湖相微生物碳酸鹽巖沉積相模式研究
——以桑托斯盆地A油田為例

張德民，段太忠，張忠民，郝 雁，姚 威

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;2.中國石化集團(tuán)國際石油勘探開發(fā)有限公司，北京 100029)

微生物碳酸鹽巖的相關(guān)研究歷史悠久,最早可追溯到1825年Steel對紐約薩拉托加斯普林斯(saratoga springs)附近上寒武統(tǒng)紋層狀鈣質(zhì)體(即疊層石)露頭的研究[1]。近年來,伴隨巴西東部海域桑托斯盆地、坎波斯盆地一系列大型、特大型微生物碳酸鹽巖油氣田的發(fā)現(xiàn),微生物碳酸鹽巖相關(guān)問題在全球范圍內(nèi)再次掀起研究熱潮。資料顯示, 2000—2008年,桑托斯盆地共發(fā)現(xiàn)14個油氣可采儲量超0.7×108t(約5×108桶)的油氣田,其中3個油氣田可采儲量超過1.4×108t(約10×108桶)[2-3],顯示了巨大的勘探潛力。針對桑托斯盆地的勘探前景[3-4],構(gòu)造演化[5-6],微生物碳酸鹽巖成因類型、結(jié)構(gòu)組分特征[7-9],成藏特征及富集規(guī)律[10-13]等領(lǐng)域,國內(nèi)外學(xué)者開展了大量工作,取得了多項成果。但是，限于資料等多方面因素的制約,在微生物碳酸鹽巖沉積相類型、沉積相模式等方面公開報道成果較少,嚴(yán)重影響了該地區(qū)的勘探開發(fā)進(jìn)程。

本研究以桑托斯盆地A油田為例,在前人工作的基礎(chǔ)上,基于6口取心井的資料(常規(guī)巖心、井壁取心)、917片薄片觀察鑒定、11口井測井及三維地震等資料,分析了研究區(qū)湖相微生物碳酸鹽巖的微相類型和微相組合,建立了相模式。

1 地質(zhì)背景

桑托斯盆地的形成演化與岡瓦那大陸裂解密切相關(guān)。早白堊紀(jì)(130 Ma),岡瓦那大陸從南向北開始裂解。經(jīng)過20～30 Ma,阿普特—阿爾比階時,逐漸延伸到岡瓦那大陸北部[14]。由于板塊中部溫度較高,塑性大,所以中部裂開較晚,在特里斯坦—達(dá)庫尼亞群島(Tristan da Cunha)—瓊海嶺(Walvis Ridge)熱點遮擋下[15],于巴西東岸—非洲西岸形成桑托斯、坎波斯、寬扎、下剛果等一系列盆地。

A油田位于桑托斯盆地中部(見圖1A,B),離岸290 km,水深2 060～2 600 m[16],屬遠(yuǎn)岸超深水油田。油田構(gòu)造演化與桑托斯盆地類似,經(jīng)歷了裂陷前期、裂陷早期、裂陷期、凹陷期、漂移期。其中，裂陷前期對應(yīng)于前寒武系結(jié)晶基底。裂陷早期系指距今130 Ma之前的地層,對應(yīng)于紐康姆期巖漿活動形成的火成巖。裂陷期包括早巴列姆—早阿普特階,距今130～127 Ma,對應(yīng)于研究區(qū)PIC段和ITP段,巖性分別為湖相烴源巖,介殼灰?guī)r(其他地區(qū)儲層)和泥巖。凹陷期位于中下阿普特階,對應(yīng)于研究區(qū)BVE300-100段,是A油田主要儲層發(fā)育段,巖性主要為微生物灰?guī)r。漂移期位于中上阿普特階,沉積厚度2 500m蒸發(fā)巖,為研究區(qū)主要蓋層(見圖2)。

圖1 圖1 桑托斯盆地A油田位置圖(據(jù)文獻(xiàn)[8]修改)Fig.1 Location of A oilfield in Santos Basin

圖2 桑托斯盆地A油田下白堊統(tǒng)地層柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[11]修改)Fig.2 Lower Cretaceous stratum of A oilfield, Santos Basin

