塔里木盆地北部下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組前積體特征及其形成機(jī)理探討

祝 賀,孟萬斌,馮明石,王勝利,熊曉軍,申鑫杰,肖偉桐

(1.中國石化西北油田分公司 勘探開發(fā)研究院,烏魯木齊 930011;2.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059;3.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院,成都 610059;4.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院,成都 610059)

塔里木盆地自中深1井于2013年在中-下寒武統(tǒng)白云巖中首次獲得油氣突破以來,中深5井、京能柯探1井也在寒武系鹽下獲得油氣突破,特別是輪探1井于2020年在井深達(dá)8 260 m的寒武系鹽下吾松格爾組獲得高產(chǎn)油流,證實(shí)了塔里木盆地深層碳酸鹽巖具有良好的油氣潛力,勘探前景廣闊,寒武系鹽下層系已成為油氣勘探的重要接替區(qū)［1-3］。前人對塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組的沉積相及白云巖儲層開展了大量研究,其中對于肖爾布拉克組沉積相模式的認(rèn)識存在碳酸鹽臺地和碳酸鹽緩坡兩種不同的觀點(diǎn),早期研究多認(rèn)為肖爾布拉克組為碳酸鹽臺地模式［4-9］。近年來,隨著深層勘探的推進(jìn)、資料的積累和研究的不斷深入,認(rèn)為肖爾布拉克組發(fā)育碳酸鹽緩坡模式的觀點(diǎn)被越來越多的學(xué)者所接受［3,10-15］。

前人很早就在碳酸鹽巖沉積體系中發(fā)現(xiàn)有不同尺度的前積現(xiàn)象存在［16-22］,但由于碳酸鹽主要在盆地內(nèi)部由化學(xué)或/和生物化學(xué)作用原地生成,這種前積現(xiàn)象相較陸源碎屑巖沉積體系較為少見,因而長期以來并沒有受到人們的足夠重視,對其形成過程、成因機(jī)制、控制因素等也缺少深入的分析和討論。宋金民等［23］在塔西北阿克蘇下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組野外露頭剖面上觀察到了3個(gè)微生物礁前積體,并對其巖石組成、結(jié)構(gòu)和儲層特征進(jìn)行了分析;白瑩等［24］在塔西北野外剖面上也觀測到在海退背景下肖爾布拉克組微生物礁群由緩坡至盆地依次前積,方向?yàn)槟夏衔髦帘北睎|。而在地震剖面上,塔里木盆地北部地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組碳酸鹽巖表現(xiàn)出明顯的前積特征［7,25-27］。本文通過地震剖面追蹤解釋,詳細(xì)刻畫了塔里木盆地北部地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組碳酸鹽巖前積體的推進(jìn)方向、發(fā)育規(guī)模及其空間分布,并探討了其形成機(jī)制和控制因素,一方面對塔里木盆地深層碳酸鹽巖油氣勘探提供指導(dǎo),同時(shí)期望對碳酸鹽巖前積體的研究起到拋磚引玉的作用,引起同行對此類沉積現(xiàn)象的研究興趣,進(jìn)一步豐富碳酸鹽巖沉積理論。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

塔里木盆地是由古生代克拉通盆地和新生代前陸盆地組合而成的大型復(fù)合型疊合盆地,面積56×104km2［28-29］,發(fā)生于元古代晚期的塔里木運(yùn)動使塔里木板塊形成了統(tǒng)一的基底［30］。漆立新等［31］將塔里木盆地劃分為13個(gè)一級構(gòu)造單元和31個(gè)二級構(gòu)造單元。本文研究區(qū)位于巴楚-卡塔克隆起以北,涵蓋阿瓦提拗陷、順托果勒低隆和沙雅隆起(圖1-A)。塔里木板塊在寒武紀(jì)時(shí)作為獨(dú)立的板塊由北向南漂移至赤道附近,位于赤道與北緯30°之間,長軸呈南北向［28,32］,盆地現(xiàn)今方向相對于早古生代順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了約90°［11］。新元古代以來,塔里木板塊受Rodinia超大陸裂解影響發(fā)生裂陷［33-34］,西朝古亞洲洋,東臨原特提斯洋,進(jìn)入被動大陸邊緣發(fā)展時(shí)期［11］,從寒武紀(jì)開始到中奧陶世末,塔里木盆地中西部發(fā)育大型碳酸鹽巖臺地,東部滿加爾-庫魯克塔格地區(qū)為盆地相沉積［4,35-36］(圖1-B)。

受震旦紀(jì)末期隆坳格局和構(gòu)造運(yùn)動控制,早寒武世初期大規(guī)模快速海侵后,塔里木板塊形成廣泛的、統(tǒng)一的陸表淺海-深海沉積環(huán)境,并出現(xiàn)南北分帶,東西分區(qū)的古地理特征,形成“東盆西臺”的沉積格局。肖爾布拉克組沉積期,研究區(qū)所在的塔里木盆地北部地區(qū)總體處于碳酸鹽緩坡型臺地沉積環(huán)境。

