)，結(jié)合地震及測井資料，認為四川盆地茅口組為鑲邊碳酸鹽巖臺地，研究區(qū)屬于一級臺緣帶；向娟等[11]綜合分析各種地質(zhì)資料，認為四川盆地茅口組為碳酸鹽巖臺地沉積體系，研究區(qū)茅口期主要分為淺水開闊臺地相和臺地邊緣淺灘相沉積。

地質(zhì)資料解釋的差異性導(dǎo)致層序劃分方案和沉積相類型判定也存在差異，致使對川西北地區(qū)茅口組沉積模式?jīng)]有統(tǒng)一的認識，阻礙川西北地區(qū)茅口組的勘探開發(fā)進程。筆者以野外剖面、巖心及測井資料為基礎(chǔ)，對川西北地區(qū)茅口組進行層序劃分和沉積相識別，建立連井層序地層格架，分析沉積相展布特征，建立研究區(qū)茅口組沉積模式，為研究區(qū)茅口組下一步勘探開發(fā)提供地質(zhì)依據(jù)，同時對其他地區(qū)的地質(zhì)勘探提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

川西北地區(qū)位于四川盆地西北部，包括川北低平斷褶帶、川西低緩斷褶帶和川中平緩斷褶帶3個次級構(gòu)造帶[12-16](見圖1)。研究區(qū)北達廣元，東臨龍門山斷裂，西至南江，地理位置包括雅安、成都、綿陽和廣元等地。

二疊系以前，四川盆地受海西運動影響，各地區(qū)不同程度地缺失石炭系地層，最終導(dǎo)致下二疊統(tǒng)梁山組地層呈角度不整合超覆于下部地層[17-20]；中二疊統(tǒng)棲霞組地層、下覆梁山組地層和上覆茅口組地層整合接觸；中二疊世末期，受東吳運動影響，中二疊統(tǒng)茅口組地層與上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M地層平行不整合接觸。研究區(qū)茅口組由下至上可分為四段：茅一段主要發(fā)育灰色、深灰色生物碎屑灰?guī)r，夾泥質(zhì)灰?guī)r，富含有機質(zhì)；茅二段發(fā)育淺灰色、灰白色生物碎屑灰?guī)r，夾灰褐色厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，有機質(zhì)豐富；茅三段主要以淺灰色、灰白色云質(zhì)灰?guī)r為主；茅四段部分地區(qū)因剝蝕而保存不全，主要發(fā)育灰色生物碎屑灰?guī)r。川西北部分地區(qū)發(fā)育硅質(zhì)頁巖。

圖1 川西北地區(qū)構(gòu)造位置及地層特征Fig.1 Structure location and stratigraphic characteristics in northwestern Sichuan

2 沉積特征

2.1 巖石學(xué)

川西北地區(qū)茅口組為海相碳酸鹽巖沉積，主要發(fā)育白云巖和灰?guī)r，按照結(jié)構(gòu)組分可分為白云巖、生物碎屑灰?guī)r和泥微晶灰?guī)r三大類。

2.1.1 白云巖

白云巖多形成于平均高潮面與平均低潮面之間水體較淺的高能環(huán)境，在川西北地區(qū)較普遍，多發(fā)育于茅三段頂部，是研究區(qū)茅口組最主要的儲集巖。巖石呈白色、灰白色，鏡下可見明顯晶粒結(jié)構(gòu)(見圖2(a))，晶粒較大，多為細—中晶，有的可達中—粗晶，晶形多為半自形，溶蝕孔洞發(fā)育。

2.1.2 生物碎屑灰?guī)r

生物碎屑灰?guī)r顆粒主要為生物介殼或介屑(見圖2(b))，在研究區(qū)茅口組分布十分廣泛。根據(jù)顆粒之間不同的填充物，可分為亮晶生物碎屑灰?guī)r(見圖2(c))和泥晶生物碎屑灰?guī)r(見圖2(d))。

亮晶生物碎屑灰?guī)r形成于平均低潮面與平均高潮面之間水體較淺的高能環(huán)境，主要分布于茅三段，在茅一段和茅二段也有少量分布。巖石呈淺灰色、灰色，為中—厚層狀，亮晶方解石膠結(jié)，生物碎屑體積分數(shù)為45%～70%，主要發(fā)育有孔蟲、紅藻和綠藻等生物(見圖2(e))，也發(fā)育少量腕足、腹足類生物。分選較差，磨圓較好。

