塔里木盆地西北緣露頭區(qū)中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖層序結(jié)構(gòu)、沉積演化及海平面變化

王清龍,韓劍發(fā),李 浩,孫彥達(dá),何海全,任世君

[1. 洲際油氣股份有限公司 勘探開發(fā)研究院,北京 100016； 2. 中國(guó)石油 塔里木油田分公司,新疆 庫(kù)爾勒 841000；3. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院,北京 100083； 4. 中國(guó)石油 青海油田分公司 采油三廠，青海 816400]

層序地層學(xué)理論的發(fā)展提供了建立等時(shí)年代地層對(duì)比格架的重要分析技術(shù)和方法體系,并已廣泛運(yùn)用于研究碳酸鹽巖沉積體系展布、儲(chǔ)層孔隙演化、海平面變化及預(yù)測(cè)有利油氣儲(chǔ)集體等相關(guān)領(lǐng)域,一直以來為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-3]。前人在塔里木盆地層序地層、沉積特征及演化、生物地層(牙形石帶或組合)、元素地球化學(xué)等方面做了大量的工作,并取得了一系列研究成果和認(rèn)識(shí)[4-11],但在部分領(lǐng)域仍存在分歧或尚未開展精細(xì)研究工作,如層序劃分方案多,尺度不統(tǒng)一,對(duì)高頻層序的特征缺乏認(rèn)識(shí)；露頭剖面沉積微相特征研究程度相對(duì)較低；資料的綜合運(yùn)用來解剖海平面變化與沉積層序的過程響應(yīng)關(guān)系非常少見。筆者先后兩次對(duì)巴楚大阪塔格、柯坪水泥廠和西克爾等中、下奧陶統(tǒng)鷹山組-一間房組露頭剖面進(jìn)行詳細(xì)實(shí)地考察和密集取樣分析,綜合運(yùn)用露頭剖面沉積旋回結(jié)構(gòu)變化,大量巖石手標(biāo)本和鏡下薄片觀察,盆內(nèi)塔中地區(qū)井-震資料對(duì)比,Fischer圖解,前人牙形石生物地層、碳氧同位素及微量元素?cái)?shù)值比對(duì)分析等多種資料和手段,重點(diǎn)探討以下兩方面的科學(xué)問題:① 建立塔里木盆地西北緣中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖沉積微相、組合特征及沉積演化模式；② 研究高精度層序結(jié)構(gòu)特征,海平面變化與層序結(jié)構(gòu)和沉積演化的過程響應(yīng)關(guān)系。圍繞上述兩個(gè)問題,開展了層序地層格架建立與高頻層序結(jié)構(gòu)劃分,沉積微相及組合特征分析,海平面變化曲線重建及對(duì)沉積相序控制作用探討等相關(guān)方面的工作,并取得了系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地經(jīng)過加里東期、海西期、印支期—燕山期和喜馬拉雅期等多期構(gòu)造旋回運(yùn)動(dòng)和漫長(zhǎng)地質(zhì)演化,隆-坳格局及構(gòu)造古地理發(fā)生多次重大變革,并發(fā)育了多套區(qū)域性不整合面及塔中、塔北、柯坪、巴楚等多個(gè)古隆起帶,其中,加里東構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)中-下奧陶統(tǒng)碳酸鹽巖古地理和沉積演化產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。加里東構(gòu)造旋回早期盆地整體處于大陸裂解拉伸的環(huán)境,發(fā)育被動(dòng)大陸邊緣碳酸鹽巖臺(tái)地和斜坡沉積相帶,到中晚期(大致對(duì)應(yīng)于中、晚奧陶世)構(gòu)造背景發(fā)生重大轉(zhuǎn)變,由伸展向擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變,柯坪-巴楚隆起開始抬升,局部遭受強(qiáng)烈剝蝕,強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)也使得塔中隆起碳酸鹽巖臺(tái)地發(fā)生暴露剝蝕。奧陶紀(jì)末,盆地繼續(xù)隆升,進(jìn)入濱淺海陸源碎屑巖沉積發(fā)育階段[12-16]。

研究區(qū)主要位于塔里木盆地西北緣柯坪斷隆和巴楚隆起區(qū),目的層為中-下奧陶統(tǒng)鷹山組至一間房組碳酸鹽巖地層,并與盆內(nèi)塔中隆起進(jìn)行跨構(gòu)造單元對(duì)比(圖1)。鷹山組橫跨下奧陶統(tǒng)道保灣階和中奧陶統(tǒng)大灣階兩個(gè)時(shí)代,前人根據(jù)電性、巖性和古生物等特征,將鷹山組自上往下劃分為4個(gè)巖性段,其中鷹一段和鷹二段屬于中奧陶統(tǒng),以灰?guī)r沉積為主。鷹三段、鷹四段以白云巖沉積為主,隸屬于下奧陶統(tǒng)[17]。一間房組屬于中奧陶統(tǒng)達(dá)瑞威爾階沉積地層,其上接受晚奧陶世吐木休克組深水泥頁(yè)巖與薄層條帶灰?guī)r沉積。

