塔里木盆地奧陶系巖相古地理演化及沉積模式

鄭和榮，田景春，胡宗全，張 翔，趙永強，孟萬斌

（1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.成都理工大學(xué)，四川 成都 610059；3.中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126）

塔里木盆地作為中國大型含油氣盆地，經(jīng)歷了漫長復(fù)雜的構(gòu)造沉積演化過程［1-3］，形成了由前震旦紀(jì)基底、古生代克拉通原型盆地與中生代前陸盆地疊置而成的大型疊合盆地。其中，奧陶系海相碳酸鹽巖是油氣勘探的重要層系之一。20世紀(jì)90年代，在塔里木盆地奧陶系發(fā)現(xiàn)了中國第一個海相碳酸鹽巖整裝大油田——塔河油田，是中國古生界海相油氣勘探的重大突破，成為中國油氣工業(yè)發(fā)展史上的一座重要的里程碑［4-6］，實現(xiàn)了塔里木幾代人尋找大油田的夢想。隨后在哈德遜、英買力、麥蓋提、巴楚隆起、塔中隆起、塔中北坡以及順托果勒隆起奧陶系的油氣勘探均取得重大突破，展現(xiàn)了塔里木盆地奧陶系海相碳酸鹽巖巨大的勘探潛力和良好的勘探前景［7-10］。

國內(nèi)外油氣勘探實踐證明，巖相古地理研究在指導(dǎo)油氣勘探開發(fā)方面發(fā)揮著重要的作用，這是因為各含油氣盆地內(nèi)的油氣儲層、烴源巖的形成與分布嚴(yán)格受古地理條件控制。在中國西部三大含油氣盆地中，近年所發(fā)現(xiàn)的多個千億立方米以上和億噸儲量規(guī)模的碳酸鹽巖大油氣田，無論是烴源巖發(fā)育、儲層形成，還是蓋層分布，都與沉積相帶密切相關(guān)，而沉積相帶的時空展布則受古地理及其演化的控制。因此，系統(tǒng)開展海相碳酸鹽巖古地理演化研究是大型碳酸鹽巖油氣田勘探發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。前人從構(gòu)造和層序地層等不同角度對塔里木盆地奧陶系海相碳酸鹽巖古地理開展了大量研究，取得了一系列重要成果［1，11-19］，為推動盆地內(nèi)碳酸鹽巖大油氣田的勘探發(fā)現(xiàn)起到了重要的促進(jìn)作用，也為進(jìn)一步深化研究奠定了重要基礎(chǔ)。

針對塔里木盆地奧陶系古地理，不同時期、不同單位和不同學(xué)者針對不同層位采用不同思路開展了系統(tǒng)編圖［20-42］，為進(jìn)一步深化認(rèn)識盆地內(nèi)奧陶系油氣成藏的基本地質(zhì)條件奠定了基礎(chǔ)。同時，可以看出不同時期、不同學(xué)者及同一學(xué)者、不同時期對同一層位所編繪的古地理圖既具有一定的相似性，也有很大的差異性。相似性表現(xiàn)為不同時期沉積格局大致一致或相似，差異性表現(xiàn)為相帶邊界、微相展布不同。

因此，伴隨著油氣勘探不斷深入，新的鉆井資料、測井資料、地震資料和測試分析資料的不斷獲取，為進(jìn)一步系統(tǒng)完整恢復(fù)與精細(xì)刻畫奧陶紀(jì)各期的巖相古地理特征及建立其演化模式提供了可能。所以，在眾多前人研究成果基礎(chǔ)上，充分利用野外露頭剖面資料、最新鉆井資料、地震剖面資料和測試分析資料，系統(tǒng)編繪奧陶系蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、恰尓巴克組、良里塔格組和桑塔木組巖相古地理圖，并建立沉積演化模式，為塔里木盆地奧陶系下一步油氣勘探戰(zhàn)略方向的選擇提供基礎(chǔ)地質(zhì)理論支撐。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地奧陶系廣泛分布，在盆地西部以碳酸鹽巖為主，自下而上分為蓬萊壩組（O1p）、鷹山組（O1-2y）、一間房組（O2yj）、恰尓巴克組（O3q）、良里塔格組（O3l）和桑塔木組（O3s）。盆地東部以碎屑巖為主，自下而上分為突爾沙克塔格群上部［（3-O1）t］、黑土凹組（O1-2h）、卻爾卻克組（O3qr）［20］（圖1）。

