四川盆地東部中二疊統(tǒng)茅口組地層劃分、對比與巖溶古地貌恢復(fù)

陳衛(wèi)東 陳義才 徐發(fā)波 李世臨 李延鈞 曾麗媛 譚 謙 康 宇

1.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦 2.成都理工大學(xué) 3.成都創(chuàng)源油氣技術(shù)開發(fā)有限公司

0 引言

四川盆地東部（以下簡稱川東地區(qū)）大力勘探石炭系目的層期間，在上覆地層的中二疊統(tǒng)茅口組也獲得了少量高產(chǎn)氣井。近年來，川東地區(qū)高陡構(gòu)造帶石炭系的勘探程度越來越高，進一步找構(gòu)造圈閉的空間越來越小，構(gòu)造低位（向斜與斜坡）的巖性—地層圈閉日益受到重視[1-3]。早二疊世末期，峨眉山地幔柱差異上升，川東地區(qū)北部茅口組上部地層發(fā)生了不同程度的剝蝕，在大氣淡水的溶蝕淋濾作用下，形成孔洞、縫洞型石灰?guī)r儲層[4]。2018年8月，五探1井首次在川東地區(qū)高陡構(gòu)造向斜區(qū)茅口組獲得重大突破，測試獲得日產(chǎn)量為82×104m3的高產(chǎn)氣流，顯示了構(gòu)造低位茅口組古巖溶作用形成的巖性圈閉具有良好的勘探潛力。由于盆地北部茅口組后期沉積相變過程復(fù)雜以及茅口組頂界深水泥質(zhì)巖與上覆上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M底部的煤系泥巖缺乏統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用殘余厚度法恢復(fù)的茅口組巖溶古地貌格局存在較大差異[5-6]，制約了該區(qū)巖溶儲層天然氣勘探。為此，筆者在川東地區(qū)北部的觀音洞、紅花園及雙河等露頭剖面觀測基礎(chǔ)上，結(jié)合檀木場、云和、馬槽等構(gòu)造的能譜測井資料，確定了茅口組與龍?zhí)督M、孤峰段與茅三段的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并對川東地區(qū)221口鉆井進行統(tǒng)一劃分與對比，同時結(jié)合構(gòu)造低位地區(qū)184口地震虛擬井的地層厚度，進一步厘清茅口組巖溶古地貌單元的分布格局，以期為尋找茅口組巖溶儲層提供幫助。

1 茅口組地層劃分

1.1 地層劃分的標(biāo)志層

標(biāo)志層是等時格架內(nèi)地層劃分與對比的基礎(chǔ)。研究區(qū)（圖1）茅口組劃分中可以識別出以王坡頁巖、茅一b亞段頂部高自然伽馬段和中二疊統(tǒng)棲霞組二段低自然伽馬段3個標(biāo)志層。

1.1.1 王坡頁巖

盧衍豪[7]最早把漢中梁山地區(qū)茅口組石灰?guī)r與吳家坪組石灰?guī)r之間黃灰色、黃褐色含植物化石碎片的粉砂質(zhì)鋁土質(zhì)泥巖稱為王坡頁巖，并認(rèn)為其形成于陸相或海陸交互相。郭俊鋒等[8]發(fā)現(xiàn)該剖面巖石樣品顯微鏡下具有蝕變殘留玻屑凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中蒙脫石成分的玻屑集合體仍然保留了塑性變形，指出王坡頁巖具有典型的斑脫巖特征。川東地區(qū)北部露頭剖面（圖2-a）和鉆井取心（圖2-b）可見，王坡頁巖分布在上覆龍?zhí)督M或吳家坪組與下伏茅三段之間，呈凹凸不平接觸，厚度介于0.3～2.5 m，巖性為灰褐色、淺灰色玻屑凝灰?guī)r（圖2-a、b），鏡下見玻屑結(jié)構(gòu)（圖2-c），風(fēng)化后呈黃褐色，結(jié)構(gòu)疏松，野外識別標(biāo)志明顯。

王坡頁巖在測井曲線上具有高—中自然伽馬（GR）、低鈾（U）、高鉀（K）、中—低聲波時差（AC）、低電阻（R）的特征；上覆龍?zhí)督M底部為中—高自然伽馬、高聲波時差與低電阻，而下伏茅三段則以低自然伽馬、高電阻和低聲波時差為特征（圖3）。

