塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序及沉積演化特征

謝世文，傅恒，張東輝，白曉亮，竹合林

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，廣東 廣州510240；2.成都理工大學油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都610059；3.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京100029）

塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖探明石油儲量超過10 億t［1］，盆地勘探靶區(qū)已拓展到巴麥地區(qū)，并在玉北1 井奧陶系獲重大突破，油氣顯示厚度26 m，充分證實了下古生界碳酸鹽巖的勘探潛力。近20年來，前人已做了大量塔里木盆地下古生界層序、沉積的研究，但層序劃分觀點、劃分依據(jù)及標準各不相同［2-5］，有必要利用新鉆井、地震資料，進一步研究層序地層格架、沉積特征。本文結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，綜合地震、巖心資料，以野外露頭研究為依托，參考測井資料，系統(tǒng)解析了研究區(qū)下古生界碳酸鹽巖層序地層格架及沉積演化特征。

1 地質(zhì)背景

塔里木盆地位于天山、昆侖山造山帶之間，是不同時期、不同構(gòu)造環(huán)境下形成的大型疊加復合盆地［6-8］。晚震旦開始，塔里木板塊從邊緣開始裂解，周緣形成昆侖洋和南部天山洋、北部古大洋。之后，北部古大洋向南部俯沖，昆侖洋向南部的中昆侖地塊俯沖，盆地漸顯西臺（碳酸鹽臺地）東盆（陸棚-盆地）的沉積格局。早寒武世為最大海泛，至中奧陶世完成碳酸鹽巖臺地建設(shè)，晚奧陶世晚期克拉通轉(zhuǎn)為前陸碎屑巖沉積，滿加爾凹陷反轉(zhuǎn)為濁流盆地［9］。根據(jù)沉積序列、盆山轉(zhuǎn)換的界面特征與沉積相的配置關(guān)系，較為成熟的觀點是：固結(jié)后的塔里木陸塊，在南華紀裂解，歸屬特提斯構(gòu)造域和古亞洲構(gòu)造域體系，在顯生宙演化過程至古近紀，可劃分出加里東、海西、印支、燕山和喜山5 個構(gòu)造旋回，構(gòu)造運動過程形成了12 個地質(zhì)事件界面［5，10］。在這種區(qū)域構(gòu)造背景下，不同時期的盆地演化階段都有對應的盆地沉積層序充填，從而形成不同特征的層序地層沉積。

2 層序地層特征

2.1 層序劃分

前人對塔里木盆地下古生界層序地層學方面的研究已有眾多成果［3-4，11］，其觀點差異主要體現(xiàn)在層序級別及劃分數(shù)量上。綜合前人觀點，筆者認為一級層序（巨層序）的形成受控于全球性板塊運動最高級別的周期性，時限120.0～60.0 Ma［12］，層序界面為造山角度不整合，震旦系—奧陶系包含在震旦系—二疊系的一級巨層序內(nèi)；二級層序（超層序SSQ）時限60.0～5.0 Ma［12］，由明顯海平面下降形成，并伴隨地區(qū)性的構(gòu)造隆升，通常構(gòu)造作用大于基準面下降的影響，層序界面為隆升不整合，是沉積背景、巖相組合轉(zhuǎn)變的標志。

利用野外勘察、鉆井識別、地震追蹤等手段，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造運動，并用元素地球化學特征繪制的海平面升降曲線驗證［13］，可識別盆地下古生界碳酸鹽巖5 個二級層序，即SSQ1（寒武系下統(tǒng)，542.0～521.0 Ma），SSQ2（寒武系中統(tǒng)，521.0～499.0 Ma）、SSQ3（寒武系上統(tǒng)，499.0～488.3 Ma）、SSQ4（奧陶系中、下統(tǒng)，488.3～460.9 Ma）、SSQ5（奧陶系上統(tǒng)，460.9～443.7 Ma）。

2.2 層序界面特征

盆地范圍內(nèi)，下古生界碳酸鹽巖層序界面在鉆（測）井、地震響應上具有以下特征：

1）SSB1 為隆升不整合，在塔北-塔中、庫魯克塔格等地存在地層缺失，是加里東早期Ⅰ幕（柯坪運動）的構(gòu)造響應，露頭上震旦系奇格布拉克組頂部為古暴露溶蝕帶，巖石角礫化并發(fā)育不規(guī)則洞穴、裂隙和泥質(zhì)充填，是區(qū)域性的沉積間斷和暴露溶蝕界面。GR 在界面之上較界面之下呈低值，且界面之下呈微齒狀，界面之上呈尖齒狀；電阻率在界面上下均為微齒狀，界面之上較界面之下呈高值。對應的地震界面為T90，在塔北為一套強反射波組的頂面，在巴麥-塔中為一套強波組與下伏弱波組的分界。