2 微相及其巖類

研究區(qū)鹽下湖相碳酸鹽巖微相類型多樣,可大致分為3類:湖相微生物碳酸鹽巖類、湖相顆粒碳酸鹽巖類、湖相結(jié)晶碳酸鹽巖類。具體各類微相特征分述如下。

2.1 湖相微生物碳酸鹽巖類

微生物碳酸鹽巖微相劃分參考前人[7,17]的分類方案,分為疊層石(樹狀疊層石/Arborescent stromatolite、灌木狀疊層石/Shrubby stromatolite)、球狀微生物巖(spherulite)和層紋巖(微齒狀層紋巖/Slightly dentate laminate、平滑狀層紋巖/Smooth laminate)3類。

1)疊層石(MF1):疊層石主要分布于BVE100段。按照形態(tài)的不同,可進(jìn)一步劃分為樹狀疊層石(MF1a)和灌木狀疊層石(MF1b)。樹狀疊層石鏡下顯樹枝狀,高度遠(yuǎn)大于寬度,正交偏光下可見波狀消光現(xiàn)象(見圖3A，B),格架間被亮晶方解石充填,泥晶基質(zhì)較少。灌木狀疊層石鏡下顯灌木狀,高寬比小,與球狀微生物巖相伴生,正交偏光下亦可見波狀消光現(xiàn)象。

2)球狀微生物巖(MF2):球狀微生物巖主要分布于BVE200及其以上層位。大小不一,最大直徑接近2 mm(見圖3E)，圓度高,正交偏光鏡下十字消光現(xiàn)象典型(見圖3G),球狀結(jié)構(gòu)間充填泥晶基質(zhì)。通過對大量薄片的細(xì)致鑒定發(fā)現(xiàn),球狀微生物巖成分以方解石為主,即使在基質(zhì)已經(jīng)發(fā)生白云化時,球狀微生物巖顆粒仍為原始灰質(zhì)成分(見圖3F)。另一方面,當(dāng)球狀微生物巖發(fā)生溶蝕時,球狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部可見溶蝕孔洞(見圖3G),間接反映了球狀結(jié)構(gòu)部分穩(wěn)定性差,易于發(fā)生溶蝕作用。此外,球狀微生物巖的樣品陰極發(fā)光下呈橘紅色,基質(zhì)部分發(fā)光較暗，反映出球狀結(jié)構(gòu)與基質(zhì)成分存在顯著差異(見圖3H);掃描電鏡下可見灰質(zhì)微生物球狀結(jié)構(gòu)被基質(zhì)白云石包裹,也反映了二者在成分上的不同。

3)層紋巖(MF3):層紋巖呈明暗相間紋層結(jié)構(gòu),是研究區(qū)鹽下湖相微生物碳酸鹽巖的主要類型之一,主要分布于BVE200及其以下層位。根據(jù)紋層結(jié)構(gòu)、形態(tài)、起伏幅度等因素,將層紋巖分為微齒狀層紋巖(MF3a)和平滑狀層紋巖。微齒狀層紋巖紋層具有一定的起伏,剖面上呈微小齒狀,側(cè)向與半球狀微生物結(jié)構(gòu)相連(見圖3J)。平滑狀層紋巖起伏幅度較小,紋層呈近水平狀。按照顏色和伴生沉積構(gòu)造的不同,將平滑狀層紋巖進(jìn)一步分為灰褐色平滑狀層紋巖(MF3b)(見圖3K)和黃褐色平滑狀層紋巖(MF3c)(見圖3L,M,N)。灰褐色平滑狀層紋巖顏色較深,伴生沉積構(gòu)造較少。