泥晶生物碎屑灰?guī)r多形成于浪基面附近，水體深度較亮晶生物碎屑灰?guī)r的深，水動力條件更弱，主要分布于茅二段和茅三段。巖石多呈深灰色、灰褐色，甚至灰黑色，為中—厚層狀，泥晶膠結(jié)，生物碎屑含量較高，以有孔蟲、藻類為主，介形蟲、腕足類也有發(fā)育(見圖2(d))。分選、磨圓較差。

圖2 研究區(qū)主要巖石類型及特征Fig.2 Main rock types and their characteristics of study area

2.1.3 泥微晶灰?guī)r

泥微晶灰?guī)r形成于浪基面之下的深水低能環(huán)境，在研究區(qū)分布不太廣泛?；?guī)r顆粒體積分數(shù)少于10%，呈灰色至深灰色，為薄—中層狀(見圖2(f))。水平層理十分發(fā)育，層面上可見水平蟲跡，層內(nèi)發(fā)育擾動構(gòu)造，偶爾可見少量生物碎片，如介形蟲類。

2.2 沉積相

根據(jù)研究區(qū)10個剖面、6口取心井和18口鉆井資料，川西北地區(qū)為鑲邊碳酸鹽巖臺地，茅口組發(fā)育臺地邊緣相、開闊臺地相、斜坡相和盆地相等沉積相。

2.2.1 臺地邊緣相

臺地邊緣相是指碳酸鹽巖臺地與斜坡之間的地勢較高地段，主要發(fā)育于茅二段中晚期和茅三段時期(即三級層序SQ1高位體系域時期)，分布范圍廣泛。由于水體較淺，受波浪作用影響較大，沉積物以白云巖和生物碎屑灰?guī)r為主。根據(jù)沉積物的沉積構(gòu)造和顆粒含量等，可將臺地邊緣相劃分為臺緣灘和灘間海亞相。

臺緣灘亞相發(fā)育于浪基面之上的高能環(huán)境，主要發(fā)育于SQ1頂部，以淺灰色白云巖和亮晶生物碎屑灰?guī)r為主，生物碎屑含量較高，為中—厚層狀，交錯層理發(fā)育。海平面下降后，受滲流作用影響，溶蝕孔洞發(fā)育，可形成良好儲層。測井曲線上，GR表現(xiàn)為低值箱型或漏斗型，電阻率曲線為中—高值(見圖3(a))。

灘間海亞相位于臺緣灘之間的相對低洼地帶，為靜水低能環(huán)境，沉積物顏色較深，以泥晶生物碎屑灰?guī)r、泥微晶灰?guī)r為主，不易形成有利儲層。

2.2.2 開闊臺地相

開闊臺地相是指臺地邊緣與局限臺地之間的地段，在研究區(qū)主要分布于臺地邊緣相帶以東區(qū)域。水體深度為幾米到幾十米，循環(huán)性良好，鹽度基本正常，適合生物生長，可見竹蜓、珊瑚、腕足和海百合莖等生物。巖性主要為淺灰色、灰色中—厚層狀泥微晶灰?guī)r、泥質(zhì)泥晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等。根據(jù)沉積物顏色、巖性、沉積構(gòu)造等，可將開闊臺地相劃分為臺內(nèi)灘和潮下亞相。

臺內(nèi)灘亞相形成于浪基面附近或略高于浪基面的地勢相對較高區(qū)域，灘體發(fā)育受波浪作用影響。沉積物類型與臺緣灘類似，巖性主要為灰色、淺灰色亮晶生物碎屑灰?guī)r，可見交錯層理，白云巖化作用發(fā)育。與臺緣灘亞相比較，臺內(nèi)灘的沉積物規(guī)模更小、厚度更薄，可形成有利儲層。測井曲線上，GR總體表現(xiàn)為疊加漏斗型，電阻率曲線為中—高值(見圖3(b))。

圖3 研究區(qū)典型巖相組合Fig.3 Typical rock facies composition of study area

潮下亞相是指臺內(nèi)灘之間的大面積低洼處，水體較深，能量較弱，沉積物以深灰色泥晶生物碎屑灰?guī)r、含生物碎屑泥晶灰?guī)r、泥微晶灰?guī)r為主，水平層理發(fā)育，不易形成有利儲層。

2.2.3 斜坡、盆地相

斜坡相主要發(fā)育于臺地邊緣以西長江溝—通口一帶及以北區(qū)域，水體較深。受臺地邊緣相影響，在斷裂附近發(fā)育大量滑塌角礫巖而成為斜坡相[21-26]。分選、磨圓較差。在相對遠離斷裂的斜坡帶，巖性主要以褐灰色、深灰色泥晶灰?guī)r及含生物碎屑泥晶灰?guī)r為主(見圖3(c))。

