塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段沉積體系類型及分布規(guī)律

曾慶魯 王力寶 王朝鋒 王俊鵬 王 平 張先龍 趙繼龍

（ 1 中國石油杭州地質(zhì)研究院；2 中國石油塔里木油田公司勘探開發(fā)研究院 ）

0 引言

塔里木盆地志留系海相碎屑巖沉積廣泛分布，殘余面積達(dá)23.6×104km2。受多期海平面變化影響，發(fā)育多套優(yōu)質(zhì)儲蓋組合，井下油氣顯示眾多，是塔里木盆地重要的勘探層系之一。早奧陶世末，塔里木盆地區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場由拉張變?yōu)閿D壓，中央隆起帶（塔中穩(wěn)定隆起）的雛形開始形成，后長期隆升直到泥盆紀(jì)末，是油氣運(yùn)聚的有利指向區(qū)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)塔中11、塔中12、塔中16、塔中47等多個油氣田[1]。目前，志留系的研究仍然存在一些制約勘探的難題，其中較為關(guān)鍵的是沉積體系的確定和有利砂體的評價預(yù)測。前人對塔中地區(qū)沉積相認(rèn)識分歧較大，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為塔中地區(qū)志留系為低緩地形下的潮坪沉積體系或潮坪—濱岸復(fù)合沉積體系[2-8]，也有學(xué)者認(rèn)為柯坪塔格組上3亞段主體為無障壁濱岸—陸棚沉積體系，同時受到風(fēng)暴作用的控制[9-10]；張金亮等還提出塔中地區(qū)志留系為水進(jìn)型辮狀河三角洲沉積體系的觀點[11-12]。海相盆地沉積環(huán)境復(fù)雜多變，砂體類型及其構(gòu)成和空間分布受多方面因素影響，古構(gòu)造背景、古地貌、水動力條件及物源供給往往起決定性作用。其中，水動力條件尤為復(fù)雜，潮汐、波浪、沿岸流等對沉積物的搬運(yùn)、改造極為強(qiáng)烈，往往是多種水動力條件混合作用的結(jié)果，給沉積物類型鑒別和砂體分布預(yù)測造成一定困難。鑒于此，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文通過恢復(fù)塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段沉積時古地貌和巖相古地理特征，綜合利用鉆井、測井、地震和實驗分析資料對其沉積體系類型進(jìn)行精細(xì)研究，進(jìn)一步明確了有利砂體的分布規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

塔中地區(qū)位于塔里木盆地中部的沙漠腹地，構(gòu)造上屬于中央隆起帶的塔中低凸起，南鄰中央主壘帶，北至塔中Ⅰ號斷裂帶，是一個近北西—南東走向的狹長形古隆起，面積約3000km2（圖1）。鉆探結(jié)果表明，志留系自西北向東南呈超覆沉積，與上覆泥盆系和下伏奧陶系呈角度不整合接觸，最大殘余厚度約600m，自下而上可分為柯坪塔格組、塔塔埃爾塔格組和依木干他烏組。其中，柯坪塔格組是志留系主要含油氣層系，在研究區(qū)西北部厚度最大，約250m，向東南方向剝蝕尖滅?？缕核窠M巖性以灰色、灰褐色細(xì)砂巖夾薄層泥巖為主，具有向上變細(xì)的正韻律；依據(jù)巖性和電性特征進(jìn)一步劃分為上1亞段、上2亞段和上3亞段，其中，上3亞段砂巖厚度大，物性相對較好，發(fā)育多個垂向和平面疊置的層狀巖性油氣藏和斷背斜油氣藏，是此次研究的目的層系。

圖1 研究區(qū)位置、含油氣層位及油氣田分布Fig.1 Location of the study area, hydrocarbon-bearing layers and oil and gas field distribution