研究發(fā)現(xiàn)，各類微生物巖微相形態(tài)的差異可能與造巖微生物的生長習(xí)性有關(guān)。在淺水高能相區(qū),光照充足,自養(yǎng)型微生物(如藍(lán)細(xì)菌等)光合作用效率高;此外,高能循環(huán)水體為異養(yǎng)型微生物的生長提供必需的養(yǎng)分,所以微生物巖生長效率高,使其呈現(xiàn)直立樹狀外形。另一方面,樹狀疊層石格架間，泥晶基質(zhì)較少,反映沉積期水動力較強,這一結(jié)論與上述樹狀微生物巖形成于淺水高能環(huán)境相吻合。而灌木狀微生物巖可能形成于水體稍深的環(huán)境下。隨著水體深度的增加,自養(yǎng)型微生物光合作用所需的陽光不足,異養(yǎng)型微生物所得養(yǎng)分也不足以滿足微生物的生長需求。為最大程度地獲取陽光及養(yǎng)分,在多種微生物的作用下,微生物巖表現(xiàn)為側(cè)向生長,高寬比變小,形成灌木狀形態(tài)。球狀微生物巖的形成水體深度介于疊層石和層紋巖之間。水體具有一定的深度,垂向光照和養(yǎng)分供給不足時,自養(yǎng)型微生物和異養(yǎng)型微生物橫向生長,在湖浪等水流作用下,最終形成現(xiàn)今圓球狀微生物結(jié)構(gòu)。層紋巖形成的水體深度最大[19-20],在較深水環(huán)境,光照和水流強度減弱,為獲得足夠的養(yǎng)料以及光合作用,微生物持續(xù)側(cè)向生長并達(dá)到最大表面積。此時,微生物側(cè)向生長的速率大于縱向生長的速率,形成現(xiàn)今微齒狀紋層橫向連接半球狀微生物的結(jié)構(gòu)?；液稚交瑺顚蛹y巖形成的水體可能較微齒狀層紋巖更深,依據(jù)有兩點:首先,灰褐色平滑狀層紋巖顏色更深,可能指示了其形成水體更深;其次,平滑狀層紋巖起伏幅度小,橫向無半球狀微生物結(jié)構(gòu)相連,可能指示了在更深水環(huán)境,陽光和水流強度進(jìn)一步降低,微生物側(cè)向生長達(dá)到最大程度時,由于養(yǎng)料稀少,光合作用速率極低,尚不足以形成球狀微生物結(jié)構(gòu)。黃褐色平滑狀層紋巖顏色較淺,局部可見窗狀孔構(gòu)造(見圖3N),窗狀孔為典型淺水暴露沉積(如潮坪)的指相構(gòu)造,結(jié)合沉積物顏色,黃褐色平滑狀層紋巖可能形成于水體較淺的濱湖環(huán)境。

2.2 湖相顆粒碳酸鹽巖類

顆粒碳酸鹽巖參考前人的分類方案[21],分為泥晶灰?guī)r(mudstone)、粒泥灰?guī)r(wackstone)、泥粒灰?guī)r(packstone)、顆?；?guī)r(grainstone)和礫屑灰?guī)r(rudstone)5類。各類微相具體沉積學(xué)特征分述如下。

1)泥晶灰?guī)r(MF4):該微相主要分布于BVE300及其以下層位。巖心上多顯灰褐色、灰黑色等還原色;單層厚度薄,一般為厘米級紋層。方解石晶體細(xì)小,泥—微晶級,偏光顯微鏡下，晶體形態(tài)和結(jié)構(gòu)不可辨(見圖4A)。古生物化石稀少,缺乏典型沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征。綜合沉積物的顏色、巖性、晶體大小等特征,綜合分析該微相主要指示了半深湖—深湖等深水還原環(huán)境。

A 樹狀微生物巖，BVE100段，薄片照片，單偏光；B 樹狀微生物巖，BVE100段，薄片照片，正交偏光；C 灌木狀微生物巖，BVE100段，薄片照片，單偏光；D 灌木狀微生物巖，BVE100段，薄片照片，正交偏光；E 球狀微生物巖，BVE200，薄片照片，單偏光；F 球狀微生物巖， BVE200，薄片照片，單偏光；G 球狀微生物巖， BVE100，薄片照片，正交偏光；H 巴西下白堊統(tǒng)球狀微生物巖陰極發(fā)光照片，據(jù)文獻(xiàn)[18]；I 巴西下白堊統(tǒng)球狀微生物巖掃描電鏡照片，據(jù)文獻(xiàn)[18]；J 微齒狀層紋巖，BVE300U，巖心照片；K 平滑狀層紋巖， BVE300U，薄片照片；L 平滑狀層紋巖，BVE200，巖心照片；M 平滑狀層紋巖，BVE200，巖心照片；N 平滑狀層紋巖，BVE200，薄片照片 圖3 研究區(qū)下白堊統(tǒng)微生物巖沉積微相類型Fig.3 Microfacies types of microbial carbonate in study area