盆地相發(fā)育于風暴浪基面以下最深區(qū)域，位于研究區(qū)西側(cè)的川西海槽和北側(cè)的廣旺海槽。因水體較深，水體能量較弱，沉積物以深灰色、灰黑色泥微晶灰?guī)r及硅質(zhì)泥巖、泥巖為主。

3 層序地層特征

單井層序劃分是連井層序格架建立的基礎(chǔ)。以巖心觀察和測井曲線分析為基礎(chǔ)，將川西北地區(qū)茅口組分為2個三級層序——SQ1和SQ2(見圖4)，其中SQ1由茅一段、茅二段和茅三段組成，SQ2由茅四段組成，每個層序內(nèi)部都經(jīng)歷快速海侵到緩慢海退的過程，不發(fā)育低位體系域，只發(fā)育海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)。

三級層序SQ1底界面SB1為棲霞組與茅口組的分界，界面之下棲霞組發(fā)育淺灰色生物碎屑灰?guī)r、殘余顆粒云巖；界面之上茅口組主要為深灰色泥微晶灰?guī)r。該界面為暴露不整合層序界面[27]，由海平面下降導(dǎo)致地層暴露，經(jīng)歷大氣淡水溶蝕后，層序界面之下的棲霞組發(fā)育粒間溶孔、晶間溶孔等優(yōu)勢儲集空間。SQ1頂界面SB2為茅三段頂界面，SB2界面與SB1類似，也為暴露不整合層序界面，界面之下為茅三段淺灰色云巖、云質(zhì)灰?guī)r，顯示水體能量較強；界面之上為茅四段灰色石灰?guī)r，水體能量變?nèi)?。茅三段頂部也可形成有利儲層?/p>

三級層序SQ2頂界面SB3為茅四段頂界面，SB3界面為Ⅰ型層序界面，也是茅口組與吳家坪組(或龍?zhí)督M)的分界面，屬于隆升侵蝕不整合面。中二疊世中晚期，受東吳運動影響，盆地隆升遭受剝蝕，導(dǎo)致茅四段不同程度缺失，部分區(qū)域茅三段開始缺失(見圖5)。

根據(jù)研究區(qū)周公1至雙探2井的連井剖面(見圖5)，SQ1海侵體系域從西南到東北厚度變化不大，在漢1井處最薄；SQ1高位體系域從西南到東北整體厚度減薄，但在周公1井和雙探1井處較厚。周公1、漢1、油1和雙探1井發(fā)育完整的SQ2，但東北方向的礦2和雙探2井缺失SQ2高位體系域。

圖4 研究區(qū)雙探1井茅口組沉積相和層序地層綜合柱狀圖Fig.4 Comprehensive column of sedimentary facies and sequence stratigraphy of the Maokou formation of well Shuangtan1 in study area

圖5 研究區(qū)茅口組連井沉積相對比(剖面位置見圖1)Fig.5 Sedimentary facies profile of Maokou formation in study area(section postion as shown in fig.1)

4 沉積相展布及沉積模式

4.1 空間展布特征

4.1.1 垂向展布

茅口組初期，研究區(qū)遭受海侵，水體較深，沉積物以深灰色、灰黑色泥微晶灰?guī)r和泥晶生物碎屑灰?guī)r為主，沉積層位為茅一段—茅二段早期。隨海平面下降，SQ1高位體系域時期，顆粒灘開始發(fā)育。根據(jù)研究區(qū)茅口組連井剖面(見圖5)，SQ1海侵體系域時期，川西北地區(qū)發(fā)育開闊臺地相沉積，沉積范圍廣泛；臺內(nèi)灘在地貌相對高處的隆起區(qū)發(fā)育。SQ1高位體系域時期，由于連續(xù)性海退，水深變淺，川西北地區(qū)開始轉(zhuǎn)變?yōu)榕_地邊緣相沉積，臺緣灘開始發(fā)育，但在油1井附近的地勢相對較低區(qū)域為開闊臺地相沉積。此時，研究區(qū)發(fā)育兩期灘體，高位體系域早期和晚期各一套，其中晚期的灘體較早期的厚度更大、分布更廣。

SQ2海侵體系域時期，研究區(qū)又發(fā)生一次小規(guī)模的海侵，川西北地區(qū)再次轉(zhuǎn)換為開闊臺地相沉積；至茅口組末期，受東吳運動影響，研究區(qū)北部露出水面而遭受剝蝕，導(dǎo)致北部地區(qū)部分或完全缺失茅四段。