2）SSB2 疑為隆升不整合，巴麥-塔中為典型的暴露不整合面，界面之下發(fā)育褐紅色膏鹽巖，見膏溶角礫，為海平面下降暴露的標志。GR 在界面之上20 m 呈低值微齒狀，界面之下為起伏相對劇烈的高值鋸齒狀。對應的地震界面為T82，為高連續(xù)強反射軸，界面有下超現(xiàn)象。

3）SSB3 疑為隆升不整合，在巴麥-塔中為暴露不整合、巖性突變面（白云巖/膏鹽巖）。GR 在界面之上呈低值微齒狀，界面之下為起伏相對劇烈的高值齒狀。對應的地震界面為T81，塔中地區(qū)中寒武統(tǒng)頂部地層有頂超現(xiàn)象，說明有局部暴露，遭受剝蝕。

4）SSB4 為隆升不整合，在巴麥-塔中、庫魯克塔格等地存在地層缺失，是加里東運動早期Ⅱ幕的構(gòu)造響應。該界面巖性巖相變化小，鉆井識別較為困難，臺相區(qū)為大套白云巖結(jié)束而灰?guī)r開始的位置，GR 變化不明顯，電阻率多由低值變?yōu)楦咧怠牡卣鸾缑鏋門80，盆地相區(qū)界面上部還可以見到前積現(xiàn)象。

5）SSB5 為隆升不整合，臺相區(qū)表現(xiàn)明顯，界面下伏一間房組灰?guī)r（塔北）或鷹山組灰?guī)r（巴麥-塔中大部缺失一間房組），其上為奧陶系上統(tǒng)恰爾巴克組泥灰?guī)r或瘤狀灰?guī)r（塔北、巴麥-塔中）。該界面在塔北、巴麥-塔中存在程度不同的地層缺失，塔北缺失2～3 個牙形刺帶［14］，巴麥-塔中多缺失8～12 個牙形刺帶［15］，時間間斷最多在10 Ma 以上，是加里東運動中期Ⅰ幕（全球事件）的構(gòu)造響應。該界面在臺相區(qū)為暴露不整合，界面之下發(fā)育加里東中期巖溶。巖相變化大，測井極易識別，GR 在界面之下多為穩(wěn)定的低值，在界面之上為尖峰狀高值，對應的地震界面為T74，為連續(xù)的強反射，局部地區(qū)（如塔中）可見削截下伏地層。

6）SSB6 為隆升不整合，該界面在塔北—巴麥—塔中均不同程度缺失，在柯坪見褐鐵礦化風化殼，缺失多個筆石帶，是加里東運動中期Ⅱ幕的構(gòu)造響應。對應的地震界面為T70，大部地區(qū)表現(xiàn)為中—強高連續(xù)波組。

2.3 層序特征

通過典型井層序地層分析，利用地震剖面層序界面標定與追蹤，塔里木全盆下古生界碳酸鹽巖層序在不同區(qū)域具有不同特征（見圖1）。

圖1 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序地層分區(qū)特征

1）SSQ1 層序在巴麥-塔中底部玉爾吐斯組多為代表寒武紀最大海侵沉積的黑色泥巖，方1 井、和4 井等高部位為陸源碎屑巖或硅藻巖等淺水沉積，存在2 個小殼動物化石帶［11］。玉爾吐斯組之上為向上變淺的碳酸鹽臺地生長序列，巖性由肖爾布拉克組局限臺地沉積的白云巖變?yōu)槲崴筛駹柦M蒸發(fā)臺地沉積的褐色膏鹽巖，頂部存在短暫的暴露剝蝕。塔北為局限臺地-臺地邊緣的晶粒白云巖夾砂屑白云巖、鮞粒白云巖，膏鹽巖不發(fā)育，頂部的暴露剝蝕不明顯。塔東及庫魯克塔格盆地相區(qū)處于較深水部位，海平面下降影響不到此區(qū)域，主要為欠補償?shù)幕液谏鄮r、泥質(zhì)灰?guī)r沉積。