A 泥晶灰?guī)r，BVE300U段，薄片照片，單偏光；B 粒泥灰?guī)r，BVE200段，薄片照片，正交偏光；C 泥?；?guī)r，ITP段，薄片照片，單偏光；D 顆?；?guī)r，BVE300U段，薄片照片，正交偏光；E 顆?；?guī)r，ITP段，薄片照片；F 顆粒灰?guī)r，雙殼類，ITP段，茜素紅染色薄片；G 礫屑灰?guī)r，硅化嚴(yán)重，ITP段，鑄體薄片；H 礫屑灰?guī)r，BVE100，巖心照片；I 礫屑灰?guī)r，BVE100，巖心照片 圖4 研究區(qū)下白堊統(tǒng)顆粒碳酸鹽巖沉積微相類型Fig.4 Microfacies types of granular carbonate in study area

2)粒泥灰?guī)r(MF5):該微相主要分布于BVE300及其以下層位,部分井BVE200也偶見。巖心上多呈灰褐色等還原色,單層厚度整體較薄,但較泥晶灰?guī)r層變厚。巖性及顆粒成分均以灰?guī)r為主,顆粒含量低，直徑較小(約0.05 mm);方解石基質(zhì)晶體細(xì)小,泥—微晶級(見圖4B)。古生物化石稀少,偶見介形蟲等小型廣鹽度生物化石,缺乏典型的指相構(gòu)造。綜合地層分布、顏色、巖性、古生物、巖性組合等特征,綜合分析該微相主要指示了半深湖等較深水環(huán)境。

3)泥?；?guī)r(MF6):該微相主要分布于BVE300U及其以下層位。巖心上多呈灰色、深灰色等淺還原色,單層厚度開始變厚,部分層段達(dá)到中層級別。巖性及顆粒成分均以灰?guī)r為主,顆粒類型以介形蟲、雙殼類等廣鹽度生物碎屑為主;方解石基質(zhì)晶體較小,泥—粉晶級(見圖4C)。綜合地層分布、顏色、巖性、古生物、巖性組合等特征分析，該微相主要指示了半深湖—淺湖等環(huán)境。

4)顆?；?guī)r(MF7):該微相主要分布于BVE300U，ITP等層段。按照生物碎屑成分的不同可細(xì)分為內(nèi)碎屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。內(nèi)碎屑灰?guī)r主要分布于BVE300U段,顆粒類型主要為半固結(jié)內(nèi)碎屑再沉積形成。由于未成巖階段的搬運作用,內(nèi)碎屑大小不一、形態(tài)不規(guī)則,內(nèi)碎屑間主要為亮晶方解石膠結(jié)物(見圖4D)。鮞?；?guī)r主要分布于ITP段,平面分布整體較局限,在研究區(qū)僅見于RJS-682，RJS-711等井區(qū)。鮞粒核心為疑似介形蟲碎屑,圈層結(jié)構(gòu)明顯,鮞粒間為亮晶膠結(jié)物(見圖4E)。由于后期熱液等成巖改造,原始亮晶方解石轉(zhuǎn)變?yōu)楣栀|(zhì)。生物碎屑灰?guī)r主要分布于ITP段，具有層厚大、平面分布廣、物性較好等特征。生物碎屑類型主要為雙殼類,成分為方解石。顆粒間被亮晶方解石膠結(jié),部分膠結(jié)物存在白云化現(xiàn)象(見圖4F)。顆粒和膠結(jié)物類型指示該微相代表了淺水高能沉積。