綜上所述，茅口組沉積末期，在峨眉山大火成巖省火山活動過程中，當(dāng)火山灰經(jīng)空氣攜帶沉降在海相堿性環(huán)境中，蝕變?yōu)橐悦擅撌煞譃橹鞯陌呙搸r[9-10]；當(dāng)火山灰沉降在茅口組風(fēng)化殼時，凝灰?guī)r與殘積鋁土質(zhì)頁巖混合在一起。王坡頁巖在川東地區(qū)廣泛分布，其巖性與電性特征明顯，是劃分上二疊統(tǒng)與中二疊統(tǒng)的良好標(biāo)志層。

1.1.2 茅一b亞段

川東地區(qū)不同構(gòu)造308口井鉆穿茅口組的測井資料分析顯示，其中90%以上的井在茅一段中上部發(fā)育一層高自然伽馬段，厚度一般介于1～2 m，少數(shù)井可達4 m，自然伽馬介于120～160 API，聲波時差介于45～65 μs/m，深側(cè)向電阻率（RLLD）介于20～200 Ω·m。鉆井取心和野外露頭觀察發(fā)現(xiàn)，茅一b亞段高自然伽馬段的巖性為淺灰色含凝灰質(zhì)巖夾薄層泥質(zhì)泥晶灰?guī)r。該高自然伽馬段之上的茅一a亞段具有齒狀中—低電阻和弱齒狀中—低聲波時差；其下的茅一c亞段表現(xiàn)為箱狀高電阻和箱狀低聲波特征。茅一b亞段高自然伽馬段測井曲線上易識別，在區(qū)域上穩(wěn)定分布。

1.1.3 棲二段

川東地區(qū)野外露頭剖面觀察表明，棲二段巖性為灰色中—薄層含生屑、砂屑灰?guī)r，厚度介于15～25 m，區(qū)域分布穩(wěn)定。棲二段與上部茅口組和下部棲一段的電性劃分標(biāo)準(zhǔn)明顯，表現(xiàn)為弱齒狀低自然伽馬和微齒箱狀高電阻。

1.2 孤峰段劃分標(biāo)志

1930年，李四光等把安徽池州貴池地區(qū)分布于棲霞組石灰?guī)r之下、龍?zhí)督M煤系之上的黑色頁巖命名為孤峰層。孤峰組指棲霞組與龍?zhí)督M之間的薄層硅質(zhì)巖、硅質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)頁巖、錳質(zhì)頁巖，下部頁巖含錳及磷質(zhì)結(jié)核，與上覆龍?zhí)督M和下伏棲霞組均為整合接觸，正層型位于安徽涇縣孤峰鎮(zhèn)[11-12]。在下?lián)P子地區(qū)，孤峰組與茅口組碳酸鹽巖屬于等時異相沉積；在中上揚子地區(qū)，其頂界向下穿時，底界向上穿時[13-14]。筆者將孤峰組在川東地區(qū)劃分為茅口組的孤峰段（圖4）。

川東地區(qū)孤峰段巖性主要為黑灰色薄層碳質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖夾薄層含泥灰?guī)r和硅質(zhì)巖。在能譜測井曲線上，孤峰段具有高自然伽馬、高鈾、低釷特征，王坡頁巖則表現(xiàn)為高自然伽馬、低鈾、高鉀。在常規(guī)測井曲線上，孤峰段具有高自然伽馬、中—低電阻和低聲波時差特征，而王坡頁巖雖然也表現(xiàn)高自然伽馬和低電阻，但是聲波時差相對高于孤峰段。

1.3 地層劃分

四川盆地二疊系的劃分多年來一直采用上、下二分方案，即上統(tǒng)（包括吳家坪階與長興階），下統(tǒng)（包括棲霞階與茅口階）。李國輝等[15]通過二疊系巖石地層、生物地層的對比分析，提出了三分方案，但下統(tǒng)普遍缺失隆林階，紫松階僅局限于川西龍門山一帶；中二疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)在盆地內(nèi)分布廣泛。筆者結(jié)合四川盆地目前主要以三分為主的現(xiàn)狀以及目前的勘探情況，在二疊系三分方案基礎(chǔ)上，增加了茅二段等時異相的孤峰段（表1）。