2 肖爾布拉克組前積體特征

圖2 測線L5地震剖面肖爾布拉克組前積體特征Fig.2 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L5 seismic profile

2.1 北東向地震剖面上前積體特征

圖3 測線L9地震剖面肖爾布拉克組前積體特征Fig.3 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L9 seismic profile

從前積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看,一般在前、后段厚度薄的部位,地震反射以振幅、頻率和連續(xù)性均較強(qiáng)的平行反射為主,而厚度較大的中間主體部位則多呈中、弱振幅中差連續(xù)中-低頻楔狀或雜亂反射為主,該現(xiàn)象在L5、L2和L12測線的地震剖面上表現(xiàn)的最為明顯(圖2、圖4、圖6),反映出每個(gè)前積體不同部位沉積物類型存在差異。

另外,從不同測線解釋追蹤結(jié)果來看,在不同位置的地震剖面上前積體發(fā)育數(shù)量存在差異,在橫穿研究區(qū)中部的測線上,如L5測線,可最多識別出5個(gè)前積體(圖2),由南往北依次編號為①～⑤號,而在其東西兩側(cè),識別的前積體數(shù)量則逐漸減少,如在西側(cè)的L9測線上發(fā)育①～④號4個(gè)前積體(圖3),在東側(cè)的L2測線上只發(fā)育①～③號3個(gè)前積體(圖4)。

2.2 南東向地震剖面上前積體特征

在南東向的L10測線地震剖面上,可以識別出3個(gè)前積體,經(jīng)過與該測線相交的其他測線上前積體的解釋追蹤結(jié)果反復(fù)比對,確定該3個(gè)前積體為①～③號前積體。該剖面清楚地反映出,在與其推進(jìn)方向垂直的橫切面上,前積體呈透鏡狀形態(tài),前積體的大小、厚度以及橫向位置也在不斷發(fā)生變化,前積體內(nèi)部的反射特征也存在較大差異,①號前積體厚度較大的主體部位為振幅、頻率和連續(xù)性均差的雜亂甚至空白反射,②號前積體主體部位南東翼為雜亂反射,北西翼則為振幅和連續(xù)性較好的平行至亞平等反射(圖5)。

圖5 測線L10地震剖面肖爾布拉克組前積體特征Fig.5 Characteristics of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in L10 seismic profile

3 肖爾布拉克組前積體形成機(jī)理討論

前人研究指出,碳酸鹽臺地(包括緩坡)的結(jié)構(gòu)由碳酸鹽工廠的生產(chǎn)效率和可容納空間的生成速率所決定,而它們又是不同因素的相互作用的結(jié)果［40-41］,這些因素包括構(gòu)造活動、相對海平面變化、營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)、海水溫度、古地理和古氣候［42］。塔里木盆地在寒武紀(jì)-早奧陶世為穩(wěn)定的克拉通環(huán)境［8］,研究區(qū)在早古生代碳酸鹽體系沉積階段沒有受到同沉積斷裂的顯著影響,碳酸鹽沉積體系的形成與演化主要受大尺度基準(zhǔn)面變化、碳酸鹽產(chǎn)物類型和生產(chǎn)率以及地形繼承性的控制［11］?；鶞?zhǔn)面的變化強(qiáng)烈控制著可容納空間的變化并影響碳酸鹽的生產(chǎn)效率,進(jìn)而決定了碳酸鹽沉積體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［43］,而基準(zhǔn)面的變化本身又是海(或湖)平面、構(gòu)造沉降、沉積地形、沉積物補(bǔ)給和負(fù)荷補(bǔ)償、氣候與成巖作用等各要素綜合控制作用的結(jié)果［44］。

沉積地形與可容納空間的變化具有密切的關(guān)系。Burchette等［45］通過對全球各地質(zhì)時(shí)代發(fā)育的33個(gè)碳酸鹽緩坡統(tǒng)計(jì)分析得出,碳酸鹽緩坡主要發(fā)育在伸展盆地、被動邊緣、前陸盆地和克拉通內(nèi)盆地等緩慢撓曲沉降且坡度平緩的構(gòu)造背景中。早寒武世時(shí),受南北拉伸影響,塔里木陸塊南北緣均為被動大陸邊緣,陸源供給很少,在之前震旦紀(jì)的填平補(bǔ)齊沉積基礎(chǔ)上形成的緩斜坡,具有裂后被動邊緣以及伸展斷層塊的下傾斜坡相同的構(gòu)造背景,有利于碳酸鹽緩坡的發(fā)育。近年的研究成果也表明,塔里木盆地早寒武世具有寬闊的陸表淺海環(huán)境,肖爾布拉克組發(fā)育碳酸鹽緩坡沉積背景［3,10］。碳酸鹽緩坡的坡度一般不足1°,且與深水的盆地之間無或僅有很不明顯的坡折。這種寬緩的地形對海平面的變化非常敏感,即使很小的海平面波動也可能導(dǎo)致可容納空間的極速變化,從而影響沉積物的結(jié)構(gòu)型式。當(dāng)沉積水體保持穩(wěn)定或變淺時(shí),可容納空間增長速率小于碳酸鹽的生產(chǎn)速率,沉積可容納空間快速變小至無,有效可容納空間變?yōu)榱闵踔翞樨?fù),迫使沉積物不斷向較深水區(qū)遷移,隨著水體持續(xù)變淺,便形成多個(gè)不斷推進(jìn)的前積體。