5)礫屑灰?guī)r(MF8):該微相主要分布于ITP段,另在部分井BVE100段偶見。ITP段礫屑灰?guī)r(MF8a)顆粒類型以廣鹽度雙殼類為主,顆粒間被亮晶方解石膠結(jié)(見圖4G),代表了淺水高能環(huán)境。BVE段礫屑灰?guī)r的礫屑(MF8b)成分主要為各類微生物巖,尤以疊層石等為主。顆粒間泥晶膠結(jié)物為主,反映可能為風(fēng)暴等事件沉積。

2.3 湖相結(jié)晶碳酸鹽巖類

按照巖性不同,將研究區(qū)湖相結(jié)晶碳酸鹽巖分為結(jié)晶灰?guī)r(MF9)、白云巖(MF10)和硅化巖(MF11)3類。整體而言,各類結(jié)晶碳酸鹽巖所占地層比例低，平面及縱向分布規(guī)律差。由于研究區(qū)湖相結(jié)晶碳酸鹽巖主要是成巖作用的產(chǎn)物,對原始沉積環(huán)境指相意義較差,其具體特征在本文中將不再贅述。

3 微相組合

在對612口取心井微相類型分析的基礎(chǔ)上,將沉積微相與古季風(fēng)研究相結(jié)合,總結(jié)其縱向微相組合,將其歸納為微生物丘微相組合、背風(fēng)坡丘后微相組合、迎風(fēng)坡丘前微相組合以及顆粒灘微相組合等4種典型的微相組合類型。各微相組合特征分述如下。

3.1 微生物丘微相組合

該微相組合主要發(fā)育于高位體系BVE100段,BVE200段偶見。由微生物巖相關(guān)的幾種微相組成。底部為平滑狀層紋巖(MF3b),向上過渡為微齒狀層紋巖(MF3a),中部為球狀微生物巖(MF2), 上部為灌木狀疊層石(MF1b), 頂部為樹狀疊層石(MF1a)。 部分井灌木狀疊層石不發(fā)育, 可由球狀微生物巖直接過渡為樹狀疊層石(見圖5)。 微生物丘微相組合單旋回厚度不大, 一般4～8 m,但多個旋回縱向疊加,可形成厚層碳酸鹽巖建隆。無鈾伽馬測井顯示,自下而上,泥質(zhì)含量減少,這一結(jié)論與地層膠結(jié)物組成相吻合。所以，該微相組合指示了一個向上變淺的過程。

3.2 背風(fēng)坡丘后微相組合

與微生物丘微相組合類似,該微相組合同樣主要發(fā)育于高位體系BVE100段,BVE200段偶見。由微生物巖相關(guān)的幾種微相組成，但微相組成較上一微相組合簡單。底部為平滑狀層紋巖(MF3b)或微齒狀層紋巖(MF3a),中部為球狀微生物巖(MF2),上部為灌木狀疊層石(MF1b),頂部樹狀疊層石(MF1a)少見(見圖5)。微生物丘微相組合單旋回厚度一般較小,小于5 m。橫向微相變化快且以層紋巖較發(fā)育為典型特征。自下而上，無鈾伽馬測井值逐漸變小，其同樣指示了一個向上變淺的過程。

3.3 迎風(fēng)坡丘前微相組合

該微相組合主要發(fā)育于高位體系BVE100段，由微生物巖和顆粒碳酸鹽巖相關(guān)的幾種微相組成。底部為粒泥灰?guī)r(MF5),向上過渡為泥?；?guī)r(MF6),中部為顆?；?guī)r(MF7),上部為礫屑灰?guī)r(MF8b),頂部為灌木狀疊層石(MF1b)(見圖5)。研究區(qū)東部RJS-722井區(qū)以東,地形坡度大,可由礫屑灰?guī)r直接過渡為粒泥灰?guī)r或泥?；?guī)r;或由礫屑灰?guī)r直接過渡為深水相泥灰?guī)r微相。迎風(fēng)坡丘前微相組合地層厚度稍大,一般為10～15 m。自然伽馬曲線顯示為中—低幅度的漏斗形。自下而上,伽馬曲線值逐漸變小,反映水動力增強,泥質(zhì)含量降低，指示了一個水體向上變淺的過程。