表1 川東地區(qū)中—上二疊統(tǒng)地層劃分方案表

2 地層對比及其厚度分布特征

2.1 地層對比

川東地區(qū)高陡構(gòu)造斷層發(fā)育、地層產(chǎn)狀變化大，對不同構(gòu)造帶之間的地層對比帶來一定困難。針對不同構(gòu)造帶的鉆井與測井資料情況，首先在各構(gòu)造帶選擇測井資料較全、標(biāo)志層特征明顯，并且受斷層、構(gòu)造擠壓變形影響較少的井作為標(biāo)準(zhǔn)井，然后建立標(biāo)準(zhǔn)井格架剖面進行區(qū)域性的井間地層對比。

在川東地區(qū)51個構(gòu)造221口探井和評價井系統(tǒng)分層基礎(chǔ)上，選出109口標(biāo)準(zhǔn)井，建立12條連井格架對比剖面，其中近南北向的4條，東西方向12條。連井地層對比剖面顯示，川東地區(qū)北部茅口組遭受剝蝕最強烈，不僅茅四段與茅三段缺失，茅二a亞段及孤峰段也遭受不同程度的剝蝕，并且海槽相孤峰段從東往西及從北往南，沉積時間由老變新，開始發(fā)育于茅二b期，結(jié)束于茅二a期（圖5）。

2.2 地層平面分布特征

川東地區(qū)在高陡構(gòu)造帶地層傾角變化大，局部地區(qū)地層產(chǎn)狀甚至倒轉(zhuǎn)。因此，繪制茅口組殘余厚度平面分布圖時，需要對鉆井分層的厚度進行地層傾角的校正，計算地層真厚度，即：

式中α表示地層傾角，（°）；H表示鉆井分層厚度（地層似厚度），m；h表示地層真實厚度，m。

式（1）中地層傾角大小取決于所鉆井在局部構(gòu)造等值線的差值（Δh）與該差值所在構(gòu)造等值線間的水平距離（Δx）（圖6）。川東地區(qū)現(xiàn)有鉆井主要分布在各高陡構(gòu)造一帶，構(gòu)造斜坡及寬緩向斜區(qū)缺少鉆井資料，根據(jù)二維地震解釋剖面，共補充了184口人工虛擬井。

川東地區(qū)茅口組厚度總體上具有“南厚北薄”、“西薄東厚”的分布特征，南北方向厚度變化表現(xiàn)為達州—開江—開州—萬州一帶地層厚度較薄，一般介于130～190 m；大竹—梁平以南地區(qū)的地層厚度介于200～300 m，東西方向的厚度變化表現(xiàn)為在大竹—鄰水—重慶一帶地區(qū)地層厚度較薄，一般介于225～250 m，忠縣—豐都—涪陵—南川地區(qū)的地層相對較厚，一般介于280～340 m（圖7-a）。

茅口組各段厚度在平面分布差異較大。茅一段厚度大部分地區(qū)介于80～100 m，在豐都—忠縣等局部地區(qū)介于110～130 m，重慶—長壽—墊江—梁平及其以西地區(qū)的地層厚度介于60～80 m。整體而言，茅一段厚度具有“東厚西薄”的分布特征，但南北方向的地層厚度變化較?。▓D7-b）。

茅二段厚度一般介于90～140 m，在長壽—墊江—豐都—梁平一帶的厚度介于140～190 m，達州—開州—萬州以北地區(qū)一般介于40～65 m。茅二段厚度在東西兩側(cè)的變化較小，南北方向上具有明顯的“南厚北薄”特征（圖7-c）。茅二段厚度北部較薄不僅與沉積相帶變化有關(guān)，而且與茅口組沉積末期發(fā)生的地層剝蝕也有關(guān)系。

茅二c時期，整體上處于碳酸鹽巖臺地沉積，地層厚度分布變化較小。茅二段沉積后期（茅二a—茅二b亞段沉積時期），中部和南部仍然為碳酸鹽臺地沉積，北部構(gòu)造拉張作用增強，海水變深形成海槽相，其沉積地層厚度小于南部臺地相。海槽相孤峰段在馬槽1-1井區(qū)厚度約為27 m，其余地區(qū)地層厚度較薄，一般介于5～15 m（圖7-d）。上揚子板塊北緣在茅二段沉積后期形成的海槽主要呈由東往西展布，而在達州和開江之間孤峰段的缺失區(qū)為近南北向分布，反映了茅口組沉積末期發(fā)生構(gòu)造抬升作用造成了茅口組上部地層的剝蝕。