2 沉積前古地貌及古地理環(huán)境

2.1 古地貌

通過高分辨率地震資料結(jié)合鉆井地質(zhì)分析對沉積砂體形成時的古地貌進(jìn)行恢復(fù)已成為沉積體系研究新的熱點，并取得了較好的應(yīng)用效果[13-17]。志留系沉積前，塔中地區(qū)南部中央主壘帶已經(jīng)形成，古地貌整體表現(xiàn)為自北向南、自西向東逐步呈階梯狀升高，局部存在多個狹長低洼區(qū)和水下低?。▓D2）。在海侵背景下，志留系超覆沉積在奧陶系不整合面之上，在塔中地區(qū)西北部可能發(fā)育局限或半局限海下的潮坪環(huán)境，沉積物主要受潮汐水動力作用控制。在塔中地區(qū)中央主壘帶北緣和東南部發(fā)育多條志留紀(jì)同沉積走滑斷裂，為河流的形成創(chuàng)造了條件，沉積砂體受河流和潮汐共同作用影響，在斷層附近相對富集。在地震剖面上表現(xiàn)為高頻同相軸，橫向連續(xù)性好，分辨率和波阻抗值較高，具有明顯的分段分布特點（圖3a、b）。其中，中央主壘帶北緣地形相對較陡，呈陡坡狀，可能發(fā)育潮汐改造三角洲環(huán)境；東南部呈“峽谷”狀高地，內(nèi)部發(fā)育多個下切谷式洼地和局部古隆起，可能發(fā)育潮汐河口灣沉積環(huán)境。

圖2 塔中地區(qū)志留系沉積前古地貌特征Fig.2 Pre-sedimentary Silurian paleogeomorphology in the Central Tarim Basin

圖3 過塔中89井地震剖面（a）和波阻抗反演剖面（b）（剖面位置見圖2）Fig.3 Seismic profile (a) and wave impedance inversion section (b) cross Well TZ 89(positions of the profile/section shown in Fig.2)

2.2 古鹽度

古鹽度是判斷沉積盆地水體特征的重要指標(biāo)，判別和測定方法眾多，其中以利用硼元素和黏土礦物數(shù)據(jù)進(jìn)行定量計算的結(jié)果較為可靠，在海水體系中硼的濃度表現(xiàn)為鹽度的線性函數(shù)，而氧同位素受后期成巖作用影響與鹽度的匹配性可能較差[18-19]。通過對塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段泥巖進(jìn)行系統(tǒng)取樣，分析其硼元素分布特征和黏土礦物組成，可以獲得沉積時海水的古鹽度分布特征。樣品取自25口井巖心或巖屑，硼元素分析測試儀器采用Leeman Prodigy全譜直讀光譜儀，黏土分析測試儀器采用X'Pert Pro X射線衍射儀，實驗環(huán)境為常溫常壓，測試結(jié)果如表1所示。古鹽度的計算選用Couch 公式[17]，淡水和海水區(qū)的劃分參考了威尼斯鹽度分類方案[20]，此方法在鄂爾多斯盆地長6組沉積環(huán)境恢復(fù)中取得了較好效果[21]。Couch[16]提出的多礦物泥巖計算公式為：

式中 SP——古鹽度，%；

B′——校正硼元素含量，10-6；

B——樣品實測硼含量，10-6；

Xi、Xm、Xk——分別為樣品中實測伊利石、蒙脫石和高嶺石質(zhì)量百分含量，%。

研究表明，志留系柯坪塔格組上3亞段沉積時期，中央主壘帶北緣和塔中地區(qū)東南部水體相對較淺，存在3個低海水鹽度突進(jìn)區(qū)，古鹽度在0.5%以下，反映了陸上河流帶來的淡水對沉積水介質(zhì)的影響。塔中地區(qū)西北部則位于海水侵入的近端，東北方向也存在一支侵入海水，海水迅速淹沒整個地區(qū)，形成了廣泛分布的海侵環(huán)境，水體相對較深，古鹽度多高于3%，處于高鹽度海水沉積環(huán)境（圖4）。

表1 塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段硼元素和黏土礦物分析及古鹽度計算數(shù)據(jù)Table 1 Analysis of boron and clay minerals and calculation of paleo-salinity in the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

圖4 塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段古鹽度平面分布等值線圖Fig.4 Paleo-salinity contours of the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

