塔東南地區(qū)寒武系海退背景下微生物丘沉積演化特征

陳旭，胡明毅，宋昊，張君龍，金吉能

1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100

2.大慶油田公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712

0 引言

微生物因數(shù)量巨大、分布廣泛和類型多樣在地球演化中發(fā)揮極其關(guān)鍵的作用，自寒武紀(jì)生命大爆發(fā)到奧陶紀(jì)是微生物生長(zhǎng)發(fā)育最為富集、活躍的時(shí)期，引起地質(zhì)學(xué)家的廣泛關(guān)注和思考[1-8]。與此同時(shí)，全球范圍內(nèi)不斷有與微生物碳酸鹽巖相關(guān)的油氣田被勘探發(fā)現(xiàn)，其中，位于我國(guó)西部塔里木盆地寒武系深層微生物丘也成為了勘探的熱點(diǎn)[5-8]。微生物丘是指由藻類或菌類微生物巖形成的碳酸鹽巖局部建隆，作為新型的碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)層，由于其獨(dú)特的沉積建造和演化過程，成為碳酸鹽巖油氣研究的重要方向，也是深層找尋商業(yè)油氣的重要領(lǐng)域。2020年，在塔里木盆地部署的亞洲第一深探井—輪探1 井在寒武系微生物丘儲(chǔ)層中獲得高產(chǎn)輕質(zhì)原油，證實(shí)了微生物丘沉積體是有利的勘探目標(biāo)，具有極大的油氣潛力。

寒武系為塔里木盆地最古老的沉積地層，盆地東部廣大地區(qū)寒武系處于開闊臺(tái)地沉積環(huán)境，在臺(tái)緣帶廣泛發(fā)育的微生物丘復(fù)合體，為（超）深層油氣優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的主要載體[9-10]。現(xiàn)階段基于不同品質(zhì)的資料和研究手段，人們對(duì)微生物丘體沉積結(jié)構(gòu)及形成環(huán)境開展了一定程度的研究[4-11]。然而，由于寒武系深層鉆井資料稀少、地震資料品質(zhì)差、勘探成本居高等原因，目前對(duì)寒武系往往只開展盆地尺度的構(gòu)造—巖相古地理研究，且編圖往往以統(tǒng)為單位[12-15]，較少涉及微生物丘發(fā)育期次、疊置樣式及生長(zhǎng)演化過程分析，制約了微生物丘的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)精度和勘探部署。

因此，本文以塔東南地區(qū)寒武系微生物丘為例，綜合利用巖心、測(cè)井、分析測(cè)試和高精度三維地震數(shù)據(jù)，在微生物丘沉積特征分析基礎(chǔ)上，探討研究區(qū)微生物丘發(fā)育期次及疊置樣式，進(jìn)一步總結(jié)微生物丘的生長(zhǎng)發(fā)育、遷移演化特征，以期為深層微生物丘油氣勘探?jīng)Q策提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地是在前震旦紀(jì)變質(zhì)巖之上，經(jīng)歷了多期次構(gòu)造—沉積演化而形成的大型復(fù)合式疊合盆地[4]。塔東南地區(qū)位于盆地東南部的古城低凸起以東地區(qū)，為一持續(xù)繼承性隆起，呈現(xiàn)向西北傾斜的大型寬緩鼻狀構(gòu)造[2-5]。北部為平緩斜坡向滿加爾坳陷過渡，西部以塔中I 號(hào)斷裂為界與塔中隆起相鄰，南部與塘古孜巴斯凹陷和塔南隆起相接，東部以古城臺(tái)緣坡折帶為界毗鄰塔東隆起（圖1a）。塔里木盆地寒武紀(jì)—早奧陶世處于弱伸展的構(gòu)造背景下，西部為臺(tái)地相區(qū)，為碳酸鹽巖沉積環(huán)境，而東部盆地相區(qū)沉積了暗色泥巖，塔東南地區(qū)處于臺(tái)緣相帶，為微生物丘廣泛發(fā)育提供廣闊空間[3-7]。奧陶紀(jì)末構(gòu)造活動(dòng)形成古城凸起的雛形，總體上為東南高、西北低的構(gòu)造形態(tài)，并于海西早期定形至今。