茅三段在川東地區(qū)主要分布其中部和南部，在鄰水—墊江—忠縣以北以及重慶東側(cè)的殘余地層厚度較薄，一般介于10～20 m，石柱—涪陵—豐都局部地區(qū)可達35～40 m，其余大部分地區(qū)的厚度一般介于20～30 m（圖7-e）。值得注意的是，在川東地區(qū)北部的達州—開江—開州及萬州—奉節(jié)以東地區(qū)缺失茅三段，但是在宣漢縣渡口鎮(zhèn)觀音洞剖面見臺地相的茅三段，厚度約為20 m。

茅四段在川東地區(qū)分布范圍較小，殘余地層分布主要分布在川東地區(qū)東南部的南川—長壽—石柱一帶，地層厚度一般介于5～15 m，局部井區(qū)可達30 m（圖7-f）。

3 古地貌恢復(fù)

3.1 基本原理

古地貌指地層沉積末期，被上覆地層覆蓋之前的地形面貌。在碳酸鹽巖地區(qū)，地層殘余厚度在一定程度上能夠反映古地貌地勢的相對高低。在相似大氣淡水背景下，所處地勢相對較高，遭受地表風(fēng)化時間越長，被剝蝕地層越多，相應(yīng)的殘余地層就越少，且厚度越??；反之處于地勢越低的地區(qū)，地層殘余厚度較厚[16-17]。當(dāng)發(fā)生多套地層被剝蝕時，以未遭受剝蝕的標(biāo)志性地層與古風(fēng)化殼不整合面之間的地層厚度作為殘余地層厚度[18]。筆者采用殘余厚度法恢復(fù)茅口組古地貌。

3.2 殘余厚度法的影響因素

川東地區(qū)茅口組鉆井?dāng)?shù)量多、分布廣，結(jié)合二維地震剖面虛擬井的殘余厚度，為恢復(fù)古地貌奠定了重要基礎(chǔ)。采用殘余厚度法刻畫古地貌時，還考慮以下3個主要影響因素。

3.2.1 地層原始厚度

在地層遭受剝蝕之前的原始厚度分布相對穩(wěn)定的背景下，殘余厚度才能反映古地貌的地勢高低。川東地區(qū)在棲霞組沉積期間進入碳酸鹽巖臺地沉積以來，一直持續(xù)到茅口組末期。在茅口組沉積中期，除了北部發(fā)生短時間拉張海槽沉積外，整體上為碳酸鹽巖臺地沉積。因此，茅口組的原始地層厚度在區(qū)域上分布相對穩(wěn)定，局部地區(qū)有所變薄。

3.2.2 地層巖性

在相似地表大氣淡水環(huán)境作用下，地層巖性的差異對地層剝蝕作用的影響較大。當(dāng)?shù)貙勇队诘乇砗螅妓猁}巖比泥質(zhì)巖和硅質(zhì)巖遭受的化學(xué)溶蝕更強烈。川東地區(qū)茅口組巖性以石灰?guī)r為主，夾少量薄層泥質(zhì)灰?guī)r和白云巖，在北部海槽相孤峰段發(fā)育碳質(zhì)頁巖和硅質(zhì)巖。因此，除了孤峰段分布區(qū)外，茅口組的抗風(fēng)化能力基本相似。

3.2.3 構(gòu)造抬升幅度

早二疊世晚期的東吳運動在地幔柱活動中心的大理、米易一帶地殼抬升幅度大于1 000 m，在四川盆地內(nèi)部地殼抬升的規(guī)模介于100～400 m，形成“西高東低”的地貌格局[19-20]。川東地區(qū)峨眉山玄武巖分布不穩(wěn)定，在川東北部的厚度較大，一般介于15～30 m，同時已經(jīng)初具雛形的開江古隆起范圍繼承性的進一步擴大[21-22]。由此可見，川東地區(qū)受東吳運動的影響，北部構(gòu)造隆升幅度相對較大，導(dǎo)致茅口組暴露時間相對較長，風(fēng)化溶蝕作用相對強烈。

3.3 古地貌單元劃分標(biāo)準(zhǔn)

針對現(xiàn)階段川東地區(qū)茅口組的整體勘探程度，在茅口組地層殘余厚度分布基礎(chǔ)上，結(jié)合被剝蝕層段以及地層巖性特征，將茅口組末期古地貌的一級單元劃分為巖溶高地、巖溶斜坡和巖溶盆地（圖8）。