2 層序單元?jiǎng)澐峙c層序結(jié)構(gòu)

2.1 牙形石生物地層對(duì)比與地層缺失量和沉積年限估算

以牙形石為代表的古生物化石確立了盆地地層年代歸屬及較完整的生物演化序列,為研究層序結(jié)構(gòu)、沉積特征及演化提供了重要的生物地層參考依據(jù)[18-19]。本文將柯坪露頭剖面牙形石分子與前人建立的塔里木盆地西部牙形石帶進(jìn)行比對(duì)[18-19],結(jié)果表明新廠階蓬萊壩組自下往上發(fā)育3個(gè)牙形石帶或組合,頂部缺失2個(gè)牙形石帶(表1)。道保灣階鷹山組下部?jī)H見Glyptoconustarimensis亞帶牙形石分子,缺失Glyptoconushemisphaericus亞帶。大灣階上部(259～285層)發(fā)現(xiàn)鷹山組Serratognathoideschuxianensis-Scolopoduseuspinus-Erraticodontarimensis帶牙形石分子(Scolopodustarimensis,Drepanodusantiletus,D.sp.等)。而286層見大灣溝組Amorphognathusvariablilis-Polonodus帶牙形石(Polonodussp.,Eoplacognathuscrassus等),可見該界面未見牙形石帶缺失,為整合接觸。之上見達(dá)瑞威爾階薩爾干組Eoplacognathussuecicus帶牙形石分子(Cornuoduslongibasis，Protopanderodusrobustus等)。

前人通過碳氧同位素測(cè)試和牙形石采樣等多種手段,初步確定剖面第24層為寒武與奧陶系界線,大致與Variabiloconusaff.bassleri帶底部對(duì)應(yīng)[20],據(jù)此可推斷新廠階蓬萊壩組共發(fā)育5個(gè)牙形石帶或組合。假設(shè)各階沉積期內(nèi)部牙形石帶演化速率相當(dāng),由于新廠階整體約持續(xù)9.4 Ma(與國(guó)際地層年代表中Tremadocian階相當(dāng)),可推算蓬萊壩組頂部缺失約3.8 Ma的地層。同理道保灣階(與國(guó)際地層年代表中Floian階相當(dāng),約持續(xù)6.4 Ma)鷹山組底部缺失一個(gè)牙形石亞帶,推算地層缺失量約為2.1 Ma。因此,柯坪水泥廠剖面鷹山組和下伏蓬萊壩組間共缺失5.9 Ma地層,呈不整合接觸,鷹山組與一間房組共沉積14.4 Ma地層,兩者之間為整合接觸。

2.2 層序界面特征、旋回結(jié)構(gòu)與高頻層序

層序級(jí)別劃分的關(guān)鍵因素是對(duì)層序界面相對(duì)重要性的判別,不同級(jí)別層序界面和層序的形成受控于不同級(jí)別的基準(zhǔn)面變化。綜合露頭剖面、巖相和沉積微相、生物地層、元素地球化學(xué)及盆內(nèi)塔中地區(qū)井震剖面等相關(guān)資料,研究區(qū)共劃分出6個(gè)主要的層序界面,包括Msb1(鷹山組底界面)、Msb3(鷹三段頂界面)和Msb6(一間房組頂界面)等3個(gè)較高級(jí)別的二級(jí)層序界面和sb2(鷹四段頂界面)、sb4(鷹二段頂界面)、sb5(鷹山組頂界面)等3個(gè)低一級(jí)的三級(jí)層序界面(圖2)。