2）SSQ2 層序在巴麥-塔中表現(xiàn)為向上變淺的碳酸鹽巖臺地生長序列，巖性由沙依里克組灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)榘⑼咚窠M褐色灰色膏巖、鹽巖夾云巖，表明早期開放的開闊臺地演變?yōu)榘敕忾]的局限臺地—蒸發(fā)臺地，反映海平面下降，存在短暫的暴露剝蝕。塔北阿瓦塔格組不發(fā)育膏鹽巖，巖性為晶粒白云巖夾少量顆粒白云巖，為局限臺地相，頂部暴露剝蝕不明顯。盆地相區(qū)SSQ2 為莫合爾山組，巖性主要為灰黑（紫）色薄層狀灰?guī)r夾少量棕褐色鈣質(zhì)頁巖及中厚層灰?guī)r及砂、泥質(zhì)灰?guī)r。與SSQ1 相似，處于較深水位置，沉積相變化不大，為陸棚—盆地沉積。

3）SSQ3 層序在巴麥-塔中為向上變淺的局限臺地生長序列，巖性為大套白云巖的疊置，下奧陶統(tǒng)顆?；?guī)r與薄層白云巖超覆在上寒武統(tǒng)的暴露面上。塔北與巴麥-塔中的巖性差異消失，同為局限臺地，巖性主要為晶粒白云巖。盆地相區(qū)SSQ3 為突爾沙克塔格組下部，巖性主要為灰色厚層塊狀夾薄層狀灰?guī)r及鈣質(zhì)頁巖，仍處于較深水位置，為陸棚—盆地沉積。

4）SSQ4 層序在巴麥-塔中為淺灰色白云巖-少量灰?guī)r-白云巖-顆粒灰?guī)r-生物灰?guī)r巖性組合，頂部一間房組富產(chǎn)頭足類、三葉蟲化石。SSQ4 頂部為暴露剝蝕面，界面附近存在加里東中期巖溶，大部分地區(qū)缺失頂部一間房組和鷹山組上部灰?guī)r。塔北與巴麥不同的是鷹山組下部為較純的灰?guī)r，為微晶灰?guī)r與藻砂（礫）屑灰?guī)r組成的沉積序列，下部為潮下潮道沉積的砂（礫）屑灰?guī)r、藻砂屑灰?guī)r，上部為潮間微晶灰?guī)r、云化微晶灰?guī)r。一間房組為明顯的生物灰?guī)r，可見建礁演化過程，厚90～140 m。塔北一間房組仍產(chǎn)三葉蟲和介形蟲類，可與巴麥-塔中對比。盆地相區(qū)SSQ4 主要為灰色灰質(zhì)泥巖夾薄層灰色泥質(zhì)粉砂巖、黑色硅質(zhì)巖等，仍為欠補償沉積，上部存在濁積，沒有暴露現(xiàn)象。

5）SSQ5 層序在巴麥-塔中底部恰爾巴克組為海平面迅速上升的產(chǎn)物，主要為泥灰?guī)r，之后沉積良里塔格組顆?；?guī)r，桑塔木組泥質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)粉砂巖。良里塔格組頂部發(fā)育加里東中期溶蝕孔洞，頂界T72為典型的暴露不整合與海侵上超不整合的疊合界面（三級層序界面）。塔北SSQ5 底部發(fā)育深水的瘤狀灰?guī)r、含薄殼介形蟲的微晶灰?guī)r，厚度較穩(wěn)定，良里塔格組主要為藻粘結(jié)灰?guī)r，部分鉆井還含有反映較深水沉積環(huán)境的深灰色微晶灰?guī)r或紫紅色生屑灰?guī)r夾紫紅色泥巖條帶，生物組合為藻、海百合、海膽、腕足等淺海正常鹽度生物。桑塔木組為深灰灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，南部厚度最大達600 m以上。盆地SSQ5 為卻尓卻克組中、上段的一套巨厚的陸源碎屑濁積巖，巖性為綠色粗—細砂巖與粉砂巖、泥巖不等厚互層，厚600～700 m。