在奧陶系沉積演化過程中，不同時期塔里木板塊在全球古緯度和方位不同，板塊邊緣經(jīng)受了不同構(gòu)造作用，形成了不同類型的沉積盆地，導(dǎo)致沉積格局及古地理面貌不同（圖2）。正是由于奧陶紀(jì)塔里木陸塊在不同階段古緯度、古方位不同，再加之奧陶紀(jì)加里東早期Ⅱ幕和中期Ⅰ幕、Ⅱ幕、Ⅲ幕構(gòu)造運動的影響，導(dǎo)致盆地經(jīng)歷了克拉通盆地演化階段、周緣前陸盆地-陸內(nèi)凹陷盆地演化階段，從而導(dǎo)致不同階段盆地沉積充填特征不同（圖1）。

圖1 塔里木盆地不同相區(qū)巖石地層單元構(gòu)成及對比Fig.1 Lithostratigraphic units and their correlation in different facies areas，Tarim Basin

圖2 塔里木陸塊550～250 Ma古緯度與方位變化Fig.2 Paleolatitude and azimuth changes of the Tarim block during 550～250 Ma

2 奧陶系巖相古地理編圖思路

充分運用多種資料，按照從點—線—面的思路開展巖相古地理編圖。具體過程如下。

1）在點上確定沉積類型，即在野外剖面和單井剖面上確定每一層位沉積相類型。通過對盆地周緣12條野外露頭剖面的詳細(xì)觀測、對鉆遇奧陶系31口典型鉆井、特別是2016年以來最新鉆井的巖心詳細(xì)觀察、盆地內(nèi)鉆遇奧陶系82口鉆井的精細(xì)解釋，從單剖面、單井上確定不同層位沉積時的沉積相類型及特征，可以看出塔里木盆地奧陶系沉積演化過程中沉積相類型多樣，主要包括7種沉積相、16種亞相和若干微相（表1）。限于篇幅，各類沉積相的詳細(xì)特征就不贅述。

表1 塔里木盆地奧陶系沉積相劃分Table 1 Division of the Ordovician sedimentary facies，Tarim Basin

2）在線上確定相變化，即開展穿越盆地南北和東西方向的野外露頭剖面，不同鉆井間的沉積相對比及過井地震剖面地震相對比研究，確定不同層位沉積相二維空間的變化特征（圖3）。

圖3 塔里木盆地大灣溝—順北7井—躍進(jìn)1X井—托鷹1井—塔深1井—尉犁1井奧陶系沉積相對比Fig. 3 Correlation of Ordovician sedimentary facies across Dawangou outcrops and wells Shunbei 1，Yuejin 1X，Tuoying 1，Tashen 1，and Yuli 1，Tarim Basin

3）在面上確定相邊界，即開展各層位地震解釋與相識別、地震相平面編圖。通過對橫穿盆地的188條二維地震測線和5個三維工區(qū)地震資料的解釋與追蹤，根據(jù)地震反射外形、振幅、連續(xù)性及內(nèi)部反射結(jié)構(gòu)，塔里木盆地奧陶系可識別出22種地震相，分別代表局限臺地、開闊臺地、臺地邊緣、斜坡和盆地相沉積（表2）。在上述基礎(chǔ)上，系統(tǒng)編繪了各組地震相平面分布圖（限于篇幅，本論文僅展示蓬萊壩組地震相平面分布圖，見圖4），這為厘定各組不同沉積相邊界提供了依據(jù)。

圖4 塔里木盆地奧陶系蓬萊壩組地震相平面分布Fig.4 Plane distribution of seismic facies of the Ordovician Penglaiba Formation，Tarim Basin

表2 塔里木盆地奧陶系地震相類型劃分及特征Table 2 Classification and characteristics of the Ordovician seismic facies，Tarim Basin

在上述基礎(chǔ)上，點、線、面結(jié)合，系統(tǒng)編繪了奧陶系蓬萊壩組、鷹山組、一間房組、恰尓巴克組、良里塔格組和桑塔木組巖相古地理圖，展示了各組沉積期的古地理格局和沉積面貌。