Msb1界面在柯坪露頭剖面上下地層呈明顯的角度不整合接觸,見古土壤層及下伏巖溶角礫巖堆積,巖石顏色由淺灰向深灰色突變,另外,生物地層牙形石帶存在明顯的缺失,該界面大致對(duì)應(yīng)于塔中隆起Tg5-3不整合面。Msb3界面地層巖相突變,表現(xiàn)為白云石含量逐漸降低至消失,巖性由白云巖、云質(zhì)灰?guī)r向顆?；?guī)r過渡,指示沉積環(huán)境的重大轉(zhuǎn)變,塔中隆起斜坡區(qū)地震剖面廣泛存在明顯的上超現(xiàn)象,高隆部位見剝蝕和削截特征(圖3)。Msb6界面巖相由碳酸鹽巖向深水泥頁(yè)巖突變,碳氧同位素及釩鎳等微量元素均指示海平面上升而導(dǎo)致的大規(guī)模淹沒不整合,受該不整合面控制,在塔里木盆地塔中及西克爾地區(qū)下伏地層發(fā)育多套大型洞穴系統(tǒng)。Sb2三級(jí)層序界面在露頭區(qū)是局部小規(guī)模暴露-相對(duì)整合的界面。Sb4界面上下沉積微相特征有所不同,內(nèi)碎屑組分明顯減少,生物碎屑含量增多,由大套粒屑灘向生屑灘、灘間海沉積轉(zhuǎn)變?？缕核鄰S露頭剖面Sb5界面地層呈整合接觸,巴楚大阪塔格露頭則見薄層古土壤層,指示界面處存在小規(guī)模沉積間斷。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造單元(據(jù)文獻(xiàn)[4],修改)Fig.1 Tectonic units of Tarim Basin(modified from reference[4])

圖2 塔里木盆地巴楚大阪塔格和柯坪水泥廠露頭剖面層序界面特征Fig.2 Characteristic of sequence boundaries of the Dabantage outcrop in Bachu area and the Shuinichang outcrop in Kalpin area,Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面Msb1不整合面,上下顏色突變；b,c.柯坪水泥廠露頭Msb1不整合面古土壤層與下伏巖溶角礫巖手標(biāo)本；d.巴楚大阪塔格露頭剖面Sb5平行不整合面處薄層古土壤層(箭頭1)；e.柯坪水泥廠露頭剖面Sb5整合界面；f. Msb6淹沒不整合界面之上吐木休克組泥巖與條帶狀薄 層泥晶灰?guī)r沉積；g.柯坪水泥廠露頭剖面Sb4層序界面頂部礫屑灰?guī)r

圖3 塔里木盆地塔中隆起區(qū)層序界面地震反射響應(yīng)特征Fig.3 Seismic reflection characteristics of sequence boundaries in Tazhong uplift,Tarim Basin

圖4 塔里木盆地西北緣及塔中隆起區(qū)中、下奧陶統(tǒng)層序劃分及沉積序列Fig.4 Sequence division and depositional sequences of the Middle and Lower Ordovician in Tazhong uplift and at the northwestern margin of Tarim Basin

在對(duì)不同級(jí)別層序界面識(shí)別的基礎(chǔ)上,將研究區(qū)中下奧陶統(tǒng)鷹山組與一間房組碳酸鹽巖地層劃分出2套由區(qū)域性水進(jìn)到水退沉積旋回組成的高級(jí)別復(fù)合層序(CS1和CS2),沉積時(shí)限約6～10Ma,可作為二級(jí)層序(圖4)。復(fù)合層序內(nèi)部根據(jù)次一級(jí)層序界面(局部暴露界面Sb2、巖相突變面Sb4)自下往上又可劃分出5套三級(jí)層序(Sq1-Sq5)。參考露頭剖面高分辨率旋回特征,可進(jìn)一步對(duì)更低級(jí)別的四級(jí)甚至五級(jí)層序單元進(jìn)行劃分?？偟膩碚f,Sq1-Sq3分別可劃分出4～5套四級(jí)層序單元,Sq4-Sq5各自包含2～4套四級(jí)層序單元(圖5)。盡管不同地區(qū)受所處沉積及構(gòu)造環(huán)境的影響,地層發(fā)育及剝蝕情況不盡相同,高頻層序數(shù)量和規(guī)模也有所差別,但在三級(jí)層序尺度上是可以進(jìn)行對(duì)比的。

3 沉積微相與沉積演化

3.1 碳酸鹽巖沉積微相類型及組合

沉積微相分析是指運(yùn)用光學(xué)顯微鏡對(duì)碳酸鹽巖巖石薄片的沉積學(xué)和古生物學(xué)特征進(jìn)行研究,構(gòu)建微相組合序列,進(jìn)而解釋沉積環(huán)境[3]?；诼额^剖面、手標(biāo)本和120余張巖石薄片鏡下觀察描述,總結(jié)了研究區(qū)碳酸鹽巖發(fā)育的沉積微相類型。以鄧哈姆分類方案為基礎(chǔ),結(jié)合內(nèi)碎屑顆粒粒級(jí)及與生屑顆粒組分共生情況,將研究區(qū)灰?guī)r歸納出11種主要的沉積微相類型,分別為高能沉積水動(dòng)力條件生物礁灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、含生屑礫屑灰?guī)r；中高能沉積水動(dòng)力條件砂屑顆?；?guī)r、含生屑砂屑顆粒灰?guī)r、粉屑顆粒灰?guī)r、粉-砂屑泥?；?guī)r；中低能沉積水動(dòng)力條件生屑粒泥灰?guī)r及低能沉積水動(dòng)力條件粉屑粒泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、藻粘結(jié)灰?guī)r等(圖6)。白云巖則從交代結(jié)構(gòu)成因與有無(wú)伴生交代現(xiàn)象角度出發(fā),共識(shí)別出具有殘余結(jié)構(gòu)的藻紋層云巖、殘余礫屑云巖、殘余砂屑云巖及原始結(jié)構(gòu)保存差或不具原始?xì)堄嘟Y(jié)構(gòu)的粉晶云巖、細(xì)晶云巖和中晶云巖等6種沉積微相類型。

