川東南志留系小河壩組致密砂巖儲(chǔ)層粒度特征及其環(huán)境指示意義

柳 昊，田亞銘*，鄧 劍，王 勇，趙凱莉

(1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.中國(guó)石油化工股份有限公司勘探分公司，成都 610041)

粒度是碎屑沉積物最基本的物理特征[1]，當(dāng)沉積環(huán)境變化時(shí)，粒度特征往往會(huì)有相應(yīng)的變化[2]。粒度參數(shù)建立的相關(guān)函數(shù)及圖解如Sahu函數(shù)、C-M圖均可作為判別沉積環(huán)境的重要參考標(biāo)志[3]。

研究人員利用粒度資料取得了豐厚的研究成果，喬岳強(qiáng)等[4]通過(guò)粒度分析的方法判斷北京周口楊家屯組砂巖和礫巖均為河流相沉積；Liu等[5]利用端元分析法模型從青藏高原庫(kù)賽湖沉積的粒度數(shù)據(jù)中分離出與東亞冬季風(fēng)有關(guān)的組分；張旻旻等[3]歸納總結(jié)了遼西興城地區(qū)粒度資料，提出粒度資料可以作為判斷沉積環(huán)境的重要依據(jù)之一；陳俊飛等[6]根據(jù)粒度參數(shù)與孔滲的關(guān)系推測(cè)水下分流河道砂體是致密油賦存的有利相帶。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，粒度分析的手段也發(fā)生了翻天覆地的變化。孫東懷等[7]、王為等[8]學(xué)者通過(guò)WEIBULL、MATLAB軟件的函數(shù)功能等方法進(jìn)行了粒度分析；Blott等[9]用VB語(yǔ)言借助Excel開(kāi)發(fā)專用粒度分析軟件GRADISTAT；馮靜等[10]提出利用Origin軟件可以求解不同沉積環(huán)境沉積物樣本的粒度百分位數(shù)，因操作簡(jiǎn)單可作為沉積粒度分析的通用軟件。

川東南志留系小河壩組為一套海相碎屑巖，朱志軍[11]通過(guò)巖石薄片粒度分析總結(jié)了川東南-湘西地區(qū)的志留系小河壩組砂巖主要粒度概率曲線類型；王旭[12]通過(guò)粒度分析認(rèn)為小河壩組沉積物搬運(yùn)方式主要為跳躍式、懸浮式。前人利用粒度資料收獲頗豐，但并沒(méi)有學(xué)者關(guān)注到粒度資料的縱向的變化情況，目前缺乏系統(tǒng)的粒度分析，對(duì)其所反映出的沉積過(guò)程、能量、環(huán)境變化等研究存在不足，小河壩組沉積環(huán)境的認(rèn)識(shí)還存著較大爭(zhēng)議，不同學(xué)者提出該研究區(qū)屬于淺水陸棚、三角洲、低能淺水三角洲、潮控淺水陸棚潮汐砂壩等沉積環(huán)境[13]?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)小河壩組四條實(shí)測(cè)剖面較系統(tǒng)的粒度分析及對(duì)比研究，開(kāi)展粒度C-M圖、sahu函數(shù)的特征以及參數(shù)縱向變化的對(duì)比分析，對(duì)研究區(qū)能量變化、水動(dòng)力條件等加以討論，以期明確川東南志留系小河壩組縱向粒度變化特征，進(jìn)而為沉積環(huán)境的分析提供輔助幫助。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的西北端，如圖1所示從西向東劃分為川西低陡構(gòu)造帶、川中低緩構(gòu)造帶、川南低陡構(gòu)造帶、川北低陡構(gòu)造帶、川東高陡構(gòu)造帶等二級(jí)構(gòu)造單元[14]。川東南地區(qū)位于四川盆地東南部，該區(qū)志留系由一套淺海相頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖及灰?guī)r組成，沉積厚度在980～1 360 m，地層劃分為下統(tǒng)龍馬溪組、小河壩(石牛欄)組和中統(tǒng)韓家店組，與上覆二疊系成不整合接觸(表1)。志留系下統(tǒng)小河壩組(S1x)主要為一套灰、黃灰色薄-厚層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量粉砂質(zhì)泥巖。巖石類型以長(zhǎng)石石英粉砂巖為主，碎屑顆粒粒徑主要為粉砂級(jí)，磨圓以次棱角-次圓狀為主，顆粒支撐。礦物碎屑中石英含量最高，長(zhǎng)石其次。主要巖屑為沉積巖巖屑，局部含有少量的生物碎屑。膠結(jié)方式以孔隙式膠結(jié)為主，成分成熟度中等，鑄體薄片鏡下觀察表明，主要的孔隙類型主要為溶蝕孔，孔隙度在0.42%～11.12%，平均2.39%，滲透率在0.005～57.04 mD，為低孔低滲儲(chǔ)層。[15-18]