研究區(qū)塊處于塔東南地區(qū)古城低凸起東側(cè)，三維工區(qū)面積約4 000 km2，鉆井揭示古城地區(qū)沉積厚度巨大，自震旦系到第四系均有發(fā)育，寒武系為深層油氣勘探的重點(diǎn)層系，巖性為碳酸鹽巖，細(xì)分為6 個(gè)組。其中下統(tǒng)的玉爾吐斯組為厚層黑色泥巖、泥灰?guī)r沉積，全盆分布穩(wěn)定，為深層優(yōu)質(zhì)烴源巖。中、上寒武統(tǒng)發(fā)育多套儲(chǔ)蓋組合，儲(chǔ)層巖性主要為藻（礁）微生物云巖（圖1b）。

圖1 塔東南地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐郑╝）及寒武系綜合柱狀圖（b）Fig.1 (a) Structural unit divisions in southeastern Tarim Basin; and (b) Cambrian composite column diagram

2 微生物丘沉積特征

2.1 沉積微相特征

研究區(qū)中、上寒武統(tǒng)發(fā)育多期微生物丘沉積，目前僅有CT1、CT2兩口探井鉆遇。利用研究區(qū)少量鉆井的巖心、測(cè)井和分析測(cè)試資料，分析微生物丘的巖性構(gòu)成、儲(chǔ)集性及分布特征，將微生物丘劃分為丘核、丘翼和丘基三種微相類型。

2.1.1 丘基

發(fā)育在微生物丘底部，多呈現(xiàn)中厚層、板狀沉積。鉆井揭示巖性為含砂屑、球粒結(jié)構(gòu)的粉、細(xì)晶白云巖，顆粒間泥亮晶—亮晶膠結(jié)，有機(jī)質(zhì)含量高，儲(chǔ)層孔隙欠發(fā)育，指示了微生物丘初始沉積水體較深，能量較弱的水動(dòng)力環(huán)境（圖2，3）。

2.1.2 丘核

在丘基之上、微生物丘中部形成厚層、丘狀沉積。鉆井揭示巖性為砂屑球粒粉晶云巖、砂屑細(xì)晶云巖或殘余鮞粒砂屑云巖，粒度變粗。去鈾GR值較低，變化范圍為1.21～11.75 API，平均約2.94 API，曲線形狀由高幅尖峰狀變?yōu)榈途徠街禒睢＆?3C 自下而上數(shù)值由正偏逐漸變換為負(fù)偏，變化范圍為-1.05‰～0.29‰，平均-0.226‰，表明海平面下降，水體變淺、能量較強(qiáng)的沉積環(huán)境。此外，該期微生物丘核部頂端GR能譜測(cè)井的TH/U比急劇變大（大于7），揭示頂部為氧化環(huán)境形成的風(fēng)化層，反映了海退環(huán)境下微生物丘核部暴露遭受剝蝕作用。儲(chǔ)層巖性為球?；蛏靶挤邸⒓?xì)晶云巖，在溶塌角礫巖中發(fā)育角礫間的溶蝕孔洞或裂縫。儲(chǔ)層孔隙度范圍在1.3%～7.2%之間，平均約3.4%，滲透率為（0.06～3.62）×10-3μm2，為中低孔、中低滲性儲(chǔ)層（圖2，3）。

圖2 微生物丘巖石結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)集空間類型（a）砂屑球粒粉細(xì)晶云巖，丘基，CT1，②期，7 142.72 m；（b）藻黏結(jié)砂屑粉細(xì)晶云巖，側(cè)翼，CT1，②期，7 201.06 m；（c）砂屑粉細(xì)晶云巖，側(cè)翼，CT1，②期，7 257.05 m；（d）殘余鮞粒細(xì)晶云巖，丘核，CT1，③期，6 891.18 m；（e）砂屑細(xì)晶云巖，丘核，CT1，③期，6 936.02 m；（f）砂屑球粒粉晶云巖，丘核，CT1，③期，7 037.53 m；（g）藻黏結(jié)砂屑細(xì)晶云巖，丘核，CT2，④期，6 800.22 m；（h）砂屑鮞粒細(xì)晶云巖，丘核，CT2，④期，6 820.38 m；（i）粉—細(xì)晶云巖，局部發(fā)育晶間孔，側(cè)翼，CT1，②期，7 142.74 m；（j）粉晶白云巖，溶蝕縫、晶間溶孔發(fā)育，側(cè)翼，CT1，②期，7 140.35 m；（k）溶塌角礫巖，角礫間溶蝕孔洞發(fā)育，CT1，③期，6 875.43 m；（l）藻屑黏結(jié)白云巖，粒間（溶）孔，丘核，CT2 井，④期，6 823.25 mFig.2 Rock structure types and reservoir porosity of microbial mound