3 奧陶系巖相古地理特征及演化

在上述編圖思路的指導(dǎo)下，結(jié)合原型盆地恢復(fù)成果，所編繪的塔里木盆地奧陶系不同時期的巖相古地理圖，揭示了從早到晚古地理演化過程。具體各組的古地理特征如下。

3.1 下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組（O1p）

下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組沉積期繼承了寒武系下丘里塔格組沉積期的局限臺地-開闊臺地沉積格局。此期的古地理格局表現(xiàn)為一個大的碳酸鹽臺地，周圍被南天山洋和南昆侖洋所包圍（圖5）。

碳酸鹽臺地的西部邊緣為碳酸鹽巖緩坡，發(fā)育在昆侖山山前一線；臺地的北部、東部邊緣為鑲邊陸棚臺緣，發(fā)育在于奇6井—滿參1井—古城4井一線并向北東轉(zhuǎn)向羅西1井，臺緣及斜坡呈窄條帶狀分布，向東到滿加爾坳陷為混積陸棚沉積（圖5）。

碳酸鹽臺地內(nèi)進(jìn)一步劃分為局限臺地和開闊臺地（圖5）。局限臺地分布在巴楚隆起東部和麥蓋提斜坡東部，為灰、淺灰、深灰色結(jié)晶云巖、含灰云巖、云質(zhì)灰?guī)r，局部夾薄層含泥灰?guī)r、含泥云巖，見少量灰色硅質(zhì)白云巖。局限臺地外圍發(fā)育大面積開闊臺地，在皮山北2井以南、塔參1井—順西1井—順北2井—塔深1井圍限區(qū)發(fā)育臺內(nèi)灘。沙雅隆起蓬萊壩組下部為褐灰色灰?guī)r夾淺灰色云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖、云巖，中部為灰、褐灰色灰?guī)r局部夾淺灰色云巖，上部為灰、褐灰色云質(zhì)灰?guī)r局部夾灰?guī)r、砂屑灰?guī)r。

圖5 塔里木盆地下奧陶統(tǒng)蓬萊壩組沉積期巖相古地理Fig.5 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the Lower Ordovician Penglaiba Formation，Tarim Basin

3.2 中-下奧陶統(tǒng)鷹山組（O1-2y）

中-下奧陶統(tǒng)鷹山組沉積期，塔里木板塊內(nèi)部沉積格局、臺地性質(zhì)、相帶展布繼承了蓬萊壩組沉積期古地理格局，仍表現(xiàn)為一個大的碳酸鹽臺地，周圍被南天山洋和北昆侖洋所包圍（圖6）。

但此期，碳酸鹽臺地分布面積縮小，主要表現(xiàn)為臺地西部邊緣向東退縮，遷移到巴開1井—皮山北2井—勝和2井一線，深水緩坡分布范圍明顯比蓬萊壩組沉積期加寬。北部、東部開闊臺地邊緣為鑲邊陸棚臺緣，東部臺緣-臺緣斜坡發(fā)育在庫南1—古城4并向東轉(zhuǎn)向米蘭1井一線。向東到滿加爾坳陷相變?yōu)殛懪锍练e，深水面積向南擴(kuò)大。

碳酸鹽臺地內(nèi)部仍為局限臺地-開闊臺地。其中，局限臺地分化為3塊，分別位于和4井—中13井區(qū)、玉龍6井區(qū)和塔中1井—中4井區(qū)。開闊臺地大面積分布，臺內(nèi)灘主要集中在順北—順南一帶（圖6）。

圖6 塔里木盆地中-下奧陶統(tǒng)鷹山組沉積期巖相古地理Fig.6 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the Middle-Lower middle Ordovician Yingshan Formation，Tarim Basin

3.3 中奧陶統(tǒng)一間房組（O2yj）

中奧陶統(tǒng)一間房組沉積期，由于構(gòu)造運動的影響，古地理格局發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為阿瓦提凹陷初見端倪，碳酸鹽臺地西部、東部和北部邊緣位置僅發(fā)生了較大改變（圖7）。北部、東部臺地邊緣與鷹山組相比在塔中、塔北和阿瓦提之間向臺內(nèi)收縮明顯，東南則向外擴(kuò)展，發(fā)育在喬參1井—阿北1井—托普2井—哈得5井—古城4井一線；向東到滿加爾坳陷為臺緣斜坡-陸棚-欠補償盆地；西部邊緣向塔西南發(fā)育陸棚沉積。