圖5 塔里木盆地西北緣露頭剖面高分辨率沉積旋回結(jié)構(gòu)及高頻層序劃分Fig.5 Structure of high-resolution sedimentary cycles and division of high-frequency sequences on outcrops at the northwestern margin of Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面整體層序結(jié)構(gòu)劃分;b.柯坪水泥廠露頭Sq3及Sq4時(shí)期高頻層序結(jié)構(gòu);c.柯坪水泥廠露頭Sq2時(shí)期高頻層序結(jié)構(gòu);d.巴楚大阪塔格露頭Sq4時(shí)期高頻層序結(jié)構(gòu);3rd、4th和5th分別為三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)層序

上述微相類型能反映出沉積水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱或者能量的高低,但要精確確定沉積環(huán)境,還需在其基礎(chǔ)上對(duì)微相組合特征進(jìn)行進(jìn)一步研究。通過對(duì)柯坪水泥廠、巴楚大阪塔格等一間房組和鷹山組露頭剖面內(nèi)部不同層段共11個(gè)位置進(jìn)行高頻取樣分析及精細(xì)解釋,歸納出發(fā)育7種微相組合,包括:MA1臺(tái)緣高能厚層淺水礁灘復(fù)合體、MA2潮坪序列高能厚層砂-礫屑灘(圖7)、MA3臺(tái)內(nèi)高能淺灘序列中厚層粒屑灘、MA4灘后中-低能砂屑灘-灘間海薄互層、MA5臺(tái)內(nèi)中-低能薄層生屑灘、MA6臺(tái)內(nèi)低能薄層灘間海、MA7干旱-半干旱局限臺(tái)地潮坪序列中厚層云坪組合等(圖8),分別形成于不同的古沉積環(huán)境和介質(zhì)水動(dòng)力條件[21]。

綜合露頭剖面高頻旋回結(jié)構(gòu)和密集采樣分析成果,研究區(qū)單套層序厚度在0.4～2.4 m,參照對(duì)應(yīng)環(huán)境下現(xiàn)代碳酸鹽巖沉積速率(約0.1～0.5 m/ka),大致推算出這些旋回的沉積年限約4～48 ka,平均約10～30 ka,與米蘭科維奇歲差旋回周期(6級(jí))相對(duì)應(yīng)。3～4套6級(jí)旋回在空間上疊置則構(gòu)成約60～120 ka的短偏心率旋回(5級(jí)),對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)層序。

3.2 沉積縱向演化與橫向?qū)Ρ?/h3>

3.2.1 CS1層序單元

早奧陶世Sq1—Sq2沉積期,盆地整體處于大陸裂解弱拉伸的克拉通內(nèi)臺(tái)地、大陸邊緣斜坡、拗拉槽構(gòu)造背景,海平面相對(duì)較低,構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定,研究區(qū)整體繼承了寒武紀(jì)及蓬萊壩組的構(gòu)造沉積格局,以干旱-半干旱的緩坡或局限臺(tái)地潟湖、云坪、灘間海沉積為主,白云巖大規(guī)模發(fā)育,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,未見生屑顆粒(圖9)。

圖6 塔里木盆地西北緣露頭剖面灰?guī)r和白云巖主要沉積微相類型Fig.6 A plot showing the main sedimentary microfacies types of limestones and dolomites on outcrops at the northwestern margin of Tarim Basina,b.內(nèi)碎屑灰?guī)r,顆粒支撐,礫屑、砂屑為主,粒間被亮晶方解石膠結(jié),不含灰泥;c.含生屑砂屑顆?；?guī)r,見生物碎屑鑲嵌于砂屑顆粒之間;d.粉-砂屑泥?；?guī)r,粒間被少量泥晶基質(zhì)充填;e.生屑粒泥灰?guī)r,泥晶基質(zhì),鈣藻微體化石、腹足類、雙殼類、棘屑等生物碎屑大量發(fā)育;f.藻粘結(jié)灰?guī)r,見粘結(jié)作用形成的具明暗相間的條紋結(jié)構(gòu)及葛萬(wàn)藻絲質(zhì)碎片;g.殘余礫屑云巖;h.藻紋層云巖,暗色條帶狀藻席發(fā)育;i.殘余砂屑云巖,砂屑顆粒被白 云石選擇性交代,仍見輪廓?dú)埩?/p>