2.1.3 丘翼

發(fā)育于丘核邊緣或側(cè)翼位置。鉆井揭示巖性由深色砂屑球粒粉晶云巖、（藻黏結(jié)）砂屑粉細(xì)晶云巖組成，粒度偏細(xì)。對(duì)應(yīng)的去鈾GR（KTH）值域范圍為1.67～21.81 API，平均約6.16 API，自下而上由微齒狀、低平值特征變?yōu)榧夥鍫罡咧?。?3C（碳同位素）表現(xiàn)為正偏，值域范圍為0.036‰～1.41‰，平均約0.724‰，反映了海平面上升，海水加深、水體能量弱的沉積環(huán)境。有效儲(chǔ)層巖性為細(xì)晶白云巖，儲(chǔ)集空間為晶間孔隙為主，少量構(gòu)造溶蝕縫或晶間溶孔。儲(chǔ)層孔隙度低，變化范圍0.8%～2.1%，平均約1.3%，測(cè)井滲透率為（0.02～1）×10-3μm2，為低孔、低滲儲(chǔ)層（圖2，3）。

2.2 地震反射結(jié)構(gòu)

在微生物丘合成記錄標(biāo)定及地震反射特征分析基礎(chǔ)上，對(duì)其外部形態(tài)和內(nèi)幕結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)識(shí)別和刻畫，預(yù)測(cè)微生物丘展布特征。與圍巖相比，微生物丘復(fù)合體垂向上表現(xiàn)為地層厚度顯著變大，橫向上出現(xiàn)多期微生物丘沉積體橫向遷移疊置，大小不一，地震相表現(xiàn)為明顯的丘狀、楔狀或透鏡狀[16-18]。丘復(fù)合體速度高于上覆的圍巖，頂界面處形成強(qiáng)的波阻抗差，對(duì)應(yīng)強(qiáng)波峰反射，而向海盆方向出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)或者同相軸尖滅現(xiàn)象，反映了向海洋一側(cè)生長(zhǎng)推進(jìn)的邊界，具有包絡(luò)面的特征。因此通過微生物丘標(biāo)定和地震反射結(jié)構(gòu)分析，采用振幅包絡(luò)面分析的方法，理清微生物丘的外部輪廓和分布范圍。

微生物丘的振幅包絡(luò)面多表現(xiàn)為中—強(qiáng)振幅、連續(xù)—較連續(xù)反射，包絡(luò)面之上、之下和內(nèi)部反射特征明顯，易于識(shí)別和追蹤。界面之上常見披覆和上超反射，界面之下局部有頂超或削截的接觸關(guān)系。而包絡(luò)面內(nèi)部為低頻、較弱振幅、前積或局部雜亂反射，并具有向翼部收斂。通過上述特征對(duì)微生物丘的頂界振幅包絡(luò)面（Ty1、Ty2、Ty3、Ty4）進(jìn)行精細(xì)追蹤解釋，不難發(fā)現(xiàn)，中、上寒武統(tǒng)發(fā)育了4個(gè)期次的大型微生物丘復(fù)合體（圖4a，b）。通過不同期次微生物丘預(yù)測(cè)范圍立體展示，清楚的看到微生物丘依次向廣海方向進(jìn)積。疊合范圍大于1 400 km2，平面上近南北向、條帶狀展布（圖4c）。