圖7 塔里木盆地中奧陶統(tǒng)一間房組沉積期巖相古地理Fig.7 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the lower middle Ordovician Yijianfang Formation，Tarim Basin

塔里木板塊內(nèi)部臺地性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚_闊臺地。塔西南坳陷—麥蓋提斜坡、塔中巴楚隆起—卡塔克隆起—塘沽巴斯坳陷、塔北順托果勒隆起—沙雅隆起發(fā)育大面積的開闊臺地，順南1井—塔中43井區(qū)、古隆1井—古城4井區(qū)、順北評2井以南和哈6井—沙88井區(qū)發(fā)育臺內(nèi)灘；塔北沙109井、沙102井—沙91井、沙87井及塔深1井區(qū)見臺內(nèi)礁（海綿礁）。在順南古隆及塘沽巴斯坳陷巖性以藻球粒、藻砂屑灰?guī)r為主；在沙雅隆起主要為灰、黃灰色亮晶砂屑灰?guī)r、砂屑微晶灰?guī)r和微晶灰?guī)r，夾鮞?；?guī)r、藻粘結(jié)灰?guī)r和海綿礁灰?guī)r。塔西南陸棚發(fā)育在昆侖山山前一線。

受后期加里東運動中期Ⅰ幕構(gòu)造抬升剝蝕影響，巴楚隆起—麥蓋提斜坡—塔西南坳陷及卡塔克隆起一間房組被剝蝕。受后期加里東運動中期和海西早期構(gòu)造抬升剝蝕影響，沙雅隆起北部一間房組被剝蝕。

3.4 上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組（O3q）

晚奧陶世恰爾巴克組沉積期，由于加里東運動Ⅰ幕的作用，導(dǎo)致前期統(tǒng)一的大碳酸鹽巖臺地發(fā)生分異形成塔北、塔中和塔南3個臺地，形成多臺-多盆、隆-坳相間的沉積格局（圖8）。此期，受同期全球海平面大規(guī)模上升的影響，3個臺地為淹沒臺地，臺地之間為混積陸棚沉積。阿瓦提斷陷和滿加爾坳陷為欠補償盆地，在阿爾金隆起北側(cè)發(fā)育海底扇。

圖8 塔里木盆地上奧陶統(tǒng)恰爾巴克組沉積期巖相古地理Fig.8 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the Upper Ordovician Charbacian Formation，Tarim Basin

3.5 上奧陶統(tǒng)良里塔格組（O3l）

上奧陶統(tǒng)良里塔格組沉積期，塔里木板塊內(nèi)部繼承了恰爾巴克組沉積期的多臺-多盆、隆-坳相間的沉積格局（圖9），前期的3個淹沒臺地轉(zhuǎn)變?yōu)殚_闊臺地，且南部臺地發(fā)生分化，變?yōu)?個獨立的臺地。由開闊臺地向外圍發(fā)育臺地邊緣—臺緣斜坡—陸棚沉積，向東向北進(jìn)入欠補償盆地，并在中昆侖隆起東側(cè)和阿爾金隆起北側(cè)發(fā)育海底扇。闊克蘇隆起仍發(fā)育開闊臺地（圖9）。

圖9 塔里木盆地上奧陶統(tǒng)良里塔格組沉積期巖相古地理Fig.9 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the Upper Ordovician Lianglitag period，Tarim Basin

3.6 上奧陶統(tǒng)桑塔木組（O3s）

上奧陶統(tǒng)桑塔木組沉積期，受同期全球海平面再次大規(guī)模上升影響，塔里木板塊內(nèi)部碳酸鹽臺地淹沒消亡，原碳酸鹽臺地發(fā)育區(qū)演變?yōu)榛旆e陸棚（圖10），為灰、綠灰色泥巖、灰質(zhì)泥巖夾灰色泥晶灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r沉積。此外，由于阿爾金隆起提供了充足的物源，塘沽巴斯坳陷、古城墟隆起及滿加爾坳陷發(fā)育沉積巨厚的濁積盆地，中昆侖隆起東側(cè)和阿爾金北側(cè)的濁積盆地中發(fā)育水下扇，滿參1井區(qū)發(fā)育濁積扇，為深灰色薄-中厚層狀泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖頻繁互層，只在闊克蘇隆起發(fā)育開闊臺地（圖10）。