前人研究表明,塔里木盆地在早寒武世玉爾吐斯組沉積期的大規(guī)模海侵之后,全盆地處于緩慢的海退期,肖爾布拉克組沉積期海平面開始下降,沉積水體振蕩式由深變淺［24,46］,這種變化導(dǎo)致可容納空間減小并不斷向海方向遷移,從而使沉積物向海進(jìn)積形成多個(gè)前積體。潮緣碳酸鹽通常在垂向上由韻律性重復(fù)疊置的向上變淺序列組成,橫向上則形成不斷向海推進(jìn)的進(jìn)積楔［18,47］。在野外露頭上,肖爾布拉克組縱向上由4～5個(gè)向上變淺的潮緣碳酸鹽沉積旋回組成,橫向上可劃分為內(nèi)緩坡、中緩坡和外緩坡3種沉積亞相,其中內(nèi)緩坡主要發(fā)育厚度較薄的疊層石丘灘和泥云坪,中緩坡主要發(fā)育相對較厚的中-高能的丘灘體,外緩坡則以厚度很薄的微生物席為主［3,25,38］。這與本文劃分的塔里木盆地北部地區(qū)5個(gè)前積體具有良好的對應(yīng)關(guān)系,每個(gè)向上變淺的旋回對應(yīng)一個(gè)前積體,內(nèi)緩坡相當(dāng)于前積體后部較薄的部分,地震上以振幅和連續(xù)性好的平行反射為主,中緩坡則對應(yīng)于前積體厚度較大的主體部分,地震剖面上多表現(xiàn)為雜亂的弱反射,代表了灘相沉積。

綜上所述,塔里木盆地北部肖爾布拉克組碳酸鹽前積體的形成受古地形和基準(zhǔn)面變化的控制,是當(dāng)時(shí)緩傾的斜坡古環(huán)境和海平面下降所造成的可容納空間不斷向海遷移的結(jié)果(圖7)。

圖7 塔里木盆地北部肖爾布拉克組前積體發(fā)育模式Fig.7 The development model of progradation body of the Xiaoerbulak Formation in northern Tarim Basin

4 對油氣勘探的啟示

在碳酸鹽緩坡沉積環(huán)境中,中緩坡位于正常浪基面與風(fēng)暴浪基面之間,海底受風(fēng)暴浪影響大,是高能丘灘體的主要發(fā)育部位,也是規(guī)模性優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的地區(qū)。內(nèi)緩坡位于最大海平面和正常浪基面之間,水體能量弱,以潮坪環(huán)境為主,發(fā)育的藻格架白云巖、泡沫棉白云巖常含豐富的石膏結(jié)核和鳥眼構(gòu)造。同時(shí),由于內(nèi)緩坡海水很淺且沉積物常暴露水面,從而在大氣水淋濾作用下形成呈層狀富集的膏?？缀网B眼孔,也可以成為較好的儲層,這已被野外露頭和鉆井肖爾布拉克組儲層研究所證實(shí)［10,24,38,48］。對研究區(qū)來說,各前積體厚度較大的主體部位是中-高能丘灘型優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的有利區(qū),而其后部則是生物格架溶蝕孔洞型儲層發(fā)育的可能區(qū)域。

5 結(jié) 論

a.塔里木盆地北部地區(qū)下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組沉積期為碳酸鹽緩坡沉積環(huán)境,肖爾布拉克組在地震剖面上具有明顯的前積反射,可劃分為5期由南西向北東依次推進(jìn)并相互疊置的前積體。前積體在剖面上一般呈S形透鏡狀,在平面上,5個(gè)前積體寬度逐漸減小,其東側(cè)在后期臺緣帶發(fā)育部位逐漸收斂終止。

b.前積體的形成受基準(zhǔn)面變化的控制,是早寒武世塔里木分部寬闊的緩坡地形和海平面震蕩式持續(xù)下降共同作用引起可容納空間不斷向海遷移的結(jié)果。

c.前積體厚度大的主體部位是高能丘灘型優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的有利區(qū),其后部厚度相對較薄的部位則是可能發(fā)育疊層石溶蝕孔洞型儲層的區(qū)域。