圖4 過CT1—CT2 井臺(tái)緣帶地震反射結(jié)構(gòu)解釋剖面（a）；寒武系底拉平地震解釋剖面（b）及（c）四期次微生物丘體疊加立體顯示Fig.4 (a) Seismic reflection characteristics of platform margin belt past CT1-CT2 well; (b) flat base of Cambrian seismic interpretation section; and (c) 3D view of microbial mound

3 微生物丘發(fā)育期次及疊置樣式

微生物丘多由藻類或菌類微生物格架形成，其內(nèi)部地震反射振幅能量弱，多為斷續(xù)、空白或雜亂結(jié)構(gòu)[18]。然而在微生物原地生長(zhǎng)過程中，由于古地貌和相對(duì)海平面變化會(huì)出現(xiàn)丘、灘互層，垂向上會(huì)出現(xiàn)多種疊置樣式，如加積、進(jìn)積或退積等[19]。根據(jù)上述特點(diǎn)，分析研究區(qū)中、上寒武統(tǒng)微生物丘的發(fā)育期次及疊置樣式（圖5、表1）。

表1 微生物丘特征參數(shù)Table 1 Properties of microbial mound

圖5 臺(tái)緣帶微生物丘內(nèi)幕反射結(jié)構(gòu)特征Fig.5 Internal seismic reflection records for microbial mound at the platform margin

3.1 ①期微生物丘

頂界面為低頻、強(qiáng)振幅和高連續(xù)反射，區(qū)域分布穩(wěn)定，所構(gòu)成的包絡(luò)面形態(tài)完整、輪廓清楚，容易對(duì)比追蹤。外部結(jié)構(gòu)為對(duì)稱的丘形反射，兩端向翼部收斂。內(nèi)部為較弱振幅、低頻、中等連續(xù)反射，趨于成層性，垂向上表現(xiàn)為“三明治”式加積型疊置。這種結(jié)構(gòu)樣式揭示了該時(shí)期古地貌坡度寬緩，海平面上升速率與微生物丘生長(zhǎng)速率大體一致的沉積環(huán)境。①期微生物丘形態(tài)清晰，生長(zhǎng)高度約400 m，寬約9.5 km，近南北向、條帶狀展布，礁前塌積巖長(zhǎng)度約3.1 km。因構(gòu)造位置較低，且可能存在蓋層遮擋風(fēng)險(xiǎn)，目前尚未鉆井鉆遇[20]。

3.2 ②期微生物丘

在緊鄰①期的丘前翼及斜坡上開始生長(zhǎng)，其發(fā)育明顯受到①期微生物丘沉積后地貌的影響。早期在坡度背景下，橫向上微生物丘相帶分布狹窄，水動(dòng)力作用強(qiáng)勁，以垂向加積生長(zhǎng)為主，地震反射連續(xù)性差、較雜亂。隨著微生物丘的快速生長(zhǎng)繁育，晚期地震反射結(jié)構(gòu)變?yōu)槿踹B續(xù)、平緩的前積反射。形成了不對(duì)稱丘狀反射，垂向上加積—弱前積樣式。該時(shí)期受①期微生物丘體微古地貌的影響，陡坡背景下微生物的生長(zhǎng)速率略大于或等于海平面上升速率。沉積厚度大，生長(zhǎng)高度超過380 m，寬度約10.4 km。

3.3 ③期微生物丘

與前兩期顯著不同，微生物丘體楔狀前積于丘前斜坡之上，揭示了陡坡背景下，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，微生物丘逐漸向海推進(jìn)的過程。地震內(nèi)幕反射結(jié)構(gòu)呈中弱振幅、中等連續(xù)、層狀反射特征，其中頂部同相軸見削截現(xiàn)象，穩(wěn)定的丘核不發(fā)育。CT1鉆井也揭示微生物丘頂部存在風(fēng)化層，反映了海平面下降導(dǎo)致的暴露、剝蝕作用（圖3）。此時(shí)微生物丘分布規(guī)模變小，生長(zhǎng)高度約360 m，主體寬度7.1 km。

圖3 微生物丘單井沉積相分析及儲(chǔ)集性Fig.3 Single well sedimentary facies analysis and reservoir properties of microbial mound