圖10 塔里木盆地上奧陶統(tǒng)桑塔木組沉積期巖相古地理Fig.10 Lithofacies paleogeographic map during deposition of the Upper Ordovician Sangtamu Formation，Tarim Basin

4 奧陶系沉積模式

從上述奧陶系巖相古地理編圖可以看出，塔里木盆地奧陶系沉積演化從早到晚經(jīng)歷了由碳酸鹽巖沉積—陸源碎屑巖沉積的演化過程，盆地的沉積充填可分為3個階段，歸納為3種模式。

4.1 單一臺地—緩坡、陡坡邊緣共存—盆地沉積模式

該沉積充填模式發(fā)育于蓬萊壩組—一間房組沉積期。這一階段塔里木盆地發(fā)育一個大的碳酸鹽臺地（圖11a），臺地西緣向海一側(cè)發(fā)育碳酸鹽巖緩坡，臺地東緣向東依次發(fā)育臺地邊緣、臺緣斜坡、深水盆地。

4.2 多臺地—多臺緣—多盆地沉積模式

該沉積充填模式對應(yīng)于恰爾巴克組—良里塔格組沉積期。這一階段由于加里東中期Ⅰ幕構(gòu)造運動影響，前期的統(tǒng)一碳酸鹽臺地裂解、分異，在塔南、塔中和塔北形成3個小臺地（圖11b），形成了多臺地、多臺緣、多盆地的沉積格局。

4.3 陸源碎屑海洋環(huán)境沉積模式

該模式發(fā)育于桑塔木組沉積期。該時期由于晚奧陶世全球相對海平面上升，導(dǎo)致由前期的海相碳酸鹽臺地被淹沒并消失，發(fā)育演化為海相碎屑巖沉積（局部發(fā)育混合沉積）（圖11c）。

圖11 塔里木盆地奧陶系沉積充填模式Fig.11 Sedimentary filling patterns of the Ordovician，Tarim Basin

通過上述奧陶紀(jì)3大階段沉積充填模式可以看出，塔里木盆地奧陶紀(jì)沉積演化過程中古地理格局和面貌具有以下特點：構(gòu)造活動控制了“碳酸鹽臺地分異演化—單一大臺地—臺地分異—臺地消亡”；環(huán)境變遷控制了“沉積相帶的變遷演化—碳酸鹽巖與碎屑巖共存—完全由碎屑巖組成”。

5 結(jié)論

1）充分利用最新資料，按照從點—線—面的思路，在點上（單剖面、單井）確定沉積類型，在線上（連井、地震大剖面）確定相變化，在面上確定相邊界（地震相識別、地震相平面分布）；系統(tǒng)編繪塔里木盆地奧陶系各組巖相古地理圖，展示不同沉積期古地理格局和沉積面貌。

2）通過新一輪的編圖，揭示了塔里木盆地蓬萊壩組—一間房組沉積期新的古地理格局，并非是傳統(tǒng)認(rèn)識的“西臺東盆”沉積格局，而是“單臺雙緣雙盆”的沉積格局。

3）進(jìn)一步明確了奧陶系從早到晚沉積演化過程中碳酸鹽臺地的分異過程，主要表現(xiàn)為經(jīng)歷了由統(tǒng)一的碳酸鹽臺地形成（蓬萊壩組—一間房組沉積期）—臺地分異形成多臺地（恰爾巴克組—良里塔格組沉積期）—臺地最終消亡（桑塔木組沉積期）的演化過程。

4）系統(tǒng)建立了奧陶系從早到晚3種沉積充填模式，分別是：單一臺地—緩坡、陡坡邊緣共存—盆地沉積模式、多臺地—多臺緣—多盆地沉積模式和陸源碎屑海洋環(huán)境沉積模式。