圖1 川東南志留系小河壩組構(gòu)造位置圖(根據(jù)參考文獻(xiàn)[13]修編)Fig.1 Tectonic location of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan(modified from ref.[13])

表1 川東南地區(qū)奧陶紀(jì)-志留紀(jì)地層簡(jiǎn)表(據(jù)參考文獻(xiàn)[18])Table 1 Brief table of Ordovician-Silurian strata in southeastern Sichuan(modified from ref.[18])

2 樣品采集與測(cè)試方法

粒度分析樣品通過(guò)川東南地區(qū)雙流壩剖面(SL)、回龍場(chǎng)剖面(HL)、浩口剖面(HK)、小河剖面(XH)四條志留系小河壩組剖面的實(shí)地測(cè)量，自下而上進(jìn)行了較系統(tǒng)的樣品采集，共采樣品78塊，進(jìn)行薄片磨制與系統(tǒng)鑒定分析。采用薄片圖像分析法，基于顯微鏡成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)二維圖測(cè)量技術(shù)進(jìn)行粒徑測(cè)量。檢測(cè)儀器為英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度儀，測(cè)量范圍為0.02～2 000 μm。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

3 粒度特征

3.1 粒度參數(shù)特征

粒度特征參數(shù)有平均粒徑(Mz單位為φ,φ=log2d,d為顆粒直徑，μm)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)、偏度(SK)、峰度(Kg)等，不同的沉積環(huán)境存在不同的水動(dòng)力條件和搬運(yùn)方式，從而導(dǎo)致沉積物粒度的差異[19]。

川東南志留系小河壩組4條實(shí)測(cè)剖面中，平均粒徑范圍為(3.56～6.18)φ，均值為4.49φ，其中浩口剖面平均粒徑均值最大為5.24φ，雙流壩剖面均值最小為4.13φ。準(zhǔn)偏差分布范圍為0.44～1.96，平均值為1.14，其中浩口剖面標(biāo)準(zhǔn)偏差均值最大為1.49，雙流壩標(biāo)準(zhǔn)偏差均值最小為1.03。偏度分布范圍為0.38～3.63，均值為2.4，峰度的波動(dòng)范圍是1.4～20.7，平均9.42(表2)，粒度參數(shù)顯示小河壩組巖性以粗粉砂為主，整體動(dòng)能弱分選性差，頻率曲線為很尖銳的極正偏態(tài)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)雙流壩地區(qū)水動(dòng)力條件最強(qiáng)，顆粒分選性較好，浩口地區(qū)水動(dòng)力條件相對(duì)最弱，顆粒分選性相對(duì)較差。分析四條剖面粒度參數(shù)關(guān)系可以看出偏度和峰度相關(guān)性最好，R2=0.913 7(圖2)，表明粒度集中情況影響粒度曲線形態(tài)。

縱向來(lái)看回龍場(chǎng)、雙流壩地區(qū)參數(shù)曲線變化趨勢(shì)具有一定的相似性(圖3)，參數(shù)曲線自下而上經(jīng)歷了平緩—陡峭—平緩—陡峭的變化過(guò)程，揭示該地區(qū)水體動(dòng)能經(jīng)歷了平穩(wěn)—?jiǎng)邮帯椒€(wěn)—?jiǎng)邮幍淖兓^(guò)程。浩口地區(qū)、小河地區(qū)參數(shù)曲線自下而上變化過(guò)程為平緩—較平緩—陡峭，反應(yīng)水體環(huán)境由平穩(wěn)逐漸變得動(dòng)蕩。粒度參數(shù)顯示雙流壩、回龍場(chǎng)地區(qū)經(jīng)歷了相似的沉積過(guò)程(圖4)，浩口、小河地區(qū)經(jīng)歷了相同的沉積過(guò)程。