2.4 層序地層格架

在井震結(jié)合的基礎(chǔ)上，進行全盆地地震層序解釋，建立層序地層格架（見圖2），解釋發(fā)現(xiàn)：巴麥SSB1—SSQ4 由北向南層序厚度變薄，由西向東則表現(xiàn)為層序厚度增大。巴麥地區(qū)層序厚度變化一方面由各層序內(nèi)部層序上超變薄所致，另一方面則由中、下奧陶統(tǒng)頂部遭受不同程度的剝蝕引起，巴麥西部剝蝕程度明顯強于東部。SSQ4 在巴麥層序底部界面（T80）的削截、上超特征清楚。層序內(nèi)發(fā)育以上超為標志的海進早期沉積，且都由多個次一級層序組成，次級層序呈上超組合，向?qū)有虻捉缑嬷饘由铣鉁纾@種組合特征在和田河和巴麥區(qū)域大剖面上均較明顯。另外，SSQ4 內(nèi)部發(fā)育規(guī)模較大的礁（或丘）體，其反射特征比較典型。

塔中寒武系—下奧陶統(tǒng)厚度較穩(wěn)定，由南向北緩慢增厚。SSQ1 與SSQ2 地震剖面的突出特點是局部層序增厚，并發(fā)育頂超和前積，這種現(xiàn)象可能與膏泥巖受擠壓塑性流動有關(guān)。SSQ3 與SSQ4 地震反射弱，缺少可連續(xù)追蹤的反射波。其中，SSQ3 反射略強于SSQ4，二者之間有著較清晰的分界線，這是能夠在上寒武統(tǒng)與下奧陶統(tǒng)之間進行地震層序劃分、對比的基礎(chǔ)。這套地震反射特征代表了沉積環(huán)境穩(wěn)定、巖性均一的層序發(fā)育特點。

塔北SSB1—SSQ4 東厚西薄，呈不明顯的楔狀，塔北北部層序由于強烈的剝蝕而明顯薄于南部。在塔北東部的阿克庫勒地區(qū)及其以東，各層序內(nèi)部發(fā)育多期特征明顯的由西向東的大型S 型、S-斜交型和斜交型前積結(jié)構(gòu)，代表著不同時期形成的具有向東遷移特征的臺緣相沉積特征。在阿克庫勒以其以東的臺地邊緣區(qū)，代表礁灘沉積的丘形反射現(xiàn)象明顯，并具有逐期向東遷移的特征。

SSQ5 在滿加爾坳陷和塘古孜巴斯坳陷，發(fā)育了巨厚的濁積（可達3 000 m），而塔中、巴麥和塔北層序厚度迅速減薄，總體上呈東厚西薄的巨大楔狀體，以細砂巖、粉砂巖與泥巖、頁巖互層為主要沉積特征。滿加爾物源主要來自盆地東、南方向，形成了東南方向的大角度前積。

圖2 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序地層格架

3 層序-沉積演化

塔里木陸塊震旦紀從碎屑巖過渡為碳酸鹽巖沉積，呈現(xiàn)西臺東盆的沉積格局，之后相對海平面整體上升。西部臺地逐步縮小，晚奧陶世2 次海侵后轉(zhuǎn)化為碎屑巖沉積；東部（滿加爾）晚奧陶世由欠補償盆地轉(zhuǎn)為濁積盆地。整個碳酸鹽巖臺地呈現(xiàn)緩坡型碳酸鹽巖臺地—弱鑲邊型碳酸鹽巖臺地—鑲邊型碳酸鹽巖臺地—淹沒型碳酸鹽巖臺地的演化過程（見圖3）。晚震旦世，西部（沙4、塔東1 井）碳酸鹽巖臺地發(fā)育局限臺地白云巖，臺地頂部存在古巖溶暴露，為陸上暴露不整合（柯坪運動，T90）；東部（滿加爾、庫魯克塔格）欠補償盆地主要為泥質(zhì)沉積，厚度較小。臺盆之間為過渡的臺地邊緣-臺緣斜坡窄相帶。

SSQ1，早期（玉爾吐斯組沉積期）海侵淹沒了之前的碳酸鹽巖臺地，玉爾吐斯組多為深水黑色泥巖。在緩坡型臺地背景下，海侵沉積之上發(fā)育向上變淺的碳酸鹽巖臺地生長序列，由局限臺地白云巖過渡為蒸發(fā)臺地（塔北蒸發(fā)臺地不發(fā)育）膏鹽巖夾膏質(zhì)云巖、膏質(zhì)泥巖，頂部存在短暫暴露剝蝕，東部欠補償盆地主要為陸棚-盆地沉積的暗色泥巖及微晶灰?guī)r。