3.4 顆粒灘微相組合

該微相組合主要發(fā)育于高位體系ITP段，由顆粒碳酸鹽巖相關(guān)的幾種微相組成。底部為微齒狀層紋巖(MF3a),中部為顆粒灰?guī)r(MF7),上部為礫屑灰?guī)r(MF8a)(見圖5)。底部層紋巖段內(nèi)可見介形蟲等廣鹽度生物。該顆粒灘微相組合地層厚度最大,達(dá)20～30 m。自然伽馬曲線顯示為中—低幅度的疊置箱形。底部層紋巖段泥質(zhì)含量高,中上部顆粒碳酸鹽巖段泥質(zhì)含量逐漸降低,同樣指示了一個水體向上變淺的過程。研究區(qū)大多數(shù)井ITP段均鉆遇該微相組合。

4 沉積相模式

在沉積微相識別和微相類型總結(jié)的基礎(chǔ)上,將巖心與測井資料相結(jié)合,完成了研究區(qū)單井相解剖(見圖6)。從典型井相解剖可以發(fā)現(xiàn):縱向上,自下而上，水體逐漸變淺,沉積相從PIC段的半深湖過渡到BVE100段微生物丘和丘間洼地沉積的格局。顆粒灘主要發(fā)育于ITP段,BVE300以層紋巖沉積為主,結(jié)合其內(nèi)伴生薄層疊層石,將其解釋為臺內(nèi)凹陷沉積。疊層石主要發(fā)育在BVE100段,按照巖性疊置關(guān)系,識別出微生物丘、迎風(fēng)坡丘前、背風(fēng)坡丘后、丘間洼地等微相組合類型。

圖5 研究區(qū)下白堊統(tǒng)湖相碳酸鹽巖沉積微相組合Fig.5 Microfacies association of lower Cretaceous microbial carbonate in study area

結(jié)合三維地震、古季風(fēng)研究成果等資料,本研究僅建立了BVE段沉積模式,具體如圖7所示。從該沉積模式可以看出,研究區(qū)平面上呈“三隆夾兩凹”的沉積格局。隆起高部位為微生物丘微相組合,丘間被低能丘間洼地分割,各隆起東側(cè)為迎風(fēng)坡丘前,西側(cè)為背風(fēng)坡丘后沉積微相組合。

圖6 研究區(qū)下白堊統(tǒng)湖相微生物碳酸鹽巖單井相模式Fig.6 Single well facies analysis of lower Cretaceous microbial carbonate in study area

圖7 研究區(qū)下白堊統(tǒng)湖相碳酸鹽巖沉積相模式Fig.7 Sedimentary model of lower Cretaceous lacustrine carbonate in study area

5 結(jié) 論

1)根據(jù)碳酸鹽巖中微生物、顆粒和晶粒的含量,將研究區(qū)湖相碳酸鹽巖分為湖相微生物碳酸鹽巖、湖相顆粒碳酸鹽巖和湖相結(jié)晶碳酸鹽巖3大類。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)微生物形態(tài)、顆?；夷嗪?、結(jié)晶碳酸鹽巖礦物成分等特征,將上述3大類湖相碳酸鹽巖分為疊層石、球狀微生物巖、層紋巖、泥晶灰?guī)r、粒泥灰?guī)r、泥粒灰?guī)r、顆?；?guī)r、礫屑灰?guī)r、結(jié)晶灰?guī)r、白云巖、硅質(zhì)巖等11種微相類型。

2)在各類微相疊置關(guān)系分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合其平面分布、古季風(fēng)等研究成果,將研究區(qū)11種微相歸納為微生物丘微相組合、迎風(fēng)坡丘前微相組合、背風(fēng)坡丘后微相組合以及顆粒灘微相組合4種微相組合。

3)建立了研究區(qū)湖相微生物碳酸鹽巖沉積相模式:在拗陷期,研究區(qū)呈三隆夾兩凹的沉積格局,東部隆起地層厚度最大,微生物丘發(fā)育程度最高,中西部隆起相對較差。

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