圖2 偏度-峰度相關(guān)性散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of skewness-kurtosis correlation

表2 川東南志留系小河壩組實(shí)測(cè)剖面粒度參數(shù)匯總表Table 2 Summary table of granularity parameters of the measured profile of the Silurian Xiaoheba Formation in southeast Sichua

3.2 粒度頻率曲線特征及類型

頻率曲線分單峰態(tài)、雙峰態(tài)和多峰態(tài)，單峰態(tài)表示沉積物成分單一，受比較穩(wěn)定的水流作用影響，雙峰態(tài)表示沉積物主要由兩種成分組成，在沉積過(guò)程中水流環(huán)境比較動(dòng)蕩，多峰態(tài)表明水體條件更加復(fù)雜[20]。

小河壩組頻率曲線類型為雙峰態(tài)和多峰態(tài)，未見(jiàn)單峰態(tài)曲線。頻率曲線主要為雙峰態(tài)曲線，占比66.67%(圖5)。雙流壩、回龍場(chǎng)、小河剖面頻率曲線類型以雙峰態(tài)為主，占比分別為76.2%、88.24%、58.33%，曲線峰值在4φ，次峰不突出(圖3、圖4)。

圖5 川東南志留系小河壩組頻率曲線統(tǒng)計(jì)圖Fig.5 Frequency curve statistics chart of Xiaoheba Formation of Silurian in southeastern Sichuan

浩口剖面頻率曲線類型以多峰態(tài)為主，占比56.25%，曲線中出現(xiàn)多個(gè)主峰，主峰粒度多集中在4φ和8φ左右，黏土礦物(φ>8)含量相對(duì)增加，可能由于次峰流水作用導(dǎo)致堆積增多，水動(dòng)力條件更加復(fù)雜。

縱向分析發(fā)現(xiàn)4條剖面雙峰態(tài)曲線和多峰態(tài)曲線交相出現(xiàn)，研究區(qū)整體的水動(dòng)力條件復(fù)雜。存在兩種水流作用共同影響，根據(jù)后文概率累積曲線、實(shí)測(cè)剖面等判斷小河壩組受到河流作用和波浪作用共同影響。

3.3 粒度概率累積曲線特征及類型

朱志軍[11]根據(jù)小河壩組概率曲線類型，將其分為一跳一懸、兩跳一懸式、一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式、滾動(dòng)跳躍懸浮式(表3)。按照此分類，本次研究揭示川東南志留系小河壩組的粒度概率曲線具有以下特征。

(1)小河壩組概率累積曲線主要為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式，占比52.57%(圖6)，滾動(dòng)跳躍懸浮式占比最小為6.41%，可忽略不計(jì)。雙流壩、回龍場(chǎng)剖面概率累積曲線類型主要為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式，占比分別為71.43%、58.82%，小河剖面曲線類型主要為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式、一跳一懸式、占比同為42.85%，浩口剖面曲線主要為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式和兩跳一懸式，占比分別為37.5%、31.25%。

圖6 川東南志留系小河壩組概率曲線統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Probability Curve Statistics Chart of the Silurian Xiaoheba Formation in Southeast Sichuan

(2)縱向來(lái)看，在雙流壩、回龍場(chǎng)剖面中(圖3)，概率曲自下而上變化趨勢(shì)為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式—兩跳一懸式為主—一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式為主—一跳一懸式、兩跳一懸式混雜。浩口、小河剖面中(圖4)，概率曲線自下而上呈現(xiàn)出一跳一懸式—一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式為主-一跳一懸式、兩跳一懸式為主的變化過(guò)程。