圖3 塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖臺地沉積演化

SSQ2，西部碳酸鹽巖臺地由早期海侵形成的開放的開闊臺地變淺，轉(zhuǎn)化為半封閉的局限臺地—蒸發(fā)臺地，巖性由灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)樵茙r、膏鹽巖。臺地頂部存在短暫的暴露剝蝕，可能還發(fā)生了一次小規(guī)模的構(gòu)造運動（地震T81）。東部欠補償盆地主要為陸棚—盆地暗色薄層狀灰?guī)r夾鈣質(zhì)頁巖沉積。

SSQ3，西部碳酸鹽巖臺地為向上變淺的局限臺地生長序列，發(fā)育大套白云巖，頂部受全球海平面下降影響存在暴露，可視為暴露巖溶面（加里東早期Ⅱ幕，T80）；東部欠補償盆地主要為陸棚—盆地相鈣質(zhì)頁巖。

SSQ4，西部碳酸鹽巖臺地由局限臺地逐漸過渡為開闊臺地，巖性由白云巖過渡為灰?guī)r，晚期開闊臺地及臺緣發(fā)育海綿礁，形成鑲邊型臺地。臺地頂部存在明顯的暴露剝蝕及喀斯特化（加里東中期Ⅰ幕，T74）。東部由欠補償盆地過渡為濁積盆地。

SSQ5，西部碳酸鹽巖臺地經(jīng)歷2 次與全球海平面上升淹沒后消亡，第1 次淹沒的是一間房組開闊臺地，沉積了恰爾巴克組泥灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r（厚5～70 m），塔北、塔中2 個臺地開始分異并縮小，且被阿瓦提-順托果勒臺間盆地分割，臺地頂部存在暴露剝蝕及加里東中期溶蝕（T72）。第2 次淹沒的是良里塔格組開闊臺地，沉積了泥灰?guī)r、泥巖。東部濁積盆地發(fā)育陸源碎屑濁積巖，厚600～700 m，頂部存在暴露剝蝕（T70）。

4 油氣勘探意義

構(gòu)造運動、海平面升降和古氣候是塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖層序發(fā)育的主要控制因素。構(gòu)造運動控制了古地貌和層序界面的形成，伴隨海平面下降可使碳酸鹽巖臺地暴露剝蝕（干旱氣候），甚至喀斯特化（潮濕氣候）。因此，海平面下降（多疊加構(gòu)造隆升）形成碳酸鹽層序界面上的巖溶，影響著碳酸鹽巖儲集體的發(fā)育。如SSQ4 頂部一間房組受加里東中期Ⅰ幕影響，在巴麥、塔中地區(qū)均發(fā)現(xiàn)層序界面附近有大量的巖溶型儲集體，層序界面之上的海侵（恰爾巴克組）又為之提供區(qū)域蓋層，滿加爾凹陷欠補償?shù)纳詈２叟璩练e了富生物營養(yǎng)鏈的烴源巖［5］。塔北地區(qū)SSQ3 層序頂部寒武系白云巖也發(fā)育一套由巖溶風化殼組成的儲集體［16］，儲集空間為溶洞＋溶孔+裂縫。層序格架下生儲蓋的良好匹配關(guān)系為油氣成藏研究及油氣勘探提供了思路。

5 結(jié)論

1）在區(qū)域構(gòu)造及沉積相研究基礎(chǔ)上，綜合年代地層、巖石地層、生物地層及地震地層，塔里木盆地下古生界碳酸鹽巖可識別、劃分為5 個二級層序。

2）塔里木陸塊在震旦紀—奧陶紀被天山洋和昆侖洋環(huán)繞，從晚震旦世晚期開始呈現(xiàn)西臺東盆的沉積格局。下古生界碳酸鹽巖沉積演化過程為，蒸發(fā)、局限臺地—臺緣—斜坡—陸棚—欠補償盆地模式（SSQ1—SSQ2），局限臺地—臺緣—斜坡—陸棚—欠補償盆地模式（SSQ3），開闊臺地—臺緣—斜坡—陸棚—欠補償盆地模式（SSQ4），開闊（淹沒）臺地—臺緣—斜坡—（混積）陸棚—濁積盆地模式（SSQ5）。

3）碳酸鹽巖臺地在層序界面上均遭受不同程度的剝蝕及喀斯特化，SSQ4 在巴麥地區(qū)尤為明顯，這對巖溶型儲集體的勘探具有指導意義。

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