3 沉積體系特征

3.1 潮坪沉積體系

潮坪又稱潮灘，發(fā)育在具有明顯潮汐周期而無強(qiáng)烈風(fēng)浪作用的海岸地區(qū)，是寬廣緩斜而近水平的海岸坪地。依據(jù)平均高潮線和平均低潮線的位置，可將潮坪分為潮下、潮間和潮上3個帶，發(fā)育自下向上變細(xì)的沉積層序和規(guī)律的巖相變化[22]。Tankard等人將潮坪進(jìn)一步細(xì)分為淺的潮下帶、低潮坪、中潮坪、高潮泥坪及潮上坪[23]，張國棟等人通過對蘇北弶港現(xiàn)代潮坪沉積進(jìn)行研究，深化了潮坪沉積內(nèi)部不同微相特征的認(rèn)識[24]。依據(jù)鉆井、測井、地震和實驗分析等資料，結(jié)合沉積前古地貌、古環(huán)境特征，認(rèn)為塔中地區(qū)西北部發(fā)育潮坪沉積體系，并進(jìn)一步劃分為潮下帶和潮間帶，潮間帶又可分為低潮坪、中潮坪和高潮坪（圖5a）。

圖5 潮坪沉積體系典型特征Fig.5 Typical characteristics of the tidal flat system

潮下帶位于平均低潮線以下、波浪作用面之上的海岸帶，沉積環(huán)境以潮汐水道為主。潮汐水道的垂向建造特征與陸相曲流河十分相似，具備3層結(jié)構(gòu)：下部為水道滯流沉積，以灰色砂礫巖及含礫粗砂巖為主，底部發(fā)育不規(guī)則沖刷面；中部為灰色、褐灰色中粗砂巖到細(xì)砂巖，見大型槽狀交錯層理；上部以灰白色粉砂巖及灰綠色泥巖為主（圖5b、c和圖6a、b）。粒度概率曲線表現(xiàn)為三段式，即滾動組分、跳躍組分和懸浮組分，以跳躍組分為主，占80%以上，次為滾動組分（圖5d）。測井曲線上有明顯的響應(yīng)特征，自然伽馬（GR）和電阻率（Rd、Rm）曲線幅度表現(xiàn)為明顯的向上減小的齒化鐘形（圖5b）。

圖6 塔中地區(qū)志留系典型沉積特征及沉積構(gòu)造照片F(xiàn)ig.6 Typical sedimentary characteristics and sedimentary structure photos of the Silurian in the Central Tarim Basin

潮間帶低潮坪以潮汐水道沉積建造為主，具有二元結(jié)構(gòu)，下部常見含泥礫的水道滯流沉積及不規(guī)則水道沖刷面，上部低角度沖刷層理發(fā)育。巖性主要是淺灰色細(xì)砂巖及粉砂巖，頂部多缺失灰綠色泥巖薄層。粒度概率曲線以兩段式為主，即跳躍組分和懸浮組分，其中跳躍組分占80%～90%。潮間帶中潮坪發(fā)育沙坪沉積，巖性以灰色粉砂巖、細(xì)砂巖為主，夾少量薄層泥巖，沉積構(gòu)造以具有潮汐韻律的透鏡狀、波狀和脈狀層理較為常見（圖6c）。潮間帶高潮坪為沙泥混合坪沉積，僅在高潮時才被淹沒在水下，巖性以粉砂巖、泥巖為主，常見水平紋理、波狀水平紋理等。

研究表明，塔中地區(qū)西北部柯坪塔格組上3亞段巖性以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，沉積環(huán)境主要是潮下帶潮汐水道和潮間帶沙坪，少量潮間帶潮汐水道和沙泥混合坪。其中，潮汐水道砂體巖性相對均一，巖石成熟度高，儲集性能最好，實測孔隙度為8%～15%，滲透率為1～100mD；單層厚度一般為0.5～1.0m，總厚度可達(dá)25m，平面上垂直海岸線呈近南北向分布。