4.1.2 平面展布

識別研究區(qū)巖石類型和巖相組合以分析沉積環(huán)境，結(jié)合地震及測井資料確定沉積相帶，繪制研究區(qū)茅口組沉積相圖(見圖6)。

SQ1海侵體系域時期，研究區(qū)整體為開闊臺地相沉積。高位體系域時期，平面上沉積相帶分布明顯，從西到東依次為盆地相、斜坡相、臺地邊緣相和開闊臺地相(見圖6(a))；灘體開始發(fā)育，臺緣灘體在綿陽—綿竹—高橋一帶發(fā)育規(guī)模較大，而在周公1—漢1—大深1井區(qū)和礦1—礦3—河1井區(qū)發(fā)育規(guī)模較小，開闊臺地內(nèi)灘體雖有發(fā)育，但規(guī)模較小。

圖6 研究區(qū)茅口組SQ1-SQ2時期沉積相Fig.6 Distribution of sedimentary facies of SQ1-SQ2 of Maokou formation in study area

SQ2海侵體系域時期，沉積格局發(fā)生變化，研究區(qū)再次整體轉(zhuǎn)變?yōu)殚_闊臺地相(見圖6(b))。其沉積格局與SQ1海侵體系域時期的類似，從西到東依次為盆地相、斜坡相和開闊臺地相。臺內(nèi)灘比較發(fā)育，主要分布于綿陽—綿竹—高橋一帶，以及周公1—漢1—大深1井區(qū)，但規(guī)模與厚度比臺緣灘的小，在研究區(qū)北部零星分布。

4.2 沉積模式

根據(jù)單井層序劃分、連井層序格架建立及沉積相識別，結(jié)合川西北地區(qū)茅口組古地貌，建立研究區(qū)沉積模式(見圖7)。研究區(qū)發(fā)育臺地邊緣相、開闊臺地相、斜坡相和盆地相，且相帶分明。

圖7 研究區(qū)茅口組沉積模式(剖面位置見圖1)Fig.7 Sedimentary model of Maokou formation in study area(section postion as shown in fig.1)

廣元—綿陽—雅安一帶古地貌位置較高，水體較淺，與廣海相連，水體十分流暢，發(fā)育臺地邊緣相，主要形成于茅二段晚期—茅三段(三級層序SQ1高位體系域時期)。該相帶內(nèi)部地勢相對較高區(qū)域發(fā)育臺緣灘亞相，主要沉積物為淺灰色、灰色白云巖及亮晶生物碎屑灰?guī)r；因水體較淺，水動力條件較強，溫度適宜，生物大量繁殖，發(fā)育有孔蟲、蜓、藻類等生物。臺緣灘亞相之間地勢較低部位發(fā)育灘間海亞相，沉積物顏色較臺緣灘的暗。

臺地邊緣相以東區(qū)域為開闊臺地相，古地貌較高區(qū)域發(fā)育臺內(nèi)灘亞相，水體相對較淺，水動力條件較強，大量生物發(fā)育，其巖性與臺緣灘的類似。臺內(nèi)灘體之間地勢相對低洼處發(fā)育潮下亞相，沉積物顏色變深。

研究區(qū)以西的川西海槽和以北的廣旺海槽水體較深，沉積物以深灰色和灰黑色泥巖、硅質(zhì)泥巖、泥微晶灰?guī)r為主，發(fā)育斜坡、盆地相，相內(nèi)灘體不發(fā)育。

5 結(jié)論

(1)川西北地區(qū)中二疊統(tǒng)茅口組可以劃分為2個三級層序——SQ1和SQ2，每個三級層序內(nèi)部可分為海侵體系域(TST)和高位體系域(HST)，主要發(fā)育白云巖、生物碎屑灰?guī)r(亮晶生物碎屑灰?guī)r和泥晶生物碎屑灰?guī)r)及泥微晶灰?guī)r3種巖石類型。

(2)研究區(qū)茅口組為鑲邊碳酸鹽巖臺地沉積，發(fā)育臺地邊緣相、開闊臺地相、斜坡相和盆地相4種相帶；其中臺緣灘亞相和臺內(nèi)灘亞相灘體儲集物性較好，為有利勘探區(qū)。

(3)垂向上，臺地邊緣相主要發(fā)育于茅二段中晚期—茅三段(SQ1高位體系域時期)；平面上，研究區(qū)自西向東再向北依次發(fā)育盆地相、斜坡相、臺地邊緣相、開闊臺地相、斜坡相、盆地相等沉積相，臺地邊緣相位于廣元—綿陽—雅安一帶。

(4)SQ1高位體系域時期，研究區(qū)發(fā)育兩期灘體，即高位體系域早、晚期各一套，其中晚期的灘體比早期的厚度和規(guī)模更大，灘體橫向展布性較好。