(3)野外剖面觀察顯示(圖7)研究區(qū)小河壩組為砂泥巖剖面結(jié)構(gòu)，砂體主要呈席狀平行分布，沉積構(gòu)造主要為浪成波痕層面構(gòu)造，砂紋層理、平行層理等，河道沉積結(jié)構(gòu)特征、沖刷構(gòu)造及暴露構(gòu)造不發(fā)育。綜合判斷研究區(qū)小河壩組沉積環(huán)境為三角洲前緣沉積環(huán)境，回龍場(chǎng)、雙流壩地區(qū)自下而上經(jīng)歷了三角洲前緣河口壩—席狀砂—三角洲前緣河口壩—席狀砂的沉積旋回；小河、浩口地區(qū)經(jīng)歷了自下而上經(jīng)歷了三角洲前緣水下分流河道—三角洲前緣河口壩—席狀砂。

表3 川東南志留系小河壩組概率累積曲線特征及沉積環(huán)境指示[11]Table 3 Probability cumulative curve characteristics and sedimentary environment indications of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan[11]

3.4 粒度分析環(huán)境解釋

C-M圖解是表示沉積物結(jié)構(gòu)和沉積作用關(guān)系的集合圖解，可與其他要素共同判別沉積環(huán)境[21]。如圖8所示數(shù)據(jù)點(diǎn)在QR、RS均有分布，主要分布在QR段，整體屬于牽引流沉積，以遞變懸浮為主，含少量滾動(dòng)搬運(yùn)組分，為三角洲沉積環(huán)境的水動(dòng)力特征。值得注意的是RS段的樣品均來(lái)自浩口剖面，由此也能說(shuō)明浩口地區(qū)水動(dòng)力條件相對(duì)較弱。

Sahu求得了各類沉積環(huán)境判別函數(shù)[22]，在淺海-河流(三角洲)判別公式中，各樣品計(jì)算結(jié)果都小于-7.419 0，均值為-21.89，在河流(三角洲)-濁流判別公式中所得數(shù)據(jù)均大于9.843 3，平均68.68(表4)。計(jì)算結(jié)果顯示小河壩組沉積環(huán)境為河流-三角洲沉積環(huán)境。

圖8 川東南志留系小河壩組粒度C-M圖Fig.8 C-M diagram of grain size of Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan

表4 川東南志留系小河壩組Sahu函數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 4 The results of Sahu function of the Silurian Xiaoheba Formation in southeastern Sichuan

4 結(jié)論

(1)小河壩組粒度平均粒徑均值為4.49、標(biāo)準(zhǔn)偏差均值為1.14、偏度均值為2.40、峰度均值9.42，粒度參數(shù)表明整體水體動(dòng)能較低，沉積物粒度細(xì)分選差，其中雙流壩地區(qū)水體動(dòng)能相對(duì)較強(qiáng)，浩口地區(qū)水體動(dòng)能相對(duì)較弱。偏度和峰度之間存在一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)R2=0.913 7。

(2)頻率曲線主要類型為雙峰態(tài)，縱向表現(xiàn)為雙峰態(tài)多峰態(tài)交相出現(xiàn)，概率累積曲線類型主要為一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式、兩跳一懸式、一跳一懸式。小河、浩口地區(qū)自下而上經(jīng)歷了一跳一懸式—一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式為主—一跳一懸式、兩跳一懸式為主的變化，回龍場(chǎng)、雙流壩地區(qū)自下而上呈現(xiàn)出一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式—兩跳一懸式為主—一跳一懸?jiàn)A過(guò)渡式為主—一跳一懸式、兩跳一懸式為主的特點(diǎn)。

(3)剖面觀察顯示小河壩為砂泥巖剖面結(jié)構(gòu)，砂體主要呈席狀平行分布，沉積構(gòu)造主要為浪成波痕層面構(gòu)造，砂紋層理、平行層理等，河道沉積結(jié)構(gòu)特征、沖刷構(gòu)造不發(fā)育。

(4)綜合粒度概率累積曲線縱向變化，輔以粒度頻率曲線、剖面認(rèn)識(shí)、粒度C-M圖、Sahu函數(shù)判斷川東南志留系小河壩組受到河流作用和波浪作用共同影響，沉積環(huán)境為三角洲前緣，其中回龍場(chǎng)、雙流壩地區(qū)自下而上經(jīng)歷了河口壩—席狀砂—河口壩—席狀砂的沉積旋回，小河、浩口地區(qū)沉積環(huán)境經(jīng)歷了水下分流河道—河口壩—席狀砂的變化。