3.2 河口灣沉積體系

河口灣總是讓地質(zhì)學(xué)家感到困惑，由一套變化明顯的復(fù)雜的亞環(huán)境構(gòu)成，沉積特征及巖相分布受河流、潮汐和波浪3種水動力控制[25]?，F(xiàn)代河口灣研究學(xué)者重視其化學(xué)和生物過程及水動力特征，而地質(zhì)學(xué)家更強(qiáng)調(diào)巖相分布[26-28]。由于海水可以自由地進(jìn)入，使得河口灣的水體性質(zhì)具有獨(dú)特的分層或混合特征，這取決于河流與潮汐之間的平衡狀況。結(jié)合古地貌、古環(huán)境、鉆井和地震資料，認(rèn)為塔中地區(qū)東南部發(fā)育潮控河口灣沉積體系，并進(jìn)一步識別出水道和潮汐沙壩沉積環(huán)境。

研究發(fā)現(xiàn)，河口灣水道呈明顯的正旋回，底部發(fā)育沖刷面和滯留沉積，巖性為雜色含礫粗砂巖，礫石成分為硅質(zhì)礫和泥礫，分選中等，見雙向定向排列（圖6d、e）；中上部為灰色槽狀交錯層理、板狀交錯層理細(xì)砂巖，變形構(gòu)造非常發(fā)育（圖7）。潮汐沙壩主要由灰色中細(xì)砂巖組成，砂巖分選好，發(fā)育槽狀交錯層理、板狀交錯層理和雙向交錯層理，中間夾有多套泥巖；砂巖中可見生物垂直潛穴，是河口灣沉積的主要微相類型，測井曲線特征表現(xiàn)為低幅度齒化鐘形或鋸齒狀（圖6f、圖7）。沙壩砂體儲集性能較好，巖石成熟度變化大，實測孔隙度為5%～15%，滲透率為0.1～10mD；單層厚度一般為0.5～1.0m，總厚度最大為15m；砂體軸向與河口灣軸向平行且延伸較遠(yuǎn)，但橫向延伸距離較短。

圖7 河口灣沉積體系典型特征Fig.7 Typical characteristics of the estuary system

3.3 潮汐改造三角洲沉積體系

隨著海平面的升降運(yùn)動，潮汐水體常常對三角洲前緣砂體進(jìn)行改造。這一沉積類型在中國分布較為局限，僅在鄂爾多斯盆地山西組、四川盆地須家河組、珠江口盆地珠江組、湘西北地區(qū)龍馬溪組有所發(fā)現(xiàn)[29-35]，邢鳳存等在塔里木盆地北部柯坪露頭區(qū)下志留統(tǒng)中也識別出其存在的證據(jù)[36]。塔中地區(qū)中央主壘帶北緣發(fā)育多條志留紀(jì)同沉積斷裂，為河流的形成創(chuàng)造了條件，平面上存在多個三角洲朵葉體。隨著海平面的變化，受到周期性潮汐作用的改造，形成了一套潮汐改造三角洲沉積建造，并進(jìn)一步識別出三角洲前緣水下分流河道沉積環(huán)境。

塔中地區(qū)潮汐改造三角洲前緣水下分流河道整體呈下粗上細(xì)的正韻律，巖性以灰色、褐灰色細(xì)砂巖為主，發(fā)育槽狀交錯層理和平行層理，鈣質(zhì)斑塊常見。底部為滯留沉積的含礫細(xì)砂巖或順層礫石，成分以燧石和硅質(zhì)為主，可見大型沖刷面，測井曲線特征表現(xiàn)為低幅度箱形（圖6g—i、圖8）。砂體單層厚度大，可達(dá)2.5m，但巖石成熟度低，泥質(zhì)含量高，儲集性能相對較差，實測孔隙度為3%～10%，滲透率在1mD以下；因鉆井資料有限，砂體反演結(jié)果可靠性較差，依據(jù)古地貌特征和潮汐三角洲典型沉積樣式，推測砂體自南向北呈鳥足狀分布。

圖8 潮控三角洲沉積體系典型特征Fig.8 Typical characteristics of the tide delta system

潮汐改造三角洲和河口灣在沉積特征上具有一定的相似性，均發(fā)育河流“上粗下細(xì)”正旋回巖相組合，水體環(huán)境中有淡水的注入，但也具有明顯差異。一是河口灣相發(fā)育在河口位置，以喇叭口狀為特征，而三角洲發(fā)育在南部隆起帶邊緣，地形相對平緩，物源充足，平面上分布有多個朵體；二是河口灣相潮汐作用能量大大超過河流能量，以雙向水流為主，常發(fā)育沿潮流方向的線狀沙壩，而三角洲以陸相河流作用為主，發(fā)育河道快速堆積和疊覆沖刷構(gòu)造，砂體向海一側(cè)延伸長度較大；三是河口灣相環(huán)境多變，泥巖比例高，多見生物擾動構(gòu)造，而三角洲主河道區(qū)單砂體厚度大，連通性好，砂地比高。