3.2.2 CS2層序單元

Sq3時(shí)期,受加里東期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,盆地構(gòu)造環(huán)境發(fā)生重大反轉(zhuǎn),由伸展向擠壓環(huán)境轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生了多個(gè)微角度到局部高角度的不整合面。伴隨海平面整體快速上升,臺(tái)地也逐漸由局限臺(tái)地向開闊臺(tái)地轉(zhuǎn)化,白云石含量降低至消失,生屑組分開始出現(xiàn),但數(shù)量較少,以大套厚層顆粒灘(礫屑灘、粉-砂屑灘、生屑內(nèi)碎屑灘)沉積為主。

Sq4早期,海平面持續(xù)上升并達(dá)到最大海泛面,臺(tái)內(nèi)退積作用明顯,內(nèi)碎屑組分較Sq3時(shí)期有所減少,生物碎屑含量大大增加,并且在晚期高位域內(nèi)部發(fā)育了多套相對(duì)低能的中-薄層生屑灘組合。Sq5時(shí)期,相對(duì)海平面整體開始緩慢下降,構(gòu)造、古水深、碳酸鹽巖產(chǎn)率處于最佳匹配期,臺(tái)地垂向加積作用明顯,以礁灘復(fù)合體沉積為主的臺(tái)地邊緣高能沉積相帶開始形成。直到中奧陶世末期,伴隨著海平面快速上升,陸源碎屑物質(zhì)大量注入,碳酸鹽巖逐漸停止生長(zhǎng),臺(tái)地被淹沒,發(fā)育了一套由泥頁(yè)巖與泥晶灰?guī)r薄互層的混積陸棚相沉積。

跨不同構(gòu)造單元的連井結(jié)果表明露頭剖面沉積特征及演化與塔中隆起區(qū)可以進(jìn)行很好的對(duì)比。中奧陶世塔中地區(qū)隆升強(qiáng)烈,鷹山組頂部至一間房組地層普遍缺失,斜坡部位僅見部分Sq4時(shí)期相對(duì)低能的灘間海沉積地層殘留,與露頭剖面Sq4海侵域沉積可對(duì)比。Sq3時(shí)期均為中高能厚層顆粒灘發(fā)育的最主要時(shí)期,且從盆地西北緣向盆內(nèi)有明顯逐漸增厚的趨勢(shì)。Sq1—Sq2時(shí)期,盆緣-盆內(nèi)均以云坪沉積為主,表明早奧陶世CS1時(shí)期兩地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定,沉積環(huán)境大致相同,海水相對(duì)較淺(圖10)。

圖7 柯坪水泥廠露頭剖面潮坪序列高能厚層砂礫屑灘組合特征精細(xì)解釋Fig.7 Fine interpretation of the characteristics of thick-bedded intraclast shoal assemblages in the tidal-flat sequence of the Shuinichang outcrop,Kalpin area,Tarim Basina.柯坪水泥廠露頭剖面;b,f. KP47樣品手標(biāo)本及鏡下照片;c,g. KP46樣品手標(biāo)本及鏡下照片;d,e,h. KP45樣品手標(biāo)本及鏡下照片

4 海平面變化與沉積層序的過程響應(yīng)

4.1 露頭剖面Fischer圖解的建立

Fischer圖解是前人在研究潮坪相碳酸鹽巖沉積旋回相對(duì)海平面變化時(shí)首次提出的,但并非任何環(huán)境下都可適用,它限定了淺水沉積環(huán)境,構(gòu)造沉降速率穩(wěn)定,以旋回為基本單位,同時(shí)要求旋回的級(jí)次和周期相同等一系列的假定條件[22]。本文僅將Fischer圖解應(yīng)用到巴楚大阪塔格露頭鷹山組碳酸鹽巖地層研究中,主要考慮到鷹山組整體處于臺(tái)地或緩坡沉積環(huán)境,古水深相對(duì)較淺,構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定,另外由于鷹山組內(nèi)部發(fā)育大量?jī)?nèi)碎屑灘、灘間海沉積,宏觀層厚變化相對(duì)明顯,旋回?cái)?shù)容易劃分并能保證旋回級(jí)別的一致性,基本滿足假設(shè)條件。而一間房組以礁-灘復(fù)合體沉積為主,旋回?cái)?shù)不好劃分,即便劃出也難保證尺度統(tǒng)一,其海平面變化主要通過下述元素地球化學(xué)特征進(jìn)行探討。

圖8 塔里木盆地西北緣露頭剖面微相組合特征精細(xì)解釋Fig.8 Fine interpretation of the sedimentary microfacies assemblage characteristics for outcrops at the northwestern margin of Tarim Basin