巖溶高地處于古地勢較高地區(qū)，風(fēng)化作用較強烈。劃分標(biāo)準(zhǔn)為茅三段厚度小于15 m，同時孤峰段殘余厚度不超過5 m，被剝蝕地層主要為茅四段和茅三段，局部地區(qū)的茅二段上部（茅二a亞段、茅二b亞段及孤峰段）也遭受不同程度的剝蝕。

巖溶盆地處于古地勢低緩地區(qū)，經(jīng)歷的風(fēng)化作用弱。劃分標(biāo)準(zhǔn)為茅四段殘余厚度大于15 m，同時茅三段厚度超過35 m，或者孤峰段殘余厚度超過20 m（其中泥質(zhì)巖和硅質(zhì)巖厚度大于10 m）。

巖溶斜坡介于巖溶高地與巖溶盆地之間，古地勢相對平緩，風(fēng)化作用較弱。劃分標(biāo)準(zhǔn)為茅三段遭受剝蝕后的殘余地層大于15 m，或者孤峰段殘余地層厚度介于5～20 m；或者茅四段殘余厚度低于15 m。

3.4 古地貌分布特征

根據(jù)茅口組古地貌劃分標(biāo)準(zhǔn)，在平面上刻畫出“2個巖溶高地、2個巖溶斜坡和3個巖溶盆地”（圖9）。巖溶高地主要分布在東北部的宣漢—達州—開江—梁平及萬州東南部地區(qū)，面積為0.81×104km2，該區(qū)不僅茅三段被全部剝蝕，孤峰段在達州、開江等局部地區(qū)也剝蝕殆盡，孤峰段殘余厚度小于5 m。第二個巖溶高地的面積為0.14×104km2，分布在重慶—長壽—南川之間，茅四段被全部剝蝕，茅三段殘余厚度小于15 m。

茅口組巖溶盆地主要分布在豐都—涪陵東南部，面積為0.29×104km2，該區(qū)茅口組剝蝕微弱，茅四段厚度大于15 m。大竹西北部及奉節(jié)以北的巖溶盆地范圍較小，面積分別為0.13×104km2和0.11×104km2，前者茅三段雖然遭受不同程度的剝蝕，但是孤峰段泥質(zhì)巖厚度介于10～15 m，后者茅三段全部剝蝕，孤峰段泥質(zhì)巖厚度介于10～20 m。

茅口組巖溶斜坡主要分布在研究區(qū)中南部的忠縣—墊江—長壽—南川一帶，面積為2.20×104km2，茅四段和茅三段遭受不同程度的剝蝕。北部巖溶斜坡主要分布在開州—云陽地區(qū)，面積為0.96×104km2。

川東地區(qū)茅口組巖溶高地、巖溶斜坡分布范圍廣，有利于巖溶儲層的大面積分布。川東地區(qū)中部和北部巖溶高地、巖溶斜坡帶的茅二b亞段、茅二c亞段及茅一段中上部，受地表大氣淡水垂直滲流和水平潛流的巖溶作用較強烈，有利于發(fā)育孔洞型儲層和縫洞型儲層；南部巖溶儲層主要發(fā)育在茅三段、茅二a亞段及茅二b亞段。

4 結(jié)論

1）王坡頁巖、茅一b亞段頂部高自然伽馬段、棲二段低自然伽馬段是劃分茅口組的標(biāo)志層，為川東地區(qū)茅口組及內(nèi)部地層統(tǒng)一劃分提供了重要依據(jù)。

2）茅口組沉積早期，在構(gòu)造穩(wěn)定背景下發(fā)育碳酸鹽巖臺地沉積，地層厚度變化較小。茅口組沉積后期，北部海槽相孤峰段開始于茅二b亞段沉積期，結(jié)束于茅二a亞段沉積晚期，地層相對較薄，中部和南部為碳酸鹽巖臺地沉積，地層相對較厚。

3）茅口組沉積末期的東吳運動使川東地區(qū)北部及中部隆升，茅三段、茅四段遭受大面積剝蝕，茅二段及孤峰段遭受部分剝蝕。

4）川東地區(qū)茅口組具有“2個巖溶高地、2個巖溶斜坡和3個巖溶盆地”的巖溶古地貌格局，總體上呈巖溶斜坡為主，巖溶高地次之，巖溶盆地分布范圍相對較小。