4 沉積模式

在前人研究的基礎(chǔ)上，綜合分析重礦物、古地貌、古鹽度、巖相分布和沉積體系特征，認(rèn)為塔中地區(qū)西北部主要受潮汐作用控制，發(fā)育潮下帶—潮間帶沉積環(huán)境；而塔中地區(qū)中央主壘帶北緣主要受河流作用，發(fā)育潮汐改造三角洲環(huán)境；塔中地區(qū)東南部受潮汐和河流共同作用，發(fā)育潮汐河口灣環(huán)境（圖9）。

通過沉積微相精細(xì)對比，結(jié)合沉積相演化規(guī)律和砂體分布特征，建立了潮汐、河流混合水動力作用下的潮坪—河口灣—潮汐改造三角洲沉積模式（圖10）。志留系柯坪塔格組上3亞段沉積時，在塔中地區(qū)中央主壘帶北緣為河流作用為主的三角洲沉積環(huán)境，發(fā)育受潮汐作用改造的辮狀水道，水道間廣泛發(fā)育粉砂質(zhì)的潮間帶沉積。河流自南向北入海至塔中地區(qū)西北部，河流作用減弱，潮汐作用增強(qiáng)，逐漸過渡為潮汐作用為主的潮坪環(huán)境，大致位于潮間帶到潮下帶，發(fā)育潮汐水道、沙坪和混合坪等沉積微相。同一時期，塔中地區(qū)東南部有河流入海，但周圍古地形相對較高，呈喇叭口狀，河流作用較強(qiáng)，潮汐作用相對較弱，主要為河口灣沉積環(huán)境，順河流方向發(fā)育分散狀沙壩砂體。

圖9 塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段沉積相平面分布Fig.9 Plane distribution of sedimentary facies in the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation,Central Tarim Basin

圖10 塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段沉積模式Fig.10 Sedimentary model of the 3rd upper sub-member of Silurian Kepingtag Formation, Central Tarim Basin

5 結(jié)論

志留系柯坪塔格組上3亞段沉積前，塔中地區(qū)不同構(gòu)造位置的古地貌和主作用水體特征差異明顯。大范圍海水侵入和緩坡地形造成潮坪環(huán)境廣泛發(fā)育，而同沉積走滑斷裂、陡坡地形和“峽谷狀”高地為潮汐改造三角洲和河口灣的形成創(chuàng)造了有利條件，改變了以往塔中地區(qū)整體為潮坪或濱岸環(huán)境的研究認(rèn)識。

潮坪沉積體系主要發(fā)育在塔中地區(qū)西北部，水體相對較深，古鹽度較高，儲集砂體類型主要是潮下帶潮汐水道，巖性相對均一，垂直海岸線呈近南北向分布；河口灣主要發(fā)育在塔中地區(qū)東南部，為一個水下低隆，古鹽度較低，砂體類型以潮汐沙壩為主，單層厚度較小，與河口灣軸向平行且延伸較遠(yuǎn)；潮汐改造三角洲發(fā)育在中央主壘帶北緣，存在多個河流入海形成的三角洲朵葉體，砂體類型主要是三角洲前緣水下分流河道，自南向北呈鳥足狀分布。

塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組上3亞段沉積體系類型多樣，有利砂體展布規(guī)律也不盡相同，進(jìn)而形成不同的油氣賦存特征和油氣藏類型。結(jié)合現(xiàn)有勘探成果和沉積體系認(rèn)識，在塔中地區(qū)西北部應(yīng)以尋找構(gòu)造油氣藏為主，在塔中地區(qū)東南部探索巖性油氣藏，在中央主壘帶北緣加強(qiáng)地層超覆油氣藏勘探力度。