在筆者及前人對(duì)巴楚大阪塔格露頭剖面實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上,將鷹山組碳酸鹽巖劃分出217個(gè)超短周期的高頻旋回,平均旋回厚度約0.8～4 m(表2),據(jù)前文沉積年限推算,單套旋回形成時(shí)間約4.3×104年,對(duì)應(yīng)于米蘭科維奇6級(jí)歲差旋回。研究結(jié)果表明,鷹山組相對(duì)海平面整體呈“淺—深—淺”的變化趨勢(shì),圖解明顯可劃分出2套長(zhǎng)周期的旋回與二級(jí)層序CS1和CS2對(duì)應(yīng),最大海泛面分別位于第61旋回(Sq2)和第166旋回(Sq4)位置處,內(nèi)部可識(shí)別出4套次一級(jí)的中期旋回與Sq1—Sq4對(duì)應(yīng)。CS1沉積期海平面整體較低,呈緩慢上升的趨勢(shì),CS2時(shí)期海平面經(jīng)歷兩次短暫快速上升后緩慢下降的過程,整個(gè)鷹山組最大海泛面位于Sq4時(shí)期(圖11)。

Fischer圖解所反映的露頭剖面海平面升降旋回與前文所述沉積微相所代表的古水深的演變有很強(qiáng)的一致性(圖12)。CS1沉積期,干旱-半干旱局限臺(tái)地、云坪沉積指示海水整體相對(duì)較淺的環(huán)境。從沉積縱向演化角度看,自Sq1—Sq2時(shí)期,白云石與方解石含量此消彼長(zhǎng),由白云巖向云質(zhì)灰?guī)r、含云灰?guī)r過渡表明該時(shí)期海平面呈逐漸上升的趨勢(shì),另外兩期海平面緩慢上升—快速海退的結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)反應(yīng)了海侵域所占比例等于或超過高位域部分,粒序向上變細(xì),與潮坪沉積垂向結(jié)構(gòu)變化相吻合。CS2沉積期,白云石消失,沉積相由局限臺(tái)地向開闊臺(tái)地及臺(tái)地邊緣轉(zhuǎn)變,表明海水較前期而言相對(duì)較深。另外與CS1時(shí)期海平面變化明顯不同的是臺(tái)地呈現(xiàn)快速海侵-緩慢海退的結(jié)構(gòu)。這也與內(nèi)部發(fā)育大套向上變淺,粒度變粗的臺(tái)內(nèi)淺灘沉積序列相吻合。在Sq4達(dá)到最大海泛之后,海平面整體下降,到Sq5形成淺水臺(tái)緣礁灘復(fù)合體沉積?？傮w來看,研究區(qū)海平面的升降變化對(duì)盆地沉積充填及層序形成演化起主導(dǎo)作用,可通過沉積相縱向演化體現(xiàn)出來。

圖9 塔里木盆地巴楚大阪塔格野外露頭剖面奧陶系鷹山組-一間房組沉積與層序地層特征[21]Fig.9 Sedimentology and sequence stratigraphy of Yingshan and Yijianfang Formations on Dabantage outcrop,Bachu area,Tarim Basin[21]

4.2 元素地球化學(xué)特征及海平面變化

研究表明古水深通過影響生物有機(jī)質(zhì)的保存進(jìn)而對(duì)巖石中δ13C值產(chǎn)生明顯的控制作用,兩者存在一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系[23]。釩、鎳等微量元素指標(biāo)也可作為指示古水深的直接或間接判別手段,其含量與相對(duì)海平面升降呈正相關(guān)關(guān)系。

圖10 塔里木盆地西北緣露頭剖面與塔中地區(qū)鉆井沉積特征對(duì)比Fig.10 Comparison of sedimentary characteristics between Tazhong uplift and outcrops at the northwestern margin of Tarim Basin

表2 巴楚大阪塔格露頭剖面旋回?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of sedimentary cycles on the Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin

前人在柯坪水泥廠剖面及巴楚剖面做了大量的碳氧同位素和微量元素分析[7]?？缕核鄰S剖面在層序Sq4時(shí)期δ13C經(jīng)歷明顯的負(fù)偏移,δ13C值達(dá)最小,約-3‰,指示最大古水深,與前文Fischer圖解分析的鷹山組最大海泛面位置相當(dāng)。之后δ13C值大幅正偏,海平面相對(duì)下降,至Sq5頂部再次發(fā)生明顯的負(fù)偏移,該界面與Msb6淹沒不整合界面位置一致,另外,釩、鎳等微量元素指標(biāo)在快速升高[24],兩者均指示中奧陶世末期古水深突然增加,相對(duì)海平面快速上升的過程(圖13)。巴楚大阪塔格剖面δ13C值變化呈明顯的5段式,與該剖面Fischer圖解及由巖相變化所反應(yīng)的古水深演變具有明顯的一致性(圖12)。