3.4 ④期微生物丘

在③期微生物丘基礎(chǔ)上，繼承性發(fā)育。頂界面為低頻、強(qiáng)振幅反射，易于追蹤、刻畫。形態(tài)不完整，規(guī)模也變小。生長(zhǎng)高度約320 m，長(zhǎng)度約4.4 km。

4 微生物丘生長(zhǎng)及演化特征

微生物丘生長(zhǎng)發(fā)育常常受到古地貌、構(gòu)造沉降速率、海平面變化和洋流作用等因素的共同制約[20-21]。在寒武紀(jì)漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過程中，塔東南地區(qū)處于開闊臺(tái)地沉積環(huán)境，基底穩(wěn)定沉降，斷層較少發(fā)育，在海退背景下發(fā)育臺(tái)緣緩坡型微生物丘沉積，研究區(qū)西部地區(qū)發(fā)育開闊臺(tái)地、半局限臺(tái)地和臺(tái)地邊緣相沉積，發(fā)育臺(tái)內(nèi)生屑灘和臺(tái)地邊緣微生物丘等高能相帶，東部發(fā)育斜坡—盆地相沉積[21-23]。

古地貌結(jié)構(gòu)及變化特征往往是水動(dòng)力條件、沉降速率和可容納空間變化的綜合反映，微生物丘生長(zhǎng)及演化對(duì)古地貌響應(yīng)十分敏感。因此通過恢復(fù)研究區(qū)寒武紀(jì)不同階段的古地貌形態(tài)，分析微生物丘生長(zhǎng)及演化特征。

4.1 古地貌恢復(fù)方法

研究區(qū)目前鉆遇寒武系的鉆井稀少（僅數(shù)口），然而研究區(qū)擁有大量的區(qū)域二維測(cè)線和滿覆蓋微生物丘發(fā)育區(qū)的三維地震數(shù)據(jù)，通過層位追蹤對(duì)比和解釋，比較容易獲得目的層位的橫向展布特征，為古地貌恢復(fù)提供大量的信息。

采用殘余地層厚度法進(jìn)行寒武紀(jì)沉積古地貌恢復(fù)。首先，選取緊鄰微生物丘之下的標(biāo)志層為基準(zhǔn)面，進(jìn)行層拉平處理。下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組泥巖在全盆地穩(wěn)定分布，同時(shí)也是盆地最大規(guī)模的區(qū)域性海侵標(biāo)志層，地震剖面顯示為低頻、強(qiáng)振幅和高連續(xù)反射，在整個(gè)區(qū)域可以大范圍區(qū)域?qū)Ρ茸粉櫍梢詫⑾潞浣y(tǒng)定義為研究區(qū)等時(shí)基準(zhǔn)面（圖4b）。其次，考慮了碳酸鹽巖沉積環(huán)境的作用，寒武紀(jì)盆地為穩(wěn)定的海相碳酸鹽沉積，抗壓實(shí)性強(qiáng)，構(gòu)造活動(dòng)微弱，研究區(qū)為開闊臺(tái)地環(huán)境，地層幾乎缺乏抬升和剝蝕作用，因此可以忽略差異剝蝕的影響。最后，基于地震資料精細(xì)構(gòu)造解釋成果，側(cè)重于地層接觸關(guān)系、內(nèi)幕反射結(jié)構(gòu)、真實(shí)地層厚度變化分析，進(jìn)行古地貌地形單元?jiǎng)澐趾腿S可視化表征。其中，下寒武統(tǒng)頂界面到選定基準(zhǔn)面（即玉爾吐斯組）的殘余地層厚度即為①期微生物丘沉積之前的古地貌。同樣的，①期微生物丘頂界面到選定基準(zhǔn)面（即玉爾吐斯組）的殘余地層厚度為②期微生物丘沉積之前的古地貌形態(tài)。以此類推，分別求取微生物丘沉積前古地貌形態(tài)（圖6）。

圖6 寒武系臺(tái)地邊緣微生物丘的生長(zhǎng)演化特征Fig.6 Microbial mound growth and evolution at the Cambrian platform margin