圖11 巴楚大阪塔格露頭剖面鷹山組Fishcer圖解Fig.11 Fischer plots of Yingshan Formation on Dabantage outcrop,Bachu area,Tarim Basin

兩條露頭剖面碳氧同位素?cái)?shù)值垂向變化均可以精確到與四級(jí)層序?qū)?yīng)的海平面升降進(jìn)行很好的對(duì)比,再加上微量元素指標(biāo)的變化,更好的指示了中-下奧陶統(tǒng)鷹山組與一間房組碳酸鹽巖旋回結(jié)構(gòu)變化及最大海泛的位置,與前文層序劃分和沉積演化吻合度很高,使之均得到了很好的驗(yàn)證。

圖12 巴楚大阪塔格剖面Fischer圖解、巖相及碳氧同位素組成變化對(duì)比(同位素?cái)?shù)據(jù)據(jù)前人成果[6])Fig.12 Correlation of Fischer plots, lithofacies and carbon-oxygen isotope changes for Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin(the isotopes are cited from previous studies[6])

4.3 與全球海平面變化曲線對(duì)比

從沉積旋回、Fischer圖解和地化指標(biāo)等不同角度所得出的相對(duì)海平面變化與Haq全球海平面變化曲線[25]對(duì)比似乎局部存在一定差異:Sq3高位域及Sq5一間房組相對(duì)海平面變化總體呈下降趨勢(shì),但Haq曲線指示海平面是上升的(圖14)。這可能與加里東運(yùn)動(dòng)中期構(gòu)造反轉(zhuǎn)作用導(dǎo)致盆地沉降速率改變相關(guān)。伸展向擠壓構(gòu)造背景的轉(zhuǎn)變,使研究區(qū)相對(duì)隆升速率加快,在全球海平面上升期間,研究區(qū)海平面因此表現(xiàn)為相對(duì)下降。但是總的來看,復(fù)合(二級(jí))層序和層序(三級(jí))所反映的水進(jìn)-水退的沉積旋回結(jié)構(gòu)變化整體上與Haq全球海平面變化曲線的旋回結(jié)構(gòu)很相似,一些重要的水進(jìn)-水退事件也可與之進(jìn)行對(duì)比(如Sq4沉積期的大規(guī)模海侵與全球海平面上升相吻合)。顯然,研究區(qū)局部層序結(jié)構(gòu)和沉積充填演化受到全球海平面變化與區(qū)域構(gòu)造作用疊加的制約,但整體上海平面變化仍起主導(dǎo)作用。

4.4 高頻層序組合與有利儲(chǔ)集相帶預(yù)測(cè)

基于露頭剖面旋回結(jié)構(gòu)和高密度碳同位素?cái)?shù)據(jù)對(duì)高頻海平面變化的響應(yīng)來識(shí)別的四級(jí)層序?qū)ο嘈蚪M合有明顯的控制作用,它們往往以相近的沉積序列成群成帶分布。如巴楚大阪塔格露頭剖面Sq3和Sq5內(nèi)部臺(tái)內(nèi)淺灘和臺(tái)緣礁灘復(fù)合體沉積序列,記錄了四級(jí)層序控制的由低能泥晶灰?guī)r、(生屑)粒泥灰?guī)r向高能內(nèi)碎屑灘和生物礁過渡的向上粒度變粗、水體變淺的沉積旋回。而柯坪水泥廠露頭剖面Sq2內(nèi)部的潮坪沉積序列則記錄了四級(jí)旋回控制的由底部粒度較粗的潮道高能礫屑灰?guī)r向頂部粒度較細(xì)的潮上泥晶灰?guī)r、藻粘結(jié)灰?guī)r演化的向上變淺的沉積過程(圖15)。

圖13 柯坪水泥廠剖面巖相、碳氧同位素及微量元素組成變化(同位素及微量元素?fù)?jù)前人成果[6，24])Fig.13 Variation of lithofacies,carbon-oxygen isotopes and trace element compositions of Shuinichang outcrop in Kalpin area,Tarim Basin(isotopes and trace element compositions are cited from previous studies[6，24])

根據(jù)上述層序結(jié)構(gòu)、沉積演化與海平面變化的沉積學(xué)過程響應(yīng)關(guān)系,指出研究區(qū)存在3套主要的有利儲(chǔ)集相帶可優(yōu)先作為下一步油氣勘探的主攻方向:① Sq5一間房組臺(tái)緣礁灘復(fù)合體沉積,生物礁灰?guī)r與上覆的泥頁(yè)巖與薄層泥晶灰?guī)r可構(gòu)成良好的儲(chǔ)蓋組合。② Sq3臺(tái)內(nèi)顆粒灘沉積,受高頻旋回控制的高能灘相儲(chǔ)集體往往在水退末期出露水面,遭受溶解淋濾而成為有利的巖溶儲(chǔ)層,上覆Sq4底部相對(duì)深水的海侵域泥晶灰?guī)r、(生屑)粒泥灰?guī)r則具有良好的封蓋能力。③ CS1時(shí)期云坪沉積,普遍的白云巖化作用使得巖層的孔滲性大大提高,孔隙類型以溶蝕孔、晶間孔及晶間溶孔為主,露頭剖面可看到大量順層發(fā)育的溶蝕孔隙和裂縫帶。

5 結(jié)論

1) 柯坪水泥廠露頭鷹山組與下伏蓬萊壩組呈不整合接觸,利用牙形石生物地層資料估算地層缺失量約5.9 Ma,鷹山組與一間房組呈整合接觸,沉積年限約14.4 Ma。巴楚大阪塔格露頭鷹山組頂部存在小規(guī)模地層缺失。在此基礎(chǔ)上共對(duì)中下奧陶統(tǒng)鷹山組-一間房組碳酸鹽巖地層識(shí)別出6個(gè)主要層序界面,包括 3個(gè)較高級(jí)別的二級(jí)層序界面和3個(gè)次一級(jí)的三級(jí)層序界面,據(jù)此劃分出2套復(fù)合(二級(jí))層序CS1和CS2,5套三級(jí)層序(Sq1—Sq5),內(nèi)部根據(jù)露頭剖面沉積旋回結(jié)構(gòu)進(jìn)一步識(shí)別出13～15套更低級(jí)別的高頻旋回或四級(jí)層序。

圖14 巴楚大阪塔格露頭Fischer圖解、同位素及巖相旋回結(jié)構(gòu)反映的相對(duì)海平面變化趨勢(shì)與Haq曲線對(duì)比Fig.14 Comparison of the relative sea-level change tendency reflected by the Fischer plot,isotope and lithofacies cycle structure with the Haq eustatic curve of Dabantage outcrop in Bachu area,Tarim Basin

圖15 四級(jí)海平面變化控制的沉積相序特征Fig.15 Characteristics of sedimentary facies sequences controlled by the fourth-order eustatic variation

2) 研究區(qū)灰?guī)r和白云巖可分別歸納出11種和6種沉積微相類型,不同沉積微相以特定的相序組合成臺(tái)緣高能厚層礁灘復(fù)合體、潮坪序列高能厚層砂-礫屑灘、臺(tái)內(nèi)高能中厚層內(nèi)碎屑-生屑淺灘、灘后中-低能砂屑灘-灘間海薄互層、臺(tái)內(nèi)中-低能薄層生屑灘、臺(tái)內(nèi)低能薄層灘間海、干旱-半干旱局限臺(tái)地中厚層云坪等7種主要的微相組合,反映出特定的沉積環(huán)境和生物建造特征,指示了研究區(qū)沉積環(huán)境由潮坪、局限臺(tái)地向開闊臺(tái)地、臺(tái)地邊緣轉(zhuǎn)變。CS1沉積期,整體以干旱-半干旱局限臺(tái)地潟湖、云坪沉積為主,蒸發(fā)作用強(qiáng)烈,發(fā)育大套白云巖。Sq3早期,海平面整體快速上升,白云石消失,并發(fā)育大套厚層粒屑灘沉積。Sq4時(shí)期,內(nèi)碎屑含量減少,生屑含量增加,并在鷹山組頂部發(fā)育中薄層生屑灘組合。Sq5時(shí)期,以臺(tái)地邊緣相帶礁灘復(fù)合體沉積為主,中奧陶世末期,臺(tái)地被淹沒。

3) 利用巖相旋回結(jié)構(gòu)、Fischer圖解、元素地球化學(xué)指標(biāo)等不同手段重建了研究區(qū)海平面變化曲線,三者之間具有高度一致性。研究區(qū)海平面整體呈“淺-深-淺”的變化趨勢(shì),最大海泛面位于Sq4的海侵域部分,與Haq全球海平面變化曲線對(duì)比結(jié)果表明局部層序結(jié)構(gòu)和沉積演化受全球海平面變化及區(qū)域構(gòu)造作用疊加制約,但整體上海平面變化仍占主導(dǎo)地位。四級(jí)海平面變化對(duì)相序組合具有明顯的控制作用,臺(tái)緣高能礁灘復(fù)合體、臺(tái)內(nèi)顆粒灘及云坪沉積體應(yīng)為下步優(yōu)先勘探的有利儲(chǔ)集相帶。