4.2 微生物丘生長(zhǎng)演化特征

寒武紀(jì)—早奧陶紀(jì)，研究區(qū)碳酸鹽巖臺(tái)地由低角度斜坡—鑲邊型臺(tái)地—淹沒型臺(tái)地的變化特征，生長(zhǎng)發(fā)育了4期的微生物丘復(fù)合體沉積，依次向廣海方向進(jìn)積、疊置，其沉積演化特征如下（圖6）。

早寒武世：塔里木盆地處于陸表海沉積環(huán)境，該時(shí)期盆地遭受大規(guī)模海侵作用，在全盆范圍內(nèi)了形成玉爾吐斯組厚層泥巖沉積[22-23]。而研究區(qū)構(gòu)造上處于碳酸鹽巖臺(tái)地斜坡位置，整體上向廣海方向低角度傾斜，無明顯的臺(tái)緣坡折，處于低能、還原的沉積環(huán)境。

中寒武世早期：海侵過后相對(duì)海平面開始緩慢下降，研究區(qū)古地形存在微傾斜落差，為臺(tái)地邊緣的形成提供基礎(chǔ)條件，此時(shí)開始由緩坡臺(tái)地逐漸演化為鑲邊臺(tái)地。該階段沉積水體能量仍較弱，可容納空間充足，海平面上升速度與藻類或菌類微生物生長(zhǎng)速度大體一致，以垂向追趕型、加積生長(zhǎng)為主。當(dāng)微生物丘在接近海平面或者暴露出水面，終止發(fā)育，形成了①期微生物丘。

中寒武世晚期：在①期微生物丘前塌積巖位置，發(fā)育了②期微生物丘。由于塌積巖處古地貌坡度變陡，可容納空間變大，水動(dòng)力條件變強(qiáng)，利于微生物的快速繁盛和發(fā)育?？筷懸粋?cè)在①期微生物丘的陡坡背景下，微生物丘后翼部欠發(fā)育。而靠海一側(cè)呈現(xiàn)為加積—弱進(jìn)積式生長(zhǎng)。

晚寒武世早期：隨著碳酸鹽巖建隆的進(jìn)一步發(fā)展，③期微生物丘楔狀前積于臺(tái)緣斜坡之上。此時(shí)，沉積古地貌陡峭，沉積水動(dòng)力較強(qiáng)，微生物快速生長(zhǎng)，呈現(xiàn)向海不斷進(jìn)積特征。當(dāng)微生物丘暴露出水面時(shí)，微生物丘發(fā)育終止。

晚寒武世晚期：④期微生物丘繼承性發(fā)育，表現(xiàn)向海不斷進(jìn)積特征，規(guī)模變小。

晚寒武世末期：海侵作用再次加強(qiáng)，水體加深，微生物丘停止發(fā)育。臺(tái)地類型逐漸演變?yōu)檫h(yuǎn)端變陡的緩坡臺(tái)地，研究區(qū)為大面積開闊臺(tái)地相灰?guī)r沉積。

5 結(jié)論

（1）塔東南地區(qū)中、上寒武統(tǒng)處于海退背景下、相對(duì)高能的臺(tái)地邊緣沉積環(huán)境，發(fā)育微生物丘沉積復(fù)合體，呈現(xiàn)近南北向條帶狀展布特征，依次向廣海方向進(jìn)積疊置。有利的儲(chǔ)層巖性為菌藻類微生物顆粒云巖（局部硅化），儲(chǔ)集空間多為晶間（溶）孔或溶蝕孔洞。

（2）①期微生物丘形成于早寒武世緩坡臺(tái)地地貌上，形成較對(duì)稱的丘狀外形，隨后的②期微生物丘發(fā)育在前期丘前塌積巖之上，古地貌變陡峭，為不對(duì)稱的丘狀結(jié)構(gòu)，垂向上為加積—弱前積生長(zhǎng)。③期楔狀前積于②期靠海一側(cè)，側(cè)向疊置分布。④期體生長(zhǎng)具有繼承性，但規(guī)模變小。寒武紀(jì)末期海侵作用再次加強(qiáng)，微生物丘停止發(fā)育。

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